Upload
yohann-offant
View
237
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
1/14
Universit Aix- Marseille III Stage du 10/05/04 au 12/05/04
Matrise STU 2003-2004 Mr Fourno et Mr Math
RAPPORT DE GEOPHYSIQUE
Prospection lectrique, sismique, gravimtrique et magntomtrique sur lemassif de ltoile
Par
WEIL Julien
OFFANT Yohann
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
2/14
INTRODUCTION
Le stage de gophysique a lieu au pied de la chane de l'toile aux alentours deMarseille. Lobjectif est de pouvoir approcher gologiquement, la structure du terrain
prospecte. Les donnes rcoltes par divers mthodes, permettent normalement de pouvoir
dfinir la nature du terrain, ainsi que dventuels travaux en sous -sols (lis lactivithumaine) comme danciennes galeries minires ou des canalisations. Ces mthodes sont : lagravimtrie, la magntomtrie, la sismique et llectrique. Pour chacune de ces mthodes,nous verrons leur principe de fonctionnement, les rsultats obtenus ainsi que leur
interprtation.
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
3/14
I Le gravimtre
1) Principe de fonctionnementLe gravimtre utilis est de type Scintrex. Il consiste en une tige de quartz (en
remplacement d'un ressort) qui va subir une contrainte gravimtrique gale g lie une
anomalie du substratum. La proprit pizomtrique du quartz va permettre denregistrer cesvariations gravimtriques et de restituer les mesures du champ gravitationnel en un point
donn. Le gravimtre est pos sur une plate forme qui permet de mettre au niveau horizontal,
lappareil. Le tilt X et Y limite les mesures sils sont suprieurs 10. La mesure du champpour une station nest en faite, quune moyenne de 100 mesures dont la dviation standard enest la marge derreur. Cette dviation est considre comme bonne si elle est infrieure 0.1mgal.
Cette mthode prsente nanmoins quelques subtilits. Il faut en effet y apporter une
correction de mare et daltitude. La correction de mare consiste mesurer le champsgravitationnel en un point de rfrence t = 0 et t final. La variation entre ces deux valeursnous donne g fermeture. La correction de mare en une station donnes x sur un rseau
de n station est donn par la formule : Gx = x *gf/n.
La correction daltitude se calcule via un systme de vis et de mire. Pour mesurer lednivel H entre deux stations de mesure, on place la vise (monte sur trpied) entre les
deux stations et on ralise une vise avant (sur la premire station par exemple) sur lequel on
relve une certaine hauteur h1 de la mire et une vise arrire qui nous donne h2. H = h2-h1.
Ensuite, la correction daltitude nous est donne par la formule : g = -2 G (H). Pour lescalcaires, la correction daltitude est denviron 0.3mgal/mtre.
Le terrain tudi lorigine est une sorte de cuvette avec au centre (plus bas) le bassindalimentation en eau de marseille. A lorigine, le but tait de pouvoir distinguer uneanomalie ngative (en profondeur) due la prsence du canal alimentant le bassin en contre
bas. Une srie de station a t dispos au travers de cette topographie en cuvette (fig.1)
raison dune tous les 5mtres. Cependant, lintervention du service de protection desforets nous a contraint rduire notre secteur dtude cinq stations. On peut noter la
prsence dun regard deau quelques mtres de la station 3.
Figure 1: Croquis schmatique de la topographie et des canalisations du secteur tudi
1234
5
Rseaude
Stations
Station de
base
Canalisation ?
Canal dalimentation dubassin de rtention deaude Marseille ?
Ouest Est
11
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
4/14
2) Rsultats
StationsMesures
gravimtriquesTilt X Tilt Y
Erreur
standardHeure
1 6478.1 7 8 0.025 12h05
2 6470.844 3 -9 0.119 12h14
3 6470.932 9 8 0.021 12h26
4 6471.019 5 1 0.021 12h48
5 6471.246 5 9 0.064 13h10
Tableau 1: Mesures du champs gravitationnel pour chaque station.
Stations Vise Arrire h1 Vise Avant h2 H = h2- h1(cm)
Champs g
corrig delaltitude
1 132.5 6478.1
2 130 154.5 24.5 6470.769
3 145 171.5 26.5 6470.857
4 194.5 205 10.5 6470.910
5 262 272.5 10.5 6471.216
6 310 345 35
7 119 219 100
8 18.5 127 108.5
9 21.5 137 115.5
10 45 131 86
11 36
H total : 5
m17
Tableau 2:dnivels entre les diffrentes stations.
