Les méthodes gravimétriques
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Master Professionnel CIS jean-Pierre Fourno Les méthodes électromagnétiques I.- Introduction Par opposition aux méthodes électriques, les méthodes électromagnétiques mesurent directement le champ magnétique associé au flux de courant dans le sous-sol. Lorsque les régions de résistivité électrique anormales sont très locales, il est plus instructif de mesurer le champ magnétique associé à un courant électrique plutôt que de mesurer la distribution de courant dans le sous-sol à l'aide d'électrodes de potentiel. Lorsqu'un champ électromagnétique alternatif, qui est causé par un courant alternatif qui circule, soit dans un câble métallique relié au sol par une paire d'électrodes, soit dans une bobine métallique, se propagent dans le sous-sol, il induit des courants électriques dans des conducteurs situés à proximité. Ces courants secondaires circulent de façon telle que leur champ électromagnétique (champ secondaire) s'oppose au champ électromagnétique inducteur (champ primaire). L'intensité des courants alternatifs est plus grande dans les zones où la conductivité électrique est plus élevée. Dans l'aire située au-dessus d'un conducteur, le champ magnétique résultant se compose du champ primaire ou "normal" produit en l'absence du conducteur et d'un champ secondaire dû à la circulation des courants à la surface et dans le conducteur. De la même façon, des corps de susceptibilité magnétique élevée perturbent le champ primaire mais généralement à un degré moindre que les contrastes de résistivité appréciables. Le champ magnétique résultant est généralement détecté à l'aide d'une bobine mobile et sans attache au sol dans laquelle une force électromotrice est induite. L'intensité des courants induits dépend, entre autre chose, de la résistivité électrique du conducteur ou de la susceptibilité de la masse magnétique ainsi que de la fréquence d'émission du champ primaire alternatif. Les courants secondaires sont d'autant plus intenses que la résistivité est plus faible la susceptibilité plus grande et la 1 fréquence plus élevée. A n'importe quel point d'un champ électromagnétique, il existe une intensité de champ électrique et une intensité de champ magnétique. Une classification des méthodes électromagnétiques est nécessairement arbitraire. La classification la plus élégante et la plus pratique consiste à diviser les méthodes électromagnétiques en deux groupes distincts, soit les méthodes dans lesquelles la source du champ primaire (émetteur) est fixe tandis que le récepteur est mobile et les méthodes dans lesquelles l'émetteur et le récepteur sont mobiles. Dans le premier groupe, on peut rencontrer des méthodes par conduction et des méthodes par induction. Dans le premier cas, on fait circuler un courant alternatif ou continu entre deux électrodes tandis que dans le second cas, on émet un champ magnétique alternatif à la surface du sol. La distribution du courant dans le sous-sol peut être déterminée au récepteur par deux techniques, soit à l'aide d'un magnétomètre qui mesure directement l'intensité et/ou la direction du champ magnétique associé au flux du courant dans le sous-sol, soit à l'aide d'une bobine orientée sur la surface terrestre. La force électromotrice induite par l'intensité du champ magnétique résultant est mesurée. La seconde technique est celle que l'on emploie couramment de nos jours. En courant alternatif, la bande de fréquence utilisée varie entre 100 et 5000 Hertz. II. Théorie Si un champ magnétique primaire Hp = Hp max(sin t) de fréquence f= agit sur un système électrique, une bobine par exemple, la force électromotrice induite dans le secondaire est à /2 en retard de phase par rapport au champ primaire. Si R et L représentent la résistance et l'inductance de la bobine, le courant circulant dans la bobine de même que le champ magnétique secondaire Hs = Hs max[sin( t-/2-)] produit par ce courant sont en retard de phase de /2 par rapport à Hp et = tan-1L/R Le déphasage /2 est causé par la loi fondamentale d'induction et l'angle par les propriétés électriques du circuit secondaire. Un bon conducteur produit un champ secondaire Hs qui est quasi en opposition de phase du champ primaire Hp, car R 0, , /2 et en conséquence Hs = Hsmax sin(t-) ; le champ résultant Hr=Hp+Hs est alors minimum. Par contre, un mauvais conducteur produit un champ secondaire HS qui est à /2 en retard de phase par rapport à Hp car R , 0 et en conséquence Hs = Hsmax sin(t-/2) ; le champ résultant est alors maximum. La variation de fréquence f= du champ primaire Hp (ou l'inductance dans le secondaire) ont le même effet. Si la fréquence est accrue et devient très grande, , /2 et en conséquence Hs = Hsmaxsin( t- ) 2 de sorte que Hr devient minimum. Si la fréquence décroît et à la limite devient très petite, o, o et Hs = Hs maxsin(t-/2) de sorte que Hr devient maximum. La polarisation elliptique Si l'espace dans lequel Hp est émis, contient des conducteurs, un champ électromagnétique secondaire Hs se crée et il existe un déphasage entre Hp = Hpmax sin(t) et Hs = Hsmax sin(t-/2- ) orientés dans l'espace de façon arbitraire et faisant un angle entre eux. Le champ résultant (domaine des fréquences ou des temps) Hr = Hp + Hs = Hrmaxsin( t- ). Si l'on considère un plan qui contient les deux vecteurs Hp et Hs, le champ vecteur résultant Hr se déplace dans un plan et son extrémité (i.e. amplitude) décrit une ellipse qu'on appelle l'ellipse de polarisation. Le champ résultant Hr décrit une ellipse par seconde. Ce champ résultant est toujours polarisé elliptiquement indépendamment de la nature et du nombre de circuits secondaires dus au(x) conducteur(s). - Le cas d'un bon conducteur Dans le cas d'un très bon conducteur, Φ=π/2 Hr=Hp.sin(t) +Hs. sin(t-) Hr=Hp. sin(t)-Hs. sin(t)=(Hp-Hs). sin(t) L'ellipse de polarisation dégénère donc en une ligne droite lorsqu'on a affaire à un bon conducteur (polarisation linéaire). Si on applique cette théorie au cas d'une veine ou d'un dyke vertical mince représentant un très bon conducteur ( 2 >> 1), on peut alors imaginer que la majeure partie de la densité de courant se localise au sommet du dyke et peut être représentée par une ligne ou un fil. Si on appelle l'angle d'inclinaison entre le champ primaire Hp et le champ résultant Hr on obtient le profil suivant. Le cas d'un mauvais conducteur 3 Dans le cas d'un mauvais conducteur, on obtient : Hr = Hp sin( t) + Hs sin( t- /2) Hr = Hp sin( t)-HS cos( t)=X+Z et X=Xmaxsin t, Z=Zmaxcos t. (X/Xmax)2+(Z/Zmax)2=1 l'équation de l'ellipse de polarisation devenant celle du cercle (polarisation circulaire). La classification des méthodes électromagnétiques (Angle d'inclinaison, Turam, Slingram) Les méthodes EM conventionnelles se prêtent tout aussi bien à des relevés en profilage vertical qu'en profilage horizontal quoique le dernier mode soit de beaucoup le plus couramment employé. Les trois méthodes EM les plus communément utilisées sur le terrain actuellement sont les méthodes de l'angle d'inclinaison, Slingram et Turam ; pour cette raison, l'auteur insiste davantage lors de la description de ces méthodes. La méthode de l'angle d'inclinaison Cette méthode consiste à mesurer l'inclinaison de l'axe majeure de l'ellipse de polarisation. On supposera d'abord qu'on effectue un profil EM orienté à 90° par rapport à un conducteur allongé enfoui dans le sous-sol ; on représentera la projection supérieure de ce conducteur comme étant un long fil. Le champ magnétique primaire Hp est transmis au moyen d'une bobine ou d'un cadre orienté dans le plan vertical et faisant un angle de 90° avec le profil de sorte que le vecteur Hp est parallèle au profil. L'angle entre le champ primaire émis dans une direction horizontale suivant la ligne de cheminement et le champ résultant Hr s'appelle l'inclinaison et il est déterminé à l'aide d'une bobine réceptrice dont l'axe horizontal est orienté à 90° par rapport au profil. On fait alors effectuer une rotation à cette bobine autour de l'axe horizontal jusqu'à ce que Hr soit contenu dans le plan de cette bobine. Le nombre de lignes de flux du champ magnétique Hr qui recoupe l'aire à l'intérieur de la bobine est minimum et on obtient donc la position du signal minimum aux 4 écouteurs. Si l'émetteur est un dipôle magnétique horizontal orienté parallèlement au profil, le