Acoustique passive et peuplements benthiques avec applications aux études d'impact EMR

Understanding the spatial and temporal dynamics of benthic populations, both natural and induced by anthropogenic pressures, requires new observation methods with high temporal resolution and long periods of measurement. The recording and analysis of sounds produced in the marine environment give access to the soundscape, and in particular to one of its biological components, the benthic biophony. Observing the spatiotemporal variability of this benthic biophony, in order to contribute to the evaluation of the structure, functioning, state and evolution of the benthic compartment, is the main objective of the thesis. To do this we have developed two tools to evaluate the spatial variability of these emissions with one sensor or more. The first is a descriptor of the shape of the spectra of the benthic snaps allowing to better characterize the diversity of benthic biophony. The second is a method of three-dimensional localization of the benthic sound sources and mapping of this biophony for spatial scales ranging from 500 meters to 5 meters. Using these two tools, we have demonstrated the feasibility of benthos monitoring through its biophony at specific sites. In an applicative part, we were interested in sites of production of marine renewable energies and the understanding and observation of their impacts on the marine fauna. On a workshop site of geometry similar to that of an offshore wind farm, we defined, realized and analyzed a proof of concept for the observability of a binary impact: presence or absence of fixed benthic fauna in a sentinel area of a few square meters. The thesis work was concluded by a study measuring the sound level radiated by a tidal current turbine in the energy production phase (Paimpol-Bréhat) and then evaluating the acoustic impacts on three biological compartments: marine mammals, fish and invertebrates.La compréhension de la dynamique spatiale et temporelle des peuplements benthiques qu’elle soit naturelle et induite par des forçages anthropiques, nécessite de nouvelles méthodes d'observation du benthos avec des besoins affichés de haute résolution temporelle et de longues périodes de mesures. L'enregistrement et l’analyse des sons produits dans l’environnement marin donnent accès au paysage acoustique, et notamment à l’une de ses composantes biologiques la biophonie benthique. Observer les variabilités spatio-temporelles de cette biophonie benthique, afin de contribuer à l'évaluation de la structure, du fonctionnement, de l’état et des évolutions du compartiment benthique, constitue l'objectif principal de la thèse. Pour ce faire nous avons développé deux outils permettant d'évaluer la variabilité spatiale de ces émissions avec un ou plusieurs capteurs. Le premier est un descripteur de la forme des spectres des impulsions du benthos permettant de mieux caractériser la diversité de la biophonie benthique. Le second est une méthode de localisation tridimensionnelle des sources sonores benthiques et de cartographie de cette biophonie pour des échelles spatiales allant de 500 mètres jusqu’à 5 mètres. En utilisant ces deux outils, nous avons démontré la faisabilité de l'observation du benthos au travers de sa biophonie sur des sites spécifiques. Dans une partie applicative, nous nous sommes intéressés aux projets de site de production d’énergies marines renouvelables et à la compréhension et à l’observation de leurs impacts sur la faune marine. Sur un site atelier de géométrie similaire à celle d’une ferme d’éoliennes offshores, nous avons défini, réalisé et analysé une preuve de concept pour l’observabilité d’un effet de type binaire : présence ou absence de faune fixée dans une surface sentinelle de quelques mètres carré. Les travaux de thèse ont été conclus par une étude mesurant le niveau sonore rayonné par une hydrolienne en phase de production d’énergie (Paimpol-Bréhat) puis évaluant les impacts acoustiques sur trois compartiments biologiques : les mammifères marins, les poissons et les invertébrés

Passive acoustics and benthic populations with applications to MRE impact assessments

