ELEMENTS & OUTILS DE LA PROSPECTION GEOELECTRIQUE PR OF SDCESS GÉNIE CIVIL 2014 AA D BA S.Bakkali KK AL I/ FS T− TA N Ingénieur Géophysicien HDR Géophysique Appliquée & Traitement du Signal GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 2 EXPLORATION ELECTRIQUE PR OF SA notions d’électricité Rappel des AD Le champ électrique, la différence de potentiel, BA le courant électrique, KK la conductivité Propriétés électriquesAdu LI sous-sol Les courants telluriques/ F STroches et des sols Les propriétés électriques des −T Méthodes d’imagerie électrique A NG La méthode des résistivités ER Analyse d’un glissement de terrain 3 LES NOTIONS DE BASE PR OF SAélectrique Le champ AD Circuit électrique Dans un circuit électrique, le BA courant, mesuré en ampère (A) est KK AL positive en allant de la borne + à la I borne – du générateur qui maintient une différence de potentiel (ddp) entre ses bornes mesurée en volt (V). Loi d’ohm /F ST −T AN La ddp aux bornes d’une résistance GE est proportionnelle au courant traversant R cette résistance : c’est la loi d’ohm U = R I. La résistance se mesure en ohm et dépend de la géométrie du fil électrique résistance = résistivité.longueur/surface de la section 4 LES NOTIONS DE BASE PR OF SA et la conductivité La résistivité A D BA Section KK qui s’exprime en ohm.m Résistivité ρ = R Longueur AL I/ 1 Conductivité σ = qui s’exprimeFS en (ohm.m)-1 T− d’un ρ Le champ électrique à l’intérieur TA de La densité de tronçon de circuit est la différence courant j est le potentiel divisée par la distance NG ER courant I divisée δV RI ρδl I = = = ρ. j E= I=ρ par la section du δl j= 1 ρ δl δAδl δA tronçon δA. E On en déduit la relation entre j et E 5 LES NOTIONS DE BASE PR Q 1 OF E= On injecte un courant I au point A sous 4πε r Un espace homogène SA la forme de charges électriques Q 1 j= E M u ALaDloi de coulomb donne le champ électrique E (permittivité ρ B dI ε est laAdensité de charge sur une sphère élémentaire centrée j= K peut déduire la densité de courant j. Cette densité dS sur A). On K AL sur une sphère en raison de la symétrie I = j.4πr de courant constante II en A 1 Q donne le courant / Ftenant compte de la surface de la I= ρε sphère. On en déduit uneSrelation entre la quantité de Tcourant. charges envoyées en A et le −T ρI 1 E= ; gradV = − E AN 4π r On peut en déduire le champ électrique GEen fonction ρI 1 V= + cte R est la du courant injecté et donc le potentiel qui 4π r 2 0 2 0 2 ρI 1 VM = 4π r primitive du champ électrique défini à une constante près. On suppose que le potentiel est nul loin du point d’injection, ce qui supprime cette constante. 6 LES NOTIONS DE BASE PR OF Un demi-espace homogène SA AD BA KK AL I/ FS T− M TAN M I = 2πr . j 2 I 1 V =ρ GE 2π r R Les surfaces équipotentielles sont des demi-sphères 7 LES NOTIONS DE BASE PR OF Le cas deS deux électrodes AA D C1 pour le L’injection de courant en BA récupérer en C2 induit des résistances de K contact qui rend difficile l’estimationKde la A LI résistance aux bornes C1C2. Il faut faire appel à deux autres électrodes qui / FS mesureront une ddp sans envoyer du T −T courant dans le sol. Par linéarité, la ddp en un point M est donnée par la formule suivante où les distances sont par rapport aux pointes des électrodes. ρI V M= 2π dessus 1 1 − r1 r2 AN GE R section 8 LES NOTIONS DE BASE PR OF Le cas deS quatre électrodes AA D BA KK AL I/ N B M A FS T VM Par linéarité, la ddp entre les points M et N se compose et permet d’éliminer les effets des résistances de contact aux points A et B d’injection du courant. −TρI 1 1 1 1 − V = AN − − + 2π MA GE MB NA NB R V −V ρ= N M N I 2π . f Les points ABMN forment un quadripôle et on mesure un courant et une ddp pour déduire une résistivité. 