Cartographie 3Dde l'interface eau douceleau salée par méthodeélectromagnétique héliportéesur le bassin salifèrede la Seille

Un test de géophysique héliportée, organisé co4iointementpar le BRGM et le musée des Antiquités nationales(( MAN >r), a été réalisé en 2001 par le BGR (servicegéologique fédéral allemand) dans le bassin salifère de lahaute vallée de la Seille [Moselle). Les principales méthodesemployées sont l'électromagnétisme multifréquentiel (EM)et le magnétisme M.g). L'objectif principal du BRGM étaitde cartographier avec précision, et en 3D, les terrainsbaignés par l'eau salée, caractérisés par de fortesconductivités électriques. L'objectif du MAN était dedétecter des amas de poteries ayant servi, à l'âge du fer, àla production de sel par évaporation de saumure sur desfeux de bois ; ces poteries peuvent en effet produire uneanomalie magnétique rémanente. Il ressort de ce test quela méthode EM répond parfaitement au problèmehydrogéologique, en apportant une cartographie 3Dprécise de l'interface eau douce/eau salée; cette mêmeméthode semble également prometteuse pour l'objectifarchéologique, éventuellement couplée avec le Mag.

Mots-clés: sel, saumure, biseau salé, géophysiquehéliportée, électromagnétisme

A test of helicopter-borne geophysics, jointly organized by BRGMand the < Musée des antiquités nationales I (MAN), wasperformed in 2001by the BGR (federal geological survey ofGermany) in the salt basin of the upper Seille vailey (Lorraine,France). The main methods used were muiti-frequencyelectromagnetism (EM) and Earth magnetometry (Mag). The mainobjective of BRGM was the precise 3D mapping of the areassaturated with salt water, which are strongly conductive. Theobjective of MAN was to detect accumulations of pottery that wasused, at the iron age, for producing salt by evaporating brine overwood fires; such poftery can give a remanent magnetic anomaly.It appears from this test that the EM method perfectly fulfils thehydrogeological objective, providing a precise 3D geometry of thefreshwater/saltwater interface; the method also seems promisingfor the archaeoiogical objective, possibly in conjunction with Mag.

Key words j salt, brine, saltwater intrusion, airborne geophysics,electromasnetism. '- '' ù/--r- 145

REVUE FRANçAIsE or cÉorecHNteuEN" 106-107

1e( et2u trimestres 2004

B. BOURG.EOISBRGM

Service r Aménagementef ,Risques naturels -u

Unité n Mesure,Reconnaissa nce,

Surveillance ))[ARN/À,{RSl

BP 60t945060 Orléans Cedex 2

b.bourgeois@b rgm.fr

J. PERRINBRGl/r

Service rc Connaiss anceet diffusion de l'ihformation

géol,ogique ))Unité rc ModéIisatians

et Applications ))(cDG/MA)

BP 60t945060 Orléans Cedex 2

j.perrin@brgm.fr

B. FEUGABRGM

Service n Ressourcesminérales l

Geoderis15, rue Claude-Chappe

s\oTtMetzY":::ib ern ard.feu g a@rn d u stri e .

gouv.fr

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3D mapping of the freshwaterls altwater interface by helicopter-borne electromagnetic surveyin the salt basinSeille-valley

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Elntroduction

Un test de géophysique héliportée, organiséconjointement par le BRGM et le Musée des Antiqui-tés Nationales (n MAN r), a été réalisé en août 2001 parle service géologique fédéral allemand (Bundesanstaltfur Geowissenschaften und Rohstoffe, ou ( BGR ))dans la haute vallée de la Seille. Cette zone, située à unequarantaine de kilomètres à l'est de Nancy, entreDieuze et Château-Salins (Moselle), fait partie du bassinsalifère lorrain (Maubeuge, 1950 ; Marchal, 1983). Lesprincipales méthodes géophysiques employées sontl'électromagnétisme multifréquentiel (EM) et le magné-tisme (Mag). Les limites du levé sont reportées sur fondde carte géologique sur la figure 1,, avec les principaleslocalités et quelques points cotés.

Dans la zone d'étude, les couches de sel gemme dela série salifère (Keuper inférieur) sont recouvertes parune épaisseur de 50 à 150 m de sédiments marneux rela-tivement imperméables (1) qui les protègent des eauxmétéoriques. La série sédimentaire étant sensiblementhorizontale, Ia variation d'épaisseur de ce recouwementest essentiellement liée à la topographie : l'épaisseur de50 m correspond au fond des vallées, tandis que celle de150 m correspond au sommet des collines (Fig. 1).

