DEA Hydrologie, Hydrogéologie, Géostatistique et

Université Pierre et Marie Curie, Université Paris-Sud,
Ecole des Mines de Paris
& Ecole Nationale du Génie Rural des Eaux et des Forêts
DEA Hydrologie, Hydrogéologie, Géostatistique et Géochimie
Filière Hydrologie et Hydrogéologie Quantitatives
ETUDE EXPERIMENTALE DE LA RESISTIVITE
COMPLEXE DE GEOMATERIAUX ARGILEUX
Présenté par : Stephen RAZAFINDRATSIMA
Directeurs de recherche : Philippe COSENZA
Gaghik HOVHANNISSIAN
IRD, Bondy
UMR Sisyphe
29 septembre 2003

REMERCIEMENTS
• Permettez moi d’adresser mes vifs remerciements et mes sentiments de gratitude à
mes deux tuteurs :
- Monsieur Philippe COSENZA
- Monsieur Gaghik HOVHANNISSIAN
pour m’avoir encadré durant mon stage : les aides, les conseils, les soutiens qu’ils
m’ont apporté ainsi que le temps qu’ils m’ ont consacré constituent pour moi un bien
irremplaçable de leur part.
• Je tiens à remercier Monsieur Henri ROBAIN, directeur de l’UR Geovast et tout le
personnel de l’IRD dont Madame Martine BACCUS, Madame Annick LEGELEY-
PADOVANI, Monsieur Gilbert JUSTE, , Monsieur Ghislain TOE qui m’ont bien
accueilli et aidé.
• J’exprime ma reconnaissance à Monsieur Gérard BELLIER du laboratoire de physique
des sols de l’IRD de Bondy pour mes accès et les conseils d’utilisation aux appareils et
matériels de labo.
• Ma gratitude va également à Monsieur Ghislain De MARSILY, responsable du DEA
HHGG sans lequel ce mémoire n’aurait même pas vu le jour, ainsi qu'à tous les
membres du jury.
• Mes remerciements s’adressent aussi à tous les enseignants du DEA HHGG pour leurs
dévouements dans une tâche aussi ingrate qu'est leur profession.
• A toute ma famille et ma fiancée pour leur soutien et leur prière sans relâche. Ce
travail leur est dédié.
• Enfin, la plus importante, Au Dieu Tout Puissant Créateur du ciel et de la terre, qui
nous a permis d'apprendre une infime petitesse de son immense sagesse, nous
empruntons le verset biblique suivant :
" C'est à toi Seigneur qu'appartienne la grandeur, la puissance, la splendeur, l'éclat et la
majesté! Oui, dans le ciel et sur la terre, tout t'appartient, Seigneur car Tu es le Roi, le
Souverain maître de tous les êtres".
I Chroniques 29,11.

-1-
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................... 3
PARTIE I - Revue de la littérature......................................................................................... 4
I.1- Les propriétés électriques et diélectriques - Généralités ............................................. 4
I.1.1- La conductivité électrique .................................................................................... 4
I.1.2- Les propriétés diélectriques .................................................................................. 4
I.1.3- La résistivité complexe ou permittivité complexe................................................ 5
I.1.3.1- définitions ...................................................................................................... 5
I.1.3.2- Les différents outils et dispositifs utilisés pour les mesures des propriétés
électriques................................................................................................................... 6
I.1.3.3- Modèles utilisés ............................................................................................. 7
a. Modèle Cole-Cole .............................................................................................. 7
b. Modèle de l'angle de phase constante ................................................................ 7
I.2- Caractéristiques spécifiques des matériaux argileux ................................................... 9
I.2.1- Structure................................................................................................................9
I.2.1.1- Caractérisation du feuillet.............................................................................. 9
I.2.1.2- Caractérisation de la particule primaire....................................................... 10
I.2.2- La double couche électrique ............................................................................... 11
I.2.3- Spécificités des argiles........................................................................................ 11
I.2.3.1- Conductivité de surface ............................................................................... 11
I.2.3.2- La capacité d'échange cationique (C.E.C.).................................................. 12
I.2.3.3- Propriétés électriques des argiles................................................................. 12
I.3. Conclusions................................................................................................................ 13
PARTIE II- Elaboration d'un dispositif de mesure BF et HF .............................................. 14
II.1- Présentation du concept........................................................................................... 14
II.2- Calcul du coefficient géométrique de la cellule coaxiale......................................... 15
II.3- Problèmes rencontrés et tentatives de résolution ..................................................... 17
II.3.1- Effet d'une précipitation sur les parois des cylindres ........................................ 17
II.3.2- Etude de la stabilité temporelle des mesures..................................................... 18
II.3.3- Effets du type et de la longueur des électrodes utilisées ainsi que de leur
positionnement selon le 0° qui est la référence............................................................ 19
II.3.4. Test de stabilité de l'électronique du Sip-Fuchs ................................................ 20
II.3.5- Effet de la distance entre les électrodes ............................................................ 20
II.3.6- Influence du courant injecté .............................................................................. 22
II.3.7- Excentrement des deux cylindres d'injection .................................................... 24
II.3.8- Effet d’anisotropie du système.......................................................................... 25
II.3.9- Polarisation des électrodes ................................................................................ 27
II.3.10- Suspicion d’un effet capacitif.......................................................................... 27
II.4- Conclusions et orientations ...................................................................................... 29
PARTIE III - Mesures sur des suspensions et gels argileux ................................................ 30
III.1- Matériaux utilisés:................................................................................................... 30
III.2- Appareils de mesure................................................................................................ 30
III.2.1- Mesures à basses fréquences............................................................................ 30
III.2.2- Mesures à hautes fréquences............................................................................ 31
III.3 - Expériences ............................................................................................................ 32
III.4- Résultats et interprétations...................................................................................... 33
III.4.1- Résultats aux BF .............................................................................................. 33
III.4.1.1- Mesure de la conductivité de la solution initiale ...................................... 33
III.4.1.2 Mélanges "électrolyte-argile"..................................................................... 35
III.4.1.3- Variation de la résistivité mesurée en fonction de la teneur en argile ...... 37

