principe des methodes electromagnetiques
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PRINCIPE DES METHODES ELECTROMAGNETIQUES (MAGNETOTELLURIQUE ARTIFICIELLE)
Ce cours «prospection électromagnétique » dispensé en licence et Master de
Géophysique au département de Géophysique de la FHC n'est pas encore entièrement
achevé, il peut également subsister des fautes (erreurs) dans le texte et des
références absentes. N'hésitez pas à me contacter au djeddimabrouk@yahoo.com pour
tout complément ou correction.
Si vous utilisez des données de ce travail, vous devez citer la référence en bibliographie de la façon suivante : Djeddi Mabrouk. Cours de prospection électromagnétique (Principe des méthodes EM), Département de Géophysique (FHC), Université M’Hamed Bougara de Boumerdes. Algérie. 2015
PRINCIPE DES METHODES ELECTROMAGNETIQUES
- Introduction
- Classification des Méthodes EM
- Différence entre les méthodes EM et électrique
- Principe de base des méthodes EM
- Domaines d’application de la prospection électromagnétique
By : Djeddi .Mabrouk
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A- INTRODUCTION
Il existe différentes méthodes de prospection électromagnétique. Toutes, elles
utilisent l’interaction des ondes électromagnétiques incidentes générées
artificiellement en surface et la mesure de la réponse des matériaux du sous-sol à cette
interaction. Ce sont donc des méthodes à sources actives (artificielles ou contrôlées
telles que stations radio , boucles de courant etc…) que l’on appelle aussi méthodes
magnétotelluriques artificielles .Au même titre que la magnétotellurique naturelle, elles
utilisent les mêmes équations de Maxwell en régime de diffusion lié aux phénomènes
de conduction pour appréhender la conductivité électrique apparente (ou son inverse, la
résistivité) des matériaux du sous-sol.
La source en prospection électromagnétique est généralement produite par le passage
d’un courant électrique variable dans une bobine servant d’émetteur d’un champ
électromagnétique appelé « primaire 𝐇𝐏».
Ce champ magnétique primaire pénètre dans le sol et lorsqu’il rencontre un matériau
conducteur, il engendre un courant induit appelé courant de Foucault qui à son tour
produit un second champ magnétique appelé secondaire (induit) 𝐇𝐬 .
La loi de Lenz –Faraday stipule que tout matériau conducteur traversé par un flux 𝚽 du
champ magnétique serait le siège d’une force électromotrice (F.é.m.) exprimée par la
relation 𝒆 = − 𝒅𝚽 𝒅𝒕 ⁄ .C’est ce champ magnétique secondaire superposé au champ
magnétique primaire qui seront captés et mesurés par une bobine placée en surface
et servant de récepteur. La mesure et la comparaison des amplitudes et des phases de
la somme vectorielle de ces champs permettent de déduire la conductivité apparente des
matériaux du sous-sol.
B- CLASSIFICATION DES METHODES E.M
Les méthodes de prospection électromagnétique sont amplement nombreuses et
variées. Elles peuvent être classées selon :
1 -Les paramètres mesurés
Mesure du champ magnétique résultant, composantes en phase ou en quadrature
etc….
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2 -Les sources d’excitation
Les sources artificielles ou contrôlées telles que stations radio , boucles de courant
etc…
3 - La bande fréquentielle utilisée :
- Les méthodes dites basses fréquences (régies par les équations de diffusion du
Champ EM) permettent d’appréhender la conductivité des terrains.
- Les méthodes dites hautes fréquences (régies par les équations de propagation du
Champ EM) permettent d’appréhender la permittivité (ex : Georadar).
4 - La distance émettrice –récepteur
- Méthodes en champ lointain : Ce sont des méthodes ou la distance émetteur-
récepteur est suffisamment plus grande que la longueur d’onde des ondes
électromagnétiques dans le sol. Cela implique que les ondes EM primaires sont
planes (front d’ondes parallèles entre eux). Les méthodes VLF, RMT, Audio MT font
partie de cette catégorie de méthodes.
- Méthodes en champ proche : Elles se caractérisent par une distance émettrice –
récepteur habituellement de faible longueur d’onde de la source et par un champ
primaire changeant très vite. (Ex : méthode Slingram).
5 - Le domaine des mesures
On distingue les méthodes fréquentielles et les méthodes temporelles
- Les méthodes fréquentielles : Les mesures se font en domaine fréquentiel et à une
fréquence donnée.