Malgré cette couverture marneuse protectrice, dessources salées très concentrées s'écoulent en abondancedans le fond des vallées, témoins de la lente dissolutiondu sel sous l'effet des circulations d'eaux souterraines.Ces sources ont permis, dès l'âge du fer, le développe-ment d'une intense activité d'exploitation du sel, pour-suivie jusque dans les années 1970, qui a bénéficié à toutela région (et dont la période protohistorique est actuelle-ment l'objet de nombreuses recherches archéologiques).Les conséquences néfastes de ces dissolutions peuventêtre, en revanche, la contamination des nappes d'eaudouce par les saumures, et la subsidence des terrains liéeà la fermeture des vides de dissolution, phénomènesgénérateurs de risque qu'il faudrait prendre en comptepour l'aménagement du territoire, si l'on pouvait en esti-mer correctement le niveau de probabilité ou a\éa.

L'objectif principal du BRGM dans le cadre de celevé héliporté était de cartographier avec précision, eten 3D, les terrains baignés par I'eau salée : Soufces etmarécages salés de surface, terrains saturés en sau-mure dans Ie recouvrement marneux, voire, si la pro-fondeur d'investigation était suffisante, éventuellespoches de dissolution remplies de saumure dans lasérie salifère.L'eau salée étant un très bon conducteurde l'électricité,Ia méthode géophysique la plus appro-priée est naturellement l'EM multifréquentiel, qui per-met de sonder la conductivité électrique des terrains àdes profondeurs étagées, allant de quelques mètres àquelques dizaines de mètres dans un contexte trèsconducteur comme celui de la vallée de la Seille.

(1) Marnes à anhydrite du Keuper inférieur et divers niveaux marneux(sauf Dolomie de Baumont) du Keuper moyen à supérieur.

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Carte géologique simplifiée de la zone d'étude (d'après cartes géologiques au 1/50 O0O). On notera quele toit de la série salifère se trouve à une altitude de l'ordre de 150 m (d'après les quelques foragesdisponibles), alors que le fond des vallées se trouve à une altitude moyenne de 200 m et que les collinesles plus hautes culminent à 310 m.Simplified geological map of the study area (after geological maps at 1:50,000 scale). The top of the saliferous seriesis at an altitude of about 150 m (after data from the few available boreholes), whereas the valley floor is at an averagealtitude of 200 m and the hiqhest hills peak at 310 m.

146REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'106-107Te, et* trrmestres 2004

L'objectif du MAN était de détecter des amas depoteries, principalement des débris de fourneaux et demoules à sel , ayant servi à l'âge du fer (- 1000 à - 500avant J.-C.) à la production de sel par évaporation dessaumures sur des feux de bois (Keune, 1901). Cette acti-vité, qui atteignit un stade quasi industriel, a duré pen-dant des siècles et a généré des quantités considérablesde débris qui forment aujourd'hui de véritables îlotsdans la vallée de la Seille (tels les villages de Marsal ou,Ce Moyenvic). Ce phénomène, longtemps énigmatique,a été désigné sous le nom de n briquetage de la Seille >par les archéologues du rvule siècle (Art ézé de la Sau-vagère, 17 40). Treize îlots de briquetage connus serépartissent sur environ 10 kilomètres entre Salonneset Marsal, représentant un volume de débris estimé àplus de 3,5 millions de mètres cubes : les amas les plusimportants ont un diamètre de plusieurs hectomètreset atteignent une dizaine de mètres de hauteur (Ber-taux, 1976). De nombreux autres amas restent proba-blement à découvrir dans les environs. L'inventaire deces sites intéresse le BRGM, car ils témoignent de laprésence de sources salées anciennes et rajoutent doncune dimension cinématique à la cartographie des zonessalées.

Suivant le principe du paléomagnétisme, les amasde terre cuite peuvent donner une anomalie magné-tique dite thermorémanente : €rr effet, en se refroidis-sant en dessous du point de Curie (= 600 oC), les miné-raux ferromagnétiques contenus dans les poteries onta fossilisé I le champ magnétique terrestre qui existait àl'époque de leur dernière cuisson. Le magnétisme ausol est déjà employé avec succès par les archéologuespour détecter des empilements de terre cuite. Toute-fois, la capacité de la méthode à détecter de tels objetsen configuration aéroportée relevait de l'essai métho-

vidæ cameragam m a - ray sFctrornÊter

dologique : err effet, le volume de débris à considérerpour que l'anomalie reste mesurable à 40 m au-dessusdu sol est probablement irréaliste, surtout si les frag-ments sont orientés de manière aléatoire, et donc si lesaimantations rémanentes ont tendance à s'annuler sta-tistiquement.

ECa r actéristiques du levé héliporté

La zone reconnue par la géophysique dessine unrectangle de 14 x 3 km le long de la vallée de la Seille(Fig. 1), auquel s'ajoute une excroissance de 6 x 3 kmvers le SE, le long du ruisseau du Nard (affluent de laSeille) . La surface couverte est de 58 kmz. La directionprincipale de vol est N +70" (direction dénommée( EW l), avec un interligne de 50 m. Les recoupes per-pendiculaires dans la direction N + 160' (direction dite( NS >) sont espacées de 500 m. Le levé est constitué de175lignes EW et de 27 lignes NS, pour un total de1 280 km iinéaire.

