1

Programme National / ACI – FNS : « ECCO » ECOSPHERE CONTINENTALE : Processus et Modélisation

Année : 2004

DEMANDE DE FINANCEMENT

fiche abrégée (ne pas dépasser 2 pages)

Le PN / ACI « Ecosphère Continentale » se compose de trois actions thématiques, votre projet peut s’inscrire, en fonction du contenu des différents appels d’offres, à une ou plusieurs de ces actions : veuillez cocher la ou les cases pertinentes (après l’avoir sélectionnée et avoir cliquer dessus deux fois) :

Écotoxicologie et Écodynamique des Contaminants [ECODYN] Fonctionnement et Dynamique de la Biosphère Continentale : processus, échanges de

matières et d’énergie, modélisation [PNBC] Hydrologie : cycle de l’eau et flux associés (matières, énergie) [PNRH]

TITRE DU PROJET : Prospection et modélisation hydrogéophysique 4D

Nom du Projet : WATERSCAN

Responsable du Projet (nom, prénom, qualité) : SAILHAC, Pascal, Maître de Conférence Tél : 03 90 24 00 64 Fax : 03 90 24 01 25 E-mail : Pascal.Sailhac@eost.u-strasbg.fr Nom et adresse du Laboratoire proposant : Institut de Physique du Globe de Strasbourg IPGS – UMR 7516 5, rue René Descartes 67084 Strasbourg Cedex, FRANCE Montant (HT) demandé en 2004 :

Petit Equipement Fonctionnement Missions TOTAL 67.5 k€ 14.5 k€ 21 k€ 103 k€

Durée totale du projet : 3 ans Montant reçu les années précédentes (1) :

(1) pour le PNRH ou les ACI ; préciser les années IPGS : 2001 PNRH Doussan : 60k€ (IPGS) ; 2002 PNRH Doussan : 9k€ (IPGS) ; 2003 ACI Eau et

Environnement Revil-Marquis : 6.5k€ (IPGS) ; 2003 ECCO PNRH Sailhac : 10k€ (IPGS). IRD : 2001 PNRH 22 Polythème : 100k€ ; 2002 PNRH 22 Polythème : 23k€ ; 2003 PNRH 15

METREAU : 45k€. LED : 2001 PNRH : 4.6k€ ; 2003 PNRH HISAR : 14k€.; BQR Univ. Paris 7 : 10k€. IGP : 2001 & 2002 ACI Eau et Environnement Perroud : 45k€ + 45k€. Sisyphe : 2003 PNRH HYKAR : 10k€.

Demande budgétaire pour les années à venir : 91.3k€ en 2005 et 105.5 k€ en 2006 (100k€/an sur 3 ans). Autres sources de financement demandées ou assurées (préciser origine et montant HT) : Collaborations (laboratoires extérieurs à celui du proposant : CNRS IMFSS – UMR 7507 ; CNRS IPGP Géomatériaux – UMR 7046 ; CNRS GEOSCIENCES Rennes – UMR 6118 ; CNRS ORSAY TERRE – EP 1748 ; CNRS SISYPHE – UMR 7619 ; CNRS IGP (Imagerie Géophysique) – FRE 2639 ; IRD GEOVAST – UR 027 ; Univ. Paris 7 LED – INSU 03CV100

2

Laboratoires impliqués : Intitulé du laboratoire Organisme(s)

