DEUSTGéosciencesModuledegéophysique
UniversitédelaNouvelle‐Calédonie
Séance3:L’outilgéophysique–lesdifférentesméthodesd’imageriegéophysique
J.CollotServicegéologiquedeNouvelle‐Calédonie
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Séance3:L’outilgéophysique–lesdifférentesméthodesd’imagerie
géophysique
1. Méthodespotentiellesa) Généralités
b) Méthodeélectriquea) Mesuredelapolarisationb) Mesuredelarésistivité
c) Méthodesélectromagnétiquesa) Méthodetelluriqueb) Méthodemagnétotelluriquec) AFMAG
d) CWe) TEMf) VLFg) Georadar
d) Méthodegravimétrique
e) Méthodemagnétique
2. Méthodesacoustiquesa) Généralités
b) Sismiqueréflexion
c) Sismiqueréfraction
d) Sismiquedepuits
3. Autresméthodesa) Radiométrie
b) Télédétection
c) Diagraphies
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1.Méthodespotentielles
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1‐aGénéralités:
• Définitiongénérale– Lesdonnéesdepotentielcorrespondentauxmesuresdeschampsdevecteursqui
dériventd’unpotentiel– Exemple:Legravimètremesurelechampsgravimétriquequidérivedupotentiel
d’attractionnewtonien.– Potentielsélectrique,gravimétrique,électromagnétique,magnétique
Méthodes potentielles
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1‐bMéthodesélectriques
• Utiliséesengéophysiqueappliquéeessentiellementpourlaprospectionminière,l'hydrogéologie,legénieciviletl'archéologie.
• L'ensembledecesméthodespeutêtreclasséenfonctionetdelasourceutilisée:
– sourcesnaturelles(oupassives):• polarisationspontanée
– sourcesartificielles(ouactives):
• polarisationinduite • mesuresderésistivité
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1‐b‐aPolarisationspontanée
• Lapolarisationspontanéeestlaméthodedegéophysiqueappliquéelaplussimpleàmettreenœuvreetlamoinschère.
• Unepolarisationspontanéepeutêtreobservéeparunesimplemesuredeladifférencedepotentielàlasurfacedusoldequelquesmillivoltsàenvironunvolt.
• Originespossiblesdepolarisationspontanée– environnementale,c’estàdirequ’elleestliéeaucourantd’unfluide,
– activitébioélectriquevégétale
– concentrationélectrolytiquedansleseauxsouterraines
– liéeàuneminéralisation.Eneffet,certainesminéralisationspossèdentuneconductiviténaturellequilesferr
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Polarisationspontanée• Quelquesgrandeursobservables:
• Ledispositifdemiseenœuvreesttrèssimpleetnenécessitequedeuxélectrodesetunvoltmètre,maispeutêtredéclinéeendeuxvariantes:
– méthodedel’amplitude
– méthodedugradient
• Méthodedel’amplitude:uneélectrodeestplacéeloindelazoned’étude,desortequ’onpuisselaconsidéreràl'infini,etrestefixeàlastationdebase.Lasecondeautreélectrodeestdéplacéesurlazoneàcartographier.Sondéplacementestorganisélelongdeprofils,desorteàobtenirunecartedespotentielsobtenusquipermetdelocaliserlaminéralisationoulasourcehydraulique.
Méthodes électriques
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Polarisationspontanée• Méthodedugradient:ondéplacelesdeuxélectrodeslelongdeslignesde
profil.Ongardeunedistanceconstanteetpetiteentrelesélectrodes.Ondiviselesvoltagesmesurésparl’écartdesélectrodesafindepouvoirtracerdescartesdegradient.
• Danslesdeuxcas,lesprofilsdoiventêtrechoisisorthogonalementauxstructuressuspectées.
Méthodes électriques
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Polarisationspontanée
Méthodes électriques
• Laméthodedelapolarisationspontanéepossèdeunfaiblepouvoirdiscriminateurentrelesoriginespossiblesdesanomalies
• N’autorisepasdeconsidérationsurlatailledesstructuresenfouies.Enconséquence,ellenepeutêtreutiliséeseulemaisvientforcémentencomplémentd’autressourcesdeconnaissancegéologique.
