PROSPECTION ELECTRIQUE DE SURFACE

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PROSPECTION
ELECTRIQUE
DE SURFACE













Professeur

D. Chapellier




Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01
Table des matiŁres

Chapitre 1 ________________________________________________________________________ 1
INTRODUCTION _________________________________________________________________ 1
1.1 Buts du cours _____________________________________________________________________ 1
1.2 Objectifs_________________________________________________________________________1
1.3 Qu est-ce que la gØophysique ? ______________________________________________________ 1
1.4 Anomalie et choix des mØthodes _____________________________________________________ 2
1.5 Les propriØtØs physiques des divers matØriaux _________________________________________ 3
Chapitre 2 8
2.1 Introduction______________________________________________________________________8
2.2 La conductibilitØ Ølectrique des roches ________________________________________________ 9
2.2.1La conductibilitØ solide9
2.2.2 ________________________________________ La conductibilitØ liquide Ølectrolytique:10
2.2.2.1 _______________________________________________ La qualitØ de l Ølectrolyte10
2.2.2.2 ___________________________________________________________ La salinitØ10
2.2.2.3 _______________________________________________________ La tempØrature16
2.2.2.4 ________________________________________________ La quantitØ d’Ølectrolyte16
b) ...
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PROSPECTION ELECTRIQUE DE SURFACE Professeur D. Chapellier Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 Table des matiŁres Chapitre 1 ________________________________________________________________________ 1 INTRODUCTION _________________________________________________________________ 1 1.1 Buts du cours _____________________________________________________________________ 1 1.2 Objectifs_________________________________________________________________________1 1.3 Qu est-ce que la gØophysique ? ______________________________________________________ 1 1.4 Anomalie et choix des mØthodes _____________________________________________________ 2 1.5 Les propriØtØs physiques des divers matØriaux _________________________________________ 3 Chapitre 2 8 2.1 Introduction______________________________________________________________________8 2.2 La conductibilitØ Ølectrique des roches ________________________________________________ 9 2.2.1La conductibilitØ solide9 2.2.2 ________________________________________ La conductibilitØ liquide Ølectrolytique:10 2.2.2.1 _______________________________________________ La qualitØ de l Ølectrolyte10 2.2.2.2 ___________________________________________________________ La salinitØ10 2.2.2.3 _______________________________________________________ La tempØrature16 2.2.2.4 ________________________________________________ La quantitØ d’Ølectrolyte16 b) La porositØ efficace ou effective __________________________________________ 17 e 2.3 La loi d’Archie___________________________________________________________________ 19 2.3.1 _____________________________________________________Cas d’une roche saturØe19 2.3.2 __________________________________________________Influence de la tempØrature20 2.3.3 _____________________________________________________________ La saturation20 2.4 La permØabilitØ__________________________________________________________________21 Chapitre 3 _______________________________________________________________________ 27 LES METHODES ELECTRIQUES PAR COURANT CONTINU __________________________ 27 3.1 Introduction_____________________________________________________________________27 3.1.1 ______________________________________Les filets de courant et les Øquipotentielles28 3.1.2 ______________________________________________ Potentiel et champ entre A et B28 3.1.2.1 _____________________________________________________Terrain homogŁne28 3.1.2.2 ___________________________RØpartition du potentiel - Principe de superposition30 3.1.2.3 _________________________________________________ RØpartition du courant31 3.1.2.4 Principe de rØciprocitØ32 