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PRINCIPE DE LA PROSPECTION TELLURIQUE ET MAGNETOTELLURIQUE

- Prospection par Mthode Tellurique

- Prospection par Mthode Magntotellurique

- Prospection par Mthode Audio-Magntotellurique (AFMAG)

By : Djeddi Mabrouk

Ce cours cours de prospection Magntotellurique

et lectromagntique dispens en licence et Master de Gophysique au

dpartement de Gophysique de la FHC n'est pas encore entirement

achev, il peut galement subsister des fautes (erreurs) dans le texte et

des rfrences absentes.

Si vous utilisez des donnes de ce travail, vous devez citer la rfrence en bibliographie de la faon suivante : Djeddi Mabrouk. Cours de prospection lectromagntique et Magntotellurique, Dpartement de Gophysique (FHC), Universit MHamed Bougara de Boumerdes. Algrie. Mai, 2015.

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I- PROSPECTION PAR METHODE TELLURIQUE

La prospection par la mthode tellurique est base sur la prsence des

courants lectriques circulant naturellement dans lcorce terrestre. Il

semble quils furent observs ds le milieu du 19 eme sicle pour la

premire fois par un certain Barlow sur les lignes tlphoniques anglaises.

Elles furent utilises lchelle industrielle pour la premire fois partir de

1940.

Origines des courants telluriques

Ltude de lorigine de ces courants a fait lobjet dabondantes recherches

ds leur mise en vidence .Quant la provenance de ces courants, de

nombreuses suppositions ont t mises touchant le mcanisme de leur

reproduction.

Mais, si lon ne sait pas prcisment comment se crent ces courants

telluriques, il est certain quils sont en lien troit avec des manifestations

terrestres et extraterrestres, comme les modifications des composantes du

champ magntique terrestre etc

Il est bien connu que les impacts lectroniques des vents solaires sur la

magntosphre terrestre sont la source de ces courants . Lionosphre

(couche E) est le principal sige favori de ces impacts dans lequel sont

gnrs des courants lectriques intenses qui crent un champ

lectromagntique variable (primaire).Ainsi ,des ondes de choc

lectromagntiques arrivent la surface de la terre et se rfractent sur le

sol . Ce champ lectromagntique primaire induit dans la crote terrestre un

champ lectromagntique secondaire.

Ces courants lectriques telluriques (frquence gnralement inferieure au

Hz et de priodes allant de 10 30 secondes), sont prsents lchelle du

globe .Ils se modifient continuellement en amplitude et en direction. Les

modifications les plus lentes peuvent tre considres comme des courants

continus dont l'intensit est lie la conductivit lectrique locale des

matriaux.

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La mesure de la composante lectrique (du champ lectromagntique)

tellurique constitue un moyen pour mettre en vidence la conductivit du

soussol.

Prospection par courants telluriques

La gamme des roches sdimentaires composant la crote terrestre possde

des rsistivits lectriques trs diffrentes. Toutes les roches, selon leur

nature, laissent passer plus au moins les courants lectriques telluriques

selon leurs rsistances trs distinctes. A leur passage dans les matriaux

terrestres, Il en rsultera :

- Des changements de densit de ces courants telluriques : Ceux-ci

saccumulent gnralement dans les zones de moindre rsistance.

- Des changements du champ lectrique : il est connu que pour une

mme densit de courant lectrique, le champ lectrique est

proportionnel la rsistance lectrique de la roche.

Le but Principal de prospection par la mthode tellurique consiste

mesurer conjointement le champ lectrique total une station fixe et

des stations mobiles .Lextrmit du vecteur de ce champ retrace des

ellipses en chacun de ces points et le rapport.

/

/ =

/

/

permet de dduire les conductances dans les zones sur les stations

amovibles lorsqu on connait la conductance la station fixe.

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Principe de mesure sur le terrain

La mthode repose sur lutilisation de deux jeux dlectrodes.

Le premier jeu dlectrodes est fixe et constitue la station fixe.

Le deuxime jeu dlectrodes est dplac sur la surface explorer et forme

la station de mesure amovible.

Pour toute nouvelle position de la station mouvante, on accomplit

conjointement une mesure de diffrence de potentiel aux deux stations (fixe

et mobile) Ainsi, La diffrence entre la diffrence de potentiel de la station

changeante et celle de la station fixe est une mesure de la diffrence de

potentiel induite par les courants lectriques telluriques et affranchie de

leurs changements. Les changements de diffrence de potentiel enregistre

rsultent donc des modifications de conductivit du soussol.

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2- PROSPECTION PAR METHODE MAGNETOTELLURIQUE

La MT est connue dj depuis les annes cinquante du sicle dernier (Andre

Nikolaevitch Tikhonov 1950 et Louis Cagniard 1953) ; elle consiste tudier

les proprits go- lectriques du sous-sol en procdant la mesure des

variations temporelles du champ magntique terrestre en mme temps que

celles du champ lectrique tellurique.

