COURS DE
GEOPHYSIQUE
GENERALE
1
Objectif
Déterminer la structure du sous-sol à partir de mesures en surface
Géophysique :
Observation, généralement en surface, de grandeurs physiques qui sont
chacune une signature de la distribution d’un paramètre physique à
l’intérieur de la Terre.
Objet Prospection Géophysique :
Application des lois, théories, techniques de la Physique en vue de la
découverte de gîtes minéraux (pétrole, minerais), de la recherche des eaux
souterraines et de divers matériaux utiles, ou encore en vue de l’étude du
sous-sol nécessaire pour l’exécution de certains travaux de génie civil
(implantation de barrages, fondations d’ouvrages, percement de tunnels,
etc.)
2
Objectif
Sondages mécaniques permettant d'accéder directement sont généralement
très onéreux
D’où le recours aux des méthodes de prospection
surface du sol.
physique à partir de la
Méthodes basées sur l'étude des variations spatiales (verticalement ou
horizontalement) de certaines propriétés physiques du sous-sol.
Variations, elles-mêmes liées aux structures géologiques que l'on cherche à
identifier
3
Les principales méthodes géophysiques
Les méthodes gravimétriques : fondées sur l’étude des anomalies (structures
comportant des différences sensibles par rapport au milieu environnant) de la
pesanteur engendrées par l’inégale distribution des roches de densités
différentes.
Consistent à mesurer les variations relatives de l’intensité de la pesanteur g.
Variations interprétées, après un certain nombre de corrections, comme des
variations de la densité du sous-sol en place et donc de sa nature.
Les méthodes magnétiques : fondées sur l’étude des anomalies.
Consistent à mesurer les variations du champ magnétique terrestre ; celles-ci
étant supposées dues à la variation de la susceptibilité magnétique des
différentes roches en place.
Méthode applicable avec succès que pour le cas des roches ferromagnétiques.
4
Les principales méthodes géophysiques
Les méthodes sismiques (sismique réfraction, sismique réflexion) :
Consistent à étudier la propagation dans le sous-sol des vitesses d'ondes créées
par des charges d'explosifs enterrées à faible profondeur.
Les méthodes électromagnétiques : fondées sur l’emploi du courant alternatif
basse fréquence,
On étudie principalement l'importance relative d'un champ magnétique induit
qui se crée dans un corps conducteur soumis à un champ magnétique primaire
artificiel.
5
Les principales méthodes géophysiques
Les méthodes électriques :
Beaucoup plus utilisées dans tous les domaines, avec diverses applications.
Se décomposent en :
o méthodes utilisant des courants naturels : dont la méthode de polarisation
spontanée,
o méthodes utilisant des courants artificiels : dont la méthode des résistivités,
méthode de la polarisation induite.
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Les principales méthodes géophysiques
Paramètres
géophysiques
mesurés
Différence de potentiel
due aux courants de
conduction
Propriétés physiques
opérationnelles
Variation du potentiel
électrique naturel
Conductivité électrique
Différence de pression
Signaux
électromagnétiques
dus à l’induction
Temps de propagation
d’impulsions
électromagnétiques
Conduction électrique
(Susceptibilité magnétique et
permittivité diélectrique)
Permittivité diélectrique
(Susceptibilité magnétique et
résistivité)
Sismique
réfraction
Temps de propagation
des ondes réfractées
Densité et module
d’élasticité
Gravimétrie
Variation du champ de
gravité terrestre
Densité
Magnétisme
Variation du champ
géomagnétique
Susceptibilité magnétique
Méthodes
Electrique
Polarisation
spontanée
Electromagnétisme
Radar
Résistivité électrique
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Les principales méthodes géophysiques
La sensibilité et la résolution
La sensibilité exprime l’influence de la variation du paramètre physique
opérationnel sur le paramètre géophysique mesuré.
Plus elle est importante, plus l’influence du sous-sol est forte sur la mesure.
Sensibilité des différentes méthodes fonction des dispositifs employés, et
varie dans l’espace.
Maximale à proximité des dispositifs de mesure, et diminue latéralement et en
profondeur.
8
Les principales méthodes géophysiques
La résolution exprime la capacité d’une méthode à mettre en évidence une cible
et à la caractériser.
Fonction de la sensibilité du dispositif, mais également limitée par la sensibilité
de l’équipement utilisé et par les conditions de mesures (rapport signal sur
bruit). Pas possible de proposer une résolution standard pour chaque méthode,
mais plutôt une gamme de profondeur usuelle.
