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0 Caractérisation géométrique par RMP de la nappe de la craie le long d’un profil perpendiculaire à la falaise sur le site du Bois de Cise (Somme) Programme financé par les fonds européens INTERREG II novembre 2001 BRGM/RP-51343-FR

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Caractérisation géométrique par RMP de la nappede la craie le long d’un profil perpendiculaire à la

falaise sur le site du Bois de Cise (Somme)

Programme financé par les fonds européens INTERREG II

novembre 2001BRGM/RP-51343-FR

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falaise sur le site du Bois de Cise (Somme)

Programme financé par les fonds européens INTERREG II

J.M. Miehéavec la collaboration de

A. Legtchenko et G. Richalet

novembre 2001BRGM/RP-51343-FR

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Mots clés : Géophysique, RMP, Nappe phréatique, Craie, Bois de Cise, Le Tréport,Somme, Picardie.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Miehé J.M., avec la collaboration de Legtchenko A., Richalet G. (2000) -Caractérisation géométrique par RMP de la nappe de la craie le long d’un profilperpendiculaire à la falaise sur le site du Bois de Cise (Somme). Rap.BRGM/RP-51343-FR, 29 p., 2 fig., 2 tabl., 1 ann.

� BRGM, 2001, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l'autorisation expresse du BRGM.

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Extended Abstract

Chalk aquifer characterization using Magnetic Resonance Sounding (MRS) along aprofile perpandicular to the cliff at Le Bois de Cise, near Ault (Picardie, France)

he presence of water within chalk has a consequence on pore pressure whereas theamount of water can influence the rock's mechanical characteristics. Water content

thus constitutes one of the major parameters controlling collapse mechanisms.

Within the framework of the ROCC programme, nine MRS measurements (T1 to T9)were carried out along a profile perpendicular to the chalk cliff at the "Le Bois de Cise"site near Ault (fig. 1). The aim was to test whether MRS is capable of resolving thegeometry and characteristics of the chalk aquifer. Other geophysical investigations anda borehole reveal that the subsurface is composed of 5 to 10 m of clay underlain byweathered chalk down to 30 m and fresh chalk beneath.

The decay-time cross section (fig. 2) shows that the water level detected by MRS lies ata depth of -30 to -40 m in the southeastern part of the profile and that it appears to dropsuddenly to -55 to -60 m about 400 m from the cliff edge. These MRS results arecoherent with a) regional knowledge that the water level is about 40 m below surface onthe chalk plateau, and b) the borehole drilled 120 m from the cliff edge showing a waterlevel at -73 m.

The sudden drop in the water level could be related to a small valley named "DeuxièmeVal" on the IGN map (fig. 1), and which may reflect a preferential drainage structurethat could be the cause of water-table depression.

The water-content cross section (fig. 2) shows that water content is greater than zeroabove the water table. By comparison with other experiments (Cyprus, "Région Centre"in France), it appears that fixed water in the unsaturated zone can be detected by MRSin rocks with low magnetic susceptibility (limestone, chalk) and that this may accountfor 5 to 40% of the water content observed on the cross section.

These preliminary experiments show that the MRS method is capable not only ofdefining the geometry and characteristics of the chalk aquifer below the water table, butalso of characterizing the unsaturated zone. MRS can be used to select the best locationsfor drilling observation wells and it may provide information that no other method can,i.e. that concerning water in the unsaturated zone.

Since the geometry of the chalk aquifer and the unsaturated zone are assumed to be 3Drather than 2D, complementary MRS measurements are proposed for the "Le Bois deCise" site. Additional field and laboratory studies are also recommended in order tocalibrate the water content derived from the MRS data.

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Synthèse

ans le cadre du projet européen ROCC, un profil de sondages RMPperpendiculaire à la falaise a été réalisé sur le site du Bois de Cise, près du Tréport

(Seine-Maritime). L’objectif est de mettre en évidence la géométrie de la nappe de lacraie. Le profil passe par le forage en cours de réalisation et s’étend jusqu’à la D 940.

Les 9 sondages RMP (T1 à T9) mesurés le long du profil permettent de préciser lagéométrie de la nappe de la craie jusqu’à une distance d’environ 1,3 km depuis lafalaise.

Le niveau de la nappe remonte progressivement depuis le bord de la falaise (environ 70-80 m) jusqu’aux sondages T4/T8, à l’aplomb du chemin et au voisinage du DeuxièmeVal (30-40 m de profondeur). Au sud-est des sondages T4/T8, en direction de la D 940,le niveau de la nappe est plus régulier, situé entre 30 et 40 m de profondeur.