3 ) Interprtation
Les donnes sont trs difficilement interprtable dans la mesure o nous navons pasfait la mesure g station de rfrence t final. La correction de fermeture (ou de mare) ne
peut donc pas tre appliqu aux mesures gravitationnelles. Cependant, on observe une chute
du champ mesur (corrig de laltitude) entre les stations 1 et 2, puis une lgre remont partir de la station 4. On interprte cette anomalie ngative comme tant le passage de la
canalisation suppose relie au regard cit prcdemment. Avec plus de mesure, nous aurions
peut tre put voir lanomalie ngative au niveau du talweg de la cuvette, lie au passage de lagrande canalisation qui alimente le bassin de rtention en eau de Marseille
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
5/14
II La mthode lectrique
1) Principe de fonctionnementCette mthode est base sur les ingalits de conductibilit des roches. La mthode
Schlumberger (fig. 2) dont nous nous sommes servie lors de notre stage, utilise 4 lectrodes
nommes : A, B, M et N. Sur les lectrodes A et B est branch un ampremtre et y circule un
courant gnr par une srie de batterie pouvant aller jusqu 90 volt et 100 mA. Sur leslectrodes M et N est branch un voltmtre. Les quatre lectrodes sont ensuite disposes
comme suit (fig.2). A mesure que lon carte les lectrodes A, B et M, N un volume de plusen plus important de terrain va tre parcourus par la circulation du courant. Il suffit de noter
lcartement entre chaque lectrode, la tension et lintensit mesur, pour en dduire larsistivit apparente not a de la roche considre. On peut la calculer via la formule : a =
KV/I (avec K = (OA2 OM2)/ 2*OM. En portant sur un graphique les rsistivits
apparentes en fonction des longueurs de ligne dmission, on va avoir une image de la
rpartition des rsistivits en profondeur (tab. 3 et fig.3). Pour chaque cartement dlectrode,on inverse la polarit du systme de faon avoir deux valeurs par station de mesure (tab.3)Plusieurs prcautions doivent tre prise lors de la mise en place du dispositif. Tout
dabord, il faut faire le zro relatif avant chaque mesure (il suffit dappuyer sur un bouton).Sinon on peut toujours faire une mesure I=0 ou placer une pile suivant un montage contre
lectromotrice. Ceci a pour but de compenser la polarisation spontane qui sajoute au Vmesur. Deuxime prcaution, il faut enfoncer suffisamment les lectrode dans le sol pour
avoir une bonne transmission du courant (au moins 20 cm). Pour optimiser cette transmission,
lidal est de mouiller les lectrodes.Notre secteur dtude est situ au fond dune lgre dpression. Une srie de mesure
est effectu selon les cartements dlectrodes du tableau 3. La valeur maximum de AB est de
200m ; il faut donc autant de fil lectrique pour les relier aux batteries. La profondeurdinvestigation du courant tant dpendante de la profondeur suivant un rapport peu prsgale h=AB/4, on prvoit (avec 100 mtres dcartement) de pouvoir interprter le terrain
jusqu environ 25m de profondeur.Les abaques (suivant un modle 3 couches) sont ensuite utilises pour dterminer
lpaisseur de chaque couches et leur rsistivit. Les rsultats obtenus serviront de base pourun traitement numrique ultrieur permettant de limiter les extrapolations faites lors de
lutilisation des abaques.
A M O N B
Batterie en srie
Voltmtre-Ampremtre
MN 10 AB
Figure 2: Dispositif de la prospection lectrique
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
6/14
2) Rsultats
Tableau 3 : Relev des mesures lectriques
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
7/14
3) InterprtationPour interprter la courbe de la figure 3 en terme de rsistivit et dpaisseur de
couche des terrains sous-jacents, il nous faut utiliser les abaques. Cette mthode reste assez
approximative, mais permet de donner une ide gnrale du type de roche et de leur paisseur.
