Géophysique appliquée

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Les géophysiciens doivent souvent installer de l'équipement sur le terrain. Ici, un numériseur de données sismiques et un disque dur reliés par un câblage SCSI de terrain.

La géophysique appliquée est une branche de la géophysique qui utilise des méthodes pour mesurer les propriétés physiques du sous-sol terrestre, afin de détecter ou de déduire la présence et la position des concentrations de minerais et d'hydrocarbures.

Exploration géophysique[modifier | modifier le code]

L'exploration géophysique fait appel à l'étude de la variation des propriétés physiques des sols dans l'espace, mais aussi dans le temps :

  • à l’échelle du kilomètre (recherche pétrolière et gazière, recherche minière, géothermie),
  • à l’échelle du centimètre à la centaine de mètres (génie civil, hydrogéologie, géologie, prévention des risques, archéologie).

Histoire[modifier | modifier le code]

La discipline est apparue à l’entre-deux guerres afin d’assurer les besoins mondiaux croissants en hydrocarbures et en minerais.

Ce sont deux frères, Conrad et Marcel Schlumberger, qui ont eu l’idée de mesurer les propriétés électriques d’un terrain afin de mieux le caractériser, et qui donnèrent ainsi naissance à la géophysique.

Techniques[modifier | modifier le code]

Trainé électrique (Cartographie)[modifier | modifier le code]

Principe[modifier | modifier le code]

Le traîné électrique est une méthode de prospection géophysique qui permet de caractériser le sous-sol par le biais d’une interprétation de la résistivité apparente du terrain. Les mesures se font en mesurant une différence de potentiel (ΔV) et une intensité (I).

Sur le terrain, on réalise la prospection en implantant des électrodes, puis en effectuant la mesure de la résistivité apparente. Enfin, on dresse une carte de la parcelle après calcul de la résistivité électrique du sol :

 r = k . \frac{\Delta{V}}{I}

k : coefficient géométrique du dispositif.

Mode Opératoire[modifier | modifier le code]

Wenner alpha.JPG
Wenner beta.JPG

On se sert de quatre électrodes que l’on implante dans le sol et qui sont reliées à un appareil de mesure de la résistance électrique. Selon le placement des électrodes d’injection, on a différents dispositifs (cf images ci-contre) :

  • Wenner Alpha : Les électrodes d’injection se situent de chaque côté du point de mesure. (k = 2π.a)
  • Wenner Beta : Les électrodes d’injection se situent du même côté par rapport au point de mesure. (k = 6π.a)

a étant l’écartement entre deux électrodes.

Ensuite, on déplace l’ensemble du dispositif au point de mesure suivant.

à savoir : Il existe une astuce pour gagner du temps lors de très nombreuses mesures : comme toutes les électrodes sont identiques, il suffit juste de déplacer la dernière électrode en aval de la première.

Panneau électrique (Profil)[modifier | modifier le code]

Descriptif du dispositif[modifier | modifier le code]

Dans un premier temps, on implante le long du profil que l’on veut étudier, des électrodes espacées à un intervalle constant (en général 5 mètres). Ensuite, on raccorde chacune d’entre elles à un multinode. Cet appareil permet de « reconnaître » chacune des électrodes (connaître leur emplacement, leur ordre…). Enfin, on utilise un multiplexeur pour pouvoir attribuer un rôle à chaque électrode. Le tout est relié à un résistivimètre qui effectuera les mesures automatiquement. Pour ce profil, on utilisera uniquement un dispositif Wenner-Alpha (écartement entre les électrodes identique).

Principe[modifier | modifier le code]

Le panneau électrique, comme le trainé électrique, repose sur la mesure d’une différence de potentiel et d’un courant entre deux électrodes implantées dans le sol, afin de calculer la résistance électrique du terrain.

Un panneau électrique est en fait composé d’une multitude de point de sondage. En effet, on utilise la plage des 32 électrodes pour créer différents écartements (minimum 1,5m, et maximum 10m) sans avoir à déplacer les électrodes ; ce qui diminue considérablement le temps des mesures. En effet, grâce à ce système, on peut faire 155 configurations de sondages différents (grâce au multiplexeur) et effectuer les mesures en ½ heure environ.

Exemple de résultats pour un panneau électrique obtenu avec le logiciel RES2DINV

Sondage électrique (Sondage)[modifier | modifier le code]

L’objectif du sondage est de savoir comment varie verticalement la résistivité apparente, en un point donné à la surface. Sachant que la profondeur d’investigation dépend de la dimension du dispositif, on effectue une succession de mesures en augmentant à chaque fois la longueur du dispositif, ainsi l’augmentation de celui-ci entérinera une plus grande profondeur d’investigation du courant électrique, chaque valeur de la résistivité apparente est affectée à une pseudo profondeur relative au type du dispositif.