La compréhension de la dynamique spatiale et temporelle des peuplements benthiques qu’elle soit naturelle et induite par des forçages anthropiques, nécessite de nouvelles méthodes d'observation du benthos avec des besoins affichés de haute résolution temporelle et de longues périodes de mesures. L'enregistrement et l’analyse des sons produits dans l’environnement marin donnent accès au paysage acoustique, et notamment à l’une de ses composantes biologiques la biophonie benthique. Observer les variabilités spatio-temporelles de cette biophonie benthique, afin de contribuer à l'évaluation de la structure, du fonctionnement, de l’état et des évolutions du compartiment benthique, constitue l'objectif principal de la thèse. Pour ce faire nous avons développé deux outils permettant d'évaluer la variabilité spatiale de ces émissions avec un ou plusieurs capteurs. Le premier est un descripteur de la forme des spectres des impulsions du benthos permettant de mieux caractériser la diversité de la biophonie benthique. Le second est une méthode de localisation tridimensionnelle des sources sonores benthiques et de cartographie de cette biophonie pour des échelles spatiales allant de 500 mètres jusqu’à 5 mètres. En utilisant ces deux outils, nous avons démontré la faisabilité de l'observation du benthos au travers de sa biophonie sur des sites spécifiques. Dans une partie applicative, nous nous sommes intéressés aux projets de site de production d’énergies marines renouvelables et à la compréhension et à l’observation de leurs impacts sur la faune marine. Sur un site atelier de géométrie similaire à celle d’une ferme d’éoliennes offshores, nous avons défini, réalisé et analysé une preuve de concept pour l’observabilité d’un effet de type binaire : présence ou absence de faune fixée dans une surface sentinelle de quelques mètres carré. Les travaux de thèse ont été conclus par une étude mesurant le niveau sonore rayonné par une hydrolienne en phase de production d’énergie (Paimpol-Bréhat) puis évaluant les impacts acoustiques sur trois compartiments biologiques : les mammifères marins, les poissons et les invertébrés.Understanding the spatial and temporal dynamics of benthic populations, both natural and induced by anthropogenic pressures, requires new observation methods with high temporal resolution and long periods of measurement. The recording and analysis of sounds produced in the marine environment give access to the soundscape, and in particular to one of its biological components, the benthic biophony. Observing the spatiotemporal variability of this benthic biophony, in order to contribute to the evaluation of the structure, functioning, state and evolution of the benthic compartment, is the main objective of the thesis. To do this we have developed two tools to evaluate the spatial variability of these emissions with one sensor or more. The first is a descriptor of the shape of the spectra of the benthic snaps allowing to better characterize the diversity of benthic biophony. The second is a method of three-dimensional localization of the benthic sound sources and mapping of this biophony for spatial scales ranging from 500 meters to 5 meters. Using these two tools, we have demonstrated the feasibility of benthos monitoring through its biophony at specific sites. In an applicative part, we were interested in sites of production of marine renewable energies and the understanding and observation of their impacts on the marine fauna. On a workshop site of geometry similar to that of an offshore wind farm, we defined, realized and analyzed a proof of concept for the observability of a binary impact: presence or absence of fixed benthic fauna in a sentinel area of a few square meters. The thesis work was concluded by a study measuring the sound level radiated by a tidal current turbine in the energy production phase (Paimpol-Bréhat) and then evaluating the acoustic impacts on three biological compartments: marine mammals, fish and invertebrates

Raw acoustic data

10 min recording samples of each of the two maerl beds (fished and unfished

Data from: Marine soundscape shaped by fishing activity

Marine communities face anthropogenic pressures that degrade ecosystems. Because underwater soundscapes carry information about habitat quality, we explored whether destructive impacts of fishing could be evaluated via the soundscape. Maerl beds are recognized as biodiversity hotspots and they experience major worldwide degradation owing to fishing. We collected field acoustic recordings in maerl beds exposed to different fishing practices. We found that unfished maerl beds were threefold louder and exhibited sound frequencies more diversified than those recorded in fished maerl beds. Analyses of associated fauna samples indicated that snapping shrimps provided a major contribution to the maerl bed soundscape. Moreover, sea urchins and squat lobsters most likely contributed to differences between the soundscapes of unfished and fished maerl beds. Our results supported the idea that the soundscape can provide valuable information on maerl bed ecosystem health related to fishing activity

