Les méthodes gravimétriques

Master Professionnel CIS
jean-Pierre Fourno
Les méthodes électriques
I.- Introduction
Les méthodes électriques sont caractérisées par divers types de champs et de
techniques de mesure employées pour évaluer ces champs.
L'école française dite "école Schlumberger connut son origine en 1912 lorsque
Conrad Schlumberger initia une série d'expériences dans le but de trouver des
gisements par méthodes électriques. Il mit d'abord au point la méthode de
polarisation spontanée, puis en 1914 la méthode des lignes équipotentielles. En
1920, il fit le premier relevé de résistivité électrique qu'il applique à la recherche de
conducteurs métallifères et à la recherche de structures favorables à la découverte
de champs pétrolifères.
Cette société devait donner naissance un peu plus tard à deux grandes
organisations mondiales, soit la Compagnie Générale de Géophysique de France et
ses filiales mondiales et la "Schlumberger Well Surveying Corporation".
J. Cagniard (1953) conçut et mis au point une technique qui a tous les avantages de
la méthode tellurique mais qui ne nécessite pas de lectures continues à une station
de base ; c'est la méthode magnéto-tellurique. J. Duroux (1967) est le dernier
membre de l'école française qui ait apporté une contribution importante en
prospection électrique. Il a conçu et mis au point une méthode qui est en tout point
identique à celle de Cagniard excepté que la source du champ électrique est
artificielle au lieu d'être naturelle (c'est la méthode magnéto-électrique par ondes
de surface).
Par méthodes électriques, on entend généralement toutes les méthodes où un
courant électrique artificiel est envoyé dans le sous-sol par conduction au moyen
d'électrodes ou bien les méthodes où l'on établit la distribution des potentiels
électriques (voltages) au moyen d'électrodes enfouies dans le sol. Une variation de
la conductivité électrique du sous-sol altère la distribution du passage du courant
dans le sous-sol et en conséquence celle du potentiel électrique. Les méthodes
électriques peuvent être classifiées en deux groupes principaux : celles qui font
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l'emploi de courants artificiels et celles qui font l'emploi de courants naturels. Dans
le premier cas, on utilise soit des courants ou champs électriques ininterrompus
(continus ou alternatifs) artificiels tels, par exemple, la méthode des lignes
équipotentielles, la méthode du quotient de différences de potentiel, la méthode de
résistivité électrique et la méthode magnéto- électrique, soit des courants ou
champs électriques interrompus périodiquement (transitoires) artificiels, tels par
exemple dans la méthode Eltran ou la méthode de polarisation induite (domaine
temporel). Dans le second cas, on utilise des courants ou champs continus naturels
locaux tels que ceux de la méthode de polarisation spontanée, ou des courants
ininterrompus mais plus ou moins périodiques qui circulent dans de grandes
étendues du sous-sol, tels que dans la méthode des courants telluriques ou dans la
méthode magnéto-tellurique.
II.- Les propriétés électriques des minéraux et des roches
Les anomalies électriques dépendent du contraste de conductivité électrique qui
existe entre les conducteurs et la roche encaissante. Il est donc important de bien
connaître les propriétés électriques des roches, c'est-à-dire la conductivité
électronique, la conductivité diélectrique et la conductivité électrolytique.
III.- L'appareillage employé pour les mesures électriques
La description de l'appareillage peut se scinder en deux groupes soit la description
de l'appareillage utilisé sur le terrain et celle de l'appareillage employé en
laboratoire. Dans chacun des groupes on décrira l'appareillage relatif à une
méthode électrique spécifique.
1.- L'appareillage pour mesures électriques sur le terrain
L'appareillage de polarisation spontanée nécessite deux électrodes de
voltage non-polarisables du fil électrique recouvert de matière isolante et un
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potentiomètre .
L'appareillage de la méthode des lignes équipotentielles requiert une
génératrice de courant alternatif à basse fréquence, au moins quatre électrodes
métalliques, du câble, un voltmètre pour champ alternatif. Si on emploie du
courant continu au lieu d'un courant alternatif, on utilise des piles sèches de haute
tension au lieu de la génératrice et un voltmètre de champ continu.
