Les Methodes de Geophysiques

8/1/2019 Les Methodes de Geophysiques

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DEUST Gosciences

Module de gophysiqueUniversit de la Nouvelle-Caldonie

Sance 3: Loutil gophysique les diffrentes mthodesdimagerie gophysique

13 Juillet 2010

Julien Collot

Gophysique marine

Service gologique - [email protected]


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Sance 3 : Loutil gophysique les

diffrentes mthodes dimageriegophysique

1. Mthodes potentielles

a) Gnralits

b) Mthode lectrique

a) Mesure de la polarisationb) Mesure de la rsistivit

c) Mthodes lectromagntiques

a) Mthode tellurique

b) Mthode magntotellurique

c) AFMAG

d) CWe) TEM

f) VLF

g) Georadar

d) Mthode gravimtrique

e) Mthode magntique

2. Mthodes acoustiques

a) Gnralits

b) Sismique rflexion

c) Sismique rfractiond) Sismique de puits

3. Autres mthodes

a) Radiomtrie

b) Tldtection

c) Diagraphies


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1. Mthodes potentielles


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1-a Gnralits :

Dfinition gnrale

Les donnes de potentielcorrespondent aux mesures des champs de vecteurs quidrivent dun potentiel

Exemple : Le gravimtre mesure le champs gravimtrique qui drive du potentieldattraction newtonien.

Potentiels lectrique, gravimtrique, lectromagntique, magntique

Mthodes potentielles


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1-b Mthodes lectriques

Utilises en gophysique applique essentiellement pour la prospection

minire, l'hydrogologie, le gnie civil et l'archologie.

L'ensemble de ces mthodes peut tre class en fonction et de la sourceutilise :

sources naturelles (ou passives) : polarisation spontane

sources artificielles (ou actives) :

polarisation induite

mesures de rsistivit


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1-b-a Polarisation spontane

La polarisation spontane est la mthode de gophysique applique laplus simple mettre en uvre et la moins chre.

Une polarisation spontane peut tre observe par une simple mesure dela diffrence de potentiel la surface du sol de quelques millivolts

environ un volt.

Origines possibles de polarisation spontane environnementale, cest dire quelle est lie au courant dun fluide,

activit biolectrique vgtale

concentration lectrolytique dans les eaux souterraines

lie une minralisation. En effet, certaines minralisations possdent une conductivit

naturelle qui les fait se comporter comme des piles.

Mthodes lectriques


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Polarisation spontane Quelques grandeurs observables :

Le dispositif de mise en uvre est trs simple et ne ncessite que deuxlectrodes et un voltmtre, mais peut tre dcline en deux variantes :

mthode de lamplitude

mthode du gradient

Mthode de lamplitude : une lectrode est place loin de la zone

dtude, de sorte quon puisse la considrer l'infini, et reste fixe lastation de base. La seconde autre lectrode est dplace sur la zone

cartographier. Son dplacement est organis le long de profils, de sorte

obtenir une carte des potentiels obtenus qui permet de localiser la

minralisation ou la source hydraulique.

Mthodes lectriques


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Polarisation spontane Mthode du gradient: on dplace les deux lectrodes le long des lignes de

profil. On garde une distance constante et petite entre les lectrodes. On

divise les voltages mesurs par lcart des lectrodes afin de pouvoirtracer des cartes de gradient.

Dans les deux cas, les profils doivent tre choisis orthogonalement auxstructures suspectes.

Mthodes lectriques


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Polarisation spontane

Mthodes lectriques

La mthode de la polarisation spontane possde un faible pouvoirdiscriminateur entre les origines possibles des anomalies

Nautorise pas de considration sur la taille des structures enfouies. Enconsquence, elle ne peut tre utilise seule mais vient forcment en

complment dautres sources de connaissance gologique.


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1-b-b Polarisation induite

Mthodes lectriques

Mthode utilise depuis les annes 40 et est la consquence desrecherches menes par lU.S. Navy pour dvelopper un dtecteur

de mines. Cette technique est utilise surtout dans le cadre de laprospection minire, aquifre ou gothermale.

Principe :

Injection de courant continu dans le sol

Les roches accumulent de lnergie (par le biais de processuschimiques)

Coupure brutale du courant inject

Les roches librent cette nergie pour revenir un tatnergtique initial

La dcroissance progressive de la diffrence de potentiel avec letemps, exprime en terme de chargeabilit, traduit les proprits dusol qui s'est charg comme un accumulateur de faible capacit pour

ensuite se dcharger.