9 LES NOTIONS DE BASE PR OF Cas d’unSmilieu inhomogène AA On conserve le même dispositif D de V − VN mesure mais la résistivité déduite est BA ρa = M 2π . f I une résistivité apparente. KK AL • ρIa ne / Fdépend pas de I ST • ρa dépend−de la TA configuration géométrique NG utilisée ER • ρa est une sorte de moyenne des résistivités du milieu 10 TERRAINS de SUBSURFACE PR OF Les terrains S formés AA de roches constituent un isolant sauf cas particulier comme les oxydes,D les sulfures métalliques, le graphite ou les schistes graphiteux. BA La conduction se fait dansKles conducteurs suivant un déplacement des K AL par le déplacement d’ions électrons et dans le cas des isolants I / les pores du terrain. On parle de provenant des fluides contenus dans conduction électronique ou de conduction F électrolytique. ST −T AN GE R 11 TERRAINS de SUBSURFACE PR OF SA importants donc dépend la conductivité d’un terrain Les facteurs AD sont 1. 2. 3. BA K Sa teneur en eau KA La concentration en ions deLl’électrolyte I/ La texture des agrégats du sol ou de la roche. FS T − TA On observe en plus un grand éventail de phénomènes électrochimiques qui développent des potentiels gênants pour N la prospection. GE R L’eau joue un grand rôle et sa minéralisation a donc une importance grande (l’eau salée est beaucoup conductrice que l’eau douce). 12 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 13 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 14 TERRAINS de SUBSURFACE PR OF SA Résistivités moyennes de quelques formations AD Argiles et marnes 4 à 30 ohm.m BA Schistes 40 à 250 KK Craie AL 100 à 300 Calcaire I /100 à 5000 Grès 500 FSà 10000 Sable 30 à 10000 T− TAordres supérieurs) Roches cristallines x 1000 (3 N Echelle relatives des résistivités des roches saines G ER Gangues > Roches volcan.>Roches sédi.>Marnes>Argiles>Minerais Isolant x 1000 x 100 x 10 x1 Conducteur 15 TERRAINS de SUBSURFACE PR OF de la teneur en eau, de la minéralisation de celle-ci et La combinaison SA des caractéristiques pétrographiques définit la résistivité d’une AD structure rocheuse. Deux terrains différentsB(calcaires et graviers) pourront avoir la même AK avoir la même teneur en eau. Par contre, résistivité sans pour cela KA géologie, pourront présenter des deux graviers, ayant la même LI leur teneur en eau. résistivités très différentes suivant /F ST −T AN de GE Courbe Rrésistivité apparente en a=L fonction de la distance AB 16 MISE EN ŒUVRE PR OF Le sondage électrique vertical SA En augmentantAles dimensions géométriques, on mesure la résistivité à des profondeurs D croissantes Le trainé électrique BA KK du dispositif de mesure, on déduit une En conservant les dimensions AL et, par déplacement du dispositif, on résistivité à profondeur constante obtient des cartes de résistivités. I/ FSpropriétés du sous-sol : une règle La profondeur d’investigation dépend des T− L/6 et L/2. empirique simple donne cette profondeur entre TA NG Les techniques d’imagerie ERimager. On En déplaçant et en augmentant le dispositif, on peut mieux définit alors une pseudo-section. 17 DISPOSITIFS PR OF Le dispositif quadripôle SA de WENNER MN=AB/3 A D SCHLUMBERGER Le dispositif quadripôle de BA OA=OB=L et OM=ON=l KK avec l faible devant L. A LI /F ST − TA NG E Le deuxième dispositif est préféré au premier de plus en plus. On se donne une premièreR longueur MN=2l=40 cm et on deploie les électrodes avec L=0,5m. On fait une mesure. On augmente L d’un 1/2mètre en déplaçant deux électrodes. On fait une mesure. On recommence jusqu’à ce que l’on ne soit plus capable de mesurer une ddp aux bornes de MN. On écarte alors celle-ci en passant à 80 cm (ce passage nécessite le déplacement des quatre électrodes. Puis on recommence à uniquement déplacer les électrodes de A et B. On obtient ainsi un ensemble de mesures dans le cadre d’un sondage électrique vertical. 