Tests de reproductibilité de la méthode LEMAM sur un site

Tests de reproductibilité de la méthode LEMAM sur un site pétrolier

près de Chuelles (Loiret)

Influence du bruit ambiant et des variations d’humidité saisonnières

Rapport final

BRGM/RP-60982-FR Janvier 2012

Mots clés : Méthodes électriques, Électromagnétisme (EM), Source contrôlée (CSEM), Monito-ring, Stockage de CO2, Variations saisonnières, Dispositif LEMAM, Mise-à-la-Masse, Longue électrode, Tests de terrain, Reproductibilité. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Bourgeois B., Coppo N. et Girard J.F., 2012, Tests de reproductibilité de la méthode LEMAM sur un site pétrolier près de Chuelles (Loiret) - Influence du bruit ambiant et des variations d’humidité saisonnières. Rapport BRGM/RP-60982-FR, 87 p, 44 fig, 5 tab, 1 ann. © BRGM, 2012, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Tests de répétitivité de la méthode LEMAM

BRGM/RP-60982-FR – Rapport final 3

Synthèse

Dans le cadre du projet EMSAPCO2 (« Développement des méthodes EM et Sismique Active et Passive pour la surveillance des réservoirs de stockage de CO2 »), cofinancé par l’ANR au titre du programme CO2 2007 (2008-2010), des tests de terrain répéti-tifs de la méthode CSEM1 LEMAM ont été réalisés sur un site pétrolier exploité par Toreador Energy France, entre Chuelles et Saint-Firmin-des-Bois (canton de Château-Renard, Loiret).

Cette étude s’inscrit dans la tâche 2 du projet EMSAPCO2, intitulée « Applicabilité pra-tique de l’électromagnétisme », dont le BRGM était à la fois le porteur et l’un des ac-teurs principaux, aux côtés de l’IFP et de CGGVeritas. Le présent rapport constitue le livrable contractuel de la sous-tâche 2.3 (« Tests de répétitivité sur le terrain »), dévo-lue au BRGM avec une participation de CGGVeritas.

L’étude expérimentale décrite dans le présent rapport avait trois objectifs principaux :

1) Définir les conditions pratiques de viabilité de la méthode LEMAM (tubages, cimen-tations, conduites raccordées, etc.) ; sélectionner les équipements de terrain utilisables pour sa mise en œuvre ; mettre au point les protocoles de mesure spécifiques.

2) Définir et mettre au point la séquence de traitement des données ; développer les logiciels de traitement et de visualisation de celles-ci. 3) Évaluer par l’expérience l’écart (ou « bruit ») de répétition moyen entre mesures répétées à long terme, écart lié soit à des variations des conditions de bruit ambiant (signal MT2, bruit anthropique), soit à des erreurs de repositionnement du dispositif, soit enfin à des variations de résistivité extérieures au réservoir (e.g. variations superfi-cielles saisonnières), et en déduire un seuil de détection pratique en monitoring CSEM « time-lapse » (i.e. mesures échelonnées dans le temps). Pour cela, les mesures ont été répétées dans des conditions climatiques volontaire-ment très contrastées (deux levés en période humide, un levé en période sèche) de façon à maximiser le bruit de répétition. Ces divers objectifs ont été largement atteints.

La configuration des puits mis à disposition par Toreador pour servir de longues élec-trodes s’est révélée idéale pour nos expériences. La distance entre les deux pôles d’injection, de l’ordre de 1200 m (i.e. dispositif « double-LEMAM dipolaire ») permet d’atteindre un moment d’émission suffisant avec un courant de seulement une dizaine d’ampères. Cette configuration a permis d’obtenir un bon rapport Signal/Bruit (S/B) jusqu’à plus de 5 km de la source avec des émetteurs de puissance modérée (3 kW).

Concernant les tubages métalliques utilisés comme longues électrodes (i.e. tubages LEMAM), on retiendra deux principaux enseignements pratiques :

1 CSEM = Controlled Source ElectroMagnetism (EM à source contrôlée). LEMAM = Longue Électrode Mise À la Masse (méthode utilisant des tubages métalliques profonds pour injecter le courant source directement dans le sous-sol). 2 MT = Magnétotellurique.


4 BRGM/RP-60982-FR – Rapport final

a) Lorsque des conduites métalliques enterrées relient l’un à l’autre les deux tubages LEMAM (cas usuel sur un site de production), un unique manchon isolant intercalé sur la conduite, comme c’est le cas ici, peut suffire à empêcher les fuites de courant et à assurer l’efficacité de la source, à condition cependant qu’un revêtement plastique thermosoudé (ou autre matériau similaire) isole les conduites du sol dans leur partie enterrée. En revanche, si les conduites ne possèdent pas de revêtement de ce type, un manchon isolant sera indispensable avant l’entrée en terre au niveau de chaque forage LEMAM, ce qui exige au total deux manchons isolants.

b) La très faible résistance de contact des longues électrodes avec le sol a été véri-fiée : malgré la couronne de ciment électriquement résistant entourant chaque tubage métallique, la résistance de contact de chaque tubage avec le sol est seulement de l’ordre de 0.7 Ω (à comparer aux résistances de prise de plusieurs centaines d’ohms qui sont usuelles avec des électrodes ponctuelles).

Concernant les équipements et protocoles de mesure, on retiendra que les appareils électromagnétiques détenus au BRGM se prêtent parfaitement aux mesures LEMAM. Grâce aux faibles résistances de contact des tubages, des émetteurs de 3 kW comme le GGT-3 de Zonge ou le Tx-3000 d’IRIS Instruments sont largement suffisants pour illuminer la zone d’étude jusqu’à environ 7 km de la source LEMAM. D’autre part, des récepteurs MT de type ADU-06 de Metronix, synchronisés par GPS, sont parfaitement adaptés pour l’acquisition des séries temporelles en CSEM. La productivité moyenne a été évaluée : pour une densité de mesure de l’ordre d’une station au km2, sur terrain plat et dégagé, elle est de l’ordre de quatre stations par jour et par unité d’acquisition.

La séquence de traitement des données a été mise au point. Un logiciel de visualisa-tion et de traitement des séries temporelles a été développé sous MATLAB. Il permet de calculer les transformées de Fourier des diverses voies de mesure (courant injecté I, composantes électriques Ex, Ey, et magnétiques Hx, Hy, Hz), de visualiser les spectres obtenus, de calculer les fonctions de transfert complexes (champs normalisés par le courant en fonction de la fréquence Ex/I, Ey/I, Hx/I, ...), de calculer le bruit am-biant moyen autour de chaque harmonique de la fréquence d’émission (bruit absolu, bruit normalisé par le signal, i.e. Bruit/Signal et bruit normalisé par le courant, i.e. Bruit/I), de projeter les champs et le bruit sur le repère géographique, etc. Un second logiciel développé sous MATLAB permet de calculer la différence entre deux levés réali-sés sur un même site à des époques différentes.

Ces logiciels ont permis le traitement minutieux des trois levés réalisés sur le site de Chuelles en mars 2009, sept. 2009 et mars 2010.

La comparaison entre les deux derniers levés, les plus complets, portant sur 30 sta-tions répétées à 6 mois d’intervalle pour des distances à la source variant de 300 m à près de 7 km, a amené de nombreux résultats métrologiques. On retiendra en particu-lier que la variation moyenne observée sur le vecteur champ électrique en phase à 0.5 Hz est de l’ordre de 1.25% du champ initial, et que la variation d’azimut de ce même champ a une moyenne nulle et une dispersion égale à ±0.5°.

Ce résultat est conforme à l’objectif théorique qui avait été fixé à 1% du champ initial pour la norme de la variation du champ électrique, et à 1° pour la variation d’azimut. D’après les simulations numériques (Rapport BRGM/RP-60981-FR), on sait que les réponses électriques des bulles de CO2 profondes de taille industrielle seront au moins égales à 5% du champ initial avec des dispositifs LEMAM du type de celui utilisé ici, soit 3 à 4 fois le bruit de répétition. On peut donc conclure que la méthode CSEM à source LEMAM devrait être efficace pour la surveillance du CO2 profond.



Sommaire

1. Introduction ............................................................................................................. 11

2. Recherche d’un site de test ................................................................................... 12

2.1. SPÉCIFICATIONS DU SITE RECHERCHÉ ...................................................... 12

2.2. SITE DE LA « SOCIÉTÉ DE MAINTENANCE PÉTROLIÈRE » (SMP) ............. 12

2.3. SITE DE « TOREADOR ENERGY » ................................................................. 13

2.4. SITES D’AUTRES OPÉRATEURS .................................................................... 13

3. Le site de Chuelles - St-Firmin-des-Bois .............................................................. 14

3.1. LOCALISATION, DESCRIPTION ...................................................................... 14

3.2. CARACTÉRISTIQUES DES FORAGES D’INJECTION LEMAM ...................... 14

3.3. CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET GÉOÉLECTRIQUE ........................................ 17

3.4. EFFICACITÉ DU SYSTÈME D’INJECTION / FUITES DE COURANT PAR LES CONDUITES ENTERRÉES ............................................................................... 21

4. Mise en œuvre de la méthode LEMAM sur le site de Toreador .......................... 29

4.1. CONFIGURATION DE MESURE À CHUELLES - ST-FIRMIN-DES-BOIS ........ 29

4.2. SÉRIES TEMPORELLES ET SPECTRES ........................................................ 29

4.3. MATÉRIEL ET PROCÉDURES D’ACQUISITION ............................................. 31

4.4. SÉQUENCE DE TRAITEMENT ......................................................................... 33

4.5. DIFFÉRENCES TIME-LAPSE ........................................................................... 39

5. Premier test LEMAM de mars 2009 ....................................................................... 40

5.1. CALENDRIER .................................................................................................... 40

5.2. MOYENS MIS EN ŒUVRE ............................................................................... 40

5.3. FRÉQUENCES UTILISÉES ............................................................................... 42

5.4. RÉSULTATS DU LEVÉ TEST DE MARS 2009 ................................................. 44



5.4.1. Exemple de station peu bruitée : station 2, séquence 2 (0.5 Hz) ............. 44 5.4.2. Exemple de station très bruitée : station 4, séquence 2 (0.5 Hz) ............. 49 5.4.3. Station 10 à 0.5 Hz : comparaison entre Fs=64 et Fs=4096 échant/sec ... 54 5.4.4. Cartes à la fréquence 0.5 Hz ................................................................... 59

6. Levé LEMAM de septembre 2009 (référence ou « Baseline » du monitoring) .. 65

6.1. CALENDRIER ................................................................................................... 65


6.3. FRÉQUENCES UTILISÉES .............................................................................. 66

6.4. RÉSULTATS DU LEVÉ DE SEPTEMBRE 2009 ............................................... 66

7. Levé LEMAM de mars 2010 (levé de répétition du monitoring) ......................... 69

7.1. CALENDRIER ................................................................................................... 69


7.3. FRÉQUENCES UTILISÉES .............................................................................. 69

7.4. RÉSULTATS DU LEVÉ DE RÉPÉTITION DE MARS 2010 .............................. 70

8. Différences time-lapse à court terme ................................................................... 72

9. Différences time-lapse à long terme (mars 2010 - sept. 2009) ........................... 75

10. Conclusion ....................................................................................................... 83

11. Bibliographie ................................................................................................... 85

Liste des illustrations Figure 1 : Localisation de la zone d’étude, à l’est du département du Loiret. ............................. 14

Figure 2 : Plan de situation du premier levé sur le site de Chuelles - St-Firmin-des-Bois. ......... 15

Figure 3 : Topographie de la zone d’étude (MNT de l’IGN au pas de 50 m). ............................. 17

Figure 4 : Carte de l’épaisseur de la couverture au toit de la craie, englobant les argiles à silex (et/ou à chailles) et les limons de plateau. Carte calculée à partir des données de la BSS (symboles bleus). ....................................................................................................... 18

Figure 5 : Coupe géologique de la zone d'étude et log de résistivité associé. ........................... 20



Figure 6 : Schéma de principe de l’injection de courant entre les tubages A (⊕) et B (⊝) en présence des conduites métalliques d’alimentation en eau et du manchon isolant. .......................................................................................................................................... 21

Figure 7 : Résistance électrique d’un cylindre de terrain compris entre une longue électrode et un point à la surface du sol en fonction de la distance r de ce point au centre de l’électrode. .................................................................................................................... 23

Figure 8 : Résistance électrique d’un cylindre de terrain compris entre une longue électrode recouverte de ciment et un point à la surface du sol, en fonction de la distance r de ce point au centre de l’électrode. ........................................................................... 25

Figure 9 : Photographies du forage injecteur d’eau SF-502 (pôle ⊝ électrique) : a) manchon isolant en cours de test ; b) « arbre de Noël » du forage, sur lequel est grippé le câble d’injection électrique (ici après démontage). .................................................................. 27

Figure 10 : Photographie du forage injecteur d’eau SF-549 (pôle ⊕ électrique). Noter l’absence de manchon isolant sur la conduite d’alimentation en eau. ......................................... 27

Figure 11 : Exemple de signal carré injecté par l’émetteur (fréquence f0 = 0.5 Hz). ................... 30

Figure 12 : Spectre d’amplitude du signal carré de la figure 11, représenté de l’harmonique 1 à l’harmonique 17 (soit 8 harmoniques impaires en plus de la fondamentale f0). .......................................................................................................................... 30

Figure 13 : Équipement de mesure LEMAM. ............................................................................... 32

Figure 14 : Exemple de distorsion de spectre sur une harmonique proche (ici 11 f0) en cas d’erreur minime sur la fréquence d’émission f0 (cas du champ magnétique vertical à f0 = 0.5 Hz). ................................................................................................................................... 35

Figure 15 : Exemple de mauvaise fermeture de la trace temporelle pour une erreur de 1‰ sur la fréquence d’émission (en pourpre et vert, le début des traces rouge et bleu périodisées). ................................................................................................................................. 36

Figure 16 : Matériel d’injection électrique et de contrôle installé près du forage SF-502. ........... 41

Figure 17 : Exemple de programmation des séquences d’acquisition avec un ADU-06. ............ 43

Figure 18 : Signal mesuré sur les voies électriques à la station 2B (mars 2009) à la fréquence f0=0.5 Hz. .................................................................................................................... 45

Figure 19 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu, et fonctions de transfert Ex/I et Ey/I à la station 2B (mars 2009) pour une acquisition de 254 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représentés jusqu’à 11 f0 (5.5 Hz). .......................... 46

Figure 20 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu sur la voie Ex, et fonction de transfert Ex/I à la station 2B (mars 2009) pour une acquisition de 254 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représentés de 31 f0 (10.5 Hz) à 63 f0 (31.5 Hz). Noter l’atténuation due au filtre anti-repliement au-delà de 25 Hz. a) Représentation lin-lin habituelle. ; b) Représentations lin-log et log-log permettant de mieux apprécier la pente du filtre. ................................................................................................ 47

Figure 21 : Bruit moyen observé sur les voies électriques Ex, Ey et sur les voies magnétiques Hx, Hy à la station 2 (mars 2009) lors de la mesure à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représenté jusqu’à 26.5 Hz (53 f0). ........................................................... 48

Figure 22 : Pourcentage de bruit observé sur les voies électriques Ex et Ey à la station 2B (mars 2009) pour les harmoniques 1 à 61 dans le cas d’une fréquence d’émission f0=0.5 Hz....................................................................................................................................... 48



Figure 23 : Signal mesuré sur les voies électriques à la station 4A (mars 2009) à la fréquence f0=0.5 Hz. .................................................................................................................... 50

Figure 24 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu, et fonctions de transfert Ex/I et Ey/I à la station 4A (mars 2009) pour une acquisition en deux segments de 140 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz. Spectres représentées jusqu’à 11 f0 (5.5 Hz). .................................................................................................................. 51

Figure 25 : Bruit moyen observé sur les voies électriques Ex, Ey et sur les voies magnétiques Hx, Hy à la station 4 (mars 2009) lors de la mesure à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représenté jusqu’à 26.5 Hz (53 f0). ........................................................... 52

Figure 26 : Pourcentage de bruit observé sur les voies électriques Ex et Ey à la station 4A (mars 2009) pour les harmoniques 1 à 25 dans le cas d’une fréquence d’émission f0=0.5 Hz. ..................................................................................................................................... 52

Figure 27 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu sur la voie Ex, et fonction de transfert Ex/I à la station 10 (mars 2009) pour un enregistrement de 240 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, pour une fréquence d’échantillonnage de 4096 Hz. Les spectres sont représentés de 400 f0 à 4000 f0 (i.e. 200 à 2000 Hz). Les calculs ont été réalisés en prenant f0 = 0.5001016 Hz. Observer l’atténuation rapide due au filtre anti-repliement au-delà de 1600 Hz. .............................................................................. 54

Figure 28 : Spectres de I et de Hy autour de 1210 Hz pour 4 valeurs légèrement différentes de f0. L’amplitude la plus forte est obtenue pour f0=0.5001016 Hz, suivie de près par f0=0.5001010 Hz. Données : Station 7 de mars 2009, émission à « 0.5 Hz », échant. à Fs= 4096 Hz, durée 294 s. ........................................................................................... 56

Figure 29 : Spectres du courant I et du champ électrique Ex au voisinage de 1700.8 Hz pour deux variantes de f0. a) Avec l’ancienne estimation de la fréquence d’émission (f0 = 0.5001033 Hz), on observe un décalage à droite d’un demi échantillon spectral et un net élargissement (en sinus cardinal) des raies d’émission de I et de Ex ; les amplitudes estimées au niveau du rond noir sont fortement sous-estimées. b) Avec la nouvelle estimation de cette fréquence (f0 = 0.5001016 Hz), les raies d’émission de I et de Ex sont deux fois plus fines, parfaitement symétriques et sans lobes latéraux ; leurs amplitudes crêtes sont apparemment bien estimées. ................................................................. 57

Figure 30 : Pourcentage de bruit moyen sur les bandes latérales (normalisé composante par composante) observé à la station 10 (mars 2009) sur les voies électriques (tracé de gauche) et magnétiques (tracé de droite), pour les harmoniques 1 à 1200 (0.5 à 600 Hz) dans le cas d’une fréquence d’émission f0=0.5 Hz et pour une fréquence d’échantillonnage Fs=4096 Hz. ................................................................................... 58

Figure 31 : Spectre d’amplitude d’un signal carré à 0.5 Hz avec une représentation logarithmique de l’axe des fréquences de f0 à 1000 f0. ............................................................... 59

Figure 32 : Levé LEMAM de mars 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz (grandes flèches et contours en couleur) avec un champ théorique calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 100 ohm.m (petites flèches et contours non coloriés). La comparaison sur E n’est pas satisfaisante, ce qui laisse supposer que la résistivité adoptée n’est pas réaliste. a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase. .......................................................................................................................................... 61

Figure 33 : Levé LEMAM de mars 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ théorique calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m. La comparaison sur E est maintenant satisfaisante, ce qui prouve que la résistivité adoptée est plus réaliste. a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase. .......................................................................................................................................... 63



Figure 34 : Levé LEMAM de septembre 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m. a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase. .............................................................. 67

Figure 35 : Écarts de répétition constatés à 4 fréquences fondamentales (0.125, 0.5, 2 et 8 Hz) sur les 10 stations répétées entre mars et septembre 2009. ......................................... 68

Figure 36 : Exemple de programmation des séquences d’acquisition avec un ADU-06. ............ 70

Figure 37 : Levé LEMAM de mars 2010. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m. a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase. .................................................................................... 71

Figure 38 : Écarts absolus observés à 0.5 Hz sur le champ électrique normalisé Ep/I (resp. Eq/I) entre sept. 2009 et mars 2010. Pour chaque station, la norme du vecteur différence en phase (resp. en quadrature) est comparée au bruit sur la différence calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0. La courbe continue verte qui passe au milieu des croix noires associées à ||dÊp|| représente 1% du champ électrique théorique calculé sur un demi-espace homogène à 50 ohm.m. .................................................. 76

Figure 39 : Écarts relatifs observés à 0.5 Hz pour le champ électrique normalisé en phase (||dÊp||/||Êp1||) entre sept. 2009 et mars 2010 (norme du vecteur différence exprimée en pourcents de la norme du vecteur initial). Pour chaque station, la barre verticale d’écart-type représente en fait le bruit sur la différence, calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0, et normalisé lui aussi par ||Êp1||. ........................................................... 77

Figure 40 : Variations relatives de norme observées à 0.5 Hz pour le champ électrique normalisé en phase (d||Êp||/||Êp1||) entre sept. 2009 et mars 2010 (en pourcents de la norme du champ initial). ............................................................................................................... 78

Figure 41 : Variations d’azimut observées à 0.5 Hz pour le champ électrique en phase entre sept. 2009 et mars 2010. Sur l’ensemble des stations, la variation d’azimut a une moyenne nulle, son écart type autour de 0 est de 0.5°. .............................................................. 78

Figure 42 : Écarts absolus observés à 0.5 Hz sur le champ magnétique horizontal normalisé Hpxy/I (resp. Hqxy/I) entre sept. 2009 et mars 2010. Pour chaque station, la norme du vecteur différence en phase (resp. en quadrature) est comparée au bruit sur la différence calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0. La courbe continue verte qui passe au milieu des croix noires (||dHpxy||) représente 5% du champ magnétique théorique calculé sur un demi-espace homogène à 50 ohm.m. .................................................. 79

Figure 43 : Écarts relatifs observés à 0.5 Hz pour le champ magnétique horizontal normalisé (||dĤpxy||/||Ĥpxy1||) entre sept. 2009 et mars 2010 (norme du vecteur différence exprimée en pourcents de la norme du vecteur initial). Pour chaque station, la barre verticale d’écart-type représente en fait le bruit sur la différence, calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0, et normalisé lui aussi par ||Ĥpxy1||. .............................................. 81

Figure 44 : Variations d’azimut observées à 0.5 Hz pour le champ magnétique horizontal en phase entre sept. 2009 et mars 2010. Sur l’ensemble des stations, la variation d’azimut a une moyenne quasi-nulle (-0.4°), avec un écart type de 1.9°. .................... 81

Tableau 1 : Caractéristiques des forages utilisés comme électrodes d’injection de courant. ........................................................................................................................................ 16

Tableau 2 : Liste des fréquences d’émission (fondamentales) utilisées en mars 2009 et principales caractéristiques de la mesure. ................................................................................... 43



Tableau 3 : Liste des fréquences d’émission (fondamentales) utilisées en septembre 2009 et principales caractéristiques de la mesure. ..................................................................... 66

Tableau 4 : Liste des stations répétées à brève échéance sur l’ensemble des 3 levés. ............ 73

Tableau 5 : Écarts de répétition constatés à 0.5 Hz sur les 10 mesures répétées à court terme. ........................................................................................................................................... 74

Liste des annexes

Annexe 1 : Photographies de la zone d’étude ............................................................................. 87



1. Introduction

Dans le cadre du projet EMSAPCO2 (« Développement des méthodes EM et Sismique Active et Passive pour la surveillance des réservoirs de stockage de CO2 »), cofinancé par l’ANR au titre du programme CO2 2007 (2008-2010), des tests de terrain répéti-tifs de la méthode CSEM3 LEMAM ont été réalisés sur un site pétrolier de Toreador Energy France, entre Chuelles et Saint-Firmin-des-Bois (canton de Château-Renard, Loiret).

Cette étude s’inscrit dans la tâche 2 du projet EMSAPCO2, intitulée « Applicabilité pra-tique de l’électromagnétisme », dont le BRGM était à la fois le porteur et l’un des ac-teurs principaux (aux côtés de l’IFP et de CGGVeritas). Cette tâche se décompose en trois grandes parties : - une étude théorique par simulation numérique correspondant aux sous-tâches 2.1

(« Performances du dispositif en fonction du contexte géologique ») et 2.2 (« Seuil de détectabilité théorique lié à des variations extérieures au stockage ») ; cette étude, entièrement dévolue au BRGM, fait l’objet d’un autre rapport (Rapport BRGM/RP-60981-FR) ;

- un module expérimental de terrain correspondant à la sous-tâche 2.3 (« Tests de répétitivité sur le terrain »), également dévolu au BRGM avec une participation de CGGVeritas, dont le présent rapport constitue le livrable contractuel ;

- une partie de mesures en laboratoire sur échantillons, correspondant à la sous-tâche 2.4 (« Propriétés électriques des roches réservoir imprégnées de CO2 »), me-née par l’IFP et dans laquelle le BRGM et CGGVeritas étaient seulement observa-teurs. Cette sous-tâche fait l’objet d’un rapport séparé de l’IFP (rapport no 61668).

On notera que le BRGM n’intervenait dans aucune autre tâche du projet EMSAP.

L’étude expérimentale décrite dans le présent rapport avait trois objectifs principaux :

1) Définir les conditions pratiques de viabilité de la méthode LEMAM (tubages, cimen-tations, conduites raccordées, etc.) ; sélectionner les équipements de terrain utilisables pour sa mise en œuvre ; définir et mettre au point les protocoles de mesure ;

2) Définir et mettre au point la séquence de traitement des données ; développer les logiciels de traitement et de visualisation de celles-ci ;

3) Évaluer par l’expérience l’écart (ou « bruit ») de répétition moyen lié soit à des variations des conditions de bruit ambiant (signal MT, bruit anthropique), soit à des erreurs de repositionnement du dispositif, soit enfin à des variations de résistivité exté-rieures au réservoir (e.g. variations saisonnières superficielles), et en déduire un seuil de détection pratique en mesure CSEM time-lapse. Pour cela, les mesures répétitives ont été réalisées dans des conditions climatiques volontairement très différentes (deux levés en période humide, un levé en période sèche) de façon à maximiser le bruit de répétition.

3 CSEM = Controlled Source ElectroMagnetism (EM à source contrôlée). LEMAM = Longue Électrode Mise À la Masse



2. Recherche d’un site de test

2.1. SPÉCIFICATIONS DU SITE RECHERCHÉ

Dès les premières simulations numériques, il est apparu que l’injection du courant élec-trique source par des tubages métalliques (méthode LEMAM) serait la seule solution viable pour obtenir à la surface du sol une réponse suffisante en provenance d’un stockage de CO2 profond (Rapport BRGM/RP-60981-FR). En conséquence, le site recherché devait nécessairement comporter deux forages tubés en métal, espacés de quelques kilomètres et atteignant la profondeur du réservoir. La présence d’un piézomètre indiquant le niveau phréatique sur le site était également souhaitable.