L'équipement utilisé par le BGR met en æuvresimultanément trois méthodes géophysiques, depuisun hélicoptère Sikorsky 76 biturbine (Fig .2) t

a) l'électromagnétisme multifréquentiel, enregistréà l'aide d'un système Dighem utilisant cinq fréquences(384, 1 830, B 600, 41 300 et 192 000 ]Hz) qui couvrent labande la plus large existant actuellement sur ce genred'appareil (noter que la fréquence la plus haute n'a pasdonné de résultats interprétables en raison d'un intensebrouillage attribué à la proximité d'un émetteur radio) ;ces fréquences sont toutes en configuration HCP(boucles d'émission et de réception coplanaires hori-

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141REVUE FRANçAIsE or cÉorcctNteuE

N'106-1071e, el2 trimestres 9004

zontales), qui est réputée être la mieux adaptée à lareconnaissance de couches stratifiées sub-horizontales(Sinha, 1973; Palacky et West, 1991) ; à chaque fré-quence, on mesure le champ magnétique vertical exis-tant au centre de la boucle réceptrice : ce champ est uncomplexe, défini par un module et une phase rzl '

b) la mesure du champ magnétique terrestre(champ total), réalisée à l'aide d'un magnétomètre àvapeur de Cesium de marque Geometrics placé dans lasonde EM;

c) la spectrométrie du rayonnement gamma naturel,mesurée sur 256 canaux par un système Exploraniumutilisant un cristal de 16,8 litres placé dans l'hélicoptère.Les résultats de cette méthode ne sont pas abordésdans la présente publication.

Les deux premières méthodes ont été enregistrées àla hauteur moyenne de 40 m au-dessus du sol (hauteurde la sonde), avec un intervalle de mesure de 0,1 s, soiten moyenne un point tous les 4 m le long de ]a ligne devol à la vitesse moyenne de 40 m/s. La radioactivitégamma a été mesurée avec un intervalle dix fois plus long(soit en moyenne tous les 40 m) à une hauteur moyennede 85 m au-dessus du sol (hauteur de l'hélicoptère).

ELa méthode EM héliportéeetses traitements

WPrincipes théoriques

Le but d'un levé EM multifréquentiel est de fournirune cartographie 3D de la conductivité électrique dusous-sol (ou de son inverse, la résistivité), à des profon-deurs comprises normalement entre une dizaine demètres et 150 m, ou entre seulement quelques mètres etquelques dizaines de mètres dans un contexte trèsconducteur comme celui de la vallée de la Seille.

On sait que plus la fréquence d'un signal EM estbasse, plus sa profondeur de pénétration dans le sol estgrande. Ceci découle de la formule de l'épaisseur depeau ô, donnée ci-apiès, qui régit l'afténuation exponen-tielle du champ par dissipation ohmique dans le sol(3) :

ô = 503 ^fpÆ

où p est la résistivité moyenne des terrains, et f Iafréquence (unités SI). Le fait d'utiliser plusieurs fré-quences permet donc en général d'obtenir, souschaque point de mesure, une information de conducti-vité étagée, d'autant plus profonde que la fréquence estbasse : c'est le principe du sondage multifréquentiel.

On notera toutefois que la limite de profondeurthéorique donnée par l'épaisseur de peau n'est pas tou-

(2) Le mo p est exprim millio )du

(1)

jours atteinte en pratique, en particulier à basse fré-quence et dans les terrains résistants,, car il existe unelimitation géométrique de la profondeur d'investigationliée à l'espacement Tx-Rx entre émetteur et récepteur(a).Dans notre cas, la profondeur maximale d'investigationgéométrique (obtenue à basse fréquence) est de l'ordrede 150 m pour une couche 1D très conductrice inséréedans un terrain résistant (p > 1 000 Q.m). Cette profon-deur est à comparer à l'épaisseur de peau à la plusbasse fréquence (380 Hz), qui est par exemple de 800 mdans un terrain à 1 000 O.m.

On retiendra donc que la profondeur maximaled'investigation effective (pour une hétérogénéité assezgrande et assez conductrice) est sensiblement égale auminimum de l'épaisseur de peau ô et d'une certainelimite géométrique fonction de la distance Tx-Rx : dansnotre cas, on peut écrire Z,nu = MIN (ô, 150). On voitdonc qu'il n'est pas possible, en EM aéroporté, d'aug-menter indéfiniment la profondeur d'investigation enabaissant la fréquence (cela n'est possible que si lasource est rc lointaine )), comme dans les méthodesd'ondes planes de type MT ou VLF).

On notera que la définition précédente de la pro-fondeur d'investigation n'est pas encore parfaite, carelle s'adresse à des hétérogénéités très conductrices detype 1D (couches ou substratums dont l'extension laté-rale est grande devant l'épaisseur de peau ô et devant ladistance verticale objet/capteur). Pour des objetsd'extension latérale plus limitée (objets 2D ou 3D) ou deconductivité plus modeste, la profondeur de détectionréelle sera nettement plus faible.

