Caractérisation par Résonance Magnétique Protonique (RMP

0

Caractérisation par Résonance MagnétiqueProtonique (RMP) et panneau électriquedes aquifères dans l’emprise des dépôtsde l’ancienne mine de Chéni, commune

de Saint-Yrieix (89)

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2001–POLR–01

décembre 2001BRGM/RP-51426-FR

Caractérisation par Résonance MagnétiqueProtonique (RMP) et panneau électriquedes aquifères dans l’emprise des dépôtsde l’ancienne mine de Chéni, commune

de Saint-Yrieix (89)

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2001–POLR–01

J.M. Baltassatavec la collaboration de

G. Richalet

décembre 2001BRGM/RP-51426-FR

Caractérisation par RMP et panneau électrique des aquifères du site de Chéni (89)

2 BRGM/RP-51426-FR

Mots clés : Géophysique, Hydrogéologie, Résonance Magnétique Protonique.

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

Baltassat J-M., Richalet G. (2001) - Caractérisation par Résonance MagnétiqueProtonique et panneau électrique des aquifères dans l'emprise des dépôts del'ancienne mine de Chéni, commune de Saint-Yrieix (89). BRGM/RP-51426-FR,50 p., 13 fig., 3 tabl., 2 ann.

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


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Synthèse

ans le cadre du projet de recherche du BRGM POLUMET une étude géophysiquea été réalisée sur le site de la mine de Chéni à Saint-Yrieix-La-Perche (89) par le

service ARN du BRGM.

Six sondages RMP et un panneau électrique ont été réalisés pour définir lescaractéristiques des dépôts, résidus d'exploitation minière et les altérites sous-jacentes.

Le panneau électrique met en évidence des variations de profondeur de l'altération entre10 m au nord et 25 m environ au sud. Les approfondissements subits qui affectent le toitdu substrat sain ou peu altéré sont attribués à des zones de fracture.

Des altérites de perméabilité relativement élevée (10-5 à 10-4 m/s, évaluation RMP) sontdistinguées par RMP des altérites et des dépôts moins perméables (10-6 à10-5 m/s, évaluation RMP). Ces perméabilités évaluées par RMP apparaissent de l'ordrede grandeur des déterminations réalisées par des méthodes classiques.

L'interprétation profondeur du panneau électrique pourrait être assurée par au moins unsondage de contrôle atteignant la roche saine ou peu altérée.

Ces investigations pourraient être utilement complétées par d’autres panneaux électriquesvisant à mettre en évidence les variations d'altération perpendiculairement à l'axe du vallonet par des sondages RMP, plus superficiels et de meilleure résolution horizontale visant àmettre en évidence les variations de caractéristiques hydrodynamiques à l'intérieur desdépôts.

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Sommaire

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

2. Méthodes et moyens.................................................................................................... 9

2.1. La résonance magnétique protonique (RMP)............................................................ 9

2.1.1. Principe de la méthode ................................................................................... 92.1.2. L’équipement « NUMIS »............................................................................ 102.1.3. Le sondage RMP .......................................................................................... 112.1.4. Interprétation des données ............................................................................ 132.1.5. Présentation des résultats d’un sondage fournis par le système « NUMIS » 15

2.2. Le panneau électrique.............................................................................................. 18

2.2.1. Principes généraux des méthodes électriques par courant continu............... 182.2.2. Procédures d'acquisition des mesures de panneau électrique....................... 192.2.3. Interprétation ................................................................................................ 202.3.1. Personnel ...................................................................................................... 212.3.2. Équipement................................................................................................... 21

3. Travaux réalisés ........................................................................................................ 23

4. Résultats et discussion .............................................................................................. 25

4.1. Panneau électrique................................................................................................... 25

4.2. RMP......................................................................................................................... 27

5. Conclusions ............................................................................................................... 31

6. Bibliographie............................................................................................................. 33


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Liste des annexes

Ann. I – Données et résultats des sondages RMP ...........................................................35

Ann. II – Pseudo coupe des résistivités apparentes .........................................................43

Liste des figures

Fig. 1 - Principe de mesure RMP.................................................................................. 10

Fig. 2 - Schéma fonctionnel du dispositif instrumental. ............................................... 10

Fig. 3 - Équipement de Résonance Magnétique Protonique « NUMIS » sur site......... 11

Fig. 4 - Schéma en fonction du temps d’une séquence émission/réception.................. 12

Fig. 5 - Résultats d’inversion des données théoriques. ................................................. 14

Fig. 6 - Exemple de résultats RMP sur deux forages dans la craie................................16

Fig. 7 - Exemple de feuille de données et de résultats RMP. ....................................... 17

Fig. 8 - Système multi-électrodes de IRIS Instruments qui permet l’automatisationdes séquences de mesure de panneaux électriques........................................... 18

Fig. 9 - Schéma de la procédure d'acquisition d'un panneau électrique dipôle-dipôleet de présentation sur une pseudo-coupe: les points sont les lieux dereprésentation des mesures. .............................................................................. 20

Fig. 10 - Localisation des investigations......................................................................... 22

Fig. 11 - Coupe de résistivité recoupant les dépôts......................................................... 26

Fig. 12 - Profil de sondage RMP recoupant les dépôts (CHENI1 à CHENI4) et sondagesRMP réalisés sur le terrain réputé naturel (CHENI5 et CHENI6). .................. 28

Fig. 13 - Comparaison des déterminations de perméabilité par essai au perméamètrede Guelph, par essai à charge variable avec les évaluations RMP................... 29

Liste des tableaux

Tabl. 1 - Paramètres du modèle. ..................................................................................... 14

Tabl. 2 - Caractéristiques des sondages RMP. ............................................................... 24

Tabl. 3 - Caractéristiques des formations définies par RMP.......................................... 27


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1. Introduction

ans le cadre du projet de recherche du BRGM POLUMET une étude géophysiquea été réalisée sur le site de la mine de Chéni à Saint-Yrieix-La-Perche (89) par le

service ARN du BRGM.

L’objectif de ce travail est tout d'abord de déterminer la géométrie et les variations descaractéristiques hydrodynamiques des dépôts situés en aval du terril de l'ancienne mineafin de fournir les paramètres nécessaires à la modélisation hydrogéologique de cesdépôts.