3.1.2.5 ____________________________________________________ Terrain hØtØrogŁne32 3.2 Les mØthodes de prospection _______________________________________________________ 43 3.2.1 ______________________________________________________Les cartes de potentiel43 3.2.1.1 __________________________________________________ HØtØrogØnØitØ locales43 3.2.1.2 _________________________________________ HØtØrogØnØitØs Øtendues - faille :43 3.2.1.3Influence du relief :44 3.2.2 ________________________________________________________ La mise la masse.44 Chapitre 4 _______________________________________________________________________ 51 LES PROFILS ET LES CARTES DE RESISTIVITE ____________________________________ 51 4.1 Introduction_____________________________________________________________________51 4.2 Principe de mesure - Mise en oeuvre_________________________________________________ 52 4.2.1 La source de courant:52 4.2.2 ___________________________________________________Les Ølectrodes d’Ømission:52 4.2.3 _______________________________________________________ Le circuit de courant53 4.2.4 ___________________________________ Les Ølectrodes de mesure de potentiel M et N53 - I - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 4.3 Le calcul de la rØsistivitØ___________________________________________________________ 55 4.4 Les dispositifs utilisØs_____________________________________________________________56 4.4.1 ___________________________________________________Les dip les ou p le - p le56 4.4.2 _________________________________________________ Les trip les ou p le - dip le56 4.4.3Les quadrip les57 4.4.4 ____________________________________________________________Les multip les58 4.4.5 _________________________________________________________ Le tra nØ multiple58 4.4.6 ______________________________________________________Le dispositif rectangle60 4.4.7 Le dispositif carrØ60 4.5 Espacement des mesures___________________________________________________________61 4.6 La sensibilitØ des dispositifs.________________________________________________________ 61 4.7 La reprØsentation des rØsultats _____________________________________________________ 63 4.8 Effets des diffØrentes structures 64 4.8.1 _____________________________________ Effet d’une conduite enterrØe (Figure 4-35)64 4.8.2 ________________________________________ Effet d’un contact vertical (Figure 4-36)64 4.8.3 ____________________________________Effet de couches minces (Figures 4-37, 4-38)64 4.8.4Effetches minces (Figures 4-39, 4-40)64 4.9 InterprØtation des profils de rØsistivitØ _______________________________________________ 71 4.10 Les panneaux Ølectriques __________________________________________________________ 75 Chapitre 5 _______________________________________________________________________ 76 LES SONDAGES ELECTRIQUES___________________________________________________ 76 5.1 Introduction_____________________________________________________________________76 5.2 Les dispositifs____________________________________________________________________80 5.3 La reprØsentation des rØsultats _____________________________________________________ 80 5.4 InterprØtation des sondages Ølectriques ______________________________________________ 82 5.4.1 _______________________________________________ Les paramŁtres gØoØlectriques82 5.4.2 ____________________________________ Les diffØrents types de sondages Ølectriques.83 5.4.2.1 _____________________________________________Milieu homogŁne et isotrope83 5.4.2.2 _________________________________________________ Milieu deux couches84 Chapitre 6 87 LES SONDAGES A PLUSIEURS COUCHES__________________________________________ 87 6.1 Les sondages trois couches _______________________________________________________ 87 6.2 Le principe dØquivalence__________________________________________________________ 88 6.3 Le principe de suppression_________________________________________________________ 91 6.4 Les sondages Ølectriques isolØs______________________________________________________ 91 6.5 Etalonnage des sondages Ølectriques _________________________________________________ 91 Chapitre 7 _______________________________________________________________________ 