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1‐b‐bPolarisationinduite
Méthodes électriques
• Méthode utilisée depuis les années 40 et est la conséquence des recherches menées par l’U.S. Navy pour développer un détecteur de mines. Cette technique est utilisée surtout dans le cadre de la prospection minière, aquifère ou géothermale.
• Principe : • Injection de courant continu dans le sol • Les roches accumulent de l’énergie (par le biais de processus
chimiques) • Coupure brutale du courant injecté • Les roches libèrent cette énergie pour revenir à un état
énergétique initial • La décroissance progressive de la différence de potentiel avec le
temps, exprimée en terme de chargeabilité, traduit les propriétés du sol qui s'est chargé comme un accumulateur de faible capacité pour ensuite se décharger.
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Polarisationinduite
Méthodes électriques
• Méthodologie : • A l’aide de deux électrodes d’injection et de deux autres
électrodes de mesure, on observe le retour à zéro de la différence de potentiel induite par l’injection de courant et calculer la chargeabilité M
• 2 techniques : • Technique espace-temps
• dispositif fixe que l’on déplace le long de profils. • Mesures effectuées sur l’ensemble de la zone à prospecter • Interprétation finale se fait grace à une carte de
chargeabilité. • Technique espace-fréquence
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Polarisationinduite• Polarisationinduiteespace‐fréquence:
– onnesecontentepasd’injecteretdecouperlecourantuneseulefois
– onrépètecetteséquenceuncertainnombredefoisetselondeuxfréquencesquinedépassentpas10Hz,parexempleFmin=0,1HzpuisFmax=5Hz.
– Achacunedesfréquences,onmesurelarésistivitéapparentedusous‐solquel’onnommeρminpuisρmax.
– Plusletempsd’injectionducourantdanslesolestgrandetplusladifférencedepotentielVp,quitraduitlesurvoltage,estgrandealorsquel’intensitéresteconstante.
– Plusletempsd’injectionestbrefetplussafréquenceestélevée.
Méthodes électriques
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Polarisationinduite• Polarisationinduiteespace‐fréquence:
– Calculdupourcentagedel’effetdefréquence(FEP)etduparamètrefacteur‐métal(MFP):
Méthodes électriques
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1‐b‐cMesuresderésistivité• Largementutiliséesenprospectionminière,hydrogéologiqueetgénie
civile
• Matérielsimple
• Principe:– Injectiond’uncourantd’uneintensitéconnuedanslesolaumoyendedeuxélectrodes
etàlamesuredeladifférencedepotentielinduiteparlescaractéristiquesdusous‐solàl’aidededeuxautresélectrodes.
– Ondéduitdecesmesureslesvaleursdelarésistivitéapparentedusous‐sol(U=RI)
• 2techniques– Ensondage:enunlieudonnéenvariantlagéométriedudispositif
– Entraînée:traînerledispositifquigardesagéométriefixeetainsieffectuerunecartographieanomalitiquedesrésistivitésapparentes
• L’utilisationdeforageséquipésenélectrodesd’injectionetderéceptionpermetdeconstruiredirectementunecoupegéoélectrique.Celaconsisteàfairedelatomographieélectrique.
Méthodes électriques
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1‐cMéthodesélectromagnétiques• Principegénéral:
– utilisationd’unchampélectromagnétiqueincidentdansunmilieu,etlecturedelaréponsedusous‐solàcettesollicitation.
Méthodes électromagnétiques
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Méthodesélectromagnétiques• Nenécessitentpaslamiseenplaced’undispositifenprisedirectesurle
sol(permetl’aéroporté)
• sourcesnaturelles:– méthodetellurique
– méthodemagnétotellurique
– méthodeaudio(AFMAG)
• sourcesartificielles:– méthoded'inductioncontinue(CW)
– méthoded’inductiontransitoire(TEM)
– méthodetrèsbassefréquence(VLF)
– Géoradar
• Lescourantsélectriquesutiliséssontvariablesenfréquence
• Profondeurd’investigation:H=100(Fθ)1/2 avecF:fréquencedelasource
θ:conductivitédusous‐sol
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐aLaméthodetellurique
• L'ionosphèreestlesiègedecourantsélectriquesintensesquiproduisentunchampmagnétiquevariable.Cechampélectromagnétiqueprimaireinduitdanslacroûteterrestreunchampélectromagnétiquesecondaire.