conducteur est situé en-dessous du point d'inflexion de la courbe de réponse, ou en d'autres termes, du point où l'angle d'inclinaison est égal à zéro. Si l'émetteur est un dipôle vertical, la position de l'angle de moindre inclinaison s'exprime par un minimum sur la courbe de réponse et se situe au-dessus du conducteur. La méthode Turam Le champ magnétique primaire Hp est produit par un cadre rectangulaire de grande dimension ou un long câble relié au sol par une électrode ponctuelle à ses extrémités dans lequel circule un courant alternatif. Deux bobines réceptrices identiques reliées l'une à l'autre par un amplificateur, un compensateur et des écouteurs sont séparés par une distance de quelques 15 m. A chaque point d'observation on fait une mesure du rapport des amplitudes des voltages induits et de leur différence de phase à l'aide d'une unité compensatrice. En général, les unités Turam comportent 2 ou 3 fréquences d'émission. Les bobines mobiles sont orientées suivant l'horizontale et l'on fait le rapport des voltages et la différence de phase de la composante verticale HzR du champ résultant. Les quantités mesurées avec la méthode Turam sont V2/V1, V3/V2… Vn/Vn-1 et 2- 1 = 1, 3- 2= 2… n- n-1= n-1, où V représente le voltage relatif aux amplitudes de la composante verticale du champ moyen résultant HzR et le déphasage de ce champ aux stations 1, 2, 3…n. Pour corriger la variation de la composante verticale du champ primaire, soit HzP en fonction de la distance de mesure de la source, les rapports Vn / Vn-1 sont divisés par les rapports d'amplitude normale rn / rn-1, les rapports de voltage normalisés V2r1 / V1r2, V3r2 / V2r3, Vnrn-1 / Vn-1rn sont tous égaux en l'absence de conducteur enfouis dans le sous-sol et leur valeur est 1.0. Les écarts du rapport normalisés de le valeur 1.0 constituent une mesure du gradient horizontal de l'amplitude du champ secondaire. Cette méthode présente une excellente discrimination car on mesure la dérivée première de la composante verticale du champ. Le procédé Turam est très sensible pour localiser de petits conducteurs à grande profondeur. 5 Les différences de phase sont essentiellement une mesure du gradient horizontal de la phase. Aux endroits où le sous-sol est un bon conducteur, la variation de différence de phase peut être appréciable pour des distances relativement courtes. Chaque point d'inflexion observé sur la composante verticale du champ résultant représente une variation de conductivité ou un conducteur séparé. Ce renseignement est très utile lorsqu'on veut délimiter une zone conductrice constituée de plusieurs feuillets conducteurs individuels parallèles ou subparallèles. Dans une aire prospectée relativement complexe, la méthode Turam apparaît être supérieure aux autres méthodes EM fixes ou mobiles pour ce qui a trait à la discrimination de conducteurs. La méthode Turam est surtout effective dans les régions où une bonne discrimination entre les conducteurs est désirable, où l'épaisseur du mort-terrain moyennement conducteur est passablement grande, où la topographie est relativement accidentée. - Les méthodes EM où la source émettrice de même que l'unité réceptrice sont mobiles La source consiste en un oscillateur de fréquence alimenté par des piles sèches qui envoie un courant alternatif dans une bobine émettrice. Le récepteur placé à une distance fixe de l'émetteur est relié à un amplificateur et à une unité de compensation qui reçoit le voltage de référence de l'émetteur. Le champ résultant Hr qui agit sur le récepteur est mesuré en pourcentage du champ primaire Hp mesuré au récepteur lorsque le système émetteur-récepteur est localisé sur un terrain aussi parfaitement homogène que possible. Le voltage dans le récepteur est décomposé en deux composantes dont l'une (la composante réelle) est en phase tandis que l'autre (la composante imaginaire) est à 90° en retard de phase par rapport au voltage de référence. En principe, n'importe quelle orientation mutuelle de l'émetteur et du récepteur peut être utilisée mais la plupart des relevés sont effectués avec les deux bobines dans une position horizontale ou dans une position verticale ; c'est ce qu'on appelle une