95 LES DIFFERENTES ETAPES D’UNE PROSPECTION ELECTRIQUE ___________________ 95 7.1 PremiŁre phase: Sondages Ølectriques paramØtriques___________________________________ 95 7.2 DeuxiŁme phase: Les cartes de rØsistivitØs ____________________________________________ 95 7.3 TroisiŁme phase: Sondages Ølectriques et pseudo-sections _______________________________ 95 7.3.1 ___________________________________ Les sondages Ølectriques INTERPRETATIFS95 7.3.2 _______________________________________________________Les pseudos sections95 7.4 QuatriŁme phase: InterprØtation, intØgration des donnØes, rapport et recommandations. _____ 96 Bibliographie : ___________________________________________________________________ 97 - II - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 Chapitre 1 INTRODUCTION 1.1 Buts du cours Montrer les possibilitØs et l’utilitØ de la gØophysique pour rØsoudre les problŁmes qui se posent en gØnie civil et en environnement. 1.2 Objectifs Comprendre les relations entre les problŁmes pratiques rencontrØs et les phØnomŁnes physiques mesurables associØs. Conna tre les techniques modernes de prospection et comprendre les principes qui animent ces techniques. Pouvoir analyser un problŁme et dØcider de la ou les meilleures techniques gØophysiques adopter • DØvelopper le sens critique pour juger des travaux accomplis. • Pouvoir analyser et interprØter les rØsultats des levØs effectuØs. 1.3 Qu est-ce que la gØophysique ? L’ Institut de gØophysique fait partie de l’UniversitØ de Lausanne, section Sciences de la Terre. Sous cet ØpithŁte sont regroupØes: La minØralogie : Øtude des roches et des minØraux qui les composent La gØologie: Øtude de la structure et de l’Øvolution de l’Øcorce terrestre La gØophysique : Øtude du sous-sol par le truchement de ses propriØtØs physiques. Le gØologue, par exemple, utilise l’observation directe et visuelle, il examine les roches qui affleurent, prØlŁve des Øchantillons, les Øtudie et en dØduit l’architecture du sous- sol. Le gØophysicien lui aussi va essayer de dØterminer l’architecture du sous-sol cachØ en mesurant certaines propriØtØs physiques partir de la surface. Il existe de nombreuses mØthodes gØophysiques, chacune fournit des indications sur la nature du sous-sol par le biais de l’Øtude de la variation d’un paramŁtre physique. La gØophysique est donc essentiellement la mesure de contrastes dans les propriØtØs physiques de matØriaux constituant le sous-sol et la - 1 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 tentative de dØduire la nature et la distribution de ces matØriaux responsables de ces observations. 1.4 Anomalie et choix des mØthodes Les variations des propriØtØs physiques doivent Œtre suffisamment importantes pour que leurs effets puissent Œtre mesurØs par les instruments disponibles sur le marchØ. Ainsi quelque soit le type de structure recherchØe et quelle que soit la mØthode employØe, il s’agit de mettre en Øvidence des structures anormales. C’est dire des structures diffØrant du milieu environnant par l’une ou l’autre de leurs caractØristiques physiques. Une anomalie ne peut Œtre dØfinie que par rapport une norme. La premiŁre question que se pose le gØophysicien est donc: La structure gØologique peut elle provoquer une anomalie par rapport la norme qui est son environnement. Le contraste est-il suffisamment important pour provoquer une anomalie mesurable. Cette notion conduit tout naturellement au problŁme du choix des mØthodes. La meilleure mØthode est celle qui fournit : Une norme aussi stable que possible Une anomalie bien marquØe Il est important d’avoir plusieurs mØthodes disposition pour pouvoir faire des essais comparatifs. D’autre part les diffØrentes mØthodes gØophysiques sont souvent complØmentaires et il est gØnØralement trŁs utile d’en employer plusieurs conjointement. La qualitØ du contraste entre l’anomalie et la norme varie aussi avec: La nature des structures La nature du terrain environnant La mØthode employØe Le choix de la mØthode la mieux adaptØe dØpend en dØfinitive de: La nature des structures enfouies et leur possibilitØ de provoquer une anomalie sur la ou les grandeurs mesurØes , donc l’existence d’un contraste entre