les différentes méthodes d'imagerie géophysique (pdf)

DEUSTGéosciencesModuledegéophysique

UniversitédelaNouvelle‐Calédonie

Séance3:L’outilgéophysique–lesdifférentesméthodesd’imageriegéophysique

J.CollotServicegéologiquedeNouvelle‐Calédonie

DIMENCjulien.collot@gouv.nc

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Séance3:L’outilgéophysique–lesdifférentesméthodesd’imagerie

géophysique

1.  Méthodespotentiellesa)  Généralités

b)  Méthodeélectriquea)  Mesuredelapolarisationb)  Mesuredelarésistivité

c)  Méthodesélectromagnétiquesa)  Méthodetelluriqueb)  Méthodemagnétotelluriquec)  AFMAG

d)  CWe)  TEMf)  VLFg)  Georadar

d)  Méthodegravimétrique

e)  Méthodemagnétique

2.  Méthodesacoustiquesa)  Généralités

b)  Sismiqueréflexion

c)  Sismiqueréfraction

d)  Sismiquedepuits

3.  Autresméthodesa)  Radiométrie

b)  Télédétection

c)  Diagraphies

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1.Méthodespotentielles

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1‐aGénéralités:

•  Définitiongénérale–  Lesdonnéesdepotentielcorrespondentauxmesuresdeschampsdevecteursqui

dériventd’unpotentiel–  Exemple:Legravimètremesurelechampsgravimétriquequidérivedupotentiel

d’attractionnewtonien.–  Potentielsélectrique,gravimétrique,électromagnétique,magnétique

Méthodes potentielles

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1‐bMéthodesélectriques

•  Utiliséesengéophysiqueappliquéeessentiellementpourlaprospectionminière,l'hydrogéologie,legénieciviletl'archéologie.

•  L'ensembledecesméthodespeutêtreclasséenfonctionetdelasourceutilisée:

–  sourcesnaturelles(oupassives):•  polarisationspontanée

–  sourcesartificielles(ouactives):

•  polarisationinduite •  mesuresderésistivité

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1‐b‐aPolarisationspontanée

•  Lapolarisationspontanéeestlaméthodedegéophysiqueappliquéelaplussimpleàmettreenœuvreetlamoinschère.

•  Unepolarisationspontanéepeutêtreobservéeparunesimplemesuredeladifférencedepotentielàlasurfacedusoldequelquesmillivoltsàenvironunvolt.

•  Originespossiblesdepolarisationspontanée–  environnementale,c’estàdirequ’elleestliéeaucourantd’unfluide,

–  activitébioélectriquevégétale

–  concentrationélectrolytiquedansleseauxsouterraines

–  liéeàuneminéralisation.Eneffet,certainesminéralisationspossèdentuneconductiviténaturellequilesferr

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Polarisationspontanée•  Quelquesgrandeursobservables:

•  Ledispositifdemiseenœuvreesttrèssimpleetnenécessitequedeuxélectrodesetunvoltmètre,maispeutêtredéclinéeendeuxvariantes:

–  méthodedel’amplitude

–  méthodedugradient

•  Méthodedel’amplitude:uneélectrodeestplacéeloindelazoned’étude,desortequ’onpuisselaconsidéreràl'infini,etrestefixeàlastationdebase.Lasecondeautreélectrodeestdéplacéesurlazoneàcartographier.Sondéplacementestorganisélelongdeprofils,desorteàobtenirunecartedespotentielsobtenusquipermetdelocaliserlaminéralisationoulasourcehydraulique.

Méthodes électriques

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Polarisationspontanée•  Méthodedugradient:ondéplacelesdeuxélectrodeslelongdeslignesde

profil.Ongardeunedistanceconstanteetpetiteentrelesélectrodes.Ondiviselesvoltagesmesurésparl’écartdesélectrodesafindepouvoirtracerdescartesdegradient.

•  Danslesdeuxcas,lesprofilsdoiventêtrechoisisorthogonalementauxstructuressuspectées.