L'appareillage de la méthode du quotient de différences de potentiel emploie
une génératrice de courant alternatif dont la fréquence se situe dans la bande audio
10, 1000 Hz, au moins cinq électrodes métallique, du câble, un pont de calibration
conçu suivant le principe du pont de Wheatstone et des écouteurs.
L'appareillage de résistivité électrique consiste en une génératrice ayant une
génératrice ayant une puissance de 5 ou 10 Watts allant jusqu'à 1 ou 30 kilowatts
fournissant du courant continu ou des piles sèches de haute tension, quatre
électrodes métalliques, un milliampèremètre, un voltmètre et du fil électrique
recouvert de matière isolante. Le courant alternatif de la génératrice peut être
redressé à l'aide d'un commutateur ou d'un pont de diodes. Le système génératriceampéremètre-potentiomètre peut être remplacé par un ohmètre spécialisé doublé
d'une génératrice utilisée manuellement . La profondeur d'investigation de cette
méthode est limitée par la puissance de la source émettrice et par les courants
telluriques.
L'appareillage des méthodes telluriques est très simple. Il se compose d'électrodes
non-polarisables, de deux ou trois récepteurs avec enregistreurs sur papier ou
digitalisés, de câble et d'un système de chronométrage par radios. La profondeur
d'investigation peut être très grande.
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L'appareillage de la méthode magnéto-tellurique se compose de trois électrodes
non-polarisables, d'un récepteur comprenant un système d'amplification stabilisé et
à courant continu, d'un filtre accordable et d'un voltmètre pour capter le champ
électrique. Les variations du champ magnétique sont captées à l'aide de deux
bobines (une mesurant la composante verticale et l'autre la composante horizontale
à 90° avec le champ électrique). Les micro-fluctuations du champ magnétique sont
mesurées, par exemple, à l'aide d'un magnétomètre à induction qui est en quelque
sorte un système d'amplificateurs et de voltmètres. La profondeur d'investigation
est de l'ordre du kilomètre.
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L'appareillage de la méthode magnéto-élecrique par ondes de surface consiste en
un émetteur comprenant un générateur de signal, un amplificateur de courant, une
boucle d'émission (dipôle émetteur) de diamètre variable (jusqu'à 120 m de
diamètre de grande puissance ( 1500 VA) et un récepteur comprenant des capteurs
de champ électrique et de champ magnétique, des amplificateurs, des filtres et des
sources d'alimentation. La fréquence est variable entre 1 et 20,000 hertz et la
profondeur d'investigation va actuellement jusqu'à 300 mètres.
IV.- La polarisation spontanée (PS)
Cette méthode a été inventée et mise au point par Conrad Schlumberger (1912). La
polarisation spontanée (PS) mesure les différences de potentiel naturel, en partie
constantes et en partie variables, qui existent entre deux points de mesure à la
surface terrestre. De tels potentiels naturels se rencontrent au-dessus de masses de
sulfures ou de graphite et leurs causes peuvent s'expliquer simultanément ou tour à
tour par des phénomènes de couches ioniques, d'électrofiltrage, de différences de
pH et de Eh et d'électro-osmose. La PS est une des rares méthodes électriques où la
profondeur de pénétration du courant ne peut être contrôlée. Une interprétation
quantitative des résultats obtenus ne peut donc être directe.
En pratique, on obtient des lignes de contour d'une anomalie de PS par la méthode
des lignes équipotentielles. Les différences de potentiel des anomalies de
polarisation spontanée varient entre -30 et -1750 mV maximum.
V.- La méthode de résistivité électrique
Dans le cas de cette méthode qui a été inventée et mise au point par Conrad
Schlumberger, le courant électrique pénètre dans le sous-sol en deux points et le
potentiel est mesuré en deux autres points dont la distance par rapport aux deux
premières électrodes est variable. La différence de voltage et l'intensité du courant
étant mesurées, la résistance est calculée et la résistivité électrique apparente qui
dépend de la configuration employée est déterminée en fonction de la profondeur
de pénétration. Cette méthode est couramment usitée de nos jours, surtout en
Europe.
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La configuration à cinq électrodes de type Wenner
Dans ce cas, on a deux électrodes de courant C1 et C2 (A et B) et trois électrodes de
potenteil P0, P1 et P2 (O M et N); la distance r entre chacune des électrodes est
constante.
