Guide de synthèse - Infoterre

REGl0l'l
HAUTE
1'lORMANOIE
Détection descavitéssouteruuinespor méthodes
géophysiquesen région Huute-Normandie
Guide de synthèse
France.
Cavitéssouterraines,
Craie,Haute-Normandie,
Mots clés: Géophysique,
En bibliographie,ce rapportseracité de la façonsuivante:
par méthodes
géophysiques
A. Beauce,J.P.Deroin(1999)- Détectiondescavitéssouterraines
p.
guide
R
40626,
l8
en régionHaute-Normandie:
de synthèse.Rap"BRGM
Ce guide de synthèsea été réalisédans le
cadred'un projet cofinancépar le Ministère
de I'Environnement,le ConseilRégionalde
Haute-Normandie et le Bureau de
RecherchesGéologiqueset Minières. Il a
pour objectif de préciser ce qu'on peut
attendre des investigations géophysiques
sur des secteurs de vides souterrains
supposés ou avéres en region HauteNormandie.
Il s'adresseaux servicesdéconcentrésde
I'Etat ainsi qu'à I'ensembledes décideurs
locaux.Il permettraà chacund'acquérirles
principes physiquesde base sur lesquels
reposent ces méthodes, de comprendre
commentelles sont mises en æuvre sur le
terrain et quelles en sont les limites et
performances.Des ordres de grandeurdes
coûts sont égalementindiqués.Toutes les
méthodes décrites dans ce guide ne
concement que les méthodes de
géophysiquedites "non intrusives",c'est-àdire qui ont pour tâched'imagerle sous-sol
à partir de mesuresréaliséesen surface.
La mise en æuvrede ces méthodesne doit
intervenir qu'après d'autres étapes, à
d'archives,repéragessur
savoir: recherches
le terrain d'évenhrelsindices de surface,
collectes d'informations locales, photos
interpétation.
En péambule, il faut toujours se souvenir
que les Ésultats obtenus à partir d'une
méthode géophysiquese fondent sur la
pÉsenceou I'absenced'une anomalie d'un
paramètre physique mesure dans un
environnementgéologiqueparticulier. Par
la suite, I'interprétationque I'on fait de cette
anomalieen termede presenceou d'absence
d'vne cavité demeuretoujours une phase
difficile. Si une anomaliegéophysiqueest
inærprétéecomme un indice de presence
d'une cavité, il fardra toujours realiserdes
sondagesde reconnaissance
afin de vérifier
cette interpretation. En effet, le ou les
origines géologiques d'une anomalie
physique ne sont p:N nécessairement
uniques: paf,exemple,une pochede sable
d'un certain volume peut produire une
anomalie microgravimétriqueidentique à
celle d'unecaviæ.
Ainsi, il faut toujours avoir à I'esprit que
I'utilisation de ces méthodesne dispense
en aucune façon de faire réaliser des
sondages de reconnaissance. Toute
anomalie mise en évidence doit être
par
contrôlée
forage.
Ainsi
lfinterprétation sera d'autant meilleure
que le plus grand nombre d'information
serapris en compte.
Il estégalementimportantd'avoirtoujoursà
I'esprit que I'absence d'anomalie d'un
paramètre physique ne veut pas
nécessairement
dirc qu'il n'y a pasde cavite
sousla zone d'étude,mais plutôt qu'il n'y a
pasde cavitedétectée,voire détectable,par
la méthodeutilisée.En effet, toute méthode
géophysique possède des
limites
intrinsèques et des limites d'origines
externes à la méthode elle-même. Les
premières sont bien connues et
quantifiables precisément car elles sont
liées à I'appa:rcillui-mêmeet à la précision
des mesures.Par contre,les secondessont
plus
subjectives et
difficilement
appÉciables: en effet, la mesure d'un
pa:amètnephysique prend en compte les
influencesde nombreux"objets"dont on ne
soupçonnepas toujours la présenceet qui
peuvent parasiter, voire
masquer,
I'inflssnc€ d'une cavite sur ce paramètre.
D'autrescas de figures peuventégalement
se pÉsenter : on citera en particulier celui
d'un mauvais dimensionnement de la
æmpagnede mesurespar rapportà la taille
du vide recherché,excluant dès le début
toute chancede le détecter.
Enfin, on notera que la combinaisonde
techniquesgéophysiquesse fondantsur des
paramètres
physiquesdiftrents peut aiderà
lever certainesambiguïtésd'interpretation.
camcteriserpar des dimensionsde I'ordre
de 20 m par 20 m.
Le sous-solde la égion HauteNormandie,
est caractérisé par la présence de
nombreuses cavités d'origine naturelle
(karsts, bétoires) ou humaine (mamières,
argilières). Les marnières représentent
I'essentieldescavitesde cetteregionet elles
en constituent une particularite : leur
nombre est estimé à plusieursdizainesde
milliers.