Méthodes électriques

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Polarisationspontanée

Méthodes électriques

•  Laméthodedelapolarisationspontanéepossèdeunfaiblepouvoirdiscriminateurentrelesoriginespossiblesdesanomalies

•  N’autorisepasdeconsidérationsurlatailledesstructuresenfouies.Enconséquence,ellenepeutêtreutiliséeseulemaisvientforcémentencomplémentd’autressourcesdeconnaissancegéologique.

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1‐b‐bPolarisationinduite

Méthodes électriques

•  Méthode utilisée depuis les années 40 et est la conséquence des recherches menées par l’U.S. Navy pour développer un détecteur de mines. Cette technique est utilisée surtout dans le cadre de la prospection minière, aquifère ou géothermale.

•  Principe : •  Injection de courant continu dans le sol •  Les roches accumulent de l’énergie (par le biais de processus

chimiques) •  Coupure brutale du courant injecté •  Les roches libèrent cette énergie pour revenir à un état

énergétique initial •  La décroissance progressive de la différence de potentiel avec le

temps, exprimée en terme de chargeabilité, traduit les propriétés du sol qui s'est chargé comme un accumulateur de faible capacité pour ensuite se décharger.

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Polarisationinduite

Méthodes électriques

•  Méthodologie : •  A l’aide de deux électrodes d’injection et de deux autres

électrodes de mesure, on observe le retour à zéro de la différence de potentiel induite par l’injection de courant et calculer la chargeabilité M

•  2 techniques : •  Technique espace-temps

•  dispositif fixe que l’on déplace le long de profils. •  Mesures effectuées sur l’ensemble de la zone à prospecter •  Interprétation finale se fait grace à une carte de

chargeabilité. •  Technique espace-fréquence

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Polarisationinduite•  Polarisationinduiteespace‐fréquence:

–  onnesecontentepasd’injecteretdecouperlecourantuneseulefois

–  onrépètecetteséquenceuncertainnombredefoisetselondeuxfréquencesquinedépassentpas10Hz,parexempleFmin=0,1HzpuisFmax=5Hz.

–  Achacunedesfréquences,onmesurelarésistivitéapparentedusous‐solquel’onnommeρminpuisρmax.

–  Plusletempsd’injectionducourantdanslesolestgrandetplusladifférencedepotentielVp,quitraduitlesurvoltage,estgrandealorsquel’intensitéresteconstante.

–  Plusletempsd’injectionestbrefetplussafréquenceestélevée.

Méthodes électriques

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Polarisationinduite•  Polarisationinduiteespace‐fréquence:

–  Calculdupourcentagedel’effetdefréquence(FEP)etduparamètrefacteur‐métal(MFP):

Méthodes électriques

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1‐b‐cMesuresderésistivité•  Largementutiliséesenprospectionminière,hydrogéologiqueetgénie

civile

•  Matérielsimple

•  Principe:–  Injectiond’uncourantd’uneintensitéconnuedanslesolaumoyendedeuxélectrodes

etàlamesuredeladifférencedepotentielinduiteparlescaractéristiquesdusous‐solàl’aidededeuxautresélectrodes.

–  Ondéduitdecesmesureslesvaleursdelarésistivitéapparentedusous‐sol(U=RI)

•  2techniques–  Ensondage:enunlieudonnéenvariantlagéométriedudispositif

–  Entraînée:traînerledispositifquigardesagéométriefixeetainsieffectuerunecartographieanomalitiquedesrésistivitésapparentes

•  L’utilisationdeforageséquipésenélectrodesd’injectionetderéceptionpermetdeconstruiredirectementunecoupegéoélectrique.Celaconsisteàfairedelatomographieélectrique.

Méthodes électriques

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1‐cMéthodesélectromagnétiques•  Principegénéral:

–  utilisationd’unchampélectromagnétiqueincidentdansunmilieu,etlecturedelaréponsedusous‐solàcettesollicitation.