La mise en œuvre d’une méthode géophysique passe par le déploiement sur le
terrain d’un équipement.
Chaque équipement possède ses propres modalités d’utilisation et peut être
déployé suivant plusieurs configurations en fonction de l’objet recherché.
9
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
1. Généralités
Principe: On injecte un courant I dans un conducteur. La mesure de la différence
de potentiel entre deux points situés à sa surface permet d’obtenir des
informations sur la distribution de la résistivité électrique r dans le conducteur.
La résistivité est la résistance d'un cylindre de longueur et de section égale à
l’unité ; elle s'écrit :
V
ρ=R S/l
I
Avec, ρ = résistivité, R = résistance en ohm, S = section en m2 et l = longueur en m.
La résistivité électrique d’un matériau, exprimée en Ohm.mètre (Ω·m),
représente la capacité de ce matériau à s’opposer au passage d’un courant
électrique.
10
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
A l’exception des minéraux métalliques, des argiles hydratées ou du graphite, les
minéraux constitutifs des formations géologiques présentent majoritairement
des résistivités élevées.
Pour cette raison, la circulation de courant électrique dans le sous-sol s’effectue
principalement par conduction volumique (ou électrolytique) à travers l’eau
d’imbibition de ces formations.
En présence de matériaux fins (comme les argiles), la circulation de courant peut
s’effectuer par conduction surfacique.
11
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
La conductibilité électrique d'une roche ou sa propriété de conduire le courant
varie beaucoup d'une roche à l'autre. Les paramètres qui l'expriment sont : la
conductivité ou son inverse la résistivité.
La conductibilité s’exprime de ce fait sous la forme σ=1⁄ρ. Pour des raisons
d'ordre pratique, elle s'exprime en en micro siemens par centimètre (μS⁄cm) ou
milli siemens par mètre (mS⁄m).
La conductibilité d'une roche est soit solide ou métallique, soit électrolytique ou
liquide.
Conductibilité métallique : liée à la présence de certains minerais métalliques
présents dans la matrice rocheuse elle-même (exemple des schistes graphiteux).
Conductibilité électrolytique : due au déplacement des ions contenus dans l’eau
d'imbibition de la roche ; c'est le cas le plus courant.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Tableau : Gamme de résistivité de matériaux naturels
Type de roche
Résistivité (Ω.m)
Eau de mer
0,2
Eau de nappes alluviales
10 - 30
Eau de source
5 - 100
Sables et Graviers secs
1000 - 10.000
Sables et Graviers à eau douce
10 - 500
Sables et Graviers à eau salée
1,5 - 5
Alluvions
10 - 800
Argiles, Marnes
1 - 100
Calcaires
200 - 10000
Schistes sains
300 - 3000
Schistes altérés
100 - 300
Gneiss
1000 - 20000
Quartzites
1000 - 10000
Granites
1000 - 15000
Gneiss granites altérés
100 - 1.000
Gabbro
6000 - 10000
Basalte
800 - 15000
Tuf volcanique
20 - 300
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Quelques valeurs de paramètres physiques de roches
Conductivité, s (W-1m-1)
105
104
103
102
101
10-1
1
10-2
10-3
10-4
10-5
quartsite
basalte
basalte altéré
granite frais
Roches
granite altéré
calcaire
argillite
grès
schiste graphitique
gravier
Sols
alluvion
argile
Minéraux
hématite
chalcopyrite
graphite
pyrrhotite
10-5
0
10-4
0
10-3
0
10-2
0
10-1
1
101
0
1
10
Conductivité
Résistivité,
r (Wm)
102
100
103
1000
104
10000
105
100000
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Anisotropie des matériaux
Propriétés des matériaux selon les différentes directions considérées
Cas des terrains sédimentaires
Conductivité transversale σt (perpendiculaire à la stratigraphie)
Conductivité longitudinale σl (parallèle à la stratigraphie)
En général, σl>σt
Les grandeurs liées :
Coefficient d’anisotropie A=√(σt/σl )
Conductivité moyenne σ=√(σt.σl )
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Lignes (ou filets) de courant et les équipotentielles
Dans un milieu homogène (propriétés du milieu sont les mêmes du point de vue de
l’espace), isotrope (propriétés du milieu sont les mêmes dans toutes les
directions)
Dans le cas d’une injection ponctuelle de courant
Alors les équipotentielles sont circulaires
Vue de dessus
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2. Circulation du courant dans le sol
2.1. Dans un sol homogène et isotrope
Par similitude aux lois de l’électricité, si on considère un sol homogène et
isotrope de résistivité ρ à la surface duquel on envoie un courant d'intensité I à
partir de deux électrodes d'envoi A et B, il se crée en tout point P un potentiel V
tel que :
𝑉=
𝜌𝐼 1 1
−
2𝜋 𝑟 𝑟′
Avec r = distance de A à P et r’ = distance de B à P.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
En appliquant ceci à un dispositif comprenant en plus des deux électrodes
d'envoi A et B, deux électrodes M et N à partir desquelles on peut mesurer une
différence de potentiel.
