UNIVERSISTÉ LOUIS PASTEUR ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
UNIVERSISTÉ LOUIS PASTEUR ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE THÈSE présentée pour l'obtention du grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur (Strasbourg I) Spécialité : Géophysique par Mickaël BÉHAEGEL Hydrogéophysique à l'échelle du petit bassin versant de La Soutte soutenue le 29 novembre 2006 devant le jury composé de M. Guy MARQUIS, Directeur de thèse EOST M. Pascal SAILHAC, Co-encadrant EOST M. Dominique GIBERT, Rapporteur externe Université Rennes I M. Alain TABBAGH, Rapporteur externe Université Paris VI M. Yves BERNABÉ, Rapporteur interne EOST M. Jérôme MOLENAT, Examinateur INRA Rennes

  • national de recherche en hydrologie

  • alsace de laboratoires en ingénierie

  • maintes reprises sur le terrain

  • projet pnrh

  • jean roy

  • eost

  • électronique liées au projet


Publié le : mercredi 1 novembre 2006
Lecture(s) : 209
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 230
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UNIVERSISTÉ LOUIS PASTEUR
ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE
INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE




THÈSE

présentée pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Université Louis Pasteur (Strasbourg I)
Spécialité : Géophysique


par


Mickaël BÉHAEGEL


Hydrogéophysique à l’échelle du petit bassin
versant de La Soutte





soutenue le 29 novembre 2006 devant le jury composé de

M. Guy MARQUIS, Directeur de thèse EOST
M. Pascal SAILHAC, Co-encadrant EOST
M. Dominique GIBERT, Rapporteur externe Université Rennes I
M. Alain TABBAGH, Rapporteur externe Université Paris VI
M. Yves BERNABÉ, Rapporteur interne EOST
M. Jérôme MOLENAT, Examinateur INRA Rennes

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« Tout ce qui est impossible reste à accomplir. »

« Il ne s’est jamais rien fait de grand dans le monde sans espérance exagérée. »

Jules Verne

« Savoir écouter, c’est savoir posséder outre que le sien, le cerveau des autres. »