de tutelle Adresse

(ville) Nom du responsable du projet dans le laboratoire

Statut du responsable

IMFSS CNRS Strasbourg Philippe ACKERER Dir de Recherche BRGM – ARN/MRS &EAU BRGM Orléans Jean-Michel BALTASSAT Ing. Chercheur LED U. Paris 7 Paris Jean-Pierre FRANGI Professeur GEOSCIENCES Rennes CNRS Rennes Dominique GIBERT Professeur SISYPHE CNRS Paris Roger GUERIN Maître de Conf. GEOVAST IRD Bondy Anatoly LEGTCHENKO Dir de Recherche ORSAY TERRE U. Paris Sud 11 Orsay Marc PESSEL Maître de Conf. IGP (Imagerie Géophysique) U. Pau Pau Dominique ROUSSET Maître de Conf. IPGS CNRS Strasbourg Pascal SAILHAC Maître de Conf. IPGP - Géomatériaux CNRS Paris Maria ZAMORA Professeur Résumé de la demande, résultats attendus, calendrier de réalisation : L’hydrogéologie souffre encore du manque de résolution spatiale et/ou temporelle des méthodes d’observation et de modélisation des flux hydriques souterrains intervenant en sub-surface et dans le sous-sol. En effet il s’agit de milieux hétérogènes et multiéchelles dont les observables actuelles ne permettent pas encore une compréhension des processus hydrochimiques et hydrophysiques qui permettrait par exemple de mieux rendre compte des échanges entre aquifères, subsurface, rivières et atmosphère et de mieux prévoir les phénomènes de crises aux conséquences environnementales. Pour contribuer à améliorer la résolution des observations et modélisation des flux hydriques souterrains, nous proposons une étude pluridisciplinaire contribuant à développer une méthodologie de caractérisation des flux hydriques dans le sous-sol à partir de l’utilisation conjointe de méthodes géophysiques « non-destructives ». Ainsi, nous réunissons plusieurs approches innovantes précédemment mises en avant de façon indépendante dans différents projets en partie soutenus par le PNRH en 2003 (Projets HISAR/Frangi, HYKAR/Guerin, METREAU/Legtchenko et Hydrogeophy/Sailhac), ainsi qu’un projet portant sur le développement du géoradar de forage. Nous considérons des méthodes de prospections géophysiques principalement sensibles à la présence d’eau. Comme leur résolution et leur sensibilité à la teneur en eau sont différentes, l’hydrogéophysique pourraient bénéficier de leur interprétation conjointe. Il s’agit de la résonance magnétique du proton (RMP) et du géoradar (GPR et sonde HYMENET), de la tomographie de conductivité électrique (DC et EM), et des potentiels électriques provoqué (PP) et spontané (PS). La PS apporte également une sensibilité aux flux hydriques permettant une tomographie 4D. Pour chaque approche, nous envisageons un approfondissement théorique de la modélisation directe des phénomènes par approche numérique et analogique, et sa validation in situ. Enfin le développement de méthodologies d’interprétation conjointe des différents types de mesures, devrait permettre l’intégration ou la confrontation à des mesures météorologiques et hydrogéologiques (ex. tensiométriques, piézométriques, pétrologiques, pédologiques, géochimiques, TDR). Le projet comprend ainsi trois volets principaux et six référents ayant pour rôle de reléguer une partie de la coordination des recherches et la collecte des résultats (publications, données et programmes) : Un volet méthodologique L’approfondissement des méthodes de modélisation et d’inversion des différents types de mesures en relation avec la modélisation des flux hydriques repose sur l’expérience des différentes équipes, en particulier l’IMFS et Sisyphe pour des modélisations hydrologiques, Géosciences Rennes, IGP, IPGS, Orsay-Terre, et Sisyphe pour l’inversion des mesures électriques et georadar, l’IRD et le BRGM pour l’inversion des mesures RMP. Ce volet sera coordonné par Guy Marquis (IPGS). Un volet expérimental en laboratoire Des mesures sur échantillons et des simulations analogiques en cuve sont réalisées principalement par l’IPGP-Géomatériaux sur granite fracturé, par l’IPGS et l’IMFS sur milieux granulaires et en cuves dont la taille varie de la dizaine de centimètre à la dizaine de mètres. De nouveaux instruments (électrode non polarisable de laboratoire, sonde géoradar, etc.) sont également en développement à l’IPGS et au LED. Ce volet sera coordonné par Laurence Jouniaux (ENS/IPGS). Un volet expérimental in situ Des mesures sur plusieurs sites aux caractéristiques hydrogéologiques distinctes permettent de mettre à l’épreuve les différentes méthodes d’observation et de modélisation du contenu en eau et des flux hydriques. Nous étudierons quatre sites métropolitains et un ORE en Inde : Le site de la Soutte, sur une clairière d’un bassin versant vosgien sur la commune d’Obernai (0.5-3m subsurface sur soubassement de granite fracturé), le site de l’Hallue, dans la vallée de la Somme sur la commune de Warloy-Baillon (craie sub-affleurante), le site de l’Ouysse, sur la commune de Rocamadour (réseau karstique de L'Ouysse souterraine), le site de l’Adour, dans une zone de culture intensive de maïs, sur la commune de Larreule (0-6m subsurface sur soubassement d’argile à galets), et site CEFIRSE dans le bassin de la Kabini en Inde (gneiss altéré). Ces travaux seront coordonnés respectivement par Pascal Sailhac (IPGS), Jean-Michel Baltassat (BRGM), Roger Guerin (Sisyphe), Dominique Rousset (IGP), et Anatoli Legtchenko (IRD).