On a alors :
𝑉𝑀 =
𝜌𝐼
1
2𝜋 𝑀𝐴
−
1
𝑀𝐵
et 𝑉𝑁
=
𝜌𝐼 1
2𝜋 𝑁𝐴
1
−
𝑁𝐵
et la différence de potentiel entre M et N s’écrit alors :
𝜌𝐼 1
1
1
1
𝑉𝑀 − 𝑉𝑁 =
−
−
+
2𝜋 𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
Ainsi, la mesure de cette différence de potentiel 𝑉𝑀 − 𝑉𝑁 de l'intensité du
courant I envoyé à partir des électrodes A et B, et les caractéristiques
géométriques du dispositif de mesure permettent de calculer la résistivité ρ du
sol :
∆𝑉
𝜌 = 2𝜋
𝐼
1
1
1
1
1
−
−
+
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Généralement ΔV est mesuré en mV, I en mA et ρ est calculé en Ω.m.
En posant
𝐾 = 2𝜋
1
1
1
1
1
−
−
+
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
qui est appelé coefficient de géométrie, on a :
∆𝑉
𝜌=𝐾
𝐼
En terrain homogène, la résistivité ainsi calculée est la résistivité vraie du
terrain étudié. Par contre, en terrain hétérogène, ce qui est souvent le cas, la
résistivité calculée est plutôt une résistivité apparente notée 𝜌𝑎 . Elle
correspond à la résistivité vraie d'un terrain imaginaire homogène et isotrope
équivalent au terrain réel hétérogène.
Dans ce qui suit, comme il s'agira toujours d’étude de terrains réels et
hétérogènes, nous ne parlerons que de résistivité apparente.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Résistivité apparente
Définition: La résistivité apparente ra d’un milieu est la résistivité d’un milieu
homogène à la surface duquel la même valeur du rapport DV/I aurait été
mesurée avec le même dispositif d’électrodes d’injection et de mesure du
potentiel.
∆𝑉
1
𝜌𝑎 = 2𝜋
=𝜌
1
1
1
1
𝐼
−
−
+
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
Milieu
inconnu
Milieu
homogène
20
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.2. En terrain hétérogène
2.2.1. Hétérogénéité horizontale
21
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.2.2. Hétérogénéité verticale
22
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.3. Volume de sol affecté et profondeur d'investigation
Avec un dispositif quadripôle, le volume de sol affecté par le courant envoyé à
partir de deux électrodes A et B dépend de l'écartement de A et B.
Pour un dispositif rectiligne et un sol homogène, le volume de sol affecté par le
courant a une section horizontale de longueur 3AB/2, de largeur AB/2.
La profondeur atteinte par le courant est de AB/4
Elle peut descendre jusqu’à AB/10 en fonction de la résistivité du sol.
23
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.4. Effet de la topographie sur la résistivité
Les équipotentielles sont resserrées au fond des vallées et plus écartées au
sommet des montagnes.
L’effet du relief dépend aussi du contraste de résistivité des terrains du sol.
Ainsi lorsque le terrain de surface est conducteur et repose sur un substratum
résistant, la presque totalité des filets de courant se trouve concentrée dans le
conducteur et les moindres dénivellations auront un effet important.
24
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.5. Quelques détails d'ordre pratiques
2.5.1. Source de courant
On utilise généralement une ou des batteries de voiture.
2.5.2. Electrodes d'envoi de courant A et B (électrodes d’injection)
Elles sont généralement des piquets d'acier. En fonction de la nature du terrain
et des électrodes, le problème qui peut se poser est que le courant qui passe
dans le sol prospecté est très faible. On peut remédier à cette situation en :
- utilisant des électrodes de plus grand diamètre,
- enfonçant plus profondément les électrodes,
- diminuant la résistivité du terrain environnant en mouillant le sol avec de l'eau
salée.
