Sud sciences et technologie n°10

Y. KOUSSOUBÉ
Laboratoire d'hydrogéologie, UFR en
Sciences de la Vie et de la Terre,
Université de Ouagadougou BP 7021
Ouagadougou
Burkina Faso
youssouf. [email protected]
s. NAKOLENDOUSSÉ
Laboratoire d'hydrogéologie, UFR en
Sciences de la Vie et de la Terre,
Université de Ouagadougou BP 7021
Ouagadougou
Burkina Faso
P. BAZIÉ
Laboratoire d'hydrogéologie, UFR en
Sciences de la Vie et de la Terre,
Université de Ouagadougou BP 7021
Ouagadougou
Burkina Faso
A. N. SAVADOGO
Typologie des courbes
de sondages électriques
verticaux pour la reconnaissance des formations
superficielles et leur incidence en hydrogéologie
de socle cristallin
du Burkina Faso
Laboratoire d'hydrogéologie, UFR en
Sciences de la Vie et de la Terre,
Université de Ouagadougou BP 7021
Ouagadougou
Burkina Faso
Résumé
SUD SCIENCES & T E C H N O L O G I E S
DIFFERENT
TYPES
OF VERTICAL
ELECTRICAL SOUNDINGS FOR
UPPER SOILS RECOGNITION AND
THElR PART IN HYDROGEOLOGY
OF CRYSTALLINE BASEMENT OF
Au Burkina Faso, les reconnaissances des
formations superficielles du sol ont été
faites à l'aide de la méthode électrique
des résistivités (dispositif Schlumberger).
Le recalage des données de sondages
géophysiques avec les observations et
reconnaissance de terrain, confronté à
l'analyse des coupes de forages hydrauliques, a permis de distinguer sept (7)
allures principales de courbes de sondages électriques verticaux. Des applications hydrogéologiques de cette classification ont été dégagées selon le contexte
géologique.
In Burkina Faso, electrical resistivity
method (Schlumberger'configuration) has
been used for upper soils recognition.
Field datas and fields measurements of
electrical sounding have permitted to distinguish seven principal types of curves.
In hydrogeology of crystalline basement,
the better curves providing an important
yield of bore holes has been indicated.
Mots-clefs : Géophysique, méthodes
électriques (Schlumberger), Sondages
électriques verticaux, Hydrogéologie,
Socle cristallin.
Key Words : Geophysics, Electrical
methods (Schlumberger), Electrical sounding, Hydrogeology, Crystalline basement.
BURKINA
FASO
NO10
- juin 2003
INTRODUCTION ET
PROBLÉMATIQUE
Le Burkina Faso appartient au
bouclier Baoulé-Mossi constitué
de roches cristallines et cristallophylliennes mises en place et
déformées au cours des orogenèses libérienne et éburnéenne.
Ces formations ont été aplanies
et stabilisées depuis 600 Millions
d’années (Hottin et Ouédraogo,
1975) et ont été affectées par une
altération intense sous climats
humides et puis sous climats
contrastés humides et secs.
Ainsi, une couche épaisse d’altération, très souvent latéritique
recouvre les formations géologiques saines. Les structures géologiques d’importance minière et
hydrogéologique correspondent
aux zones de fracturation intense
qu’il faut rechercher (Degallier
1963). Dans ce contexte géologique et morphologique, nous
avons entrepris de faire une synthèse de la contribution des sondages géophysiques dans la
connaissance des formations
superficielles.
En effet, les formations superficielles et pédologiques renferment une part importante des ressources
naturelles
(eaux,
mines.. .). Au Burkina Faso, dans
les années 1950, les premières
campagnes géophysiques ont été
menées par %a Compagnie
Ginérale de Géophysique ; par la
suite. ce sont les intitutions nationales (Direction de l’hydraulique
et de l’équipement rural, Bureau
des mines et de ia geologie du
Burkina. Office national des
puits et forages, Université de
Ouagadougou, services privés)
qui ont assuré la prospection géophysique. Le domaine d’utilisation intense de la géophysique
actuellement au Burkina Faso est
la recherche des nappes d’eau
souterraine ; mais cette discipline
est aussi utilisée dans l’étude
d’avant-projet de barrages (Ziga,
Yakouta) et pour mettre en évidence des gisements miniers.