Schématiquementles mamièresse situent
dans la craie à des profondeursvariables
pouvant aller jusqu'à une soixantaine de
mèhes. Les hauteursde vides creés sont
généralementde 2 à 3 m. L,eursextensions
lateralessont extrêmementvariables : en
moyenne (mais il y a une grande
héterogénéite),une cavité typique peut se
La craie est recouvertepar des terrains
argileux (argile à silex) et l'interfacecraieargile est loin d'être plate : des langues
d'argiles en forme de doigts (entonnoirs
d'altération)peuventpénétrcrplus ou moins
profondémentdans la craie (iusqu'à une
vingtaine de mètres). Lorsque ces zones
argileuses sont interceptées par des
marnières,indépendamment
des instabilités
mécaniquesqu'elles peuvent générer,leur
remplissagemeuble peut s'y yidanger lors
d'épisodes climatiques anormalement
pluvieux et se traduire, à terme, par des
dégâÎs en surface. Une couverture
superficiellede limons masqueces argiles.
Son épaisseul,très variable,peut atteindre
une dizainede mètles.
Chânibre
C a v r t c sn a t u r e l l e s
2
Nappe de la craiB
arte
d'occurrence
cavités soutetaines
Géologiquement,desmarnières(entreautrescavitésd'origineanthropique)peuventexister:
3 arr sein de plateauxcrzlyeuxrecouvertsd'argileset de limons (donc sansa^fleurementde
craie...),
. à distancedu bord de ces plateaux(sinon il y aurait eu exploitationde "mame " à ciel
ouvert,à flanc de coteau),
. lorsquele toit de la craieest à uneprofondeurinferieureà 80 m environ,
o pogr autantquela frangesupérieurede la craie(seuleexploitable)soit horsnappe,
nécessitant
o enfil, en presencede solsacideset argileu:<"
un tel amendement.
Ces conditionsexcluentles tenoirs où la craie est absente(Paysde Bray par exemple)et les
zonesrecelantune napped'eausouterraineprochede la surface(grandesvallées).En résumé,
85 % environdu territoirede la HauteNormandie,estconcemé.
3
La gravimétriefut initialementutiliséepour
l'étudestnrcturaledesbassinssédimentaires
en vue d'applicationspétrolières.Elle étudie
les variations de I'accéléræion de la
pesanteurà la surface de la Terre. Les
variations observéessont ensuitetraduites
en termes géologiques (structures ou
variationslatéralesde densitédansle soussol).
La microgravimétrie repose sur la mesure
des valeurs relatives de la gravité à la
surfacedu sol. Cesvaleurssont influencees
par la répartition des densités dans le
proche sous-sol.Les variations du champ
de graviæ sont courammentexprimées en
microgal (pGal ; I pGal = 0,001 mGal ;
l mGal = I cm/sz). Cette technique,
d'invention française, est couramment
utiliséepour la déæctiondes cavitesdepuis
les"nnées1920.
Puisqueles cavités créent un déficit de
densitépar rappoftaux terrainsencaissants,
cette méthode est a priori adaptéepour la
détectiondesvidessouterrains.En effet, les
variations relatives de densité des roches
sédimentairesentre elles, telles que celles
rencontrées en Flaute-Normandie, sont
relativementfaibles (au maximum environ
0,8 g/cm3), alors qu'elles atteignent leur
p:txoxysme
dansle casd'unvide rempli d'air
(environ -2 g/cm3) ou, dans une moindre
mesure, dans le cax d'un vide ennoyé
(environ -1 g/cm3).
Les mesures sont realisées à I'aide de
gravimètres trcs sensibles dont la
sensibiliæestde I'ordredu uGal.
4
Photo d'un microgravimètre Scintrex. Le
principe defonctionnementest semblableà
celui d'un peson à ressort de très grande
précision auquel est suspenduune masse
constante: pour mesurer les variations de
I'accélérationde la pesanteur entre deux
endroits,on mesureles variations depoids.
Les stations de mesures microgravimétriquessont généralementreparties
avec un espacementconstant le long de
lignes (profils) ou aux næudsd'une grille.
Cet espacement
doit être adaptéaux cibles
que I'on recherche : en effet plus les
structures sont de petites tailles et très
localisées,plus les anomaliescreéessont
étroiteset plus la maille de mesuredoit être
resserrée.Cetteméthodenon destructivene
produit aucundégâtsur le terrainpendantla
campagnede mesure.
Les mesures prennent en compte de
nombreusesinfluences qui ne sont pai;
directement en ræport avec une cavite
recherchée.Ainsi, des facteurs correctifs
doivent être appliquésaux mesuresbrutes
avant de passerà Ia phased'interprétation
d'une anomalie microgravimétrique: en
particulier, on peut citer les effets des
structures géologiques de
grandes
dimensionsqui peuventmasquerI'effet des
structurestres localesqui sont recherchées.
L'information finale, qui ne contient plus
que les influences des sourceslocalisées
uniquementsous la zone d'étude (dues à
une éventuellecavité, mais aussi dues au
contextegéologiquetrès local), se trouve
dansla carte d'anomalierésiduelle: c'est
le documentde travail sur lequel se base
I'interprétation. On comprend ainsi
aisémentque cette carte sera d'autantplus
informative et fiable que les facteurs
correctifs auront été déærminés avec
précision.
la mise en æuvrede cette
En conséquence,
méthode nécessite un opérateur très
qualifié. Cet opérateur peut réaliser
plusieursdizainesde mesurespar jour et il
se doit de respectercertainesrègles, en
particulier:
r
réaliser un relevé topographique
précis(précisionen altitude meilleure
que le centimètre) des stations de
mesures;
.