18 INTERPRETATION SEV PR OF SA planes de résistivités différentes Deux couches AD BA K KA L I/ Une fois la courbe ρa construite en fonction de L sur un papier loglog transparent, on déplace FS T− celui-ci sur une abaque de TAfaçon à mettre en cohérence NG la courbe de terrainE et une ligne de l’abaque.R On peut déduire alors ρ1 et h1. Le facteur K de la ligne de l’abaque donne le rapport ρ2/ρ1. 19 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 20 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 21 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 22 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 23 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 24 TERRAIN TABULAIRE (2 COUCHES) PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 25 EFFET D’UNE COUCHE SUPERFICIELLE PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PROFONDEUR D’INVESTIGATION : ELLE DÉPEND DE LA DISTRIBUTION DES RÉSISTIVITÉS ELLE CROÎT AVEC LA DISTANCE ÉMETTEUR-RÉCEPTEUR 26 PR OF SA AD B AK TAILLE PROCHES DES ÉLECTRODES LES HÉTÉROGÉNÉITÉS DE PETITE KA GÉNÈRENT DES REPONSES CONTRASTÉES À HAUTE FRÉQUENCE SPATIALE QUI PEUVENT PERTURBERLL’INTERPRETATION I /F ST −T AN GE R 27 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 28 ILLUSTRATIONS PAR QUELQUES ETUDES PRATIQUES P RO F SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 29 LAC RAHRAH TANGER PR OF Zone 2 SA AD Zone 1 BA K KA L I/ ZoneF3S T− TA NG ER SEV 30 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 31 SONDAGES ELECTRIQUES PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 32 DISPOSITIF SYMETRIQUE SCHLUMBERGER PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 33 LEVE TOPOGRAPHIQUE DU SITE PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 34 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 35 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 36 BASSIN DES PHOSPHATES DU MAROC PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 37 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 38 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 39 CHAINE CINEMATIQUE D ‘EXPLOITATION PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 40 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 41 SIGNATURES ELECTRIQUES DES « DERANGEMENTS » PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 42 CARTE DES RESISTIVITES APPARENTES AB=120M PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 43 CARTE DES ZONES DE « DERANGEMENTS » RESISTIVITE APPARENTE > 200 OHM.M PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 44 CARTE DES « DERANGEMENTS » FILTRAGE PAR GRADIENT VERTICAL PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 45 CARTE DES « DERANGEMENTS » FILTRAGE PAR LAPLACIEN PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 46 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 47 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 48 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 49 APPAREILLAGE & MESURES PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 50 EXISTANT & OBJECTIF EXISTANT : RESISTIVITE APPARENTE = SIGNAL GÉOPHYSIQUE = PARAMÈTRE PHYSIQUE DISTINCTIF À MÊME DE CARACTÉRISER LA STRUCTURE DES TERRAINS CONCERNÉS ET DE DÉFINIR LES ZONES DE « DÉRANGEMENTS ». PR OF SA TROIS CARTES DE RÉSISTIVITÉ ONT AINSI ÉTÉ RÉALISÉES AVEC SCHLUMBERGER CENTRE AFIN DE CIRCONSCRIRE LES ZONES ANOMALES AD UN DISPOSITIF BA K LONGUEURS DE LIGNE AB=40M, AB=80M ET AB=120M = FILTRAGE SPATIAL KA L CIBLER « DÉRANGEMENTS » SITUÉS SUR DES PROFONDEURS MOYENNES COMPRISES ENTRE 15 ET 40 M. I/ OBJECTIF : FS T −T AN GE R • LES MÉTHODES GÉOPHYSIQUES ÉTANT DES MÉTHODES D'APPROCHES INDIRECTES , ELLES CONCERNENT