De nos jours au Burkina Faso,
l’utilisation de méthodes géophysiques plus élaborées (électrique
multiélectrodes 2D et 3D, électromagnétisme,
sismique,
TDEM..) côtoie celle de la
méthode ancienne des résistivités. Cependant, en raison de ses
faibles coûts et de sa mise en
oeuvre facilement maîtrisable par
les techniciens de terrain, la
méthode électrique des résistivités est de loin la plus couram-
ment utilisée ; de plus, ses
domaines d’application sont
variés. C’est pourquoi, pour aider
à la prise de décision rapide par
les ingénieurs, une synthèse a été
faite de nombreux travaux en
géophysique appliquée à l’hydrogéologie.
Ces travaux réalisés depuis une
vingtaine d’années, comprennent
plus de deux milles (2 000) sondages électriques verticaux de
type Schlumberger repartis à travers les zones cristallines et cristallophylliennes du Burkina
Faso. Ces zones investiguées
couvrent 82 % du territoire.
Cette synthèse fait ressortir des
caractères communs qui singularisent la structure d’ensemble des
formations superficielles recouvrant le socle sain. Des proposi-
Sgende :
Formations sediiiieiiiaires Teiliaireï d u Bassin Voltaeii (grès. argiles, calcaires, doloniies) ;
Formations cristnllinr\ Birirnienncs i PrciiirozOiyue infkiçur) : schisies, quamites, grès,
ingloiiiCrats. rochcï v c m \ : 3 ) Graiiii
i t:irdi -tectciiiques (graiiiies alcalin\), Granites et granodiofites post-tecte
qiies (gr;iii»<lioiiieset ionrilites) : 4) t4:rinni~wiisantébirimiennes :
mites syiitecioi:iqws (gneiss, ini:miiitts)
Hidi (NaYiri. R:i+foond, M
,
5 ) Faille identifiée sur le ierraiig.
go. SaiiienC) . C : Tinghandin : D : Tikaré : E : Cnmpenient
utier de Pâ.
N’BQ
- juin
2003
1
l#a
Bidi (Samené)
I
I
I
tions de chances de succès d’ouvrages de captage en hydraulique
villageoise sont faites.
tent l’investigation latérale et les
sondages verticaux permettent
de mieux appréhender la succession des couches de terrains
(Degallier 1963, Meyer 1991).
d’eau et leur productivité, des
coupes pédologiques, des états
de surface du sol (indices végétaux et animaux, sols, affleurements de roches.. .).
Pour les présents travaux, le traîné
électrique s’effectue avec un dispositif Schlumberger avec les
caractéristiques géométriques suivantes : AB = 180 m, MN = 20 m
et 10 m de pas de mesure qui permettent, la plus part du temps, de
détecter les principales fractures.
Par expérience, cette technique
géophysique d’investigation latérale est utilisée conjointement
pour optimiser la recherche des
anomalies conductrices avec le
profil électromagnétique bipôle
MaxMin (Apex) d’exécution très
rapide sur le terrain. Le dispositif
de mesure comprenant une distance de séparation entre l’émetteur
et le récepteur de 100 m et des fréquences d’émission variées de
110, 220, 440, 880, 1760, 3520,
7040 et 14080 hertz, est souvent
utilisé. L‘expérience montre que la
fréquence 3520 hertz est celle qui
est la mieux adaptée au contexte
de socle cristallin du Burkina Faso
et indique des anomalies conductrices comparables à celles
données par la méthode électrique
des résistivités (Nakolendoussé
1991, Koussoubé 1996) ;
TYPOLOGIE DES COURBES
ÉLECDE
SONDAGES
TRIQUES VERTICAUX
MÉTHODOLOGIE
La méthode électrique des résistivités consiste à injecter du courant continu dans le sol à l’aide
d’électrodes A et B et à en mesure la différence de potentiel en
deux points MN compris entre A
et B. On distingue les profils de
traîné d’une part et les sondages
électriques verticaux d’autre
part. Les profils de traîné permet-
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Les sondages électriques verticaux (dispositif Schlumberger)
effectués au droit des anomalies
de résistivités électriques permettent d’appréhender la succession des horizons de terrains
reposant sur le substratum sain.