NB : La notion de réservoir est ici assez vague, puisque le site ne devait pas forcément comporter une injection de CO2. Au contraire, pour éviter la superposition de variations extérieures et intérieures au réservoir, il était même préférable d’éviter les sites d’injection saisonniers, tels que ceux de GDF.

2.2. SITE DE LA « SOCIÉTÉ DE MAINTENANCE PÉTROLIÈRE » (SMP)

Une première demande, infructueuse, a été déposée auprès de la société SMP, qui exploite le champ pétrolier de Saint-Martin-de-Bossenay (SMB). Cette zone avait été choisie en raison des connaissances accumulées dans le cadre des projets ANR PICOREF et Géocarbone-Monitoring.

Malgré un premier accueil favorable, la SMP a soulevé la question du risque d’étincelle lié à l’injection électrique sur les tubages (jusqu’à 15 A), car ceux-ci peuvent contenir du méthane en atmosphère explosive au-dessus du niveau d’eau, dans l’espace annu-laire entre les tubages interne et externe. Bien que cette inquiétude soit pertinente, il semble difficile d’atteindre la tension de claquage qui est de 10 kV/cm en atmosphère humide (mais il reste à savoir si le risque d’étincelle pourrait se situer entre les deux tubages concentriques ou entre deux sections contiguës de tubage mal jointives).

Par précaution, nous avons exclu de nos tests tout forage de production et limité notre demande à des forages d’évaluation abandonnés ou à des forages d’injection d’eau/vapeur. Malgré ces précautions, la SMP n’a pas donné une suite favorable à notre demande.

NB : Une autre question soulevée par la SMP concernait le risque de corrosion des tubages employés comme longues électrodes : le passage du courant alternatif entre le métal et la formation géologique environnante pourrait-il provoquer une accélération de la corrosion ou, dans le cas de tubages sous protection cathodique, une diminution d’efficacité de cette protection ? Intuitivement, on pourrait penser que l’augmentation de la corrosion pendant les créneaux positifs (i.e. quand le tubage est une anode) de-vrait être compensée par une réduction de la corrosion pendant les créneaux négatifs (quand le tubage est une cathode). Cependant, cette intuition est probablement fausse car les courants alternatifs sont connus pour aggraver la corrosion ! Quoi qu’il en soit,



étant donnée la durée effective de nos injections (de l’ordre de 2 heures par jour pen-dant une à deux semaines), le phénomène devrait être très limité, voire insignifiant.

2.3. SITE DE « TOREADOR ENERGY »

Nous avons ensuite pris contact avec la société « Toreador Energy France », qui ex-ploite le champ pétrolier de Chuelles/Château-Renard (Loiret). Notre demande y a été favorablement accueillie lors d’une réunion en date du 6/11/2008.

Contrairement aux personnes contactées à la SMP, le responsable de la base d’exploitation de Triguères (près de Château-Renard), M. Patrick Bonneau, ancien ingénieur de forages, a estimé qu’il n’y avait pas de risque réel d’explosion lié à l’injection de courant électrique sur les tubages. Du méthane peut certes remonter dans l’espace annulaire des tubages et donc une atmosphère explosive peut s’y former au-dessus du niveau d’eau. Cependant, d’après lui, s’il y avait un réel danger, la foudre aurait certainement endommagé de nombreux puits de par le monde, ce qui n’est pas le cas (une recherche approfondie sur Internet sur les risques liés à la foudre en pré-sence de forages pétroliers n’a rien donné). On peut penser que les tubages métal-liques représentent des prises de terre idéales et qu’il n’y a donc aucune raison pour que le courant fasse des arcs électriques entre les éléments de tubage alors que ceux-ci sont mis à la terre sur toute leur périphérie.

Toreador a donc accepté de mettre à notre disposition un doublet de forages situé sur la concession de St-Firmin-des-Bois, au nord de Château-Renard. Ce site de test est idéal en raison de ses caractéristiques techniques et de sa proximité d’Orléans. L’accord écrit de la direction de Toreador Energy France a été obtenu le 16/12/2008. Une visite du site a eu lieu le 19/02/2009 : il comprend deux forages injecteurs d’eau, tubés en métal jusqu’à Z=615 m et Z=669 m respectivement, séparés de 1200 m.

2.4. SITES D’AUTRES OPÉRATEURS

Les mêmes démarches auprès d’exploitants géothermiques du Bassin Parisien se sont révélées peu fructueuses, en raison des craintes des opérateurs vis-à-vis des risques (avérés ou non) de détérioration des pompes immergées et des capteurs installés dans les forages lors de l’injection de courants supérieurs à 10 A.

Dans cette optique, l’application du principe de précaution amène à rechercher un doublet à l’arrêt, dans lequel les pompes ont été retirées et qui a été déconnecté du réseau de circulation d’eau et du système d’acquisition des données. De telles condi-tions ne sont rencontrées qu’en cas de panne de la pompe, un incident rare et onéreux qui n’est pas propice à des essais méthodologiques : en particulier, il ne permet pas une répétition des mesures, pourtant essentielle dans notre cas.

Ces réticences seront à considérer dans le cadre d’un futur site de stockage de CO2, s’il est question d’utiliser des puits préexistants déjà dédiés à une autre application que le monitoring EM du CO2.



3. Le site de Chuelles - St-Firmin-des-Bois

3.1. LOCALISATION, DESCRIPTION

Le site de test retenu en accord avec Toreador est localisé à environ 15 km à l’est de Montargis et 10 km au nord de Château-Renard (voir figure 1). La zone d’étude couvre environ 35 km2 à cheval sur les communes de Chuelles, La-Selle-en-Hermoy et Saint-Firmin-des-Bois (canton de Château-Renard, département du Loiret).

Les forages sélectionnés font partie de la concession de Saint-Firmin-des-Bois qui ex-ploite le pétrole du « Néocomien » (ancienne dénomination de l’ensemble Hauterivien-Valanginien-Berriasien du Crétacé Inférieur) à environ 600 m de profondeur.

Limites du levé

Figure 1 : Localisation de la zone d’étude, à l’est du département du Loiret.

3.2. CARACTÉRISTIQUES DES FORAGES D’INJECTION LEMAM

Les deux forages mis à disposition par Toreador pour servir de longues électrodes portent les numéros SF-502 et SF-549. Ils sont séparés l’un de l’autre de 1230 m envi-ron (voir figure 2).

Il s’agit de forages d’injection d’eau qui réinjectent dans le réservoir Néocomien l’eau saumâtre provenant de la séparation eau/huile (≈ 3.5% huile). Cette séparation est pratiquée sur l’émulsion pompée dans le même réservoir au niveau des puits produc-teurs. Ce traitement est réalisé à la station de stockage située au sud de la zone d’étude, près de Saint-Firmin-des-Bois (voir figure 2).



Ceci signifie que nos deux forages sont raccordés au réseau de conduites de réinjec-tion qui rayonnent à partir de la station de stockage (la branche du réseau qui les ali-mente est reportée en vert sur la figure 2)4. Toutes ces conduites étant métalliques et enterrées, on est en droit de se demander si l’injection du courant électrique par les tubages sera réellement efficace et si elle produira le résultat escompté : en effet, le courant injecté sur les têtes de puits pourrait se refermer partiellement par les con-duites, au lieu de transiter exclusivement par le sous-sol. Ce point sera examiné plus loin au §3.4.

Nos deux forages sont tubés en métal jusque dans les calcaires Portlandien (ancienne dénomination de l’étage Tithonien), à environ 650 m de profondeur. Quelques caracté-ristiques utiles de ces forages et de certaines couches qu’ils recoupent sont données dans le tableau 1 ci-après.

641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549

Figure 2 : Plan de situation du premier levé sur le site de Chuelles - St-Firmin-des-Bois.

Les lignes en vert foncé représentent le réseau de conduites métalliques qui alimentent en eau les forages SF-502 et SF-549.

4 Il y a aussi un réseau de conduites de production destinées à acheminer l’émulsion pompée à chaque forage producteur vers la station de traitement (réseau non reporté sur la figure).

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549A

Câble d’injection

Stations de mesure

Forages d’injection(longues électrodes)

B

Station deséparationeau/huile



Forage SF-502 (pôle ⊝) Forage SF-549 (pôle ⊕)

Altitude (élévation) du forage (i.e. terrain naturel de surface) Altitude = 146.1 m AMSL Altitude = 152.8 m AMSL

Base du forage / surface Z= 670 m Z= 651 m

Base du tubage / surface L = 669 m L = 649 m

Diamètre des tubages ∅ext = 4"½ (≈ 114.3 mm) ∅int = 4" (≈ 101.6 mm)

∅ext = 4"½ (≈ 114.3 mm) ∅int = 4" (≈ 101.6 mm)

Résistance électrique (hypothèse acier au carbone) R/l ≈ 0.08 Ω/km ⇒ R≈ 0.05 Ω R/l ≈ 0.08 Ω/km ⇒ R≈ 0.05 Ω

Toit et Base de la craie Ztoit ≈ 14 m (?) Zbase = 347 m Ztoit ≈ 23 m Zbase = 324.5 m

Résistivité de la craie ρ≈ 100 Ω.m pour Z ∈ [14-283 m]ρ≈ 40 Ω.m pour Z ∈ [283-347 m]

ρ≈ 100 Ω.m pour Z ∈ [23-265 m]ρ≈ 40 Ω.m pour Z ∈ [265-324 m]

Sables de Château-Renard Sables de Griselles

Z= 604 m → Z= 610 m Z= 636 m → Z= 639 m

Z= 586 m → Z= 592 m Z= 617 m → Z= 619 m

Toit du Calcaire Portlandien Z= 644 m (ρ >100 Ω.m) Z= 622 m (ρ >100 Ω.m)

Tableau 1 : Caractéristiques des forages utilisés comme électrodes d’injection de courant. Les profondeurs sont exprimées / niveau du sol. Les niveaux pétrolifères sont indiqués en grisé.

De haut en bas, ces forages rencontrent quatre couches principales :

- une couverture d’argiles à silex et/ou à chailles (espèces de silex arrondis de cou-leur sombre aux arêtes très émoussées, voir plus loin) parfois recouvertes locale-ment par une faible épaisseur de formations quaternaires (limons de plateau) ; cette couverture électriquement conductrice (≈ 20 ohm.m) a une épaisseur variant de quelques décimètres à une trentaine de mètres ;

- la craie du Sénonien-Turonien-Cénomanien (affleurante par endroits) ; craie assez blanche, siliceuse, électriquement résistante dans sa partie supérieure (Sénonien-Turonien : environ 250 m d’épaisseur avec une résistivité de l’ordre de 100 ohm.m), devenant plus marneuse et/ou glauconieuse, donc plus conductrice, dans sa partie inférieure (Cénomanien : environ 65 m d’épaisseur avec une résisti-vité moyenne de 40 ohm.m) ;

- argiles, sables argileux et marnes s’échelonnant du Cénomanien inférieur au Va-langinien ; ces formations globalement conductrices (8-25 ohm.m) contiennent quelques niveaux sableux chargés d’eau douce (et parfois d’un peu de pétrole), qui sont électriquement plus résistants (80 à 150 ohm.m) ;

- calcaires plus ou moins marneux du Berriasien (ex-Purbeckien) et du Tithonien (ex-Portlandien), relativement résistants (≥ 100 ohm.m).



3.3. CONTEXTE GÉOLOGIQUE ET GÉOÉLECTRIQUE

La zone d’étude couvre la partie centrale du plateau de Chuelles, entre les vallées du Loing à l’ouest, de L’Ouanne au sud et de la Clery au nord (ces derniers cours d’eau étant deux affluents du Loing). De ce fait, on a une topographie peu mouvementée plongeant doucement vers le nord-ouest (voir figure 3). Le dénivelé maximum est de seulement 50 m (125 à 175 m AMSL) sur une distance de 9 km. Les seuls reliefs un peu marqués sont deux petites vallées peu prononcées, l’une au nord-est, près de la station S04, l’autre au nord-ouest, près du forage SF-5025. Au fond de ces vallées, la craie affleure localement (voir plus loin).

641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

S11

S12

S13

S14 S15S16

S17

S18

S19

S20

S21

S22

S23

S24

S25

S26

S27 S28

S29

SF-502

SF-549

PZO-CHU

Topographie de la zone d’étude (MNT au pas de 50 m)

125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180

Altitude AMSL (m)

Figure 3 : Topographie de la zone d’étude (MNT de l’IGN au pas de 50 m).

Cette position en sommet de plateau explique que la géologie soit assez uniforme sur la zone d’étude. Dans la tranche de profondeur qui nous intéresse (Z=0 à ≈ 1000 m),

5 Nos deux forages d’injection LEMAM sont situés de part et d’autre de ce second thalweg, à des altitudes très voisines l’une de l’autre (dénivelé ≈ 6.7 m).



on rencontre successivement six unités géologiques majeures, assez bien différen-ciées en terme de résistivité électrique (voir figure 5) :

1) Couverture : La couche géologique de surface est presque partout constituée d’argiles à silex (silex sensu stricto, issus de l’altération de la craie sous-jacente) éven-tuellement surmontés par une épaisseur métrique d’argiles à chailles (silex arrondis à patine plus sombre, associés à des dépôts fluviatiles issus de niveaux siliceux érodés dans des calcaires Bajociens du Massif Central). Cet ensemble d’argiles à silex (au sens large) est parfois recouvert par une épaisseur de quelques mètres de limons éo-liens quaternaires (lœss). L’ensemble de cette couverture argilo-limoneuse peut at-teindre une trentaine de mètres d’épaisseur par-dessus la craie (voir figure 4). Dans les fonds de vallée, cette couverture peut être localement érodée : la craie est alors affleu-rante.

Épaisseur des argiles à silex et limons de plateau (données BSS)

641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

SF-502

SF-549

PZO-CHU

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Thickness of the clay cover above the chalk basement (m)

Figure 4 : Carte de l’épaisseur de la couverture au toit de la craie, englobant les argiles à silex (et/ou à

chailles) et les limons de plateau. Carte calculée à partir des données de la BSS (symboles bleus).

D’un point de vue électrique, cette couverture est globalement conductrice : bien que non évaluée par diagraphies (ces dernières commencent plus bas dans les forages), la



résistivité de la couverture est estimée à environ 20 ohm.m grâce à des panneaux électriques dipôle-dipôle réalisés sur la zone d’étude par P.A. Reninger (2011, com-munication personnelle) au cours de sa thèse sur le levé EM héliporté de Courtenay.

2) Craie du Sénonien-Turonien-Cénomanien (Crétacé supérieur). Globalement, cette formation est très épaisse, avec une épaisseur cumulée de 300 à 350 m. Dans sa partie supérieure, sur plus de 250 m d’épaisseur (correspondant sensiblement à l’ensemble Sénonien6-Turonien), il s’agit d’une craie assez blanche, à silex plus ou moins abondants, qui est relativement résistante du point de vue électrique (≈ 100 ohm.m). Près de la surface (Z ≤ 50 m), cette craie est soumise à des phéno-mènes de dissolution, comme en témoignent de nombreuses dolines (voir photo en annexe 1) et la présence d’un écoulement souterrain dans un réseau karstique peu profond (karst des Trois Fontaines étudié par les hydrogéologues du BRGM, cf. Baran et al., 2008). Dans sa partie inférieure, sur environ 65 m (correspondant sensiblement au Cénomanien), la craie devient plus marneuse et/ou glauconieuse, donc plus con-ductrice (≈ 40 ohm.m en moyenne). Elle amorce ainsi la transition vers les séries argi-leuses sous-jacentes.

3) Argiles, sables argileux et marnes du Crétacé inférieur (Cénomanien inf. à Valangi-nien). Cette succession de couches plutôt argileuses a une épaisseur cumulée de l’ordre de 300 m. De par sa composition, cette série est globalement conductrice (8-25 ohm.m). Cependant, elle contient deux niveaux sableux peu argileux et chargés d’eau douce, qui sont électriquement plus résistants (100 à 150 ohm.m). Le plus épais d’entre eux (sables grossiers de l’Albien supérieur, ≈ 50 m d’épaisseur, résistivité ≈ 150 ohm.m) constitue le fameux aquifère de l’Albien, réserve stratégique d’eau po-table pour l’Île de France. À la base de la série argileuse, on trouve également deux petits niveaux sableux contenant du pétrole dans une eau un peu plus minéralisée, les Sables de Château-Renard (sommet de l’Hauterivien) et les Sables de Griselles (sommet du Valanginien). Ces niveaux constituent le réservoir pétrolier du « Néoco-mien » exploité par Toreador Energy. Leur résistivité est de l’ordre de 80 ohm.m.

4) Calcaires du Berriasien-Portlandien. Dans cette unité sont rassemblés les calcaires marneux du Tithonien (ex-Portlandien) et ceux du Berriasien (ex-Purbeckien), qui tota-lisent plus de 135 m d’épaisseur. D’un point de vue électrique, ces roches sont relati-vement résistantes (100 à 150 ohm.m). C’est dans cette unité (environ 30 m sous son toit) que se terminent les tubages métal-liques. Ces derniers sont donc isolés des marnes conductrices sous-jacentes (Kimmé-ridgien) par plus de 100 m de calcaires assez résistants : on peut donc penser que le courant injecté en fond de tubage ne se déviera pas de manière importante vers ces marnes, mais qu’il restera essentiellement canalisé dans l’unité argileuse du Crétacé inférieur.

5) Marnes et marno-calcaires du Kimméridgien (incluant les marno-calcaires de la base du Portlandien). Bien que situés plus de 100 m sous la base des tubages, ces terrains conducteurs épais (≈ 130 m) de résistivité assez uniforme (≈ 12 ohm.m) de-

6 Sénonien : ancienne dénomination de l’ensemble Maastrichtien-Campanien-Santonien-Coniacien.



vront être pris en compte en cas de simulation numérique pour assurer un résultat réa-liste.

6) Calcaires de l’oxfordien supérieur. Pour terminer le modèle dans la tranche d’intérêt (0-1000 m), il faut rajouter les divers niveaux calcaires de l’Oxfordien supérieur (ou Lusitanien), incluant ceux de la base du Kimméridgien. Cette unité relativement résis-tante (80 ohm.m en moyenne) forme le socle du modèle géoélectrique.

Toutes ces informations sont synthétisées sur la figure 5 ci-dessous.

Figure 5 : Coupe géologique de la zone d'étude et log de résistivité associé. Informations provenant principalement des coupes de forages et diagraphies de résistivité communiquées par Toreador Energy.

100101

Résistivité (ohm.m)

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0 20

100

40

8

150

10100

10

25

1580

15 80

110

12

80

Argiles à silex et/ou chailles

Craie supérieure (Sénonien-Turonien)

Craie inférieure (Cénomanien sup.)

Argiles du Gault (Cénomanien inf.)

Sables grossiers (Albien sup.)

Argiles sableuses (Albien moyen)Sables grossiers (Albien inf.)

Argiles sableuses (Albien inf.-Aptien)Sables et argiles (Barrémien sup.)Argiles et sables (Barrémien inf.)

Sables de Château-Renard (Hauterievien sup.)Argiles sableuses (Hauterivien)

Sables de Griselles (Valanginien)

Calcaires (Berriasien-Portlandien)

Marnes et marno-calcaires (Kimméridgien)

Calcaires indifférenciés (Oxfordien sup.)



3.4. EFFICACITÉ DU SYSTÈME D’INJECTION / FUITES DE COURANT PAR LES CONDUITES ENTERRÉES

Les conduites métalliques enterrées joignant les forages A et B constituent un second circuit potentiel de passage du courant, évidemment non souhaité, en parallèle du cir-cuit électrique normal passant par le sol7. Pour évaluer l’efficacité de notre système d’injection, il convient de comparer la résistance électrique de chacun de ces circuits.

NB : le câble d’émission reliant A et B ne doit pas être considéré dans cette comparai-son car il est commun aux deux circuits (cf. figure 6). Cependant, il faut noter que son effet sur la résistance globale est prépondérant : en effet, à lui seul ce câble a une ré-sistance Rli ≈ 5.1 Ω (longueur ≈ 1380 m, résistivité linéique ≈ 3.7 Ω/km).

Figure 6 : Schéma de principe de l’injection électrique entre les tubages A (pôle ⊕ ) et B (pôle ⊝ ) en présence des conduites métalliques d’alimentation en eau et du manchon isolant.

7 Normalement, le retour du courant du tubage A vers le tubage B doit se faire uniquement par le sol.



a) Calcul de la résistance de fuite du circuit par les conduites (sans manchon isolant) : Comme pour les tubages, la résistance linéique des conduites peut être estimée à

environ 0.08 Ω/km, d’après la formule )(

/eDe

SlR−⋅⋅

==π

ρρ (cf. rapport théorique)

avec les hypothèses suivantes : acier au carbone de résistivité ρ ≈ 1.7 10-7 ohm.m, diamètre extérieur D = 4.5" ≈ 11.43 cm, épaisseur de paroi e = 0.25" ≈ 6.35 mm, soit un diamètre intérieur ∅ = 4.0" ≈ 10.16 cm. Pour la portion de conduite d’environ 2530 m qui relie nos deux forages, ceci nous donne une résistance de fuite Rf = Rcond ≈ 0.2 Ω .

b) Calcul de la résistance du circuit normal par le sol : D’autre part, la résistance globale du circuit par le sol, constitué des tubages et des résistances de contact tubages/sol, est supérieure à 0.5 Ω.

- D’après le tableau 1, la résistance globale des deux tubages est de l’ordre de 0.1 Ω. Cependant, d’après le §4.3 du rapport théorique (rapport BRGM/RP-60981-FR), on sait que la chute ohmique totale dans un tubage non isolé en milieu homogène s’obtient avec la loi d’Ohm en prenant pour intensité la moitié du courant injecté en tête. Une approche équivalente est de laisser l’intensité inchangée et de diviser par deux la résistivité des tubages : on peut donc écrire que la résistance « efficace » des tubages vaut Rtub ≈ 0.05 Ω .

- D’autre part, la résistance de contact de chaque tubage avec le sol dépend du diamètre du tubage, de sa longueur et de la résistivité du terrain environnant. La for-mule (1) suivante donne le potentiel créé par une longue électrode verticale de lon-gueur L à la surface d’un demi espace homogène de résistivité ρ, en fonction de la distance horizontale r depuis le centre de cette électrode (Kauahikaua et al., 1980) :

( ) ( )⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ++=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++=Lr

LrLI

rrLL

LIrV

2

22 11

ln π2

ln π2

ρρ. (1)

NB1 : Cette formule suppose seulement que le courant injecté est réparti uniformément tout le long du tubage, ce qui est effectivement le cas dans un milieu homogène. NB2 : Cette formule ne dépend pas du diamètre D du tubage, tant que l’on reste à l’extérieur de ce dernier.

Le potentiel V0 sur la surface extérieure du tubage s’obtient alors en faisant r=r0=D/2 dans la formule précédente :

( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ++=

LDLD

LIV

2211

ln π2

2

0ρ . (2)

Vu que le potentiel V(r) tend vers 0 lorsque r → ∞ (V∞=0, voir figure 7), on s’aperçoit que le potentiel V0 représente aussi la chute de potentiel totale à travers l’ensemble des terrains compris entre le tubage injecteur et l’infini (V0 = ΔV = V0 - V∞). Par analogie avec ce qui se pratique pour une électrode ponctuelle, on peut alors écrire que la résis-tance de prise Rc de la longue électrode avec le sol s’obtient en divisant V0 par I :



( )

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛ ++==

LrLr

LIVR

0

20

0c

11ln

π2ρ

(avec r0=D/2) . (3)

La variation de la résistance V/I en fonction de la distance r est représentée sur la figure 7, pour une électrode verticale de 650 m de long (≈ longueur des tubages mis à notre disposition) placée dans un terrain homogène de résistivité 100 ohm.m. Ce tracé nous montre entre autres que la résistance de contact dans le cas d’un tubage de 4"½ (r ≈ 57 mm) vaut environ 0.25 Ω.

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Distance à la longue électrode (m)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Pote

ntie

l éle

ctriq

ue V

(V) o

u ré

sist

ance

V/I

(Ω)

Paroi d'un tubage de 4"1/2 (r0 ≈ 5.7 cm)Potentiel de la longue électrodePotentiel d'une électrode ponctuelle

Potentiel électrique créé à la surface d'un demi-espace homogène derésistivité 100 Ω.m par une longue électrode verticale de longueur L= 650 m

parcourue par un courant de 1A, en fonction de la distance à l'électrode(peut être vu comme une résistance électrique V/I)

Figure 7 : Résistance électrique d’un cylindre de terrain compris entre une longue électrode et un point à la surface du sol en fonction de la distance r de ce point au centre de l’électrode.

Le trait rouge correspond à un tubage de ∅ = 4"½. Lorsque r > L, on retrouve asymptotiquement la résistance électrique d’une électrode ponctuelle.

Dans le cas où le circuit se referme en un point B situé à une distance finie r1 de la longue électrode A, il semble plus approprié de considérer la chute de potentiel entre la paroi externe du tubage A et le point B, soit ΔV = V0 - V1 avec V0=V(r0) et V1=V(r1). Dans notre cas où r1=1230 m, on obtient, pour un courant unitaire, V0 ≈ 0.2456 V et V1 ≈ 0.0124 V, soit ΔV ≈ 0.233 V. Ceci signifie que la résistance de contact entre le tu-bage d’injection A et l’ensemble des terrains compris entre A et B vaut Rc(A) ≈ 0.233 Ω.



Enfin, il ne faut pas oublier de considérer la résistance de contact réciproque Rc(B) entre l’électrode d’injection B et le point A. Dans le cas où l’électrode B est aussi une longue électrode identique à la première (dispositif double-LEMAM), ceci conduit à doubler la résistance de prise calculée précédemment pour le tubage A. En effet, le tubage B étant parcouru par un courant -I, la différence de potentiel VA-VB pour l’injection de -I en B est identique à celle obtenue pour l’injection de +I en A (on a deux signes moins qui se compensent). On a donc finalement Rc ≈ 0.466 Ω .

Une manière plus mathématique de démontrer ce qui précède est d’écrire le potentiel total en chaque point M comme la somme des contributions de chaque électrode d’injection A et B :

V(M) = VA(M) + VB(M).

En appliquant la formule précédente au point A lui-même, le potentiel total sur la paroi de l’électrode A peut s'écrire :

V(A) = VA(A) + VB(A).