Ainsi, on peut lire que la rsistivit de la couche 1 (1) est proche de 460. La croix se
place au niveau de lpaisseur de couche gale 2 m. Donc E1=2m. La courbe suit ensuitelabaque pour lequel 2/1=2,5. On peut donc en dduire que 2=2,5*460=1150. Ensuite lacourbe commence redescendre environ 10*h1 (sur la courbe des abaques). Donc E2 =20m.
La courbe suit peu prs labaque pour lequel 3/2=0,1. Ainsi 3=0,1*1150=115.Lutilisation dun modle numrique va permettre de lisser les extrapolations faites
lors des interprtations par abaque. Nanmoins, les donnes obtenues par les diffrentes
abaques vont servir de base de calcul pour le modle numrique. En modifiant les paramtres
dpaisseur de couche et de rsistivit, on rajuste la courbe de faon passer au milieu des
diffrents points de mesure. Par ttonnement, on trouve de nouvelle valeur pour les diffrentsparamtres (fig. 4). Se sont ces valeurs qui sont le plus reprsentative du terrain tudi entre
les deux modles.
Ainsi, on peut dire que le terrain admet priori 3 diffrentes couches sur les 25
premiers mtres de profondeur (limite de profondeur dinvestigation). La premire faitenviron 2m dpaisseur et sa rsistivit correspond celle dun remplissage de produitdaltration en vue du contexte gologique (terrain situ dans une cuvette). La deuximecouche fait environ 20m dpaisseur et sa rsistivit correspond celle dun banc calcaire.Enfin, la dernire couche admet une trs faible rsistivit. Dautre part, nous avons vu quencontre bas, tait situ un bassin de rtention deau. Cette couche pourrait donc tre lie la prsence dune nappe deau alimentant le bassin (en plus des canaux dacheminement de
leau).
Figure 4 : Courbe thorique par ajustement numrique
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
8/14
III Le magntomtre
3) Principe de fonctionnementLes magntomtres utiliss sont des G856 et G858 de la socit Geometrics. Ils se
composent d'une sonde gaz de csium entour d'une bobine qui gnre un champ lectrique,
lui-mme transform en un champ magntique. C'est l'intensit du champ magntique qui est
ici mesure, et non sa direction, en fonction des concentrations en csium.
Un critre de l'appareil rside dans le qualitycheck"QC". C'est une qualit de mesure
donne en fonction de la sensibilit de l'appareil. Un bip sonore indique la frquence
d'acquisition de la sensibilit exprime en Hz/nT. Ainsi au fil du dplacement on enregistre
une variation du champ en s/nT. Plus le QC tend vers 0 et meilleure sera la mesure.
Par variations d'aimantation, on aboutit une anisotropie magntique du matriau. Son
intensit correspond au champ de facteur dmagntisant. Dans un repre orthonorm
(O,x,y,z), pour une sphre,
N = N1 + N2 + N3 avec N1 = Nx,N2 = Ny,N3 = Nz= 1 en SI, soit Nx = Ny = Nz =1/3
Pour un barreau orient dans l'axe de facile aimantation N2= N3= 0, et la sonde enregistre
l'aimantation du barreau avec possibilit d'obtenir la direction du nord magntique pour un
maximum d'aimantation lisible sur le magntomtre.
Quand le soleil est l'azimut, on enregistre un important flux de particules issues de
vents solaires ; c'est cette priode de la journe que le champ sera le plus lev. Par ailleurs,
on notera la prsence de contrastes positifs lis au btonnage qui peuvent perturber
l'enregistrement, car, le bton a une susceptibilit plus forte que le calcaire. Ou encore des
orages magntiques dus des protubrances solaires peuvent tre la cause de la variation du
champ de l'ordre de 2000 nT.
Un profil qui a t marqu sur 200m (fig. 5), fait l'objet d'une tude de variation diurne
du champ magntique avec deux types d'appareillage. Le premier a t ralis avec une sonde
prcession de protons leve 2,50m (un maximum de protons seront orients si l'on dirige
l'ampoule csium selon le Nord magntique) ; le second type est compos d'une perche
deux sondes prcession d'lectrons disposes selon un axe vertical et espaces de 90cm. Ce
dernier gagne en prcision et enregistre deux champs en mme temps des altitudes
diffrente : on obtient un gradient qui est la diffrence de champ total entre deux hauteurs (la
sonde du haut est 1,4m du sol, l'autre du bas est 50cm).
