Cours de prospection électromagnétique: Théorie et application

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La méthode de prospection électromagnétique.
Introduction.
La prospection par champs électromagnétiques artificiels ou naturels, produits par des
courants variables dans le temps, porte le nom de prospection électromagnétique. Les
techniques électromagnétiques sont nombreuses et diffèrent par les principes généraux, les
avantages, les inconvénients et les limitations. Leur profondeur d’investigation est limitée,
d’autant plus limitée que la fréquence est plus élevée. Il faut noter aussi que parfois la
différenciation entre les différents corps conducteurs demande l’intervention d’autres
méthodes géophysiques complémentaires comme par exemple la gravimétrie ou les forages
mécaniques.
Tous les appareils de prospection électromagnétique répondent à une grande variété de
conducteurs tant naturels qu’artificiels, qui peuvent se classer de la façon suivante:
Conducteurs superficiels.
Conducteurs dans
la roche en place
Conducteurs
artificiels
-Mort-terrain (terrain
marécageux, argileux),
- Fonds de lacs et lits
de cours d’eau,
- Formations
conductrices (argiles),
- Topographie (relief),
- Graphite,
- Sulfures massifs,
- Magnétite massive,
- Zones de cisaillement,
et failles,
-Péridotite
serpentinisée,
-Réservoirs métalliques,
- Conduites et déchets
métalliques,
-Voies ferrées,
-Lignes à haute tension.
1-L’induction électromagnétique.
1-1-Généralité.
En régime variable, le champ électrique est étroitement lié au champ magnétique. C’est de
là d’ailleurs que vient le nom d’électromagnétisme. Un champ magnétique variable engendre
un champ électrique: en cela consiste l’induction électromagnétique de Faraday. Dans un
conducteur, un champ électrique crée un courant, lequel crée un champ magnétique, c’est la
loi d’Ampère.
Les équations de Maxwell montrent que tout courant électrique oscillant produit une onde
électromagnétique qui se manifeste en tout point de l’espace par un champ électrique et un
champ magnétique oscillant à la même fréquence et perpendiculaire l’un à l’autre (figure1).
Le courant circule de façon oscillatoire et associé aux ondes électromagnétiques; c’est
donc par induction et non pas par introduction des électrodes qu’il est injecté dans le sol.

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Figure 1: Allure de l’onde électromagnétique.
La technique EM fait donc intervenir simultanément trois processus physiques suivants
(figure 2):
- production d’un champ magnétique primaire qui varie avec le temps;
- naissance de courants induits (courants de Foucault) dans tous les conducteurs sur
lesquels agit ce champ primaire;
- détection de ces conducteurs par la mesure des champs magnétiques secondaires créés
par les courants de Foucault.
L’amplitude des courants induits dans un corps conducteur dépend de plusieurs facteurs, à
peu près équivalents, qui sont:
– la fréquence du champ primaire;
– les dimensions et la forme du conducteur;
– les propriétés électriques du conducteur;
– l’emplacement du conducteur par rapport aux instruments géophysiques.
La figure 2 présente schématiquement ce circuit électromagnétique. Selon la loi de Lenz,
les courants de Foucault circulent dans le conducteur de telle sorte que le champ magnétique
ainsi crée (champ secondaire) s’oppose, sur les surfaces du conducteur, au champ inducteur
(champ primaire).

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Figure 2a: Principe du système dipolaire fréquentiel
Figure 2b: Représentation schématique de la prospection électromagnétique.
Figure 3: Induction électromagnétique. A) Vue en perspective. B) Vue suivant la coupe A-B.

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1.2- Les principes de l’induction électromagnétique.
Le phénomène de l’induction d’un champ magnétique variable avec les conducteurs, peut
être le mieux visualisé à l’aide d’un modèle simple en considérant une boucle conductrice
fermée (figure 4).
Si nous prenons cette boucle conductrice de rayon a et on l’expose à un champ
magnétique primaire (variable et uniforme, et dirigé le long de son axe) donné par:
H = Hp cos( t), (1,1)
où  = 2f, f est la fréquence et t est le temps.
Figure 4: Modèle simple de la boucle conductrice.
Les lois de l’électromagnétisme impliquent que:
dt
d
V −=
(1,2)
•=
S
SdB 
(1,3)
ldEV 
•= 
(1,4)
HB  =
(1,5)
Avec
=
flux magnétique
=B
induction magnétique
=E
champ électrique
=H
champ magnétique
=
perméabilité magnétique (dans le vide,
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0104−
=
).