Comme les altérites qui constituent le terrain naturel sous les dépôts jouentprobablement un rôle dans les processus hydrodynamiques, les caractéristiques et lagéométrie de ces formations constituent le deuxième objectif de cette étude.

Six sondages RMP et un panneau électrique ont été proposés pour étudier le dépôt et lesaltérites sous-jacentes entre le terril en amont et la rivière Isle en aval.

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2. Méthodes et moyens

2.1. LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE PROTONIQUE (RMP)

Les méthodes géophysiques traditionnelles d'exploration se fondent sur l'analysed'anomalies de structures ou de paramètres physiques qui sont liés à différents facteursqui ne sont pas eux-mêmes nécessairement liés de façon unique à la présence ou àl'absence d'eau dans le milieu étudié. Ainsi, par exemple, la conductivité électrique(inverse de la résistivité) des roches est proportionnelle à la conductivité électrique dufluide contenu et à une certaine puissance de la porosité (Archie, 1942), mais elledépend également largement de la composition minéralogique et en particulier de lateneur en argile.

Contrairement à ces méthodes géophysiques, l'information déduite d'un sondage derésonance magnétique protonique (RMP) est directement liée à l'eau contenue dans lesous-sol.

Dans le cadre d'un accord de collaboration entre ICKC (Russie) et le BRGM, unéquipement, nommé « NUMIS », fondé sur ce principe a été développé par IRISInstruments et commercialisé début 1997.

2.1.1. Principe de la méthode

Schématiquement le principe physique de la RMP repose sur le fait que les protons quiconstituent les noyaux d'hydrogène des molécules d'eau, placés dans un champmagnétique Ho (tel que celui de la terre ou artificiel), possèdent des momentsmagnétiques qui, à l'équilibre, sont alignés dans la direction de ce champ principal Ho(fig. 1).

L'émission d'un champ magnétique perturbateur à une fréquence spécifique (ditefréquence de Larmor) modifie cet état d'équilibre naturel et provoque une précession deces moments autour de la direction du champ magnétique naturel. Après coupure duchamp excitateur, et en retour à l'état d'équilibre initial, un champ magnétique derelaxation est émis par les protons et mesuré en surface, constituant ainsi la réponseRMP. L'amplitude de ce champ est d'autant plus intense que le nombre de protonsentrés en résonance est grand, et donc que la teneur en eau est importante. La fréquencespécifique à laquelle les protons sont excités est caractéristique de l'atome d'hydrogèneet assure ainsi que la méthode est sélective. La très grande majorité des noyauxd'hydrogène présents dans le proche sous-sol provenant des molécules d'eau impliqueainsi que la méthode RMP renseigne spécifiquement et directement sur la présence oul'absence d'eau dans le milieu étudié ainsi que sur les caractéristiques hydrodynamiquesdu milieu.


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Fig. 1 - Principe de mesure RMP.

2.1.2. L’équipement « NUMIS »

L'équipement NUMIS se compose d'un générateur de courant alternatif, une unitéréceptrice, un détecteur de signal RMP, une antenne et un microprocesseur (fig. 2).

Fig. 2 - Schéma fonctionnel du dispositif instrumental.

Le microprocesseur pilote la commutation de l'antenne du mode émission au moderéception. Il contrôle également la génération de la fréquence de référence égale à lafréquence de Larmor. Une enveloppe du signal provenant du détecteur synchrone estenregistrée par le microprocesseur sous forme digitale sur une durée programmable de

RS-232

RécepteurDétecteurPC

Microprocesseur Fréquence deLarmor

Commutateur

Générateur

Antenne


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2 secondes au maximum. Un PC portable est utilisé pour le stockage sur disque et letraitement des données. Le poids total de l'ensemble est d'environ 100 kg (fig. 3).

Fig. 3 - Équipement de Résonance Magnétique Protonique « NUMIS » sur site.

2.1.3. Le sondage RMP

Pour réaliser un sondage RMP, une antenne est déployée sur le sol, généralement selonun cercle ayant un diamètre compris entre 20 et 120 m, selon la profondeur des couchesaquifères que l'on désire investiguer. Différentes géométries d'antennes sont prévuesdans le logiciel d'acquisition de NUMIS, en particulier, l'antenne peut être déployéesous la forme d'un chiffre « huit » afin d'améliorer le rapport signal/bruit (Trushkin etal., 1994). Une impulsion i(t) d'un courant alternatif est émise dans la boucle

i(t) = I � cos(� � t), 0 < t � � (1)

Io et τ caractérisent respectivement l'amplitude et la durée de l'impulsion. La pulsationdu courant émis �� correspond à la fréquence de Larmor, caractéristique des protonsplacés dans le champ géomagnétique ƒ� = γH�/2π, avec H0 l'amplitude du champgéomagnétique et � le facteur gyromagnétique des protons (constante physiquecaractéristique). La valeur de cette fréquence est déduite de l'amplitude du champgéomagnétique du lieu considéré.


12 BRGM/RP-51426-FR

L'impulsion de courant entraîne une précession des protons autour du champgéomagnétique, qui crée à son tour un champ magnétique alternatif qui est détecté,après coupure de l'injection de courant, par la même antenne que celle qui est utiliséepour l'émission. En pratique, l'enregistrement de la réponse RMP n'est possible qu'aprèsun délai instrumental (dit « temps mort ») de 40 ms dans le cas de la version actuelle de« NUMIS ». Le processus d'acquisition d'une mesure est schématisé sur la figure 4.

pulse

e(t) = E exp(- t / T ) cos( t + )� �

PMR signal

t(ms)

0 0 0

i ( t )= I cos( t )0 0

2*

�

0 40 75 175-1175

"dead time"

Fig. 4 - Schéma en fonction du temps d’une séquence émission/réception.

En oscillant à la fréquence de Larmor, le signal RMP e(t,q) décrit une enveloppe deforme exponentielle décroissante qui dépend du paramètre d'excitation q = I0�

)2()cos()*/exp()(),( 0020 �� tTtqeqte

avec Eo(q) l'amplitude initiale RMP, T *2 le temps de relaxation spin-spin, et � 0 la phase

du signal RMP.