En fait, eh EM comme dans toute méthode géophy-sique,, la profondeur d'investigation réelle dépend dutype d'objet recherché (couche 1D, corps 2D ou 3D),ainsi que de sa taille, de sa géométrie et du contrastede paramètre physique entre l'objet et son encaissant.Par conséquent, la seule façon correcte d'évaluer laprofondeur pratique de détection pour un objet donné(et pour un dispositif de mesure donné) est de faire uneétude paramétrique par modélisation numérique : pourchaque taille, géométrie, résistivité de l'objet et résisti-vité de l'encaissant, on déterminera la profondeurlimite au-delà de laquelle la réponse de l'objet est infé-rieure au seuil de détection du système consid éré. Uneétude de ce genre est présentée par Peltoniemi (1998)pour un système sur avion, pour des conducteurs detypes couches 1D horizontales, demi-plans verticaux etsphères.

(a) fsf{s limitation provient du bruit de fond < géométrique > du sys-tème de mesure, généré par les petites déformations de l'ensembleémetteur-récepteur dues aux vibrations en vol. Pour le système utiliséici, le bruit de fond indiqué par le constructeur est seulement de3 ppm, ce qui suppose une très grande rigidité mécanique ; un telniveau de bruit autorise un seuil de détection d'anomalies de l'ordrede 10 ppm. Pour un seuil de détection donné (donc pour une rigiditémécanique donnée), la profondeur maximale d'investigation < géo-métrique > est un certain multiple de l'espacement Tx-Rx entre émet-teur et récepteur (20 à 22fois Tx-Rx pour les systèmes Dighem). Dansnotre cas, pour une distance Tx-Rx qui vaut environ 6,7 m, la limitede détection géométrique est de l'ordre de 150 m à basse fréquencepour une couche très conductrice ins érée dans un terrain résistant(p > 1000ohm.m); à titre de comparaison, elle serait d'environ 180 mpour un espacement Tx-Rx de B m (données Dighem).

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148REVUE FRANçAIsE oe cÉorccHNtQUEN'106-1071e, eT 2 trimestres 2004

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Traitements et visualisations des données

Le premier traitement des données consiste à déter-miner, pour chaque point de mesure et pour chaquefréquence, la résistivité d'un demi-espace homogènerendant compte au mieux du champ mesuré (Siemon,2001). Cette valeur, qualifiée de rc résistivité apparente >,peut être considérée comme une espèce de moyennepondérée (5) des résistivités vraies sur une épaisseursensiblement égale à la profondeur d'investigationeffective.

Cette approche standard permet de tracer une cartede résistivité apparente pour chaque fréquence utile(soit quatre cartes dans le cas présent). Chaque cartedonne une image de la résistivité moyenne des terrainsdepuis la surface jusqu'à une profondeur d'autant plusgrande que la fréquence est basse. I1 faut noter cepen-dant que cette profondeur n'est pas constante surl'ensemble de chaque carte.

En effet, comme l'indique la formule (1),I'épaisseurde peau à une fréquence donnée dépend de la résisti-vité des terrains. Ainsi, pour la fréquence la plus bassede notre étude (380 lHz),I'épaisseur de peau est del'ordre d'une centaine de mètres pour les terrainsrelativement résistants observés de part et d'autre dela vallée de la Seille (pqu'elle est seulement d'une vingtaine de mètres pourles terrains très conducteurs observés au centre decette même vallée (pplus haute (41 kHz), ces épaisseurs de peau sont envi-ron dix fois plus faibles, c'est-à-dire de l'ordre de 10et 2 m respectivement. On retiendra donc qu'unecarte de résistivité apparente à une fréquence donnéefournit des informations intégrées sur des profon-deurs variables.

Pour éviter cette ambiguïté, on réahse une < inver-sion r des données EM muitifréquentielles par unmodèle 1D multicouche. En chaque point de mesure,les quatre fréquences sont utilisées conjointement pourdéterminer le modèle à quatre couches horizontales(modèle 1D) réalisant le meilleur ajustement avec lesmesures (6). Les quatre résistivités obtenues ne sont plusdes valeurs apparentes ou moyennes, mais sont desvaleurs indépendantes, qui se rapprochent des résisti-vités waies (sauf si des effets 2D ou 3D réduisent la per-tinence du modèle 1D).