-2-
III.4.1.4- Variation de la résistivité du mélange argile-électrolyte en fonction de la
concentration de la solution : ................................................................................... 41
III.4.1.5- Discussion de la variation de la phase : .................................................... 42
III.4.2 - Résultats des mesures HF : ............................................................................. 43
III.5. Conclusions et perspectives : .................................................................................. 45
CONCLUSION GENERALE .................................................................................................. 46
LISTE DES FIGURES............................................................................................................. 47
LISTE DES TABLEAUX........................................................................................................ 48
LISTE DES PHOTOS.............................................................................................................. 48
SYMBOLES ET ABBREVIATIONS ..................................................................................... 48
BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 49

-3-
INTRODUCTION GENERALE
Dans les sciences de l'eau, les domaines où nous avons affaire à l'argile sont nombreux. En
alimentation en eau potable par exemple, dans l'eau brute (non traitée), les fines particules
d'argile en suspension déterminent la turbidité de l'eau, et constituent une « éponge »
absorbante qui attire les bactéries et les molécules organiques ou inorganiques, ce qui rend le
traitement de l'eau, difficile. Ces particules en suspensions peuvent provenir du contact eau-
roche, des milieux riches en argile, comme par exemple à l'interface substratum et la nappe
immédiatement au dessus. Cet exemple parmi tant d'autres nous ramène à étudier les relations
entre minéral argileux et le milieu généralement humide où il se trouve qui est le sol.
Plusieurs domaines de la recherche scientifique peuvent être utilisés comme la géologie,
l'hydrogéologie, la physique et la chimie des sols, l'agronomie. Une des domaines de la
science qui nous intéresse est la géophysique. Identifier une signature électrique particulière
du minéral argileux serait un avancement considérable de la recherche scientifique mais aussi
avec une utilité pratique qui est la facilité de reconnaissance des argiles.
Cependant, l'état d’une argile quand il est en contact avec de l'eau dépend fortement de ses
caractéristiques particulières. Les argiles de la famille des smectites (exemple :
montmorillonites, dont le nom commercial est la bentonite) ont la propriété de se gonfler en
présence d'eau. La kaolinite quant à elle n'a pas cette aptitude.
Ce mémoire vise à étudier expérimentalement la résistivité complexe des argiles. Pour cela
nous avons divisé le travail en trois parties : d'abord nous présenterons un état des
connaissances sur les propriétés électriques complexes des matériaux argileux ainsi que sur
leurs caractéristiques. Ensuite, dans un essai d'élaboration d'un dispositif de mesure à Basse et
à Haute Fréquence sur un même échantillon, nous allons tenter de mettre en place une
méthodologie à entreprendre pour faire les mesures des propriétés électriques complexes.
Enfin, dans la troisième partie de ce mémoire, les résultats expérimentaux obtenus sur des
systèmes simple électrolytes-argile sont présentés.