En injectant deux pulsations consécutives au lieu d’une seule et mesurant la réponseRMP après chaque pulsation il est possible de mesurer la constante de relaxation T1.

E(q), )(*2 qT , T1(q) et �� (q) sont les paramètres mesurés par l'antenne de réception en

faisant varier le paramètre d'excitation q ; ce dernier paramètre agissant sur la profondeurd'investigation du sondage. Ces quatre paramètres sont ceux qui sont ensuite interprétés etqui renseignent sur l'eau contenue dans le sous-sol.

Les valeurs d'amplitudes peuvent varier de quelques dizaines de nanovolts à quelquesmicrovolts suivant la teneur en eau du milieu considéré ; le seuil de détectabilité de« NUMIS » se situant à environ 4 nV. Différents facteurs peuvent influencer l'amplitudedes signaux RMP tels que par exemple, la magnitude et l'inclinaison du champ


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géomagnétique, la conductivité électrique des terrains, la taille et la géométrie del'antenne utilisée (Legchenko et al., 1997).

Un signal RMP provenant de l'eau contenue dans des argiles a un temps de décroissanceou de relaxation inférieur au délai instrumental et n'est ainsi pas détectable.

Le volume investigué lors d'un sondage est défini comme un cylindre vertical de diamètreégal à environ 1,5 fois le diamètre de la boucle, centré sur celle-ci et de hauteur égale à cediamètre. La profondeur d'investigation maximale actuelle, en l'absence de terrainsconducteurs, est de l'ordre de 120 m. La profondeur d'investigation est sensiblementdiminuée lorsque la conductivité des terrains augmente et de manière significative pour desrésistivités inférieures à 10 ohm.m. La durée de réalisation d'un sondage RMP est d'environ2 h dans des conditions favorables de bruits électromagnétiques parasites d'origine naturelleou anthropique.

2.1.4. Interprétation des données

Les algorithmes d'inversion des paramètres RMP sont décrits dans Legchenko et al.(1998). Ainsi un signal RMP non-nul est directement lié à la présence d'eau dans lesous-sol. De plus, des informations complémentaires peuvent être obtenues à partir descourbes brutes enregistrées :

- l'inversion des données E0(q) fournit la profondeur, l'épaisseur et la teneur en eau dechaque couche saturée en eau. La teneur en eau fournie par RMP peut être définie telleque ci-après. Pour un volume d'investigation V, soit VW le volume rempli d'eau et VR levolume de roche (V = VW+VR). Le volume VW peut être divisé en deux parties : l'eausoumise à un champ magnétique homogène et appelée eau libre Vfree et l'eau soumise àun champ magnétique inhomogène, appelée eau liée ; ainsi VW = Vfree+Vbound. Commeles très courts signaux correspondant à l'eau liée ne peuvent pas être mesurés par leséquipements RMP disponibles aujourd'hui, la teneur en eau RMP, n est la part duvolume investigué occupé par l'eau libre telle que n = Vfree/V. Les deux cas limites sontn = 0 pour une roche sèche et n = 100 % pour l'eau d'un lac ;

- les constantes de temps de relaxation )(*2 qT et T1(q) sont reliés à la taille moyenne

des pores des formations aquifères (Shirov et al., 1991 ; Chang, et al., 1997 ;Kenyon, 1997) ;

- la phase �0(q) renseigne sur la distribution des conductivités électriques du sous-sol.Pour une estimation précise des profondeurs des différents aquifères, cetteinformation doit être prise en compte lors de l'étape d'inversion des données RMP,quand les résistivités sont inférieures à 10 ohm.m.

Le problème inverse des sondages RMP est mal conditionné. Il n'a pas de solution unique.La capacité de résolution de la méthode est discutée par Legchenko et Shushakov (1998).Un exemple d’inversion des données théoriques est présenté sur la figure 5.


14 BRGM/RP-51426-FR

Fig. 5 - Résultats d’inversion des données théoriques.

Le signal théorique a été calculé à partir du modèle :

Profondeur Teneur eneau

2*T Larmor frequency

de (m) à (m) (%) (ms) (Hz)5 15 20 50 200015 25 10 100 200125 35 10 150 200235 45 20 250 2003

Tabl. 1 - Paramètres du modèle.

La mesure des caractéristiques de relaxation du signal RMP ( )(*2 qT et T1(q)), rend

possible l'estimation les paramètres hydrodynamiques des aquifères. En référence à

0 5 10 15 20 25Water content (%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dept

h (m

)

0 75 150 225 300Relaxation time T2* (ms)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Dept

h (m

)

0 5000 10000 15000Pulse parameter (A-ms)

0100200300400500600700800

Ampl

itude

(nV)


0

100

200

300

400

500

600

Rela

xatio

n tim

e T2

* (m

s)


1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

Freq

uenc

y (H

z)


-180-135

-90-45

04590

135180

Phas

e (d

egr.)

0 5000 10000 15000

0 5000 10000 15000

0100200300400500600700800

0

100

200

300

400

500

600

-180-135-90-4504590135180

0 5000 10000 15000

0 5000 10000 15000

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25

0 75 150 225 300

1

2

3

4

5

6

modelinversion

modelinversion

datainv.fitnoise


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l'expérience acquise en diagraphies de Résonance Magnétique Nucléaire (Chang et al.,1997 ; Kenyon et al., 1997), la perméabilité pourrait être liée aux paramètres RMP enutilisant la relation empirique

K = Ck�a (T1)b (3)

où k est la perméabilité, ��est la teneur en eau, T1 est la constante du temps dedécroissance, Ck et a,b sont des constantes définies empiriquement. En diagraphiesRMN, différentes valeurs ba, sont utilisées. Sur la base de mesures réalisées avecl'équipement « NUMIS » au droit de forages de caractéristiques hydrogéologiquesconnues, les valeurs a = 1, b = 2 ont été retenues.

Pour des roches différentes, les constantes empiriques doivent être modifiées et desrelations mieux adaptées peuvent être définies. La qualité de la relation empiriquedépend alors de la qualité de la calibration. La définition des paramètres empiriquesadaptés aux différents environnements est un travail de longue haleine mais déjà danscette phase initiale de développement, NUMIS peut être utilisé efficacement pourdéfinir les perméabilités des aquifères au moins en valeurs relatives.