Le recalage des interprétations
des sondages géophysiques s’est
fait avec les données réelles des
coupes géologiques de forages
Les sondages électriques de type
Schlumberger réalisés en milieu
de socle cristallin soudano-sahélien et sahélien du Burkina Faso
ainsi que les observations in-situ
ont permis de dégager sept (7)
familles de courbes correspondant aux différentes successions
de couches de terrain.
Courbes de sondages
électriques avec “un seul
fond de bateau“
Ces courbes caractérisent les
régions à cuirasse latéritique (ou
à carapace latéritique) superficielle qui sont très largement
répandues dans le pays, sur les
versants de reliefs et dans les
bas-fonds sablo-gravillonnaires.
L‘interprétation de ce type de
courbe montre une structure à
trois couches de terrain électriquement distincts :
- Le recouvrement superficiel
avec des résistivités vraies de
700 à 3 O00 0hm.m. Son épaisseur est généralement faible et
varie par exemple, dans la zone
granitique de Bidi, entre 0,s m et
3 m. Mais ailleurs, elle peut
atteindre 10 m.
- Le complexe conducteur est
représenté sur la courbe de sondage par le “fond de bateau”. Cet
horizon correspond à l’altération
argileuse dont l’épaisseur (20 à
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- juin
2003
1w
10
IWO
A012 (m)
A812 lml
twoo
Bidi (Silmirnossi)
Courbes de sondages
électriques en “cloche
dans le fond de bateau”
C’est une variante du type de
courbe de sondage électrique
précédent se traduisant par une
remontée en cloche dans le fond
de bateau (fig.3). Cette modification de la courbe est souvent
liée à la présence d’un horizon
d’argiles sèches ou d’argiles
gravillonnaires. C e type de
courbe de sondage électrique est
rencontré dans les bas-fonds
actuels ou anciens (exemple de
la région de Bidi, province du
Yatenga). Ce cas de figure traduit la présence d’aquifères
alluviaux dont la pérennité est
liée à l’importance de l’alimentation par les eaux de la rivière.
,000
1000
-
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c
7
x ,Cu
‘00
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10
10
1
1
1WO
1
1
10
A012 (ml
A012 !ml
plus de 50 m) est fonction de
l’importance de la fracturation
et de la nature du socle. Dans
les zones granitiques, les résistivités de ce complexe varient
entre 50 et 200 0hm.m. Mais ces
résistivités sont de l’ordre de 10
0hm.m sur socle volcano-sédimentaire ou volcanique altéré.
Une si faible valeur de résistivité indique la présence d’argiles humides fluentes qui pourraient constituer un vrai handicap lors de la foration.
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Le socle résistant correspond à
la partie remontante à 4.5” de la
courbe du sondage. 11 correspond
au socle sain ou à la roche peu
fissurée. Les résistivités sont
généralement élevées en milieu
granitique (2 500 à 7 600 0hm.m)
mais plus basses en zones schisteuses ou volcano-sédimentaires
(800 - 1 O00 0hm.m). La figure 2
illustre bien une telle succession
de terrains en contexte granitique
dans la région de Bidi (province
du Yatenga).
-
Courbes de sondages
électriques en “cloche
puis en fond de bateau“
Quatre (4) terrains peuvent être
distingués. La couche de terrain
superficiel est représentée par
un recouvrement arable sableux
de champs de cultures de la
région de Bidi (figure 4a, sur
granitoïdes), avec des résistivités variant entre 90 et 200
0hm.m et des épaisseurs faibles
(0,s m). Les autres terrains
sous-jacents sont les mêmes que
ceux définis plus haut.
Un autre cas de figure présentant une allure similaire est
celui où la cuirasse ferrugineuse
épaisse est démantelée (remaniement par une termitière,
exploitation en carrière). C’est
ce qui a été mis en évidence au
campement routier d e Pâ
(Savadogo 1984)’ figure 4b.
