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DEUST Gosciences
Module de gophysiqueUniversit de la Nouvelle-Caldonie
Sance 3: Loutil gophysique les diffrentes mthodesdimagerie gophysique
13 Juillet 2010
Julien Collot
Gophysique marine
Service gologique - [email protected]
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Sance 3 : Loutil gophysique les
diffrentes mthodes dimageriegophysique
1. Mthodes potentielles
a) Gnralits
b) Mthode lectrique
a) Mesure de la polarisationb) Mesure de la rsistivit
c) Mthodes lectromagntiques
a) Mthode tellurique
b) Mthode magntotellurique
c) AFMAG
d) CWe) TEM
f) VLF
g) Georadar
d) Mthode gravimtrique
e) Mthode magntique
2. Mthodes acoustiques
a) Gnralits
b) Sismique rflexion
c) Sismique rfractiond) Sismique de puits
3. Autres mthodes
a) Radiomtrie
b) Tldtection
c) Diagraphies
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1. Mthodes potentielles
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1-a Gnralits :
Dfinition gnrale
Les donnes de potentielcorrespondent aux mesures des champs de vecteurs quidrivent dun potentiel
Exemple : Le gravimtre mesure le champs gravimtrique qui drive du potentieldattraction newtonien.
Potentiels lectrique, gravimtrique, lectromagntique, magntique
Mthodes potentielles
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1-b Mthodes lectriques
Utilises en gophysique applique essentiellement pour la prospection
minire, l'hydrogologie, le gnie civil et l'archologie.
L'ensemble de ces mthodes peut tre class en fonction et de la sourceutilise :
sources naturelles (ou passives) : polarisation spontane
sources artificielles (ou actives) :
polarisation induite
mesures de rsistivit
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1-b-a Polarisation spontane
La polarisation spontane est la mthode de gophysique applique laplus simple mettre en uvre et la moins chre.
Une polarisation spontane peut tre observe par une simple mesure dela diffrence de potentiel la surface du sol de quelques millivolts
environ un volt.
Origines possibles de polarisation spontane environnementale, cest dire quelle est lie au courant dun fluide,
activit biolectrique vgtale
concentration lectrolytique dans les eaux souterraines
lie une minralisation. En effet, certaines minralisations possdent une conductivit
naturelle qui les fait se comporter comme des piles.
Mthodes lectriques
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Polarisation spontane Quelques grandeurs observables :
Le dispositif de mise en uvre est trs simple et ne ncessite que deuxlectrodes et un voltmtre, mais peut tre dcline en deux variantes :
mthode de lamplitude
mthode du gradient
Mthode de lamplitude : une lectrode est place loin de la zone
dtude, de sorte quon puisse la considrer l'infini, et reste fixe lastation de base. La seconde autre lectrode est dplace sur la zone
cartographier. Son dplacement est organis le long de profils, de sorte
obtenir une carte des potentiels obtenus qui permet de localiser la
minralisation ou la source hydraulique.
Mthodes lectriques
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Polarisation spontane Mthode du gradient: on dplace les deux lectrodes le long des lignes de
profil. On garde une distance constante et petite entre les lectrodes. On
divise les voltages mesurs par lcart des lectrodes afin de pouvoirtracer des cartes de gradient.
Dans les deux cas, les profils doivent tre choisis orthogonalement auxstructures suspectes.
Mthodes lectriques
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Polarisation spontane
Mthodes lectriques
La mthode de la polarisation spontane possde un faible pouvoirdiscriminateur entre les origines possibles des anomalies
Nautorise pas de considration sur la taille des structures enfouies. Enconsquence, elle ne peut tre utilise seule mais vient forcment en
complment dautres sources de connaissance gologique.
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1-b-b Polarisation induite
Mthodes lectriques
Mthode utilise depuis les annes 40 et est la consquence desrecherches menes par lU.S. Navy pour dvelopper un dtecteur
de mines. Cette technique est utilise surtout dans le cadre de laprospection minire, aquifre ou gothermale.
Principe :
Injection de courant continu dans le sol
Les roches accumulent de lnergie (par le biais de processuschimiques)
Coupure brutale du courant inject
Les roches librent cette nergie pour revenir un tatnergtique initial
La dcroissance progressive de la diffrence de potentiel avec letemps, exprime en terme de chargeabilit, traduit les proprits dusol qui s'est charg comme un accumulateur de faible capacit pour
ensuite se dcharger.