L'inversion des données RMP mesurées avec l'équipement « NUMIS » produit lesrésultats suivants :

1) distribution verticale de la teneur en eau ;

2) distribution verticale du temps de décroissance 2*T ;

;3) distribution verticale du temps de décroissance T1 ;

4) distribution verticale de la perméabilité ;

5) distribution verticale de la transmissivité.

Un exemple de la comparaison des résultats RMP avec des données de forage et d'essaisde pompage est présenté sur la figure 6.

2.1.5. Présentation des résultats d’un sondage fournis par le système« NUMIS »

Dans ce rapport, les données et les résultats RMP sont présentés comme sur la figure 7.

En tête de la feuille se trouve des informations générales sur le sondage et lesparamètres d'interprétation. Les résultats graphiques sont :

1) les signaux RMP e t q( , ) enregistrés pour chaque valeur du paramètre d'excitation,q (croissant de bas en haut du graphique) en fonction du temps t ;


16 BRGM/RP-51426-FR

(2) l’amplitude initiale du signal RMP (FID1) et l’amplitude moyenne du bruit aprèstraitement en fonction du paramètre d'excitation (the pulse parameter en anglais) ;

(3) les amplitudes initiales des signaux RMP (FID1 et FID2) et l’amplitude moyennedu bruit ambiant en fonction du paramètre d'excitation ;

(4) les amplitudes moyennes des signaux RMP (FID1 et FID2) et du bruit en fonctiondu paramètre d'excitation ;

(5) le temps de relaxation, )(*1 qT en fonction du paramètre d'excitation ;

(6) le temps de relaxation )(*2 qT en fonction du paramètre d'excitation ;

Fig. 6 - Exemple de résultats RMP sur deux forages dans la craie.

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Dept

h (m

)

Niveau statique

0 5 10 15 20Teneur en eau (%)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Argile

Craiefracturée

Niveau statique

Craie

Argile

Sable fin

Argile

0 5 10 15 20Teneur en eau (%)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 5 10 15 20

0 5 10 15 20

0 200 400 600 800 1000T1 (ms)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0.0E+0 5.0E-5 1.0E-4permeabilité (m/s)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 200 400 600 800 1000T1 (ms)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0.0E+0 1.0E-3 2.0E-3 3.0E-3permeabilité (m/s)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Crépine

Crépine

France,BH FRC8,Debit<10m /h3

France,FRC 10,Debit=145m /h3

RMP : rc_8

RMP : rc_10

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 200 400 600 800 1000

0 200 400 600 800 1000

0.0E+0 5.0E-5 1.0E-4

0.0E+0 1.0E-3 2.0E-3 3.0E-3


BRGM/RP-51426-FR 17

Site: MONTREUIL ME10Date: 06.09.2000; Time: 09:10

NUMIS data set: C:\MONTREUIL\DEBUT2001\DATA\Me10.inpmatrix: C:\MONTREUIL\DEBUT2001\MATRIX\Ms75_55.mrmloop: square, side = 75.0 mgeomagnetic field:inclination= 55 degr, magnitude= 47633.80 nT

filtering window = 199.1 mstime constant = 15.00 msaverage S/N = 14.99fitting error = 1.060 %parameter of regularization = 300.0permeability constant Cpx = 7.00e-09

Fig. 7 - Exemple de feuille de données et de résultats RMP.


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(7) la fréquence du signal RMP en fonction du paramètre d'excitation ;

(8) la phase du signal RMP en fonction du paramètre d'excitation ;

(9) le bruit ambiant avant traitement mesuré pour les différents paramètresd'excitation ;

(10) la distribution verticale de la teneur en eau )(zw ;

(11) la distribution verticale du temps de relaxation )(*1 zT ;

(12) la distribution verticale du temps de relaxation )(*2 zT ;

(13) la distribution verticale de la perméabilité )(zkrmp

.

2.2. LE PANNEAU ÉLECTRIQUE

La méthode de prospection par panneaux électriques est une méthode géophysique dontle but est de décrire les variations de résistivité en profondeur et le long d’un profil. Elleréalise à la fois une investigation en profondeur comme un sondage électrique et uneinvestigation en profil comme un traîné électrique. Des procédures d'acquisition et deséquipements spécifiques (fig. 8) commandés par microprocesseur ont été mises au pointpour réduire les difficultés et les coûts de mise en œuvre. L’interprétation des résultats,qui est réellement une interprétation 2D, fait appel à des algorithmes spécifiques decalcul tenant compte, notamment, des variations d’altitude le long du profil.

Fig. 8 - Système multi-électrodes de IRIS Instruments qui permet l’automatisationdes séquences de mesure de panneaux électriques.

2.2.1. Principes généraux des méthodes électriques par courant continu

Comme pour les autres méthodes électriques par courant continu, un courant I estinjecté entre deux électrodes (ou pôles) A et B et une tension V est mesurée entre deuxélectrodes M et N. Un tel dispositif d’émission et de réception est appelé quadripôle. Larésistivité apparente du sol est définie comme la résistivité d’un sol homogène etisotrope, qui, alors que le courant I est injecté entre les électrodes A et B, donneraitentre les électrodes M et N la différence de potentiel V, telle que :


BRGM/RP-51426-FR 19

�a= K . V / I, où K (appelé coefficient géométrique) est fonction des distances entre lesdifférentes électrodes A, B, M et N.

La profondeur d’investigation augmente avec les dimensions du dispositif d’électrodes,mais diminue avec la résistivité des terrains. La résolution décroît avec la profondeur.Un terrain superficiel conducteur est généralement un inconvénient qui limite laprofondeur d’investigation et la résolution ; il oblige à fortement augmenter la longueurde dispositif pour obtenir un résultat comparable à celui obtenu sur un terrain superficielrésistant.

Les résistivités apparentes mesurées pour différents dispositifs d'électrodes sont ensuiteinterprétées pour approcher la répartition des résistivités vraies dans le sol.