De même, le potentiel total sur la paroi de l’électrode B peut s'écrire8 :

V(B) = VA(B) + VB(B).

La différence de potentiel entre les deux électrodes d’injection A et B peut donc s’écrire :

V(A) - V(B) = [VA(A) - VA(B)] + [VB(A) - VB(B)].

Si les électrodes A et B ont des rayons respectifs rA0 et rB0 (> 0) et sont séparées par une dis-tance r1, on obtient alors :

V(A) - V(B) = [VA(rA0) - VA(r1)] + [VB(r1) - VB(rB0)].

En outre, si les électrodes d’injection sont deux longues électrodes verticales identiques, de même rayon r0 et de même longueur L (dispositif double-LEMAM symétrique), ces deux élec-trodes de polarités opposées créent des potentiels égaux et opposés :

VB(r0) = -VA(r0) et VB(r1) = -VA(r1).

Par conséquent, on a finalement :

V(A)- V(B) = 2 [VA(r0) - VA(r1)].

NB : Si le terrain est moins résistant, la résistance de contact sera diminuée en propor-tion : par exemple, dans un terrain à 20 ohm.m, on aura Rc ≈ 0.093 Ω. Au contraire, si le terrain est plus résistant, la résistance de contact sera augmentée. En particulier, la présence d’une pellicule de ciment de quelques centimètres d’épaisseur entre le tubage et la formation peut faire augmenter de quelques dixièmes d’ohms la résistance de contact de chaque forage avec la roche. Par exemple une pel-licule de 2" (≈ 5 cm) de ciment de résistivité 3000 ohm.m ajoute une résistance de 0.45 Ω par tubage, soit 0.9 Ω pour l’ensemble des deux tubages d’injection : ceci se démontre simplement en traçant le potentiel à la surface d’un milieu cylindrique à deux couches constitué du ciment et du terrain homogène qui l’entoure (cf. figure 8).

8 Les potentiels VA(A) et VB(B) sont finis car les électrodes A et B sont de diamètres non nuls.



0.01 0.1 1 10 100 1000 10000Distance à la longue électrode (m)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Pot

entie

l éle

ctriq

ue V

(V) o

u ré

sist

ance

V/I

(Ω) Paroi extérieure d'un tubage de ∅ = 4"1/2 (r0 ≈ 5.715 cm)

Paroi d'un ciment de 2" d'épaisseur au-dessusdu tubage précédent (r1 = 4"1/4 ≈ 10.795 cm)Chute de potentiel à traversun ciment de résistivité 3000 Ω.mPotentiel de la longue électrodeinjectant dans un terrain à 100 Ω.mPotentiel d'une électrode ponctuelleinjectant dans un terrain à 100 Ω.m

Potentiel électrique créé à la surface d'un demi-espace homogène derésistivité 100 Ω.m par une longue électrode verticale de longueur L= 650 m

recouverte de ciment, parcourue par un courant de 1A,en fonction de la distance à l'électrode

Figure 8 : Résistance électrique d’un cylindre de terrain compris entre une longue électrode recouverte de ciment et un point à la surface du sol,

en fonction de la distance r de ce point au centre de l’électrode.

La résistance globale de notre circuit d’injection par le sol Rinj=Rtub+Rc vaut donc entre 0.14 et 0.52 Ω selon la résistivité du terrain environnant (supposé varier entre 20 et 100 ohm.m), voire un peu plus si on considère le ciment. La résistance Rinj du circuit par le sol est donc comprise entre 1 fois et 2.5 fois la résistance de fuite Rf par les con-duites (en l’absence de manchon isolant).

Il apparaît donc que, en l’absence d’isolation, le courant de fuite passant par les conduites serait généralement supérieur au courant passant par le sol : notre système d’injection serait donc peu efficace puisque seulement 1/3 à 1/2 du courant injecté sur les têtes de puits serait envoyé dans le sol (e.g. dans le pire des cas, pour un sol à 100 ohm.m, pour Itot=14 A, on aurait Isol≈ 4 A et Ifuite≈ 10 A).

Fort heureusement, un manchon isolant équipe la conduite au départ du forage d’injection SF-502 (figure 9). De tels manchons équipaient à l’origine tous les forages dans le but d’isoler électriquement les dispositifs de protection cathodique installés sur chacun d’entre eux. Ces protections contre la corrosion ne sont plus utilisées au-jourd’hui et certains puits ne disposent plus de manchon isolant : c’est le cas en parti-culier pour le puits SF-549 (figure 10) que nous utilisons comme pôle ⊕ de l’injection (électrode A). Cependant, grâce au manchon existant sur le puits SF-502, la résistance Rf du circuit de fuite est fortement augmentée, ce qui permet au courant injecté de passer en majorité par le sol : c’est ce que nous démontrons dans le chapitre suivant.



c) Calcul de la résistance du manchon isolant : Le manchon installé sur le forage SF-502 (figure 9) est un tube en matière plastique (supposée parfaitement isolante) de 13 cm de long ayant un diamètre extérieur de 17 cm et un diamètre intérieur de 10.16 cm (4"). Du point de vue électrique, nous sup-poserons que la résistante propre de ce manchon (i.e. à vide) est infinie. Cependant, l’eau saumâtre qu’il contient (eau provenant de la séparation eau/huile) autorise le passage d’un certain courant électrique entre les deux portions de la conduite métal-lique.

Calculons la résistance Rm du tube d’eau saumâtre contenu dans le manchon. Celle-ci est donnée par la formule classique :

s

lR ⋅= wm

ρ , (4)

où ρw est la résistivité de l’eau, et où l et s sont la longueur et la section intérieure du manchon (l = 0.13 m, s = 0.0081 m²). Si l’eau est une eau saumâtre à 1 g/l de NaCl, telle que ρw ≈ 7.5 ohm.m à 13°C, on obtient Rm ≈ 120.3 Ω . Cette nouvelle résistance, placée en série des conduites, s’ajoute à la résistance calculée plus haut pour ces der-nières (Rcond ≈ 0.2 Ω), et on obtient maintenant Rf = Rcond + Rm ≈ 120.5 Ω (où la résis-tance du manchon est prépondérante).

Si on compare la nouvelle valeur de Rf à la résistance Rinj de notre circuit d’injection (Rinj<0.52 ohm.m), on conclue qu’en présence d’un manchon isolant, le courant pas-sant par le sol devrait être plus de 230 fois supérieur au courant de fuite : notre sys-tème d’injection est donc maintenant parfaitement efficace puisque la fuite représente moins de 1/231 du courant injecté sur les têtes de puits (e.g. pour Itot=12 A, Isol ≥ 11.95 A et Ifuite ≤ 0.05 A).

NB : Les mesures réalisées au multimètre de part et d’autre du manchon ont donné des valeurs de résistance électrique comprises entre 220 et 245 Ω. Cependant, ces valeurs sont sujettes à caution, à cause de la présence de potentiels électriques natu-rels (PS, MT) transmis par les tubages aux bornes du manchon, signaux qui perturbent le protocole de mesure de l’ohmmètre. Quoi qu’il en soit, l’ensemble des tests réalisés sur la plateforme du SF-502 ont montré l’absence de courants significatifs au-delà du manchon, ce qui tend à confirmer l’efficacité de cette isolation.



Figure 9 : Photographies du forage injecteur d’eau SF-502 (pôle ⊝ électrique) : a) manchon isolant en cours de test ; b) « arbre de Noël » du forage,

sur lequel est grippé le câble d’injection électrique (ici après démontage).

Figure 10 : Photographie du forage injecteur d’eau SF-549 (pôle ⊕ électrique). Noter l’absence de manchon isolant sur la conduite d’alimentation en eau.



d) Fuites entre la conduite et le sol : En fait, même avec un manchon isolant au SF-502, à cause de l’absence d’un man-chon similaire au SF-549, le problème est un peu plus complexe, car des fuites addi-tionnelles par le sol sont possibles tout le long de la conduite enterrée raccordée à ce dernier puits, constituant ainsi un troisième circuit potentiel pour le courant (traits tiretés verts sur la figure 6).

Cela concerne toute la portion de conduite allant du puits SF-549 jusqu’à l’embranchement en bordure de route, puis tout le tronçon SSE-NNW (long de 3 km environ) qui s’étend de la station de pompage jusqu’à l’extrémité de la conduite au nord-ouest du forage SF-502 (voir figure 2).

Cet ensemble métallique continu de près de 4 km de long se présente comme une longue électrode disposée horizontalement sous la surface du sol. Puisque le forage SF-549 est notre pôle ⊕ (courant +I), ce conducteur souterrain constitue une ligne (quasi) équipotentielle portée à un potentiel positif, exactement comme le tubage verti-cal du forage. Si le contact de la conduite avec le sol est efficace, cette électrode hori-zontale peut concurrencer l’électrode verticale et envoyer dans le sol une partie non négligeable du courant injecté9.

Dans la pratique, nous n’avons observé aucune distorsion majeure dans l’orientation du champ électrique et du champ magnétique mesurés : nous verrons plus loin que des stations comme S01 et S08, placées à seulement quelque dizaines de mètres de la conduite principale, ne sont pas affectées par sa présence. Ceci tend à prouver que les fuites électriques depuis cette conduite enterrée vers le sol sont faibles ou inexis-tantes.

Ceci peut s’expliquer principalement par la présence d’un revêtement isolant sur les conduites : on peut voir sur les figures 9 et 10 que ces dernières sont recouvertes, juste avant leur entrée sous terre, d’une gaine de couleur noire destinée à les protéger de l’humidité. Tout laisse à penser que cette gaine en plastique goudronné thermosou-dé limite efficacement le contact électrique avec le milieu environnant.

De plus, la pose en tranchées sur/sous des lits de sable limite encore le contact élec-trique avec les terrains de surface : le sable n’est pas argileux et, étant plus drainant, il est généralement moins humide, donc plus résistant que le terrain naturel.

Nous retiendrons donc que, malgré l’absence de manchon isolant au SF-549, la fuite de la conduite enterrée vers le sol a été fort heureusement évitée grâce au revêtement isolant et à la technique d’enfouissement de cette conduite.

9 Ce courant reviendrait ensuite à l’émetteur par le biais du forage SF-502 uniquement : en effet, puisque la portion de conduite située entre le manchon et le forage SF-502 est aérienne, il ne peut pas y avoir de retour de courant par ce segment (au demeurant très court) qui est pourtant porté à un potentiel négatif.



4. Mise en œuvre de la méthode LEMAM sur le site de Toreador

Les principes physiques et les diverses variantes de la méthode LEMAM sont décrits dans un rapport théorique auquel on se réfèrera (Rapport BRGM/RP-60981-FR). Nous examinons dans le présent chapitre les aspects pratiques de la mise en œuvre à Châ-teau-Renard, depuis l’acquisition sur le terrain jusqu’à la séquence de traitement.

4.1. CONFIGURATION DE MESURE À CHUELLES - ST-FIRMIN-DES-BOIS

Le levé réalisé sur le site de Toreador est un levé EM à source contrôlée (CSEM) avec mesure des champs électrique (E) et magnétique (H) à la surface du sol sur une grille de stations irrégulière (semis de points). Ce levé est conçu dans une perspective de répétition à intervalle régulier (monitoring time-lapse). Cela implique d’effectuer, lors du levé initial (« baseline »), un relevé précis (e.g. par GPS différentiel) de la position des électrodes et des capteurs magnétiques en chaque station. Ainsi, lors des répétitions successives, les capteurs pourront être réimplantés aux mêmes endroits (à quelques centimètres près).

Les mesures des vecteurs champs EM (2 voies E, 3 voies H) sont réalisées à l’aide d’enregistreurs mobiles de type MT, repositionnés à chaque répétition. Comparée aux installations permanentes basées sur des capteurs enterrés interrogés par intermit-tence, cette approche est la moins gourmande en moyens d’installation et de mesure (pas de tranchée pour les câbles, pas de trous pour les capteurs, une seule ou quelques unités d’enregistrement, comme en MT). En contrepartie, l’installation des capteurs doit être répétée à chaque itération, ce qui augmente le bruit de répétition ; en outre, le temps d’acquisition se trouve multiplié par le nombre de rotations nécessaires à couvrir la zone d’étude (c'est-à-dire nombre total de stations à enregistrer divisé par le nombre d’enregistreurs MT disponibles pour les mesures mobiles).

La source utilisée est de type galvanique, c'est-à-dire qu’on injecte directement le cou-rant dans le sol par le biais de deux électrodes formant un bipôle AB : l’électrode A (pôle ⊕) envoie le courant dans le sol (courant +I) et l’électrode B (pôle ⊝) le récupère (courant -I).

Dans notre cas, les électrodes A et B sont les deux tubages en acier d’environ 650 m de long mis à disposition par Toreador. Ce type d’injection a été dénommé LEMAM (pour « Long Electrode Mise A la Masse »). Si l’on se réfère à la terminologie établie dans le rapport théorique (figures 3 et 4), compte tenu de la distance séparant A et B (≈ 1230 m) et de l’étendue de la zone levée (8 km × 4.5 km), notre dispositif d’injection peut être qualifié de « double-LEMAM dipolaire ».

4.2. SÉRIES TEMPORELLES ET SPECTRES

L’émetteur envoie dans le sol un signal carré périodique (courant +I pendant une demi période et courant -I pendant l’autre demi période ; voir figure 11). Avec les émetteurs utilisés (voir plus loin) la fréquence fondamentale f0 du signal (f0= inverse de la période) peut être choisie entre 1/16 et 8192 Hz par pas de 2. Sur ce levé particulier, la fré-



quence f0 a été échelonnée entre 0.125 et 2048 Hz par pas de 4 (voir plus loin). On notera à ce propos que l’aspect multifréquences n’était pas inclus dans le programme de travail du projet EMSAPCO2 et que les fréquences d’émission f0 au-dessus de 2 Hz n’ont pas pu être traitées dans ce rapport par manque de temps et de budget.

Dans le domaine spectral, un signal carré contient non seulement la fréquence fonda-mentale f0 mais aussi une infinité d’harmoniques impaires 3 f0, 5 f0, 7 f0,..., d’amplitude décroissante (figure 12). Selon la théorie, si le carré est parfait, l’amplitude In de l’harmonique n f0 suit une loi en 1/n :

nI

nIIn

1 π4 == . (5)

On notera que la fondamentale f0 (ou harmonique 1) a une amplitude plus forte que le signal temporel puisque III ×≈= 27.1π41 . En pratique, les harmoniques impaires du signal sont généralement exploitables jusqu’à au moins 9 f0, où le courant vaut encore 1/9 de l’amplitude I1 de la fondamentale.

Courant injecté I

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-2000

-1000

0

1000

Ex

Figure 11 : Exemple de signal carré injecté par l’émetteur (fréquence f0 = 0.5 Hz). Échelle verticale en centi-ampères.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

2

4

6

8

10

12

14

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Frequency (Hz)

Fond

amen

tale

f0

(har

mon

ique

1)

Har

mon

ique

3

Har

mon

ique

5

Har

mon

ique

7

Har

mon

ique

9

Har

mon

ique

11

Har

mon

ique

13

Har

mon

ique

15

Har

mon

ique

17

Figure 12 : Spectre d’amplitude du signal carré de la figure 11, représenté de l’harmonique 1 à l’harmonique 17 (soit 8 harmoniques impaires en plus de la fondamentale f0).



4.3. MATÉRIEL ET PROCÉDURES D’ACQUISITION

La méthode CSEM (qu’elle soit à source LEMAM ou à source classique) consiste à mesurer le champ EM vectoriel généré par la source à la surface du sol (2 voies élec-triques Ex, Ey et 3 voies magnétiques Hx, Hy, Hz)10 à l’aide de deux capteurs élec-triques perpendiculaires (dipôles de potentiel Mx,Nx et My,Ny, dont la longueur nomi-nale était ici fixée à 100 m) et de trois capteurs magnétiques orthogonaux. Les direc-tions x et y utilisées pour orienter les capteurs dépendent de la configuration locale du terrain et changent de station en station (cependant, la direction x est généralement proche du Nord et la direction y proche de l’Est).

Contrairement à la pratique courante en méthodes électriques classiques (DC)11, on réalise un enregistrement complet des séries temporelles de chaque capteur. La me-sure CSEM s’apparente donc totalement à une mesure magnétotellurique (MT).

À chaque fréquence fondamentale f0 de l’émetteur, la durée D d’enregistrement doit être assez longue (e.g. 128 fois la période 1/f0) pour permettre d’éliminer au mieux le bruit aléatoire (signal MT, bruit anthropique) lors de la transformée de Fourier (DFT). D’autre part, l'échantillonnage doit être assez rapide pour permettre de mesurer toutes les harmoniques qui nous intéressent : d’après le critère de Nyquist, si on veut obtenir jusqu’à l’harmonique n, il faut choisir une fréquence d’échantillonnage Fs telle que n f0 < Fs/2, soit Fs > 2n f0. L’inégalité est stricte, car la composante de Nyquist (Fs/2) ne peut pas être déterminée correctement par la DFT (sa phase n’est pas définie et son amplitude est aléatoire en fonction du départ de l’échantillonnage) !

Au moins deux enregistreurs MT, synchronisés par GPS, sont utilisés en parallèle : • le premier reste fixe au poste d’émission, où il enregistre le courant instantané in-

jecté dans le sol à chaque fréquence, indication fournie par un capteur à effet Hall ; cette voie de référence sera utilisée pour la normalisation des amplitudes et l’origine des phases dans le calcul des fonctions de transfert complexes (Ex/I, Ey/I, Hx/I, ...) ;

• le second se déplace de station en station, où il enregistre, pendant les plages d’émission, le signal fourni par les différents capteurs ; si l’on dispose de plusieurs enregistreurs MT mobiles (et capteurs associés), on peut acquérir plusieurs sta-tions en même temps (à condition d’avoir le personnel nécessaire, évidemment).

NB : la synchronisation par GPS suppose d’avoir un accès au ciel suffisamment dégagé en chaque station de mesure, ce qui interdit d’implanter des stations sous un couvert forestier dense. Dans une région de boqueteaux et de cultures, comme celle de Château-Renard, cela ne pose aucun problème : puisque les stations sont disposées selon une grille irrégulière, on peut toujours éviter les zones boisées. Il n’y a que dans les grands massifs forestiers que cela peut compliquer les opérations (e.g. nécessité d’utilisation d’une antenne GPS déportée).

L’ensemble du matériel utilisé à Chuelles est présenté sur la figure 13 ci-après. Sur ce site au terrain plat et dégagé, l’installation des capteurs à chaque station de mesure dure environ une heure, incluant le déplacement depuis une station voisine.

10 On ne mesure pas de composante Ez car le champ électrique est purement horizontal à la surface du sol, en raison du contraste infini de résistivité entre l’air et le sol. 11 Dans les méthodes DC classiques, on effectue un pointé asymptotique du champ E à la fin de chaque demi-période du signal. Ce pointé automatique est réalisé directement sur la trace temporelle et moyenné en temps réel au cours de l’émission, ce qui évite d’enregistrer le signal temporel.



Une fois les capteurs installés, la mesure en chaque station (ou en chaque groupe de stations simultanées) consiste à acquérir l’une après l’autre les différentes fréquences d’émission choisies. Celles-ci sont programmées sous forme de séquences ou « runs » successifs, avec un temps mort de 1 à 2 minutes entre deux séquences pour permettre le changement de fréquence à l’émetteur (voir un exemple sur la figure 17). Ces sé-quences sont définies à l’identique sur tous les enregistreurs et le top de départ syn-chrone est décidé à la dernière minute par une communication radio entre tous les opérateurs.

La durée totale de l’enregistrement est de l’ordre d’une heure, incluant une séquence de test préliminaire pour vérifier que les capteurs fonctionnent bien et s’assurer que le gain sélectionné sur chaque voie est correct (i.e. pas de saturation). Cette durée pour-rait être raccourcie de 20’ si la fréquence la plus basse (0.125 Hz) n’était pas enregis-trée. Dans un cadre de production opérationnelle, il faudra donc se demander si cette très basse fréquence (période 8 s), qui est censée donner la limite DC de la réponse, présente un réel intérêt. Cela dépendra bien sûr de la résistivité du terrain : dans des terrains résistants ou à faible distance de la source, on pourra se passer de la fré-quence 0.125 Hz car la limite DC sera largement atteinte dès 0.5 Hz ; en revanche, dans des terrains très conducteurs ou à grande distance de la source, où l’induction est forte, la fréquence 0.125 Hz sera nécessaire pour approcher l’asymptote de basse induction (« DC limit » ou « resistive limit »).

La durée totale d’une rotation (i.e. mesure d’une station ou d’un groupe de stations) est donc égale à 2h environ (somme des temps d’installation et d’enregistrement), ce qui permet de réaliser au maximum 4 rotations par jour (en l’absence de problèmes).

Receiving equipment (roving)

3 kVA motor generator

To injection electrodes

A and B

Transmitting equipment (fixed but removable)

Galvanic transmitterZonge GGT-3 (3 kW)

F = 1/16 Hz to 8192 Hz

Voltageregulator

MT data loggerMetronix ADU-06

Nx

Mx

NyMy

Magnetic sensorsMetronix MFS-06

Non-polarizingelectrodes

Waveformgenerator

To SF-549To SF-502

Figure 13 : Équipement de mesure LEMAM. En haut, équipement de réception (Metronix). En bas, équipement d’émission (Zonge).



4.4. SÉQUENCE DE TRAITEMENT

Après l’acquisition, les données sont déversées sur le PC de contrôle sous un format binaire propre à Metronix, identifié par l’extension *.ATS (ADU Time Series). À chaque station, on obtient un fichier ATS pour chaque voie de mesure et pour chaque sé-quence d’enregistrement (i.e. pour chaque fréquence d’émission).

Nous avons développé un programme de traitement sous MATLAB, dénommé PROCATS, qui permet de lire ces fichiers binaires. À une station donnée, pour chaque fréquence d’émission f0, ce programme propose ensuite la séquence de traitement suivante :

1) Visualisation des séries temporelles du courant injecté (I) et des différentes voies de mesure de la station courante (Ex, Ey, Hx, Hy, Hz). À la lecture des données, le logiciel offre la possibilité de corriger certaines erreurs observées parfois sur les en-registrements, comme par exemple les cas de démarrages/arrêts non simultanés des enregistreurs, ou les cas de capteurs orientés à l’envers ou permutés. On peut égale-ment éliminer des plages d’enregistrement défectueuses (e.g. plages trop bruitées, arrêts de courte durée de l’émetteur, etc.).

2) Prise en compte des calibrations des capteurs magnétiques et de la longueur effective des dipôles de mesure électrique.

3) Calcul des transformées de Fourier discrètes (DFT) du courant (I) et des diffé-rentes voies de mesure (Ex, Ey, Hx, Hy, Hz). Noter qu’aucune fenêtre d’apodisation n’est utilisée ; c’est donc une fenêtre naturelle (ou fonction porte) qui est appliquée de manière implicite lorsque le signal ne se périodise pas correctement, c'est-à-dire lors-que le premier échantillon n’est pas en parfaite continuité avec le dernier (n’oublions pas que l’hypothèse de base de la DFT est de supposer que le signal temporel obser-vé sur la durée d’analyse D se reproduit indéfiniment à l’identique).

4) Troncature des séries temporelles pour avoir une durée d’analyse D de la DFT qui soit un multiple de la période T0=1/f0 de la fondamentale : ceci est la condition né-cessaire pour que la composante spectrale (ou raie) correspondant à la fréquence d’émission soit un multiple de la résolution spectrale Δf =1/D ; sans cette précaution, la raie d’émission tombe entre deux composantes spectrales, donc le maximum d’amplitude lié à l’émission est raté ou mal échantillonné.

On rappelle que le numéro de la composante spectrale (ou échantillon spectral) cor-respondant à une fréquence F donnée est obtenu par la formule suivante :

( ) périodes

raie NTDFD

fFFN ==⋅=Δ

= 12. (6)

Le numéro de la raie d’émission Nraie(f0) est donc égal au nombre de périodes T0 con-tenues dans la durée d’analyse D. Il faut donc faire en sorte que ce nombre soit un entier. Si on fait intervenir la fréquence d’échantillonnage Fs et le nombre N d’échantillons temporels analysés par DFT, on a d’autres expressions possibles pour la raie spectrale :

12 On notera que la résolution spectrale relative Δf/F est l’inverse du numéro de raie : Δf/F = 1/Nraie. Or, plus le terme Δf/F est faible, moins on a de risque d’intégrer dans la composante spectrale F du bruit pro-venant de fréquences voisines. Pour cette raison, on a intérêt à travailler sur des grands numéros de raie, c'est-à-dire sur un grand nombre de périodes du signal.



eéch/périod

raie N

NFFNFtNN

s

==⋅Δ⋅= . (7)

Dans notre cas, pour f0 = 0.5 Hz, les valeurs typiques de ces divers paramètres sont Fs = 64 Hz, N = 20352, D = 318 s, Néch/période = 128, Npériodes = Nraie = 159.

Dans le cas où la durée D n’est pas un multiple exact de la période T0, une autre con-séquence à prévoir est l’élargissement des raies spectrales. En effet, dans ce cas, la périodisation de la trace temporelle ne se fait pas correctement : à la jointure entre la trace et sa copie, le motif temporel ne se raccorde pas bien, la dernière période du signal étant soit trop longue soit trop courte. Pour la DFT, tout se passe comme si on avait au préalable « apodisé » le signal par une fonction porte, ce qui se traduit par une convolution du spectre par un sinus cardinal. Cette convolution élargit chaque raie spectrale et peut introduire du bruit sur les raies d’émission par « bavage » fréquentiel depuis les raies voisines (« spectral leakage »).

5) Visualisation des spectres d’amplitude ainsi que des fonctions de transfert com-plexes de chaque voie de mesure par rapport au courant injecté (Ex/I, Ey/I, Hx/I,...).