La procédure d'inversion développée au BGR parSengpiel et Siemon (1998) est une procédure itératived'optimisation non linéaire basée sur l'algorithme de

(5) Les coefficients de pondération n'ont pas de forme explicite. Les ter-rains superficiels influencent bien entendu de manière prépondérantela résistivité apparente. Cette dernière tend vers la résistivité vraie durecouvrement à haute fréquence, mais ne tend pas toujours vers larésistivité vraie du substratum à basse fréquence (Fraser,1978), peut-être à cause de la limitation géométrique de la profondeur d'investi-gation vue plus haut. En fait, la question de la pondération rejointd'une certaine manière celle de l'atténuation du champ avec la pro-fondeur. On trouvera des informations sur ce sujet dans McNeil(1980b), Reid et Macnae (1999) ou Beamish (2003), où l'atténuation duchamp électrique est étudiée en fonction de l'orientation de la source,de sa hauteur par rapport au sol, et de l'offset latéral du point consi-déré.(6) On rappelle que celles-ci se composent de quatre champs com-plexes, soit de huit nombres réels.

Marquardt (1963). Le calcul direct du champ magné-tique créé par un dipôle magnétique alternatif au-des-sus d'une stratification 1D passe par une intégrationentre zéro et l'infini d'une fonction de Bessel oscillante(Siemon, 2001), intégration qui est réalisée à l'aided'une transformée de Hankel rapide (Johansen etSorensen, 1979). Chaque point de mesure est inverséindépendamment de ses voisins. Le modèle initial enchaque point, crucial pour le résultat de f inversion, estdéfini de manière automatique à l'aide des résistivitésapparentes et des hauteurs apparentes(7) aux fré-quences utiles (Sengpiel et Siemon, 199B).

Dans le cas présent, le problème inverse est bienposé puisqu'il s'agit d'inverser sept paramètres (quatrerésistivités et trois profondeurs) à l'aide de quatre don-nées complexes (soit huit réels). On notera toutefoisque le logiciel du BGR utilise une technique de décom-position en valeurs singulières (SVD) permettant detraiter les cas sous-déterminés (Sengpiel et Siemon,1998). Grâce à ce procédé, ù est possible d'inverser avecun nombre de couches supérieur au nombre de fré-quences (problème sous-déterminé) sans crainte derésultats aberrants. Les auteurs recommandentd'ailleurs d'adapter le nombre de couches à inverser aunombre réel de couches existant dans la tranche de ter-rain explorée (tranche allant de la surface jusqu'à laprofondeur d'investigation effective de la plus bassefréquence), sans se préoccuper de savoir si le problèmeest bien déterminé ou non !

Les résistivités et les épaisseurs obtenues par inver-sion 1D en chaque point d'un profil de mesure sontreportées verticalement sous la topographie du profilpour constituer ce qu'on appelle une pseudo-coups (a)de résistivité 1D (Fig. 5). A partir de l'ensemble despseudo-coupes, on peut enfin tracer des coupes hori-zontales de résistivité 1D à altitude constante (Fig. 9),ou des coupes de résistivité 1D parallèles à la topogra-phie (i.e. à profondeur constante sous la surface du sol).Ces documents ont l'avantage de ne pas présenterd'ambiguïté sur la profondeur comme les cartes derésistivité apparente.

Cependant,, comme dans tout problème inverse, lasolution de l'inversion 1D peut ne pas être unique, etpar conséquent des artefacts peuvent apparaître sur lespseudo-coupes. Des études de Sengpiel et Siemon(1998, 2000) montrent par exemple que la profondeurinversée pour une couche conductrice horizontale pla-cée à profondeur croissante devient sous-estimée àpartir d'un certain seuil de profondeur, qui dépend desconditions locales de résistivité. Ce phénomènes'explique probablement par une équivalence sur leproduit conductivité x épaisseur (conductance) de lacouche, lorsque l'épaisseur de celle-ci devient faible parrapport à sa profondeur (rc couche mince )). Le seuil dedécrochage peut être estimé ici entre 20 et 40 m de pro-fondeur.

t7) La hauteur apparente à une fréquence donnée est la hauteur du dis-positif au-dessus du sol qui est calculée en même temps que la résisti-vité apparente (Siemon,2001). Ceci provient du fait que le champ au-dessus d'un sol homogène dépend à la fois de la résistivité du sol et dela hauteur du dispositif. Il s'avère que la résistivité apparente est beau-coup mieux déterminée si la hauteur est laissée libre plutôt que d'êtreimposée par I'indication de l'altimètre (Siemon,2001).(B) Le préfixe pseudo fait référence au fait qu'il ne s'agit pas d'une véri-table coupe 2D ou 3D, mais d'une succession de modèles 1D juxtapo-sés (docurment analogue à une section sismique non migrée).

1 4gREVUE FRANçArsE or cÉorectNteuE

N" 106-1071e, eT 2" trimestres 2004

Ces mêmes auteurs montrent comment une couche2D plane inclinée est déformée par l'inversion 1D : letoit de la couche inversée se présente comme une suc-cession de courbes reliées en marches d'escalier. dontle plan moyen se situe environ 10o au-dessus du véri-table plan de la couche ; en revanche , la base de lacouche inversée est très proche de sa base vraie,, etdonne donc une assez bonne estimation du véritablependage de la couche. Ces observations doivent êtreprésentes à l'esprit lors de l'interprétation des résul-tats 1D.