LE TRAITEMENT D'UN SIGNAL PARTICULIER 51 POUR RÉPONDRE À DES QUESTIONS PRÉCISES TELLES : LA LOCALISATION, L’AMPLEUR, L’EXTENSION, LA PROFONDEUR,…, DE CES DISCONTINUITÉS QUE SONT CES « DÉRANGEMENTS ». DOWNWARD PROLONGATION OF HORIZONTAL-GRADIENT APPARENT RESISTIVITY INTENSITY MAPS PR OF SA AD BA K KA L CONFIRMED BY KCHIKACK ET AL. I/ FS T −T « LES SONDAGES ÉLECTROMAGNÉTIQUES TEMPORELS COMME OUTIL DE RECONNAISSANCE DU GISEMENT PHOSPHATÉ DE SIDI CHENNANE (MAROC) : APPORT À LA RÉSOLUTION D'UN PROBLÈME D'EXPLOITATION » C.R.GEOSCIENCES, 338 (2006) 289-296 AN GE R 52 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R OBJECTIFS DES TRAVAUX GEOPHYSQIUES PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R RESULTATS PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R CARTES D‘ISOSRESISTIVITES PR OF SA AD BA KK AL I/ FS T− TA N GE R AB=100m PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R AB=300m PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF AGRESSIVITE DES SOLS SA PAR MESURES DE RESISTIVITES ELECTRIQUES AD BA KK AL I/ FS T− TA NG ER PR OF milieu complexe, sa constitution et Le sol est un SA AD comportement ont souvent la variation de son BA KK sur les éléments enfouis. une influence évidente AL I/ FS Conséquence : une agressivitéT−T AN GE R objectif : déterminer les zones à risques d’agressivité PR ce quiOF nécessiterait en conséquence SA l’installation ADd’un système adéquat de protection contreBAces éventuels risques KK AL I/ FS T− TA NG ER CRITÈRES D’AGRESSIVITÉ DES SOLS PR OFdu sol est considérée comme la principale • L’agressivité caractéristiqueSqui AA contribue directement au processus de corrosion. des structures D enfouies. BA KK AL humidité, richesse du sol en • nombreux facteurs : aération, I/ ions solubles, présence de bactéries, FS… etc. T− TA • L’interprétation des renseignements souventNbien difficile. GE R 3 TYPES DE TERRAINS PR A faible risque OF d’agressivité : SA • sables et graviers AD • matériaux d’empierrement BA • calcaires KK AL I/ A risque élevé : FS T− • marnes TA NG • argiles ER A risque très élevé : gypse, pyrites…etc. PARAMÈTRES DÉTERMINANT L’AGRESSIVITÉ DU SOL Résistivité du sol : Elle renseigne sur sa capacité à entretenir un phénomène de corrosion, c’est un paramètre particulièrement significatif car elle intègre pratiquement tous les facteurs influençant la corrosivité (teneurs en sels, présence d’eau…). facile à mesurer sur site : Wenner ou des quatre électrodes PR OF SA AD La mesure du pH : Le pH exprime la teneur en ions acidifiants dissous dans le sol et indique l'aptitude d'un sol à être le siège de certaines réactions particulières influençant la corrosion. Un sol à faible pH indique un sol aux propriétés acides et un sol avec le pH élevé indique la présence de sels alcalins dans le sol. BA K KA L I/ Potentiel d’oxydoréduction (Redox) : Le potentiel redox vise à mesurer la capacité d'un sol à permettre l'échange d'électrons, ce qui est le fondement même du processus de corrosion. FS T −T AN L’humidité : Le taux d'humidité et ses variations ont un impact double : ils affectent autant la résistivité que le transport d'oxygène aux zones de corrosion. GE R NORME «AWWAC 105» PR OF • Pour déterminer l’agressivité du sol en fonction de SA ci-dessus, l’American Water Works ces paramètres AD Association « AWWA BA » a développée une norme KKsur un système de pointage «AWWAC 105» basée AL de 10 Points (10P). I/ FS T− • Le cumulatif des points pourTAun NG échantillon détermine le taux d’agressivité du sol. ER PONDÉRATION DES PARAMÈTRES CARACTÉRISANT LA CORROSIVITÉ DU SOL (APPENDIX A, ANSI/AWWAC105, 1999) Résistivité (Ohm .cm) Points < 1500 10 ≥ 1500 – 1800 8 > 1800 – 2100 5 > 2100 – 2500 2 > 2500 – 3000 1 PR OF SA > 3000 0 pH Points 0-2 