6) Ajustement itératif de la fréquence d’émission par analyse des décalages des raies spectrales aux grandes harmoniques (n > 25). Ces décalages sont dus au fait que l’horloge de l’émetteur et celles des échantillonneurs MT ne sont pas parfaitement cadencées, i.e. leurs quartz battent à des fréquences très légèrement différentes : par exemple, avec l’émetteur Tx-3000, à la fréquence affichée de 0.5 Hz, on trouve en fait que f0 ≈ 0.5001033 Hz (Δ≈ 0.2‰). Si on ne prend pas en compte la vraie valeur de f0, les raies correspondant à des harmonique proches (n ≤ 10) peuvent être légèrement décalées par rapport au maximum de la raie théorique et donner de ce fait une ampli-tude spectrale plus faible que la réalité, davantage contaminée par le bruit de fond. 13

Par exemple, avec les valeurs numériques précédentes on obtient pour l’harmonique 11, Nraie = 11 × 0.5001 × 318 = 1749.35 au lieu de 1749, soit un décalage de 1/3 de raie.

Sur la figure 14b, on observe la conséquence de ce décalage pour le champ magné-tique vertical mesuré à la station 7 (en sept. 2009) pour une émission à la fréquence f0 = 0.5 Hz (enregistrement de 318 s à 64 échantillons par seconde, soit 159 périodes). Le décalage de 1/3 d’échantillon spectral induit une sous-estimation de l’ordre de 25% des pics de courant et de champ. En l’absence de bruit, l’erreur serait la même sur les deux voies et la fonction de transfert Hz/I serait correctement estimée. Cependant, la présence d’un peu de bruit sur le champ magnétique, sous la forme de pics positifs régulièrement espacés d’environ 1.22 s (fréquence 0.82 Hz) attribués à une clôture électrique, fait en sorte que la sous-estimation est plus forte sur le champ Hz que sur le courant. En conséquence, la fonction de transfert est elle-aussi sous-estimée, d’environ 5% par rapport au cas idéal où on corrige la fréquence démission (figure 14c)14.

13 En théorie, la DFT n’est pas directement affectée par la fréquence f0 de l’émetteur : les raies obtenues sont étiquetées en fréquence en tenant compte uniquement de la durée d’échantillonnage D. Cependant, dans notre approche, la fréquence f0 est utilisée pour tronquer le signal à un nombre entier de périodes 1/f0 (voir point 4). Par conséquent, une erreur sur f0 entraînera une apodisation de fait par une fonction porte, se traduisant dans le domaine spectral par une convolution par un sinus cardinal. Cette convolution élargit chaque raie spectrale et introduit du bruit sur les raies d’intérêt par "bavage" fréquentiel. 14 En poussant un peu plus les tests avec la même trace, pourtant relativement peu bruitée, on constate qu’une erreur de seulement 1‰ sur f0 entraîne une erreur supérieure à 2% sur Hz/I dès l’harmonique 5 f0 (données temporelles présentées à la Figure 15, spectres non présentés).



312 313 314 315 316 317 318 319-600

-400

-200

0

200

400

600

Sig

nal H

z (m

V)

312 313 314 315 316 317 318 319

-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Fs: 64 Hz | F0: 0.5 Hz (20352 samples, 159 periods) | Ref: Tx_site002bis+007_Tx3000 -> Ey | Signal: Rx_site007_Tx3000 -> Hz

Time (seconds)

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Hz (mA/m)Ref (A)

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.05

0.1

0.15

0.2

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

z (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hz (mA/m)

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.1

0.2

0.3

0.4

X: 5.5Y: 0.1627

Amplitude of spectral ratio : Signal Hz / Ref

|Sig

nal H

z / R

ef |

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.54-200

-100

0

100

200Phase of spectral ratio : Signal Hz / Ref

Frequency (Hz)P

hase

(Sig

nal H

z / R

ef )

600Fs: 64 Hz | F0: 0.5001 Hz (20348 samples, 159 periods) | Ref: Tx_site002bis+007_Tx3000 : Ey | Signal: Rx_site007_Tx3000 : Hz

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Hz (mA/m)Ref (A)

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.05

0.1

0.15

0.2

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

z (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hz (mA/m)

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.540

0.1

0.2

0.3

0.4

X: 5.501Y: 0.1703

Amplitude of spectral ratio : Signal Hz / Ref

|Sig

nal H

z / R

ef |

5.47 5.48 5.49 5.5 5.51 5.52 5.53 5.54-200

-100

0

100

200Phase of spectral ratio : Signal Hz / Ref

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Hz

/ Ref

)

Figure 14 : Exemple de distorsion de spectre sur une harmonique proche (ici 11 f0) en cas d’erreur minime sur la fréquence d’émission f0 (cas du champ magnétique vertical à f0 = 0.5 Hz). a) Traces temporelles : en rouge courant injecté, en bleu champ magnétique résultant (signal

brut non corrigé de la calibration du capteur). À ces fréquences, le capteur de type inductif réa-git à la dérivée dH/dt du champ mag. (loi de Lenz), donc la trace bleue est une succession de pics alternés qui représentent la dérivée du signal carré (à 600 m du câble, le champ magné-

tique vertical, donné par la loi de Biot et Savart, est essentiellement en phase avec le courant). b) Spectre d’amplitude et fonction de transfert pour un traitement à la fréquence nominale (0.5 Hz). Observer l’élargissement de la raie (sinus cardinal) dû à l’apodisation implicite.

c) Spectre et fonction de transfert pour un traitement à la fréquence corrigée (0.5001033 Hz). La raie d’émission est deux fois plus fine, parfaitement symétrique et sans lobes latéraux.

a)

b)



313 314 315 316 317 318 319 320-600

-400

-200

0

200

400

600

Sig

nal H

z (m

V)

313 314 315 316 317 318 319 320

-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Fs: 64 Hz | F0: 0.4996 Hz (20368 samples, 159 periods) | Ref: Tx_site002bis+007_Tx3000 -> Ey | Signal: Rx_site007_Tx3000 -> Hz

Time (seconds) Figure 15 : Exemple de mauvaise fermeture de la trace temporelle pour une erreur de 1‰ sur la

fréquence d’émission (en pourpre et vert, le début des traces rouge et bleu périodisées). L’apodisation qui en découle entraîne un "bavage" fréquentiel important (non représenté ici) qui se traduit par des erreurs d’estimation de plusieurs % sur Hz/I dès l’harmonique 5 f0 (2.5 Hz).

Dans une optique de monitoring où l’on s’intéresse à des réponses time-lapse de seu-lement quelques pourcents, de telles erreurs ne sont pas acceptable (voir plus loin). En présence de bruit, la détermination précise de la fréquence d’émission sera donc un préalable essentiel à la poursuite du traitement.

7) Calcul des fonctions de transfert complexes (module et phase) de chaque voie de réception par rapport au courant injecté (Ex/I, Ey/I, Hx/I, ...). Ce calcul de normalisa-tion revient à ramener les champs mesurés à une injection unitaire de 1 A et à caler l’origine des phases sur la phase du courant injecté : ceci est indispensable pour com-parer les mesures entre elles (dans l’espace, dans le temps, ou à différentes fré-quences) et pour les confronter aux modèles numériques, lesquels sont toujours calcu-lés avec un courant unitaire de phase nulle. Pour éviter des confusions, les champs normalisés seront parfois notés avec un accent circonflexe, i.e. Êx = Ex/I, Ĥx = Hx/I, etc. Toutes les étapes ultérieures du traitement (projection sur repère fixe, ellipses de pola-risation, ...) seront basées sur ces champs normalisés. Le calcul est réalisé pour la fréquence fondamentale et pour un nombre d’harmoniques impaires laissé au choix de l’opérateur. En général, on va jusqu’à l’harmonique 17 f0, comme sur la figure 12, ceci dans un but méthodologique afin de pouvoir comparer le résultat obtenu sur les harmoniques supérieures d’une fréquence f0 basse avec le ré-sultat obtenu sur la fondamentale d’une fréquence f0 plus élevée (on rappelle que les fréquences fondamentales utilisées ici sont échelonnées par pas de 4, donc on dispo-sera entre autres des fondamentales 4 f0 et 16 f0, que l’on pourra comparer aux harmo-niques 5 et 17 de la première fondamentale f0).

8) Calcul du bruit ambiant moyen au voisinage de la fréquence d’émission et autour de chacune de ses harmoniques. Pour chaque voie de mesure, ce bruit est cal-culé comme la moyenne quadratique des modules de toutes les raies spectrales pré-sentes dans une bande de largeur 0.2 f0 (soit ±0.1 f0) autour de chaque harmonique considérée (cette dernière étant exclue bien entendu), c'est-à-dire dans la bande [F-0.1 f0, F[ U ]F, F+0.1 f0] 15, où F = n f0 est soit la fréquence fondamentale (si n=1) soit une de ses harmoniques impaires (si n=3,5,7...). Ceci revient à évaluer la puissance moyenne du bruit autour de chaque harmonique d’émission et à en prendre la racine carrée pour obtenir une estimation de l’amplitude efficace du bruit à cette fréquence. Statistiquement, il y a tout lieu de penser que ce bruit est également présent sur la raie d’émission analysée, ce qui a pour conséquence de biaiser (en plus ou en moins) l’estimation du signal reçu de la source. On ne peut cependant pas retirer le bruit car sa phase est aléatoire et on ne sait pas dans quel sens il joue (en corollaire, le bruit

15 Vers la fin de l’étude, il a été décidé d’élargir la bande latérale à 0.5 f0, soit 0.25 f0 de part et d’autre de chaque harmonique. Ceci permet une estimation plus fiable, et souvent plus modérée, du bruit efficace.



ne peut pas être dissocié en parties réelles et imaginaires). La valeur de bruit ob-tenue nous donne seulement une idée de la dispersion (écart-type) qu’on pourrait ob-server si on répétait un grand nombre de fois la mesure sur la voie considérée. Noter que la largeur spectrale d’analyse du bruit est la même pour toutes les harmo-niques d’une même fréquence f0 d’émission (largeur 0.2 f0, correspondant à un nombre de composantes spectrales égal à Round[Nraie(f0)/5]), mais cette largeur se modifie dès qu’on change de fréquence d’émission f0, c'est-à-dire quand on change de séquence d’enregistrement. Le bruit calculé sur chaque voie de mesure est présenté de deux manières : d’abord sous la forme classique de rapport Bruit/Signal(%) puis sous une forme moins habi-tuelle de bruit normalisé par le courant d’émission, i.e. Bruit/I (exprimé dans la même unité que le signal). L’intérêt de cette forme normalisée est de permettre une comparaison directe avec les fonctions de transfert Signal/I et avec les réponses syn-thétiques qui sont calculées pour un courant de 1 A (voir rapport théorique au §3.3).

9) Projection des champs sur les directions du repère géographique utilisé. Tous les calculs décrits précédemment sont d’abord réalisés suivant le repère intrin-sèque de la station courante. Cela signifie que les séries temporelles des champs, leurs spectres, les fonctions de transfert et les niveaux de bruits sont tous évalués se-lon les directions locales uX et uY

16. Dans le but de pouvoir tracer les résultats avec des logiciels du commerce comme Surfer, les champs normalisés complexes (Ex/I, Ey/I, Hx/I,...) sont ensuite projetés sur les axes du repère géographique utilisé pour le levé (e.g. Nord et Est Lambert).

L’estimation du bruit sur les directions géographiques se fait par projection de la « boite de bruit », ce qui revient à calculer une borne supérieure du bruit dans ces deux direc-tions (bruit le plus pessimiste).

10) Calcul des ellipses de polarisation et de leurs paramètres descriptifs. Comme vu dans le rapport théorique au §4.5, la composition de 2 ou 3 composantes de champ orthogonales ayant chacune des phases différentes définit une polarisation elliptique, pour le champ électrique comme pour le champ magnétique. Ceci signifie que le vec-teur champ décrit au cours de chaque période une ellipse plane bâtie sur les vecteurs en phase et quadrature. Par exemple, pour le champ électrique on a :

E(t) = cos(ωt) Ep - sin(ωt) Eq , (8)

où Ep est le vecteur champ électrique en phase (partie réelle de E) et où Eq est le vec-teur champ électrique en quadrature (partie imaginaire de E). À la surface du sol, l’ellipse électrique est horizontale, tandis que l’ellipse magnétique est portée par un plan quelconque. Le demi grand axe de chaque ellipse est un nou-veau vecteur (e.g. Ema pour le champ électrique) qui intègre les vecteurs en phase et quadrature et qui peut être utilisé à leur place de manière pertinente, puisque sa lon-gueur représente la véritable intensité du champ considéré. Cette longueur est utilisée notamment pour estimer le rapport Signal/Bruit dans le repère géographique.

16 Ces directions sont données très précisément par les relevés GPS des 4 électrodes de potentiel Mx, Nx, My, Ny : en effet, étant donnée la précision centimétrique du GPS Orphéon (voir plus loin) et la grande distance (≈ 100 m) séparant deux électrodes appariées, les azimuts des vecteurs uX et uY sont déterminés à mieux que le 1/20 de degré (noter que ces vecteurs n’ont pas besoin d’être parfaitement orthogonaux puisqu’on utilise une projection et non une rotation du repère). En revanche, l’alignement précis des capteurs magnétiques sur les directions électriques est très difficile à réaliser : pour le moment, il est réalisé à la boussole, mais celle-ci ne peut pas être approchée des capteurs à cause des noyaux magnétiques. Par conséquent, la visée est assez imprécise et une erreur de plusieurs degrés est possible.



Les paramètres des ellipses de polarisation sont calculés, en particulier leur grand axe et leur ellipticité (rapport petit axe/grand axe). NB : il faut préciser qu’il s’agit en fait des ellipses calculées à partir des champs normalisés par le courant, Ê = E/I et Ĥ = H/I.

11) Calcul d’une résistivité apparente en courant continu (DC). Ce calcul est réali-sé à partir de la norme du vecteur champ électrique en phase normalisé par le courant, ||Ep||/I. Basé sur la géométrie source-récepteur, il fait intervenir les coordonnées GPS de la station considérée et des tubages LEMAM, ainsi que la longueur de ces derniers.

12) Stockage de l’ensemble des résultats dans un tableau Excel propre à la station sélectionnée et à la fréquence d’émission f0 (fondamentale) étudiée ; ce tableau con-tient autant de lignes que d’harmoniques calculées pour la fréquence f0. Les colonnes de ce tableau fournissent, dans l’ordre, les informations suivantes : a) caractéristiques géographiques et géométriques de la station courante ; b) caracté-ristiques de l’émission (fréquence, intensité) ; c) champs normalisés (fonctions de transfert complexes) Ex/I, Ey/I, Hx/I, Hy/I, Hz/I dans le repère local, sous forme po-laire puis sous forme cartésienne ; d) champs normalisés Enorth/I, Eeast/I, Hnorth/I, Heast/I dans le repère géographique, sous forme polaire puis sous forme carté-sienne ; e) paramètres graphiques (azimuts, longueurs) pour le tracé des vecteurs champs horizontaux (Epxy/I, Eqxy/I, Emaxy/I, Hpxy/I, Hqxy/I, Hmaxy/I) en tant que « posts » du logiciel Surfer ; f) paramètres descriptifs (demi grand axe, ellipticité) des ellipses de polarisation électrique et magnétique ramenées à 1A ; g) variables de traçabilité per-mettant de reconstituer toutes les étapes du traitement (nombre d’échantillons traités, fichiers de correction, fichiers de calibration, nombre de raies utilisées pour le calcul du bruit, etc) ; h) bruit sur les raies adjacentes (voir point 8), d’abord sous la forme de rap-port Bruit/Signal(%), dans le repère local puis dans le repère géographique, puis sous la forme de bruit normalisé par le courant Bruit/I, dans le repère local puis dans le re-père géographique ; i) paramètres graphiques (azimuts, longueurs) pour le tracé des « boites de bruit » sous Surfer ; j) résistivité apparente DC et nom du fichier *.src (source) utilisé pour le calcul.

La séquence de traitement ainsi définie est répétée pour toutes les autres fréquences fondamentales f0 de la station en cours, puis pour toutes les autres stations du levé.

À la fin du traitement, on peut rassembler les résultats obtenus pour toutes les stations du levé à une fréquence donnée (fondamentale ou harmonique) dans un tableau Ex-cel global qui permettra de tracer toutes sortes de cartes à cette fréquence : courbes d’isovaleurs d’amplitude ou de phase d’une composante géométrique complexe du champ ; tracés vectoriels du champ électrique ou magnétique en phase, en quadrature ou du grand axe de l’ellipse ; contours d’égale longueur de ces vecteurs ; contours de résistivité apparente ; etc.

NB : L’étude théorique réalisée dans le cadre du projet EMSAPCO2 a montré que les fré-quences les plus pertinentes pour surveiller une bulle de CO2 profonde se situent entre 0.1 et 10 Hz (cf. rapport BRGM/RP-60981-FR). Dans le présent rapport, pour des questions de temps et de budget, nous nous limitons essentiellement à la fréquence 0.5 Hz, qui était également utilisée dans la plupart des modèles numériques. À cette fréquence, l’épaisseur de peau moyenne dans les terrains de surface sur le plateau de Chuelles est d’environ 5 km. Par conséquent, hormis aux stations les plus éloignées de la source, le rapport r/δ (nombre d’induction) qui mesure le retard de phase lié à l’induction EM, restera faible. Les champs E et H seront donc essentiellement en phase avec le courant injecté (partie réelle dominante, partie imaginaire négligeable en première approximation). Pour cette raison, on s’intéressera principalement aux composantes en phase de E et de H.



En chaque station, on peut aussi rassembler les résultats obtenus à toutes les fré-quences (fondamentales ou harmoniques) dans un tableau Excel spécifique, qui per-mettra de tracer des sondages fréquentiels et des diagrammes d’Argand (c'est-à-dire tracés dans le plan complexe). Cet aspect fréquentiel de l’analyse des données n’était pas inclus dans le programme de travail du projet EMSAPCO2 ; il n’a donc pas pu être abordé dans la présente étude par manque de temps et de budget, mais il constituera un objectif prioritaire du projet « EM-Hontomín » sélectionné par l’ANR au titre du pro-gramme SEED 2011.

4.5. DIFFÉRENCES TIME-LAPSE

Dans un cadre de monitoring, lorsque deux campagnes ont été réalisées à des époques différentes sur un même site, il faut ensuite calculer la différence des champs entre les deux campagnes. À cette fin, nous avons développé un autre logiciel, égale-ment sous MATLAB, dénommé Delta_proc. Ce logiciel réalise la soustraction des don-nées issues de deux campagnes, en supposant qu’elles ont été mesurées aux mêmes endroits (mais pas nécessairement avec les mêmes orientations de capteurs).

Pour chaque composante vectorielle du champ EM ramené à un courant source uni-taire, i.e. Êp = Ep/I, Êq = Eq/I, Ĥpxy = Hpxy/I, Ĥqxy = Hqxy/I, Ĥpz = Hpz/I, Ĥqz = Hqz/I, Ĥpxyz = Hpxyz/I, Ĥqxyz = Hqxyz/I)17, le programme Delta_proc calcule la différence entre les deux levés considérés. Par exemple, pour le vecteur électrique en phase Ep, la varia-tion vectorielle de champ entre les deux levés s’écrit dÊp = Êp2 - Êp1 = Ep2/I2 - Ep1/I1.

Par analogie avec les résultats présentés dans le rapport théorique, on étudiera surtout la norme de cette variation, ||dÊp|| = ||Êp2 - Êp1|| = ||Ep2/I2 - Ep1/I1||, ainsi que sa mesure relative exprimée en pourcentage du champ initial Êp1, soit ||dÊp||/||Êp1||(%).

On calcule aussi la variation de norme du vecteur considéré, e.g. d||Êp|| = ||Êp2||-||Êp1||, ainsi que sa mesure relative d||Êp||/||Êp1||(%), mais il faut noter que ce paramètre est, par certains aspects, moins informatif : en effet, dans le cas d’une rotation du champ à longueur constante, il indique une variation nulle18. Pour tirer pleinement parti de ce paramètre, il faut le coupler avec la variation d’azimut, e.g. dAzi(Ep) = Azi(Ep2)-Azi(Ep1), qui indique la rotation du vecteur Ep dans le plan horizontal.

Enfin, le bruit sur la différence des deux levés est obtenu en faisant la somme des puissances de bruits de chaque levé : l’amplitude globale du bruit sur la différence est donc égale à la racine carrée de la somme des carrés des amplitudes du bruit nor-malisé par le courant sur chaque levé. Par exemple, pour le champ électrique :

2

2

2

2

1

1 __ˆd ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

IBruit

IBruitBruit_ EEE . (9)

17 Dans la suite, pour simplifier l’écriture, on omettra parfois l’accent circonflexe sur les composantes du champ EM normalisé. 18 La variation de norme de Êp a cependant l’avantage d’être signée et d’être reliée à la variation de résis-tivité apparente par un coefficient de proportionnalité positif, propre à chaque station (coefficient géomé-trique). Ainsi une augmentation de 1% de ||Êp|| signifie une augmentation de même valeur de la résistivité apparente.



5. Premier test LEMAM de mars 2009

5.1. CALENDRIER

La première campagne de mesures sur le site de Chuelles s’est déroulée du lundi 9 au vendredi 13 mars 2009 (incluant le chargement du matériel et la mise en place et repli depuis Orléans).

Le câble reliant les deux forages d’injection a été installé le lundi 9 après-midi, après avoir effectué les formalités de sécurité auprès de Toreador. Les mesures proprement dites ont été réalisées sur les 4 jours restants, le câble d’émission étant retiré le ven-dredi 13 en fin d’après-midi. La campagne s’est déroulée en période froide et humide (averses répétées de pluie et de grêle) sur des sols détrempés.

Cette semaine de terrain avait pour objectif de tester les différents équipements d’émission et de réception, de valider les procédures d’acquisition, et d’acquérir un levé initial (baseline). Elle s’est avérée bien trop courte pour acquérir une baseline suf-fisante : seulement 10 stations de mesure EM ont pu être acquises. L’implantation de ces stations est donnée à la figure 2.

5.2. MOYENS MIS EN ŒUVRE

Le personnel était constitué en permanence de 4 agents du BRGM : B. Bourgeois, J.F. Girard remplacé en cours d’opération par N. Coppo (ingénieurs), D. Lequin et G. Ri-chalet (techniciens), selon la répartition suivante : - 1 personne pour contrôler l’émission, - 2 personnes pour installer le matériel et assurer la mesure à la station de réception

mobile, - 1 personne pour réaliser le levé topographique par GPS différentiel.

La communication entre les équipes se faisait normalement par talkie-walkie, mais le téléphone portable s’est révélé indispensable au-delà de quelques kilomètres.

Trois véhicules ont été utilisés pour ce levé :

- un fourgon de taille moyenne était utilisé pour abriter le matériel d’émission et l’enregistreur ADU-06 associé (voir figure 16) : en l’occurrence, il s’agissait d’un fourgon Fiat Escudo de location ;

- un véhicule de type fourgon ou fourgonnette est nécessaire pour chaque équipe de mesure mobile : dans ce cas il n’y avait qu’une seule équipe mobile et le véhicule utilisé était un fourgon Iveco 4x4 ;

- enfin, un véhicule de liaison de type fourgonnette Partner était utilisé pour le relevé topographique : lors d’un levé initial (baseline), on effectue le relevé GPS précis des capteurs (électrodes et capteurs magnétiques, repérés par jalonnettes) immé-diatement ou peu après la fin de la mesure ; lors d’un levé répété, au contraire, on utilise le GPS différentiel avant la mesure pour implanter les capteurs au même en-droit que lors du levé initial.



Figure 16 : Matériel d’injection électrique et de contrôle installé près du forage SF-502.

Le principal matériel de géophysique utilisé lors de ce test était le suivant :

• 1 émetteur Zonge GGT-3 (3 kW), fonctionnant dans la gamme de fréquence 1/16 Hz - 8192 Hz, alimenté par un groupe électrogène triphasé 400 Hz, 3 kVA (Zonge ZMG-3, poids 55 kg). Noter qu’il s’agit d’un émetteur mixte, pouvant injecter aussi bien sur un câble fermé (boucle inductive) que sur une paire d’électrodes (bi-pôle galvanique). Dans le cas de notre injection galvanique en double-LEMAM, compte tenu de la très faible résistance de contact des tubages avec le sol, l’appareil a été utilisé en mode « boucle fermée ».

• 1 émetteur Tx-3000 (3 kW) d’IRIS Instruments (en secours) fonctionnant dans la même gamme de fréquence que le GGT-3, alimenté par groupe électrogène 50 Hz 3 kVA (Honda). Noter qu’il s’agit d’un émetteur inductif, conçu pour injecter sur une boucle fermée (résistance inférieure à 20 Ω) sans contact avec le sol. Malgré cela, la très faible résistance de contact des longues électrodes avec le sol a permis d’utiliser cet émetteur pour notre injection galvanique en double-LEMAM (avec ce-pendant quelques problèmes de régulation).

• 2 enregistreurs MT de type ADU-06 de Metronix portant les numéros de série 084 (à l’émission) et 089 (à la réception) ; noter qu’un un troisième ADU-06 sera rajouté lors des campagnes ultérieures de septembre 2009 et mars 2010 (cf. §6.2 et 7.2).

• 3 capteurs magnétiques MFS-07 de Metronix portant les numéros de série 34, 35 et 28 (disposés sur les voies Hx, Hy et Hz du récepteur 089) ; noter que trois cap-teurs magnétiques supplémentaires seront rajoutés lors des levés ultérieurs.

• 4 électrodes impolarisables Pb/PbCl de Metronix type EFP-06 et 4 câbles de liaison de 52 m permettant de créer des dipôles de mesure de ΔV de longueur ≈ 100 m.

• 1 capteur de courant à effet Hall fabriqué au BRGM et 1 pince ampèremétrique i30 de marque Fluke (disposés respectivement sur les voies Ex et Ey du récepteur 084). Ces deux capteurs de courant ont la même sensibilité de 100 mV/A.

• 1 GPS différentiel de type LEICA Smart Rover loué auprès de Topo Assistance utilisant le réseau Orphéon. Ce réseau permanent de bases GPS fixes permet d’atteindre une précision centimétrique en X,Y sans la nécessité d’installer et de gérer une station de base.



On notera que le levé de mars 2009 a été commencé en utilisant l’émetteur GGT-3 (stations 1 et 2). En raison d’une panne survenue sur cet appareil après les deux pre-mières stations (rupture de l’arbre de la génératrice 400 Hz), le levé a dû être achevé avec l’émetteur Tx-3000. Malheureusement, ce dernier a montré quelques difficultés à réguler à forte intensité (principalement aux basses fréquences, 0.125 et 0.5 Hz), ce qui a obligé à baisser l’intensité du courant par rapport au GGT-3, au détriment du rap-port Signal/Bruit.