- Les méthodes temporelles. Elles consistent à utiliser en émission une
impulsion du type Heaviside, step ou autre et à faire les mesures dans le domaine
temporel.
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C- DIFFERENCE ENTRE LES METHODES EM ET ELECTRIQUES
Dans le cas général, les méthodes électromagnétiques sont basées sur la mesure de
la grandeur du champ magnétique ou l’une de ses composantes. Cette grandeur est
généralement proportionnelle à la conductivité des roches, à une certaine puissance
𝝈𝟏/𝟐 , 𝝈𝟑/𝟐 , 𝝈 . Cela implique que plus la grandeur mesurée est grande et plus la
formation géologique possède une conductivité élevée.
Dans le cas de la prospection électrique par courant continu, la grandeur mesurée est la
différence de potentiel ou le champ électrique. Cette grandeur mesurée est
généralement proportionnelle à la résistivité 𝝆 du matériau. Par conséquent la
grandeur mesurée est d’autant plus élevée que la structure géologique est plus
résistante.
D- PRINCIPE DE BASE DES METHODES E.M
Les méthodes de prospection électromagnétique sont fondées sur le mode diffusion du
champ électromagnétique ce qui suppose que l’on utilise d’un temps d’excitation assez
long (basse fréquence) que le temps de relaxation électrique de la matière. Les appareils
de mesure sont alors sensibles à l’appréhension de la conductivité électrique des
matériaux.
La prospection par les méthodes électromagnétiques actives se base sur la
génération d’un champ magnétique primaire �⃗⃗⃗� 𝒑 qui varie dans le temps à l’aide d’une
bobine émettrice parcourue par un courant électrique alternatif connu. Lorsque �⃗⃗⃗� 𝒑
rencontre en profondeur dans le sol une anomalie conductrice de résistance 𝑹 et
d’inductance 𝑳, il produit des courants de Foucault dépendants des caractéristiques
électriques de cette anomalie.
Le courant induit (de Foucault) engendré dans le matériau est fonction du champ
magnétique primaire, de la surface du matériau conducteur et de l’angle avec lequel les
lignes du flux ∅ du champ magnétique pénètrent dans le matériau. Ces courants
créent à leur tour un champ magnétique secondaire �⃗⃗⃗� 𝒔 variant en fonction de la nature
de ce matériau et qui va se superposer au champ primaire. �⃗⃗⃗� 𝒑 . fig. 1
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Au niveau du dispositif de réception les deux champs électromagnétiques vectoriels
�⃗⃗⃗� 𝒑 et �⃗⃗⃗� 𝒔 résultants vont se composer et interagir entre eux pour donner un champ
résultant �⃗⃗⃗� 𝑹 tel que : �⃗⃗⃗� 𝑹 = �⃗⃗⃗� 𝒑 + �⃗⃗⃗� 𝒔
L’extrémité du vecteur champ résultant �⃗⃗⃗� 𝑹 decrit une ellipse qu’on appelle l’ellipse
de polarisation.
La comparaison des amplitudes et du déphasage entre ces deux champs permet de
mettre en évidence la conductivité apparente du matériau conducteur à ausculter.
Lorsque le champ magnétique primaire �⃗⃗⃗� 𝒑 est sinusoïdal, on a :
�⃗⃗⃗� 𝒑 = |�⃗⃗⃗� 𝒑 𝒎𝒂𝒙|. 𝐬𝐢𝐧𝝎𝒕 De fréquence 𝒇 = 𝝎
𝟐𝝅
La force électromotrice induite par le champ �⃗⃗⃗� 𝒑 dans le matériau conducteur donne à
son tour un champ magnétique secondaire �⃗⃗⃗� 𝒔 (loi de Lenz) qui a pour expression :
�⃗⃗⃗� 𝒔 = |�⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙| . 𝐬𝐢𝐧(𝝎. 𝒕 − 𝝅
𝟐 – 𝝋 ) avec
𝝋 = 𝒕𝒂𝒏−𝟏 𝝎 . 𝑳
𝑹
Le déphasage 𝛑
𝟐 est causé par la loi fondamentale d’induction.