2.2.2. Procédures d'acquisition des mesures de panneau électrique

Un ensemble d’électrodes est régulièrement disposé le long d’un profil rectiligne.Différentes configurations d'électrodes émettrices (ou d'injection) et réceptrices (ou demesure) peuvent être utilisées. Les plus courantes sont les suivantes :

� configuration pôle-pôle : le pôle d'injection B et le pôle de mesure N sont implantésà grande distance du profil de mesure et sont considérés comme "à l'infini". Le pôled'injection A et le pôle de mesure M prennent successivement les différentespositions d'éléctrodes du profil lors de la réalisation du panneau ;

� configuration pôle-dipôle : le pôle d'injection B est implanté « à l'infini ». Le pôled'injection A et le dipôle de mesure MN prennent successivement les différentespositions d'éléctrodes du profil lors de la réalisation du panneau ;

� configuration dipôle-dipôle : le dipôle d'injection AB et le dipôle de mesure MNprennent successivement les différentes positions d'éléctrodes du profil lors de laréalisation du panneau ;

� configuration Wenner : comme pour le dipôle-dipôle il n'y a pas de pôle à l'infinimais le dipôle de mesure MN est inclus dans le dipôle d'injection AB avec ladistance AB étant égale à trois fois la distance MN. Le dispositif inverse avec ledipôle AB inclus dans le dipôle MN est équivalent selon le principe de superpositiondes pôles électriques.

Les grandeurs caractéristiques de ces configurations sont :

- l'espacement a, qui correspond à la distance entre les électrodes du profil ;

- le rang n, grandeur entière qui indique la distance (n fois l'espacement a) entre lesparties émettrice et réceptrice du dispositif.

Un panneau électrique est établi en mesurant la tension pour différentes combinaisonsd’émetteur et de récepteur (fig. 9). Les mesures effectuées avec un écartement entreémetteur-récepteur de 1 espacement sont dites de rang 1, celles effectuées avec un


20 BRGM/RP-51426-FR

écartement de 2 espacements sont de rang 2, etc ... . Les mesures sont présentées sousforme de coupes ou panneaux isovaleur dont l’axe des abscisses correspond à laposition le long du profil et l’axe des ordonnées correspond au rang qui est une fonctionde la profondeur (pseudo-profondeur). Ces coupes sont appelées pseudo-coupe derésistivité apparente. La mesure est généralement représentée au milieu du segmentémetteur-récepteur. La profondeur d’investigation augmente avec le rang n.

L’interprétation de la pseudo-coupe prend en compte l’ensemble des mesures et aboutità une coupe, distribution continue des résistivités vraies le long du profil et en fonctionde la profondeur. Cette interprétation est plus contrainte que celle des sondagesélectriques, les méthodes de panneau électrique sont moins sensibles au phénomèned’équivalence, et l’étalonnage sur sondage est moins primordial.

Fig. 9 - Schéma de la procédure d'acquisition d'un panneau électrique dipôle-dipôleet de présentation sur une pseudo-coupe : les points sont les lieux dereprésentation des mesures.

A spacing et rangs égaux, la méthode dipôle-dipôle a la plus faible profondeurd’investigation, mais le meilleur pouvoir de résolution, alors que la méthode pôle-pôle ala plus grande profondeur d’investigation, mais le moins bon pouvoir de résolution.

2.2.3. Interprétation

Les pseudo-coupes sont interprétées par inversion de la résistivité apparente avec lelogiciel RES2DINV (M.H. LOKE). Ce logiciel est utilisé en configuration élémentsfinis et comporte des algorithmes de convergence perfectionnés. Le logiciel RES2DINV

45°45°

5a

a

a3a

n=1n=2

n=3n=4

n=5n=6

n=7n=8

n=9n=10

A B M N M N

A B M N

A B M N

profondeur d'investigation croissante

écartement AB - MN croissant


BRGM/RP-51426-FR 21

prend en compte la topographie des profils et permet de corriger les effets de relief(anomalies parasites dues aux variations de relief importantes). Les résultats del’inversion sont présentées sous forme de coupe-profondeur de résistivité vraie.

Cette interprétation par inversion fournit des informations quantitatives permettant decaractériser l’origine des différentes anomalies mises en évidence : caractéristiquesélectriques (résistivité vraie), géométrie et profondeur, pendage.

Même si la précision et la stabilité des inversions sont optimisées par des algorithmes deconvergence très performants, en l’absence d’étalonnage (résistivité mesurée suréchantillons, profondeur des interfaces géoélectriques) les paramètres géométriquesfournis par l’inversion des pseudo-coupes peuvent varier, en théorie, dans unefourchette comprise entre 10 et 20 %.

2.3. MOYENS MIS EN ŒUVRE

2.3.1. Personnel

- un géophysicien et un technicien.

2.3.2. Équipement

- un Système RMP IRIS-BRGM Numis+ ;

- un magnétomètre à proton ;

- 600 m de câble d'injection et de mesure ;

- un résistivimètre SYSCAL R2 ;

- un système multi-électrode IRIS Instrument 64 canaux ;

- 100 électrodes ;

- deux micro-ordinateurs portables ;

- deux véhicules.


22 BRGM/RP-51426-FR

P1_6

P2_2

P3_3

P3_5

P11P11

P12P12P13P13

P14P14P14

P15P15

P16P16

P17P17

P18P18

P19P19P19

P21P21P21

P22P22P22P23P23P23

P24P24P24P25P25P25

P26P26P26

P31P31P31

P32P32

P33P33P33

P34P34

P35P35P35

P1P1P1

9300 9350 9400 9450 9500 9550 9600

Coordonnées Lambert, X (m)

3600

3650

3700

3750

3800

3850

3900

3950

4000

4050

4100

4150

Coo

rdon

nées

Lam

bert

, Y (m

)

50

105

160

215

270

325

380

435

CHENI4

CHENI3

CHENI2

CHENI1

CHENI5

CHENI6

digue

n°3

digue n°2

digue n°1

Panneau électriquePosition d'éléctrode dupanneau électrique (distancesen étiquettes en m)

Sondages RMP

Piézomètres

270

CHENI1

P12

Bois

Remblais

Fig. 10 - Localisation des investigations.