Dans le détail, ce schéma est probablement plus compliqué. La géométrie de la nappepourra être mieux définie en multipliant les sondages RMP avec un pas constant et enétalonnant le sondage T3 lorsque le forage sera achevé.

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Sommaire

1. Introduction ................................................................................................................ 7

2. Méthode et moyens ..................................................................................................... 9

2.1. Principe de la résonance magnétique protonique ...................................................... 9

2.2. Moyens mis en œuvre.............................................................................................. 10

2.2.1. Personnel ...................................................................................................... 102.2.2. Équipement................................................................................................... 10

2.3. Travaux réalisés....................................................................................................... 10

2.4. Interprétation - Restitutions graphiques .................................................................. 11

3. Résultats .................................................................................................................... 13

3.1. Analyse des données................................................................................................ 13

3.2. Interprétation ........................................................................................................... 15

4. Conclusion ................................................................................................................. 17

Annexe – Données des sondages RMP et résultats d’interprétation.........................19

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Liste des figures

Fig. 1 - Plan de situation du profil de sondages RMP – Echelle 1/25 000, extraitde la carte IGN n° 2007E ....................................................................................6

Fig. 2 - Coupes de la teneur en eau et du temps de décroissance ..................................14

Liste des tableaux

Tabl. 1 - Relations empiriques entre temps de décroissance et type de formationdétritique .........................................................................................................10

Tabl. 2 - Caractéristiques des sondages RMP ...............................................................11

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1. Introduction

ans le cadre du projet européen ROCC (Risk Of Cliff Colapse), un profil desondages RMP perpendiculaire à la falaise a été réalisé sur le site du Bois de Cise,

près du Tréport (Seine-Maritime). L’objectif est de mettre en évidence les variations decaractéristique et de géométrie de la nappe de la craie.

Le profil passe par le forage en cours de réalisation et s’étend jusqu’à la D940 suivantune direction N148Gr (fig. 1). 9 sondages RMP ont été mesurés dans le cadre de cetteétude.

Ce rapport présente et analyse les résultats obtenus.

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Fig. 1 - Plan de situation du profil de sondages RMP, échelle 1/25 000 - extrait de lacarte IGN n° 2007E.

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2. Méthode et moyens

2.1. PRINCIPE DE LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE PROTONIQUE

La résonance magnétique protonique (RMP) est une propriété des protons de certainsnoyaux atomiques, et en particulier de l’hydrogène, qui produisent un champmagnétique de relaxation après avoir été excités à une fréquence particulière (fréquencede Larmor). C’est la fréquence de précession des protons, f qui dépend directement del’intensité du champ magnétique terrestre, H (f = �H).

La très grande majorité des atomes d’hydrogène présents dans le sous-sol sont contenusdans les molécules d’eau. Par la mesure du champ magnétique de relaxation desprotons, on déduit la quantité d’eau contenue dans le sous-sol.

Une boucle est installée à la surface du sol. Un courant alternatif de haute intensité,i(t) = I cos(� t) est injecté dans la boucle pendant une durée (�) de quelques ms : c’est lepulse caractérisé par le paramètre q = � �. Après coupure du courant d’injection, ladécroissance du champ magnétique de relaxation est de la forme :

e(t) = E (q) sin (�� + �) exp (-t/T)

où E (amplitude du signal) et T (temps de décroissance du signal) sont respectivementles paramètres significatifs directement liés à la teneur en eau et à la taille des pores duréservoir. � correspond à la fréquence de Larmor, et � dépend de la conductivité dusous-sol.

Des valeurs croissantes de pulse sont injectées pour une profondeur d’investigationcroissante. L’ensemble des mesures de décroissance du champ magnétique de relaxationeffectuées pour différentes valeurs de pulse réalise un sondage RMP en profondeur.L’inversion des données selon un modèle de couches planes horizontales (1D) permetd’obtenir la distribution de la teneur en eau et du temps de décroissance en fonction dela profondeur. La teneur en eau est définie comme le rapport du volume d’eau libre, Vesur le volume total de sous-sol considéré, V avec

V = Ve + Vb + Vr

où Vb = volume de l’eau liée = eau liée aux grains de la roche (notamment aux argiles)et qui ne peut être extraite, par opposition à l’eau libre ;

Vr = volume occupé par la roche.

Le temps de décroissance est fonction de la taille moyenne des pores. Lescorrespondances entre différents types de formations détritiques et le temps dedécroissance sont données dans le tableau 1.

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temps dedécroissance

(ms)formation aquifère

< 330-6060-120120-180180-300300-600600-1000

argile et argile sableuxsable argileux, siltsables finssables moyenssables moyens à grossiergravierseau de surface

Tabl. 1 -Relations empiriques entre temps de décroissance et type de formationdétritique.