Léonard de Vinci
iii ivRemerciements

Je tiens tout d'abord à remercier la Région Alsace et le CNRS pour le financement BDI dont
j'ai pu bénéficier pendant trois ans. Je remercie également le projet PNRH (Programme
National de Recherche en Hydrologie) « WATERSCAN » ainsi que REALISE (Réseau
Alsace de Laboratoires en Ingénierie et Sciences pour l'Environnement) pour le financement
de capteurs et d'appareils de mesures utilisés à La Soutte.
Je souhaite exprimer toute ma gratitude à mes deux directeurs de thèse, Pascal Sailhac et Guy
Marquis grâce auxquels cette thèse a pu se dérouler dans de parfaites conditions. Je remercie
Pascal pour sa patience, ses conseils et son implication très importante dans le projet de La
Soutte. Je remercie Guy pour ses conseils avisés, sa disponibilité et l'art avec lequel il trouve
une solution aux problèmes qu’ils soient d’ordre scientifique, logistique ou administratif.
Je remercie également Yves Bernabé, Dominique Gibert, Alain Tabbagh et Jérôme Molénat
d’avoir accepté de participer à mon jury de thèse et d’avoir été présent le jour de la
soutenance.
Je suis reconnaissant à toutes les personnes qui m'ont permis de partager les joies et les tracas
du terrain et en premier lieu Pierre-Daniel Matthey, l'ingénieur d'étude de l'équipe qui s'est
occupé de la connectique et de l'électronique liées au projet. Il s’est impliqué pleinement dans
le projet de La Soutte et m’a accompagné à maintes reprises sur le terrain lors de l'installation
des centrales d'acquisition ou de la station météo et ceci, malgré le froid, la neige, les fourmis
volantes, les tiques ou l'adjudicateur de chasse (à ne pas confondre avec l'adjudicataire...à vos
dictionnaires...).
Je remercie également Laurence Jouniaux pour sa bonne humeur communicative et les
nombreuses discussions que nous avons eues ainsi que pour les différentes mesures en
laboratoire qu’elle a effectuées.
En vrac, je tiens à remercier pour leurs collaborations sur le terrain : Ester Falgàs, Juanjo
Ledo qui ont eu la chance de découvrir qu’un été en Alsace n’a rien à voir avec un été à
Barcelone ; Jean-François Girard, Jean Roy et Maciek Lubscynsky qui ont participé à la
première campagne RMP et ont ainsi pu goûté au charme rustique mais fonctionnel du chalet
du Welschbruch ; Jean-Bernard Edel pour les mesures de susceptibilité magnétique, Georges
Herquel pour les mesures de tomographie sismique, Marc Munschy, Daniel Boulanger et
Romaric Limacher pour les prospections magnétiques, Stéphanie Gautier et Gilles Henry pour
les diagraphies, Olivier Maquaire et Jean-Philippe Mallet pour nous avoir initié au maniement
du pénétromètre ; Philippe Elsass et Jean-Paul von Eller pour leurs remarques d’ordre
vgéologique ; Jose Ortega pour sa sympathie et son aide dans l’interprétation des forages;
Martine Trautmann pour les mesures de granulométrie.
Je n'oublie pas les élèves-ingénieurs de l'EOST qui ont choisi de réaliser leur stage ouvrier à
La Soutte : Amélie Neuville, Jimmy Klinger, Ludovic Peignard, Marina Lesnes, Jérémie
Thiebaud, Mathieu Pouget et Pierre-Yves Raya.
Je remercie toute l’équipe de l'atelier de l'EOST pour leur aide lors de l'installation du mât de
la station météo et pour leurs travaux de terrassement. Je voudrais remercier plus
particulièrement Bernard Cantin pour sa gestion impeccable des véhicules de service.
Je remercie la ville d'Obernai ainsi que le syndicat forestier d'Obernai-Bernardswiller en les
personnes de MM. Suhr et Schaal. Je salue également les gardes forestiers du secteur de La
Soutte : MM. Reishert et Chauvin avec qui j’ai pris plaisir à discuter lors de mes nombreuses
sorties sur le terrain.
Je tiens également à remercier Janine Fishbach, la bibliothécaire de l'EOST, désormais jeune
retraitée, pour sa très grande gentillesse et son efficacité. Je remercie aussi Caroline Lazarus
et Binta Mesmacque, secrétaires à l'EOST qui m’ont aidé à gérer missions, bons de
commande et PUMA (avis de Publicité pour les Marchés à procédure Adaptée) dans la jungle
administrative…
Je salue toutes les personnes que j’ai côtoyées à l’IPG et celles avec qui j’ai partagé le bureau
304, et plus particulièrement : Mathieu Darnet, Olivier Loeffler, Alexis Maineult et Juan Pi
Alperin avec lesquels j’ai passés de très bon moments (« …36…37… », « Mamouche,
Tamouche et Samouche », « Gninnnnn… », « Pi…Pi…..Panne… », « Geophysics is
good…it is the future of Geology » et j’en passe…). Je salue également Amine, Mourad,
Audrey et Ingrid.
Je tiens également à saluer les « deux Sophies », Sana, Benoît et plus généralement
l’ensemble des thésards de l’IPG.
Enfin, je remercie ma famille et Valérie qui me soutient et me supporte chaque jour.
viRESUME
Cette thèse s’intéresse à l’étude hydrogéophysique d’un petit bassin versant vosgien La Soutte
à travers des prospections géophysiques et des développements méthodologiques concernant
le suivi hydrogéophysique. Un suivi du potentiel spontané sur une période de plus de deux ans
met en évidence des variations importantes du potentiel qui sont cependant difficiles à
interpréter actuellement en terme de dynamique d'écoulements. La mesure en continu des
variations de température du sous-sol a permis de caractériser les variations du contenu en eau
du sous-sol et de caractériser l'épaisseur maximale de la zone non saturée égale à 15 cm.
Enfin, la tomographie de résistivité a été utilisée pour caractériser le transport d’un panache
de sel dans le sous-sol (20 cm/jour) d'une zone saturée du site. Une loi d'Archie calibrée par
des mesures in situ permet de calculer les concentrations en sel qui sont comparables à celles
obtenues par modélisation hydraulique du transport du sel.