BRGM/RP-51426-FR 23

3. Travaux réalisés

Six sondages RMP et un panneau électrique de 465 m ont été mesurés entre le 20 et le28 août 2001.

Quatre sondages RMP ont été mesurés sur les terrasses, en aval du terril. Deux sondagesont été mesurés de part et d'autre des zones de dépôt, sur le terrain supposé naturel dansle but de contribuer à caractériser les altérites probablement sous-jacentes aux dépôts(fig. 10).

Du fait d'un bruit électromagnétique soutenu les mesures ont été réalisées avec desantennes en huit, dispositif réducteur de bruit. Dans ces conditions, les temps mesuresavec 300 stacks et environ 16 valeurs de pulse, varient de 12 à 16 heures sauf pourCHENI3 (7 h) qui a été réalisé avec 200 stacks et CHENI1b (3 h et 20 mn) pour lequel8 valeurs de pulse seulement ont été mesurées. Les sondages RMP ont généralement étémesurés de nuit, la journée étant consacrée à la mise en place des antennes de mesure,au débroussaillage et à la préparation du profil électrique. La profondeur d'investigationde ces antennes dont le côté du carré fait 38 m et la diagonale 52 m est d'environ 40 m.Toutes les mesures sont de moyenne et bonne qualité (tabl. 2).

Le profil électrique a été mesuré en deux fois (pour les abscisses 0 à 315 puis 150 à465 m) et selon deux configurations :

- dipôle-dipôle de 10 m de distance inter-électrode, sur 15 niveaux pour uneprofondeur d'investigation prévisionnelle d'environ 40 m ;

- dipôle-dipôle de 5 m de distance inter-électrode, sur 10 niveaux pour détailler lesstructures superficielles jusqu'à environ 12 m de profondeur.

Les données des quatre panneaux électriques mesurés sont présentées sous forme depseudo-section de résistivité apparente en annexe 2. Sur ces graphiques le facteur dequalité, Q (Q = 0 quand les écarts entre les mesures répétées est nul, Q > 0 quand desécarts de mesure sont observés) et la différence de potentiel mesuré entre les pôles demesure sont présentés en étiquette des points de mesure. En base de section et au niveaude la digue n° 2 (abscisse 185 m) des mesures de mauvaise qualité apparaissent. Cesmesures ont été écartées quand leur facteur de qualité était supérieur à 3 ou leurdifférence de potentiel inférieur à 0,5 mV.

Les données des quatre panneaux ont été rassemblées pour l'interprétation en un seulpanneau de 465 m rassemblant ainsi des dipôles-dipôles de 5 et 10 m.


24 BRGM/RP-51426-FR

N° deSondage

RMP/fichier

N° deForage Contexte

Dispositifde mesure

Niveau debruit avantstack (nV)

Nombrede stack

Duréede la

mesure

Rapportsignal sur

bruit aprèsstack

Qualitédes

données

CHENI1/Cheni1a

PZ14,PZ15

terrassesupérieure

8 carré,37 m

700-2 100 300 16h00 2.46 moyenne

CHENI1/Cheni1b

PZ14,PZ15

terrassesupérieure

8 carré,37 m

400-1 600 200 3h20 1.96 moyenne

CHENI2 PZ23,PZ21

terrasseintermédiaire

8 carré,37 m

200-400 300 15h20 3.76 bonne

CHENI3 PZ34 terrasseinférieure

8 carré,37 m

200-600 200 6h50 3.51 bonne

CHENI4 PZ31,PZ32

terrasseinférieure

8 carré,37 m

200-400 300 15h50 2.73 bonne

CHENI5 / terrain réputénaturel,altérites

supposées

8 carré,37 m

200-400 300 11h50 4.66 bonne

CHENI6 / terrain réputénaturel,altérites

supposées

8 carré,37 m

300-2 000 300 13h00 1.8/4.7 bonne

Tabl. 2 - Caractéristiques des sondages RMP.


BRGM/RP-51426-FR 25

4. Résultats et discussion

4.1. PANNEAU ÉLECTRIQUE

La coupe de résistivité, calculée en fonction de la profondeur sous le profil de mesure,résultat de l'inversion du panneau électrique est présenté en figure 11.

Par expérience et en l'absence de calage, la base des altérites est définie au niveau dugradient maximal de résistivité soit sur cette section, à proximité de l'isovaleur250 ohm.m (fig. 11).

On distingue ainsi :

• les résistivités inférieures à 250 ohm.m qui correspondent selon les forages :

- aux dépôts et aux « sols » dont les résistivités sont inférieures à 100 ohm.m quandelles sont saturées. Les résistivités élevées, supérieures à 100 ohm.m, qui sontobservées en surface sont soit le fait des digues (pm 170-180 et pm 350-380), soit lefait de dépôts secs visibles en surface au moment des mesures (pm 380-410). Lesdépôts saturés et les « sols » sous-jacents ne sont pas distingués par électrique ;

- aux altérites dont les résistivités s'étagent de quelques dizaines d'ohm.m (elles nesont alors pas distinguées des dépôts) à 250 ohm.m ;

• les résistivités supérieures à 250 ohm.m qui sont attribuées au socle peu altéré, peufissuré à sain pour les plus fortes valeurs (résistivités supérieures à 1 000 ohm.m).

Sur cette base, la coupe de résistivité présente :

- une partie nord (N du pm 40) où la base des altérites est à environ une dizaine demètres de profondeur sauf approfondissements localisés attribués à des zones defractures ;

- une partie sud où la base des altérites s'approfondit à 25 m de profondeur enmoyenne voire plus au niveau du pm 400. Ce dernier approfondissement, en limited'investigation, ne peut être assuré.

Fig

. 11

- Cou

pe d

e ré

sist

ivité

reco

upan

t les

dép

ôts.

P3_3

P31

P32

P34

P3_5

P35

P21

P23

P25

P14

P15

CHEN

I4CH

ENI3

CHEN

I2CH

ENI1

Rés

istiv

ité (o

hm.m

)

Altitude (m)

Dis

tanc

e (m

)

NNW

SSE

Bas

e su

ppos

ée d

es a

ltérit

es

26 BRGM/RP-51426-FR

Caractérisation par RMP et électrique des aquifères du site de Chéni (89)


BRGM/RP-51426-FR 27

4.2. RMP

Les résultats des sondages RMP réalisés dans l'emprise des dépôts sont présentés sur lemême profil NNW-SSE que le panneau électrique (fig. 12). Les sondages RMP mesurésen dehors de la zone de dépôt sont présentés de part et d'autre du profil (CHENI5 etCHENI6).