-

Résultats

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Fi na I it é hy dr ogéd ogiq u e

Les résultats obtenus par EM confirment le bien-fondé de cette méthode pour l'étude des circulations desaumure.

La carte de résistivité apparente à B 600 Hz (Fig. 3)montre que les sédiments recouvrant la formation sali-fère ont une résistivité de l'ordre de 10 à 35 f).m sur lesreliefs (couleurs verte à bleue) et de moins de 2 Q.mdans le fond des vallées (couleurs orangée à rouge).Dans ce contexte géologique, un tel contraste ne peuts'expliquer que par une différence de salinité de l'eauimprégnant les terrains. En effet, la composition dessédiments est suffisamment homogène le long de lasérie géologique recoupée pour qu'on puisse consi-dérer, en première approximation, que la conductivitéglobale reflète principalement Ia conductivité de l'eaud'imbibition (et à un moindre degré la porosité de laroche).

on l'a déjà dit, la présence de sources salées trèsconcentrées a été utilisée dès la préhistoire pour Iaproduction de sel.

Un résultat assez inattendu, en revanche, est lagrande homogénéité de la zone très conductrice(p < 1A.m) observée Ie long de la vallée de la Seille.Cette homogénéité indique que ies saumures imprè-gnent l'ensemble des terrains bas et pas seulementquelques points localisés autour des sources salées,comme on aurait pu le penser. Les saumures se pré-sentent donc sous la forme d'une véritable nappe quiaffleure au fond des vallées.

La comparaison des cartes de résistivrté apparenteaux fréquences extrêmes (Fig. 4) montre que la zonetrès conductrice attribuée à la nappe salée s'élargitsignificativement lorsqu'on augmente la profondeurd'investigation en abaissant la fréquence. D'après lesfréquences intermédiaires (non représentées), l'élar-gissement de cette nappe avec la profondeur semblerégulier. La figure 4 montre par ailleurs que la résisti-vité apparente de Ia zone très conductrice (rouge) etcelle de la zone relativement résistante (bleu à vert) nesont quasiment pas modifiées d'une carte à l'autre, cequi indique que les résistivités sont relativementhomogènes verticalement au cceur de chaque unité.

Les pseudo-coupes de résistivité 1D confirment larépartition mutuelle des nappes d'eau douce et d'eausalée. Sur la figure 5, par exemple, il apparaît claire-ment (partout où la profondeur de l'inversion est suf-fisante) que Ia nappe d'eau douce surmonte 1a nappesalée - sauf au fond de Ia vallée de la Seilie où lanappe salée affleure, expliquant la présence desources saumâtres. Ce qui est particulièrement remar-quable, c'est que l'interface eau douce/eau salées'enfonce progressivement sous les collines en reflé-tant la topographie comme dans un miroir. Ce com-portement traduit un schéma de < biseau salé > iden-tique à ce qui est observé dans le cas des aquifèrescôtiers.

Ce phénomène peut d'abord s'expliquer par unesimple loi d'équilibre hydrostatique entre l'eau douce,relativement légère, et les saumures concentrées,beaucoup plus denses (d=1,1 à 1,2) : la colonne d'eaude pluie emmagasinée par chaque colline < flotte > (àla manière d'un iceberg) sur la nappe salée, laquellese creuse vers le bas de façon à équilibrer la pressionhydrostatique ; la hauteur du creusement est d'autantplus grande que la colline est élevée.

Cette interprétation statique suppose uniquementque la perméabilité des terrains est non nulle, defaçon à ce que l'équilibre hydrostatique puisse s'éta-blir. Cette hypothèse est parfaitement valide dansnotre contexte où il n'y a pas de roche véritablementimperméable. En revanche, le fait que les perméabili-tés soient faibles contribue à maintenir un niveau denappe à peu près stationnaire sur les hauteurs, ce quiest propice à une approche statique (si Ia perméabi-Iité était très forte, les nappes s'effondreraient trèsrapidement vers 1'horizontale après chaque pluie).

La prise en compte de la dynamique est cependantnécessaire pour comprendre la formation de la nappesalée, et pour comprendre ensuite les écoulements desaumure qui en résultent au fond des vallées. Le pointde départ du circuit est constitué par I'eau de pluie,dont une partie s'infiltre dans le sous-sol jusqu'au toitde la formation salifère. Le sel étant un matériau par-faitement imperméable, l'eau n'y pénètre pas, mais