• Cescourantsélectriquestelluriques,dontleslignesdecirculationsontàl'échelleduglobe,varientconstammentenamplitudeetendirection.Lesvariationslespluslentespeuventêtreassimiléesàdescourantscontinusdontl'intensitéestfonctiondelaconductivitélocale.
• Lamesuredelacomposanteélectriqueduchampélectromagnétiquetelluriquepermetdeconnaîtrelaconductivitédusous‐sol.
Méthodes électromagnétiques
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LaméthodetelluriqueMéthodologie
• 2jeuxd’électrodes:– Lepremierjeud’électrodesestfixeetconstituelastationdebase.
– Lesecondjeuestdéplacésurlazoneàprospecteretconstituelastationmobile.
– Pourchaquenouvellepositiondelastationmobile,oneffectuesimultanémentunemesurededifférencedepotentielauxdeuxstations.
• Ladifférenceentreladifférencedepotentieldelastationmobileetcelledelastationdebaseestdoncunemesuredeladifférencedepotentielinduiteparlescourantstelluriquesetaffranchiedeleursvariations.
• Lesvariationsdedifférencedepotentielcartographiéessontduesauxvariationsdeconductivitédusous‐soletdoncàsaconstitutiongéologique.
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐bLaméthodemagnétotellurique
Méthodes électromagnétiques
• Principe:IDEMQUEMETHODETELLURIQUEMAISONMESURELES2COMPOSANTESDUCHAMPSECONDAIRE(aulieudelaseulecomposanteélectrique)
• Dispositif:électrodesetmagnétomètres
• 2techniques:
• Ensondage
• Dispositif fixe et on fait varier la fréquence de mesure du champ électromagnétique tellurique
• Enprofilage • Déplacement du dispositif à fréquence constante
(conductivités apparentes)
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1‐c‐cLaméthodeAudio(AFMAG)• AFMAG=AudioFrequencyMAGneticfields
• Sourceprimaire=foudreetoragesmagnétiques
• Ondessepropagentàlasurfacedelaterreetbaseionosphère
• Méthodologie:– 2bobinesperpendiculairesmesurentlesvariationsdel’inclinaisondecechamp
électromagnétique– Utiliséenprospectionterrestreetaéroportéeselontechniquedeprofilage
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐dLaméthoded’inductioncontinue(CW)
• Sourceartificiellecontinue(bobine)
• Recepteur(autrebobine):mesurel’inclinaison,l’intensitéetlaphaseduchampsecondaireinduit
• Profilageousondage
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐eLaméthoded’inductiontransitoire(TEM)
Principeetméthode
• Ondisposed’unetrèsgrandeboucledanslaquelleonappliqueunimportantcourantélectriquependantàpeinequelquesdizainesdemillisecondes.
• Cecourantprovoqueàlasurfacedusolunchampmagnétiqueorientéverticalement.Cechamp,s’iltraverseuncorpsgéologiqueconducteur,vacréerdescourantsélectriquessecondairessouterrainsalorsquelechampmagnétiqueprimairesedissipeàlasurface.
• Lescourantsélectriquessecondairesinduisentunchampmagnétiquesecondairedontl’amplitudedécroitrapidementavecletemps.
• Unesecondeboucle,pluspetitequelapremièreetplacéeensoncentrepermetderecevoirlechampmagnétiquesecondaireetdemesurersonamplitude.
• Onrépèteleprocessusplusieursfoisetonstacklesrésultatspourchaquepositiondemesure.