Méthodes électromagnétiques

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Méthodesélectromagnétiques•  Nenécessitentpaslamiseenplaced’undispositifenprisedirectesurle

sol(permetl’aéroporté)

•  sourcesnaturelles:–  méthodetellurique

–  méthodemagnétotellurique

–  méthodeaudio(AFMAG)

•  sourcesartificielles:–  méthoded'inductioncontinue(CW)

–  méthoded’inductiontransitoire(TEM)

–  méthodetrèsbassefréquence(VLF)

–  Géoradar

•  Lescourantsélectriquesutiliséssontvariablesenfréquence

•  Profondeurd’investigation:H=100(Fθ)1/2 avecF:fréquencedelasource

θ:conductivitédusous‐sol

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐aLaméthodetellurique

•  L'ionosphèreestlesiègedecourantsélectriquesintensesquiproduisentunchampmagnétiquevariable.Cechampélectromagnétiqueprimaireinduitdanslacroûteterrestreunchampélectromagnétiquesecondaire.

•  Cescourantsélectriquestelluriques,dontleslignesdecirculationsontàl'échelleduglobe,varientconstammentenamplitudeetendirection.Lesvariationslespluslentespeuventêtreassimiléesàdescourantscontinusdontl'intensitéestfonctiondelaconductivitélocale.

•  Lamesuredelacomposanteélectriqueduchampélectromagnétiquetelluriquepermetdeconnaîtrelaconductivitédusous‐sol.

Méthodes électromagnétiques

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LaméthodetelluriqueMéthodologie

•  2jeuxd’électrodes:–  Lepremierjeud’électrodesestfixeetconstituelastationdebase.

–  Lesecondjeuestdéplacésurlazoneàprospecteretconstituelastationmobile.

–  Pourchaquenouvellepositiondelastationmobile,oneffectuesimultanémentunemesurededifférencedepotentielauxdeuxstations.

•  Ladifférenceentreladifférencedepotentieldelastationmobileetcelledelastationdebaseestdoncunemesuredeladifférencedepotentielinduiteparlescourantstelluriquesetaffranchiedeleursvariations.

•  Lesvariationsdedifférencedepotentielcartographiéessontduesauxvariationsdeconductivitédusous‐soletdoncàsaconstitutiongéologique.

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐bLaméthodemagnétotellurique

Méthodes électromagnétiques

•  Principe:IDEMQUEMETHODETELLURIQUEMAISONMESURELES2COMPOSANTESDUCHAMPSECONDAIRE(aulieudelaseulecomposanteélectrique)

•  Dispositif:électrodesetmagnétomètres

•  2techniques:

•  Ensondage

•  Dispositif fixe et on fait varier la fréquence de mesure du champ électromagnétique tellurique

•  Enprofilage •  Déplacement du dispositif à fréquence constante

(conductivités apparentes)

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1‐c‐cLaméthodeAudio(AFMAG)•  AFMAG=AudioFrequencyMAGneticfields

•  Sourceprimaire=foudreetoragesmagnétiques

•  Ondessepropagentàlasurfacedelaterreetbaseionosphère

•  Méthodologie:–  2bobinesperpendiculairesmesurentlesvariationsdel’inclinaisondecechamp

électromagnétique–  Utiliséenprospectionterrestreetaéroportéeselontechniquedeprofilage

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐dLaméthoded’inductioncontinue(CW)

•  Sourceartificiellecontinue(bobine)

•  Recepteur(autrebobine):mesurel’inclinaison,l’intensitéetlaphaseduchampsecondaireinduit

•  Profilageousondage

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐eLaméthoded’inductiontransitoire(TEM)

Principeetméthode

•  Ondisposed’unetrèsgrandeboucledanslaquelleonappliqueunimportantcourantélectriquependantàpeinequelquesdizainesdemillisecondes.

•  Cecourantprovoqueàlasurfacedusolunchampmagnétiqueorientéverticalement.Cechamp,s’iltraverseuncorpsgéologiqueconducteur,vacréerdescourantsélectriquessecondairessouterrainsalorsquelechampmagnétiqueprimairesedissipeàlasurface.

•  Lescourantsélectriquessecondairesinduisentunchampmagnétiquesecondairedontl’amplitudedécroitrapidementavecletemps.

•  Unesecondeboucle,pluspetitequelapremièreetplacéeensoncentrepermetderecevoirlechampmagnétiquesecondaireetdemesurersonamplitude.

•  Onrépèteleprocessusplusieursfoisetonstacklesrésultatspourchaquepositiondemesure.