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Polarisation induite
Mthodes lectriques
Mthodologie :
A laide de deux lectrodes dinjection et de deux autreslectrodes de mesure, on observe le retour zro de ladiffrence de potentiel induite par linjection de courant etcalculer la chargeabilit M
2 techniques :
Technique espace-temps
dispositif fixe que lon dplace le long de profils.
Mesures effectues sur lensemble de la zone prospecter
Interprtation finale se fait grace une carte dechargeabilit.
Technique espace-frquence
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Polarisation induite Polarisation induite espace-frquence:
on ne se contente pas dinjecter et de couper le courant une seule fois
on rpte cette squence un certain nombre de fois et selon deux frquences qui nedpassent pas 10Hz, par exemple Fmin = 0,1Hz puis Fmax = 5Hz.
A chacune des frquences, on mesure la rsistivit apparente du sous-sol que lon
nomme min puis max.
Plus le temps dinjection du courant dans le sol est grand et plus la diffrence de
potentiel Vp, qui traduit le survoltage, est grande alors que lintensit reste constante.
Plus le temps dinjection est bref et plus sa frquence est leve.
Mthodes lectriques
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Polarisation induite Polarisation induite espace-frquence:
Calcul du pourcentage de leffet de frquence (FEP) et du paramtre facteur - mtal(MFP) :
Mthodes lectriques
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1-b-c Mesures de rsistivit Largement utilises en prospection minire, hydrogologique et gnie
civile
Matriel simple Principe :
Injection dun courant dune intensit connue dans le sol au moyen de deux lectrodeset la mesure de la diffrence de potentiel induite par les caractristiques du sous-sol
laide de deux autres lectrodes.
On dduit de ces mesures les valeurs de la rsistivit apparente du sous-sol (U=RI)
2 techniques En sondage : en un lieu donn en variant la gomtrie du dispositif
En trane : traner le dispositif qui garde sa gomtrie fixe et ainsi effectuer une
cartographie anomalitique des rsistivits apparentes
Lutilisation de forages quips en lectrodes dinjection et de rceptionpermet de construire directement une coupe golectrique. Cela consiste
faire de la tomographie lectrique.
Mthodes lectriques
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1-c Mthodes lectromagntiques Principe gnral :
utilisation dun champ lectromagntique incident dans un milieu, et lecture de larponse du sous-sol cette sollicitation.
Mthodes lectromagntiques
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Mthodes lectromagntiques Ne ncessitent pas la mise en place dun dispositif en prise directe sur le
sol (permet laroport)
sources naturelles : mthode tellurique
mthode magntotellurique
mthode audio (AFMAG)
sources artificielles : mthode d'induction continue (CW)
mthode dinduction transitoire (TEM)
mthode trs basse frquence (VLF)
Goradar
Les courants lectriques utiliss sont variables en frquence
Profondeur dinvestigation : H = 100 (F)1/2
avec F: frquence de la source
: conductivit du sous-sol
Mthodes lectromagntiques
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1-c-a La mthode tellurique
L'ionosphre est le sige de courants lectriques intenses qui produisentun champ magntique variable. Ce champ lectromagntique primaire
induit dans la crote terrestre un champ lectromagntique secondaire.
Ces courants lectriques telluriques, dont les lignes de circulation sont
l'chelle du globe, varient constamment en amplitude et en direction. Lesvariations les plus lentes peuvent tre assimiles des courants continus
dont l'intensit est fonction de la conductivit locale.
La mesure de la composante lectrique du champ lectromagntiquetellurique permet de connatre la conductivit du sous-sol.
Mthodes lectromagntiques
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La mthode telluriqueMthodologie
2 jeux dlectrodes :
Le premier jeu dlectrodes est fixe et constitue la station de base. Le second jeu est dplac sur la zone prospecter et constitue la station mobile.
Pour chaque nouvelle position de la station mobile, on effectue simultanment une
mesure de diffrence de potentiel aux deux stations.
La diffrence entre la diffrence de potentiel de la station mobile et cellede la station de base est donc une mesure de la diffrence de potentiel
induite par les courants telluriques et affranchie de leurs variations.
Les variations de diffrence de potentiel cartographies sont dues auxvariations de conductivit du sous-sol et donc sa constitution
gologique.