L’instabilité du Tx-3000 aux forts courants semble liée à un échauffement électronique apparaissant après un temps de chauffe variable (<15’ en été, >30’ en hiver). La forme d’onde obtenue avant l’arrêt de l’injection est un carré imparfait. Le phénomène semble lié à l’utilisation des longues électrodes, car il n’a jamais été observé avec des boucles fermées. Le message d’erreur affiché si on essaye d’augmenter le courant fait mention de prétendues « variations de charges », ce qui revient à dire que le courant maximum fluctue. On suspecte que les longues électrodes ramènent aux bornes du Tx des po-tentiels vagabonds, peut-être liés à l’exploitation pétrolière, qui perturbent la régulation.

Un autre point important concernant ce premier levé est le fait que les deux capteurs de courant (capteur à effet Hall fabriqué au BRGM et pince ampèremétrique Fluke) n’ont pas fonctionné constamment en parallèle, suite à des oublis de mise en route de l’un ou de l’autre. Fort heureusement, au moins l’un des deux a toujours fonctionné. Cependant, on découvrira plus tard, lors du levé de sept 2009, que le capteur à effet Hall (branché en voie « Ex » de l’ADU-06) pouvait donner des lectures erronées aux fortes intensités du courant, suite à un défaut de conception électronique provoquant une saturation de la réponse au-delà de 11 A.

5.3. FRÉQUENCES UTILISÉES

Après quelques tâtonnements, la liste des fréquences d’émission et des séquences d’enregistrement associées (« runs ») a été arrêtée comme défini dans le tableau 2 et dans la figure 17 ci-après. Seules les 4 premières séquences (0.125, 0.5, 2 et 8 Hz) ont été acquises à toutes les stations de mars 2009 ; les autres séquences ont été ra-joutées progressivement à partir de la station 7. On notera que les séquences 5-6-7 ne représentent pas de nouvelles fréquences d’émission, mais une reprise des séquences 2-3-4 avec une fréquence d’échantillonnage beaucoup plus élevée (4096 au lieu de 64 Hz).

On rappelle que l’aspect multifréquence et tout ce qui s’ensuit (sondages fréquentiels, diagrammes d’Argand) n’était pas inclus dans le programme de travail du projet EMSAPCO2. L’acquisition sur le terrain aurait donc pu se limiter à la gamme de fré-quences la plus pertinente pour surveiller une bulle de CO2 profonde, à savoir 0.1 - 10 Hz, qui correspond aux 4 premières séquences. Toutefois l’acquisition de 4 fré-quences supplémentaires entre 32 Hz et 2 kHz ne représentait que 2 minutes d’enregistrement supplémentaire par station. Ces fréquences ont donc été rajoutées à la liste à partir de la station 7, dans un but méthodologique, pour une exploitation ulté-rieure. Dans le présent rapport, nous nous limitons essentiellement à l’étude de la séquence 2, c'est-à-dire f0 = 0.5 Hz et Fs = 64 Hz.

On notera dans le tableau 2 que la durée d’enregistrement réelle est toujours différente (en général plus courte) que la durée d’enregistrement demandée à la programmation. On sait que cela est dû à la manière dont sont gérés les paquets d’échantillons dans la mémoire interne (buffer) de l’enregistreur ADU-06 ; mais le comportement exact reste assez obscur.



Run Fréquence d’émission (fondamentale)

f0 (Hz)

Fréquence d’échantillonnage

Fs (Hz)

Durée d’acquisition D demandée (obtenue)

Courant injecté (max. du créneau)

I (A) 1 0.125 64 19’ (18’07’’) 6.2 à 11.8 2 0.5 64 6’ (5’19’’) 6.4 à 10.7 3 2 64 3’ (2’07’’) 7.2 à 10.7 4 8 64 1’ (63’’) stations 1-2

2’ (127’’) stations 3-10 7.2 à 12.5

5 8 (stations 7 à 10) 4096 30’’ (27’’) 7.2 à 12.5 6 2 (stations 7 à 10) 4096 1’30’’ (1’27’’) 7.2 à 7.7 7 0.5 (stations 7 à 10) 4096 5’ (4’55’’) 7.2 à 7.4 8 32 (stations 8 à 10) 4096 30’’ (27’’) 6.7 à 8.2 9 128 (stations 8 à 10) 4096 30’’ (27’’) 8.5 à 9.3 10 512 (stations 9 et 10) 4096 (station 9)

40960 (station 10) 30’’ (27’’) 7’’ (6.4’’)

6.0 à 10.4

Tableau 2 : Liste des fréquences d’émission (fondamentales) utilisées en mars 2009 et principales caractéristiques de la mesure.

Sur fond jaune la liste réduite des 4 séquences utilisées pour les stations 1 à 6.

Figure 17 : Exemple de programmation des séquences d’acquisition avec un ADU-06.

Il s’agit de la station 10 en mars 2009 (démarrage à 13:35:00, fin à 14:25:37, durée totale 51’).



5.4. RÉSULTATS DU LEVÉ TEST DE MARS 2009

La très haute qualité des prises de terre fournies par les tubages a pu être vérifiée : la résistance totale du circuit d’émission, donnée par les afficheurs du GGT-3, valait envi-ron 6.5 Ω (courant I≈ 10 A sous une tension U≈ 65 V). Ceci n’est pas très éloigné de la valeur théorique calculée au §3.4(b) : R ≈ 5.6 Ω dans un terrain à 100 ohm.m sans cimentation. On a vu au §3.4 que la différence de 0.9 Ω peut très bien être attribuée à une couronne de ciment de 5 cm d’épaisseur ayant une résistivité de 3000 ohm.m au-tour de chaque tubage. Une des conclusions de ce premier test est donc que les ci-mentations n’empêchent pas le passage du courant dans le sol, ce qui résout une question soulevée au début du projet.

Paradoxalement, ces prises de terre remarquables empêchent l’utilisation des émet-teurs VIP d’IRIS Instruments car ces émetteurs galvaniques ne sont pas conçus pour injecter sur une résistance inférieure à 20 Ω. Nous avons donc utilisé les émetteurs GGT-3 (Zonge) et Tx-3000 (IRIS) qui sont des émetteurs inductifs, i.e. conçus pour injecter sur des boucles (supposées fermées) de faible résistance. Grâce aux faibles résistances de prise des électrodes LEMAM, ces émetteurs de puissance modérée (3 kW) ont permis d’injecter des courants importants, de l'ordre de 10 A, et d’obtenir de bons rapports S/B jusqu'à plusieurs kilomètres du doublet d'injection (la station 4, si-tuée à 4.5 km du doublet d’injection a encore reçu un signal exploitable).

Nous présentons dans la suite deux stations particulières, affectées par des bruits très différents : l’une proche de la source est peu bruitée (station 2), l’autre éloignée de la source est au contraire très bruitée (station 4). Nous présentons également une station enregistrée à haute fréquence (Fs = 4096 Hz) et nous la comparons à l’enregistrement standard (Fs = 64 Hz).

5.4.1. Exemple de station peu bruitée : station 2, séquence 2 (0.5 Hz)

La station 2 est située à environ 1 km du doublet de longues électrodes et reçoit de ce fait un signal puissant.

La figure 18 montre une portion des traces temporelles enregistrées sur les voies élec-triques ΔVx et ΔVy (courbes bleues) à la fréquence d’émission f0 = 0.5 Hz pour une fréquence d’échantillonnage standard de 64 Hz. Visuellement, ces traces apparaissent très peu bruitées (les oscillations visibles en bordure de créneaux ne doivent pas être confondues avec du bruit, il s’agit du phénomène de Gibbs). On observe une forte composante continue sur les deux voies (≈ -8 mV sur Ex, ≈ +38 mV sur Ey) due à la polarisation spontanée du sol (PS). Par-dessus cette composante continue, l’amplitude du signal carré est de l’ordre de 1 mV (zéro-crête) sur ΔVx et de 4 mV sur ΔVy ; les deux composantes sont affectées de signes négatifs (en effet, les créneaux bleus sont en opposition de phase avec les créneaux rouges).

Après application de la séquence de traitement décrite au §4.4, en particulier les étapes 1 à 5, on obtient les fonctions de transfert électriques Ex/I et Ey/I présentées à la Figure 19. Noter que l’injection en cette station a été réalisée avec l’émetteur GGT-3, qui a une horloge très précise : il n’est donc pas nécessaire de corriger la fréquence nominale.



Figure 18 : Signal mesuré sur les voies électriques à la station 2B (mars 2009) à la fréquence f0=0.5 Hz. En rouge, le courant injecté ; en bleu la différence de potentiel (ddp) mesurée sur les dipôles Mx,Nx et My,Ny (directions locales avant projection sur le repère géographique). Le véritable champ électrique est obtenu en divisant la ddp. par la longueur des dipôles, qui est ici de l’ordre de 100 m. L’échelle de temps est en secondes.

Noter aussi que la durée d’analyse D de la DFT pour cet enregistrement est de 127 périodes d’émission, soit 254 s (ce n’est qu’à partir de la station 3 que la durée d’acquisition s’est stabilisée à 319 s).

Les spectres d’amplitude (en bas à gauche de chaque bloc de la figure 19) montrent des raies d’émission parfaites, complètement dégagées du bruit de fond. Et ceci reste vrai jusqu’à des harmoniques élevées, comme on peut le voir sur la figure 20 pour ce qui concerne la composante Ex, pourtant la plus faible. En pratique, sur cette station, les spectres restent excellents jusqu’à l’harmonique n=49, soit 24.5 Hz, où le courant d’émission n’est plus que de 220 mA environ. Au-delà, le courant (en rouge) et le si-gnal (en bleu) s’effondrent rapidement à cause des filtres analogiques anti-repliement intégrés dans les échantillonneurs ADC. Ces filtres ont pour mission d’éliminer toute fréquence au-delà de la fréquence de Nyquist, qui est ici de 32 Hz. Pour cela, ils doi-vent commencer à couper un peu avant. Pour la fréquence d’échantillonnage Fs = 64 Hz, le début de la coupure se produit visiblement autour de 25 Hz.

Le bruit moyen mesuré sur les composantes spectrales adjacentes de chaque raie d’émission (étape 8 de la séquence de traitement) est présenté sur la figure 21, en fonction de la fréquence, et il est comparé au signal MT que l’on peut prévoir en pé-riode de forte activité (d’après Vozoff, 1991, pour une durée d’analyse de 256 s, sur un terrain à 50 ohm.m). Hormis un point à basse fréquence (lors du premier enregistre-ment) où le bruit magnétique observé est un peu plus fort que la courbe de Vozoff, et hormis quelques points de bruit anthropique à 7.5 et 12.5 Hz, le comportement spectral observé laisse à penser que le bruit mesuré ce jour en cette station était majoritaire-ment d’origine magnétotellurique.

En pratique, la question essentielle est de savoir si le bruit ambiant est suffisamment faible devant le signal de la source pour que l’estimation de ce signal soit fiable. Pour répondre à cette question, on examine le pourcentage de bruit sur les directions de mesure (e.g. Bruit_Ex/Ex et Bruit_Ey/Ey si on s’intéresse au champ électrique).

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-1000

0

1000

Raw data in mV, uncalibrated Tx

_site

002_

B

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-10

-9

-8

-7

Ex

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1030

35

40

45

Ey

Champ électrique Ex (mV)

Courant injecté I (centi-A)

Champ électrique Ey (mV)



244 246 248 250 252 254 256-9.5

-9

-8.5

-8

-7.5

-7

-6.5

Sig

nal E

x (m

V)

244 246 248 250 252 254 256-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Fs: 64 Hz | F0: 0.5 Hz (16256 samples, 127 periods) | Ref: Tx_site002_B -> Ex | Signal: Rx_site002_B -> Ex

Time (seconds)

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)Ref (A)

0 1 2 3 4 5 60

0.005

0.01

0.015

0.02

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

1.5

2x 10-3

X: 0.5Y: 0.001021

Amplitude of spectral ratio : Signal Ex / Ref

|Sig

nal E

x / R

ef |

0 1 2 3 4 5 6-200

-100

0

100

200Phase of spectral ratio : Signal Ex / Ref

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)

Champ électrique Ex (mV)Courant injecté I (A)

Module de la fonction de transfert Ex/I (mV/A)

Phase de la fonction de transfert Ex/I (°)

Ex/I = 1.021 E-3 mV/m à 0.5 Hz

Phase(Ex/I) = 177.67° à 0.5 Hz

244 246 248 250 252 254 25630

35

40

45

Sig

nal E

y (m

V)

244 246 248 250 252 254 256-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Fs: 64 Hz | F0: 0.5 Hz (16256 samples, 127 periods) | Ref: Tx_site002_B -> Ex | Signal: Rx_site002_B -> Ey

Time (seconds)

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Ey (mV/m)Ref (A)

0 1 2 3 4 5 60

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

y (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ey (mV/m)

0 1 2 3 4 5 60

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

X: 0.5Y: 0.003731

Amplitude of spectral ratio : Signal Ey / Ref

|Sig

nal E

y / R

ef |

0 1 2 3 4 5 6-200

-100

0

100

200Phase of spectral ratio : Signal Ey / Ref

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ey

/ Ref

)

Champ électrique Ey (mV)Courant injecté I (A)

Module de la fonction de transfert Ey/I (mV/A)

Phase de la fonction de transfert Ey/I (°)

Ex/I = 3.731 E-3 mV/m à 0.5 Hz

Phase(Ex/I) = -177.3° à 0.5 Hz

Figure 19 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu, et fonctions de transfert Ex/I et Ey/I à la station 2B (mars 2009) pour une acquisition

de 254 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représentés jusqu’à 11 f0 (5.5 Hz).

Ex/I

Ey/I



10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 300

1

2

3

4

5

x 10-4

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025


|Sig

nal E

x / R

ef |

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)



12 14 16 18 20 22 24 26 28 3010-6

10-4

10-2

100

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


101.1 101.2 101.3 101.4 101.5

10-6

10-4

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

10-3

10-2


|Sig

nal E

x / R

ef |

12 14 16 18 20 22 24 26 28 3060

90

120

150


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)Module de la fonction de transfert Ex/I (mV/A)


Figure 20 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu sur la voie Ex, et fonction de transfert Ex/I à la station 2B (mars 2009) pour une acquisition de 254 s à la

fréquence d’émission f0=0.5 Hz, représentés de 31 f0 (10.5 Hz) à 63 f0 (31.5 Hz). Noter l’atténuation due au filtre anti-repliement au-delà de 25 Hz. a) Représentation lin-lin habi-

tuelle. ; b) Représentations lin-log et log-log permettant de mieux apprécier la pente du filtre.

Sur la figure 22a, le bruit sur chaque composante électrique est normalisé par le signal mesuré sur la même composante, ce qui fournit les bruits relatifs Bruit_Ex/Ex(%) et Bruit_Ey/Ey(%). Cette représentation montre que le bruit relatif est beaucoup plus fort sur la composante Ex que sur Ey : sur cette dernière composante, le bruit relatif est quasiment constant et reste inférieur à 0.2% jusqu’à la 51ème harmonique ; sur la com-posante Ex, au contraire, le bruit relatif augmente en kn2 et dépasse 2% aux harmo-niques les plus élevées. Ce comportement n’est pas dû au fait que le bruit soit plus fort sur Ex que sur Ey (il y est au contraire deux fois plus faible) mais est dû au fait que le signal sur Ex est 4 à 10 fois plus faible que sur Ey, comme on le voit sur la figure 22c.

a)

b)



0.1 1 102 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3

Frequency (Hz)

1E-6

1E-5

0.0001

0.001

E (m

V/m

)

H

(mA

/m)

EM signalsE_MT sur 256 s (mV/m)Noise Ex (record A)Noise Ey (record A)Noise Ex (record B)Noise Ey (record B)H_MT sur 256 s (mA/m)Noise Hx (record A)Noise Hy (record A)Noise Hx (record B)Noise Hy (record B)

E_MT sur terrain à 50 Ω.m

H_MT

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61Numéro d'harmonique

Champ E/I(mV/m)

Abs(Ex/I)_(mV/m)

Abs(Ey/I)_(mV/m)

Figure 21 : Bruit moyen observé sur les voies électriques Ex, Ey et sur les voies magnétiques Hx, Hy à la station 2 (mars 2009) lors de la mesure à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz,

représenté jusqu’à 26.5 Hz (53 f0). Ce bruit est comparé au signal MT moyen attendu en période de forte activité pour une durée

d’acquisition de 256 s, sur un terrain à 50 ohm.m (d’après Vozoff, 1991).

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2


Bruit / Signal (%)

NoiseEx/Ex(%)

NoiseEy/Ey(%)

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3


NoiseE/Ema(%)

Noise_Ex/Emaxy(%)Noise_Ey/Emaxy(%)NoiseE/Ema(%)

Figure 22 : Pourcentage de bruit observé sur les voies électriques Ex et Ey à la station 2B (mars 2009) pour les harmoniques 1 à 61 dans le cas d’une fréquence d’émission f0=0.5 Hz. La fréquence varie donc de 0.5 à 30 Hz. a) Bruit normalisé composante par composante, b) Bruit normalisé par le grand axe du vecteur E, c) Module des fonctions de transfert Ex/I et Ey/I.

a) b)

c)



La définition précédente du bruit relatif normalisé composante par composante serait satisfaisante si Ex et Ey étaient deux scalaires indépendants, mais il s’agit en fait de deux composantes géométriques d’un même vecteur (qui est en outre complexe). Dans ce cas, il est plus approprié de normaliser le bruit de chaque composante par une même valeur, égale à la norme du vecteur étudié. S’agissant d’un vecteur com-plexe décrivant une ellipse de polarisation (cf. §4.4, étape (10) du workflow), la norme du vecteur est remplacée par la longueur du demi grand axe de l’ellipse (soit ||Ema|| dans le cas du champ électrique).

Sur la figure 22b, on observe le résultat de cette nouvelle normalisation, à savoir Bruit_Ex/Ema(%) et Bruit_Ey/Ema(%). Maintenant que le même facteur est utilisé pour normaliser les deux voies, on observe bien que le bruit sur Ex est plus faible que sur Ey. On observe surtout que le bruit relatif en pourcentage du grand axe augmente linéairement avec n mais reste inférieur à 0.2% du champ total jusqu’à la 51ème harmonique (≈ 25 Hz), ce qui est tout à fait remarquable.

NB : la linéarité avec n est normale puisque on est dans une plage de fréquence où le bruit MT électrique (numérateur) varie peu avec la fréquence (cf. courbe bleue épaisse sur la figure 21), tandis que l’amplitude des harmoniques du signal carré (dénomina-teur) décroît suivant une loi en 1/n, donc on attend bien que le bruit relatif (ratio) aug-mente linéairement avec le numéro d’harmonique n.

5.4.2. Exemple de station très bruitée : station 4, séquence 2 (0.5 Hz) La station 4 est située à environ 4.5 km de la source et reçoit de ce fait un signal beau-coup plus faible que la station 2. La figure 23 montre une portion des traces électriques acquises lors du premier enregistrement de cette séquence. Sur la voie ΔVy, les cré-neaux de la source sont bien visibles, malgré la présence de bruit, mais sur la voie ΔVx ils ne le sont pas du tout !

Heureusement, la DFT est un traitement très robuste lorsqu’il est appliqué, comme c’est le cas ici, sur une longue durée. En cette station, la séquence 2 a été enregistrée sur 319 s, comme indiqué au tableau 2, ce qui permet théoriquement une durée d’analyse maximale de 318 s (159 périodes). Mais en fait, lors de la première acquisi-tion (station 4A), le Tx-3000 s’est arrêté pendant près de 40 s vers le milieu de l’ enregistrement (voir figure 24), ce qui a conduit à couper la série temporelle en deux tronçons égaux de 140 s (70 périodes)19. D’autre part, il faut noter que la station 4 a été acquise avec l’émetteur Tx-3000, ce qui impose de corriger la fréquence nominale en prenant f0 = 0.5001033 Hz (voir explications au §4.4, étape (6) du workflow).

La figure 24 montre les fonctions de transfert électriques Ex/I et Ey/I obtenues pour cette séquence. Pour chaque voie, la DFT a été effectuée séparément sur chacun des deux tronçons temporels représentés en haut de chaque graphe et la fonction de trans-fert moyenne a été obtenue par la moyenne des interspectres (ou spectres de puis-sance croisés) référencés au courant I. Par exemple, pour la composante Ex, on a :

( )>⋅<>⋅<=

** / moy II

IExIEx , (10)

où l’astérisque désigne la conjugaison complexe, et où < A > désigne l’opération de moyennage sur la série de valeurs de A disponibles (ici 2 valeurs).

19 Sans cette précaution, on a une multiplication de fait par une fonction porte inversée, se traduisant dans le domaine spectral par une convolution par un sinus cardinal (⇒ élargissement et bavage fréquentiel).



Figure 23 : Signal mesuré sur les voies électriques à la station 4A (mars 2009) à la fréquence f0=0.5 Hz. En rouge, le courant injecté ; en bleu la différence de potentiel mesurée sur les dipôles Mx,Nx et My,Ny (directions locales avant projection sur repère géographique). L’échelle de temps est en secondes.

Ce procédé d’estimation du ratio moyen élimine toutes les variations du numérateur qui ne sont pas cohérentes avec celles du dénominateur. Sachant que le courant moyen est obtenu par la racine carrée de l’autospectre moyen (ou moyenne quadratique) :

>⋅<= * moy III , (11)

on obtient un estimateur du signal Ex moyen (le meilleur d’après la théorie) en multi-pliant deux à deux les équations (10) et (11), soit :

>⋅<>⋅<=>⋅<

>⋅<>⋅<=

***

** moy II

IExIIIIIExE , (12)

Sur la voie Ey (figure 24b), les raies d’émission représentées (f0 à 11 f0) apparaissent bien dégagées du bruit de fond, comme le laissait présager l’aspect de la trace tempo-relle. Sur la voie Ex (figure 24a), il est remarquable d’observer que la DFT a été ca-pable de faire apparaître le signal émis par la source, sous la forme de raies émer-geant nettement du bruit à 0.5 Hz et ses harmoniques impaires ; cependant on cons-tate que le bruit est loin d’être négligeable devant le signal : il représente environ 10% du signal, ce qui laisse présager une incertitude du même ordre de grandeur sur l’estimation de Ex/I.

Le bruit ambiant moyen calculé sur les composantes spectrales adjacentes de chaque raie d’émission est présenté sur la figure 25, en fonction de la fréquence. Si on le com-pare au bruit de la station 2 (figure 21), on observe une grande similitude au niveau du champ magnétique (courbes rouges), et au niveau du champ électrique Ey, ce qui tend à prouver qu’on a encore affaire à du bruit essentiellement d’origine MT (hormis les pics de bruit anthropique à 7.5 et 12.5 Hz qu’on retrouve ici aussi). Quant au bruit sur Ex, il est environ 30 plus fort que sur Ey pour le premier enregistrement et 100 fois plus fort pour le second (les courbes en ordonnée logarithmique sont décalées vers le haut de 1.5 et 2 décades respectivement) mais les courbes restent bien parallèles au bruit sur Ey. Ceci exclut une origine anthropique pour le bruit sur Ex, hypothèse qui avait été avancée au départ à cause de la proximité du village de Chuelles à 1 km plus au sud.

10 12 14 16 18 20 22 24 26

-1000

0

1000

Raw data in mV, uncalibrated

Tx_s

ite00

4_A

10 12 14 16 18 20 22 24 2633

34

35

Ex

10 12 14 16 18 20 22 24 2617.8

18

18.2

Ey


Courant injecté I (centi-A)




0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 32030

32

34

36

38

40

Sig

nal E

x (m

V)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Time (seconds)

Fs: 64 Hz | F0: 0.5001 Hz (70 periods) | Ref: Tx_site004_A -> Ey | Signal: Rx_site004_A -> Ex

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


0 1 2 3 4 5 60

0.5

1

1.5x 10-3

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

0 1 2 3 4 5 60

1

2x 10-4

X: 0.5001Y: 9.825e-005

Amplitude of spectral ratio : Signal Ex/ Ref

|Sig

nal E

x / R

ef |

0 1 2 3 4 5 6-200

-100

0

100

200Phase (Signal Ex / Ref )

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)


Courant injecté I (A)



Ex/I = 9.825 E-5 mV/m à 0.5 Hz

Phase(Ex/I) = -0.03° à 0.5 Hz

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 32017.5

18

18.5

19

19.5

Sig

nal E

y (m

V)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320

-10

-5

0

5

10

Ref

(A)

Time (seconds)

Fs: 64 Hz | F0: 0.5001 Hz (70 periods) | Ref: Tx_site004_A -> Ey | Signal: Rx_site004_A -> Ey

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Ey (mV/m)Ref (A)

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5x 10-4

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

y (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ey (mV/m)

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

6x 10-5

X: 0.5001Y: 3.035e-005

Amplitude of spectral ratio : Signal Ey/ Ref

|Sig

nal E

y / R

ef |

0 1 2 3 4 5 6-200

-100

0

100

200Phase (Signal Ey / Ref )

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ey

/ Ref

)

Module de la fonction de transfert Ey/I (mV/A)

Phase de la fonction de transfert Ey/I (°)

Ey/I = 3.035 E-5 mV/m à 0.5 Hz

Phase(Ey/I) = -26.89° à 0.5 Hz


Courant injecté I (A)

Figure 24 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu, et fonctions de transfert Ex/I et Ey/I à la station 4A (mars 2009) pour une acquisition en deux segments de

140 s à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz. Spectres représentées jusqu’à 11 f0 (5.5 Hz). Noter qu’il s’agit de la moyenne des spectres des deux segments disjoints.

a)

b)



0

0.00002

0.00004

0.00006

0.00008

0.0001

0.00012

0.00014

0.00016

1 5 9 13 17 21 25

Champ E/I(mV/m)

Abs(Ex/I)_(mV/m)

Abs(Ey/I)_(mV/m)

Figure 25 : Bruit moyen observé sur les voies électriques Ex, Ey et sur les voies magnétiques Hx, Hy à la station 4 (mars 2009) lors de la mesure à la fréquence d’émission f0=0.5 Hz,

représenté jusqu’à 26.5 Hz (53 f0). Ce bruit est comparé au signal MT moyen attendu en période de forte activité pour une durée

d’acquisition de 256 s, sur un terrain à 50 ohm.m (d’après Vozoff, 1991).