Méthodes électromagnétiques
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Laméthoded’inductiontransitoire(TEM)
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐fLaméthodetrèsbassefréquence(VLF)
Principeetméthode
• Lasourceutiliséedanscetteméthodesontlesondesradioàtrèsbassesfréquences,émisesparunequinzainedebalisesmilitairesutiliséespourlanavigationaérienneetmaritime.Cesondessecomportentcommedesondesplanesetsepropagentsurd’immensessurfacesterrestres.
• Leprincipedelaméthodeestensuitesimilaireàceluidesméthodesd'induction.Elleestcependantlimitéeauprofilageterrestreouaéroportéetautoriselacartographiedelaconductivitéapparente.
• Laméthodetrèsbassefréquenceestcependantlimitéedanssonutilisationlorsquelasourceestinexistanteouinopéranteoudanslecasd’unetopographietropabrupte.
Méthodes électromagnétiques
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1‐c‐gLeGéoradar
Principe
• Attention!Principedifférentdesautresméthodesélectromagnétiques
• Principedepropagationdesondes(etnond’induction):
– Unmilieupossèdeunevitessedepropagationdesondesradioquidépenddesaconstantediélectriqueetdesaperméabilitémagnétique.Enconséquence,lesdifférentesformationsgéologiquespossèdentdesvitessesdistinctes.
– Lesondesémisesparlegéoradars’enfoncentdanslesous‐solouellespeuventseréfléchiràl’interfaceentredeuxmilieuxdevitessesdepropagationdifférentes.Pluslecontrastedevitessesestimportantpluslaquantitéd’énergieréfléchieetdoncrenvoyéeverslerécepteurestimportante.
– Lerécepteurenregistrelestempsd’arrivéedesondesréfléchiesouréfractéesquiarriventjusqueluiavecsuffisammentd’énergie.
Méthodes électromagnétiques
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LeGéoradar• Laperted’énergieélectromagnétiqueaucoursdutrajetdanslesrochesesttrèsimportanteet
limitedefaçonconséquentel’applicabilitédugéoradar• Hlaprofondeurd’investigation:
Méthodes électromagnétiques
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LeGéoradar
• 2techniques:– Profilageréflexion
• Déplacementdugéoradarlelongd’unprofil
– Réfractiongrandangle(WARR)• Idemqu’ensismique
Méthodes électromagnétiques
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1‐dMéthodegravimétriquePrincipe
• Laméthodegravimétriqueconsisteàeffectuerdesmesuresdelacomposanteverticaleduvecteurgravitéàl’aided’ungravimètre.Cesmesuressonteffectuéesenprofilagesurl’ensembledelazoneàétudier.
• Uncertainnombredecorrectionsdoiventêtreappliquéesauxdonnéesavantinterprétation:
– correctioninstrumentale
– correctiondemarées
– correctiond’Eötvös
– correctiondelatitude
– correctionisostatique
– correctiond’altitude (airlibreoubouguer)
– correctiondeterrain
• Cescorrectionspermettentderamenerl’ensembledesmesuresàunevaleurthéoriqueàlasurfacedugéoïde.
Méthode gravimétrique
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• Lacorrectioninstrumentalepermetd’annulerladériveinstrumentale.Lesgravimètresdoiventeneffetrégulièrementêtreréétalonnées.
• Lesmaréesprovoquentnonseulementundéplacementdesfluidesàlasurfaceterrestre,maisaussiunedéformationpluridécimétriquedesformationsgéologiquesquisontélastiques.Cesmouvementsdesmassesrocheusesperturbentdonclocalementlechampgravimétriqueetilconvientdoncdes’ensoustraire.
• Lacorrectiond’Eötvöspermetdecontrebalancerl’accélérationdecoriolisquiaffectelamesuredel’accélérationgravimétrique.
• Lacorrectionisostatiquepermetdecontrebalancerleseffetsdesdifférencesd’épaisseuretdedensitécrustalesquisonttrèsimportantes,parexempleentreunemesureeffectuéeàterreetuneautreacquiseenmer.
• Lacorrectiondelatitudepermetdetenircomptedel’applatissementterrestreauxpôles.
• Lacorrectiond’altitudeviseàsupprimerleseffetsdesgrandesmassesdépassantlegéoïde,cettecorrectionestdite«àl’airlibre»enmeretde«bouguer»surterre.
