Etude sur la capacit des sondages RMP localiser les aquifres de socle

Max Jeanne

Description

Etude sur la capacité des sondages RMP à localiser les aquifères de socle 1 1,2 1,2 1,2Anatoly LEGCHENKO, Marc DESCLOITRES , A. BOST , Laurent RUIZ , M. 2 3 2 2REDDY , Jean-François GIRARD , M. SEKHAR , M.S. KUMAR , and Jean-Jacques 1BRAUN 1 IRD, 213 rue La Fayette, 75010 Paris, France ; [e-mail]2 IFCWS, Dept of Civil Engineering, Indian Institute of Science, 560 012 Bangalore-India 3 BRGM, BP 6009, 45060 Orléans Cedex, France Abstract It is confirmed that Magnetic Resonance Soundings (MRS) method can be an efficient tool for the investigation of the weathered part of crystalline aquifers when the effective porosity is greater than 1%. Using both numerical modeling and field measurements it is shown that the MRS method allows characterizing two-dimensional subsurface formations. Our field experience proves that a combination of MRS with the 2D electrical imaging tool improves geophysical results in the complex heterogeneous geological formations of Southern India. Introduction Dans le cas général, les aquifères de socle sont composés de deux parties : la zone de roches altérées (porosité de drainage 1-10%) et celle de roches fissurées et fracturées (porosité de drainage <0.2%). Ils sont souvent recoupés par des failles qui donnent la géométrie 2D typique de ce type d’aquifères. Appliquée à la caractérisation des aquifères de socle (faible porosité et relativement petit volume d’eau) la méthode de sondage par ...

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Extrait

Etude sur la capacité des sondages RMP à localiser les

aquifères de socle

Anatoly LEGCHENKO

1

, Marc DESCLOITRES

1,2

, A. BOST

1,2

, Laurent RUIZ

1,2

, M.

REDDY

2

, Jean-François GIRARD

3

, M. SEKHAR

2

, M.S. KUMAR

2

, and Jean-Jacques

BRAUN

1

1

IRD, 213 rue La Fayette, 75010 Paris, France ;

[e-mail]

2

IFCWS, Dept of Civil Engineering, Indian Institute of Science, 560 012 Bangalore-India

3

BRGM, BP 6009, 45060 Orléans Cedex, France

Abstract

It is confirmed that Magnetic Resonance Soundings (MRS) method can be an efficient tool

for the investigation of the weathered part of crystalline aquifers when the effective porosity

is greater than 1%. Using both numerical modeling and field measurements it is shown that

the MRS method allows characterizing two-dimensional subsurface formations. Our field

experience proves that a combination of MRS with the 2D electrical imaging tool improves

geophysical results in the complex heterogeneous geological formations of Southern India.

Introduction

Dans le cas général, les aquifères de socle sont composés de deux parties : la zone de

roches altérées (porosité de drainage 1-10%) et celle de roches fissurées et fracturées (porosité

de drainage <0.2%). Ils sont souvent recoupés par des failles qui donnent la géométrie 2D

typique de ce type d’aquifères. Appliquée à la caractérisation des aquifères de socle (faible

porosité et relativement petit volume d’eau) la méthode de sondage par la Résonance

Magnétique Protonique (RMP) est mise en conditions moins favorables que dans le cas

d’aquifères continus, comme par exemple les sables. En effet, la performance des sondages

RMP dépend en grande partie du rapport signal sur bruit qui dépend lui même de la quantité

d’eau souterraine. L’objectif de cette étude à la fois théorique (modélisation numérique) et

expérimentale (mesures de terrain) était d’évaluer la performance de la méthode RMP dans sa

forme opérationnelle (mesures et inversion 1D et modélisation 2D) dans un contexte

géologique de socle.

Modélisation numérique

Modélisation 1D.

Le signal RMP est proportionnel au volume d’eau souterraine qui pourrait être caractérisé

par

où

est l’épaisseur d’eau équivalente (volume surfacique)

∫

Δ

=

z

MRS

dz

z

w

V

)

(

)

(

z

w

1

déterminé par mesures RMP, en fonction de la profondeur (Legchenko et al., 2004). La

modélisation 1D (boucle carrée 50 m x 50 m, 2 spires) montre que la détectabilité d’eau

dépend de sa quantité mais aussi de sa profondeur (Figure 1). L’inversion de signal

synthétique d’un modèle composé de deux couches qui simulent un réservoir altéré au dessus

d’un réservoir fissuré/fracturé (Figure 2) montre que même pour le modèle 1D on observe un

effet d’écran : cet effet mène à la sous-estimation de la teneur en eau du réservoir profond

(Legchenko, 2004).

Modélisation 2D.

Une anomalie de la teneur en eau (5%) en forme d’un parallélépipède de 10 x 25 m² dans

un milieu dont la teneur en eau est de 0.5% est traversée par un ensemble de sondages (Tx/Rx

boucle de 50 m x50 m) avec un pas de 25 m (Figure 3). Pour chaque position de la boucle le

signal provenant de l’anomalie a été calculé et l’inversion 1D a été effectuée. Les résultats

d’inversion présentés sous forme d’une section (Figure 3) montrent que la géométrie de

l’anomalie a été relativement bien reconstituée, mais la teneur en eau dans l’anomalie est

sous-estimée. L’effet d’écran est donc également observé.

Exemple de terrain

Sur le bassin versant de Moole Hole (Inde), i.e. chantier de la Cellule Franco Indienne de

Recherche sur l’Eau (collaboration IRD / Indian Institute of Science), une étude géophysique

a été effectuée avec pour objectif la caractérisation d’un aquifère dans des gneiss fracturés.