établir une ou des bases afin d'y
effectuer des mesures toutes les
heures pour corriger des derives
instrumentalesI
.
faire un inventaire des évenfuelles
sources (bâtiments, caves...) qui
pourraient venir parasiter les
mesures afin de pouvoir corriger
leurs effets ;
.
répéter un certains nombre de
mesures afin de stassurer de leur
qualité (en général, 20o/odes mesures
doiventêtre reprises).
Compte tenu des différentes origines
perturbatricesdes mesures - vibrations,
elreurs sur les mesureset les différentes
correctons effectuées - un opérateur
qualifié obtient généralement
une préeision
sur les points répétéscompriseentre 5 et
l0 pGal.
En conséquence,la limite de détection
communémentadmisepour cette méthode
est d'environ10 pGaI.Pour fixer desordres
de grandeur, une cavité d'extension
I0m*lOm avantune hauteurde vide de
3 m située à environ 20 m de profondeur
produituneanomaliede cetteamplitude.
Sonpouvoir de résolutionestfonctiondes
caracæristiquesde la cible recherchéeprofondeur (l'anomalie gravimétriqueest
tres rapidement atténuée de fæon
inversementproportionnelleau carré de la
distanceentre cette sourceet le sol), taille
et contraste de densité par rapport au
milieu environnant- et de I'espacementdes
mesures.
Les mesuresétant souvent réaliséesaux
næudsd\rne grille, I'information résultante
permet d'obtenir une carte des anomalies
microgravimétriques
Ésiduellesqui perrnet
de preciserla positiond'unecavité.
Exemple de carte mtcrogravimétrique
résiduelle obtenue sur un cas réel : en
rouge, Ies zonesprésentant un défeit de
masse; en bleu, celles qui présententun
excès de masse.La méthodepermet de
détecter la marnière. Néanmoins,au sud,
une zone "lourde" est égalementmise en
évidenceau dessusde cettemarnière; cette
zone, Iiëe à la présence de matëriaux
denses(sile| en subsurface,vient masquer
la réponsegravimétriquede la cavité. Cet
exempleconfirmela nécessitédéjà évoquée
de contrôler les anomaliesobservëespar
desforages.
5
Dans des conditions favorables (bonnes
connaissances des densités et des
géométries des couches géologiques telles
que les limons, et les argiles à silex), des
outils de calcul permettent de foumir des
informations sur la distribution des
profondeurs et des dimensions des
structures géologiques sous-jacentes à la
zone d'étude.
0
-t0
a
$
4
4
Avant de realiser une campagne de
mesures,il est recommandé:
de collecter et de fournir au
géophysicien chargé de l'étude
I'ensembledesinformationsdisponibles
concemantle lieu où la méthodesera
géologiques
appliquée: caractéristiques
et physiques (contrastesde densité),
taille et profondeur supposéesde la
cavité, relief topographique,presences
de maisons, caves. Toutes ces
informations seront utiles pour
dimensionner une campagne de
mesures (extension géométrique de
l'étude,nombrede stations,espacement
desmesures,etc.)en adéquationavecla
cible recherchée. Elles pourront
égalementlever certainesambiguïtésau
niveaude I'interprétation(un défaut de
masse peut avoir des origines
ne
multiples qui
sont pas
nécessairementdes caviGs ; par
exemple une même forme d'anomalie
peut être provoquée par une cavité
ayant une certaine caracæristique
géométriqueet situéeà une profondeur
donnée,ou par uae poche de sablede
dimensionsadéquates).
De ne pas limiter les mesuresà la
zone d'extension supposée de la
cavité proprement dite, maisplutôt de
déborderde cette zone '. ceci permettra
une meilleure prise en compte de la
composanteregionalegravimétriqueet
ainsi de mieux définir I'anomalie
résiduelle.
6
^
I
s
I
i
æ
re
Olstancr
2@
Exemple d'une cavité et d'une poche de
sable produisant Ia meme anomaue
microgravimëtrique.
100
150
Dlstrnco (m)
o ''f-
50
0,0
-10,0
I -zo,o
!
5 -so,o
9
À
{0,0
é0,0
50
t00
150
Dislrnc. (m)
En haut l'espacement des mesures permet
de détecter la présence du puits d'accès à la
cavité. En bas, cet espacement est trop
grand et les mesures ne Permettent pas de
détectersa présence.
.
de faire des calculs Prédictifs
(modélisations) pour vérifier qu'une
cavité d'une taille donnée située dans
géologique
environnement
un
supposé est détectable ou pas, et avec
quel espacement de mesures. Ce
demier paramètre est fondamental : par
exemple, un esPacement tlop grand
entre les mesures peut ne pas permettre
de repérer un ancien puits d'accèsà une
mamière qui souvent ne Produit une
anomalie gravimétrique discemable que
sur des distancesde quelquesmètres.
théoriques de détection. En effet, les
inégularités des limites des couches
géologiques de surface (en particulier
argile - craie), perturbent les mesures
pouvant rendre I'information provenantde
la cavitédifficilementdiscemable.