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

NoiseEx/Ex(%)

NoiseEx/Ex(%)

NoiseEy/Ey(%)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

NoiseE/Ema(%)

Noise_Ex/Emaxy(%)Noise_Ey/Emaxy(%)NoiseE/Emaxy(%)

Figure 26 : Pourcentage de bruit observé sur les voies électriques Ex et Ey à la station 4A (mars 2009) pour les harmoniques 1 à 25 dans le cas d’une fréquence d’émission f0=0.5 Hz. La fréquence varie donc de 0.5 à 12.5 Hz. a) Bruit normalisé composante par composante, b) Bruit normalisé par le grand axe du vecteur E, c) Module des fonctions de transfert Ex/I et Ey/I.

0.1 1 102 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3

Frequency (Hz)

1E-6

1E-5

0.0001

0.001

E (m

V/m

)

H

(mA

/m)

EM signalsE_MT sur 256 s (mV/m)Noise Ex (record A)Noise Ey (record A)Noise Ex (record B)Noise Ey (record B)H_MT sur 256 s (mA/m)Noise Hx (record A)Noise Hy (record A)Noise Hx (record B)Noise Hy (record B)

E_MT sur terrain à 50 Ω.m

H_MT

a) b)

c)



La seule explication plausible au comportement observé est la présence probable d’un décalage statique (effet galvanique) sur la mesure de Ex. Comme le bruit sur Ex augmente d’un facteur 3 en une demi-heure (intervalle de temps entre les deux répétitions) on est amené à penser qu’il s’agit d’un mauvais contact entre une élec-trode (Mx, Nx) et le sol. Cette hypothèse semble confirmée par le fichier d’autotest qui a noté une résistance de prise de 800 kΩ sur cette voie, soit environ 800 fois plus que la normale (e.g. on a seulement 1200 Ω en cette même station sur la paire My, Ny).

Pour savoir jusqu’à quel indice les harmoniques du signal sont exploitables, la figure 26 présente le bruit relatif sur chaque composante électrique. On retrouve les deux présentations possibles du bruit relatif déjà discutées à la figure 22, mais ici la 2ème présentation (normalisation du bruit par le grand axe de E) est biaisée par l’effet galvanique sur Ex. En effet, à cause de la multiplication de Ex par un facteur ≈ 30, le grand axe de l’ellipse est artificiellement grand et pratiquement confondu avec Ex (po-larisation quasi-rectiligne). On examinera donc surtout la figure 26a, et principalement la composante Ey, qui n’est pas sujette à caution.

On constate que le pourcentage de bruit électrique en cette station est relativement fort dès les premières harmoniques (> 2.5%). Curieusement, sur Ey, le meilleur rapport S/B est obtenu pour l’harmonique 5. De l’harmonique 13 (6.5 Hz) à l’harmonique 25 (12.5 Hz), le bruit est de l’ordre de 10% du signal, ce qui laisse présager une incerti-tude du même ordre sur l’estimation de E/I. Ceci n’est pas acceptable en termes de répétitivité de la mesure en monitoring profond, où les réponses recherchées dépas-sent rarement 6% du champ initial.

Pour cette raison, il semble raisonnable de ne conserver que les harmoniques 1 à 11, pour lesquelles le bruit électrique sur Ey reste inférieur à 5%. Ce plafond de 5% sera adopté dans la suite. Si on veut des fréquences plus élevées en une station, trois solu-tions s’offrent à nous : a) diminuer le bruit en intégrant sur une durée plus longue : une acquisition 4 fois plus longue (soit sur 21’), doit théoriquement donner un bruit relatif 2 fois plus faible (on peut aussi attendre une accalmie dans le bruit MT mais cela est très aléatoire) ; b) augmenter le signal avec une source plus puissante, mais on atteint vite les limites acceptables en termes d’encombrement et de coût ; c) acquérir avec une fréquence fondamentale f0 plus élevée, permettant d’atteindre la fréquence F recherchée avec un n faible, voire égal à 1 (F = f0) ; dans ce cas il sera préférable de garder la même durée d’acquisition, c'est-à-dire de ne pas adapter la durée d’acquisition à 128 périodes ou autre multiple de la période fon-damentale 1/f0 comme on l’a fait à tort jusqu’à présent.

NB : À cause de la coupure intempestive du Tx-3000 lors du premier enregistrement, l’acquisition à 0.5 Hz a été recommencée dans la demi-heure suivante (station 4B). Malheureusement, le second enregistrement a été encore plus affecté que le premier par le décalage statique (dû à un mauvais contact ?) sur la voie Ex : sur cette voie, le bruit comme le signal, qui étaient déjà anormalement forts, ont encore été multipliés par environ 3, rendant la différence time-lapse sans intérêt. Par ailleurs, le bruit sur Ey a légèrement augmenté à basse fréquence (≈ +10% pour F<3 Hz), mais a légèrement diminué à haute fréquence (≈ -10% pour F>6 Hz), comme on le voit sur la figure 25. Une analyse de la répétitivité sur la seule voie Ey (non illustrée) montre un écart relatif moyen de l’ordre de 1.3% entre les deux acquisitions pour les harmoniques 1 à 11.



5.4.3. Station 10 à 0.5 Hz : comparaison entre Fs=64 et Fs=4096 échant/sec

Pour les quatre dernières stations (nos 7 à 10) de mars 2009, la fréquence d’émission f0 = 0.5 Hz a été enregistrée une seconde fois (séquence no 7) avec une fréquence d’échantillonnage 64 fois plus rapide que d’ordinaire (Fs = 4096 Hz au lieu de 64 Hz habituellement). D’après le critère de Nyquist, cet échantillonnage permet théorique-ment d’étudier les harmoniques du signal jusqu'à 2048 Hz (exclu), c'est-à-dire jusqu’à l’harmonique n=4095 !

La première conséquence du changement de fréquence d’échantillonnage est la modi-fication de la fréquence de coupure des filtres analogiques anti-repliement équipant les échantillonneurs ADC : comme on le voit sur la figure 27, la fréquence de coupure de ces filtres passe-bas se trouve maintenant autour de 1600 Hz (n ≈ 3200).

La station 10 est située à 1260 m de la source, le signal y est donc assez fort. En cette station, la durée d’acquisition pour la séquence no 7 était de 4’55’’, mais à cause de 2 courtes interruptions du Tx, l’enregistrement a dû être tronçonné en 5 segments dis-joints de 48 s chacun, totalisant 4 min. Ces segments sont moyennés par la méthode des interspectres en utilisant les formules (10) à (12). Finalement, la durée totale d’analyse est à peine inférieure à celle de la séquence no 2 (4’ au lieu de 5’18’’), mais la résolution spectrale, qui contrôle l’amplitude du bruit (voir rapport théorique au §3.3), est nettement moins bonne qu’à la séquence 2 (Δf= 1/48 Hz au lieu de 1/318 Hz). On peut donc s’attendre à un bruit 2 ou 3 fois supérieur à celui de la séquence no 2.

0 50 100 150 200 2505

10

15

20

25

Sig

nal E

x (m

V)

0 50 100 150 200 250

-5

0

5

Ref

(A)

Fs: 4096 Hz | F0: 0.5001016 Hz (196568 samples, 24 periods) | Ref = Tx_site010 : Ey | Signal = Rx_site010 : Ex

Time (seconds)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10-3

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

2

4

6

8x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1Amplitude of spectral ratio : Signal Ex / Ref

|Sig

nal E

x / R

ef |

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)

Figure 27 : Spectres d’amplitude du courant injecté et du champ électrique reçu sur la voie Ex, et fonction de transfert Ex/I à la station 10 (mars 2009) pour un enregistrement de 240 s à la fré-quence d’émission f0=0.5 Hz, pour une fréquence d’échantillonnage de 4096 Hz. Les spectres

sont représentés de 400 f0 à 4000 f0 (i.e. 200 à 2000 Hz). Les calculs ont été réalisés en prenant f0 = 0.5001016 Hz. Observer l’atténuation rapide due au filtre anti-repliement au-delà de 1600 Hz.



Malgré cette situation, les spectres et fonctions de transfert présentés à la figure 27 pour la voie Ex semblent très cohérents et très peu affectés par le bruit jusqu’à des fréquences de l’ordre de 600 Hz (au-delà un bruit de nature inconnue prend le pas sur le signal émis par la source et les résultats deviennent incohérents). Ce résultat inat-tendu est tout à fait remarquable quand on sait que le courant injecté à cette harmo-nique est seulement de 3 mA ! Une des raisons expliquant ce très bon résultat est la détermination très précise de la fréquence d’émission du Tx-3000 rendue possible par l’échantillonnage haute fréquence.

On rappelle que les stations 7 à 10 ont été enregistrées avec l’émetteur Tx-3000, dont l’horloge n’est pas très exacte (mais est supposée constante). Pour une émission à la fréquence nominale de 0.5 Hz, il avait été déterminé précédemment une première es-timation de la fréquence vraie, f0 = 0.5001033 Hz, à l’aide des harmoniques disponibles dans les enregistrements standard à Fs=64 Hz. L’existence d’harmoniques beaucoup plus élevées dans les enregistrements à Fs=4096 Hz permet d’affiner cette détermina-tion et d’obtenir une nouvelle estimation plus exacte de la fréquence d’émission, f0 = 0.5001016 Hz. Bien que l’écart entre ces deux estimations soit très faible (≈ 3 ppm), on va voir dans les deux figures qui suivent que l’effet est important au niveau des harmoniques élevées. On notera que ces figures concernent en fait la station 7, située à seulement 726 m de la source.

La figure 28 ci-après montre les spectres d’amplitude du courant I et du champ magné-tique Hy, ainsi que la fonction de transfert Hy/I, aux alentours de 1200 Hz, pour quatre valeurs légèrement différentes de la fréquence d’émission f0. Ce sont les cas c) et d) qui sont les plus favorables, puisqu’ils donnent les amplitudes les plus fortes pour les spectres de I et de Hy ; les deux cas sont très proches l’un de l’autre, mais le cas c) est légèrement plus favorable, c’est donc la valeur f0 = 0.5001016 Hz qui sera retenue.

La figure 29, qui examine le courant I et le champ électrique Ex à 1700 Hz, confirme la pertinence de ce choix. Avec la nouvelle valeur de f0 = 0.5001016 Hz (cas a), la raie d’émission correspondant à l’harmonique 3401 (F=1700.8455 Hz) dessine un pic étroit, bien symétrique et sans lobes latéraux. En revanche, avec l’ancienne valeur de f0 = 0.5001033 Hz (cas b), la composante spectrale calculée pour la même harmonique (F=1700.851, point noir) est localisée sur le flanc droit du pic d’émission (le maximum de courant apparaît en fait sur l’échantillon spectral précédent, i.e. à F=1700.8426 Hz). En outre, on constate que le pic est beaucoup plus large, avec deux lobes latéraux, à cause de la convolution du spectre par un sinus cardinal (voir plus haut). Le bruit en-globé sur la raie d’émission est donc nécessairement plus grand, à cause du phéno-mène de bavage fréquentiel évoqué au §4.4. La fonction de transfert Ex/I en est bien évidemment affectée : d’une valeur de 0.04698 dans le cas a), elle passe à 0.05342 dans le cas b), ce qui représente un écart de près de 14%. La première valeur est évi-demment la plus fiable puisqu’elle est moins exposée au bavage fréquentiel !

NB : Aux harmoniques élevées, on constate qu’il y a apparition de bruit sur le courant I entre deux raies d’émission. Si on veut travailler à haute harmonique, il faudra donc également calculer le bruit ambiant moyen sur le courant (en moyennant les bandes spectrales adjacentes à chaque harmonique considérée) et en déduire une estimation de l’écart-type sur la mesure de I. Il faudra ensuite propager ce bruit sur le rapport E/I (pour le moment, le bruit relatif sur le rapport E/I est supposé égal au bruit relatif sur E).



1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10-3

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum

Signal Hy (mA/m)Ref (A)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

2

4

6

8x 10-5

X: 1210Y: 5.124e-006

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

y (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hy (mA/m)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1Amplitude of spectral ratio : Signal Hy / Ref

|Sig

nal H

y / R

ef |

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 1220-200

-100

0

100

200Phase of spectral ratio : Signal Hy / Ref

Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Hy

/ Ref

)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10-3

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

2

4

6

8x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

y (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hy (mA/m)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

X: 1210Y: 0.06194

Amplitude of spectral ratio : Signal Hy / Ref

|Sig

nal H

y / R

ef |

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 1220-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Hy

/ Ref

)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10-3

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

2

4

6

8x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

y (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hy (mA/m)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

X: 1210Y: 0.06324


|Sig

nal H

y / R

ef |

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 1220-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Hy

/ Ref

)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.2

0.4

0.6

0.8

1x 10-3

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

2

4

6

8x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal H

y (m

A/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Hy (mA/m)

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 12200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

X: 1210Y: 0.06351


|Sig

nal H

y / R

ef |

1200 1202 1204 1206 1208 1210 1212 1214 1216 1218 1220-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Hy

/ Ref

)

Figure 28 : Spectres de I et de Hy autour de 1210 Hz pour 4 valeurs légèrement différentes de f0. L’amplitude la plus forte est obtenue pour f0=0.5001016 Hz, suivie de près par f0=0.5001010 Hz. Données : Station 7 de mars 2009, émission à « 0.5 Hz », échant. à Fs= 4096 Hz, durée 294 s.

f0 = 0.5001033 Hz

b)

d)

f0 = 0.5001024 Hz

f0 = 0.5001016 Hz

f0 = 0.5001010 Hz

a)

c)



112 112.5 113 113.5 114 114.5 115-100

-80

-60

-40

-20

0

20

Sig

nal E

x (m

V)

112 112.5 113 113.5 114 114.5 115

-5

0

5

Ref

(A)


Time (seconds)

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

1

2

3x 10-4

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

0.5

1

1.5

2x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

X: 1701Y: 0.04698


|Sig

nal E

x / R

ef |

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.9-200

-100

0

100


Frequency (Hz)

Pha

se (S

igna

l Ex

/ Ref

)

b)

f0 = 0.5001016 Hz

112 112.5 113 113.5 114 114.5 115-100

-80

-60

-40

-20

0

20S

igna

l Ex

(mV

)

112 112.5 113 113.5 114 114.5 115

-5

0

5

Ref

(A)


Time (seconds)

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

1

2

3x 10-4

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

0.5

1

1.5

2x 10-5

Frequency (Hz)

|Sig

nal E

x (m

V/m

)|

Amplitude Spectrum

Signal Ex (mV/m)

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.90

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

X: 1701Y: 0.05342


|Sig

nal E

x / R

ef |

1700.7 1700.72 1700.74 1700.76 1700.78 1700.8 1700.82 1700.84 1700.86 1700.88 1700.9-200

-100

0

100


Frequency (Hz)P

hase

(Sig

nal E

x / R

ef )

a)

f0 = 0.5001033 Hz

Figure 29 : Spectres du courant I et du champ électrique Ex au voisinage de 1700.8 Hz pour deuxvariantes de f0. a) Avec l’ancienne estimation de la fréquence d’émission (f0 = 0.5001033 Hz), on

observe un décalage à droite d’un demi échantillon spectral et un net élargissement (en sinus cardinal) des raies d’émission de I et de Ex ; les amplitudes estimées au niveau du rond noir sont fortement sous-estimées. b) Avec la nouvelle estimation de cette fréquence (f0 = 0.5001016 Hz),

les raies d’émission de I et de Ex sont deux fois plus fines, parfaitement symétriques et sans lobes latéraux ; leurs amplitudes crêtes sont apparemment bien estimées.

Données : Station 7 de mars 2009, émission à « 0.5 Hz », échant. à Fs= 4096 Hz, durée D= 114 s.



NB : on peut se demander si les très faibles ajustements de f0 rendus nécessaires pour exploiter les très hautes harmoniques ont un effet également sur les basses harmo-niques. La réponse dépend en fait du niveau de bruit ambiant. En fait, l’élargissement spectral lié à une mauvaise estimation de f0 (et le mécanisme de bavage fréquentiel qui en découle) est le même à toutes les harmoniques, hautes ou basses. Mais à basse harmonique le bruit relatif est généralement faible, le bavage fréquentiel est donc très réduit, l’erreur sur f0 est donc moins préjudiciable.

Pour revenir à la station 10, la figure 30 ci-dessous montre les pourcentages de bruit ambiant relatif pour toutes les composantes électriques et magnétiques mesurées à cette station à la séquence 7, sur une large gamme de fréquences allant de 0.5 Hz à 600 Hz (harmoniques 1 à 1201). Jusqu’à l’harmonique 1000 (≈ 500 Hz), hormis les pics liés aux multiples du 50 Hz, le bruit relatif se maintient à moins de 10% sur toutes les composantes du champ EM (sauf sur le champ Hz, mais ceci n’a rien d’étonnant dans la mesure où les capteurs magnétiques verticaux n’étaient pas correctement fixés). Ce résultat est vraiment remarquable si l’on pense que le courant injecté par la source à 500 Hz est seulement de l’ordre de 4 mA.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 1001 1101 1201Numéro d'harmonique

NoiseEx/Ex(%)

NoiseEx/Ex(%)

NoiseEy/Ey(%)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 101 201 301 401 501 601 701 801 901 1001 1101 1201Numéro d'harmonique

NoiseHx/Hx(%)

NoiseHx/Hx(%)

NoiseHy/Hy(%)

NoiseHz/Hz(%)

Figure 30 : Pourcentage de bruit moyen sur les bandes latérales (normalisé composante par composante) observé à la station 10 (mars 2009) sur les voies électriques (tracé de gauche) et magnétiques (tracé de droite), pour les harmoniques 1 à 1200 (0.5 à 600 Hz) dans le cas d’une

fréquence d’émission f0=0.5 Hz et pour une fréquence d’échantillonnage Fs=4096 Hz. Noter qu’ici, le bruit ambiant latéral a été calculé avec des bandes spectrales à ±25% de f0.

On retiendra de ces quelques enregistrements à échantillonnage rapide qu’il semble prometteur d’échantillonner à plus haute fréquence, tout en gardant les mêmes durées d’acquisition assez longues. Ceci permettrait de monter plus haut dans le spectre d’émission sans détériorer la résolution spectrale. De tels enregistrements ouvrent la voie à des traitements élaborés permettant de regrouper entre elles (« stacker ») plu-sieurs hautes fréquences voisines (e.g. par la méthode des interspectres) et ainsi amé-liorer le rapport S/B à ces fréquences comme cela est fait couramment en MT, sans pour autant perdre d’information utile. En effet, dans le cas d’un signal périodique de période T0 (=1/f0), les harmoniques obtenues par DFT sont réparties à pas régulier entre f0 et la fréquence de Nyquist : f0, 2 f0, 3 f0, 4 f0,...(<Fs/2)20. Or, en EM comme dans de nombreuses disciplines de la physique, les fréquences utiles sont réparties réguliè-rement sur des échelles logarithmiques, à raison de K fréquences par décade (ou par

20 Dans le cas d’un signal carré ou autre signal symétrique (e.g. signal triangulaire), seules les harmo-niques impaires sont exprimées.



octaves en acoustique) ce qui revient à un pas exponentiel. Par conséquent, au-delà de la première décade du spectre d’émission (f0 à 9 f0) où toutes les harmoniques sont nécessaires, les harmoniques fournies par la DFT sont pléthoriques et pourront être regroupées par paquets pour améliorer le rapport S/B : par exemple, sur la figure 31, les 450 harmoniques impaires comprises entre 101 f0 et 999 f0 pourront être regrou-pées en une dizaine de paquets du style 102 f0, 102.1 f0, 102.2 f0, 102.3 f0, ..., 103 f0.

100 101 1020

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

|Ref

(A)|

Amplitude Spectrum


Figure 31 : Spectre d’amplitude d’un signal carré à 0.5 Hz avec une représentation

logarithmique de l’axe des fréquences de f0 à 1000 f0.

Le seul inconvénient pratique d’un échantillonnage plus rapide est la taille plus impor-tante des fichiers de stockage : par exemple, une acquisition de 5 min à Fs = 4096 Hz (run 7) représente environ 4720 ko par voie de mesure, tandis qu’une acquisition de 5 min 20 s à Fs = 64 Hz (run 2) représente seulement 80 ko par voie. Pour une acquisi-tion classique à 5 voies de réception et 1 voie d’émission, le besoin de stockage sup-plémentaire est d’environ 27 Mo par station ; ce nombre est à multiplier par le nombre de stations et éventuellement à augmenter si d’autres runs sont concernés par cette approche (par exemple le run 1, à f0 = 0.125 Hz, qui est environ 4 fois plus long).

Pour un levé commercial d’une centaine de stations, le supplément de stockage né-cessaire serait au maximum de quelques dizaines de Go, ce qui n’a aujourd’hui au-cune incidence en termes de coût ou d’ergonomie. En outre, il n’est pas forcément nécessaire d’acquérir à 4096 Hz, puisqu’on a vu que les signaux deviennent trop faibles au-delà de 600 Hz : dans le cas présent, une acquisition à 2048 Hz (avec filtre anti-repliement à 800 Hz) serait amplement suffisante.

Quant à la transformée de Fourier, celle-ci ne pose de problème : sous Matlab, la DFT sur quelques millions d’échantillons21 est réalisé en des temps très brefs, de l’ordre de la seconde au maximum.

5.4.4. Cartes à la fréquence 0.5 Hz

Les dix stations acquises au cours du premier levé ne sont pas très bien réparties spa-tialement mais elles permettent déjà de tracer des embryons de cartes des compo-santes du champ. La zone couverte par les mesures dessine une espèce de triangle allongé vers le NE dont la base se situe au niveau des longues électrodes d’injection.

21 Le maximum est de l’ordre de 11 millions d’échantillons, au-delà on observe un dépassement de mé-moire.

f0=0.5 Hz 10 f0 100 f0 1000 f0



La figure 32 présente les champs électrique et magnétique en phase mesurés à 0.5 Hz, à la fois sous la forme de flèches indiquant la direction de chaque vecteur et de courbes isovaleurs (contours) en couleur donnant la norme de ces vecteurs. Seules les composantes en phase (parties réelles) sont présentées car, à 0.5 Hz, les compo-santes imaginaires sont très faibles, comme on l’a déjà dit plus haut.

Les champs mesurés sont comparés aux champs simulés à la surface d’un terrain ho-mogène de résistivité 100 ohm.m (correspondant à la craie supérieure, cf. figure 5). Pour la lisibilité de la figure, les vecteurs simulés (disposés en grille régulière) sont représentés avec un symbole beaucoup plus petit que les vecteurs mesurés et leurs contours d’amplitude ne sont pas coloriés.

Pour ce qui est de l’azimut des vecteurs, qu’ils soient électriques ou magnétiques, on observe une très bonne correspondance visuelle entre vecteurs mesurés et vecteurs calculés.

Pour ce qui est des isovaleurs de norme des vecteurs, on notera d’abord que les con-tours simulés sont affichés en unités SI (V/m ou A/m), alors que les contours mesurés sont en millièmes de SI (mV/m ou mA/m) : les contours étant logarithmiques, il est aisé d’appliquer mentalement un décalage de 3 décades entre les deux échelles.

Qualitativement, on observe une bonne correspondance dans la forme des contours mesurés/simulés qui dessinent des courbes fermées allongées autour des deux longues électrodes (hippodromes pour le champ électrique E, ellipses pour le champ magnétique H). La déformation des contours au voisinage du forage SF-549 est un artefact d’interpolation due à l’absence de station de mesure au NE de cette électrode.

Quantitativement, on observe que les amplitudes magnétiques mesurées sont très proches des amplitudes magnétiques simulées.

En revanche, les amplitudes électriques simulées sont 2 à 4 fois plus fortes que les amplitudes électriques mesurées. Cette différence peut en partie s’expliquer par le fait que les simulations sont calculées avec des électrodes ponctuelles en surface et non avec des longues électrodes : en effet, avec une électrode LEMAM, le courant est ré-parti sur toute la longueur du tubage et il y a donc moins de champ électrique en sur-face qu’avec une électrode ponctuelle. Mais on sait que cet effet disparaît rapidement au-delà d’une distance horizontale égale à la longueur de l’électrode (voir figure 7). Dans notre cas, au-delà de r = 1 km, le ratio de champ électrique entre électrode ponc-tuelle et électrode LEMAM doit être inférieur à 1.2. À distance supra-kilométrique, l’effet d’électrode est donc faible et ne peut pas expliquer les ratios supérieurs à 2 qui sont observés22.

Par conséquent, ces ratios ne peuvent que traduire le manque de réalisme du modèle théorique utilisé. Même en restant sur un simple modèle homogène, si on prend une résistivité de 50 ohm.m23 au lieu de 100 ohm.m, les amplitudes électriques simulées devraient être divisées par 2 (⇒ décalage de 0.3 en log10||E||), ce qui devrait assurer une concordance acceptable entre amplitudes électriques mesurées et simulées.

22 Bien entendu, l’idéal serait d’utiliser un modèle 1D réaliste avec longues électrodes d’injection, mais cette option n’est pas encore opérationnelle dans le logiciel OPTEM. 23 Une telle résistivité peut être considérée comme réaliste si l’on prend en compte les couches argileuses situées sous la craie.



641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549

PZO-CHU

Stations measured during 2nd and 3rd surveys (sept. 2009 and march 2010)

Stations measured during all 3 surveys(march & sept. 2009, march 2010)

Electric (E) or magnetic (H) vectorscalculated on a 100 Ω.m ground

S07

Electric (↑) or magnetic (↑) vectorsmeasured at 0.5Hz and adjacent noise(In-phase ↑ , Quadrature , Noise )

LEGEND

Magnitude of the measured magnetic vectors [log10(mA/m)]

-2.6 -2.4 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4

Figure 32 : Levé LEMAM de mars 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz (grandes flèches et contours en couleur) avec un champ théorique calculé à 1 Hz sur un terrain

homogène à 100 ohm.m (petites flèches et contours non coloriés). La comparaison sur E n’est pas satisfaisante, ce qui laisse supposer que la résistivité adoptée n’est pas réaliste.

a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase.

a)

b)

641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000N

orth

Lam

bert

2 (m

)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND

-4.2 -3.8 -3.4 -3 -2.6 -2.2 -1.8 -1.4

Magnitude of the measured electric vectors [log10(mV/m)]



Par ailleurs, un tel changement de résistivité ne devrait pas altérer la bonne concor-dance entre amplitudes magnétiques mesurées/simulées car, à basse fréquence, la partie réelle du champ magnétique créé en surface par une injection galvanique n’est pas sensible à la résistivité du milieu homogène ou stratifié 1D (West and Macnae, 1991 ; Edwards et Nabighian, 1991).