NoIo - j u i n 2 0 0 3
I
I-imRf
Yarnsindé
ABR Im)
1
I
la courbe sont dissymétriques. La
diminution de la pente montante
est liée à l’existence d’un terrain
très important en hydrogéologie et
en génie civil à savoir les arènes
grenues (horizon graveleux) et le
socle fissuré, entre l’horizon
conducteur et le socle sain
(Savadogo 1984, CIEH 1987). Ce
type de sondage est lié à l’influence d’une mégafracture, Savadogo
(1984), Biémi (1992). L‘inflexion
de la branche montante peut être
assez prononcée et donner une
courbe de sondage avec un “escalier sur la branche montante”.
Cette allure est bien illustrée par
les figures 6 (BidVNayiri), 8
(Tinghandin) et 9 (Yamsindé). La
productivité de ces courbes de
sondage est chaque fois bonne (>
2 m3/h)et dépend de l’épaisseur de
la frange fissurée.
Une étude récente de la productivité des forages a gros débits
montre que les débits cies forages
sont en liaison étroite avec 1 ’ 6
paisseur de l’altération alurninoferrugineuse
et
argileuse
(Direction générale de l’hydi-xilique 1991).
I
Courbes de sondages
électriques à une ”seule
branche” montante
Ce type de courbe indique des
formations superficielles présentant deux terrains. Un premier
terrain formé de sables argileux
dont la résistivité s’échelonne
entre 50 à 120 0hm.m ; les épaisseurs vont de 0,30 à 15 m mais
peuvent atteindre 40 m. Le
second terrain correspond au
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ABE (m)
socle sain subaffleurant des granites jeunes ( f g . 5). De tels sondages sur granitoïdes peuvent
être productifs si l’alimentation
est bonne comme dans le cas de
granites grossiers tectonisés
(région de Tenkodogo) ou de
zones de bas-fonds.
Courbes de sondages
électriques à ”remontée
traîna nt e”
Dans ce cas, les deux branches de
Courbes de sondages
électriques avec ”une première branche à escalier
descendant”
Ce type de courbe de sondage
électrique se singularise des
autres par un palier (“intermédiaire en descente”) entre le premier complexe résistant et le
complexe conducteur. Elles indiquent bien par le palier, le toit de
la nappe des cuirasses latéritiques noyées variant entre 10 et
20 mètres de profondeur en
période très sèche (mois d’avril),
figure 8 (Tinghandin).
NoIo - j u i n 2 0 0 3
deux dimensions ou en trois
dimensions ;dans ces cas, des dispositifs électriques multiélectrodes en deux (2) dimensions ou
3 dimensions pourraient apporter
des indications précises. On peut
également signaler le cas particulier de courbes de sondages
incomplets ne montrant pas la
remontée
du socle. La figure 10,
Courbes de sondages électriques ”à deux fonds de illustre un sondage électrique sur
des schistes très altérés de la
bateau consécutifs”
Ce type de sondage électrique est cuvette du barrage de Tikaré (procaractérisé par deux courbes en vince du Bam) ; Il s’agit de
“fond de bateau” consécutives. schistes très altérés et dont l’éLes trois premiers terrains définis- paisseur des altérites dépasse larsent un aquifère perché avec son gement 100 m ; il faudrait alors
complexe conducteur dans le fond des longueurs de ligne impordu bateau. Le second aquifère est tantes (AB/2 supérieur à 500 m)
représenté par le terrain plus pour espérer atteindre les schistes
conducteur du second fond de sains et relativement résistants.
bateau. Cette forme de courbes
traduit également la présence Cette allure singulière de courbes
d’une nappe superficielle qui est de sondages électriques peut se
séparée de la nappe des fissures rencontrer en contexte schisteux,
par un épais horizon d’argiles de roches vertes, ou de roches
sèches ; la nappe inférieure est granitiques à très forte altération
donc souvent en charge. Il s’agit (couloir de cisaillement).