configuration symétrique. Si la configuration n'est pas symétrique (v.g. une des bobines est horizontale et 6 l'autre verticale), la forme des anomalies dépend de la façon dont l'émetteur et le récepteur sont introduits le long d'un profil de cheminement. Bobines horizontales et coplanaires Cette configuration est la plus communément employée dans la prospection EM sur le terrain parce que le coefficient d'inductance mutuelle est maximum. Le système émetteur-récepteur effectue généralement des mesures suivant des lignes perpendiculaires aux formations géologiques ou à l'orientation longitudinale d'un présumé conducteur. Lorsque le système passe sur le conducteur, les deux composantes deviennent négatives et le point minimum de la courbe indique la position du conducteur. Si le conducteur est vertical, la courbe est parfaitement symétrique tandis que si le pendage n'est pas vertical, les composantes réelle et imaginaire sont asymétriques de part et d'autre de la trace du conducteur en surface ; le plus grand maximum se situe du côté où le feuillet conducteur a un pendage. Bobines verticales et coaxiales Cette configuration est employée en prospection électromagnétique sur le terrain et aéroportée ou héliportée. Le système émetteur-récepteur effectue des profils perpendiculairement à la direction des formations géologiques ou la direction allongée de présumés conducteurs. La composante réelle est caractérisée par 2 maxima de part et d'autre du feuillet conducteur et un minimum au-dessus du conducteur tout comme dans le système horizontal et coplanaire, mais l'intensité des maxima et du minimum est de beaucoup moindre. Par contre, le profil de la composante imaginaire ne présente le plus souvent qu'un maximum situé au-dessus du conducteur. Bobines verticales et coplanaires On emploie surtout cette configuration en relevés aéroportés mais aussi, à l'occasion, dans des relevés effectués sur le terrain lorsqu'on désire supprimer l'effet de mort-terrain conducteurs. Le plan des bobines émettrices et réceptrices doit être orienté parallèlement à la direction du conducteur. Lorsqu'on effectue des relevés aéroportés, les bobines fixées aux ailes de l'avion sont orientées avec leur axe parallèle à la ligne de vol qui est elle-même orientée perpendiculairement à la 7 direction longitudinale des formations géologiques ou des conducteurs susceptibles d'être rencontrés dans la région prospectée. Sur le terrain, on effectue généralement des profils parallèles à l'orientation principale des conducteurs de la région. On oriente le plan des bobines émettrices et réceptrices parallèlement au cheminement et on prend des lectures à des distances relativement espacées. Il faut que l'espacement qui sépare les cheminements soit passablement rapproché si l'on ne veut pas manquer de conducteurs. Le profil des composantes réelle et imaginaire du système vertical et coplanaire est le moins sensible aux variations de conductivité du feuillet conducteur et les anomalies correspondantes sont les plus simples au point de vue interprétation. La composante réelle est exprimée par un maximum étalé en-dessus du feuillet conducteur tandis que la composante imaginaire indique un minimum étalé. La configuration verticale et coplanaire est quelquefois utile lorsqu'on effectue des relevés dans des régions où la topographie est accentuée. Des corrections topographiques sont quelquefois nécessaires lorsqu'on emploie les configurations horizontale et coplanaire ou verticale et coaxiale. En présence d'accidents topographiques, le champ primaire du récepteur est altéré et la variation de Re qui l'accompagne peut être interprétée comme étant une anomalie due à un conducteur enfoui dans le sous-sol. Si les bobines d'une configuration horizontale et coplanaire ne sont pas dans le même plan à cause de la pente du terrain, une correction topographique de 300(h2/2) % doit être ajoutée à la composante réelle Re car la différence d'élévation h entre les bobines séparées d'une distance r crée une anomalie fictive de -300(h2/2) % . Lorsqu'on emploie la configuration verticale et coaxiale dans des régions accidentées, une correction de 150(h2/2) % doit être ajoutée au