Marine soundscape shaped by fishing activity

International audienceMarine communities face anthropogenic pressures that degrade ecosystems. Because underwater soundscapes carry information about habitat quality, we explored whether destructive impacts of fishing could be evaluated via the soundscape. Maerl beds are recognized as biodiversity hotspots and they experience major worldwide degradation owing to fishing. We collected field acoustic recordings in maerl beds exposed to different fishing practices. We found that unfished maerl beds were threefold louder and exhibited sound frequencies more diversified than those recorded in fished maerl beds. Analyses of associated fauna samples indicated that snapping shrimps provided a major contribution to the maerl bed soundscape. Moreover, sea urchins and squat lobsters most likely contributed to differences between the soundscapes of unfished and fished maerl beds. Our results supported the idea that the soundscape can provide valuable information on maerl bed ecosystem health related to fishing activity

Marine soundscape shaped by fishing activity

International audienceMarine communities face anthropogenic pressures that degrade ecosystems. Because underwater soundscapes carry information about habitat quality, we explored whether destructive impacts of fishing could be evaluated via the soundscape. Maerl beds are recognized as biodiversity hotspots and they experience major worldwide degradation owing to fishing. We collected field acoustic recordings in maerl beds exposed to different fishing practices. We found that unfished maerl beds were threefold louder and exhibited sound frequencies more diversified than those recorded in fished maerl beds. Analyses of associated fauna samples indicated that snapping shrimps provided a major contribution to the maerl bed soundscape. Moreover, sea urchins and squat lobsters most likely contributed to differences between the soundscapes of unfished and fished maerl beds. Our results supported the idea that the soundscape can provide valuable information on maerl bed ecosystem health related to fishing activity