La profondeur d’investigation est également contrôlée par la taille de la boucle et estgrossièrement donnée comme égale au diamètre de la boucle :

- 100 m de profondeur d’investigation maximale pour une boucle circulaire de 100 m dediamètre ou carrée de 75 m de côté ;

- 50 m de profondeur d’investigation pour une boucle en huit dont chaque cercle fait50 m de diamètre.

2.2. MOYENS MIS EN ŒUVRE

2.2.1. Personnel

Les opérations de terrain se sont déroulées du 13 au 17 mars 2000 et ont été effectuéespar J.M. Miehé et G. Richalet, avec l’appui de A. Legtchenko pour le démarrage de lacampagne. L’interprétation des résultats a été réalisée par A. Legtchenko et J.M. Miehé.

2.2.2. Équipement

1 système RMP Numis Iris-BRGM ;600 m de câble d’injection et de mesure ;2 micro-ordinateurs portables ;2 véhicules.

2.3. TRAVAUX RÉALISÉS

9 sondages RMP ont été mesurés le long d’un profil orienté N148Gr. Les sondages ontété implantés en fonction de la disponibilité des champs (travaux agricoles en cours,parcelles ensemencées inaccessibles en véhicule) et des résultats des traitementseffectués au fur et à mesure de l’acquisition. Les mesures ont été réalisées avec desdispositifs carrés (75 m de côté) aux abords de la falaise où le niveau de la nappe est le

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plus profond. Vers le sud-est où le niveau de la nappe est moins profond, un dispositifd’antenne en huit formée de deux carrés de 56 m de côté a été utilisé. L’axe de l’antenneest orienté parallèlement à une ligne électrique 220 V ou parallèlement à la D 940.

Hormis le sondage T1 où le niveau de bruit avant stack était très faible, toutes lesmesures ont été filtrées. Le nombre de stack a été évalué en fonction du niveau de bruit.

Les caractéristiques des sondages RMP sont résumées dans le tableau 2.

Sondage Dispositif d’antenne(orientation)

Niveau debruitavant

stack (nV)

Nombrede stacks

Rapportsignal/bruit

moyenaprès stack

T1 huit carré 56 m (N186Gr) 100 40 56T2 huit carré 56 m (N77Gr) 800 40 11T3 carré 75 m 3 000 40 7T4 carré 75 m 3 000 40 2T5 huit carré 56 m (N156Gr) 3 000 40 4T6 huit carré 56 m (N156Gr) 400 40 46T7 carré 75 m 5 000 50 2T8 carré 75 m 10 000 80 3T9 carré 75 m 2 500 60 10

Tabl. 2 - Caractéristiques des sondages RMP.

2.4. INTERPRÉTATION - RESTITUTIONS GRAPHIQUES

Les sondages RMP ont été interprétés et édités avec le logiciel NUMINV00_1 parinversion automatique. Les coupes de synthèses ont été réalisées avec le logicielSURFER (Golden Software).

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3. Résultats

3.1. ANALYSE DES DONNÉES

En l’absence d’étalonnage (le forage n’est pas terminé), les teneurs en eau données icisont les produits de l’interprétation des sondages RMP et ne doivent pas êtreconsidérées comme les valeurs véritables des aquifères.

Les sondages, les données RMP et les résultats d’inversion sont présentés en annexe.

Le signal RMP mesuré est la superposition du signal utile, généré par l’eau présentedans le sous-sol, et du bruit électromagnétique local. Le bruit est évalué par une mesureréalisée avant la génération du pulse et est additionné (stack) de la même façon que lesignal RMP, mesuré après le pulse. Le rapport du signal RMP sur le bruit mesuré avantle pulse permet de définir le rapport signal sur bruit. Le niveau du bruit avant stackpermet d’évaluer l’environnement électromagnétique du site. Ces paramètres sontprésentés dans le tableau 2.

Un sondage RMP et par conséquent l’interprétation qui en découle sera d’autant plusfiable que le rapport signal sur bruit est élevé. Les sondages présentent un rapport signalsur bruit supérieur à 2 et sont dans l’ensemble de qualité satisfaisante.

La fiabilité des interprétations est limitée par le problème de l’équivalence qui conduit àune indétermination partielle des résultats. Différents modèles de terrain caractérisés parleur teneur en eau et leur temps de décroissance peuvent rendre compte d’une mêmemesure de sondage RMP. Ces différents modèles sont dits équivalents. Le calage surdes données connues par d’autres moyens d’investigation est classiquement utilisé pourréduire cette indétermination.