profil d'anomalie de la composante réelle Re à cause de la différence d'élévation h entre l'émetteur et le récepteur. On peut ici également éviter d'effectuer un relevé topographique en essayant d'orienter sur le terrain les deux bobines de façon que leur axe fasse un axe commun parallèle à la surface inclinée du terrain. Les corrections topographiques ne s'appliquent pas dans le cas de la composante imaginaire qui est un phénomène strictement secondaire et qui représente seulement la différence de temps t entre l'émission de champ primaire Hp et le captage du champ résultant Hr. 8 - La méthode d'émission avant-arrière Deux bobines identiques capables d'émettre et de recevoir un champ EM primaire Hp ont leur axe orienté dans un même plan. L'axe d'une bobine est pointé dans la direction de l'autre bobine avec une inclinaison = 15° en-dessous du plan horizontal. Quand cette bobine émet un signal, un angle d'inclinaison est mesuré à l'autre bobine en lui faisant effectuer une rotation suivant un axe perpendiculaire à la ligne de cheminement. Ensuite, on inverse le rôle de l'émetteur et du récepteur, i.e. que la bobine réceptrice devient la bobine émettrice et vice-versa, mais son axe qui est pointé dans la direction de la bobine réceptrice fait une inclinaison = 15° au-dessus du plan horizontal tandis que la bobine réceptrice mesure l'angle d'inclinaison. En vertu de la symétrie du champ, les angles d'inclinaison des champs captés dans les deux positions sont les mêmes et sont égaux à lorsqu'il n'y a pas de conducteurs enfouis dans le sous-sol. Les deux mesures du champ résultant sont donc additionnées et la somme des angles qui n'est pas égale à zéro lorsqu'un conducteur sous-jacent est présent dépend de la forme, de la position et de la conductivité du corps conducteur enfoui dans le sous-sol. L'interprétation des résultats obtenus par la méthode d'émission avant-arrière est légèrement plus compliquée que celle des méthodes de l'angle d'inclinaison. La méthode AFMAG La méthode AFMAG (Audito Frequency MAGnetic) utilise la source émettrice naturelle du champ magnétique terrestre qui correspond à la bande audio (1-8000 Hertz) qui a son origine dans les décharges électriques atmosphériques (éclairs). Cette méthode a été conçue et mise au point dans le but d'obtenir une plus grande pénétration (de l'ordre de 700 m) des ondes EM qu'on obtient avec les méthodes EM conventionnelles. Lorsque l'unité réceptrice AFMAG est localisée à une grande distance de la source, le champ électromagnétique est essentiellement une onde plane. L'azimut et l'intensité de HP (x, y) sont plus ou moins aléatoires car les sources (éclairs) sont distribuées un peu partout dans l'atmosphère terrestre quoique 9 généralement plus concentrées dans les régions équatoriales (distribution quasialéatoire). Les champs électromagnétiques sont donc fortement polarisés avec le champ magnétique parallèle à la surface terrestre. Cependant, lorsqu'une variation latérale est présente dans le sous-sol d'une région donnée, le plan de polarisation et donc la composante magnétique Hp (x, y) du champ Em naturel fait un angle d'inclinaison par rapport à l'horizontale et l'azimut de HP (x, y) prend une direction préférentielle. Le champ magnétique a une tendance à s'orienter normalement à la surface de la zone conductrice car le champ magnétique secondaire HS associé aux courants induits dans le conducteur tend à renforcer le champ HP polarisé dans cette nouvelle orientation. La méthode AFMAG peut alors être considérée comme une méthode d'angle d'inclinaison avec la source (les éclairs) située à l'infini. Le récepteur consiste en deux bobines (une de dimension plus grande, l'autre de dimension plus petite) reliées à un amplificateur et un inclinomètre, enroulées autour d'un noyau de fer doux et qui permettent de déterminer le plan de polarisation. On détermine alors l'azimut du vecteur magnétique résultant Hr par rapport au nord astronomique puis la plongée de ce champ vecteur par rapport à l'horizontale. La valeur de l'angle d'inclinaison est proportionnelle à l'intensité du champ résultant. Les bobines et les amplificateurs sont synchrones sur deux fréquences (généralement 150 et 510 hertz). On effectue donc des mesures d'azimut et d'angle d'inclinaison aux deux fréquences choisies, l'une basse et l'autre plus haute, et le rapport de la réponse de l'angle de plongée de la basse fréquence sur celui de la haute fréquence fournit un index de la conductivité de la zone conductrice. Si le rapport est plus grand que l'unité, on a généralement affaire à un bon conducteur tandis que si le rapport est moindre que l'unité, on a affaire à un conducteur moyen ou mauvais. La méthode AFMAG présente une meilleure réponse que les méthodes EM conventionnelles à de grosses masses conductrices dont le contraste de conductivité avec le milieu encaissant est relativement faible. - Les méthodes électromagnétiques transitoires Les méthodes électromagnétiques transitoires (EMI) qui utilisent des formes d'ondes transitoires (champ interrompu pendant une période de temps (de relâche) sont employées en sondage et en profil électrique comme les méthodes EM conventionnelles. 10 A cause de la grande profondeur relative de pénétration des ondes EMT, ces méthodes sont vouées à un avenir. Description de l'appareillage utilisé dans les méthodes électromagnétiques La méthode de l'angle d'inclinaison nécessite deux cadres circulaires de matière isolante autour desquels on a enroulé du fil. De façon générale, l'unité émettrice consiste en une source de courant alternatif et un amplificateur tandis que l'unité réceptrice comprend un sélectionneur de fréquence et un téléphone. La méthode de Sundberg Elle consiste en un câble relié au sol à ses extrémités par des électrodes ponctuelles et connectées à une source émettrice de basse fréquence. La méthode de Turam L'unité émettrice est similaire à la précédente. Les récepteurs consistent en deux bobines mobiles de matière isolante, séparées l'une de l'autre par une distance fixe et autour desquelles on a enroulé un certain nombre de tours de fil. Ces deux bobines sont reliées entre elles par un système d'amplification, un pont d'impédance et des écouteurs. Généralement, l'émetteur utilise deux ou trois fréquences situées entre 200 et 1000 Hertz. Ces fréquences sont dans l'unité : synchronisées amplificateur-pont d'impédance, à l'aide d'une unité de contrôle sélectif. La méthode Slingram L'unité est constituée de deux supports circulaires de matière isolante généralement identiques dont l'un constitue l'émetteur et l'autre le récepteur. Ces bobines sont entourées d'un certain nombre de tours de fil et reliées l'une à l'autre par un câble bifilaire de référence enrobé de matière isolante en série avec un système d'amplification, un comparateur d'intensité et de phase du champ magnétique résultant ainsi que des écouteurs. La méthode AFMAG 11 L'instrumentation est constituée de deux bobines orthogonales de même grandeur ou de grandeur différente et dont le centre est occupé par un noyau de ferrite. Ces deux bobines peuvent être synchronisées à deux fréquences soit 135 et 475 Hertz et sont attachées ensemble. Elles sont suspendues à une base et sont libres de subir une rotation autour d'un axe horizontal. On place d'abord les bobines dans une position horizontale et on fait la rotation autour d'un axe vertical jusqu'à ce qu'on obtienne la direction du signal maximum qui indique l'azimut de l'axe majeur de l'ellipse de polarisation avec une précision de 5°. Lorsque l'azimut a été noté, on place les bobines dans un plan vertical et on les oriente suivant l'axe majeur. L'angle d'inclinaison est déterminé à l'aide de la plus grande bobine qui est reliée à un amplificateur et à un détecteur de phase dont le voltage de référence est donné par la plus petite bobine. On fait alors subir une rotation à la plus grande bobine autour de l'axe normal au plan vertical passant par l'azimut jusqu'à ce qu'on observe un signal minimum. Grâce à un amplificateur et à un enregistreur, l'angle d'inclinaison peut être déterminé à 5° près. Les systèmes électromagnétiques aéroportés et héliportés La plupart des systèmes Em aéroportés et héliportés sont des modifications de méthodes EM employées sur le terrain où la source émettrice de même que l'unité réceptrice sont mobiles. Les problèmes techniques associés à la mise au point des différents systèmes EM aéroportés utilisés de nos jours sont ardus. 