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Exploitation statistique d’une mesure de résistivité électrique apparente pour l’aide à la

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Exploitation statistique d’une mesure de résistivité électrique apparente pour l’aide à la cartographie des sols 1, 2, # 1 1 2Julien MOEYS , Bernard NICOULLAUD , Abel DORIGNY , Yves COQUET & 1Isabelle COUSIN 1. INRA, Unité de Science du Sol, Avenue de la Pomme de Pin, BP 20619. 45166 Ardon Cedex 2. UMR INRA/INA-PG Environnement et Grandes Cultures. INA-PG, centre de Grignon, BP 01, 78850 Thiverval–Grignon #. Correspondant : Julien.Moeys@grignon.inra.fr Abstract This study presents the join analysis of soil observations with auger holes and quasi-continuous apparent resistivity measurements along transects on a 22.5 ha plot. We have shown that it was possible to establish correlation and linear regression between electrical resistivity and soil depth or the thickness of the clayey layer. The ranking of soil properties given their influence on soil electrical resistivity varies with the inter-electrode spacing of the electrical resistivity measurements. If buhrstone and/or limestone content and limestone depth st ndrank respectively 1 and 2 with 0.5 and 1 m inter-electrode spacing, the thickness of clayey layer appears to be most influent with the 2 m spacing. Stone content and limrd ndrank respectively 3 and 2 . These results show that it is possible to correlate electrical resistivity measures with quantitative and quantitative field observations of soil properties and then to improve delineation of soil map units. Contexte & ...
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Exploitation statistique d’une mesure de résistivité électrique
apparente pour l’aide à la cartographie des sols
Julien MOEYS
1, 2, #
, Bernard NICOULLAUD
1
, Abel DORIGNY
1
, Yves COQUET
2
&
Isabelle COUSIN
1
1. INRA, Unité de Science du Sol, Avenue de la Pomme de Pin, BP 20619. 45166 Ardon Cedex
2. UMR INRA/INA-PG Environnement et Grandes Cultures. INA-PG, centre de Grignon, BP 01, 78850
Thiverval–Grignon
#. Correspondant : Julien.Moeys@grignon.inra.fr
Abstract
This study presents the join analysis of soil observations with auger holes and quasi-
continuous apparent resistivity measurements along transects on a 22.5 ha plot. We have
shown that it was possible to establish correlation and linear regression between electrical
resistivity and soil depth or the thickness of the clayey layer. The ranking of soil properties
given their influence on soil electrical resistivity varies with the inter-electrode spacing of the
electrical resistivity measurements. If buhrstone and/or limestone content and limestone depth
rank respectively 1
st
and 2
nd
with 0.5 and 1 m inter-electrode spacing, the thickness of clayey
layer appears to be most influent with the 2 m spacing. Stone content and limestone depth
rank respectively 3
rd
and 2
nd
. These results show that it is possible to correlate electrical
resistivity measures with quantitative and quantitative field observations of soil properties and
then to improve delineation of soil map units.
Contexte & objectifs
Le programme ESHEL, dans lequel s’inscrit cette étude, vise à mieux comprendre les
mécanismes de transport et de dissipation des produits phytosanitaires dans les sols de
Beauce. La cartographie à grande échelle des sols d’une parcelle de 22,5 ha est une étape clef
de ce programme. Elle servira en effet de support à la spatialisation des mesures de propriétés
hydriques des sols, ainsi que des propriétés d’adsorption et de dégradation d’un herbicide.
Ce travail de cartographie des sols s’est appuyé à la fois sur une prospection par des
sondages tarière et sur une cartographie de la résistivité électrique apparente (à 3 écartements
inter-électrodes). L’exploitation conjointe de la mesure de résistivité électrique et des
observations du sol à la tarière est l’objet du travail présenté ici. La mesure de résistivité a été
analysée en deux étapes : (i) Étude de l’influence des propriétés intrinsèques du sol (évaluées
de manière quantitative ou qualitative par le pédologue lors de la prospection à la tarière) sur
les 3 mesure de résistivité électrique apparente (ii) Évaluation de stratégies d’exploitation de
la mesure de résistivité électrique pour estimer la valeur de certaines variables pédologiques
ou pour positionner les limites entre unités cartographiques de sol (UCS).
1
Matériels & méthodes
Le site est une parcelle de 22,5 ha, située sur la commune de Ouarville (Eure-et-Loir),
coupée dans sa largeur par un talweg qui délimite 2 versants et le début d’un plateau. Des
fosses pédologiques ont été ouvertes, décrites et échantillonnées (6 profils) et 140 sondages
tarière ont été décrits. Une mesure de résistivité électrique apparente a été effectuée en juillet
2003 (conditions sèches), à l’aide d’un MUCEP (MUlti Continuous Electrical Profiling ;
Panissod
et al.
, 1998, Michot, 2003). A chaque point de sondage tarière ont ainsi été associées
les variables pédologiques décrites lors de l’observation et les mesures de résistivité
apparente. Nous avons testé les corrélations linéaires entre les différentes variables collectées
et tenté d’établir des régressions linéaires entre les variables pédologiques et les mesures de
résistivité apparente (test de la pente). Afin d’étudier simultanément l’effet des variables
qualitatives et quantitatives, nous avons établi un classement de leur influence sur la mesure
de résistivité apparente (1 classement par écartement inter-électrodes) au moyen d’une mesure
de distance qu’est la Somme des Carrés des écarts inter Groupes (nommée ici SCEiG). Cette
étape nécessite de transformer les variables pédologiques en variables binaires.