La configuration asymétrique de Wenner
On emploie deux électrodes de courant C1 et C2 et deux électrodes de potentiel P1
et P2. La distance d qui sépare C1 de C2 est grande par rapport à la distance
constante r qui sépare C1 de P1 et P1 de P2.
La configuration de Schlumberger
C. Schlumberger (1920) a suggéré deux électrodes de potentiel M et N séparées
par une distance r qui est de l'ordre de dix fois plus petite que la distance d qui
sépare les deux électrodes de courant A et B. On dépalce M et N d'un point x au
suivant, suivant la ligne A B..
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1.- Procédure opérationnelle
Les propriétés électriques du sous-sol peuvent être explorées de trois façons, soit
par :
Sondage électrique (profilage électrique vertical), i.e. séparation variable des
électrodes.
Cette première procédure consiste à augmenter la séparation entre les électrodes.
Elle donne des renseignements relatifs à la distribution de conductivité électrique
en fonction de la profondeur et elle présente une application courante des méthodes
électriques aux problèmes de génie.
Profilage électrique horizontal (profil électrique) ou séparation constante des
électrodes
Le profilage électrique horizontal est surtout sensible aux variations latérales de
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conductivité électrique. Cette technique est particulièrement efficace pour détecter
les hétérogénéités locales peu profondes dans le sous-sol.
Carottage électrique
La procédure est semblable à celle du profilage électrique horizontal. Elle est
employée en prospection aquifère et pétrolière.
La résistivité apparente
La résistivité apparente  a est un concept artificiel. Il comporte une part de
signification physique et une autre part d'abstraction mathématique. Elle n'est pas
seulement fonction de la région de l'espace mesuré mais aussi d'un facteur
géométrique F, i.e. la configuration géométrique des électrodes, choisie et c'est ce
qu'on appelle la résistivité apparente  a.
2.- Modes d'interprétation de relevés par méthode de résistivité électrique
Comme c'est le cas pour bon nombre d'autres méthodes géophysiques,
l'interprétation des résultats d'un relevé par méthode de résistivité électrique est
indirecte. On compare les données ou résultats observés avec ceux de modèles
géométriques simples. Ces modèles peuvent être, soit des modèles à échelle réduite
expérimentaux obtenus en laboratoire, soit des modèles théoriques calculés
mathématiquement.
Modèles théoriques
De nos jours, ce sont ceux que l'on emploie communément. Ils ont l'avantage d'être
plus précis que les précédents et plus rapides à obtenir grâce à l'avènement des
calculatrices électroniques au cours des dernières décades. On verra donc la théorie
de divers modèles courants.
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3.- Calcul théorique de courbes de résistivité électrique apparente pour divers
modèles simples
Les équations de Laplace et de Poisson ainsi que la théorie du potentiel électrique
développée par Maxwell et élaborée par plusieurs autres théoriciens par la suite
constituent le fondement de l'interprétation des données de résistivité électrique
apparente.
Les courbes théoriques obtenues sont dessinées sur une échelle bilogarithmique
(log-log). En général, on place la résistivité apparente en ordonnée et la séparation
des électrodes en abscisse. Si l'on utilise la configuration de Schlumberger, la
courbe théorique représente la variation de la résistivité apparente  a en fonction
de la demi-distance (d/2) entre les électrodes de courant A et B. Si l'on utilise la
configuration de Wenner, la courbe théorique représente la variation du rapport de
la résistivité apparente  a sur la résistivité de la première couche en fonction du
rapport de la distance r constante entre les électrodes sur l'épaisseur h de la
première couche.
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Les données de résistivité prises sur le terrain sont dessinées sur une échelle
logarithmique exactement similaire (courbe observée). Pour une configuration
donnée, la courbe observée est comparée avec un groupe de courbes théoriques
appelées abaques. La courbe théorique qui s'ajuste le mieux aux données observées
est choisie et l'on tire directement les renseignements relatifs à l'épaisseur et à la
résistivité vraie de chacune des couches.
1) A l'aide de l'abaque à deux terrains, on étudie le début du sondage. On
détermine h1,  1 ,  2 et la position de la croix à gauche. (  1 ordonnée à l'origine, 
2/ 1=cte , h1 abscisse de la croix).