1) Le bruit instrumental causé par les mouvements différentiels de l'émetteur et du récepteur, 2) La réponse EM doit être enregistrée de manière continue. 3) L'intensité du champ primaire Hp décroît comme l'inverse du cube de la distance à partir de la bobine émettrice et l'intensité du champ secondaire HS en provenance des courants induits dans le conducteur enfoui dans le sous-sol décroît suivant une valeur étalée entre l'inverse et l'inverse du cube de la distance qui sépare le conducteur de l'émetteur. La réponse EM au récepteur peut donc varier entre l'inverse de la distance à la puissance quatre jusqu'à l'inverse de la distance élevée à la puissance six, de sorte qu'un léger accroissement de l'altitude de vol diminue de façon très appréciable la réponse EM au récepteur. Les différents systèmes EM aéro et héliportés peuvent être divisés en quatre classes : 12 - Les systèmes dans lesquels les bobines émettrice(s) et réceptrice(s) sont placées à différentes hauteurs de vol. - Les systèmes dans lesquels les bobines émettrice et réceptrice sont placées à une même hauteur de vol. - Les systèmes dans lesquels on utilise à l'émetteur des champs naturels externes (AFMAG) ou des champs artificiels externes fixes (stations radiophoniques de grande puissance et de très basse fréquence). - Les systèmes semi-aéro ou semi-héliportés. Les systèmes dans lesquels on utilise à l'émetteur des champs naturels externes (AFMAG), courants telluriques) ou des champs artificiels externes fixes (stations radiophoniques de grande puissance et de très basse fréquence) Il existe actuellement trois systèmes de ce type : le premier est le système AFMAG qui utilise des champs magnétiques naturels émis à grande distance (bande audio), le second utilise les champs telluriques (naturels), tandis que le troisième, le système VLF (Very Low Frequecy radio-wave) utilise des champs magnétiques artificiels dans la bande radio de très basse fréquence (10,000 à 30,000 Hertz) en provenance de puissants émetteurs radiophoniques militaires érigés pour les communications navales. Evaluation des systèmes aéro et héliportés Pour évaluer l'efficacité des différents systèmes, il faut tenir compte d'un grand nombre de variables dont certaines sont interdépendantes. Ces variables sont : 1) le bruit ou le mouvement propre ; 2) le taux de décroissance de l'amplitude du signal en fonction de la hauteur de vol, 3) la sensibilité (quotient du signal sur le bruit) de l'enregistrement, 4) la séparation r des bobines émettrices et réceptrices ; 13 5) la hauteur de vol h ; 6) la fréquence d'émission = 2 f ; 7) les effets de conducteurs situés près de la surface (e.g. tourbières, argiles glaciaires) ; 8) la discrimination ou mise en évidence de la conductivité et des dimensions (géométrie) des conducteurs ; 9) la résolution entre des conducteurs rapprochés ; 10) la fenêtre effective d'étendue de mesure de conductivité et enfin 11) la topographie du terrain. Le quotient du signal sur le bruit (sensibilité) Comme les méthodes EM héli et aéroportées sont surtout utilisées dans la recherche de métaux de base (en l'occurrence des zones minéralisées ou des sulfures massifs), le signal peut se définir comme la réponse Em lorsque le système survole à proximité de tels corps ; en conséquence, le signal est influencé par la qualité (propriétés physiques) du conducteur et par sa géométrie (forme). Le bruit se compose de deux types dont l'un est le bruit instrumental et l'autre le bruit géologique ; le bruit géologique peut avoir plusieurs sources (v;g. mort-terrain conducteur, marécages, tourbières, etc…). Si le rapport du signal sur le bruit géologique est petit, les systèmes aéro ou héliportés dans lesquels l'émetteur et le récepteur sont fixés sur une structure rigide sont généralement plus sensibles que les systèmes aéroportés. Lorsque le bruit géologique est de l'ordre de ou moindre que le bruit instrumental, alors, les systèmes INPUT de Barringer ou du champ rotationnel de ABEM sont ordinairement supérieurs. Enfin, la sensibilité dépend de la hauteur de vol choisie. Le