Il faut enfin noter que, malgré le fait que
cette méthode soit sensible aux vibrations
du sol, elle peut être utilisée dans des zones
urbanisées (en travaillant de nuit par
exemple).
dem:eure actuel'
La microgrwirnétrie
lement la mëthode géophysique Ia plus à
même de fournir une rëponse sur la
prësence de cavitë en Haute-Normandie
Pour fixer des ordres de grandeurs, on peut
indiquer qu'une marnière typique de la
région d'extensionslatérales 20 m*20 m et
de 3 m de hauteur située à une profondeur
de I'ordre de 10 m produit une anomalie
tout à fait détectable d'environ 40 pGal.
Cette rnême cavité située à une profondeur
comprise entre 20 et 23 m produit une
anomalie microgravimétrique d'environ
25 pGal : cette anomalie est détectabledans
le cadre d'une étude, mais elle se rapproche
des limites de la méthode compte tenues
des perturbations des mesures liées aux
terrains
des
héGrogénéités locales
superficiels. Par contre, si elle se trouve à
40 m de profondeur, elle ne produit plus
qu'une anomalie de quelques pGal, ce qui la
rend alors indétectable avec les instrurnents
actuellementdisponibles.
des
variabilité
la
Néanmoins,
des
intrinsèques
caractéristiques
(extension,
vides,
hauteur des
marnières
forte
une
profondeur) couplée à
hétérogénéité du contexte géologique
peut réduire largement ces capacités
Influence des iruégularités géométriques
des couchesdu sous-sol sur les anomalies
microgravimétriques : en rouge, I'anomalie
théorique en l'absence d'irrégularité
(modèle A) - successivement en vert
(modèle B) et en bleu (modèle C), les
en
produites
anomalies
Prësence
d'i rrë gularités des terrains superf ciels.
Enfin, il faut égalementnoter qu'une cavité
située au-delà de la profondeur théorique
de détectabilité peut l'être en pratique de
façon indirecte si elle est le siège
d'instabilités à I'origine de ,orl,
décomprimées se produisant à son
aplomb : en effeq ces zonesdécomprimées
induisentdesdéficitsde densitédesierrains
surmontantla caviæqui peuvent,selonleur
ampleur, inflgs1çs1 les mesurei et servir
ainsi d'indicesévélatgurs.
Le coût de mise en æuvrede cetteméthode
est fonction du nombre de stations de
mesures.
I
sta:tionspour realiser une étude devant
couwir une zonede I ha ; ceci conduità un
coût global comprisentre 100kF et 120kF
r
Les méthodes sismiques consistent à
provoquer des ébranlements dans le
sous-sol et à observer en surface
différents types d'ondes générées au
cours de ces ébranlements. A I'origine,
elles ont éæ développéeset elles sont
toujours utilisées dans le domaine de
I'exploration pétrolière, ou pour des
objectifs de recherche fondamentale
(Physiquedu Globe).Depuisune quinzaine
d'années,les évolutionstechnologiqueset
I'améliordion des moyens de calculs
informatiques ont conduit à I'utilisation de
ces techniques pour des objectifs de
détectiou des cavites. Les materiaux
géologiques peuvent être camctériséspar
leun propriétés acoustigues ou par les
vitesses de propagation des ondes
sismiques.
Deux principaux qæes d'ondes sont
générées
lors d'un ébranlementdu sous-sol:
o
les ondes de volurne qui pénètrentà
I'intérieurdu sous-solpour se Éfléchir
ou se refracter sur des inærfrces
géologiquesde naturesdifférentes;
les ondesde surface qui, comme leur
nom I'indique, voyagent proche de la
surfacedu sol.
D|lnuËb)
yisualisation a ctilJërents instants d'une
onde de surface se prorygeant près de la
surfacedansun tetoin homogène.
La presenced'uue cavite dans le sous-sol
peut sous certaines conditions physiques,
constihrerun obstacleà la propagationdes
ondes et entraîner des modificæions de
certains paramètres (æmps de trajet,
amplitudeset formes des siguar::r,vitesses
de propagation des ondes, etc. ) qui
servirontde Évélateun de sapresence.
Différentesméthodessismiquestirent partie
des informæionsrccueillies par ces ondes
iur coursde leur propagationdars le sol:
Ûr.'|.ÉFl
couchesde vitessessismiquesdffirentes
(respectivement
1500m/s et 5000n/s).
D!|rD.ûll
instants
onde de volume se propageont dans un
sous-sol homogène à une vitesse de
1500rn/s.
La, sismiqae réflexion haute résolutîon
s'intercsseaux ondes de volume qui se
I
refléchissent et se transmettent sur les
diftrents horizonsgéologiques.
r
une réflexion sur le toit de la cavité :
elle se produit lorsque les dimensions
du vide sont suffisammentgrandesporu
perturberla prcpagationde I'ondedans
les terrains.
0
?:
E
La sismi4ae réfractîon s'interesse atu(
ondesrefractéesle long des interfacesentre
vitesses
couches géologiques de
propagation
et
diffërentes: les vitessesde
les profondeursde cescouchespeuventêtre
ainsi déterminées.
Jl
Ëo ' '
E rso
e
9am
o2S0
Dllæ4(n)
Sur Ia basedu modèleprécëdgnt,une onde
de volumese réfléchitsur la 2"'" couche.