• Lacorrectiondeterrainpermetd’éliminerleseffetsdespetitesmassesnonprisesencompteparlacorrectiond’altitude,c’estàdirelereliefimmédiat.
Méthode gravimétrique
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1‐eMéthodemagnétique
Principe
• Lamagnétométrieconsisteenlamesuredesanomaliesduchampmagnétiqueterrestre
• Onmesurelemagnétismeinduitetlemagnétismerémanent
• Nécessitel’utilisationdedeuxmagnétomètres:unpremierappareileststatiqueetsertdestationdebase,unsecondappareilestmobileetsertdestationdemesure.Ondéplacelastationdemesure,etpourchacunedesespositionsoneffectueunemesuresimultanéedesdeuxstations.Ladifférenceentrelavaleurmesuréeàlastationdemesureetlavaleurmesuréeàlastationdebasedonneunevaleuraffranchiedesvariationstemporellesduchampsmagnétiqueterrestre.
Méthode magnétique
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Méthode magnétique
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2.Méthodesacoustiques
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2‐aGénéralités
Principe
• Etudedelapropagationdesondesacoustiquesdanslesol
• Sourceactives:– masse
– explosif
– canonàair
– canonàeau
– vibrateur
Méthodes acoustiques
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2‐aGénéralités
• Lesondesélastiquescrééessepropagentdanslesous‐sol.Durantleurtrajetilestpossiblequ’ellesseréfractentouqu’ellesseréfléchissentsurdesinterfaces.Onenregistreleurtempsdeparcours.
• Géophonesàterre,hydrophonesenmer
Méthodes acoustiques
• 3techniques:– Sismiqueréflexion
– Sismiqueréfraction
– Sismiquedepuits
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2‐bSismiqueréfraction
• Angled’incidencecritique
• Analysedestempsd’arrivéesdesondesréfractées
• Fourniunmodèledevitesse
Méthodes acoustiques
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2‐bSismiqueréflection
• Lasismiqueréflexionestunetechniquearduequis'attacheàreconstituerunmodèlestructuralàpartirdel'enregistrementdesondesréfléchies.
• Traitementsismique– NotiondeCommonMidPoint(CMP)
– Analysedevitesse
– Stack
Méthodes acoustiques
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2‐bSismiquedepuits
• Lasismiquedepuitssedistinguedesautrestechniquesprincipalementenraisondudispositifd’acquisitiondesdonnées.Eneffet,lasourceetlesgéophonesnesontpasdisposéssurlesolmaislelongd’unpuitss’enfonçantdanslesous‐sol.
• Analysedeondesdirectes
Méthodes acoustiques
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3.Autresméthodes
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3‐aRadiométrie• Analysedesrayonnementsradioactifs
• Laméthodeconsisteenunecartographiedesanomaliesétablieàl'aided'uncompteurGeiger‐Muller,d'unscintillomètreousurtoutd'unspectromètregamma.Cettecartographieprocèdeévidemmentparprofilageterrestreouaéroporté.
• Laprospectionradiométriqueestessentiellementutiliséedanslecadredelacartographiegéologiqueetdelarecherchedesgisementsd'uranium.
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3‐aDiagraphies• Lesméthodesdiagraphiquessontbaséessurl’implémentationdessondagesenoutilsde
mesuregéophysiques.• Apportedesconnaissancesdirectespuisqueacquisesinsitu
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3‐aTélédétection• Latélédétectionrecouvrel'ensembledes
méthodesquipermettentdeconnaîtreàdistance,parl'intermédiairedecapteursélectromagnétiquesembarquéssurdessatellitesartificiels,lespropriétésd'unterrain
• Lesprincipauxsatellitespeuventêtreclassésselonleurdomainespectral:
– domainesolaire:0.4à2mm ‐LANDSAT,METEOSAT,NOAAetSPOT
– domainethermique:8à14mm ‐LANDSAT,METEOSATetNOAA
– domainedesmicro‐ondes:3à300mm ‐ERS,RADARSAT,SEASATetTIROS