2) Cette croix devient l'origine de la courbe correspondant au rapport  2/ 1 sur
une abaque dite lieu de croix qui prend en compte un terrain fictif  f, h f équivalent
au deux terrains (1 et 2) .
3) On fait glisser l'abaque à deux terrains de manière à ce que la croix de gauche
soit sur la courbe  2/ 1=cte du lieu de croix et ce jusqu'à ce que une courbe  2/1
coïncide avec la suite du sondage.
4) La nouvelle position de l'abaque à deux terrains détermine le rapport h 2/h1. Cela
permet de connaître l'épaisseur h2.
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5) Le rapport  3/ 2 permet de connaître la valeur  3.
6) Cette manipulation est reprise pour les terrains suivants.
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VI.- Méthodes telluriques
La méthode des courants telluriques est surtout employée en prospection du pétrole
et dans ce cas, les conditions géologiques peuvent être résumées en une couverture
de formations sédimentaires plus conductrices, sus-jacentes à un socle cristallin
plus résistif. Le courant total I qui circule dans les formations est conservateur et la
densité de courant i est inversement proportionnelle à l'épaisseur e des formations
sédimentaires, i.e.
. Comme le champ électrique
, on obtient donc
que le champ électrique est directement proportionnel à la résistivité des sédiments
et inversement proportionnel à leur épaisseur. La méthode des courants telluriques
présente cependant quelques difficultés au point de vue pratique. La première a
trait à la discrimination entre les différences de potentiel reliées aux courants
telluriques et les différences de potentiel dues aux effets de polarisation des
électrodes qui varient avec la nature du sol où elles sont installées. On peut
facilement réaliser des électrodes impolarisables de mesure dont le potentiel de
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contact avec le sol est passablement constant dans le temps, mais il est quasi
impossible de déterminer avec précision ce potentiel de contact. Les différences de
potentiel ne sont donc mesurées qu'à une quantité près qui est constante dans le
temps.
Par rapport aux méthodes électriques usuelles (v.g. résistivité électrique) les
avantages de la méthode tellurique sont évidents. La profondeur d'investigation des
méthodes électriques à champ artificiel dépend de la longueur de la ligne
d'émission. La méthode des courants telluriques a se sources d'émission rejetées
pratiquement à l'infini et réalise d'emblée la profondeur d'investigation maximum
tout en supprimant l'appareillage d'émission lui-même. Le seul défaut de cette
méthode est de donner des valeurs relatives des conductances des terrains au lieu
des valeurs absolues. Comparée à la sismique réflexion, la méthode tellurique est
moins précise mais elle est infiniment plus légère et beaucoup moins coûteuse ;
elle est en quelque sorte l'intermédiaire entre la gravimétrie et la sismique-réflexion
dans la prospection pétrolifère.
1.- La méthode magnéto-tellurique (MT)
Les courants électriques induits dans le sol par les variations du champ magnétique
externe terrestre peuvent être employés pour mesurer la résistivité. Les amplitudes
et les phases des champs magnétiques et électriques associés aux courants
telluriques sont comparées et comme la profondeur de pénétration d'une onde
électromagnétique est fonction de la résistivité et de la fréquence, la profondeur
d'un conducteur peut être trouvée en mesurant l'intensité des variations du champ
magnétique et du champ électrique à différentes fréquences. Conçue et mise au
point par L. Cagniard en 1953, la méthode magnéto-tellurique (MT) utilise les
ondes électromagnétiques naturelles qui sont générées continuellement dans le
sous-sol par des champs électromagnétiques ou micropulsations géomagnétiques
auquels sont associés les courants telluriques. Ces courants telluriques peuvent être
considérés comme des courants alternatifs uniformes qui circulent sous forme de
nappes ou de faisceaux parallèlement à la surface terrestre dans l'ionosphère.
Construction et description des abaques
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Le relevé de prospection magnéto-tellurique est représenté au moyen de deux
courbes identiques à celles de la prospection électrique continue , mais la racine
carrée de la période du signal enregistré ramplace la demi distance des électrodes
d'injections du courant électrique. Les courbes sont bilogarithmique (log-log):
log( a ) = log( )
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