Présentée pour l'obtention du grade de

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
THÈSE Présentée pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I (Spécialité Géophysique) par Olivier LOEFFLER Modélisation géoradar de la proche surface, estimation de la teneur en eau et influence d'un polluant Soutenue publiquement le 04 février 2005. Membres du jury : Directeur de thèse : Dr. Maksim BANO, Université Louis Pasteur, Strasbourg Rapporteurs : Pr. Michel CARA, Université Louis Pasteur, Strasbourg Pr. Hervé PERROUD, Université de Pau et des Pays de l'Adour Pr. Michele PIPAN, Università degli Studi di Trieste (Italie) Examinateur : Pr. Gerhard SCHÄFER, Université Louis Pasteur, Strasbourg

  • modélisation géoradar de la proche surface

  • présentée pour l'obtention du grade

  • estimation de la teneur en eau

  • équipe de proche surface de l'eost

  • équipe de tectonique active


Publié le : mardi 1 février 2005
Lecture(s) : 130
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 204
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THÈSE
Présentée pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
(Spécialité Géophysique)
par
Olivier LOEFFLER
Modélisation géoradar de la proche surface,
estimation de la teneur en eau
et influence d’un polluant
Soutenue publiquement le 04 février 2005.
Membres du jury : Directeur de thèse :
Rapporteurs : Examinateur:
Dr. Maksim BANO,Université Louis Pasteur, Strasbourg Pr. Michel CARA,Université Louis Pasteur, StrasbourgPr. Hervé PERROUD,Université de Pau et des Pays de l’Adour Pr. Michele PIPAN,Università degli Studi di Trieste (Italie) Pr. Gerhard SCHÄFER,Université Louis Pasteur, Strasbourg
THÈSE
Présentée pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
(Spécialité Géophysique)
par
Olivier LOEFFLER
Modélisation géoradar de la proche surface,
estimation de la teneur en eau
et influence d’un polluant
Soutenue publiquement le 04 février 2005.
Membres du jury : Directeur de thèse :
Rapporteurs : Examinateur :
Dr. Maksim BANO,Université Louis Pasteur, Strasbourg Pr. Michel CARA,Université Louis Pasteur, StrasbourgPr. Hervé PERROUD,Université de Pau et des Pays de l’Adour Pr. Michele PIPAN,Università degli Studi di Trieste (Italie) Pr. Gerhard SCHÄFER,Université Louis Pasteur, Strasbourg
Remerciements
 Je tiens tout d’abord à remercier le projet européenHYGEIA (Hybrid Geophysical technology for the Evaluation of Insidious contaminated Areas), grâce auquel cette thèse a pu se dérouler dans des conditions financières et matérielles parfaites.  Je souhaite encore exprimer ma gratitude à Maksim BANO, mon directeur de thèse, pour son soutien qui a permis l’avancement de mes travaux. Je remercie aussi Guy MARQUIS, et à travers lui toute l’équipe de Proche Surface de l’EOST. J’ai pu effectuer ce travail dans un environnement des plus favorables et avec des moyens adaptés au but recherché.  Je remercie toutes les personnes avec lesquelles j’ai eu l’occasion de collaborer pendant ce séjour à Strasbourg, entre autres la société Fondasol, qui nous a permis de travailler sur ses données et l’équipe de Tectonique Active, sous la direction de Mustapha MEGHRAOUI, par son thésard Pierre-Jean ALASSET.  Plusieurs personnes m’ont aidé à acquérir des données, qu’il s’agisse de mesures sur le terrain ou sur le bac à sable. Que Pierre-Jean ALASSET, Maksim BANO, Hélène BOUDENS, Michel CARA, Jean-François GIRARD, Rachid INTISSAR, François LEDRAPPIER soient assurés de ma gratitude pour tous les efforts consentis dans des conditions pas toujours faciles.  Je remercie Bernard CANTIN pour toute l’aide fournie dans le montage de l’expérience en laboratoire. Janine FISCHBACH m’a beaucoup facilité la recherche bibliographique, son efficacité est à la hauteur de sa gentillesse. Caroline LAZARUS principalement et Binta MESMACQUE et Michelle LAURENT secondairement ont considérablement facilité l’organisation des missions à l’étranger. Xavier ROSE, Jean-Marc BRENDLE et Marc SCHAMING ont toujours été présents pour réparer, remettre en route, réinstaller quand un problème impromptu se présentait en informatique.  Je tiens aussi à sincèrement remercier tous les membres du jury, Michel CARA, Hervé PERROUD, Michele PIPAN et Gerhard SCHÄFER, dont les remarques pertinentes et judicieuses ont permis d’améliorer ce travail. Je les remercie pour leur présence à ma soutenance, bien que le voyage ait été très long pour certains…