Avec cetteméthode,la présencede cavites
se traduit par des micro-retards et des
atténuationsdesondesdansle milieu.
Diftrents phénomènespeuvent révéler la
présenced'unecavité :
.
une perhrrbation et une attenuation de
l'amplitude des ondes enregistreessur
les géophonessituéesau-dessusde la
cavité: les ondes refléchies sur une
interface située sous la cavité veffont
leurs énergies diminuées par la
presencede cettecaviæ:urooursde leur
propagæionvers la surface.Ceci arrra
pour effet de prcvoquer une zone
d'ombreet correlativementune certaine
deshorizonsréflecteius
désorganisation
est alorsobservée.
10
30
50
70
90
r10
1
sismlqueré
rëalisé au-dessusde galeries de mlnes de
gpse : en haut,plan de situdtion du profl.
En bas, l'image sismiqueobtenuemeftaht
en évidence une désorganisation des
réflecteurs sismiques à I'aplotnb des
galeries.
to
Ê
g
o
E
DÈlrÈo(rt)
Sur Ia basedu modèleprécëdertt,une onde
réfractée apparaît à la ltmite des detn
couchesconsidérëes.
Récemmengdes recherchessont menées
sur une nouvelle méthode bndée sur
l'analyse de Ia dispersion des ondes de
surfoce (c.à.d. une variation de la vitesse
des ondes sismiquesen fonction de leur
fréquence). Des résultâts ptéliminaires
encourageantsont éte rccemment obtenus
avec c;etts méthode. S'ils s'avénient
concluants dans le futur, cette technique
pourrait constituer une approche originale
et de miseen æuvrerelæivementaisée.
surface est communémentde l'ordre de
30Hz à 100FIz.
rc
IB
Jç
EG
Exemple de diagramme prësentant : à
gauche une réponse thëorique en absence
de cavitë dans le sous-sol; à droite, Ia
présence d'une cavitë se manifeste par une
rupture dans le diagramme pour certaines
fréquences.
Quellesque soientles méthodessismiques,
le matériel d'acquisition de données se
composed'une source d'ébranlement,d'un
dispositif de mesurecomposéde plusieurs
capteursd'ondes sismiques (géophonescommunémententre 12, 24 et 48) et d'un
enregistreursismique.
I existe différents types de source
sismiquechoisisen fonction desconditions
de I'environnementdu terrain étudié. On
distingue les sources de surface et les
sourcesenterrées.Les premièressont : les
sourcesà impact (marteau,chutede poids),
les fusils,les sourcesvibrantes.Iæs sources
enterreescomprennentprincipalementles
e;iplosifs (dynamites,cordeaux détonants,
détonateurs).
Les géophonessont généralementdisposés
en surface à intervalles réguliers le long
d'uneligne (profil) par rapportà la source.
La distance entre géophones,la distance
entre la source et les géophoneset la
longueurde la ligne doiventêtrechoisiesen
tenantcomptede la profondeursupposée
de
la oible recherchée.La fréquencenaturelle
des géophonesutilisés en sismique de
Photo d'un gëophone avec sa pointe
permettantde l'enfoncerdansle sol.
Dès l'émission d'un train d'ondes produit
par une sourcesismique,on enregistreles
déplacementsdu sol pendant une durée
déterminée qui est fonction de la
profondeur d'investigationet des vitesses
du milieu étudié.
supposées
Pour réaliserun profil de mesure,selonles
méthodes sismiques choisies, différentes
configurationsde dispositifs peuvent être
mis en æuvre: tirs en débutou en fin de la
Iigne des géophones,tirs au centre de la
Iignedesgéophones.
La mise en @uvre de ces méthodes
nécessiteau moins 2 opérateurs qualifiés
(un géophysicienet un technicien).Un levé
topographiquepeut être rcquis en cas de
topographieaccidentée.
Après la campagnede mesures,une phase
de traiæment des donnéesest nécessaire.
Cettephasea pour objet la remiseen forme
de I'informaton sismiqueenregistréesur le
terrain,de manièreà mettreen évidenceles
caractèresgéologiques du sous-sol. Les
séquencesde traitement sont nombreuses
avant d'aboutirà la sectionsismiquefinale
inærprétée.Ces méthodesnécessitentdes
moyens de calculs assezimportants (en
particulier pour la sismiqueréflexion) qui
demandentune cornpétenceaffirmée ainsi
qu'une bonne expérience de la part de
I'ingénieur.
11
sismiquesen fonctionde la profondeur.
Les signaux sismiques peuvent être
parasitespar diftrents types de bruits :
véhicules,interferencesélectromagnétiques
qui affectent la transmissiondes données
dans les câbles,ou toute autre source de
bruit sonore.En généralI'influencede ces
bruits peut être Éduite en utilisant des
sourcesplus puissantesou en filtrant les
données.
D'une façon générale, I'emploi des
méthodessismiquesest d'utilisation très
délicate en milieu urbanisé, en particulier
à cause des sourcesexplosives.On peut
noter toutefois, que depuis ture dizaine
d'années,I'apparition sur le marché de
nouvellessourcesvibrantespermetd'élargir
des champd'applicationde cettetechnique
dansde tels environnements.
Si I'explosif a
été retenucommesourced'ébranlement,
un
boutefeu habilité est requis et des
autorisationsdoivent être obtenuesauprès
desautoritéscompétentes.