3

Programme National / ACI - FNS : « ECCO » ECOSPHERE CONTINENTALE : Processus et Modélisation

Année : 2004

DEMANDE DE FINANCEMENT

Dossier complet

Précisez la ou les actions thématiques fléchées :

Écotoxicologie et Écodynamique des Contaminants [ECODYN] Fonctionnement et Dynamique de la Biosphère Continentale : processus, échanges de

matières et d’énergie, modélisation [PNBC] Hydrologie : cycle de l’eau et flux associés (matières, énergie) [PNRH]

Responsable scientifique du projet (nom, prénom et qualité) : SAILHAC, Pascal, Maître de Conférence Tél : 03 90 24 00 64 Fax : 03 90 24 01 25 E-mail : Pascal.Sailhac@eost.u-strasbg.fr Laboratoire du proposant (intitulé, appartenance, adresse et téléphone, e-mail) : Institut de Physique du Globe de Strasbourg IPGS – UMR 7516 5, rue René Descartes 67084 Strasbourg Cedex, FRANCE Resp. 03 90 24 00 95, Michel.Granet@eost.u-strasbg.fr Nom et prénom du Directeur du Laboratoire, références de la formation de rattachement : Michel GRANET (IPGS UMR 7516), Equipe de Proche Surface Université Louis Pasteur, École et Observatoire des Sciences de la Terre Titre du projet :

WATERSCAN : Prospection et modélisation hydrogéophysique 4D Résumé du projet et Mots clés (maximum 5) : Nous proposons une étude pluridisciplinaire contribuant à développer une méthodologie de caractérisation des circulations hydriques dans le sous-sol à partir de mesures géophysiques de différents types : résonance magnétique du proton (RMP), géoradar (GPR et HYMENET), tomographie de conductivité électrique, et potentiels électriques spontané (PS) et provoqué (PP). Notre approche intègre des développements de méthodes d'inversion pour l’interprétation et des expériences de laboratoire et des observations in situ. Liste des personnes (nom, prénom, qualité) et des Laboratoires (intitulé, organisme) associés au projet : ACKERER, Philippe, Directeur de Recherche, IMFSS – UMR 7507, CNRS BALTASSAT, Jean-Michel, Ingénieur de Recherche, BRGM – MRS/ARN FRANGI, Jean-Pierre, Professeur, Équipe LED, Univ. Paris 7, Conv. INSU 03CV100 GIBERT, Dominique, Professeur, Équipe Géophysique, Géosciences Rennes, UMR 6118, CNRS GUERIN, Roger, Maître de Conférence, Sisyphe – Univ. Paris 6 – UMR 7619, CNRS PESSEL, Marc, Maître de Conférence, ORSAY TERRE – Univ. Paris Sud 11 – EP 1746, CNRS ROUSSET, Dominique, Maître de Conférence, IGP – Univ. Pau et Pays de l’Adour – FRE 2639, CNRS ZAMORA, Maria, Professeur, IPGP-Géomatériaux – UMR 7046, CNRS Durée du contrat demandé : 3 Montant demandé pour la première année (k€ HT): 103 k€ Projet nouveau Projet déjà engagé Visa obligatoire du Directeur de formation Signature du demandeur :