Mthodes lectromagntiques
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1-c-b La mthode magntotellurique
Mthodes lectromagntiques
Principe : IDEM QUE METHODE TELLURIQUE MAIS ON MESURE LES 2COMPOSANTES DU CHAMP SECONDAIRE (au lieu de la seule composante
lectrique)
Dispositif : lectrodes et magntomtres
2 techniques :
En sondage
Dispositif fixe et on fait varier la frquence de mesure du
champ lectromagntique tellurique En profilage
Dplacement du dispositif frquence constante(conductivits apparentes)
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1-c-c La mthode Audio (AFMAG) AFMAG = Audio Frequency MAGnetic fields
Source primaire = foudre et orages magntiques
Ondes se propagent la surface de la terre et base ionosphre
Mthodologie: 2 bobines perpendiculaires mesurent les variations de linclinaison de ce champ
lectromagntique Utilis en prospection terrestre et aroporte selon technique de profilage
Mthodes lectromagntiques
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1-c-d La mthode dinduction continue
(CW) Source artificielle continue
(bobine)
Recepteur (autre bobine) :mesure linclinaison, lintensit
et la phase du champ
secondaire induit
Profilage ou sondage
Mthodes lectromagntiques
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1-c-e La mthode dinduction transitoire
(TEM)Principe et mthode
On dispose dune trs grande boucle dans laquelle on applique un important courantlectrique pendant peine quelques dizaines de millisecondes.
Ce courant provoque la surface du sol un champ magntique orient verticalement. Cechamp, sil traverse un corps gologique conducteur, va crer des courants lectriques
secondaires souterrains alors que le champ magntique primaire se dissipe la surface.
Les courants lectriques secondaires induisent un champ magntique secondaire dont
lamplitude dcroit rapidement avec le temps.
Une seconde boucle, plus petite que la premire et place en son centre permet de recevoir lechamp magntique secondaire et de mesurer son amplitude.
On rpte le processus plusieurs fois et on stack les rsultats pour chaque position de mesure.
Mthodes lectromagntiques
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La mthode dinduction transitoire
(TEM)
Mthodes lectromagntiques
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1-c-f La mthode trs basse frquence
(VLF)Principe et mthode
La source utilise dans cette mthode sont les ondesradio trs basses frquences, mises par unequinzaine de balises militaires utilises pour la
navigation arienne et maritime. Ces ondes se
comportent comme des ondes planes et se propagent
sur dimmenses surfaces terrestres.
Le principe de la mthode est ensuite similaire celuides mthodes d'induction. Elle est cependant limite au
profilage terrestre ou aroport et autorise la
cartographie de la conductivit apparente.
La mthode trs basse frquence est cependant limite
dans son utilisation lorsque la source est inexistante ou
inoprante ou dans le cas dune topographie trop
abrupte.
Mthodes lectromagntiques
M h d l i
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1-c-g Le GoradarPrincipe
Attention ! Principe diffrent des autres mthodes lectromagntiques Principe de propagation des ondes (et non dinduction):
Un milieu possde une vitesse de propagation des ondes radio qui dpend de sa constante dilectrique et de sapermabilit magntique. En consquence, les diffrentes formations gologiques possdent des vitesses distinctes.
Les ondes mises par le goradar senfoncent dans le sous-sol ou elles peuvent se rflchir linterface entre deuxmilieux de vitesses de propagation diffrentes. Plus le contraste de vitesses est important plus la quantit dnergie
rflchie et donc renvoye vers le rcepteur est importante.
Le rcepteur enregistre les temps darrive des ondes rflchies ou rfractes qui arrivent jusque lui avec suffisamment
dnergie.
Mthodes lectromagntiques
Mth d l t ti
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Le Goradar La perte dnergie lectromagntique au cours du trajet dans les roches est trs importante et
limite de faon consquente lapplicabilit du goradar
H la profondeur dinvestigation :
Mthodes lectromagntiques
Mthodes lectromagntiques
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Le Goradar 2 techniques :
Profilage rflexion
Dplacement du goradar le long dun profil
Rfraction grand angle (WARR) Idem quen sismique
Mthodes lectromagntiques
Mthode gravimtrique
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1-d Mthode gravimtriquePrincipe
La mthode gravimtrique consiste effectuer des mesures de la
composante verticale du vecteur gravit laide dun gravimtre. Cesmesures sont effectues en profilage sur lensemble de la zone tudier.
Un certain nombre de corrections doivent tre appliques aux donnesavant interprtation:
correction instrumentale correction de mares
correction dEtvs
correction de latitude
correction isostatique
correction daltitude (air libre ou bouguer)
correction de terrain
Ces corrections permettent de ramener lensemble des mesures unevaleur thorique la surface du gode.