Résultats
La prospection à la tarière a permis d’identifier les différents horizons pédologiques
présents sur la parcelle et leur ordre d’apparition. Ceux ci présentent parfois une hétérogénéité
à courte distance et leur répartition peut être complexe. L’ensemble des sols reposent sur un
calcaire altéré. Celui-ci est sub-affleurant dans le bas du versant est. Les plaquages d’argiles à
meulière sont fréquents et importants sur le versant ouest, et plus localisés sur le versant est.
Les cartes de résistivité apparente obtenues au MUCEP montrent bien cette zonation marquée
de la parcelle, notamment sur les écartements 2 et 3 (Figure 1).
Il existe un lien linéaire entre toutes les variables quantitatives mesurées, mais celui-ci
est faible (Tableau 1). On peut établir des régressions linéaires entre variables pédologiques et
mesures de résistivité apparente (variable expliquée). Ces dernières permettent d’estimer la
valeur de certaines variables pédologiques à partir des mesures de résistivité apparente. Une
carte de la profondeur d’apparition du calcaire a ainsi été calculée (Figure 2). Une évaluation
de la qualité de cette régressions (par cross-validation) indique cependant une erreur moyenne
(en valeur absolue) d’une trentaine de cm. Nous avons aussi essayé de recalculer des
régressions par grands types de sols, ce qui rejoint l’idée d’une utilisation différenciée de la
mesure de résistivité selon le milieu pédologique. Dans ce cas, des différences de pentes en
cohérence avec l’ordre d’influence des critères pédologiques sont observées mais les
différences ne sont pas significatives.
Le classement des variables pédologiques qualitatives et quantitatives selon leur
influence sur la mesure de résistivité apparente (d’après le SCEiG) diffère selon les
écartements. Pour les écartements 0,5 et 1 m l’ordre est le suivant : (1) charge en cailloux
calcaires de surface, (2) profondeur d’apparition du calcaire, (3) type pédologique, (4)
épaisseur du niveau argileux. Pour l’écartement 2 m, on obtient : (1) épaisseur du niveau
argileux, (2) profondeur d’apparition du calcaire, (3) charge en cailloux calcaires de surface.
2
Tableau 1 : Matrice des coefficients de corrélations « r » montrant les liens existant entre les
différentes variables étudiées (
en gras les valeurs significatives
).
RV1
RV2
RV3
PCA
EpA
EG tot
EG me
EG ca
RV1
-
RV2
0.61
-
RV3
0.47
0.88
-
PCA
- 0.40
- 0.52
- 0.47
-
EpA
- 0.22
- 0.31
- 0.28
0.74
-
EG tot
0.52
0.39
0.32
- 0.53
-0.17
-
EG me
0.38
0.23
0.17
- 0.37
-0.07
0.86
-
EG ca
0.45
0.42
0.35
- 0.48
-0.21
0.67
0.19
-
%AS
0.29
0.39
0.37
- 0.44
-0.14
0.45
0.40
0.28
Résultats sur 85 sondages. PCA : Profondeur d’apparition du matériau calcaire ; EpA :
Épaisseur du niveau argileux ; RV1, 2, 3 : Résistivité apparente des écartements 1, 2 et 3 ; EG
tot : Charge de surface en éléments grossiers (calcaire + meulières) ; EG me : Charge en
éléments grossiers de meulières (surface) ; EG ca : Charge en éléments grossiers de calcaire
(surface). %AS : Pourcentage d’argile de l’horizon de surface.
Discussion
Les résultats exposés ci-dessus ont permis d’exploiter de manière originale la mesure de
résistivité apparente, dans un contexte où le nombre de variable pédologiques intervenant sur
la mesure de résistivité et leur variation à courte distance rend incertaine une inversion
classique de données géophysiques (non-unicité de la solution).
La dispersion observée dans les régressions utilisées est due à la différence entre le
volume observé à la tarière et le volume prospecté par le MUCEP (et au décalage spatial
inévitable entre les 2 mesures) dans un milieu où la variabilité à faible distance (pierrosité,
teneur en argile, profondeur du calcaire) est élevée.
Ces résultats nous ont amené à préférer une stratégie d’exploitation de la résistivité
électrique de type empirique. Une première exploitation des sondages tarière a permis
d’effectuer un zonage de la parcelle en fonction de critères pédologiques et topographique.
Ensuite, les limites entres les UCS du versant ouest ont été positionnée en s’aidant de la
résistivité de l’écartement 3, du fait de sa plus grande sensibilité aux niveaux argileux. Les
limites entre les UCS du versant est ont été positionnée en s’aidant de l’écartement 2, du fait
de sa plus grande sensibilité à la charge en cailloux calcaire et à la profondeur d’apparition du
calcaire.
Conclusion
Les variables pédologiques qui sont décrites lors de sondages tarière expliquent une
partie de la mesure de résistivité électrique apparente. Il a été possible de les classer selon leur
influence sur les mesures de résistivité apparente (3 écartements). Dans ce contexte, nous
avons pu adapter l’utilisation des différents écartements de mesures aux différents milieux
étudiés sur la parcelle.
Références
Michot D., 2003. Intérêt de la géophysique de subsurface et de la télédétection multispectrale
pour la cartographie des sols et le suivi de leur fonctionnement hydrique à l’échelle
intraparcellaire. Thèse de Science. de la Terre : Pédologie - géophysique, U. de Paris
VI, 394 p.
Panissod C., Dabas M., Jolivet A. & Tabbagh A., 1998. A Novel Mobile Multimode System
3
(MUCEP) for shallow (0-3m) geoelectrical investigation: The « Vol-de-canards »
array. Geophysical Prospecting, 45, 983–1002.
Figure 1 : Cartes de résistivité apparente obtenues sur le site d’étude après prospection par le
MUCEP (Écartements de 1 m et 2 m)
Figure 2 : Carte de profondeur d’apparition du calcaire estimée à partir des valeurs de
résistivités de l’écartement 2
4
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