Figure 5 :Croquis schmatique de la topographie et des types de terrains rencontrs.
200 m
Station
rfrence
42
32
1
Zone de
remplissage :colluvions
Zone de
remplissage :colluvions
Plateau :
calcaires
Nord Sud
Rseau de
Stations
Talweg
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
9/14
4) RsultatsLes mesures du champ magntique sont effectues tous les 5 mtres le long du profil
de 200 mtres, depuis la station de rfrence jusqu' la station 42. Le tableau 4 fait en
vidence la variation diurne du champ magntique la station de rfrence diffrentes
heures de la journe. Le tableau 5 montre un relev du champ sur la section du profil 150m -200m (voire 210m). Enfin le tableau 6 rassemble les mesures de champ faites avec la "double
sonde" lectrons sur le profil entier.
Mesures magntiques Heure
46004,2
46005,2
46004,8
13h24
45999,6
45999,3
45999,6
13h49
46002,9
46004,4
46002,2
14h12
46002,3
46002,5
46002,8
14h24
Tableau 4 : relev des mesures magntiques (3) de la station de rfrence diffrentes heures
Stations Distances (mtres) Mesures magntiques
30 150 46052,3
31 155 46053,4
32 160 46052,4
33 165 46051,1
34 170 46050,1
35 175 46053,0
36 180 46049,5
37 185 46053,7
38 190 46055,5
39 195 46055,3
40 200 46055,8
41 205 46060,5
42 210 46057,1
Tableau 5 : Mesures magntiques la sonde protons.
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
10/14
Topographie/
Nature du terrain
Distances
(m)Stations
Mesures
magntiquesHeure
1re zone deremplissage :
colluvions
0 rfrence 45999 12h42'33''
5 1 45997
10 2 46015
15 3 4602720 4 46032
25 5 46033
30 6 46036
35 7 46039
40 8 46040
45 9 46040
50 10 46039
Zone de plateau :calcaire
55 11 46044
60 12 46039
65 13 4603770 14 46040
75 15 46040
80 16 46041
85 17 46044
90 18 46041
95 19 46041
100 20 46042
105 21 46041
110 22 46044
115 23 46048120 24 46049
125 25 46042
130 26 46042
135 27 46047
140 28 46048
145 29 46049
150 30 46045
155 31 46046
160 32 46046
165 33 46050
2me
zone deremplissage :
colluvions
170 34 46050
175 35 46051
180 36 46053
185 37 46058
190 38 46055
195 39 46069
200 40 46046
205 41 46045
210 42 46047
0 rfrence 45998,5 13h10'32''
Tableau 6: Mesures du champ magntique avec la sonde lectrons.
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
11/14
5) InterprtationL'tude magntique ralise sur le terrain permet de faire ressortir un contexte
gologique structural global. De la station de rfrence, partir de laquelle une variation
diurne d'environ 4 nT a t enregistre, jusqu' la station 10 environ, le champ magntique
augmente au fur et mesure que l'on monte dans la topographie. La deuxime partie du profilmet en vidence un plateau dont les mesures magntiques sont relativement stables et sans
grandes variations. Enfin, un changement du champ la hausse est enregistr sur les quelques
dernires dizaines de mtres qui montrent une baisse en altitude pour rejoindre un talweg.
Ces variations du champ semblent avoir un impact direct sur la nature du terrain et le
contexte gologique. L'hypothse serait que la zone centrale de l'tude correspondrait une
partie calcaire dure qui enregistre de faibles anomalies du champ, contre deux zones, au
dpart et en fin de profil, qui marque une variation certaine du signal. Ces dernires
montreraient deux zones de remplissage en colluvions plus riches en magntite ou hmatite.
Le rle de la topographie y serait pour quelque chose : une rosion et un lessivage du
substratum amont aurait permis une accumulation des matriaux dans les secteurs en aval.
Notons par ailleurs un pic du champ magntique (46069 nT) la station 39 : uneconcentration mtallique anormale peut tre due des dbris de vhicule
Il en ressort ainsi de cette tude que la gomtrie du signal est trop petite pour voir des
"choses" (anomalies) significatives. Aucune galerie souterraine, ni canalisation, n'a t
dtectes ; une prospection sur un autre secteur voisin pourrait bien faire ressortir de telles
structures.