Prospection Magnétique[modifier | modifier le code]

À la surface de la Terre, le champ magnétique varie dans l'espace et dans le temps. Les variations spatiales sont produites par les variations des propriétés magnétiques des matériaux environnants. Les variations temporelles sont la conséquence du changement d'orientation de la Terre par rapport au Soleil, la variation diurne, de l'activité solaire et des interactions électro-magnétiques dans la haute atmosphère. La prospection a pour objet de mettre en évidence la variation spatiale des propriétés magnétiques des matériaux (aimantation induite (dia-, para-, ferro-magnétique s.l.), aimantation rémanente (ferromagnétique s.l.). Ainsi, il faut corriger la variation temporelle du champ magnétique locale au cours de la prospection. Pour cela deux approches peuvent être utilisées : utiliser un magnétomètre en position statique comme base, ou mesurer le gradient local soit en utilisant un gradiomètre (gradiomètre fluxgate) ou un dispositif à double capteurs (pompage optique). Les magnétomètres à protons ont été les premiers à être utilisés. Les magnétomètres à pompages optiques permettent des cadences de mesures accrues (10 à 20 Hz). La technologie fluxgate permet des fréquences plus élevées et surtout permet d'alléger le dispositif de par la plus faible consommation électrique. Le pompage optique permet une mesure absolue de l'intensité du champ magnétique à une résolution de 0.1 nT à 10 Hz. Avec une technologie fluxgate, la mesure est uni-axiale ou tri-axiale mais avec une erreur instrumentale ne permettant pas d'atteindre une telle résolution.

Magnétomètre à protons (Cartographie)[modifier | modifier le code]

Principe et mode opératoire[modifier | modifier le code]

On utilise un magnétomètre à protons (en) pour mesurer le champ magnétique global, c'est-à-dire, le champ magnétique terrestre ajouté au champ magnétique créé par les anomalies. Cependant, comme la sensibilité de l’appareil est un à 1nT près, il est indispensable que la personne qui tient le magnétomètre soit amagnétique, afin de ne pas perturber les mesures. Cet appareil a une profondeur d’investigation qui varie avec l’altitude du capteur.

Par ailleurs, entre deux profils (Aller-Retour), on effectue une mesure à la base pour pouvoir établir la dérive temporelle du champ magnétique de la Terre. Pour augmenter la précision des mesures, on choisit de revenir à la référence après la fin d’un profil et avant le début du suivant.

Prospection électromagnétique[modifier | modifier le code]

EM31 (Cartographie)[modifier | modifier le code]

Dispositif EM31 (Stage de Géophysique de Polytech'Paris-UPMC à l'INAPG Grignon (2006))

Ce type de méthode exploite le principe d'induction électromagnétique dans les matériaux conducteurs. Cette méthode est dite « active » car on émet artificiellement un champ magnétique primaire, qui est conduit par le sous-sol, et dont les modifications mesurées en surface nous renseignent sur les propriétés du terrain. Par ailleurs, c’est une méthode fréquentielle (9,8 kHz) et qui, de par sa géométrie (distance émetteur/récepteur : 3,66m), est à faible nombre d’induction.

Descriptif du dispositif[modifier | modifier le code]

En réalité, la méthode que l’on applique est une méthode de type Slingram, qui utilise deux boucles : une émettrice et une réceptrice. Le dispositif utilisé, EM31, a été créé par la société Geonics qui est spécialisé dans le domaine et est très fiable. En effet, de par sa configuration géométrique, les mesures ne sont plus trop soumises à l’effet de peau (effet d’atténuation selon la distance du signal). Pour la prospection du terrain nous avons choisi une configuration HCP (Horizontales Coplanaires), c’est-à-dire que le plan des bobines est horizontal (le dipôle magnétique est donc vertical).

Avec un tel dispositif, on a une profondeur d’investigation environ égale à 5,5 mètres (1,5 fois la distance Émetteur/Récepteur). Néanmoins, en HCP, la profondeur la plus prise en compte est s/2 (s : surface des bobines).

Principe[modifier | modifier le code]

En pratique, on mesure le champ magnétique du sol, champ qui est proportionnel à la conductivité électrique apparente \sigma (siemens/mètre) de la parcelle.