Méthodes électromagnétiques

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Laméthoded’inductiontransitoire(TEM)

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐fLaméthodetrèsbassefréquence(VLF)

Principeetméthode

•  Lasourceutiliséedanscetteméthodesontlesondesradioàtrèsbassesfréquences,émisesparunequinzainedebalisesmilitairesutiliséespourlanavigationaérienneetmaritime.Cesondessecomportentcommedesondesplanesetsepropagentsurd’immensessurfacesterrestres.

•  Leprincipedelaméthodeestensuitesimilaireàceluidesméthodesd'induction.Elleestcependantlimitéeauprofilageterrestreouaéroportéetautoriselacartographiedelaconductivitéapparente.

•  Laméthodetrèsbassefréquenceestcependantlimitéedanssonutilisationlorsquelasourceestinexistanteouinopéranteoudanslecasd’unetopographietropabrupte.

Méthodes électromagnétiques

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1‐c‐gLeGéoradar

Principe

•  Attention!Principedifférentdesautresméthodesélectromagnétiques

•  Principedepropagationdesondes(etnond’induction):

–  Unmilieupossèdeunevitessedepropagationdesondesradioquidépenddesaconstantediélectriqueetdesaperméabilitémagnétique.Enconséquence,lesdifférentesformationsgéologiquespossèdentdesvitessesdistinctes.

–  Lesondesémisesparlegéoradars’enfoncentdanslesous‐solouellespeuventseréfléchiràl’interfaceentredeuxmilieuxdevitessesdepropagationdifférentes.Pluslecontrastedevitessesestimportantpluslaquantitéd’énergieréfléchieetdoncrenvoyéeverslerécepteurestimportante.

–  Lerécepteurenregistrelestempsd’arrivéedesondesréfléchiesouréfractéesquiarriventjusqueluiavecsuffisammentd’énergie.

Méthodes électromagnétiques

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LeGéoradar•  Laperted’énergieélectromagnétiqueaucoursdutrajetdanslesrochesesttrèsimportanteet

limitedefaçonconséquentel’applicabilitédugéoradar•  Hlaprofondeurd’investigation:

Méthodes électromagnétiques

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LeGéoradar

•  2techniques:–  Profilageréflexion

•  Déplacementdugéoradarlelongd’unprofil

–  Réfractiongrandangle(WARR)•  Idemqu’ensismique

Méthodes électromagnétiques

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1‐dMéthodegravimétriquePrincipe

•  Laméthodegravimétriqueconsisteàeffectuerdesmesuresdelacomposanteverticaleduvecteurgravitéàl’aided’ungravimètre.Cesmesuressonteffectuéesenprofilagesurl’ensembledelazoneàétudier.

•  Uncertainnombredecorrectionsdoiventêtreappliquéesauxdonnéesavantinterprétation:

–  correctioninstrumentale

–  correctiondemarées

–  correctiond’Eötvös

–  correctiondelatitude

–  correctionisostatique

–  correctiond’altitude (airlibreoubouguer)

–  correctiondeterrain

•  Cescorrectionspermettentderamenerl’ensembledesmesuresàunevaleurthéoriqueàlasurfacedugéoïde.

Méthode gravimétrique

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•  Lacorrectioninstrumentalepermetd’annulerladériveinstrumentale.Lesgravimètresdoiventeneffetrégulièrementêtreréétalonnées.

•  Lesmaréesprovoquentnonseulementundéplacementdesfluidesàlasurfaceterrestre,maisaussiunedéformationpluridécimétriquedesformationsgéologiquesquisontélastiques.Cesmouvementsdesmassesrocheusesperturbentdonclocalementlechampgravimétriqueetilconvientdoncdes’ensoustraire.

•  Lacorrectiond’Eötvöspermetdecontrebalancerl’accélérationdecoriolisquiaffectelamesuredel’accélérationgravimétrique.

•  Lacorrectionisostatiquepermetdecontrebalancerleseffetsdesdifférencesd’épaisseuretdedensitécrustalesquisonttrèsimportantes,parexempleentreunemesureeffectuéeàterreetuneautreacquiseenmer.

•  Lacorrectiondelatitudepermetdetenircomptedel’applatissementterrestreauxpôles.

•  Lacorrectiond’altitudeviseàsupprimerleseffetsdesgrandesmassesdépassantlegéoïde,cettecorrectionestdite«àl’airlibre»enmeretde«bouguer»surterre.