ABSTRACT
This thesis concerns the hydrogeophysical study of a small water catchment called La Soutte
through different geophysical prospecting methods and methodological developments
concerning hydrogeophysical monitoring (i.e., the time monitoring of physical parameters and
properties related to underground flows). Streaming potential monitoring over a period of two
years shows strong potential variations which are however difficult to interpret in term of
flows dynamic. The continuous measurement of underground temperature variations allowed
to characterize variations of soil water content and to characterize the maximal vadose zone
thickness equal to 15 cm. Finally, resistivity tomography was used to characterize the
transport of a salt plume in the ground (20 cm/day) in a saturated zone of the site. An Archie's
law calibrated by in situ measurements allows to calculate salt concentrations that are
comparable to those obtained by hydraulic (diffusive-advective) modelling of salt migration.

vii viiiTables des matières


Introduction…………………………………………………………………………………...1

Chapitre 1: Présentation du site d’étude de La Soutte...................................................... 7
1.1. Localisation et présentation générale ......................................................................... 7
1.2. Géologie...................................................................................................................11

Chapitre 2: Caractérisation des structures hydrogéologiques ....................................... 15
2.1. La tomographie de résistivité ................................................................................... 15
2.1.1. Les méthodes électriques en courant continu (DC) ......................................... 15
2.1.2. La Magnétotellurique à source contrôlée (CSAMT)........................................ 22
2.2. La sismique réfraction et les forages........................................................................ 26
2.2.1. La sismique réfraction et la tomographie sismique.......................................... 26
2.2.2. Forages et diagraphies...................................................................................... 31
2.3. Synthèse des données et modèle hydrogéologique .................................................. 34

Chapitre 3: Caractérisation du contenu en eau par la méthode de sondages par
Résonance Magnétique Protonique (RMP) ......................................................................... 37
3.1. Principes théoriques.................................................................................................37
3.2. Mesures réalisées à La Soutte .................................................................................. 40
3.3. Traitement et Interprétations .................................................................................... 42
3.3.1. L’effet d’aquifère fantôme ............................................................................... 42
3.3.2. Interprétation....................................................................................................43
3.3.3. Les gradients magnétiques 45
3.3.4. Le principe d’équivalence................................................................................46
3.3.5. Conclusions et perspectives ............................................................................. 47

Chapitre 4: Le potentiel spontané : L’électrocinétisme et les autres sources de
potentiel spontané (PS) .......................................................................................................... 51
4.1. L’électrocinétisme51
4.1.1. Les fondements : l’équation d’Helmholtz-Smoluchowski............................... 51
ix4.1.2. Le modèle de la double couche électrique ....................................................... 52
4.1.3. Du capillaire poreux vers le milieu poreux ...................................................... 54
4.1.4. Paramètres influençant le couplage électrocinétique ....................................... 56
4.2. Les autres sources de potentiels spontanés .............................................................. 61

Chapitre 5: La mesure du potentiel spontané sur le terrain et du coefficient de
couplage en laboratoire.......................................................................................................... 69
5.1. L’art de la mesure de potentiel spontané.................................................................. 69
5.1.1. Les électrodes impolarisables........................................................................... 69
5.1.2. Le voltmètre à haute impédance....................................................................... 71
5.1.3. Mode opératoire et précautions sur le terrain................................................... 73
5.2. La mesure du potentiel d’électrofiltration en laboratoire......................................... 77
5.2.1. Dispositif expérimental....................................................................................78
5.2.2. Mesures sur des échantillons provenant de La Soutte...................................... 79

Chapitre 6: La méthode de polarisation spontanée appliquée au site de La Soutte..... 83
6.1. La polarisation spontanée appliquée au suivi temporel des variations de circulations
hydriques .............................................................................................................................. 83
6.1.1. La PS dans la caractérisation des écoulements naturels et artificiels............... 83
6.1.2. Le suivi temporel des PS.................................................................................. 86
6.2. Les mesures de PS réalisées à La Soutte.................................................................. 88
6.3. Les mesures de PS en statique 90
6.3.1. Modélisation du profil principal....................................................................... 90
6.3.2. Les cartes de PS................................................................................................ 93
6.4. Le suivi des variations PS dans le temps 96
6.4.1. Les phénomènes qui peuvent affecter les variations de PS.............................. 98
6.4.2. Les mesures à La Soutte................................................................................. 103
6.5. Conclusions et perspectives ................................................................................... 115

Chapitre 7: Le suivi temporel de la température pour la caractérisation du contenu en
eau du sol ……...................................................................................................................... 121
7.1. Article : On the use of surface and ground temperature data to recover soil water
content information ............................................................................................................ 121

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