En effet, quand l’EM31 est mis sous tension, un courant parcourt les bobines, ce qui induit un champ magnétique (le champ primaire). Ce champ se propageant dans le sol rencontre des zones plus conductrices dans lesquelles vont être induits des courants de Foucault, qui vont eux-mêmes générer un nouveau champ magnétique (le champ secondaire). Finalement, la bobine réceptrice de l’appareil mesure la somme du champ primaire et du champ secondaire. C’est la raison pour laquelle le dispositif est plus sensible aux milieux conducteurs qu’aux milieux résistants.

Mode Opératoire[modifier | modifier le code]

Le principal avantage de cette méthode réside dans le fait qu’elle est relativement rapide et ne nécessite pas de contact avec le sol. Il suffit donc de se déplacer sur le terrain suivant une maille prédéfinie.

GéoRadar (Profil)[modifier | modifier le code]

Le géoradar est un dispositif électromagnétique permettant d’établir un profil en fonction de la topographie, de la permittivité diélectrique et de la conductivité. C’est une méthode similaire à la sismique réflexion.

Descriptif du dispositif[modifier | modifier le code]

L’appareil est composé d’un émetteur et d’un récepteur (bobines) équidistants du point de mesure (la distance entre ces deux unités reste constante), et d’une interface avec un PC pour l’acquisition des mesures. On peut également ajouter un odomètre (système monté sur roue) pour déterminer la distance parcourue. L’onde électromagnétique envoyée est dans la gamme des hautes fréquences (225 MHz). Pour chaque mesure, elle est émise sous forme d’une impulsion répétée un certain nombre de fois, afin de faire une moyenne pour optimiser la précision des mesures.

Les ondes ont une trajectoire et une vitesse influencées par la permittivité diélectrique relative \varepsilon_r (on rappelle : \varepsilon = \varepsilon_0 . \varepsilon_r), la conductivité \sigma et leur perméabilité magnétique \mu (dont les variations ont peu d’effet sur nos mesures). La présence d’argile rend les terrains trop conducteurs pour laisser passer les ondes. En effet, l’onde serait presque totalement réfléchies et empêcherait d’obtenir des informations sur ce qui se trouve en dessous ; de la même manière qu’une plaque de métal (élément très conducteur) enfouie dans le sol réfléchirait parfaitement les ondes. Il est également nécessaire de faire une topographie du profil pour pouvoir interpréter correctement le profil obtenu en fonction de la profondeur.

Mode Opératoire[modifier | modifier le code]

On déplace le dispositif le long du profil et on effectue une émission, donc une mesure, tous les 10 centimètres.

À l’aide d'un odomètre, il n’y a qu’à faire rouler le radar, les mesures se font automatiquement.

Manuellement il faut poser le radar au sol et déclencher la mesure. Les câbles transmettent les mesures à l’unité, ainsi on observe directement les résultats sur le profil.

Par ailleurs, pour pouvoir déterminer un modèle de vitesse du terrain, on doit réaliser un CMP (Common MidPoint). Il suffit de placer le radar sol assez loin de l’anomalie puis au-dessus et d’écarter au fur et à mesure la distance entre les deux bobines (émission/réception).

Prospection gravimétrique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Gravimétrie.

Une méthode classique pour déterminer la différence de masse sous la surface du sol est l’utilisation de la gravimétrie. Cette différence de masse est mise en évidence par les anomalies du champ de pesanteur. Théoriquement avec cette méthode on mesure les différences du champ de pesanteur par rapport à un champ de pesanteur de référence, calculé sur l’ellipsoïde de référence.

Prospection sismique[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Sismique.

Sismique réflexion[modifier | modifier le code]

La sismique réflexion utilise la réflexion des ondes sur les interfaces entre plusieurs niveaux géologiques. La sismique réflexion peut être monotrace ou multitrace. Dans ce dernier cas, en plus d'augmenter le rapport signal sur bruit, il est possible de calculer les vitesses des milieux traversés. Cette information permet ensuite de convertir les données en profondeur.

Sismique réfraction[modifier | modifier le code]

La sismique réfraction utilise la propagation des ondes le long des interfaces entre les niveaux géologiques. Cette méthode convient en particulier à certaines applications de génie civil et d'hydrologie. Elle permet d'estimer le modèle de vitesse et le pendage des couches. Elle est actuellement limitée dans le domaine pratique à des objectifs dont la profondeur est inférieure à 300m, mais elle est à l'origine de la découverte en 1956 du gisement de pétrole d'Hassi-Messaoud, le plus important d'Afrique, à une profondeur moyenne de 3300 m.