2-4 AD 4-6.5 6.5-7.5 7.5-8.5 > 8.5 Potentiel Redox (mV) > 100 5 3 BA K 0 KA L 0 0 I/ 3 Points FS T 0 50-100 3.5 0-50 4 <0 5 Sulfures Points Positive 3.5 Trace 2 Négative 0 Humidité Points Élevé 2 Moyenne 1 Pauvre (sec) 0 −T AN GE R DIFFÉRENTS TYPES D’AGRESSIVITÉS DU SOL • • • PR Les ouvragesOde Génie Civil sont généralement en béton armé ou en F Ils sont soumis aux actions physiques ou chimiques des acier non alliés. SA milieux naturels comme AD le sol, qui peuvent contenir des corps qui sont agressifs sur ces ouvrages.B AK KA 3 types d’agressivités du sol vis-à-vis LIdu béton, de l’acier et de la fonte. /F STmesuré par la résistance Le degré de ces agressivités peut être −T électrique du sol au regard de sa résistivité électrique. AN GE R AGRESSIVITÉ DU SOL SUR FONTE, BETON & ACIER : PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R ACQUISITION DES MESURES DE RÉSISTIVITÉ ÉLECTRIQUE POUR LA DÉTERMINATION DE L’AGRESSIVITÉ DU SOL. (EXEMPLE PRATIQUE). PR Etude du sous-sol OF de l’Opération "LOTISSEMENT TINGIS« SA A D de mesure. Réalisation de 4 points BA Chaque point comporte 4 acquisitions, soit 16 ρ. KK AL Dispositif Wenner à 4 électrodes. I/ Distances AB de 3, 6, 9 et 12m FS T− Distances MN de 1, 2, 3 et 4m TA NG soit un espacement électrode a=1m, 2m, ER3m et 4m correspondant à des profondeurs cibles d'investigation du sol respectivement de 1m, 2m, 3m et 4m. DISPOSITIF DE WENNER AVEC UN ESPACEMENT a=1m, 2m, • PR OF 3m et 4m . SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R PR OF SA AD BA K KA L I/ FS A partir des résultats on détermine les résistivités moyennes relatives aux tranches T− des sols comprises entre 1m et 2m, entre 2m et 3m et entre TA 3 et 4m. NG On utilise les formules suivantes. ER PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R APPAREILLAGE : RÉSISTIVIMÈTRE GÉOTRADE 2 À SOMMATION DE SIGNAUX ET COMPENSATEUR AUTOMATIQUE DE LA POLARISATION SPONTANÉE. PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R (A) résistivimètre GTR-3, (C) électrodes d'injection de courant, (D) GPS, (E) bobines de fil électrique, (F) boussole , (G) matériels de maintenance Résultats obtenus : Les résultats des mesures de résistivités électriques des sols effectuées le long du tracé étudié PR OF SA AD BA K KA L I / sont pour les tranches de terrain Les résistivités électriques selon les formules adéquates comprises entre 1 et 2m, entre 2 et 3m et entre 3 et 4mFde profondeur : ST −T AN GE R • LES VALEURS MAXIMALES OBTENUES SONT DE 14.9 Ω.M POUR UNE PROFONDEUR DE 1M, 10.4 Ω.M POUR 2M, 8.9 Ω.M POUR 3M, ET 7.8 Ω.M POUR 4M. • LES MESURESP DE RÉSISTIVITÉ ÉLECTRIQUES, OBTENUES SONT PRATIQUEMENT INFÉRIEURES À 10 RO À DIRE QUE GLOBALEMENT LE SOUS- SOL DE LA ZONE PROSPECTÉE EST : Ω.M. CECI CONDUIT F SA AD FAIBLEMENT AGRESSIF VISB -ÀA -VIS DES OUVRAGES EN FONTE. K K TRÈS AGRESSIF VIS-À-VIS DES OUVRAGES EN ACIER. AL AGRESSIF VIS-À-VIS DES OUVRAGES ENIBÉTON. /F CES OUVRAGES NÉCESSITENT DONC UNE PROTECTIONSCONTRE T− L’AGRESSIVITÉ DU SOL. TA NG ER PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R CONCLUSION PR OF SA électrique est un moyen puissant de La prospection AD détection des structures superficielles. BA Elle doit être interprétée KKavec soin car les terrains AL les terrains sous-jacents. conducteurs peuvent masquer I/ Son déploiement est relativement FSbon marché, ce qui en fait une méthode de choix pourTles −T aspects géotechniques. A NG ER 82 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 83 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 84 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 85 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 86 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 87 PR OF SA AD BA K KA L I/ FS T −T AN GE R 88