4

DOSSIER SCIENTIFIQUE

1. Intérêt scientifique et état de l’art : L’utilisation de méthodes géophysiques à des fins d'investigation hydrologique suscite un regain d’intérêt depuis quelques années. Dans les précédents projets, nous nous sommes concentrés sur l'utilisation de la résonance magnétique du proton (RMP), de géoradar (RMP), de la tomographie de résistivité (DC et EM) et de la polarisation spontanée (PS), avec des résultats encourageants de la part de nos équipes respectives. D’autres équipes françaises et étrangères obtiennent des résultats aussi encourageants. Notre projet est maintenant d’approfondir la méthodologie d’imagerie des circulations hydriques en traitant des questions liées à l’instrumentation de sites réels et l’inversion des mesures pour un suivi et une modélisation dynamique de l’eau du sous-sol. En RMP, les outils de modélisation à 1D sont couramment utilisés et la modélisation à 2D commence à être utilisée grâce aux meilleures calibrations des mesures, par exemple en corrigeant d’éventuelles erreurs sur la fréquence de Larmor qui est sensible aux variations du champ magnétique terrestre. Alors que la modélisation à 1D limitait les applications à des milieux quasi-tabulaires, on espère maintenant pouvoir apporter des solutions à des questions de modélisation hydrologique à 2D, voire 3D. On peut espérer augmenter ainsi la résolution latérale des modèles et localiser des voies préférentielles d'infiltration de l'eau dans le sous-sol. Néanmoins le problème inverse en 2D ou 3D pour la RMP est mal contraint et il semble nécessaire de développer des techniques d’inversion conjointe des données RMP, électriques, EM et radar. En géoradar, on travaille depuis plusieurs années à l’aide de procédés d’interprétation de données géoradar profitant des techniques utilisées en sismiques (expertise par exemple à Géoscience Rennes, IGP, IPGS, Orsay-Terre, Sisyphe). Récemment, nous avons développé indépendamment deux programmes robustes de modélisation 3D des ondes géoradar (Sisyphe et IPGS). Ceci a permis en particulier, lors d’expériences en cuve remplie de sable à l’IPGS, d’inverser suffisamment bien les ondes radars pour rendre compte de l’échelle capillaire au dessus de la surface de la zone saturée en eau (ex. Loeffler et al. 2004). Des premières mesures de géoradar (GPR) en forage (IGP) ont permis de mettre en évidence son intérêt pour caractériser les lithologies avec une résolution verticale d’autant plus grande que la fréquence utilisée est élevée (cf. annexe). En électrique, on s’intéresse à la complémentarité des méthodes de tomographie de résistivité (DC et EM) avec celles des polarisations spontanées (PS) et provoquées (PP) car leur sensibilité aux propriétés hydriques du sous-sol, à la présence d’eau, ainsi qu’aux flux hydriques permettent de contribuer à augmenter la sensibilité à ces paramètres dans une modélisation hydrogéophysique 4D (dans l’espace et le temps). Il faut rappeler que la sensibilité de la conductivité électrique avec les propriétés hydriques et le contenu en eau n’est utilisable que de façon très approximative avec la loi d’Archie. L’effet de la conductivité électrique à la surface des pores est un des paramètres limitant l’utilisation de cette loi pour convertir des mesures électriques en contenu en eau. Pour mieux décrire la dépendance de la conductivité avec le contenu en eau, des mesures en laboratoire permettront de mieux comprendre les effets de chargeabilité des surfaces poreuse en fonction du contenue en eau, de la salinité de l’eau, et de la structure du réseau poreux, particulièrement critique en présence d’argile. A l’échelle du terrain, des mesures de polarisation spontanée permettront d’accéder à une image moyennée de cette chargeabilité ; ainsi on espère pouvoir utiliser la PP pour mieux convertir la conductivité électrique en contenu en eau. Enfin en complément, la conversion de mesures du potentiel spontané en flux hydriques ne peut se fait par un simple facteur de proportionnalité (coefficient de couplage) que pour des écoulements en milieu homogène ; dans un milieu réaliste dont la conductivité est variable, il est nécessaire de combiner les mesures de PS avec des mesures de tomographie électrique pour estimer les flux hydriques. La complémentarité des approches géophysiques (RMP, électriques et GPR) pour la modélisation de la teneur en eau et les flux hydriques se combine aussi avec le développement de nouveaux capteurs permettant d’accéder au suivi temporel du profil vertical d’humidité et des flux de gaz, d’humidité et d’énergie au dessus du sol de collègues physiciens associés au projet (LED). Pour plus de commentaires sur l’intérêt scientifique et l’état de l’art, nous renvoyons vers le bilan individuel de chacun des 4 projets ECCO2003 (Projets HISAR/Frangi, HYKAR/Guerin, METREAU/Legtchenko et Hydrogeophy/Sailhac). Concernant la partie GPR à l’IGP, nous faisons état du bilan des travaux motivant le développement du géoradar de forage en annexe.