donc, dans tous les cas,
d’aquifères superposés dont la Les formes de courbes en zone de
figure 9 illustre un cas rencontré à failles (courbes à “remontée traîYamsindé (province du Yatenga). nante”) ainsi que les observations
de terrain (forages d’eau, exploiDISCUSSION
tations minières) confirment l’importance des déformations subies
La tectonique éburnéenne et par les formations d’âge Birimien
l’altération supergène des forma- (2,l milliards d’années) et antébitions cristallines du Burkina Faso rimien. Ainsi, on rencontre des
confèrent aux formations superfi- formations superficielles peu
cielles du pays des épaisseurs et épaisses séparées par des zones à
des compositions variables qui épaisses couches d’altération dans
permettent de distinguer sept les zones de failles (bas-fond,
formes principales de courbes de couloir de cisaillement...).
sondages électriques verticaux
(dispositif
Schlumberger). Le recalage des sondages géophySouvent. ces allures de courbe de siques aux données de forages
sondages électriques peuvent être d’eau montre une assez bonne
assez complexes selon la structure corrélation avec la nature des terdes formations superficielles en rains et leurs épaisseurs. Le
Les résistivités vont de 150 à 400
0hm.m. Notons que la présence
d’indices biologiques indique
quelques fois cette nappe d’eau
des altérites latéritiques dans des
“bowé” : il s’agit des termitières
du genre Cubitermes (Savadogo
1984).
SUD SCIENCES & T E C H N O L O G I E S
contexte géologique se distingue
clairement sur les courbes de sondages qui montrent bien un fond
de bateau plus large et des résistivités vraies plus basses sur socle
schisteux volcano-sédimentaire
ou volcanique que sur un socle
granitique.
En plus de la remontée traînante
liée à la frange fissurée, les failles
et mégafractures modifient
considérablement 1’allure des
courbes de sondages électriques
pour plusieurs raisons :
- le saut large de l’embrayage : les
sauts d’embrayage varient en
fonction de la direction de la fracture par rapport à la direction
d’injection du courant (cette situation est bien indiquée dans les
sondages pluridirectionnels). Ici,
le dépouillement de la courbe
avec une ligne AB d’injection du
courant dans la direction de la
faille, donne une meilleure estimation des épaisseurs de terrains.
- les sondages électriques trois
terrains incomplets : dans le cas
de faille ouverte à distension
importante et quand la direction
d’injection du courant est perpendiculaire à la faille, l’espacement
entre les deux lèvres de la faille
entraîne un écran électrique. Le
passage du courant est nul et il est
alors impossible d’effectuer des
mesures correctes jusqu’à ce que
les lignes de courant atteignent la
nappe qui ferme alors le circuit
électrique. Les sondages sont par
conséquents
incomplets
(Savadogo 1984).
NO10
- juin
2003
CONCLUSION
Cette étude de synthèse nous permet de reconnaître sept (7) formes
principales de courbes de sondages
électriques. Les formes de courbes
ci-dessus et leurs résistivités peuvent varier au cours de l’année eu
égard à la variation des horizons
électriquement distincts selon leur
état d’humectation. Il serait intéressant de procéder à des mesures saisonnières et inter-annuelles pour
une typologie plus larges des
courbes de sondages électriques
verticaux.
En hydrogéologie de socle cristallin, on accordera la priorité aux
courbes de sondages en “fond de
bateau” et à “remontée traînante”, à
“deux fonds de bateaux consécutifs” ou en “escalier sur la pente
descendante”.
Par ailleurs, en Afrique sub-sahélienne, le dispositif Schlumberger
est quasi répandu aussi bien pour
l’investigation en profondeur que
pour l’investigation latérale. Or
l’hypothèse d’application de ce dispositif requiert une horizontalité
des terrains. Ce qui ne l’est pas
souvent en domaine de socle cristallin.
En perspective de ce travail, une
évaluation statistique sur la productivité des types de sondages distingués sera entreprise en vue de
déterminer les formes de courbes
de sondages géophysiques selon
les saisons, la lithologie correspondante et les débits réalisés à la foration
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