Cartographie de la biophonie des écosystèmes côtiers

1922 segments de 10 secondes de mesures sonores ont été enregistrés dans une zone de 4 km² comprise entre le trait de côte et l’isobathe 50 m à la pointe de la Revelatta (Calvi, Corse). Nous caractérisons le paysage acoustique de cette zone complexe qui présente 4 habitats (roche, herbier, sable et coralligène) entrelacés. Le SPL calculé sur la bande biophonique [2 kHz, 40 kHz] est maximum sur la frange rocheuse et décroît vers le large en suivant la régression SPL (Sound pressure Level, dB re. 1μPa) = 147 – 14log10(r) où r est la distance à la côte. Ce modèle de régression s’appuyant sur des considérations énergétiques uniquement laisse penser que les émissions sonores de la roche sont fortes et qu’elles se propagent vers les autres habitats dont les biophonies ne seraient que des captations de celle de la roche. Pour évaluer la validité de cette hypothèse, nous avons étudié la diversité des formes spectrales mesurées. Pour cela, nous avons calculé une analyse en composantes principales (ACP) des 2 millions de spectres collectés. Les deux premières valeurs propres de l’ACP résument plus de 50 % de la variabilité totale des spectres et 80 % de la variabilité de la forme des impulsions. Les scores 1 et 2 de l’ACP forment un nuage continu que nous avons segmenté en 4 familles en fonction du quadrant du plan {score 1, score 2} auquel ils appartiennent. Ces 4 familles définissent 3 signatures spectrales de la biophonie du site étudié (les signatures des quadrants 1 et 2 étant proches) : des impulsions présentant un maximum marqué vers 3 et 4 kHz, des impulsions présentant une bosse entre 5 et 12 kHz, des impulsions présentant un maximum haute fréquence au-delà de 20 kHz. Les 4 proportions des impulsions générées par un habitat dans les quatre quadrants du plan {score 1, score 2} de l’ACP sont proposées comme descripteur de la diversité des formes spectrales de la biophonie d’un habitat. À partir de ce quadruplet de descripteurs, nous avons pu affiner la description du paysage acoustique, bâti initialement sur des considérations énergétiques. Les signatures spectrales des 4 habitats sont constituées des mêmes quatre ingrédients mais dans des proportions différentes. Le coralligène possède une biophonie spécifique différente des autres habitats et cette biophonie est créée par des impulsions hautes fréquences émises au sein du coralligène. La roche présente une production sonore forte avec une grande proportion d’impulsions basses fréquences autour de 3 à 4 KHz. L’herbier et le sable ne produisent pas ou peu d’impulsions, l’herbier écoute la production sonore de la roche alors que le sable écoute celles de la roche et du coralligène.1922 10s-long snapshots of sounds have been measured in a small 4km2 coastal area (depth from 0 m to 50 m) near the pointe of Revelatta, (Calvi, Corse). Our aim is to build the soundscape of this complex area hosting 4 interleaved habitats (rocks, seagrass, sand, coralligenous). Wide Band [2 kHz, 40 kHz] SPL is maximum at the rocks and decrease offshore with the regression law: SPL (dB re.1μPa) = 147 – 14log10(r) with r the distance to the coastline. The range of detection of the biophony of the rocks extends from 1800m to 8300m. This regression law based on energetic criteria only allows to think that the biophony of the rocks is loud and propagates to the others habitats. We assess the diversity of the spectral shape of the biophony by computing the PCA of 2 million of measured spectra. The two first eigenvalues explain 50% of the spectral variability. The spectra and their scores 1 and 2 create a continuous cloud in {score 1, score 2} plan. Then, we propose to segment the data in 4 quadrants depending of the sign of score 1 and score 2 of the PCA. Each quadrant produces a family of spectral signatures (spectrum with high peak at 3 kHz and 4 KHz, spectrum with wide bump between 5 kHz and 12 kHz, spectrum with maximum at high frequency more than 20 kHz). The 4 proportions of impulses from a given habitat in each of the 4 quadrants are proposed to describe the diversity of spectrum shape of this habitat. For our data base, each habitat hosted the four families of spectral signature but with different proportions. The coralligenous hosts its own sound production with high frequency impulses. The rocks hosts its own sound production with low frequency impulses. Seagrass habitats listen to the rocks and sand habitats listen to the rocks and the coralligenous

Underwater operational noise level emitted by a tidal current turbine and its potential impact on marine fauna

International audienc

Biogeography of acoustic biodiversity of NW Mediterranean coralligenous reefs

WOS:000687326500015International audienceMonitoring the biodiversity of key habitats and understanding the drivers across spatial scales is essential for preserving ecosystem functions and associated services. Coralligenous reefs are threatened marine biodiversity hotspots that are challenging to monitor. As fish sounds reflect biodiversity in other habitats, we unveiled the biogeography of coralligenous reef sounds across the north-western Mediterranean using data from 27 sites covering 2000 km and 3 regions over a 3-year period. We assessed how acoustic biodiversity is related to habitat parameters and environmental status. We identified 28 putative fish sound types, which is up to four times as many as recorded in other Mediterranean habitats. 40% of these sounds are not found in other coastal habitats, thus strongly related to coralligenous reefs. Acoustic diversity differed between geographical regions. Ubiquitous sound types were identified, including sounds from top-predator species and others that were more specifically related to the presence of ecosystem engineers (red coral, gorgonians), which are key players in maintaining habitat function. The main determinants of acoustic community composition were depth and percentage coverage of coralligenous outcrops, suggesting that fish-related acoustic communities exhibit bathymetric stratification and are related to benthic reef assemblages. Multivariate analysis also revealed that acoustic communities can reflect different environmental states. This study presents the first large-scale map of acoustic fish biodiversity providing insights into the ichthyofauna that is otherwise difficult to assess because of reduced diving times. It also highlights the potential of passive acoustics in providing new aspects of the correlates of biogeographical patterns of this emblematic habitat relevant for monitoring and conservation