La magntotellurique est une mthode E.M dont les sources

naturelles (passives) sont dues aux fluctuations naturelles du champ

magntique terrestre.

Selon la profondeur dinvestigation, la MT peut tre classe en :

- La radio magntotellurique (faibles profondeurs - Gamme des HF)

- Laudio magntotellurique (moyennes profondeurs - Gamme des

- frquences moyennes)

- LHlio magntotellurique (grandes profondeurs - gamme des

Basses frquences)

Selon la bande frquence utilise, la MT est classe en deux grandes familles

- la premire famille correspond aux sources de basses frquences

inferieures 10 Hz, elles sont gnres par les interactions entre la

magntosphre et les vents solaires qui crent des courants

ionosphriques de diffrentes natures et caractristiques. Ces

courants induisent un champ EM incident la surface terrestre.fig.1

- la seconde famille correspond aux sources de hautes frquences

suprieures lHertz. Elles sont gnres par les clairs

atmosphriques (Sferics) pigs par la cavit terre-ionosphre, elles se

diffusent dans le sous- sol et forment le signal MT.

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Fig. 1 Origine des champs lectromagntiques primaires, daprs so2Media(2009)

La MT permet de mesurer la surface du sol, en un mme endroit et

plusieurs frquences les composantes horizontales des champs tellurique et

magntique. Toutefois son application ncessite le respect de quelques

rgles dites hypothses de Cagniard 1953

- Le courant de dplacement doit tre ngligeable par rapport au

courant de conduction.

- La nappe tellurique doit tre uniforme, ce qui suppose que la source

dexcitation lectromagntique est trs lointaine.

Les variations du champ gomagntique utilises dans les mesures de la

prospection magntotellurique sont celles comprises dans la gamme de

frquences comprises entre 103 et 103 Hz. (fig. 2)

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Fig.2. Spectre modle de flottement de lamplitude du champ lectromagntique naturel (lamplitude en nT ou gamma).

Principe de base de la MT

On a vu dans le chapitre prcdent que les champs lectrique et magntique

en fonction de la profondeur et du temps ont pour expression

respectivement dans le cas dune variation sinusodale :

(, ) = =

( ) = (/) /

(, ) = =

( ) = ( /) /

tant le nombre donde lectromagntique

: sont respectivement les valeurs du champ magntique et

lectrique la surface du sol ( = ).

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Lapplication des quations de Maxwell.

=

et =

Permet de dduire Le champ magntique

=

( )

Pour une frquence donne , limpdance magntotellurique resultante

est :

=

=

=

Eant donne que les deux champs sont lis par :

= .

= .

pour un demi-espace conducteur , le module de limpedance

electromagnetique est :

| | = et =

| | =

|

|

Les champs magntique et lectrique sont dephass, limpdance

electromagnetique z est complexe , elle possde un module et une phase.

Lorsquon sinteresse la partie relle , on obtient pour le champ electrique

= ( /) / =

/ [ (

) + (

)]

Dont / (

) est la partie reelle

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Cette expression mathmatique montre les variations du courant electrique

alternatif en fonction de la profondeur z .Plus la profondeur aumente et plus

la composante se rduit selon la loi exponentielle .

Comme la profondeur de pntration a pour expression :

=

=

=

=

En surface = soit

= / . (

) = .

Lapplication des quations de Maxwell

=

et = donne

=

( .

()) = . . .

Les vecteurs champs electrique et magntique sont constants dans le plan

horizontal ( ) , car les variations ne se font que suivant laxe vertical z.

fig .3 .Propagation des Champs et

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Il en resulte que

=

=

=

=

Dans un tel cas , la composante du champ magnetique lie au vecteur

champ lectrique se trouve dans un plan horizontal orthogonalement au

vecteur champ electrique

On obtient alors

.. . =

=

..

Etant donn que = ( /) /

=

..

=

..

[

( /) /]

=

( /) /

[ .

( ).

](

..) =

... ( /) /

[ .

( ).

]

= ....

( /) /

(+)( /) / =

...

(+)

en ngligeant ,le module de cette expression donne :

= .

+

.

=

.

( + ) comme |

| = +

On deduit .

|

| =

..

+ =

. .

En substituant

=

=

.

On obtient

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|

| =

. . =

. .

. =

Et enfin :

|

| =

do = |

| en uem CGS .

Cest la relation fondamentale de Cagniard.

Ainsi,la mesure des amplitudes des composantes horizontale et des

des champs tellurique et magnetique au meme endroit et suivant deux

directions perpendiculaires et , et pour une periode donne de

londe elecromagnetique permet de calculer la valeur de la resistivit

apparente dune serie de couches.Cette formule montre que les plus les

frquences sont leves et plus l investigation est proche de la surface et

inversement, plus la frquence est faible et plus la profondeur est grande.

Comme la magntotellurique utilise de basses frquences (,