L'applîcation de ces méthodes à la
d&ection des cavités souterraînes en
rëgion Haute-Normandie, en particulier de
type manrières,qu'ellessoientde sismique
réflexion haute résolution"ou fondéessur
I'analysedes ondesde surfaceresteencore
limitée à desétudesayant un caractèrede
recherche. Elles nécessiæntla mise en
place de prcgftrmmes de
R&D
complémentairespour mieux déterminer
leun capacitéset limites.
La presencede limiæs très irÉgulièresentre
les diftrentes couches géologiquesrend
I'application de la sismique réfraction
inadaptée à la détection des cavitésde la
région : par contre, elle peut apporterdes
informationssur la distributiondesvitesses
12
Les facteurs limitant les capacites des
techniques sismiques à déæcter les
mamièresen région Haute-Normandiesont
principalement:
.
.
.
les irrégularités et hétérogenéitésdes
différentes couches géologiques
particulièrementI'interfacecraie- argile
à silex.
la grande variabilité des vitesses
sismiques caractérisantles différentes
couches géologiques ainsi que leurs
épaisseurs,
les faibles dimensions des cavités
elles-mêmesdansce contextestructural
géologiquetrèshéterogèneet variable.
Ces méthodes,en particulier la sismique
réflexion, ont recemmentbénéficié d'une
amélioration des moyens d'acquisition et
desmoyensde calcul qui vont dansle sens
d'une diminution des coûts de mise en
ceuvre,de traitementet d'interprétation.
En sismîquerëfractîon, le coût joumalier
(pour le déploiement de 3 dispositifs
comprenant24 géophoneset la realisation
de 5 tirs à I'explosif) peut varier entre
20 000 F ïfC,
rapport
et
15 000
d'interprétationcompris.
En sismîqueréflexion hutte résolation, un
facteur 3 à 4 doit être appliqué à ces
demièresestimations.
Pour la mëthode d'analyse des ondes de
surface,si les étudesulterieuresprecisaient
son adaptationà la déæctiondescavités,on
peut estimerque les coûtsà prévoir seraient
équivalentà ceuxde la sisnique réfraction.
Ésistivites des roches contenuesdans un
volume dépendantdu dispositif de mesure
utilisé (on dit aussi que la méthode est
integrante).
Les méthodes électriques consistent à
mesurer une diftrence de potentiel enûe
deru électrodesplanæesdans le sol, qui
aura été cÉée par une injection de courant
continu entre deux autresélectrodes.Ce qui
diftrencie les méthodes électriques des
méthodesélectromagnétiquesreposesur le
fait que dans le premier cas les courants
sont injectésdansle sol par I'intermédiaire
d'électrodes,alors que dans le secondcas
les courants sont induits grâÊÊ à
I'application de champsélectromagnétiques
variablesen fonction du temps.
Cette Ésistivite apparentes'exprimesousla
forme d'un rapport entne la diffirence de
potentiel mesureeet I'intensite du courant
émis à un facteur géométriquepres. Ce
facteur géométriquedépendde la position
des électrodesles unes par rapport aux
autres.
Un grand nombre de géométries de
dispositifs existent; les électrodes de
mesuresde potentiel peuventêtre encadÉes
par celles qui servent à lTnjection
(dispositifs Schlrmrbergeret Wenner), ou an
contraireelles peuventêtre séparees.
Le paramètre physique analysé par ces
méthodes est la résistivité électrique
(expriméeen Ohm.m).La Ésistivité estune
propriéæ physique caractéristique d'une
roche qui conditionne la circulation d'un
courant dans un materiau. Ce paramètre
varie en fonction de lanature de laroche, et
différents facteursvont affecter sa valeur :
on peut citer, entre autros, la texhrre, la
porosite, la ûacturatiorq la teneur en eau,
I'alteration,la saliniæ.
Les caviæs, lorsqu'ellessont vides, sont
caractérisées par une résistivité très
importante (en théoriela resistivitede I'air
est infinie) par rapport aux resistiviæs des
terrains environnants. Ces techniques
s'appuientdonc sur un fort contrasûede la
géologiqueet la
Ésistivite entnel'encaissant
caviteelle-même.
Sur le t€nrain, on mesure le potentiel et
I'inænsité du courant, et on en déduit une
résistivité apparente : le terme "apparent"
est important car ce n'est pas la Ésistivite
vraie d'unerochequi est obtenue,mais une
sorte de "moyenne" des diftrentes
Schénas de prtncipe pour 2 dispositifs
électriques : un courant conrnt est iniecté
donsIe sous-solpar les ëlectrodesA et B, et
la dffirence de potentielest mesuréeentre
les électrodesM et N.
Chacun de ces dispositfs possède ses
défauts et ses qualites (Ésolutions de
stratificæions horizontales, rapport signal
sur bruit, sensibilité aru( interfaces
géologiquesverticaux,etc.).