taux de décroissance du signal en fonction de la hauteur de vol. Les systèmes héliportés ont un taux de décroissance plus rapide que les systèmes aéroportés avec émetteur et récepteur situés à deux niveaux différents car le taux est d'autant plus petit que la distance de séparation émetteur-récepteur est grande. Le système ABEM (à deux avions) est favorisé à ce point de vue. En général, les systèmes dont le coefficient d'inductance mutuelle entre les bobines émettrice et 14 réceptrice est maximum ont un taux de décroissance moins rapide que ceux dont le coefficient est minimum dans le cas de conducteurs sub-verticaux. Il existe cependant des cas où le bruit géologique est relativement grand et un coefficient minimum d'inductance mutuelle peut alors être avantageux. La profondeur de pénétration On définit ici la profondeur de pénétration comme la distance verticale maximum (à partir de la surface) où un feuillet conducteur vertical peut être détecté par un système A EM donné. La profondeur de pénétration est d'autant plus grande que la sensibilité (mesure du bruit instrumental) de l'enregistrement est grande et que la hauteur de vol h est petite ; la profondeur de pénétration est donc reliée indirectement à la sensibilité. Les effets conducteurs situés près de la surface sont d'autant plus grands que la fréquence d'émission f est grande. On a donc généralement avantage à employer de basses fréquences étalées entre 300 et 800 Hertz. La conductivité et les dimensions d'un conducteur influencent aussi la profondeur de pénétration du système. La profondeur de pénétration est d'autant plus grande que le conducteur est meilleur et occupe un plus grand volume. Le degré de résolution entre des conducteurs rapprochés La résolution se définit par la facilité qu'a un système AEM en particulier de détecter et de séparer les effets de conducteurs avoisinants. Le rapport du signal sur le bruit, le taux de décroissance du signal en fonction de la profondeur de pénétration et la profondeur de pénétration à une altitude normale de vol ne sont pas les seuls critères qui permettent de juger de l'efficacité d'un système EM aéro ou héliporté. Le quatrième critère est la dimension minimum qu'un conducteur doit avoir pour être détecté par le système EM aéro ou héliporté. Ce critère donne un avantage aux systèmes héliportés dont la séparation entre les bobines est petite. De tels systèmes peuvent détecter des conducteurs de petite aussi bien que de grande dimension et sont capables d'une meilleure résolution entre les conducteurs rapprochés. La résolution est donc fonction de la distance de séparation émetteurrécepteur et de la hauteur de vol. La fenêtre effective d'étendue de mesure de conductance 15 Tous les systèmes AEM possèdent une étendue de mesure de conductance plus ou moins limitée. Supposons que l'étendue de conductance de cibles d'intérêt économique varie entre 10 et 2 10-10 mhos - m-1 et que l'épaisseur des conducteurs soit de l'ordre de 30 m. On obtient alors une conductance e variable entre 6*10-9 et 300 mhos. Il faut consulter le diagramme d'Argand d'un système EM aéro ou héliporté spécifique afin de savoir si la fenêtre effective peut couvrir toute l'étendue de conductance ou seulement une partie et dans ce dernier cas, déterminer la région couverte. En résumé, on peut dire que dans l'état actuel des choses, tous les systèmes EM aéro ou héliportés sont limités dans leur emploi suivant les conditions géologiques et topographiques rencontrées. L'interprétation des relevés électromagnétiques Comme dans le cas des autres méthodes géophysiques, l'interprétation de relevés EM est indirecte et se réduit au problème du potentiel inverse, i.e. à la détermination de la forme, de l'attitude et des dimensions d'un corps conducteur et/ou magnétique à partir de la connaissance de la distribution de son potentiel EM à la surface du sol. Pour interpréter les données d'un relevé EM, on opère par comparaison entre les résultats obtenus sur le terrain et 1) des modèles à échelle réduite obtenus en laboratoire ou 2) des modèles théoriques calculés mathématiquement en se basant sur les équations de Maxwell et les conditions aux limites. 16 17