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 Je ne peux pas oublier ici tous mes amis et collègues qui m’ont soutenu durant ces 3 années à Strasbourg. L’ambiance détendue mais travailleuse du bureau 304 a fait oublier le stress et l’angoisse de la rédaction, merci à Jeff, Mathieu, Juan, Mickaël et Amine. Plus largement, tous les thésards, Alexis, Nicolas, Agathe, Valérie, Gidéon, Anne, François et Gwenn, Sana, Mathieu, Sophie, Pierre-Jean, Tony par leurs visites et leurs discussions ont agréablement inclus des pauses dans la journée.  Le soutien est aussi arrivé de plus loin, remontant à mes amis de ma promo 1997 de l’école (à l’époque EOPGS), Hervé, Jean-Luc, Cécile, Agathe, Céline, Pénélope, Gwénola, Pascale, Manue et Fred ; puis à mes amis de l’époque Djibout’ qui m’ont poussé à faire cette thèse : André, Corinne, Cécile et Sylvain, Christian, Yann et Céline, Pierre-Yves et Florence ; et enfin à ceux de mon séjour parisien qui m’ont vu franchir le pas : Katia, Julia, François et David, Anne, Laurent qui a corrigé tout mon texte.  Je finirai en remerciant toute ma famille de l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail, de tous leurs encouragements. Merci donc à mes parents, à Claude et Deniz, Anne et Daniel. Merci aux 2 René(e) pour leur soutien culinaire, un moment de bonheur une fois par semaine renouvelé…
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Résumé
 Le radar géologique est utilisé en proche surface pour déterminer différentes caractéristiques du sous-sol. Cependant, l’analyse des signaux est parfois compliquée par la structure hétérogène du milieu. D’autre part, la méthode est très sensible à la présence d’eau dans le sous-sol, qui influence fortement les résultats.  Afin de pallier ces problèmes, nous utilisons un programme de modélisation en domaine temporel par différences finies (FDTD). Nous ajustons l’impulsion source pour nous rapprocher le plus possible des résultats réels. Nous commençons par modéliser la structure d’un bassin à flanc de falaise dans les Alpes. Nous y découvrons une structure géologique qui peut indiquer la présence de mouvements d’enfoncement du bassin au niveau de la falaise. Une étude sur des cavités dans des calcaires nous permet en suite de discriminer les signaux dus à des cavités remplies d’argile et des cavités vides. Enfin, une étude à différents moments nous permet de suivre l’évolution d’une couche de neige au cours du temps.  Une expérience en laboratoire a été montée pour simuler à petite échelle un sable dans lequel sont enterré des objets et soumis à des variations de hauteur de nappe phréatique. Nous notons qu’aucune réflexion sur le toit de la nappe phréatique n’est enregistré sur les données réelles. Nous montrons que les 3 formules utilisées fréquemment en radar pour relier la permittivité diélectrique et la teneur en eau du milieu donnent des résultats comparables, tant sur les valeurs de teneur en eau que sur les variations de ces valeurs. Une modélisation en FDTD pour chaque niveau de saturation du bac nous permet de donner une estimation sur les paramètres diélectriques du sable.  Enfin, le bac a été réutilisé pour simuler une pollution au gasoil à partir de la surface. Nous montrons que le gasoil ne se répartit pas de façon homogène dans le bac. Peu de signes
permettent de caractériser la pollution en-dehors de la variation de la vitesse de propagation des ondes dans le milieu. Une modélisation permet de retrouver une forme du panache de pollution dans le bac. Nous montrons également que des déplacements d’eau importants ont lieu lors de la mise en place du gasoil. Mots-clefs : géoradar, différences finies, dispersion, teneur en eau, pollution.
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Abstract
 Ground Penetrating Radar is used in near surface acquisitions to determine several characteristics from the soil. The analysis of the data is generally complicated by the heterogeneity of the near surface layer. The influence of water is also very strong and a change is the water content of the soil can change the results.  In order to improve the data analysis, we use a modelling program with a finite differences in time domain (FDTD) algorithm. We determine the shape of the source impulse to be as near as possible from the real results. At first, we use this program to model the structure in a peat basin in the French Alps. We discover a geological structure which may result from a progressive sinking of the basin nearby the cliff. Another study helps us to discriminate between karsts filled with clay and hollow karsts in limestone. Finally, we can follow the changes affecting a snow layer at several times during the winter.  