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fier de rc normales >) sont tout à fait compatibles avecles sédiments marneux classiques, imprégnés d'eaudouce,, les valeurs exceptionnellement faibies obser-vées dans les vallées ne peuvent s'expliquer que parune imprégnation des sédiments par de la saumuretrès concentrée. Même si les formations existant sousle fond des vallées sont un peu plus argileuses, doncun peu plus conductrices que les formations quiconstituent les reliefs, les valeurs inférieures à 1 Ç).mqu'on y observe restent inférieures au moins d'unfacteur 10 à ce qu'on pourrait attendre si ces sédi-ments étaient imprégnés d'eau douce : hormis de lasaumure, seules des min éralisations métalliquespourraient donner des résistivités aussi basses. La loid'Archie,, loi empirique reliant la résistivité d'uneroche à sa porosité et à la conductivité de l'électrolytequ'elle contient (Archie, 1942; McNeill, 1980a ; Kel-ler, 19BB), permet d'estimer que la résistivité de cettesaumure doit être inférieure à 0,1 O.m (et même sou-vent < 0,05 O.m), ce qui comespond à des concentra-tions de NaCl supérieures à 100 g/I (et souvent> 200 g/I).

Le fait que 1e fond des vallées soit riche en sel n'estpas une nouveauté. La toponymie locale en attesteabondamment (rivière de la Seille, localités de Mar-sal, Salonnes, Château-Salins, lieux-dits de Salival,Salées-Eaux. .). Une flore typique de prés salés ou de

1 50 O".ds de lagunes y est connue localement. Et, comme

REVUE FRANçAIsE oE cÉorrcrNreuEN'106-107\e, el2" trimestres 9004

$ BRIOUETAGE DE t SEILLE "HELICOPTER GSOPHY$ICâL SURVEYVIC"$UR.SEIILE IFRASCI IAUçU$T EOO1

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ffi Pseudo-coupe de résistivité lD inversée à partir des données EM sur le profil nord-sud < AB >(Fig. 3) qui part de la butte Saint-Jean et recoupe successivement la vallée de la Seille, le hautdes Demoiselles et le ruisseau du Nard. Les courbes du haut représentent le champmagnétique (parties réelle et imaginaire) mesuré aux différentes fréquences.1D resistivity pseudo-section obtained by inversion of the EM data on the North-South line (Fig. 3)which begins at the (butte Saint-Jean) and successively cuts across the Seille valley, the top oftheDemoiselles and the Nard brook. The curves above the section represent the magnetic field (real andimaginary parts) measured at the four useful frequencies.

elle le dissout sur sa surface supérieure, se transfor-mant en saumure saturée qui forme une nappe au toitdu sel. Si la charge hydraulique (égale à la hauteur dela colonne d'eau douce) est suffisante , la saumuresaturée peut, malgré sa forte densité, remonter sur50 m jusqu'au fond des vallées, où elle donnera nais-sance à des sources salées. Au contraire, dans deszones de faible charge (i.e. à grande distance desreliefs),Ia saumure ne quitte pratiquement pas le toitdu sel, et la dissolution est très peu active, faute d'exu-toire.

Ces mécanismes sont schématisés à la figure 6.D'autres phénomènes peuvent s'y rajouter.

WFi na lité a rchéologiq ue

Sur le plan archéologique, de nombreuses anoma-lies magnétiques ont été détectées, mais leur corréla-tion avec les amas de poteries connus n'est pas tou-jours satisfaisante. I1 est cependant trop tôt pour seprononcer définitivement sur le magnétisme car lestraitements ne sont pas terminés.

En revanche,, de manière plus inattendue, certainsîlots de briquetage connus sont apparus clairementsur les profils et les cartes d'inversion électromagné-

Série salifère {sel gemrne)> 1OCIt ohrn.m ?

Propnétés des Sâurriures :Saumure à 200 g/1 de NaCl:d = 1,15 g/cm3; p - 0,05 f).mSaumure à 300 g/l de NaCl : d = 1,20 g/cm3; p _ 0,02 Q.m

)|||..::||;:||::i||.:|i:|i|):|i::|i:|||:1;}||:.|||||:i|:||||::|

phénomène de biseau salé observé dans lavallée de la Seille et le principe de fonc-tionnement des sources salées.Simplified geoeiectric section showing thephenomenon of saitwater intrusion observed in theSeille valley and the mechanism of saline springs.

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153REVUE FRANçAIsE or cÉorccHNteuE

N" 106-1071e, el 2u trimestres 2004

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tique 1,D, sous forme de lentilles résistantes poséessur la surface très conductrice de la vallée de la Seille.

Ainsi en est-il pour le village de Marsal, qui estconstruit sur un gigantesque amas de briquetage for-mant une butte de près d'un kilomètre de diamètre etde près de 10 m d'épaisseur. De haut en bas, la pré-sence de l'amas sur la pseudo-coupe (Fig. 7) se traduitd'abord par un terrain très résistant (> 1 000 O.m), envi-ron jusqu'à mi-hauteur de la butte ; ce terrain est suivipar un terrain moyennement résistant (10-25 O.m),caractéristique des sédiments marneux imprégnésd'eau douce ; enfin, à la base de la série, à environ 13 msous le fond de la vallée, on retrouve 1e terrain trèsconducteur (< 1 Q.m) caractérisant la nappe salée : letoit de ce terrain dessine une cuvette en forme de Vsous le village.