25
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
2.5.3. Electrodes de mesure de potentiel M et N
La mesure du potentiel ΔV est plus délicate que celle du courant I.
Les électrodes de potentiel M et N peuvent s’oxyder de manière différente et
donc être polarisées. On parle alors de polarisation spontanée. Pour limiter ou
éliminer ce problème, on peut utiliser des électrodes chimiquement stables (en
cuivre ou en plomb).
Un autre problème qui peut aussi se poser est que la valeur du potentiel ΔV peut
être très petite par rapport à la sensibilité de l'appareil utilisé. Dans ce cas,
l'augmentation de l’écartement entre M et N peut remédier à cette situation.
Signalons qu’à l'heure actuelle la technologie de la plus part des appareils
disponibles permet de résoudre automatiquement les problèmes liés à la mesure
du potentiel.
26
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3. Dispositifs de mesure
Tous les dispositifs de mesure par la méthode des résistivités comprennent 4
électrodes:
- 2 électrodes d'envoi de courant (ou d'émission) A et B,
- 2 électrodes de mesure de potentiel (ou de réception) M et N.
En fonction de la disposition relative de ces électrodes, on peut distinguer
plusieurs types de dispositifs dont les principaux sont :
3.1. Dispositifs quadripôles
Pour ces dispositifs, les 4 électrodes sont disposées sur un même alignement ; on
parle alors de dispositif rectiligne. Le plus souvent les deux électrodes M et N
sont disposés entre A et B et de manière symétrique par rapport au milieu 0 de A
et B. En ce moment on parle de dispositif symétrique. En fonction des positions
respectives de A, B, M et N on distingue :
27
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.1.1. Dispositif Schlumberger
La distance MN est petite par rapport à AB ; en général on a 4≤AB/MN≤2:0.
La mesure du potentiel ΔV est plus délicate que celle du courant I.
En posant alors AO = OB = a et OM = ON = b, la résistivité apparente s’écrit :
∆𝑉
1
𝜌 = 2𝜋
𝐼 1 − 1 − 1 + 1
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
et le coefficient de géométrie K s’écrit
𝜋 𝑎2 − 𝑏 2
𝐾 = 2𝜋
=
1
1
1
1
2𝑏
−
−
+
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
1
28
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.1.2. Dispositif Wenner
Dans ce cas on a AM = MN = NB = AB/3 ; en posant AM = MN = NB = AB/3 = a :
le coefficient de géométrie K s’écrit
𝐾 = 2𝜋
1
1
1
1
1
−
−
+
𝑀𝐴 𝑀𝐵 𝑁𝐴 𝑁𝐵
= 2𝜋𝑎
29
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.1.3. Avantages et inconvénients de ces deux dispositifs
Les principaux avantages du dispositif Wenner sont :
- Il permet un calcul très facile du coefficient de géométrie K,
- Il permet aussi d’obtenir des valeurs de différence de potentiel entre M et N
nettement plus élevées ; ce qui peut être intéressant quand l’appareil de mesure
des potentiels n'est pas très sensible.
Cet avantage a perdu son importance avec le développement de l’électronique.
A l’inverse, le dispositif Wenner présente les inconvénients suivants :
- d'une mesure à l'autre, avec un dispositif Wenner, on est obligé de déplacer les
quatre électrodes. Ce qui entraîne beaucoup de manœuvres. Par contre avec un
dispositif Schlumberger, on peut garder les mêmes électrodes MN pour un grand
nombre de mesures consécutives faites avec différentes valeurs de AB,
- le dispositif Wenner ne permet pas de corriger des anomalies liées au passage
des électrodes sur des anomalies de surface ; ce phénomène qui est appelé « à
coup » peut par contre être corrige avec un dispositif Schlumberger.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.2. Dispositifs dipôles
Ils sont surtout utilisés pour de grandes profondeurs d’investigation.
Dans ce cas, les électrodes B et N sont placés à l’infini et on ne s'occupe que des
électrodes A et M.
Ce dispositif est théoriquement simple puisque le potentiel mesuré en M est dû à
A seul (l’effet de B est négligeable du fait qu’il est placé à l’infini).
Dans la pratique, ce dispositif est encombrant à mettre en œuvre à cause de la
longueur des câbles nécessaires pour rendre négligeable l’effet des électrodes
placées à l’infini.