•  Lacorrectiondeterrainpermetd’éliminerleseffetsdespetitesmassesnonprisesencompteparlacorrectiond’altitude,c’estàdirelereliefimmédiat.

Méthode gravimétrique

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1‐eMéthodemagnétique

Principe

•  Lamagnétométrieconsisteenlamesuredesanomaliesduchampmagnétiqueterrestre

•  Onmesurelemagnétismeinduitetlemagnétismerémanent

•  Nécessitel’utilisationdedeuxmagnétomètres:unpremierappareileststatiqueetsertdestationdebase,unsecondappareilestmobileetsertdestationdemesure.Ondéplacelastationdemesure,etpourchacunedesespositionsoneffectueunemesuresimultanéedesdeuxstations.Ladifférenceentrelavaleurmesuréeàlastationdemesureetlavaleurmesuréeàlastationdebasedonneunevaleuraffranchiedesvariationstemporellesduchampsmagnétiqueterrestre.

Méthode magnétique

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Méthode magnétique

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2.Méthodesacoustiques

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2‐aGénéralités

Principe

•  Etudedelapropagationdesondesacoustiquesdanslesol

•  Sourceactives:–  masse

–  explosif

–  canonàair

–  canonàeau

–  vibrateur

Méthodes acoustiques

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2‐aGénéralités

•  Lesondesélastiquescrééessepropagentdanslesous‐sol.Durantleurtrajetilestpossiblequ’ellesseréfractentouqu’ellesseréfléchissentsurdesinterfaces.Onenregistreleurtempsdeparcours.

•  Géophonesàterre,hydrophonesenmer

Méthodes acoustiques

•  3techniques:–  Sismiqueréflexion

–  Sismiqueréfraction

–  Sismiquedepuits

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2‐bSismiqueréfraction

•  Angled’incidencecritique

•  Analysedestempsd’arrivéesdesondesréfractées

•  Fourniunmodèledevitesse

Méthodes acoustiques

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2‐bSismiqueréflection

•  Lasismiqueréflexionestunetechniquearduequis'attacheàreconstituerunmodèlestructuralàpartirdel'enregistrementdesondesréfléchies.

•  Traitementsismique–  NotiondeCommonMidPoint(CMP)

–  Analysedevitesse

–  Stack

Méthodes acoustiques

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2‐bSismiquedepuits

•  Lasismiquedepuitssedistinguedesautrestechniquesprincipalementenraisondudispositifd’acquisitiondesdonnées.Eneffet,lasourceetlesgéophonesnesontpasdisposéssurlesolmaislelongd’unpuitss’enfonçantdanslesous‐sol.

•  Analysedeondesdirectes

Méthodes acoustiques

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3.Autresméthodes

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3‐aRadiométrie•  Analysedesrayonnementsradioactifs

•  Laméthodeconsisteenunecartographiedesanomaliesétablieàl'aided'uncompteurGeiger‐Muller,d'unscintillomètreousurtoutd'unspectromètregamma.Cettecartographieprocèdeévidemmentparprofilageterrestreouaéroporté.

•  Laprospectionradiométriqueestessentiellementutiliséedanslecadredelacartographiegéologiqueetdelarecherchedesgisementsd'uranium.

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3‐aDiagraphies•  Lesméthodesdiagraphiquessontbaséessurl’implémentationdessondagesenoutilsde

mesuregéophysiques.•  Apportedesconnaissancesdirectespuisqueacquisesinsitu

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3‐aTélédétection•  Latélédétectionrecouvrel'ensembledes

méthodesquipermettentdeconnaîtreàdistance,parl'intermédiairedecapteursélectromagnétiquesembarquéssurdessatellitesartificiels,lespropriétésd'unterrain

•  Lesprincipauxsatellitespeuventêtreclassésselonleurdomainespectral:

–  domainesolaire:0.4à2mm ‐LANDSAT,METEOSAT,NOAAetSPOT

–  domainethermique:8à14mm ‐LANDSAT,METEOSATetNOAA

–  domainedesmicro‐ondes:3à300mm ‐ERS,RADARSAT,SEASATetTIROS