la structure et son environnement. Le but des travaux de prospection et la superficie de l’aire explorer. Il est Øvident que les mØthodes employØes ne seront pas les mŒmes pour une campagne de reconnaissance gØnØrale ou pour une Øtude de dØtail portant sur un problŁme spØcifique. La prØcision demandØe. Chaque mØthode et chaque technique mise en oeuvre se caractØrise par un certain pouvoir de rØsolution. Parfois la limite de rØsolution peut Œtre augmentØe mais en accroissant le coßt assez considØrablement. Il importe donc avant de faire intervenir une prospection gØophysique dans l’Øtude de son projet que le ma tre d’ uvre essaie d’en Øvaluer les chances de rØussites, il doit donc avoir - 2 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 son objectif bien en tŒte et le dØfinir aussi explicitement que possible. Il doit bien savoir ce qui peut Œtre accompli et qui ne le peut pas, savoir ce qui est important et ce qui n’est pas essentiel. En dØfinitive, le choix d’une mØthode gØophysique et du programme technique ne peut Œtre Øtabli qu’aprŁs examen du problŁme posØ, des donnØes gØologiques et des conditions d’environnement. Ce choix conduit retenir le ou les paramŁtres physiques susceptibles de prØsenter un contraste suffisant pour rØpondre l’objectif. 1.5 Les propriØtØs physiques des divers matØriaux Pour un gØophysicien une roche est constituØe de: LA MATRICE partie solide constituØe par les minØraux possØdant chacun leurs propriØtØs physiques propres: densitØ, vitesse, rØsistivitØ, susceptibilitØ, etc... + LA POROSITE Volume des vides en % + LES FLUIDES Ce qui remplit plus ou moins des vides: eau plus ou moins salØe, hydrocarbures, gaz, air, des polluants, etc.. chacun de ces fluides a des paramŁtres physiques qui lui sont propres. Les paramŁtres physiques des constituants vont conditionner: LES PARAMETRES PHYSIQUES DE LA ROCHE En dØfinitive les paramŁtres physiques de la roche dØpendront des pourcentages des divers constituants. Ainsi pour le paramŁtre densitØ par exemple nous pouvons Øcrire: d =()1− φ d + d φ b ma f Avec : d = densitØ de la roche, d = densitØ de la matrice, d = densitØ du fluide contenu b ma f dans les pores, φ = porositØ en %. - 3 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 DensitØ densitØ de la matrice densitØ du fluide 0 PorositØ 100% Figure 1-1 DensitØ versus porositØ Propriétés Magnétisme Gravimétrie Electromag. Résistivités Radar Sismique physiques Succeptibilité PSSk Densité d Résistivité PPSohm.m Permittivité SPe Vitesse Pv Figure 1-2 PropriØtØs physiques des roches et techniques gØophysiques (P et S = effet prØpondØrant, respectivement secondaire sur la rØponse gØophysique) Certains paramŁtres physiques peuvent Œtre mis en relation, ainsi une roche faible porositØ aura une vitesse sismique ØlevØe mais aussi une densitØ ØlevØe, on peut donc relier vitesse sismique et densitØ (Figure 1-3), ces deux paramŁtres dØpendant fortement de la porositØ. Les tableaux suivants (Figure 1-4) fournissent un guide sommaire d’emploi des diffØrentes mØthodes gØophysiques. Pour chaque grand groupe se rapportant un paramŁtre physique mesurØ il existe de nombreuses techniques qui se caractØrisent chacune par leurs possibilitØs et leurs limites, leur coßt de mise en uvre, leur pouvoir de rØsolution, etc.. - 4 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 Figure 1-3 Vitesse sismique des ondes P versus densitØ - 5 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 Figure 1-4 CaractØristiques des types de roches rencontrØes en prospection gØophysique - 6 - Cours de gØophysique RØsistivitØs Ølectriques D. Chapellier 2000/01 Ainsi sous le terme rØsistivitØs ou prospection Ølectrique en courant continu ou trŁs basse frØquence, nous pouvons utiliser: Les cartes de potentiel La mise la masse Le tra nØ Ølectrique Le sondage Ølectrique Les panneaux Ølectriques au sol (ou pseudo-sections) Les panneaux Ølectriques entre forages en forage Il faut donc non seulement choisir le type de mØthode qui s’applique au problŁme posØ mais aussi choisir la technique utiliser en fonction des conditions d’application, de la taille et de la profondeur de la cible, etc.. - 7 -
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