31
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.3. Dispositifs rectangles
Ce dispositif a la particularité de ne pas avoir ses 4 électrodes sur la même ligne
et d’avoir un coefficient de géométrie variable d’une mesure à l’autre. Il sera
étudié plus en détail au chapitre sur les méthodes de prospection horizontale.
3.4. Dispositifs carrés
C'est un dispositif destiné à mettre en évidence des phénomènes d'anisotropie.
Les électrodes sont placées aux 4 sommets d'un carré. Ce dispositif sera aussi
étudié plus en détail au chapitre sur les méthodes de prospection horizontale.
32
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
3.5. La sensibilité des principaux dispositifs
Il est possible de représenter une fonction de sensibilité des différents
dispositifs pour un terrain homogène.
Cette fonction permet de savoir à quel point les variations de la résistivité dans
une région influenceront la mesure de la différence de potentiel. Plus la valeur de
cette fonction est élevée, comme c'est le cas à proximité des électrodes, plus
elle influencera la mesure du potentiel.
On constate que les valeurs de cette fonction diffèrent selon les dispositifs. Un
dispositif Wenner est plus sensible à une variation verticale de la résistivité (la
fonction de sensibilité est étalée horizontalement) alors qu'un dipôle - dipôle sera
plus influencé par une variation horizontale de la résistivité (fonction étalée
verticalement). Un dispositif Schlumberger présente un comportement
intermédiaire.
33
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4. Méthodes de prospection
4.1. Prospection horizontale
Les méthodes de prospection horizontale sont des méthodes qualitatives qui
consistent à :
- à utiliser un dispositif de même géométrie avec une longueur de ligne d'envoi
suffisante pour atteindre la couche géologique à étudier,
- à mesurer des résistivités en plusieurs points d'une direction ou selon quelques
directions,
- à étudier la variation de la résistivité suivant les points ou directions de mesure,
- à assimiler le contraste de résistivité observée pour identifier les points ou
directions de passage d'une anomalie géologique.
Selon la façon de procéder on peut distinguer :
34
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.1. Trainé simple
Le dispositif utilisé est généralement Schlumberger ou Wenner et est aligné
suivant une direction perpendiculaire à celle ou une anomalie géologique (fracture)
est possible. Le même dispositif est déplacé d'un point à un autre de la direction
de mesure avec un pas constant. Cette méthode est bien appropriée pour mettre
en évidence des fractures ou filons subverticales. Son emploi peut être
relativement difficiles en terrain accidenté ou lorsque la végétation est dense.
35
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.2. Trainé multiple
Des mesures avec une seule longueur de ligne d’envoi peuvent dans certains cas
être insuffisantes pour mettre en évidence des structures complexes d'autant
plus que la profondeur d'investigation peut varier avec la succession des
résistivités du sous-sol. Ainsi, il peut être intéressant dans ces cas de faire un
trainé multiple. La principale différence par rapport au trainé simple est que pour
une même valeur de MN, il est mesuré une différence de potentiel pour plusieurs
valeurs de ligne d’envoi AB (par exemple AB et A’B’ supérieure à AB voir figure cidessous). Ce genre de dispositif peut permettre par exemple de mettre en
évidence le pendage d'une fracture.
36
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.3. Trainé à ligne d’envoi fixe ou gradient moyen
L’inconvénient majeur des trainés simples ou multiples est qu'ils nécessitent
d'importantes manœuvres pour déplacer après chaque mesure les électrodes
ABMN. Pour atténuer ce fait, il peut être réalisé un trainé à ligne d’envoi fixe ou
gradient moyen. Dans ce cas la longueur de ligne d’envoi est relativement grande
et la position des électrodes A et B est maintenue fixe d'une mesure à l’autre ;
seules les électrodes de potentiel sont déplacées sur la partie centrale de la ligne
AB et suivant la direction de mesure sur une distance qui ne doit pas dépasser
AB/3. Ainsi les mesures sont faites sur le tiers central de AB en gardant AB fixe.
37
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.4. Interprétation des résultats de trainé et types d'anomalie
Les valeurs de résistivités mesurées pour chaque point sur reportées sur un
papier semi logarithmique ; la position des points en abscisse (échelle normale) et
les résistivités en ordonnée (échelle logarithmique). En fonction de l'allure de la
courbe de variation de la résistivité, on peut mettre en évidence plusieurs types
d’anomalies :
38
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.4.1. Anomalie type compartiment
Ce type d’anomalie peut être large (largeur de la zone conductrice comprise entre
30 et 80m) ou étroit (largeur de la zone conductrice comprise entre 10 et 30m).