Selon le type de matériau, on distingue deux cas :
1- Matériau bon conducteur
Un matériau bon conducteur peut être assimilé à un matériau dont la résistance est
infiniment faible (𝑹 → 𝟎) et son inductance 𝑳 comme ayant une valeur finie .La valeur du
déphasage 𝝋 a de ce fait pour valeur 𝝅
𝟐 et le champ d’excitation magnétique secondaire
à pour expression :
�⃗⃗� 𝐬 = |�⃗⃗� 𝐬 𝐦𝐚𝐱|. 𝐬𝐢𝐧 (𝛚𝐭 − 𝛑
𝟐−
𝛑
𝟐 ) = ⎜�⃗⃗� 𝐬 𝐦𝐚𝐱⎜. 𝐬𝐢𝐧(𝛚𝐭 − 𝛑 )
= − ⎜�⃗⃗� 𝐬 𝐦𝐚𝐱⎜. 𝐬𝐢𝐧𝛚𝐭
Lorsque le matériau est bon conducteur, le champ résultant �⃗⃗⃗� 𝑹 aura pour expression :
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�⃗⃗� 𝐑 = �⃗⃗� 𝐩 + �⃗⃗� 𝐬 = |�⃗⃗� 𝐩 𝐦𝐚𝐱|. 𝐬𝐢𝐧𝛚𝐭 − ⎜�⃗⃗� 𝐬 𝐦𝐚𝐱⎜. 𝐬𝐢𝐧𝛚𝐭
= [ ⎜ �⃗⃗⃗� 𝒑 𝒎𝒂𝒙⎜ − ⎜ �⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙⎜] . 𝐬𝐢𝐧𝝎𝒕 . Minimal
2- Matériau mauvais conducteur
Un matériau mauvais conducteur se caractérise par une résistance assez grande
(𝑹 → ∞) et donc l’angle 𝝋 tendant vers une valeur nulle (𝝋 → 𝟎).
Le champ magnétique secondaire �⃗⃗� 𝐬 s’écrit de ce fait :
�⃗⃗⃗� 𝒔 = |�⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙| . 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕 − 𝝅
𝟐 ) = ⎜ �⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙⎜ . 𝐜𝐨𝐬𝝎𝒕 .
Il est alors en retard de 𝝅
𝟐 par rapport à �⃗⃗⃗� 𝒑 et le champ résultant �⃗⃗⃗� 𝑹 aura pour
expression :
�⃗⃗⃗� 𝑹 = �⃗⃗⃗� 𝒑 + �⃗⃗⃗� 𝒔 = ⎜ �⃗⃗⃗� 𝒑 𝒎𝒂𝒙⎜. 𝐬𝐢𝐧𝝎𝒕 + |�⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙| . 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝒕 − 𝝅
𝟐 )
= ⎜ �⃗⃗⃗� 𝒑 𝒎𝒂𝒙⎜. 𝐬𝐢𝐧𝝎𝒕 + |�⃗⃗⃗� 𝒔 𝒎𝒂𝒙| . 𝐜𝐨𝐬𝝎𝒕
Il ressort ce qui suit :
1-Un matériau bon conducteur donne naissance à un champ magnétique secondaire �⃗⃗⃗� 𝒔
qui est quasi en opposition de phase avec le champ magnétique primaire �⃗⃗⃗� 𝒑 . L’angle
être les deux vecteurs tend vers 𝝅 (réponse en phase).
2- Un mauvais matériau conducteur génère un champ magnétique secondaire �⃗⃗⃗� 𝒔 qui
est à 𝝅/𝟐 (réponse en quadrature) en retard de phase par rapport à �⃗⃗⃗� 𝒑.
Conclusion. Le champ résultant �⃗⃗⃗� 𝑹 prendra des valeurs maximales pour un mauvais
conducteur et minimales pour un bon conducteur.
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Figure.1 illustrant le principe général des méthodes électromagnétiques
E- DOMAINES D’APPLICATION DE LA PROSPECTION ELECTROMAGNETIQUE
Les applications des méthodes de prospection électromagnétique artificielle sont très
variées .Elles ont pris une ampleur considérable ces dernières décennies dans différents
domaines tels que l’industrie minière, l’environnement, le génie civil, l’hydrogéologie,
les études structurales, l’archéologie etc…
Elles sont appliquées en géologie dans le cas des études structurales pour la détection
des failles ou flexures, recherche des cavités, études de permafrost, évaluations de
l’épaisseur d’un recouvrement alluvionnaire, la recherche d’eau souterraine, localisation
des filons, la recherche des gisements de graphite, de sulfures massifs, de magnétite
massive.
Elles sont également employées pour la détection des conducteurs artificiels tels que
les pipelines, les réservoirs métalliques, les lignes de haute tension, les conduites, les
déchets métalliques et bien d’autres.
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