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
12/14
IV La sismique
1) Principe de fonctionnementL'tude se fait le long d'un profil de 240 mtres de direction nord-sud (fig. 6). Le
dispositif comprend 24 gophones placs tous les 10 mtres dans le sol en position verticale ;
ceux-ci sont relis 24 cbles munis de conducteurs : pour viter le phnomne d'induction
(influence sur le bruit de fond), les cbles ne doivent pas former de boucles. Une centrale
d'acquisition sert rcolter les informations. Une masse a pour fonction de gnrer des ondes
sismiques ; ainsi 5 coups successifs frapperont une plaque en fer pos sur le sol en trois
endroits diffrents (dbut : tir direct, centre : tir au centre, et fin du profil : tir inverse). Pour
de grandes tudes de terrain ralises par des entreprises spcialises, les tirs se font la
dynamite. Ces 5 coups reprsentent une source d'nergie et de vibrations et sont ncessaires
pour dclencher l'enregistrement : en effet les frappes s'additionnent (stacking) car le choc
gnre le mme chemin de l'onde. On remarquera qu'une ligne de 24 W se ra place ct du
1
er
gophone qui sert alors de rfrence en donnant le "time break". L'amplitude du signal seramesure tous les 500 s. Des vitesses d'onde de 4 km/s sont attendues.
Figure 6 :Schma du dispositif de la mthode sismique.
200 m
gophones rfrence
Nord Sud
Rseau de 12
gophonesCentrale d'acquisition
Rseau de 12
gophones
Tir direct Tir inverseTir au centre
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
13/14
2) RsultatsLes 3 tirs qui ont lieu au dbut, au centre et en fin du profil ont permis l'enregistrement
de donnes de temps d'arrives des ondes exprims en ms. Pour chaque tir les gophones les
plus prs de la source de vibration ont capt un signal ; les autres trop loigns et peu
informateurs ont t ngligs.
Tir Direct :Tableau 7, des temps d'arrives des ondes enregistrs par la premire dizaine de gophones.
Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie
20 6 44 74
30 16 43 54
40 19 58 95
50 17 67 100
60 21 72 115
70 24 7580 28 80 108
90 29 86 124
Tir au centre :Tableau 8, des temps d'arrives des ondes enregistrs par les gophones situs de partet d'autre du centre du profil.
Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie
70 16 46 84
80 15 36 87
90 17 38 95100 14 36 80
110 10 38 78
120 2 19 45
130
140
150 16 42 87
Tir Inverse :Tableau9, des temps d'arrives des ondes enregistrs par les derniers gophones.
Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie
140 28
150 38 47 109
160 26 59
170 24
180 23 48 104
190
200
210 13 28 100
220 10 22
230 6240 2
8/13/2019 prospection gophysique principe.pdf
14/14
3) InterprtationLa rcolte des informations par la centrale d'acquisition et le traitement des donnes
des ondes sismiques ont permis d'laborer les tableaux 7, 8 et 9 et les graphiques 7, 8 et 9
reprsentant les hodochrones des ondes directes, rflchies et rfractes pour les 3 types de
tirs.Tir direct :
L'hodochrone de l'onde directe a une pente de 0.58 et donc londe a une vitesse V1=1.7 km/s.L'hodochrone de l'onde rfracte a une pente de 0.125 ; la vitesse est alors V2de 8 km/s.
Le point de brisure XBobtenu tant de 46 m, on applique la formule qui donne lpaisseur duterrain :
On obtient une paisseur de 18.5 mtres ct Nord.
Tir inverse :
Londe directe a une vitesse de 2.4 km/s (pente = 0.42).La vitesse V2 = 13.3 k/s caractrise londe rfracte dont la pente de lhodochrone est 6,67.XB a pour valeur ici 194 m.
Ainsi lpaisseur du terrain est de 80.8 mtres.
On conclue donc que lallure gnrale de lpaisseur du terrain est croissante du Nordau Sud : on passe denviron de 18 80 m. On peut supposer donc que les dpts deremplissage ont t principalement localiss au sud ou que le contexte palogographique a
engendr une intense rosion du substratum au Nord ou enfin que la tectonique a engendr un
biseau sdimentaire rtrci au nord.
XB V2- V1
H = 2 V2+ V1