Dans ces deux cas, le lieu qui peut être indiqué pour l’implantation d'un forage
serait au centre de l’anomalie si celle-ci est symétrique ou au minimum de
l’anomalie si celle-ci est dissymétrique.
39
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.4.2. Anomalie type palier conducteur
La zone d’anomalie se présente comme une zone de faible valeur de résistivité
apparente très étendue dont les bords peuvent ne pas apparaître nettement.
Dans ce cas, le lieu qui peut être indiqué pour l’implantation d’un forage le
minimum d'une anomalie secondaire. L’utilisation d’autres méthodes géophysiques
(électromagnétique par exemple) peut aider à identifier ces anomalies
secondaires.
40
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.4.3. Anomalie type contact entre deux paliers
Il s’agit d’un contact entre deux paliers de résistivité différente. Deux
possibilités d'implantation de forages existent :
o anomalie symétrique : le lieu le plus indiqué pour l’implantation d’un forage est le
centre de la plus grande pente,
o anomalie dissymétrique : il est conseillé de décaler le lieu d’implantation du côté
du compartiment le plus conducteur. Dans ce cas aussi l’utilisation d'autres
méthodes géophysiques (électromagnétique par exemple) peut aider à identifier
le bon lieu d’implantation.
41
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Il faut signaler que :
- la réalisation d’un seul trainé permet de mettre en évidence qu’un point de
passage de l’anomalie à identifier,
- très souvent au cours de travaux d’implantation, on a besoin de mettre aussi en
évidence la direction de l’anomalie. En ce moment, il est nécessaire de réaliser
plus d’un trainé et ces trainés sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la
direction de l’anomalie à mettre en évidence.
Un tel dispositif de mesure peut se réaliser plus facilement avec un rectangle de
résistivités.
42
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.5. Rectangle de résistivité
Il est réalisé à partir d’un trainé à ligne d’envoi fixe pour lequel, en plus des
mesures du profil central situé sur le tiers central de la ligne d’envoi AB, d’autres
profils décalés de même longueur que le profil central sont réalisés. Le décalage
maximum par rapport au profil central est AB/4 de chaque côté du profil central.
Les mesures obtenues avec des rectangles de résistivités peuvent être
interprétées d’une part comme celles des trainés simples et d’autre part en
élaborant à partir du nuage de valeurs de résistivités obtenu, des cartes de
résistivité qui peuvent mieux encore mettre en évidence les directions d’anomalie
43
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Signalons qu’une carte de résistivité doit dans tous les cas être accompagnée de
la longueur de la ligne d’envoi qui a servi à la construire ; en effet les valeurs de
résistivité apparentes varient sensiblement avec la longueur de la ligne d’envoi AB.
44
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.6. Effets de différentes structures
4.1.6.1. Effet d'un conducteur enterré
Supposons le corps enterré infiniment conducteur ; son effet sur les mesures de
résistivité sera presque nul s’il est disposé perpendiculairement à la ligne d’envoi
AB. Par contre, s’il est disposé parallèlement à AB, son effet sera sensible tant
que l’écartement par rapport la ligne d’envoi ne dépasse pas la valeur OA.
4.1.6.2. Effet d’un contact vertical
Le passage des électrodes AB ou MN sur des terrains de résistivités très
différentes provoque ce qu’on appelle des à-coups. D’une manière générale, les
électrodes AB ne provoquent pas des à-coups de prise importants qu'en présence
de changement de résistivité affectant de gros volume de terrain. Par contre des
hétérogénéités locales donnent surtout des à-coups au moment du passage des
électrodes de réception MN.
45
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.6.3. Effet d’une couche mince
L'effet de couche mince dépend du pendage de celle-ci. L’effet d’une couche
mince conductrice est maximum si elle est horizontale, presque nul si cette
couche est verticale. C’est le contraire qui se passe pour les couches minces
résistantes, leur effet est alors maximum quand elles sont verticales.