En attendant un possible calage sur le forage en cours de réalisation, les sondages RMPont été interprétés par un modèle à 40 couches suivant une procédure d’inversionautomatique. Les données mesurées et résultats d’inversion sont présentés en annexe.

Les sondages T5 et T7 (annexe) ont été enregistrés au même endroit avec les deuxconfigurations de dispositif (carré et huit carré). Le sondage réalisé avec la bouclecarrée est le plus bruité.

Des interprétations similaires en termes de teneur en eau et de temps de décroissancepour les deux géométries de boucles sont obtenues vers 20 m de profondeur, indiquantune relative homogénéité de la structure. Au-delà de 30 m de profondeur, les imagesrestituées par les sondages diffèrent sensiblement suivant la boucle utilisée. Cesdifférences peuvent être liées à des problèmes d’équivalence ou au fait que le domaineinvestigué et la résolution verticale varient suivant la configuration du dispositif. Ellespeuvent indiquer l’existence de variations latérales des caractéristiqueshydrodynamiques.

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Fig. 2 - Coupes de la teneur en eau et du temps de décroissance.

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L’horizon aquifère localisé vers 20 m de profondeur sur les sondages T5 et T7 seretrouve tout le long du profil (exception faite du sondage T8 où l’interface n’est pasdéfini) à des profondeurs variant de 10 à 30 m. Les caractéristiques de teneur en eau(valeurs maximales de 20 à 30 %) et de temps de décroissance (inférieur ou égale à 30ms) suggèrent que cet ensemble pourrait correspondre à une zone d’altération affectantla craie, avec une composante argileuse importante.

3.2. INTERPRÉTATION

Les coupes de teneur en eau et de temps de décroissance sont présentées sur la figure 2.

La coupe du temps de décroissance ne représente que les isocontours supérieurs à30 ms, valeur seuil admise pour caractériser l’eau libre en milieu calcaire. Dans cettehypothèse et en l’absence d’étalonnage précis, l’isocontour à 30 ms ne correspond peut-être pas exactement au niveau de la nappe phréatique mais à une parallèle à ce niveau.

La coupe du temps de décroissance montre qu’à l’aplomb des sondages T4 et T8, leprofil est partagé en deux zones distinctes. Vers le sud-est et la D 940, la coupe est assezhomogène et indique que le niveau de la nappe est relativement constant, dans unefourchette (compte tenu des limitations exprimées précédemment) de 30 à 40 m deprofondeur.

Vers le nord-ouest, en direction de la falaise, le niveau de la nappe s’approfonditprogressivement du sondage T4 vers le sondage T3 où la profondeur atteint 80 m, voireplus.

La coupe de la teneur en eau reproduit un schéma sensiblement identique marqué par lesteneurs les plus élevées (> 30 %). Ponctuellement, des teneurs élevées apparaissent àdes profondeurs moins importantes (sondages T2 et T4 vers 20 m, T1 vers 10-15 m) quipourraient correspondre à des poches aquifères plus superficielles.

Entre les sondages T4 et T8 situés en bordure du Deuxième Val (fig. 1), le niveau de lanappe montrerait une brusque dénivellation. Ce val est, peut-être, la marque d’un drainou une zone de circulation préférentielle qui serait responsable de la dépression de lanappe.

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4. Conclusion

e profil de sondage RMP effectué sur le site du Bois de Cise perpendiculairement àla falaise permet de préciser la géométrie de la nappe de la craie. Le niveau de la

nappe remonte progressivement depuis le bord de la falaise (environ 70-80 m)jusqu’aux sondages T4/T8 à l’aplomb du chemin et au voisinage du Deuxième Val où ils’élève brusquement (30-40 m de profondeur). Au sud-est des sondages T4/T8, endirection de la D 940, le niveau de la nappe est plus régulier, situé entre 30 et 40 m deprofondeur.

Dans le détail, ce schéma est probablement plus compliqué. La géométrie de la nappepourra être mieux définie en augmentant la densité de sondages RMP.

Considérant que les vals associés ou non à des zones de fracturation-fissurationpréférentielles jouent un rôle déterminant dans la géométrie de la nappe, il conviendraitde compléter l’investigation par des mesures le long de profils parallèles ou sécants afind’aborder le caractère sans doute tridimensionnel de cette géométrie.

Par ailleurs, il s’agit ici d’une première interprétation qui doit être validée parétalonnage du sondage T3 sur les données du forage en cours, par la réalisation desondages mécaniques de part et d’autre de la brusque dénivellation de la nappe.

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ANNEXE

Données des sondages RMPet résultats d’interprétation

NUMIS – Surface Magnetic Resonance System

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