Mthode gravimtrique
Mthode gravimtrique
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La correction instrumentale permet dannuler la drive instrumentale. Les gravimtres doiventen effet rgulirement tre rtalonnes.
Les mares provoquent non seulement un dplacement des fluides la surface terrestre, maisaussi une dformation pluridcimtrique des formations gologiques qui sont lastiques. Ces
mouvements des masses rocheuses perturbent donc localement le champ gravimtrique et il
convient donc de sen soustraire.
La correction dEtvs permet de contrebalancer lacclration de coriolis qui affecte lamesure de lacclration gravimtrique.
La correction isostatique permet de contrebalancer les effets des diffrences dpaisseur et dedensit crustales qui sont trs importantes, par exemple entre une mesure effectue terre et
une autre acquise en mer.
La correction de latitude permet de tenir compte de lapplatissement terrestre aux ples.
La correction daltitude vise supprimer les effets des grandes masses dpassant le gode,cette correction est dite lair libre en mer et de bouguer sur terre.
La correction de terrain permet dliminer les effets des petites masses non prises en compte
par la correction daltitude, cest dire le relief immdiat.
Mthode gravimtrique
Mthode magntique
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1-e Mthode magntiquePrincipe
La magntomtrie consiste en la mesure des anomalies du champmagntique terrestre
On mesure le magntisme induit et le magntisme rmanent
Ncessite lutilisation de deux magntomtres: un premier appareil eststatique et sert de station de base, un second appareil est mobile et sert de
station de mesure. On dplace la station de mesure, et pour chacune de ses
positions on effectue une mesure simultane des deux stations. Ladiffrence entre la valeur mesure la station de mesure et la valeur
mesure la station de base donne une valeur affranchie des variations
temporelles du champs magntique terrestre.
Mthode magntique
Mthode magntique
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g q
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2. Mthodes acoustiques
Mthodes acoustiques
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2-a GnralitsPrincipe
Etude de la propagation des ondes acoustiques dans le sol
Source actives : masse
explosif
canon air
canon eau vibrateur
Mthodes acoustiques
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2-a Gnralits Les ondes lastiques cres se
propagent dans le sous-sol. Durant leur
trajet il est possible quelles serfractent ou quelles se rflchissent
sur des interfaces. On enregistre leur
temps de parcours.
Gophones terre, hydrophones en
mer
3 techniques : Sismique rflexion
Sismique rfraction
Sismique de puits
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Mthodes acoustiques
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2-b Sismique rfraction Angle dincidence critique
Analyse des temps darrives des ondes rfractes
Fourni un modle de vitesse
Mthodes acoustiques
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2-b Sismique rflection La sismique rflexion est une technique ardue qui s'attache reconstituer
un modle structural partir de l'enregistrement des ondes rflchies.
Traitement sismique Notion de Common Mid Point (CMP)
Analyse de vitesse
Stack
Mthodes acoustiques
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2-b Sismique de puits La sismique de puits se distingue
des autres techniques
principalement en raison dudispositif dacquisition des
donnes. En effet, la source et les
gophones ne sont pas disposs
sur le sol mais le long dun puits
senfonant dans le sous-sol.
Analyse de ondes directes
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3. Autres mthodes
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3-a Radiomtrie Analyse des rayonnements radioactifs
La mthode consiste en une cartographie des anomalies tablie l'aide d'un compteur Geiger -Muller, d'un scintillomtre ou surtout d'un spectromtre gamma. Cette cartographie procde
videmment par profilage terrestre ou aroport.
La prospection radiomtrique est essentiellement utilise dans le cadre de la cartographiegologique et de la recherche des gisements d'uranium.
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3-a Diagraphies
Les mthodes diagraphiques sont bases sur limplmentation des sondages en outils demesure gophysiques.
Apporte des connaissances directes puisque acquises in situ
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3-a Tldtection
La tldtection recouvre l'ensemble desmthodes qui permettent de connatre
distance, par l'intermdiaire de capteurs
lectromagntiques embarqus sur dessatellites artificiels, les proprits d'un
terrain
Les principaux satellites peuvent treclasss selon leur domaine spectral :
domaine solaire : 0.4 2 mm -LANDSAT, METEOSAT, NOAA et SPOT
domaine thermique : 8 14 mm -LANDSAT, METEOSAT et NOAA
domaine des micro-ondes : 3 300 mm- ERS,RADARSAT, SEASAT et TIROS