4.1.7. Sondage carré ou sondage pluridirectionnel
Nous avons précédemment vu que pour identifier des directions d’anomalie, une
première solution était de réaliser un rectangle de résistivité. Une deuxième
solution est la réalisation d'un sondage carré ou sondage pluridirectionnel. Les
électrodes AB et MN sont disposés suivant les sommets d’un carré et les mesures
sont faites dans 4 directions habituellement comme indique ci-dessous :
46
PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Les mesures de la position 2 sont obtenues en intervertissant les électrodes B et
N de la position 1. La position 3 est obtenue en inclinant de 45° la position 1 et la
position 4 est obtenue en intervertissant B et N de la position 3.
La valeur de AB ou côté du carré est fonction de la profondeur d’investigation.
Ainsi pour s'assurer d’atteindre le socle plusieurs séries de mesures avec des
valeurs de AB différentes sont faites.
Les mesures sont interprétées en représentant sur un diagramme et suivant
chaque direction de mesure et sa longueur de ligne d’envoi un segment
proportionnel à la valeur de la résistivité. Ce diagramme permet de déterminer
pour chaque valeur de AB :
- la direction de l’anomalie qui correspond à la direction du petit axe du graphique,
- le coefficient d’anisotropie égal au rapport de la valeur de la résistivité du
grand axe sur celle du petit axe. Plus ce coefficient est grand, plus l’anomalie est
marquée.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.1.8. Quelques remarques sur les méthodes de prospection horizontales
Ces méthodes sont toutes très sensibles aux corps conducteurs superficiels et il
faut toujours se rappeler dans l’interprétation des résultats que l’effet d’une
variation latérale de résistivité dans le recouvrement peut être prépondérant
devant celui d’une variation latérale de résistivité dans le substratum dont l’étude
est pourtant l’objet essentiel de ces méthodes.
Pour cette même raison, une structure conductrice profonde va donner une
anomalie d’amplitude plus faible qu’une structure superficielle ; ce qui se traduit
par un moins bon contraste sur les anomalies électriques.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.2. Prospection verticale ou sondage électrique
4.2.1. Mise en œuvre
Un sondage électrique a pour objet d’étudier à la verticale d’un point la variation
de la résistivité en fonction de la profondeur. Pour cela on réalise en un même
endroit une succession de mesures en augmentant d’une mesure à l’autre la
longueur de la ligne d’envoi AB et donc la profondeur d’investigation (mesures de
rho pour AB de plus en plus grand).
méthode est en théorie valable qu’aux alentours du point de mesure si les couches
de sol sont plus ou moins horizontales et uniformes. En principe, tous les
dispositifs (Schlumberger, Wenner et dipôle) peuvent être utilisés pour réaliser
un sondage électrique mais le dispositif Schlumberger est le plus utilisé. Pour
respecter la relation entre AB et MN, à savoir 4 ≤ AB/MN≤ 20, on est amené
après quelques mesures pour différentes valeurs de AB faites avec la même
valeur de MN d’augmenter celle-ci. Pour pouvoir corriger les à-coups de réception
qui peuvent être importants, on effectue des embrayages.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.2.2. Interprétation des résultats
Les résultats d’un sondage électrique sont représentés sous forme de graphique
en échelle bi-logarithmique où l’on porte en abscisse la demi longueur OA et en
ordonnée la valeur de la résistivité. Le graphique obtenu permet d’interpréter le
sondage et de déterminer :
- le nombre de couches (de terrain),
- la résistivité et l’épaisseur de chaque couche.
Cette interprétation est faite le plus souvent soit avec des abaques soit avec des
programmes informatiques. L’interprétation par abaque nécessite de représenter
les résultats du sondage sur un papier bi-logarithmique de même module que celui
des abaques utilises.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.2.2.1. Les différents types de sondages électriques
4.2.2.1.1. Sondage un terrain
Si le milieu est constitué d’une seule couche ; celle-ci est alors de résistivité ρ1 et
d’épaisseur h1 infinie. La courbe de sondage est une droite horizontale d’ordonnée
égale à ρ1.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.2.2.1.2. Sondage milieu tabulaire deux terrains
d << e1 : une fraction négligeable des
courants atteint le terrain de résistivité r2
 ra  r1
Distribution des courants
d  e1
d >> e1
e1
e1
d
e1
d >> e1 : l’épaisseur du terrain de résistivité r1
est négligeable devant celle du volume total
où circulent les courants, et l’effet de ce
terrain superficiel devient négligeable
 ra  r2
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
4.2.2.1.3. Sondage trois terrains
Les allures possibles d’une courbe de sondage 3 terrains sont représentées sur
les figures suivantes :
e1
Couches 2 & 3
e1
Couches 1 & 2
Couches 2 & 3
Couches 1 & 2
d
d
e1
e1
e1
Couches 2 & 3
Couches 1 & 2
Couches 2 & 3
Couches 1 & 2
d
d
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
INTERPRETATION QUANTITATIVE
Un diagramme bilogarithmique en Log(Rho) et Log (AB/2) est utilisé
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
5. Les panneaux électriques
Principe:
Combinaison:
 du trainé électrique (profondeur constante, profilage)
 du SEV (profondeur variable sur une verticale)
Séquences de mesures (sous ELECTRE II)
Mesure sur le terrain
 mise en place d’électrodes (24, 48, 72, 96, etc.)