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Polarisation induite

Mthodes lectriques

Mthodologie :

A laide de deux lectrodes dinjection et de deux autreslectrodes de mesure, on observe le retour zro de ladiffrence de potentiel induite par linjection de courant etcalculer la chargeabilit M

2 techniques :

Technique espace-temps

dispositif fixe que lon dplace le long de profils.

Mesures effectues sur lensemble de la zone prospecter

Interprtation finale se fait grace une carte dechargeabilit.

Technique espace-frquence


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Polarisation induite Polarisation induite espace-frquence:

on ne se contente pas dinjecter et de couper le courant une seule fois

on rpte cette squence un certain nombre de fois et selon deux frquences qui nedpassent pas 10Hz, par exemple Fmin = 0,1Hz puis Fmax = 5Hz.

A chacune des frquences, on mesure la rsistivit apparente du sous-sol que lon

nomme min puis max.

Plus le temps dinjection du courant dans le sol est grand et plus la diffrence de

potentiel Vp, qui traduit le survoltage, est grande alors que lintensit reste constante.

Plus le temps dinjection est bref et plus sa frquence est leve.

Mthodes lectriques


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Polarisation induite Polarisation induite espace-frquence:

Calcul du pourcentage de leffet de frquence (FEP) et du paramtre facteur - mtal(MFP) :

Mthodes lectriques


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1-b-c Mesures de rsistivit Largement utilises en prospection minire, hydrogologique et gnie

civile

Matriel simple Principe :

Injection dun courant dune intensit connue dans le sol au moyen de deux lectrodeset la mesure de la diffrence de potentiel induite par les caractristiques du sous-sol

laide de deux autres lectrodes.

On dduit de ces mesures les valeurs de la rsistivit apparente du sous-sol (U=RI)

2 techniques En sondage : en un lieu donn en variant la gomtrie du dispositif

En trane : traner le dispositif qui garde sa gomtrie fixe et ainsi effectuer une

cartographie anomalitique des rsistivits apparentes

Lutilisation de forages quips en lectrodes dinjection et de rceptionpermet de construire directement une coupe golectrique. Cela consiste

faire de la tomographie lectrique.

Mthodes lectriques


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1-c Mthodes lectromagntiques Principe gnral :

utilisation dun champ lectromagntique incident dans un milieu, et lecture de larponse du sous-sol cette sollicitation.

Mthodes lectromagntiques


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Mthodes lectromagntiques Ne ncessitent pas la mise en place dun dispositif en prise directe sur le

sol (permet laroport)

sources naturelles : mthode tellurique

mthode magntotellurique

mthode audio (AFMAG)

sources artificielles : mthode d'induction continue (CW)

mthode dinduction transitoire (TEM)

mthode trs basse frquence (VLF)

Goradar

Les courants lectriques utiliss sont variables en frquence

Profondeur dinvestigation : H = 100 (F)1/2

avec F: frquence de la source

: conductivit du sous-sol



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1-c-a La mthode tellurique

L'ionosphre est le sige de courants lectriques intenses qui produisentun champ magntique variable. Ce champ lectromagntique primaire

induit dans la crote terrestre un champ lectromagntique secondaire.

Ces courants lectriques telluriques, dont les lignes de circulation sont

l'chelle du globe, varient constamment en amplitude et en direction. Lesvariations les plus lentes peuvent tre assimiles des courants continus

dont l'intensit est fonction de la conductivit locale.

La mesure de la composante lectrique du champ lectromagntiquetellurique permet de connatre la conductivit du sous-sol.



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La mthode telluriqueMthodologie

2 jeux dlectrodes :

Le premier jeu dlectrodes est fixe et constitue la station de base. Le second jeu est dplac sur la zone prospecter et constitue la station mobile.

Pour chaque nouvelle position de la station mobile, on effectue simultanment une

mesure de diffrence de potentiel aux deux stations.

La diffrence entre la diffrence de potentiel de la station mobile et cellede la station de base est donc une mesure de la diffrence de potentiel

induite par les courants telluriques et affranchie de leurs variations.

Les variations de diffrence de potentiel cartographies sont dues auxvariations de conductivit du sous-sol et donc sa constitution

gologique.