La figure 33 confirme ces hypothèses. Les champs mesurés sont maintenant compa-rés aux champs calculés à la surface d’un terrain homogène à 50 ohm.m. Comme pré-vu, les contours du champ magnétique simulé n’ont quasiment pas changé par rapport à la figure 32 alors que les contours du champ électrique ont été divisés environ par 2 24. Grâce à cela, la correspondance est maintenant assez satisfaisante aussi bien sur le champ électrique que sur le champ magnétique.

24 Noter que les contours simulés sont maintenant en millièmes de SI (mV/m ou mA/m) comme les con-tours mesurés.



641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND


-2.6 -2.4 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4

Figure 33 : Levé LEMAM de mars 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ théorique calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m. La comparaison sur E

est maintenant satisfaisante, ce qui prouve que la résistivité adoptée est plus réaliste. a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase.

a)

b)

641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000N

orth

Lam

bert

2 (m

)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND

-4.2 -3.8 -3.4 -3 -2.6 -2.2 -1.8 -1.4






6. Levé LEMAM de septembre 2009 (référence ou « Baseline » du monitoring)

6.1. CALENDRIER

La seconde campagne de mesures sur le site de Toreador s’est déroulée du lundi 14 au vendredi 25 septembre 2009, avec interruption pendant le week-end du 19-20 sep-tembre. Si on exclue les temps de mise en place et repli et l’installation/démontage du câble d’injection, les mesures proprement dites ont duré 8 jours pleins, au cours des-quels 29 stations de mesure EM ont été acquises. Parmi ces stations, 10 sont des ré-pétitions de la première campagne et 19 sont des nouvelles.

En outre, 4 stations ont été reprises à bref intervalle de temps au cours du levé en fai-sant varier certaines conditions de mesure : déplacement intentionnel des capteurs (translation ou rotation), changement d’émetteur, mesure avant/ après une averse.

Au total, 33 stations ont ainsi été mesurées sur 8 jours (sans compter les enregistre-ments défectueux). Cette bonne productivité a pu être obtenue grâce à l’utilisation si-multanée de deux systèmes de réception complets, synchronisés par GPS, opérés chacun par une équipe de deux personnes.

Cette seconde campagne s’est déroulée à la fin de l’été sur des sols desséchés. Au départ, les sols étaient pulvérulents sur plus de 10 cm d’épaisseur, ce qui exigeait un bon arrosage pour obtenir un contact correct des électrodes avec le sol. Après quelques averses survenues entre le 3ème et le 4ème jour, les sols étaient un peu humi-difiés sur une dizaine de centimètres, ce qui permettait de ne pas arroser les élec-trodes, mais au-delà de cette profondeur, les terrains restaient tout de même très secs.


Le personnel était constitué en permanence de 6 personnes, 5 agents du BRGM : B. Bourgeois, N. Coppo, V. Naudet (ingénieurs), D. Lequin et G. Richalet (techniciens), et 1 technicien de CGGV : Bertrand Pagès, selon la même répartition que lors du pre-mier levé : - 1 personne pour contrôler l’émission (changement de fréquence, envoi du courant,

enregistrements de contrôle), - 4 personnes pour assurer la mesure aux deux stations de réception mobiles, - 1 personne au GPS différentiel pour le relevé topographique des nouvelles stations

et pour la réimplantation des anciennes stations.

À quelques exceptions près, le matériel utilisé était le même que lors du premier levé (cf. §5.2). L’émetteur utilisé en standard était le GGT-3 de Zonge, cependant, les sta-tions 2 et 7 ont été répétées avec le Tx-3000 pour comparaison. Trois récepteurs ADU-06 étaient en service, l’un pour le contrôle de l’émission (s/n 084), les deux autres à la réception (s/n 002 et 089). L’ADU portant le numéro de série 002 (utilisé en réception) était un appareil de location, loué chez Metronix. Trois capteurs magnétiques supplé-mentaires ont été utilisés avec cet ADU, 2 capteurs MFS-06 portant les numéros 189 et 190, et un capteur MFS-07 de location (loué chez Metronix) portant le numéro 042.



Le dispositif d’émission était identique à celui de la première campagne.


L’éventail des fréquences adopté est celui de la dernière station de mars 2009, com-prenant huit fréquences successives : 0.125, 0.5, 2, 8, 32, 128 et 512 Hz, complétées ponctuellement (pour 20 stations sur les 33) par la fréquence 2048 Hz (voir tableau 3).

Run Fréquence d’émission (fondamentale)

f0 (Hz)

Fréquence d’échantillonnage

Fs (Hz)

Durée d’acquisition D demandée (obtenue)

Courant injecté (max. du créneau)

I (A) 1 0.125 64 10’ (8’30’’) 9.7 à 13.1 2 0.5 64 6’ (5’19’’) 9.7 à 13.0 3 2 64 3’ (2’07’’) 8.5 à 12.2 4 8 64 1’ (63’’) 8.9 à 13.7 5 8 4096 30’’ (27’’) 11.8 à 12.2 6 32 4096 30’’ (27’’) 11.4 à 13.5 7 128 4096 30’’ (27’’) 7.2 à 13.0 8 512 40960 7’’ (6.4’’) 4.8 à 8.5 9 2048 (stations 10, 13

à 22bis, 23bis, 25 à 29) 40960 7’’ (6.4’’) 2.9

Tableau 3 : Liste des fréquences d’émission (fondamentales) utilisées en septembre 2009 et principales caractéristiques de la mesure.

6.4. RÉSULTATS DU LEVÉ DE SEPTEMBRE 2009

Des rapports S/B très satisfaisants ont été obtenus jusqu'à plusieurs kilomètres de la source : ainsi la station 12 (la plus lointaine), située à près de 7 km du doublet d’injection, a enregistré un signal très exploitable à 0.5 Hz, avec un bruit relatif de seu-lement 2% du signal (bruit MT essentiellement).

Il n’est pas possible de présenter individuellement toutes les données acquises. La figure 34 présente sous forme de cartes l’ensemble des résultats pour la partie réelle des champs électrique et magnétique mesurés à 0.5 Hz. Cette figure utilise la même présentation que la figure 33, en particulier la résistivité du terrain homogène utilisé pour calculer les données simulées est égale à 50 ohm.m.

Sur les contours de champs mesurés, on observe plus clairement la réponse en forme d’ellipses ou d’hippodromes allongés dans l’axe du dipôle émetteur : la zone couverte étant plus étendue et la densité de mesure étant plus grande, l’interpolation est mieux contrainte que pour le premier levé et, par conséquent, la correspondance avec les contours théoriques est meilleure. Cependant, on constate qu’il reste encore un petit écart sur la norme du champ électrique mesuré/simulé : on peut en déduire qu’un ter-rain homogène de l’ordre de 35 à 40 ohm.m (au lieu de 50 ohm.m) serait encore mieux adapté pour rendre compte des données mesurées.



641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000N

orth

Lam

bert

2 (m

)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

S11

S12

S13

S14 S15S16

S17

S18

S19

S20

S21

S22

S23

S24

S25

S26

S27 S28

S29

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND

-4.2 -3.8 -3.4 -3 -2.6 -2.2 -1.8 -1.4


641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

S11

S12

S13

S14 S15S16

S17

S18

S19

S20

S21

S22

S23

S24

S25

S26

S27 S28

S29

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND


-2.6 -2.4 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4

Figure 34 : Levé LEMAM de septembre 2009. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m.

a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase. On déduit du tracé a) qu’un terrain à 35-40 ohm.m aurait permis un meilleur ajustement des isovaleurs de norme du champ électrique.

a)

b)



Pour terminer l’analyse des résultats de septembre 2009, la différence de champ élec-trique entre les levés de mars et septembre 2009 a été calculée pour les 10 stations de mesure enregistrées à la fois en mars et en septembre. Une estimation de l’écart (ou bruit) de répétition est donnée par la norme du vecteur différence de champ électrique en phase (composante dominante). La figure 35 ci-dessous indique que cette norme est inférieure à 3% du champ initial pour 70% des stations et inférieure à 2% pour 50% des stations25.

Ce résultat est un peu plus élevé que l’objectif théorique qui avait été fixé à 1%, mais il reste cependant compatible avec les réponses calculées par modélisation. Nous ver-rons ultérieurement au §9 que sur une statistique plus longue, portant sur 30 stations répétées, l’écart de répétition moyen est légèrement plus faible, de l’ordre de 1.25%.

Comparaison relative ||dEp||(%) : (Septembre - Mars) / MarsToutes les fréquences fondamentales

02468

101214161820

Rx_sit

e001

Rx_sit

e002

_A

Rx_sit

e003

Rx_sit

e004

Rx_sit

e005

Rx_sit

e006

Rx_sit

e007

Rx_sit

e008

Rx_sit

e009

Rx_sit

e010

Nom des stations

||dEp

||/||E

p||(% 0.125

0.528

Figure 35 : Écarts de répétition constatés à 4 fréquences fondamentales (0.125, 0.5, 2 et 8 Hz) sur les 10 stations répétées entre mars et septembre 2009.

25 Corrélativement, l’angle de rotation du champ électrique en phase est inférieur à 1° pour 70% des sta-tions.



7. Levé LEMAM de mars 2010 (levé de répétition du monitoring)

7.1. CALENDRIER

La troisième campagne de mesures sur le site de Toreador a été réalisée du lundi 15 au mardi 23 mars 2010, avec interruption pendant le week-end du 20-21 mars. Si on exclue 2 jours pour la mise en place/repli et le montage/démontage de la boucle émet-trice, les mesures proprement dites ont duré seulement 5 jours, au cours desquels 32 stations EM ont été acquises. Cette très bonne productivité a pu être obtenue grâce au rodage des équipes, à l’optimisation des procédures et à des conditions météorolo-giques exceptionnelles.

Cette campagne a été réalisée à la fin de l’hiver, sur des terrains globalement humides. Deux semaines de beau temps ayant précédé la mission, les sols de surface n’étaient pas gorgés d’eau et pouvaient même paraître secs par endroit, mais ils étaient incon-testablement beaucoup plus humides que lors du levé de septembre 2009.


Ce levé a mobilisé en permanence 7 personnes, 6 agents du BRGM : B. Bourgeois, JF. Girard, N. Coppo, V. Naudet (ingénieurs), D. Lequin et G. Richalet (techniciens) et un technicien de CGGVeritas (Daniel Villa), qui se répartissent de la même manière que lors des levés précédents.

Le matériel utilisé était sensiblement le même que lors du second levé (voir §6.2). L’émetteur utilisé en permanence était le GGT-3 de Zonge. Comme en septembre 2009, trois récepteurs ADU-06 de Metronix étaient en opération, l’un pour le contrôle de l’émission, les deux autres à la réception. Ces trois récepteurs portaient les numé-ros de série 084, 089 et 039, le dernier étant un nouvel appareil acheté d’occasion chez Metronix, utilisé en permanence à l’émission. Les six capteurs magnétiques utili-sés lors de cette campagne étaient tous des MFS-07, portant les numéros 34, 35, 28 (sur voies Hx, Hy et Hz du récepteur 089) et 101, 103, 157 (sur voies Hx, Hy et Hz du récepteur 084).

Le dispositif d’émission était identique à celui des deux premières campagnes.


Comme en septembre 2009, neuf fréquences successives ont été émises à chaque station : 0.125, 0.5, 2, 8, 32, 128, 512 et 2048 Hz (voir tableau 3). Seule la séquence 9 (f0=2048 Hz, Fs=40960 Hz) n’a pas été enregistrée à toutes les stations : les stations 1, 6 et 23 n’en disposent pas.

La figure 36 montre un exemple des séquences d’enregistrement programmées en standard lors du levé de mars 2010.



Figure 36 : Exemple de programmation des séquences d’acquisition avec un ADU-06.

Il s’agit de la station 8 en mars 2010 (démarrage à 12:04:00, fin à 12:34:07, durée totale ≈ 30’).

7.4. RÉSULTATS DU LEVÉ DE RÉPÉTITION DE MARS 2010

On notera que le traitement des données de sept. 2009 et mars 2010 a été très labo-rieux en raison d’une inversion de voies à l’intérieur de l’un des deux récepteurs MT (ADU-089) de Metronix26. Il a été établi que cette inversion de voies provenait d’une erreur de remontage réalisée par Metronix au cours d’une réparation effectuée dans ses ateliers par son personnel. En outre, une incompatibilité logicielle entre ce même récepteur et le PC de pilotage, a provoqué un dysfonctionnement des capteurs magné-tiques lors du levé de sept. 2009 (mais pas en mars 2010), d’où il s’ensuit une erreur de calibration d’un facteur ≈ 1.7 (à 0.5 Hz) sur les mesures magnétiques réalisées avec ce récepteur pendant ce levé. Ces erreurs ont toutes été corrigées au post-traitement.

La figure 37 présente sous forme de cartes les champs électrique et magnétique me-surés en mars 2010 à 0.5 Hz. Cette figure est à comparer à la figure similaire de sep-tembre 2009 (figure 34). À vue d’œil, les différences sont minimes. Une analyse plus poussée de ces différences est présentée au §9.

26 La voie magnétique marquée « Hx » mesurait en fait la composante magnétique Hz et vice-versa.



641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000N

orth

Lam

bert

2 (m

)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

S11

S12

S13

S14 S15S16

S17

S18

S19

S20

S21

S22

S23

S24

S25

S26

S27 S28

S29

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND

-4.2 -3.8 -3.4 -3 -2.6 -2.2 -1.8 -1.4


641000 642000 643000 644000 645000 646000 647000 648000 649000 650000East Lambert 2 (m)

2330000

2331000

2332000

2333000

2334000

2335000

2336000

Nor

th L

ambe

rt 2

(m)

S01

S02 S03

S04

S05

S06

S07

S08

S09S10

S11

S12

S13

S14 S15S16

S17

S18

S19

S20

S21

S22

S23

S24

S25

S26

S27 S28

S29

SF-502

SF-549

PZO-CHU




S07


LEGEND


-2.6 -2.4 -2.2 -2 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4

Figure 37 : Levé LEMAM de mars 2010. Comparaison du champ mesuré à 0.5 Hz avec un champ calculé à 1 Hz sur un terrain homogène à 50 ohm.m.

a) Champ électrique en phase ; b) Champ magnétique en phase.

a)

b)



8. Différences time-lapse à court terme

Lors de chaque campagne, certaines stations ont été répétées au cours du même levé, soit le même jour, soit au bout de quelques jours. Les conditions de mesure (état de surface du sol, humidité du sol, ...) étaient donc quasiment constantes. On peut de ce fait pronostiquer que les différences time-lapse associées à ces répétitions devraient être plus faibles que sur de longues périodes. Ces écarts à court-terme devraient nous permettre d’estimer la part incompressible du bruit de répétition, celle d’origine métro-logique (variation du bruit ambiant, repositionnement, contacts d’électrodes), par oppo-sition au bruit lié aux variations saisonnières.

Le tableau 4 ci-après fait l’inventaire des répétitions à court terme disponibles (au nombre de 10 sur l’ensemble des 3 campagnes) et résume leurs principales caractéris-tiques. Noter que deux de ces stations ont été acquises trois fois (S26 de sept. 2009 et S08 de mars 2010), ce qui donne lieu à deux estimations différentes des écarts.

Parmi ces répétitions, deux cas extrêmes sont à signaler : - deux répétitions ont été réalisées immédiatement, sans démontage des capteurs (i.e. à environ 1h d’intervalle). Étant donné qu’il ne peut pas y avoir, dans ce cas, d’erreur de repositionnement ni de variation de la résistivité superficielle, les erreurs de répétition éventuelles ne peuvent provenir que des variations du bruit ambiant (signal MT, bruit anthropique), lesquelles sont censées être faibles sur des intervalles de temps aussi courts. Par conséquent, les variations de champ observées dans ce cas devraient représenter un minimum irréductible des erreurs de répétition. - deux répétitions, au contraire, ont été réalisées en changeant complètement la po-sition et l’orientation des capteurs, en effectuant une rotation intentionnelle des direc-tions de mesure de l’ordre de 30° (le délai de répétition était très variable selon le cas). Dans ce cas, on attend au contraire des erreurs de répétition maximales.

Les résultats concernant ces répétitions pour chaque composante vectorielle (Ep, Eq, Hpxy, Hqxy, Hz) sont donnés dans le tableau 5 pour la fréquence 0.5 Hz.

Si on exclue les répétitions par rotation des capteurs (station 26rot) qui donnent des écarts de plusieurs pourcents (lignes surlignées en rose), on constate que les écarts à court terme sur le champ électrique en phase à 0.5 Hz sont tous inférieurs à 1% et que leur moyenne quadratique est de l’ordre de 0.5%. Pour les deux répétitions effectuées sans démonter les capteurs, dans un délai inférieur à 1 heure, cette moyenne est ré-duite à environ 0.3% (deux lignes surlignées en jaune).

Pour le champ électrique en quadrature (d’amplitude plus faible), toujours à 0.5 Hz, les écarts sont inférieurs à 1.5% et leur moyenne quadratique est de l’ordre de 0.8%. Pour les deux répétitions effectuées sans démonter les capteurs, cette moyenne est seule-ment de l’ordre de 0.5%.



Levé Station Démontage Remontage

Délai entre les mesures État du sol Matériel Géométrie et

réglages

Mars 2009 S02 Non 1 heure Inchangé Inchangé Changt. de gains sur voies Ex et Ey

Sept. 2009 S02 Oui 21 heures

Pluie pdt la nuit : sol initialement très sec devenu humide sur environ 10 cm

Tx différents GGT3 puis Tx3000.

Capteurs mags Hx et Hy intervertis.

Injection plus faible avec Tx3000

Sept. 2009 S07 Non 1 heure Inchangé Tx différents Tx3000 puis GGT3.

Injection deux fois plus faible avec

Tx3000

Sept. 2009 S22 Oui 22 heures Inchangé

Capteurs mags. 189,190,42

puis 34,35,28 Changement d’unité

de réception ADU#02 puis #89

Inchangés

Sept. 2009 S23 Oui 25 heures Inchangé

Capteurs mags. 34,35,28

puis 189,190,42 Changement d’unité


Inchangés

Sept. 2009 S26

(S26bis-S26)

Oui 40 heures Inchangé Changement d’unité


Déplacement vo-lontaire des cap-

teurs d’environ 2 m.

Sept. 2009 S26rot

(S26rot-S26)

Oui 41 heures Inchangé Changement d’unité


Rotation volontaire de 31.7° des lignes

de mesure

Mars 2010 S08

(S08bis-S08)

Oui 7 jours Terrain devenu

plus humide dans l’intervalle

Changement d’unité de réception

ADU#89 puis #39 Inchangés

Mars 2010 S08

(S08ter-S08)

Oui 7 jours + 1 heure

Terrain devenu plus humide dans

l’intervalle

Tx différents Zonge GGT3 puis

Phoenix T-3 ADU#089 à nouveau

Injection plus faible avec Phoenix T-3

Mars 2010 S26rot

(S26rot-S26)

Oui 2 heures Inchangé Inchangé Rotation volontaire de 30° des lignes

de mesure

Tableau 4 : Liste des stations répétées à brève échéance sur l’ensemble des 3 levés. Sur fond jaune, les deux répétitions immédiates, sans démontage. Sur fond rose,

les deux répétitions avec rotation volontaire d’environ 30° des directions de mesure.



Station

Distance au plus proche

tubage LEMAM

Ep ||dEp||/||Ep||(%)

dAzi(Ep) (°)

Eq ||dEq||/||Eq||(%)

dAzi(Eq) (°)

Hpxy ||dHp||/||Hp||(%)

dAzi(Hpxy) (°)

Hqxy ||dHq||/||Hq||(%)

dAzi(Hqxy) (°)

Hz dHzp/|Hzp|

dHzq/|Hzq|

S02 - mars 2009 1073 m 0.25% / -0.03° 0.28% / 0.04° 0.76% / -0.14° 4.28% / -0.86° -0.0006% / 0.15%

S02- sept. 2009 1073 m 0.14% / 0.02° 0.54% / 0.3° 1.77% / 0.9° 4.78% / 0.5° 0.013% / 0.34%S07 - sept. 2009 726 m 0.44% / 0.002° 0.67% / -0.15° 0.60% / -0.005° 1.37% / 0.78° -0.003% / -0.083%

S22 - sept. 2009 1825 m 0.41% / -0.03° 0.70% / 0.25° 1.49% / -0.04° 6.97% / -3.7° -0.034% / 0.08%S23 - sept. 2009 2651 m 0.34% / -0.1° 0.38% / 0.13° 3.52% / 1.87° 28.8% / -9.0° 0.01% / -0.22%S26 - sept. 2009 (S26bis - S26) 2506 m 0.62% / -0.23°

0.65% / -0.27°1.74% / 0.2° 1.45% / 0.05°

1.63% / -0.50°3.81% / -1.80°

22.3% / 2.04° 29.0% / 10.4°

0.025% / 0.28%-0.04% / 0.05%

S26rot - sept 2009 (S26rot - S26) 2506 m 2.81% / -1.51° 3.48% / -0.3° 2.24% / -0.23° 20.2% / -2.4° -0.01% / 0.05%

S08 - mars 2010 (S08bis - S08) 459 m 0.50% / -0.05° 0.45% / 0.06° 16.9% / 9.7° 17.0% / 9.8° 0.19% / -0.70%.

S08 - mars 2010 (S08ter - S08) 459 m 0.92% / -0.06° 0.76% / 0.06° 16.2% / 9.2° 18.0% / 10.4° 0.96% / -1.92%

S26rot - mars 2010 (S26rot - S26) 2506 m 2.11% / -1.07° 1.29% / -0.16° 0.55% / 0.28° 5.67% / -0.77° 0.03% / 0.05%

Tableau 5 : Écarts de répétition constatés à 0.5 Hz sur les 10 mesures répétées à court terme.

Pour le champ magnétique en phase à 0.5 Hz, la moyenne quadratique des écarts à court terme (hormis les valeurs extrêmes de la station S08) est de l’ordre de 2.2% ; cette moyenne est réduite à environ 0.7% pour les 2 répétitions sans démontage. Enfin, pour le champ magnétique en quadrature, la moyenne quadratique des écarts à court terme est de l’ordre de 13.5% ; cette moyenne se réduit à environ 3.2% pour les deux répétitions sans démontage.

Les écarts importants observés sur le champ magnétique lors des répétitions avec démontage s’expliquent, comme on l’a déjà évoqué plus haut (voir note 16), par la dif-ficulté d’orienter précisément les capteurs magnétiques. Pour le moment, l’alignement de ces capteurs de longueur métrique est réalisé à la boussole, mais celle-ci ne peut pas être plaquée contre le bord des capteurs à cause des noyaux magnétiquement perméables (ferrites) qui dévient le champ magnétique terrestre : la boussole doit être tenue impérativement à plus d’un mètre de hauteur au-dessus du capteur pour éviter la zone de distorsion magnétique du noyau perméable. En conséquence, la visée est assez imprécise : il semble illusoire d’obtenir une incertitude meilleure que ±3°, corres-pondant à une erreur maximale de ± 5% sur le champ magnétique.

On retiendra que pour le champ électrique à 0.5 Hz, avec le matériel utilisé et dans la configuration de mesure et d’acquisition de ce test, le seuil irréductible de l’erreur de répétition à court terme est de l’ordre de 0.5% (voire 0.25% si on considère uni-quement la 1ère ligne du tableau, qui décrit la seule répétition sans démontage réalisée avec un fort courant d’émission pour les deux mesures).



9. Différences time-lapse à long terme (mars 2010 - sept. 2009)

Les figures qui suivent présentent les principaux résultats concernant les différences time-lapse à 0.5 Hz entre les levés de septembre 2009 et mars 2010. La comparaison porte sur ces deux levés car ce sont les plus complets : ils comprennent 30 stations répétées dont les distances à la source varient de 350 à 6500 m. On rappelle qu’ils ont été mesurés à six mois d’intervalle dans des conditions climatiques contrastées.

La figure 38 présente les écarts absolus de champ électrique normalisé27 en phase et en quadrature observés à 0.5 Hz et les compare au bruit électrique ramené à un cou-rant unitaire constaté sur les bandes spectrales à ±10% autour de la fondamentale f0 = 0.5 Hz

28.

On observe que les écarts électriques en phase ou en quadrature décroissent avec la distance à la source suivant une loi proportionnelle au champ théorique de la source (courbe verte), ce qui indique que les écarts observés sont, en moyenne, des pourcen-tages constants du champ primaire (environ 1%). D’autre part, les écarts en phase sont une à deux décades au-dessus des écarts en quadrature, ce qui reflète la propor-tion moyenne entre champ en phase et champ en quadrature (phase <10°).

Le bruit électrique sur la différence (symboles jaunes) apparait relativement indépen-dant de la distance à la source, ce qui est cohérent avec l’hypothèse d’un bruit d’origine MT ; la moyenne du bruit est égale à 1.02 10-6 mV/m, ce qui est justement égal à la valeur calculée à partir de Vozoff (1991) pour le signal MT électrique à 0.5 Hz sur un terrain à 50 ohm.m pour une acquisition de 256 s après normalisation par un courant de 10 A (cf. rapport théorique, p. 25).

La figure 39 présente la norme de la variation vectorielle de champ électrique en phase (||Êp2-Êp1||) à 0.5 Hz, norme exprimée en pourcentage de la norme du champ initial (||Êp1||), en fonction de la distance à la source. Les barres d’erreur représentent le bruit électrique sur la différence (issu des bandes spectrales latérales à f0) normalisé lui aussi par la norme du champ en phase initial. Le cas des stations S12, S13, S25 montre que lorsque le bruit ambiant est fort, le bruit de répétition est corrélativement grand (8 à 10%). Des exceptions existent cependant, comme la station S27, où le bruit est important mais où l’écart de répétition est faible (≈ 1.5%).

Les stations situées à moins de 4 km de la source montrent généralement une bonne répétitivité (écart < 2%) en présence d’un bruit ambiant relativement faible (< 1% sauf à la station S27). Au-delà de 4 km, bruit ambiant et écart de répétition augmentent con-jointement avec la distance.