 Mesures selon les différentes combinaisons d’électrodes
 Mémorisation des données de résistivités apparentes
Récupération des donnés (sous PROSYS II)
• Dépouillement,
• Filtrage manuel
Inversion des données (Res2DInv)
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Inversion des données (Res2DInv)
Pseudo-section (1):
Résistivité mesurée = résistivité apparente (𝜌𝑎 = f(zestimé))
Pseudo-section (2):
Résistivité calculée (𝜌𝑎 calculée et comparée aux résistivités mesurées 𝜌𝑎 RMS
Inversion des pseudo-sections (3):
= fournir un modèle de résistivité 𝜌𝑣𝑟𝑎𝑖𝑒 de terrains réalistes en termes de
géométrie des formations en comparant 𝜌𝑎 mesurée et 𝜌𝑎 calculée
L’estimateur de la qualité d’inversion numérique (RMS)
Interprétation
L’inversion n’est pas l’interprétation.
Difficulté d’identifier la vérité géologique avec la « vérité » numérique
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Résultat : pseudo-section électrique
Coordonnée du
milieu du dispositif
a
Dimension du
dispositif
Sondage dipôle-dipôle
ra : niveaux de couleur
ra : résistivité apparente
La résistivité apparente d’un milieu est la résistivité d’un milieu homogène à la surface duquel les mêmes
valeurs auraient été observées avec le même dispositif d’électrodes d’injection et de mesure du potentiel.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Inversion des données
Déterminer un modèle du sous-sol compatible avec les ra observées
Le modèle est défini à l’aide de paramètres
Exemple : épaisseurs et résistivités de couches homogènes (cas 1-D)
Résoudre le problème  caractériser les valeurs des paramètres
Calcul des ra correspondant aux valeurs initiales des paramètres
Comparaison entre ra calculés et ra observés
Sélection de nouvelles valeurs des paramètres
Calcul des ra correspondant aux nouvelles valeurs des paramètres
test
Comparaison entre ra calculés et ra observés
Arrêt
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Imagerie : cas bi-dimensionnel (1)
Résistivités apparentes mesurées (pseudo-section)
Résistivités apparentes calculées (pseudo-section)
Résultat de l’inversion : résistivités (section)
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
Imagerie : cas bi-dimensionnel (2)
Les algorithmes d’inversion sont le plus souvent basés
sur une description du milieu à l’aide de volumes élémentaires homogènes.
Les résultats sont ensuite lissés pour en obtenir une présentation plus lisible.
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
11/12 : 14:00-17:00
mm.m-2
W.m
m
m
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
11/12, 23:00 - 12/12, 02:00
mm.m-2
W.m
m
m
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
LISTE DE MATERIEL POUR UNE CAMPAGNE DE RESISTIVITE
EQUIPEMENT PRINCIPAL
• L’équipement lui même (résistivimètre), avec des batteries chargées
• Le PC pour transférer les données et l’interpréter les résultats
BOBINES ET ELECTRODES
• Bobines avec du câble pour transmettre le courant (lignes AB)
• Bobines avec du câble pour mesurer la tension (lignes MN)
• Piquets métalliques (avec marteaux)
• Cordons et pinces pour connecter les électrodes
AUTRES ACCESSOIRES
• Rubans métalliques (100m)
• Boîte à outils (pinces, tournevis, voltmètre, bande isolante, …)
• Carnet de terrain et feuilles de mesure
• Batterie de voiture 12 V externe
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
APPLICATIONS DE LA GEOPHY
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PROSPECTION ELECTRIQUE: Méthode des résistivités
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Mise en œuvre sur le terrain
unité de contrôle
électrodes
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