Les interprétations ont été calées sur les données de forage disponibles qui définissentles interfaces dépôts-sols et sols-altérites.

Les interprétations ainsi obtenues conduisent à définir trois formations sur la base deleurs caractéristiques RMP telles que présentées dans le tableau 3. Ce sont :

- les dépôts et les sols qui ne semblent pas présenter des caractéristiques suffisammentcontrastées pour être distinguées. Ils sont donc rassemblés dans la même formation ;

- deux types d'altérites définies à partir des sondages RMP qui sont présentesindifféremment dans et en dehors de la zone de dépôt. Les altérites de type 1 quiprésentent les meilleures caractéristiques sont les plus représentées et peuventdépasser 10 m d'épaisseur (CHENI1, CHENI2, CHENI4). Les altérites de type 2correspondent soit à la base de la zone d'altération (CHENI1) soit à un niveausuperficiel (CHENI5 et CHENI6) qui serait à rapprocher des « sols » de plusieursmètres d'épaisseur décrits dans certains forages.

Formations Perméabilité, K (m/s)/ valeur moyenne

Teneur en eau (%)

Dépôtset sols

3.5 10-6 à 1.0 10-5 m/s/ 7.4 10-6

0.8 à 12.5

Altéritestype 1

1.3 10-5 à 1.0 10-4

/4.5 10-51.5 à 6.2

Altéritestype 2

2.2 à 6.6 10-6

/3.7 10-60.3 à 3.3

Tabl. 3 - Caractéristiques des formations définies par RMP.

La géométrie de ces formations telles que définies par RMP est cohérente avec celleobtenue par panneau électrique.

Les perméabilités évaluées par RMP sont comparées avec les perméabilités obtenuesselon des méthodes traditionelles dans les dépôts superficiels (perméamètre de Guelph)et dans les dépôts et « sols » (essai à charge variable en tube ouvert).

Fig

. 12

-Pr

ofil

de s

onda

ge R

MP

reco

upan

t les

dép

ôts

(CH

EN

I1 à

CH

EN

I4) e

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s R

MP

réal

isés

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le te

rrai

n ré

puté

nat

urel

(CH

EN

I5 e

t CH

EN

I6).

28 BRGM/RP-51426-FR


050

100

150

200

250

300

350

400

450

Dis

tanc

e (m

)

280

290

300

310

320

330

340

Altitude (m)

P3_3

P31

P32

P34

P3_5

P35

P21

P23

P14

P15

CH

ENI4

CH

ENI3

CH

ENI2

CH

ENI1

NN

W

SSE

CH

ENI6

CH

ENI5

0

1

5%

Te

neur

en

eau

0

600

ms

Tem

ps d

e dé

croi

ssan

ce T

1

Alté

rites

Dépo

ts +

sol

s


BRGM/RP-51426-FR 29

Les perméabilités RMP évaluées pour les dépôts et « sols » apparaissent bien dans lagamme des perméabilités déterminées au perméamètre de Guelph et dans la gamme desplus fortes valeurs mesurées par essai à charge variable.

Les essais au perméamètre correspondent à de très faibles volumes (quelques dizainesde centimètres de profondeur) et ne doivent pas être comparées directement auxmesures RMP du fait de la différence d’échelle d’investigation (quelques dizaines demètres de profondeur).

Les essais en forage sont plus significatifs vis-à-vis des mesures RMP. Toutefois, dansce cas où seuls les 5 à 10 premiers mètres sont l’objet des essais, des sondages RMPavec des antennes de taille réduite (carré de 20 m de côté) seraient les plus adaptéespour définir au mieux les caractéristiques des dépôts et sols.

Les perméabilités RMP évaluées pour les altérites (qui ne bénéficient pas d’essais deperméabilité) sont également présentées sur la figure 13. Les perméabilités des altéritesdont les caractéristiques sont les meilleures (altérites type 1) sont d’un ordre degrandeur supérieures aux perméabilités RMP évoluées pour les dépôts et sols.

Remarque : on appelle dans ce rapport « aquifère » sous-entendu au sens géophysique -des terrains montrant, sur la base des mesures RMP, une teneur en eau RMPsignificative. Cela ne signifie pas qu’il s’agit de formations aquifères du point de vuehydrogéologique, c’est-à-dire dont la ressource en eau peut être exploitée de manière« économique ».

Fig. 13 - Comparaison des déterminations de perméabilité par essai au perméamètrede Guelph, par essai à charge variable avec les évaluations RMP.

1.0E-008 1.0E-007 1.0E-006 1.0E-005 1.0E-004 1.0E-003Perméabilité (m/s)

évaluation RMP pourles altérites type 2

évaluation RMP pourles altérites type 1

évaluation RMP pourles dépôts et sol

Essai au perméamètre de Guelph (dépôts superficiels)

Essai à charge variable (dépôts et sols)


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BRGM/RP-51426-FR 31

5. Conclusions

Les investigations géophysiques par Résonance Magnétique Protonique (RMP) etpanneau électrique conduites sur le site de Chéni ont permis :

- de mettre en évidence les variations de profondeur de l'altération entre 10 m au N et25 m environ au S ;

- de définir les caractéristiques RMP (teneur en eau et perméablité) des dépôts et des alté-rites sous jacentes. Des altérites de perméabilité RMP relativement élevée (10-5 à10-4 m/s) sont distinguées des altérites et des dépôts moins perméables (10-6 à 10-5 m/s).Les perméabilités évaluées par RMP dans les dépôts et « sols » apparaissent de l'ordre degrandeur des déterminations réalisées par des méthodes classiques.

Les approfondissements subits qui affectent la zone d'altération sont attribuées à deszones de fracture.

L'interprétation profondeur du panneau électrique pourrait être assurée par au moins unsondage de contrôle atteignant la roche saine ou peu altérée.