We mounted a laboratory experiment in order to reproduce a groundwater level in a sand layer at varying depths. We had no signal reflection on the top of the saturated sand layer. We show that the 3 commonly used relations linking the water content to the relative dielectric permittivity give similar results, both on the water contents that on the variations of the water volume in the sand. With the modelling of the profiles from the sans box, we can give some estimations for the dielectric parameters from the sand.  At least, we simulated an accidental fuel pollution from the surface of the sand box. We show that the fuel is not homogeneously distributed in the sand. We have no reflection on the fuel saturated layer, and only the wave velocity is clearly affected by the presence of fuel. The plume is more concentrated in the vicinity of the injection point and is the origin of water movements in the sand. New signals appear after a longer time due to these changes. A modelling gives a good idea from the shape of the plume. Key-words : GPR (ground penetrating radar), finite differences, dispersion, water content, LNAPL pollution.
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« Chaque progrès donne un nouvel espoir,
suspendu à la solution d'une nouvelle difficulté.
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Le dossier n'est jamais clos. »
C. Levi-Strauss
Mythologiques 1, Le Cru et le Cuit
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Table des matières
Remerciements ....................................................................................................... i
Résumé .................................................................................................................iii
Abstract................................................................................................................. iv
Introduction ........................................................................................................... 3
Chapitre 1 : Théorie de l’électromagnétisme et modélisation FDTD................... 9
I).................................................................................................. 9Equations de Maxwell A) Equations de Maxwell dans le vide............................................................................ 9 B) Paramètres électromagnétiques de la matière .......................................................... 10 1)....................................................................... 10Paramètres du champ magnétique 2)Paramètres du champ électrique.......................................................................... 103)................................................................................... 12Milieux linéaires isotropes C) Equations de Maxwell dans un milieu diélectrique ................................................. 13 II)14Les équations de diffusion et de propagation ...................................................... A) En domaine fréquentiel ............................................................................................ 14 B) Les ondes planes sinusoïdales .................................................................................. 15 C) Atténuation et facteur de qualité .............................................................................. 16 III)Les milieux dispersifs ............................................................................................. 18A) Formulation générale de la permittivité diélectrique effective ................................ 18 B) Modèles de propriétés dispersives............................................................................ 19 IV)Modélisation en domaine temporel par différences finies .................................. 20A) Présentation générale de la méthode ........................................................................ 20 B) Implications diverses................................................................................................ 22 C) Pour rendre les modèles plus réalistes...................................................................... 23 V)Les acquisitions en radar géologique.................................................................... 25A) Acquisition à offset constant .................................................................................... 25 B) Acquisition en CMP ................................................................................................. 26 C) Quelques rappels ...................................................................................................... 27
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