Les résultats d’un panneau électrique et de sondages RMP (Figure 4) montrent une bonne

corrélation entre ces deux méthodes. Ces résultats RMP ont permis de développer un modèle

2D de la teneur en eau (Figure 5) de cet aquifère. La comparaison du signal calculé du modèle

2D avec le signal mesuré sur le terrain (Figure 6) montre une bonne correspondance que

confirme la pertinence des résultats RMP. La différence majeure observée au début du profil

correspond aux grands moments d’impulsion et par conséquent à une grande profondeur où la

capacité de résolution de la méthode est très faible. Ainsi, cette différence peut être considérée

comme peu significative.

Conclusions

Dans le contexte géologique de socle, la méthode RMP est un outil efficace pour

caractériser des aquifères composés de roches altérées dont la porosité de drainage est

supérieure à 1% environ. La partie fracturée de l’aquifère dont la porosité est inférieure à

0.2% ne peut pas être caractérisée par la RMP car le signal RMP provenant de ce réservoir

n’est pas suffisant pour dépasser le seuil de sensibilité de l’appareillage.

En présence d’eau superficielle dans la zone d’altération, l’effet d’écran existe et diminue

la capacité de la méthode RMP pour étudier la partie profonde des aquifères de socle.

Dans sa forme actuelle (configuration 1D), l’appareillage RMP est capable de résoudre les

aquifères dont la géométrie est 2D si la taille caractéristique de l’objet d’étude est supérieure à

environ la moitié de la taille de la boucle. Pour ces objets 2D, l’erreur d’estimation sur la

teneur en eau augmente avec la diminution de leur taille par rapport à la taille de la boucle.

Dans le contexte de socle, la méthode RMP pourrait être conjointement utilisée avec les

panneaux électriques qui permettent de mieux résoudre les géométries 2D. Cette association

pourrait rendre l’étude géophysique plus informative.

Remerciements

Cette étude a été effectuée avec une participation financière de l’IRD, du programme

national ECCO-PNRH et du projet « Watershed Project » de la cellule Indo French Cell for

Water Sciences of IISc and IRD à Bangalore (Inde).

2

Bibliographie

Legchenko A., Baltassat J-M., Bobachev A., Martin C., Robain H., and Vouillamoz J-M.,

(2004). Magnetic resonance sounding applied to aquifer characterization,

Journal of

Ground Water,

42 (3), 363-373.

Legchenko, A., (2004). Magnetic resonance sounding : enhanced modeling of a phase shift.

Applied Magnetic Resonance

, 25, 621-636.

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

Profondeur (m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Amplitude (nV)

V

MRS

(m

3

/m

2

)

0.02

0.1

0.2

0.4

Détectabilité

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

0

2000

4000

6000

Moment d'impulsion (A-ms)

0

10

20

30

40

Amplitude (nV)

0

2000

4000

6000

Modèle

Inversion

0

10

20

30

40

0

1

2

3

Teneur en eau (%)

70

60

50

40

30

20

10

0

Profondeur (m)

70

60

50

40

30

20

10

0

0

1

2

3

Inversion

Modèle

Figure 1 : Détectabilité du signal

RMP en fonction du volume d’eau

Figure 2 : Inversion du modèle 1D (à gauche)

et le lissage de données (à droite)

Teneur en eau RMP (%)

-75

-50

-25

0

25

50

Distance (m)

-75

-50

-25

0

25

50

-80

-60

-40

-20

0

Elévation (m)

-80

-60

-40

-20

0

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

Figure 3 : Modèle 2D (à gauche) et le résultat d’inversion de série de sondages RMP (à droite)

3

-50

50

150

250

350

450

Distance (m)

760

780

800

820

840

Elévation (m)

760

780

800

820

840

Teneur en eau RMP (%)

-50

50

150

250

350

450

Distance (m)

760

780

800

820

840

Elévation (m)

760

780

800

820

840

0.3

0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

Profondeur max. RMP

10

260

510

760

1010

1260

3000

Résistivité (Ohm-m)

15

17

6

7

5

16 4

9

1

8

10

11

12

13

14

15

17

6

7

5

16 4

9

1

8

10

11

12

13

14

Figure 4 : Comparaison du panneau électrique (en haut) et du profil RMP (en bas) sur le bassin versant

de Moole Hole, Inde

Teneur en eau mesurée (%)

-50

0

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Distance (m)

760

780

800

820

840

Elévation (m)

760

780

800

820

840

0.1

0.3

0.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

Profondeur max. RMP

Niveau statique

Teneur en eau de modèle (%)

0.0

0.2

0.5

1.0

1.5

2.0

-50

0

50

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Distance (m)

760

780

800

820

840

Elévation (m)

760

780

800

820

840

Signal mesuré : amplitude (nV)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Distance (m)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-6000

-4000

-2000

0

Moment d'impulsion (A-ms)

-6000

-4000

-2000

0

0

3

6

9

1

2

1

5

1

8

2

1

2

4

2

7

3

0

Signal théorique : amplitude (nV)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Distance (m)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-6000

-4000

-2000

0

Moment d'impulsion (A-ms)

-6000

-4000

-2000

0

0

3

6

9

1

2

1

5

1

8

2

1

2

4

2

7

3

0

Différence (nV)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Distance (m)

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-6000

-4000

-2000

0

Moment d'impulsion (A-ms)

-6000

-4000

-2000

0

-

1

2

-

8

-

4

0

4

8

1

2

Figure 5 : Coupe de teneur en eau RMP 2D (en

bas) construit à partir de l’interprétation 1D de

mesures RMP (en haut)

Figure 6 : Comparaison des signaux mesurés (en

haut) avec des signaux théoriques d’un modèle 2D

(au milieu), et différence entre les deux (en bas)

4