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1-c-b La mthode magntotellurique


Principe : IDEM QUE METHODE TELLURIQUE MAIS ON MESURE LES 2COMPOSANTES DU CHAMP SECONDAIRE (au lieu de la seule composante

lectrique)

Dispositif : lectrodes et magntomtres

2 techniques :

En sondage

Dispositif fixe et on fait varier la frquence de mesure du

champ lectromagntique tellurique En profilage

Dplacement du dispositif frquence constante(conductivits apparentes)


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1-c-c La mthode Audio (AFMAG) AFMAG = Audio Frequency MAGnetic fields

Source primaire = foudre et orages magntiques

Ondes se propagent la surface de la terre et base ionosphre

Mthodologie: 2 bobines perpendiculaires mesurent les variations de linclinaison de ce champ

lectromagntique Utilis en prospection terrestre et aroporte selon technique de profilage



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1-c-d La mthode dinduction continue

(CW) Source artificielle continue

(bobine)

Recepteur (autre bobine) :mesure linclinaison, lintensit

et la phase du champ

secondaire induit

Profilage ou sondage



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1-c-e La mthode dinduction transitoire

(TEM)Principe et mthode

On dispose dune trs grande boucle dans laquelle on applique un important courantlectrique pendant peine quelques dizaines de millisecondes.

Ce courant provoque la surface du sol un champ magntique orient verticalement. Cechamp, sil traverse un corps gologique conducteur, va crer des courants lectriques

secondaires souterrains alors que le champ magntique primaire se dissipe la surface.

Les courants lectriques secondaires induisent un champ magntique secondaire dont

lamplitude dcroit rapidement avec le temps.

Une seconde boucle, plus petite que la premire et place en son centre permet de recevoir lechamp magntique secondaire et de mesurer son amplitude.

On rpte le processus plusieurs fois et on stack les rsultats pour chaque position de mesure.



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La mthode dinduction transitoire

(TEM)



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1-c-f La mthode trs basse frquence

(VLF)Principe et mthode

La source utilise dans cette mthode sont les ondesradio trs basses frquences, mises par unequinzaine de balises militaires utilises pour la

navigation arienne et maritime. Ces ondes se

comportent comme des ondes planes et se propagent

sur dimmenses surfaces terrestres.

Le principe de la mthode est ensuite similaire celuides mthodes d'induction. Elle est cependant limite au

profilage terrestre ou aroport et autorise la

cartographie de la conductivit apparente.

La mthode trs basse frquence est cependant limite

dans son utilisation lorsque la source est inexistante ou

inoprante ou dans le cas dune topographie trop

abrupte.


M h d l i


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1-c-g Le GoradarPrincipe

Attention ! Principe diffrent des autres mthodes lectromagntiques Principe de propagation des ondes (et non dinduction):

Un milieu possde une vitesse de propagation des ondes radio qui dpend de sa constante dilectrique et de sapermabilit magntique. En consquence, les diffrentes formations gologiques possdent des vitesses distinctes.

Les ondes mises par le goradar senfoncent dans le sous-sol ou elles peuvent se rflchir linterface entre deuxmilieux de vitesses de propagation diffrentes. Plus le contraste de vitesses est important plus la quantit dnergie

rflchie et donc renvoye vers le rcepteur est importante.

Le rcepteur enregistre les temps darrive des ondes rflchies ou rfractes qui arrivent jusque lui avec suffisamment

dnergie.


Mth d l t ti


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Le Goradar La perte dnergie lectromagntique au cours du trajet dans les roches est trs importante et

limite de faon consquente lapplicabilit du goradar

H la profondeur dinvestigation :




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Le Goradar 2 techniques :

Profilage rflexion

Dplacement du goradar le long dun profil

Rfraction grand angle (WARR) Idem quen sismique


Mthode gravimtrique


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1-d Mthode gravimtriquePrincipe

La mthode gravimtrique consiste effectuer des mesures de la

composante verticale du vecteur gravit laide dun gravimtre. Cesmesures sont effectues en profilage sur lensemble de la zone tudier.

Un certain nombre de corrections doivent tre appliques aux donnesavant interprtation:

correction instrumentale correction de mares

correction dEtvs

correction de latitude

correction isostatique

correction daltitude (air libre ou bouguer)

correction de terrain

Ces corrections permettent de ramener lensemble des mesures unevaleur thorique la surface du gode.