Deux modes de mesures existent : Ie
profilage et le sondage.Dans Ie premier
13
cils,on enregistredesvariationslæéralesde
la résistvité apparente.Dans le secondcas,
on étudie Ia variation de la résistivite en
fonction de la profondeur,ce qui permet
d'établir un modèlegéoélectriquèdu sous_
sol à I'aplombde I'endroitoù la mesureest
réalisée.La combinaisondu sondageet du
profilage est appeléepimneauélectrique.II
permet de reconstruire une ôoupe
géoélectriqueen 2 dimensions,c'est à dire
latéralement et en fonction de Ia
profondeur.Danstous les cas,la profondeur
d'investigationdépendde l'écartementdes
électrodesdu dispositif et de la résistiviæ
du sous-sol.
Les méthodes électriques en counurt
continu sont d'utilisationcourante.Elles ne
produisent aucun dégât sur le siæ de
mesure. Elles pÉsentent I'inconvénienr
comporterplus de deuxmanæurrres.
Si leur mise en ceuvïe est relativement
aisée,certainesde cestechniquesrequièrent
une véritable expérience pour leur
interpretation.
14
Ces méthodes sont de mise en æuvre
limitée en milieu urbaniséet I'interpretation
des résultats est complexe en présence
d'infiastructuresindustriellesou agricolesà
causedescourantsélectriquesparasites.
Pour des applications en rëgion HauteNormandie, elles peuvent permettre de
préciserles géométriesde la limite entreles
argiles à silex et la craie, informationsqui
peuvent être utiles pour compléær Ës
résultats d'autres méthodesgéophysiques.
Par contre, à ce jour, elles n'ont pas
démontré leur fiabilité en terme de
détection directe des cavites dans cette
region. Iæs raisons sont principalement
liées aux faibles dimensionsdes caviteseu
égard à leur profondeur, entraînant des
variæions de résistivité apparente très
faibleset donc difficilementdétectables: de
plus, les effets sur les mesures des
irregularités des géométries des terrains
situés audessus des cavites viennem
s'ajouterà cettedifficulte.
Selon les difficultés d'interpétation et le
nombre de personnesnécessairespour la
realisationdes mesures,le coût joumalier
peutvarierde l0 000F à 15 000F TTC.
Ces méthodesregroupentde nombreuses
techniques.On presenteraici 4 principales
techniques: le radar géologique, la
résonancemagnétiqueprotonique (RMP),
les techniquesà émetteurprocheou mobile
(dites EM Slingram), et les techniquesà
émetteurlointain ou mobile (par exemplele
vLF).
D'une façon générale, les méthodes
électromagnétiques s'appuient sur le
principe
suivant:
tout
champ
électromagnétique se diffirsant dans un
milieu conducteur (on parle de champ
prirnairQ génèreun coumnt induit dans le
sol qui génère en retour un champ
(champ secondaire)qui
électromagnétique
se superpose au champ primaire. Les
mesures de ce champ secondairevont
renseignersur la conductivité(inversede la
Ésistivite
électrique) des terrains
investigués.La conductivité s'exprime en
millimho/mètre ou millisiemens/mètre(1
millimho = I millisiemens).Les courants
induits sont d'autant plus élevés que la
conductivité du milieu est importante.La
profondeurde pénétrationdans le sous-sol
est fonction de la fréquencedes champset
de la resistiviædesterrains.
Le radar gëologique : cette methode,
utilisée de manière relativementroutinière
depuis une dizaine d'années dans le
domaine du génie civil, est fondée sur
l'émission
de
brèves
impulsions
électromagnétiquesde hautes fréquences
(50 MHz à 2 GHz) qui se réfléchissent
partiellementsur des interfacesde milieux
présentantdes caractéristiquesélectriques
diffërentes. Les échos produits sur ces
interfaces sont enregistrésen fonction du
temps au moyen d'une antenneÉceptice,
puis exploiæs.
La rësonance magnétîque protonîque :
cetteméthodetrès recenteutilise le principe
physique de la résonance magnétique
nucléaire,comme dansle cas de I'imagerie
médicale.Elle se fonde sur I'excitationdes
moments magnétiques des protons,
principaux constituants des molécules
d'eau. Elle est principalementdéveloppée
pour l'exploration des ressourcesen eau
dansle sous-sol,car c'estIa seuleméthode
géophysiquequi soit directementsensibleà
l'eau. La RMP permet de déduire la
repartiton de I'eau dans le sous-solet de
qualifier l'état dans lequel elle se trouve
emmagasinéedans le sous-sol(eau libre,
estimationde la taille desporesdes roches
magasins). Ainsi, et dans I'objectif de
détecter des cavités ennoyées, cette
techniquepeut s'avérerintéressante: il est
néanmoinsencorenécessaire
de Éaliser des
étudesméthodologiquesafin de déterminer
precisémentses reellescapacitéset limites
pour répondreà cetteproblématique.
Equipement"IVAMIS"de mesuresRMP.
Les techniques à émetteur mobile z le
dispositifcomporteson propreémetteurqui
se compose d'une bobine d'un tpe
identiqueà celui de la bobine réceptrice(la
gamme de fréquenceva ici de 100FIz à
10 kHz). La conductivité apparente des
terrains investiguésest fonction du rapport
entreles champsprimaireset secondaires
et
la profondeurd'investigationest liée à la
fréquence,à l'écartementdesbobineset à la
conductivitédesterrains.