Ces investigations pourraient être utilement complétées par des panneaux électriquesvisant à mettre en évidence les variations d'altération perpendiculairement à l'axe duvallon et par des sondages RMP, plus superficiels, de meilleure résolution horizontale etverticale visant à mettre en évidence les variations latérales de caractéristiqueshydrodynamiques à l'intérieur des dépôts et à mieux caractériser les dépôts les plussuperficiels.


32 BRGM/RP-51426-FR


BRGM/RP-51426-FR 33

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BRGM/RP-51426-FR 35

ANNEXE I

Données et résultats des sondages RMP


36 BRGM/RP-51426-FR


BRGM/RP-51426-FR 37

Site: CHENI Cheni1Loop: 4 - 37.5 Date: 21.08.2001 Time: 16:07

NUMIS data set: C:\ETUDES\cheni01\RMP\Cheni1a.inpmatrix: C:\ETUDES\cheni01\RMP\S838chen.mrmloop: eight square, side = 37.5 mgeomagnetic field:inclination= 60 degr, magnitude= 46502.35 nT

filtering window = 199.9 mstime constant = 15.00 msaverage S/N = 1.09fitting error: FID1 = 27.13%; FID2 = 50.56 %param. of regular.: modelingpermeability constant Cp = 7.00e-09


38 BRGM/RP-51426-FR


NUMIS data set: C:\ETUDES\cheni01\RMP\Cheni2.inpmatrix: C:\ETUDES\cheni01\RMP\S838chen.mrmloop: eight square, side = 37.5 mgeomagnetic field:inclination= 60 degr, magnitude= 46502.35 nT



BRGM/RP-51426-FR 39





40 BRGM/RP-51426-FR





BRGM/RP-51426-FR 41





42 BRGM/RP-51426-FR





BRGM/RP-51426-FR 43

ANNEXE II

Pseudo coupe des résistivités apparentes

2040

6080

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

Dis

tanc

e (m

)

-80

-60

-40

-20

Pseudo-profondeur

-216.9

-67.2

-34.9

-21.7

-13.6

-10.6

-9.0

-5.1

-3.8

-2.9

-3.3

-2.8

-2.6

-2.5

-1.9

-210.6

-71.4

-37.4

-21.0

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-3.6

-3.8

-3.2

-3.0

-2.9

-2.1

-6.4

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-45.0

-29.1

-21.9

-12.0

-7.8

-5.8

-5.4

-4.7

-4.3

-4.3

-3.0

-3.0

-2.4

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-55.7

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-6.1

-4.2

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-2.3

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-9.3

-8.2

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-5.2

-11.7

4.7-2.

9-2.

7

-298.9

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-15.0

-12.0

-10.3

-9.7

-6.5

-7.7

-1.6

-3.5

-3.5

-3.5

-341.4

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-24.5

-19.8

-15.1

-12.5

-11.5

-7.6

-9.9

-0.5

-3.9

-3.8

-4.0

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-17.5

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-5.0

-5.0

-5.1

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-4.0

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-6.2

-6.5

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-5.0

-4.6

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-43.1

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-22.9

-13.2

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5.8-5.

9-5.

3-6.

4-3.

0-2.

0-2.

7-1.

8

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-79.3

-45.1

-32.4

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-15.9

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-6.3

-6.1

-4.6

-4.1

-3.1

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-22.4

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-10.2

-9.7

-7.3

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-2.2

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-8.6

-7.4

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-2.6

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-2.1

-201.9

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-20.0

-20.0

-16.8

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-3.0

-2.8

-2.4

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-2.0

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-3.0

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-1.2

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-0.3

-0.9

-0.0

-1.2

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-0.0

1.9-0.

80.0

0.1-0.

40.3

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0.9

-80.1

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-2.8

-2.5

-1.9

-1.3

-51.1

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-6.0

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-2.4

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-2.5

-1.2

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-7.5

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-145.4

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-29.4

-18.5

-9.6

-150.4

-57.1

-29.9

-13.4

-165.3

-63.2

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-203.5

-54.5

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-60

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00

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00

0

00

00

00

000

0

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NEA

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°1di

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5164

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)

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-40

-20

Pseudo-profondeur

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-30.1

-15.7

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-9.4

-5.9

-4.5

-3.8

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-6.4

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-0.6

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4

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-0.7

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-1.0

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-1.2

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-17.5

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-18.8

-8.6

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-55.5

-13.5

-6.6

-2.4

-2.1

-2.9

0.2

-62.5

-13.0

-5.6

-3.0

-2.1

-0.9

-33.1

-7.8

-4.0

-3.5

-0.3

-14.3

-4.8

-4.9

0.6

-12.4

-2.2

-2.2

-17.9

-3.9

-16.8

PAN

NEA

U N

°2di

pôle

-dip

ôle

10 m

n=15

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er n

°082

8170

5.02

7Et

ique

tte=

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V)

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200

220

240

260

280

300

320

340

360

380

400

420

440

-80

-60

-40

-20

Pseudo-profondeur

00

00

00

00

00

00

00

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00

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00

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00

00

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1

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00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

00

0

00

00

00

00

00

11

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00

00

00

00

0

00

00

00

00

01

00

00

00

00

0

00

00

00

00

00

00

00

0

00

00

00

00

00

2

00

00

00

000

0

PAN

NEA

U N

°2di

pôle

-dip

ôle

10 m

n=15

fichi

er n

°082

8170

5.02

7Et

ique

tte=

Indi

ce d

e qu

alité

, Q

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0

050

100

150

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250

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400

500

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900

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6080

100

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140

160

180

200

220

240

260

280

300

Dis

tanc

e (m

)

-20

-10

Pseudo-profondeur

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5

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2

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6

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3

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7

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3

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6

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3

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1 -3.0 -2.

3

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2

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4

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3

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48 BRGM/RP-51426-FR

BRGMSERVICE AMÉNAGEMENT ET RISQUES NATURELS

Unité Mesure, Reconnaissance, SurveillanceBP 6009 – 45060 Orléans cedex 2 – France –Tél. : 33 (0)2 38 64 34 34

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Caractérisation par Résonance Magnétique Protonique (RMP