Mthode gravimtrique

Mthode gravimtrique


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La correction instrumentale permet dannuler la drive instrumentale. Les gravimtres doiventen effet rgulirement tre rtalonnes.

Les mares provoquent non seulement un dplacement des fluides la surface terrestre, maisaussi une dformation pluridcimtrique des formations gologiques qui sont lastiques. Ces

mouvements des masses rocheuses perturbent donc localement le champ gravimtrique et il

convient donc de sen soustraire.

La correction dEtvs permet de contrebalancer lacclration de coriolis qui affecte lamesure de lacclration gravimtrique.

La correction isostatique permet de contrebalancer les effets des diffrences dpaisseur et dedensit crustales qui sont trs importantes, par exemple entre une mesure effectue terre et

une autre acquise en mer.

La correction de latitude permet de tenir compte de lapplatissement terrestre aux ples.

La correction daltitude vise supprimer les effets des grandes masses dpassant le gode,cette correction est dite lair libre en mer et de bouguer sur terre.

La correction de terrain permet dliminer les effets des petites masses non prises en compte

par la correction daltitude, cest dire le relief immdiat.

Mthode gravimtrique

Mthode magntique


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1-e Mthode magntiquePrincipe

La magntomtrie consiste en la mesure des anomalies du champmagntique terrestre

On mesure le magntisme induit et le magntisme rmanent

Ncessite lutilisation de deux magntomtres: un premier appareil eststatique et sert de station de base, un second appareil est mobile et sert de

station de mesure. On dplace la station de mesure, et pour chacune de ses

positions on effectue une mesure simultane des deux stations. Ladiffrence entre la valeur mesure la station de mesure et la valeur

mesure la station de base donne une valeur affranchie des variations

temporelles du champs magntique terrestre.

Mthode magntique

Mthode magntique


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g q


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2. Mthodes acoustiques

Mthodes acoustiques


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2-a GnralitsPrincipe

Etude de la propagation des ondes acoustiques dans le sol

Source actives : masse

explosif

canon air

canon eau vibrateur

Mthodes acoustiques


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2-a Gnralits Les ondes lastiques cres se

propagent dans le sous-sol. Durant leur

trajet il est possible quelles serfractent ou quelles se rflchissent

sur des interfaces. On enregistre leur

temps de parcours.

Gophones terre, hydrophones en

mer

3 techniques : Sismique rflexion

Sismique rfraction

Sismique de puits


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Mthodes acoustiques


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2-b Sismique rfraction Angle dincidence critique

Analyse des temps darrives des ondes rfractes

Fourni un modle de vitesse

Mthodes acoustiques


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2-b Sismique rflection La sismique rflexion est une technique ardue qui s'attache reconstituer

un modle structural partir de l'enregistrement des ondes rflchies.

Traitement sismique Notion de Common Mid Point (CMP)

Analyse de vitesse

Stack

Mthodes acoustiques


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2-b Sismique de puits La sismique de puits se distingue

des autres techniques

principalement en raison dudispositif dacquisition des

donnes. En effet, la source et les

gophones ne sont pas disposs

sur le sol mais le long dun puits

senfonant dans le sous-sol.

Analyse de ondes directes


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3. Autres mthodes


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3-a Radiomtrie Analyse des rayonnements radioactifs

La mthode consiste en une cartographie des anomalies tablie l'aide d'un compteur Geiger -Muller, d'un scintillomtre ou surtout d'un spectromtre gamma. Cette cartographie procde

videmment par profilage terrestre ou aroport.

La prospection radiomtrique est essentiellement utilise dans le cadre de la cartographiegologique et de la recherche des gisements d'uranium.


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3-a Diagraphies

Les mthodes diagraphiques sont bases sur limplmentation des sondages en outils demesure gophysiques.

Apporte des connaissances directes puisque acquises in situ


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3-a Tldtection

La tldtection recouvre l'ensemble desmthodes qui permettent de connatre

distance, par l'intermdiaire de capteurs

lectromagntiques embarqus sur dessatellites artificiels, les proprits d'un

terrain

Les principaux satellites peuvent treclasss selon leur domaine spectral :

domaine solaire : 0.4 2 mm -LANDSAT, METEOSAT, NOAA et SPOT

domaine thermique : 8 14 mm -LANDSAT, METEOSAT et NOAA

domaine des micro-ondes : 3 300 mm- ERS,RADARSAT, SEASAT et TIROS

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