Cette signature, analogue à ce qui est observé sousles reliefs, s'explique probablement en grande partiepar le phénomène de biseau salé décrit précédem-ment : de façon semblable à une colline naturelle, l'îlotde briquetage retient dans sa porosité une colonned'eau douce qui flotte sur la nappe salée, en la repous-sant vers le bas . L'activité humaine amplifie peut-êtrece phénomène par des apports additionnels d'eaudouce (arrosage, eaux usées...). Il se peut aussi quel'EM ressente la différence de résistivité matricielleentre les sédiments marneux naturels (conducteursmême imprégnés d'eau douce à cause des minérauxargileux qu'ils contiennent) et les débris de poterie,dans lesquels les minéraux argileux ont été majoritai-rement détruits par la cuisson, et qui sont sans doute

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assez peu poreux (puisqu'ils étaient destinés à contenirdu liquide), donc assez résistants.

La figure B montre une signature similaire - mais àune échelle beaucoup plus petite - sur le site archéolo-gique dit a Le Chatry >. Ce site présente un amas quasicirculaire de taille plus modeste (diamètre 200 m, hau-teur 2 à 3 m), localisé en rive droite de la Seille actuelle,dans un méandre de i'ancienne Seille (voir photo). Surla pseudo-coupe verticale, la signature de cet amas seprésente comme une copie à échelle réduite, et à plusfaible contraste, de la réponse observée sur l'amas deMarsal : d'abord un terrain très résistant jusqu'à la basede 1'î1ot, puis une lentille de terrain intermédiaire unpeu moins conductrice que les terrains habituels satu-rés en saumure (0,7 à 1 Ç).m), et enfin la nappe saléetrès conductrice (ici < 0,5 Ç).m) ; l'épaisseur du terraintrès résistant est d'environ 2,5 m, celle de la lentilleintermédiaire est d'environ 2 m. Sur la coupe horizon-tale de résistivité 1D tracée pour l'altitude 198 m (coupesituée à 1 m sous la surface du sol dans la zone du Cha-t.y), cette réponse se traduit par une petite anomalierésistante parfaitement centrée sur l'amas.

EConclusion et perspectives

Il ressort de la présente étude que la méthode EMest parfaitement adaptée à l'étude des circulationsd'eaux souterraines dans un contexte salifère tel quecelui de la haute vallée de la Seille. Dans cette zone

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ligne EW no 58, qui passePseudo-coupe de résistivité 1D inversée à partir des données EM sur laen limite nord de Moyenvic et au centre de Marsal (Fig. 4).1D resistivity pseudo-section obtained by inversion ofthe EM data on the EW line n'58, which goes throughthe northern edge of Moyenvic and the centre of Marsal (Fig. 4).

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Signature EM de l'ilot de briquetage < Le chatry >, montré sur la photo ci-dessus (photo BGR). En haut àdroite : pseudo-coupe verticale de résistivité 1D sur une portion de la ligne EW n' 43 [Fig. 4). En bas à droite :coupe horizontale de résistivité 1D à l'altitude 198 m. La réponse de l'amas apparaît comme uneprotubérance résistante de 2O0 m de diamètre posée sur le fond de la vallée, et formant une petite cuvettedans la nappe salée.EM signature of the pottery-accumulation island

La méthode EM semble également prometteusepour l'objectif archéologique, puisqu'il est apparu queles amas de poterie provoquent un léger abaissementde la nappe salée, traduit en EM par une anomalierésistante très superficielle. En guise de perspective, ilest à noter que la signature de type < Le Chatry > peutêtre retrouvée en d'autres points de la vallée. Ainsi, surIa coupe horizontale de résistivité 1D tra cée pour l'alti-tude 200 m (10) (Fig. 9), on observe un certain nombred'anomalies du même ffie (taches jaunes à bleues),, quiétaient invisibles à l'altitude 198 m (Fig. B). Parmi cesanomalies, celles qui sont situées au centre de la vallée,en bordure du lit ancien de la Seille, paraissent parti-

(10) p6up un observateur situé dans la vallée, cette carte donne uneinformation très superficielle, située entre 0 et 3 m sous la surface dusol lorsqu'on va de Vic-sur-Seille à Mulcey (extrémité orientale dulevé).

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Cette étude a été financée par la direction de la recherche duBRGM dans le cadre du projet rc Méthodes géophysiques au servicede la cartographie numérique et 3D (METPHY) t, dirigé par Cathe-rine Truffert. Le |evé héliporté proprement dit a été financéconjointement par Ie MAII{ et par le BRGM avec un appui duFEDER. lrlous remercions l'équipe du BGR pour son professionna-lisme et pour la qualité des documents produifs. Àlous remercionségalement le chef de mission archéologique, Laurent Olivier(MAI'{), qui nous a fait partager son enthousiastne pour le rc bri-quetage de la Seille >.

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