Si on élimine les trois valeurs extrêmes correspondant aux stations bruitées S12, S13, S25, on obtient pour les 27 stations restantes un bruit de répétition moyen de 1.27%, avec un écart-type de 0.76%, soit ||dÊp||/||Êp1|| = 1.27 ± 0.76%.

27 Écarts de champs normalisés par le courant Êp=Ep/I et Êq=Eq/I, selon les formules données au §4.5. 28 Il s’agit en fait du bruit total sur la différence time-lapse donné par la formule (9), p.37.



Figure 38 : Écarts absolus observés à 0.5 Hz sur le champ électrique normalisé Ep/I (resp. Eq/I) entre sept. 2009 et mars 2010. Pour chaque station, la norme du vecteur différence en phase (resp. en quadrature) est comparée au bruit sur la différence calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0.

La courbe continue verte qui passe au milieu des croix noires associées à ||dÊp|| représente 1% du champ électrique théorique calculé sur un demi-espace homogène à 50 ohm.m.

Les stations sont classées par ordre croissant de distance au doublet LEMAM.

La figure 40 présente la variation de norme du champ électrique en phase normalisé par le courant (||Êp||=||Ep/I||) entre les deux levés, variation exprimée en pourcentage de la norme du champ initial, soit d||Êp||/||Êp1||. Les trois stations bruitées n’apparaissent pas sur la figure car elles sont hors échelle. Pour les 27 stations res-tantes, on obtient une moyenne de 0.62% avec un écart-type de 1.06%, soit d||Êp||/||Êp1|| = 0.62% ± 1.06% , ou encore ||Êp2||/||Êp1|| = 1.0062 ± 0.00106 .

Puisque la résistivité apparente est proportionnelle à ||Êp||, ceci démontre qu’entre sept. 2009 et mars 2010, la résistivité apparente ρa à 0.5 Hz a augmenté en moyenne d’un facteur multiplicatif égal à 1.006, avec une dispersion assez forte comprise entre 0.9956 (i.e. diminution de 0.44% de ρa) et 1.0168 (i.e. augmentation de 1.68% de ρa). Ce résultat est contraire à l’intuition, puisqu’on s’attendait plutôt à une diminution glo-bale de la résistivité entre l’été et l’hiver, la résistivité superficielle étant normalement plus faible sur terrain humide que sur terrain sec.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

2

3

5

2

3

5

2

3

5

5

3

Var

iatio

n of

the

elec

tric

field

||Ê2-

Ê 1||

(mV/

m)

S3

S26

S22

S10 S14S29

S7

S15

S26rot

S4

S5

S18 S21

S9S2

S20

S27

S16

S28S11

S19

S24

S8S1

S17

S23

S6

S13

S25

S12

S3

S26

S22

S10

S14

S29

S7

S15

S26rot

S4

S5

S18

S21

S9

S2

S20

S27

S16

S28

S11

S19

S24

S8S1

S17

S23

S6

S13

S25

S12

S3

S26S22S10 S14

S29

S7

S15

S26rot

S4S5

S18

S21

S9

S2

S20

S27

S16

S28S11

S19

S24

S8S1

S17S23

S6

S13

S25

S12

LegendIn-phase electric variation ||Êp2-Êp1||Quadrature electric variation ||Êq2-Êq1||Total electric noise in the band 0.45 - 0.55 Hzfor the difference Ê2-Ê1

1% of the theoretical field on a 50 Ω.m ground

Electric field repeatabilityMarch 2010 - Sept. 2009

Magnitude of the electric difference vector||Ê2-Ê1|| (mV/m)

Average noise 1.02E-6 ± 0.70E-6 mV/m

Frequency 0.5 Hz



Figure 39 : Écarts relatifs observés à 0.5 Hz pour le champ électrique normalisé

en phase (||dÊp||/||Êp1||) entre sept. 2009 et mars 2010 (norme du vecteur différence exprimée en pourcents de la norme du vecteur initial). Pour chaque station,

la barre verticale d’écart-type représente en fait le bruit sur la différence, calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0, et normalisé lui aussi par ||Êp1||. Les stations sont classées par ordre croissant de distance au doublet LEMAM.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Rel

ativ

e va

riatio

n of

the

in-p

hase

ele

ctric

fiel

d||Ê

p 2-Ê

p 1||

/ ||Ê

p 1||

(%)

S3 S26S22S10 S14

S29S7S15S26rot S4

S5

S18S21S9 S2

S20 S27S16 S28S11 S19S24S8S1 S17

S23

S6

S13

S25

S12

LegendRelative variation of thein-phase electric vectorNormalized electric noisefor the difference Ê2-Ê1viz. Noise_dÊ / ||Êp1|| (%)in the band 0.45 - 0.55 Hz

In-Phase Electric field repeatabilityMarch 2010 - Sept. 2009

Relative magnitude of the difference vector||Êp2-Êp1|| / ||Êp1|| (%)

Average 1.27 ± 0.76

Frequency 0.5 Hz



Figure 40 : Variations relatives de norme observées à 0.5 Hz pour le champ électrique normalisé en phase (d||Êp||/||Êp1||) entre sept. 2009 et mars 2010

(en pourcents de la norme du champ initial).

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Var

iatio

n of

the

azim

uth

of th

e in

-pha

se e

lect

ric fi

eld

Azi(E

p 2) -

Azi

(Ep 1

) (°)

S3S26S22

S10

S14S29S7

S15

S26rot S4

S5S18

S21

S9

S2

S20

S27

S16

S28

S11 S19

S24S8

S1S17

S23

S6

S13

S25

S12


Variation of azimuth of the horizontal vectorAzi(Ep2)-Azi(Ep1) (Deg)

Average 0.0 ± 0.5

Frequency 0.5 Hz

Figure 41 : Variations d’azimut observées à 0.5 Hz pour le champ électrique en phase entre sept. 2009 et mars 2010. Sur l’ensemble des stations, la variation d’azimut a une

moyenne nulle, son écart type autour de 0 est de 0.5°.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Rel

ativ

e va

riatio

n of

the

in-p

hase

ele

ctric

fiel

d||Ê

p 2|| -

||Êp 1

|| / |

|Êp 1

|| (%

)

S3S26S22S10

S14S29

S7

S15

S26rot

S4

S5 S18 S21

S9S2

S20

S27

S16

S28

S11 S19S24S8

S1

S17

S23

S6

LegendRelative variation of the normof the in-phase electric vector


Relative magnitude of the difference vector||Êp2|| - ||Êp1|| / ||Êp1|| (%)

Average 0.62 ± 1.06

Frequency 0.5 Hz



Figure 42 : Écarts absolus observés à 0.5 Hz sur le champ magnétique horizontal normalisé Hpxy/I (resp. Hqxy/I) entre sept. 2009 et mars 2010. Pour chaque station, la norme du vecteur différence en phase (resp. en quadrature) est comparée au bruit sur la différence calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0. La courbe continue verte qui passe au milieu des croix noires (||dHpxy||) représente

5% du champ magnétique théorique calculé sur un demi-espace homogène à 50 ohm.m.

Enfin, toujours à propos du champ électrique, la figure 41 présente les écarts d’azimut (ou angles de rotation) observés entre les deux levés pour les vecteurs en phase à 0.5 Hz. Comme pour l’amplitude du champ, les stations fortement bruitées S12, S13 et S25 montrent des écarts angulaires importants, proches de 5°. Si on élimine ces trois stations, la moyenne des angles de rotation sur les 27 stations restantes est nulle, avec un écart-type de 0.5°, soit d[Azi(Ep)] = 0° ± 0.5°.

Concernant le champ électrique, les résultats de répétitivité obtenus sont donc parfaitement conformes aux objectifs : ceux-ci avaient été fixés à 1% sur les ampli-tudes et à 1° sur les angles pour être en mesure de détecter et cartographier les ré-ponses différentielles de bulles de CO2 profondes, qui sont de l’ordre de quelques pourcents du champ initial (3 à 15% selon les modèles étudiés).

En revanche, pour le champ magnétique, nous allons voir dans les figures qui suivent que les écarts de répétition observés dans l’état actuel des procédures de terrain sont trop importants pour permettre une utilisation en monitoring de CO2 profond.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

2

3

5

2

3

5

2

3

5

5

3

Var

iatio

n of

the

horiz

onta

l mag

netic

fiel

d|| Ĥ

xy2-Ĥ

xy1||

(mA/

m)

S3

S26

S22

S10

S14

S29

S7

S15S26rot

S4

S5

S18

S21

S9

S2S20

S27

S16

S28S11

S19

S24

S8

S1

S17

S23

S6

S13 S25S12

S3

S26S22

S10

S14

S29

S7

S15

S26rot

S4

S5

S18

S21

S9

S2

S20

S27

S16

S28

S11

S19

S24

S8

S1

S17

S23

S6

S13 S25S12

S3S26

S22

S10 S14S29S7

S15S26rot

S4S5

S18

S21

S9S2

S20S27

S16

S28S11

S19

S24

S8S1

S17

S23

S6

S13S25

S12

Legend

In-phase horizontal magnetic variation (||dĤpxy||)

Quadrature horizontal magnetic variation (||dĤqxy||)Horizontal magnetic noise in the band 0.45 - 0.55 Hzfor the difference Ĥxy2-Ĥxy1

5% of the theoretical horizontal field

Magnetic field repeatabilityMarch 2010 - Sept. 2009

Magnitude of the horizontal magnetic difference vector||xy2-xy1|| (mA/m)

Average noise 1.25E-4 ± 0.38E-4 mA/m

Frequency 0.5 Hz



La figure 42 présente les écarts absolus de champ magnétique horizontal normalisé29 en phase et en quadrature observés à 0.5 Hz et les compare au bruit magnétique ra-mené à un courant unitaire constaté sur les bandes spectrales à ±10% autour de la fondamentale f0 = 0.5 Hz

30.

Comme pour le champ électrique, on observe que les écarts magnétiques en phase ou en quadrature décroissent avec la distance à la source suivant une loi proportionnelle au champ théorique de la source (courbe verte), ce qui indique ici aussi que les écarts observés sont en moyenne un pourcentage constant du champ primaire (ce pourcen-tage est ici de l’ordre de 5%, à comparer à la valeur de 1% observée pour le champ électrique). D’autre part, les écarts en phase sont une décade au-dessus des écarts en quadrature, ce qui reflète la proportion moyenne entre champ en phase et champ en quadrature (phase <10°).

Comme le bruit électrique, le bruit magnétique apparait relativement indépendant de la distance à la source, ce qui est cohérent avec l’hypothèse d’une origine MT ; la moyenne du bruit est égale à 1.25 10-4 mA/m, ce qui est très proche de la valeur calcu-lée à partir de Vozoff (1991) pour le signal MT magnétique à 0.5 Hz pour une acquisi-tion de 256 s après normalisation par un courant de 10 A (cf. rapport théorique, p. 25).

La figure 43 présente la norme de la variation vectorielle du champ magnétique horizontal en phase (||Ĥpxy2-Ĥpxy1||) à 0.5 Hz, norme exprimée en pourcentage de la norme du champ initial (||Ĥpxy1||), en fonction de la distance à la source. Les barres d’erreur représentent le bruit magnétique sur la différence (issu des bandes spectrales latérales à f0) normalisé lui aussi par la norme du champ en phase initial. Le cas des stations S12, S15, S16 et S28 montre encore une fois que lorsque le bruit ambiant est fort, l’écart de répétition est corrélativement grand (7 à 12%). Cependant, certaines stations proches de la source (S1, S7, S10) montrent une mauvaise répétitivité (écart > 8%) en présence d’un bruit ambiant faible (< 1%), une situation qui n’était pas apparue pour la répétitivité électrique. Il s’agit probablement de stations où les cap-teurs magnétiques ont été particulièrement mal repositionnés (cf. note 16 et fin du §8).

Si on élimine les trois valeurs extrêmes correspondant aux stations S1, S10, S12, on obtient pour les 27 stations restantes un bruit de répétition moyen de 4.0%, avec un écart-type de 2.4%, soit ||dĤpxy||/||Ĥpxy1|| = 4.0% ± 2.4%.

Enfin, la figure 44 présente les écarts d’azimut (ou angles de rotation) observés entre les deux levés pour les vecteurs magnétiques en phase à 0.5 Hz. Comme pour l’amplitude du champ, les stations S1, S10 et S12 montrent les écarts angulaires les plus importants, entre 5 et 8°. Si on élimine ces trois stations, la moyenne des angles de rotation sur les 27 stations restantes est quasi-nulle (-0.4°), avec un écart-type proche de 2°, soit d[Azi(Hpxy)] = -0.4° ± 1.9°.

29 Écarts de champs normalisés par le courant Ĥpxy= Hpxy/I et Ĥqxy= Hqxy/I, selon les formules du §4.5. 30 Il s’agit en fait du bruit total sur la différence time-lapse donné par la formule (9), p.37.



Figure 43 : Écarts relatifs observés à 0.5 Hz pour le champ magnétique horizontal normalisé (||dĤpxy||/||Ĥpxy1||) entre sept. 2009 et mars 2010 (norme du vecteur différence exprimée en pourcents de la norme du vecteur initial). Pour chaque station, la barre verticale d’écart-type représente en fait le bruit sur la différence, calculé dans la bande spectrale à ±10% de f0, et normalisé lui aussi par ||Ĥpxy1||.

-0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Var

iatio

n of

the

azim

uth

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e in

-pha

se m

agne

tic fi

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Azi

(Hp x

y2) -

Azi

(Hp x

y1) (

°)

S3

S26

S22

S10

S14S29

S7

S15

S26rot

S4

S5

S18

S21

S9

S2

S20

S27

S16S28

S11 S19

S24S8

S1

S17

S23

S6

S13

S25

S12

In-Phase Magnetic field repeatabilityMarch 2010 - Sept. 2009

Variation of azimuth of the horizontal vectorAzi(Hpxy2)-Azi(Hpxy1) (Deg)

Average -0.4° ± 1.9°

Frequency 0.5 Hz

Figure 44 : Variations d’azimut observées à 0.5 Hz pour le champ magnétique horizontal

en phase entre sept. 2009 et mars 2010. Sur l’ensemble des stations, la variation d’azimut a une moyenne quasi-nulle (-0.4°), avec un écart type de 1.9°.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Distance to Tx (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Rel

ativ

e va

riatio

n of

the

in-p

hase

hor

izon

tal m

agne

tic fi

eld

|| Ĥp x

y2-Ĥ

p xy1

|| / |

|Ĥp x

y1||

(%)

S3

S26S22

S10

S14

S29

S7S15

S26rotS4

S5

S18

S21

S9S2

S20

S27

S16 S28

S11

S19

S24

S8

S1

S17

S23

S6

S13

S25

S12

LegendRelative variation of thein-phase horizontal magnetic vectorNormalized horizontal magnetic noisefor the difference Ĥpxy2-Ĥpxy1

viz. Noise_dĤxy / ||Ĥpxy1|| (%)in the band 0.45 - 0.55 Hz

In-Phase Magnetic field repeatabilityMarch 2010 - Sept. 2009

Relative magnitude of the horizontal difference||pxy2-pxy1|| / ||pxy1|| (%)

Average 4.0% ± 2.4%

Frequency 0.5 Hz



Parmi les stations donnant les plus forts écarts angulaires (>4°), on retrouve les sta-tions S1, S7 et S10 (distance à la source < 1300 m) où une mauvaise répétitivité du vecteur magnétique en phase a déjà été évoquée auparavant (écart relatif > 8%). Puisque le bruit ambiant sur ces stations est très faible (< 1%), on peut, en première approche, supposer que les écarts angulaires observés sont intégralement dus à une rotation des capteurs magnétiques. Par exemple, à la station S1, l’écart angulaire ob-servé (le plus fort de toutes les stations) est égal à -8.33° : si on admet que cet écart provient d’une rotation des capteurs à champ constant, la variation apparente relative du vecteur champ horizontal peut atteindre au maximum sin(8.33°)≈ 14.5%. Or, il se trouve que l’écart vectoriel relatif observé en S1 vaut 14.8%, ce qui laisse entendre que la véritable variation du champ (i.e. hors rotation des capteurs) serait seulement de 0.3%. La même observation peut être faite à la station S7, où dAzi=4.67°, donnant une variation apparente maximale de 8.15%, alors que ||dĤpxy|| observé vaut 8.26%.

Ces observations très cohérentes montrent bien qu’en l’absence de bruit, les varia-tions d’azimut du champ magnétique horizontal reflètent essentiellement les va-riations d’orientation (i.e. rotations) des capteurs magnétiques d’un levé à l’autre, rotations qui sont dans 80% des cas inférieures à 3°, mais qui peuvent dépasser 5° et même atteindre 8° en quelques points de cette étude. Or, une rotation de 3° du repère entraîne une variation apparente du champ magnétique de l’ordre de 5%, puisque sin(3°)≈ 0.052.

Sachant que les réponses magnétiques basse fréquence des bulles de CO2 profondes sont plutôt inférieures aux réponses électriques (l’étude restreinte effectuée jusqu’à présent laisse entrevoir que les réponses magnétiques ne devraient pas dépasser 5 à 10% sur l’ensemble des modèles pertinents), il semble illusoire, dans l’état actuel des techniques de positionnement des capteurs magnétiques, d’espérer utiliser les don-nées magnétiques répétitives pour détecter et cartographier de telles bulles.



10. Conclusion

Les tests de terrain réalisés dans le cadre du projet EMSAPCO2 pour évaluer la repro-ductibilité des méthodes CSEM appliquées au monitoring de CO2 ont répondu à tous leurs objectifs en matière de méthodologie.

Sur les aspects pratiques de la source LEMAM, la configuration des puits rapprochés mis à disposition par Toreador Energy France pour servir de longues électrodes (dis-positif « double-LEMAM dipolaire ») s’est révélée adéquate pour obtenir des mesures de qualité jusqu’à plus de 5 km de la source avec des émetteurs de puissance modé-rée (3 kW). On notera que la présence de deux manchons isolants est indispensable pour assurer l’efficacité de la source si une conduite souterraine relie les tubages d’injection (un seul manchon peut suffire si la conduite est bien isolée du sol).

D’autre part, il a été prouvé que la cimentation des tubages n’empêche pas l’injection : en effet, malgré la couronne de ciment peu conducteur, la résistance de contact de chaque tubage avec le sol reste inférieure à 1 Ω. Avec des intensités d’injection qui dépassent rarement 20 A, le potentiel électrique sur chaque tête de puits ne devrait donc pas dépasser 20 V, ce qui devrait permettre de travailler sur des puits en cours d’exploitation, en présence de pompes immergés ou de capteurs divers, sans crainte de les détériorer.

Les équipements et protocoles de mesure ont été validés : grâce aux faibles résis-tances de prise des tubages, des émetteurs de 3 kW comme le GGT-3 de Zonge ou le Tx-3000 d’IRIS Instruments se sont avérés largement suffisants pour illuminer la zone d’étude jusqu'à plus de 5 km de la source avec de bons rapports S/B. D’autre part, des récepteurs MT de type ADU-06 de Metronix, synchronisés par GPS, sont parfaitement adaptés pour l’acquisition des séries temporelles en CSEM. Enfin, la productivité moyenne a été établie : sur ce site aux accès faciles, elle est de l’ordre de quatre sta-tions par jour et par unité d’acquisition.

La séquence de traitement des données a été mise au point. Un logiciel de visualisa-tion et de traitement des séries temporelles a été développé sous MATLAB. Un second logiciel permet de calculer la différence entre deux levés réalisés sur un même site à des époques différentes. Ces logiciels ont permis le traitement minutieux des trois le-vés réalisés sur le site de Chuelles en mars 2009, septembre 2009 et mars 2010.

La comparaison entre les deux derniers levés a permis d’estimer l’écart (ou bruit) de répétition moyen. La variation moyenne du vecteur champ électrique en phase à 0.5 Hz est de l’ordre de 1.25% du champ initial. La variation d’azimut de ce vecteur a une moyenne nulle et une dispersion égale à ±0.5°. Ce résultat est conforme à l’objectif théorique qui avait été fixé à 1% pour la norme de la variation électrique, et à 1° pour la variation d’azimut.

Il faut noter que ce bruit est la somme de toutes les sources d’erreur possibles : erreurs de repositionnement, modification des contacts d’électrodes (« à-coups de prise »), écarts induits par les variations saisonnières (variation d’humidité superficielle dans la zone-non saturée, battements de la nappe phréatique), variations du bruit EM ambiant (signal MT, bruit anthropique), etc....



D’autre part, l’analyse des répétitions à court-terme (stations répétées au cours d’un même levé), a permis d’estimer la part incompressible de l’écart de répétition, celle d'origine métrologique (variation du bruit ambiant, repositionnement, contacts d’électrodes) : un seuil d’erreur irréductible de 0.5% a été estimé pour le champ élec-trique en phase à 0.5 Hz. Cette valeur peut sans doute être légèrement réduite en utili-sant un émetteur plus puissant.

En faisant la différence entre le bruit de répétition à long terme et celui à court terme, on obtient une valeur de 0.75 à 1% qui représente en théorie le bruit de répétition lié aux variations saisonnières. Pour ce test particulier, on retiendra que les écarts induits par les variations saisonnières ont été très faibles, de l’ordre de 1%, alors qu’on avait pourtant fait en sorte de les maximiser en choisissant des situations climatiques ex-trêmes (fin de l’été et fin de l’hiver).

Dans le détail, l’impact des variations d’humidité saisonnières n’est pas apparu très clairement : la seule observation dans ce sens a été une très légère augmentation de la résistivité apparente (≈ 0.6% en moyenne) sur la période allant de septembre 2009 à mars 2010, ce qui est a priori contraire à l’intuition (la résistivité devrait être plus faible sur terrain humide que sur terrain sec !).

D’après les simulations numériques (Rapport BRGM/RP-60981-FR), on sait que les réponses électriques des bulles de CO2 profondes de taille industrielle seront au moins égales à 5% du champ initial avec des dispositifs LEMAM du type de celui utilisé ici, soit 3 à 4 fois le bruit de répétition. On peut donc conclure que la méthode CSEM à source LEMAM devrait être efficace pour la surveillance du CO2 profond.

Enfin, l’étude des enregistrements à haute fréquence d’échantillonnage a montré que les harmoniques du signal carré étaient exploitables sur au moins 1 décade et parfois jusqu’à 3 décades au-dessus de la fondamentale f0=0.5 Hz (et ce avec un seul enregis-trement temporel de l'ordre de 5 min à au moins 1024 échantillons par seconde).

En analysant ces données large bande, il est apparu que la méthode LEMAM semble avoir une très bonne capacité à sonder verticalement en fonction de la fré-quence, aussi bien en champ proche qu’en champ lointain. Cette capacité inattendue (qui reste à confirmer et à explorer) s’explique peut-être en partie par la focalisation horizontale des courants autour de la longue électrode (symétrie cylindrique), à oppo-ser à la symétrie hémisphérique obtenue avec l’électrode ponctuelle classique.

Ces aspects n’étaient pas inclus dans le programme technique du projet EMSAP et ils n’ont pas pu être explorés en détail au cours de ce projet. Ils seront étudiés de manière approfondie dans le cadre du projet « EM-Hontomín » sélectionné par l’ANR au titre du programme SEED 2011. Dans ce nouveau projet intégralement consacré aux mé-thodes électriques/EM pour la surveillance du CO2, une tâche est consacrée à l’étude des mesures CSEM multifréquentielles à source galvanique, notamment avec la source LEMAM.



11. Bibliographie

Baran N., Lepiller M. and Mouvet C., 2008, Agricultural diffuse pollution in a chalk aqui-fer (Trois Fontaines, France): Influence of pesticide properties and hydrodynamic cons-traints. Journal of Hydrology, 358(1-2), 56-69, DOI 10.1016/j.jhydrol.2008.05.031.

Bourgeois B., Rohmer J. et Girard J.F., 2012, Étude par modélisation numérique des performances de l’électromagnétisme appliqué au monitoring des stockages de CO2 - Influence du contexte géologique et effet des variations extérieures au réservoir. Rap-port BRGM/RP-60981-FR, 117 p, 45 fig., 2 tab, 1 ann.

Edwards R.N. and Nabighian M.N., 1991, The magnetometric resistivity method. In Nabighian M.N. Ed., Electromagnetic methods in applied geophysics, Vol. 2, Applica-tions, part B, Soc. Expl. Geophys.

Kauahikaua J., Mattice M. and Jackson D., 1980, Mise-a-la-Masse mapping of the HGP-A geothermal reservoir, Hawaii. Geothermal Resources Council Trans., 4, 65-68.

Levesque C., 2006. Crosswell electromagnetic resistivity imaging: illuminating the res-ervoir. Middle-East and Asia Reservoir Review, 7, 24-33 (Schlumberger brochure on crosswell EM).

Vozoff K, 1991, The Magnetotelluric method. In Nabighian M.N. Ed., Electromagnetic methods in applied geophysics, Vol. 2, Applications, part B, Soc. Expl. Geophys.

West G.F. and Macnae J.C., 1991, Physics of the electromagnetic induction explora-tion method. In Nabighian M.N. Ed., Electromagnetic methods in applied geophysics, Vol. 2, Applications, part B, Soc. Expl. Geophys.

Remerciements Ce travail a été financé conjointement par le BRGM et par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), programme « Captage et stockage du CO2 », dans le cadre du pro-jet EMSAPCO2 (contrat ANR-07-PCO2-001, 2008-2010).

La société pétrolière Toreador Energy France est remerciée pour la mise à disposition des forages nécessaires à nos expérimentations. Des remerciements particuliers sont adressés à M. Patrick Bonneau, responsable de la base de Triguères, pour son appui logistique (permitage, déclarations à la DRIRE et en mairies), l’accès aux données géologiques et géophysiques de forage, et son expertise d’ingénieur de forage sur les questions relatives aux tubages.





Annexe 1 : Photographies de la zone d’étude

Doline sur le trajet de la boucle dans les bois au lieu-dit les Vallées.

Chemin forestier utilisé pour le passage de la boucle au lieu-dit les Vallées.

Mesure en station (mars 2009).

Centre scientifique et technique

Service RIS 3, avenue Claude-Guillemin

BP 36009 – 45060 Orléans Cedex 2 – France – Tél. : 02 38 64 34 34

Documents

Tests de reproductibilité de la méthode LEMAM sur un site