15
Les techniques à émetteurftxc : pour ces
techniques, les champs primaires sont
foumis par des émetteus militaires ou
privéslointains,dont les ftquences vont de
8 kHz à 1,6MHz. L'appareil mesureà la
fois les composantes
du champmagnétique
verticalet horizontalà I'aidede bobineainsi
que le champ électrique à I'aide
d'élechodes.La resistivitedéduitevarie en
fonction du rapportdes champsélectriques
et magnétiques.
Selon les configurationschoisies dans le
cas du radar géologique, I'antenne
émettricepeut être déplaée continûmentou
positionnéeà intervalles reguliers le long
d'un profil. La mise en æuvre de cetûe
technique ainsi que l'interpÉtation des
données nécessitent un personnel trcs
qualifié. De façon assez analogue EùDr
ésultats obtenus en sismique Éflexion,
I'infonnation obtenue avec le radar
géologiquese presentesousla forme d'une
image du sous-solen fonction du tempset
selon I'ar<ede déplacementde I'antenne
émettrice.
coldrdt
@tmê
rDdG!
Exemple d'image radar du sous-sol
montTant les détections d'une conduite
enterréeet d'un ancientuits d'accèsà une
cavité.
I-a résonance magnétique protonîque
utilise une antennedéployéesur le sol dans
laquelle un courart altemæif d'une
fréquencespécifiqueest injectépendantdes
dureestrès breves à intervalles regulien.
Ceci a pour effet de produire une excitation
des moments magnétiques des protons
contenusdans I'eau qui peut être mesurée.
A partir d'un sondage,on peut directement
déduire I'absenceou la presenced'eau, et
dans ce demier cas. déterminer sa
16
distributon en fonction de la profondeur.
La réalisationde diffërentssondagesle long
de profils ou aux næuds d'une maille
permet de déærminer une cart€ des
diftrents
aquiferes reconnus. La
profondeur d'investigæion maximale
actuellede la RMP se sihre aux environs de
100m. L'extension laterale de la zone
investiguéepar un sondageest de I'ordrede
200 m. Sa mise en æuvre et son
interpÉtation nécessiteun ingénieur tres
qualifié.
Pour les autres techniques, les mesures
sont réaliséesen diftrentes stationsle long
de profils ou aux nceudsd'unegrille, le plus
souventà intervallesreguliers.Leur mise en
æuvreest relativementsimple, et un à deux
opérateurs sont nécessairessuivant les
appareillages
utilisés.
Aucune de ces méthodes ne produit de
dégâtsur le terrain.
En général, la limitation principale pour
I'utilisationdt radæ géologiqueestliée à la
resistivité des terrains superficiels : polu
des valeun de ce paramètre inferieures à
50 ohm.m,la profondeurd'investigationest
très diminuée(moins de I m dans des sols
conducteursargileux).
Toutes les méthodes électromagnétiques
sont très sensibles arD( interfercnces
d'origines industrielles(courants de fuiæ,
lignes électriques,émetûeursproches ou
lointains), orages magnétiques, à la
présencede structuresmétalliquesenfouies
ou aériennes: ceci ne permetdonc pas leur
utilisæion en milieux urbanisés,voire suburbanisés. A noter également le risque
d'arrêt d'émission de l'émetûeurpour les
techniquesà émetteurfixe.
Appliquées à la daedion des covités dans
le cont&e de la Haute Normandie, ces
méthodesn'ont jusqu'alors pas démontré
une réelle efficacité qui puissentpermettre
de pÉconiserleur utilisation systématique.
Pour ce qui concernela méthodedu radar
géologique,utilisée avec succèsdans cet
objectif
dans
d'autres contextes
géologiques, la présence de terrains
superficiels (limons, argiles) relativement
conducteurs (résistivites inferieures à
50 ohm.m) réduit largementla profondeur
d'investigation,la rendantainsi totalement
inefficace pour des cavités situées
majoritairement dans la craie. En-fin,
comme indiqué précédemment les
performancesde la Ésonancemagnétique
protoniqueappliquéeà cetteproblématique
ne sont actuellement pas connues
précisément, cette méthode étant trop
récente.
La realisation d'une joumée de mesure
radar s'élève à environ 15 000 à
20 000 F TTC, auquel il faut toujours
rajouter un coût pour I'interprétationdes
donnéesselonla complexitédu problème.
Le coût moyen d'un sondageRMP se siûre
aux environsde 6 000 F TTC et, dans des
conditions de bruits électromagnétiques
favorables,de I'ordrede 3 sondages
parjour
peuventêtreréalisés.
Pour les autrestechniques,les rendernents
moyensde cesméthodessontd'environune
centainede stationsde mesurespar jour. Le
coûtjoumalier aveccartographiesimpledes
resultats et un rapport d'exécution est de
I'ordrede l0 000F TtC.
l,a techniquedu radar géologiqueest une
techniquerelativementonéreuseà causedu
prix élevéde l'équipementlui-même.
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À Ë
Sismigueréflexion
Sismigueréfractlon
Sismlgue "ondes de surtace"
DÂspositi/btrad itionneIs
Panneauélectrique
Radar géologique
R/iITP
EM31, Eni34, VLF
bonne. *+*
moyenne:**
médiocre:*
insatisfaisanteou non-applicable: recherdreet developpem€Nrt
: R&D
18
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