5

2. Plan de recherche et calendrier de réalisation Notre problématique d’hydrogéophysique est abordée avec un plan de recherche qui s’articule en trois volets : un volet théorique, un volet expérimental en laboratoire, et un volet expérimental in situ. Le dernier volet se décompose en cinq sous-volets correspondant chacun à un site particulier, de nature hydrogéologique distincte déjà étudiée par au moins une équipe du projet. Un volet méthodologique L’approfondissement des méthodes de modélisation et d’inversion des différents types de mesures en relation avec la modélisation des flux hydriques repose sur l’expérience des différentes équipes. En particulier nous continuons les travaux numériques concernant le choix des maillages en fonction de la complexité des modèles dans la modélisation directe, et de la précision ou la distribution des données dans l’inversion (en partageant les compétences des différentes équipes : BRGM, IMFS, Géosciences Rennes, IGP, IPGS, Orsay-Terre et Sisyphe). Nous développons également des codes capables d’inverser correctement des mesures électriques, radar ou RMP à trois dimensions. Enfin nous développons plus spécifiquement une approche hydrogéophysique, où la modélisation des données géophysiques est commune à une modélisation d’écoulement hydrique dans le sous sol (en particulier à l’IPGS et Sisyphe). Dans le cas particulier de la zone vadose, la modélisation de l’infiltration en commun avec celle de mesures de potentiels électriques au sol permet de déterminer la sensibilité à des paramètres hydriques du sous-sol comme la longueur capillaire. Les modèles 3D dépendent directement d'une connaissance fine des propriétés de la subsurface. Le passage de l'échelle du laboratoire à celles du terrain nécessite donc le passage par une échelle intermédiaire, accessible par la géophysique de puits. En particulier, nous voulons développer le radar de forage qui a un fort potentiel grâce à sa sensibilité à la lithologie et à au contenu en eau. Dans ce domaine, de nombreux progrès méthodologiques sont à accomplir afin de pointer efficacement les temps d'arrivées des signaux à inverser pour la tomographie de vitesse et d'évaluer correctement les amplitudes et le contenu spectral des signaux intéressants pour la tomographie d'atténuation. Ceci passe par le développement de méthodes de traitement spécifique aux données de forage (en particulier à l’IGP) ; par exemple nous avons commencé en utilisant des familles d’ondelettes type « chirplets » et qui permettent d’exclure les signaux issus des réflexions sur les parois du forage plutôt que dans le sous-sol environnant. Ce volet sera coordonné par Guy Marquis (IPGS). Nous envisageons de regrouper l’ensemble des ressources en modélisation avec une mise à jour au moins annuelle afin de partager nos compétences. Un volet expérimental en laboratoire Des mesures sur échantillons et des simulations analogiques en cuve sont réalisées principalement par l’IPGP-Géomatériaux sur granite fracturé, par l’IPGS et l’IMFS sur milieux granulaires et en cuves dont la taille varie de la dizaine de centimètre à la dizaine de mètres. Ce volet comporte aussi le développement de sondes spécifiques aux mesures de contenu en eau et de transferts proches du sol, principalement réalisé au LED. Ce volet sera coordonné par Laurence Jouniaux (ENS/IPGS).

Des simulations analogiques sur granite fracturé sont réalisées par l’IPGP dans la carrière granitique du Mayet de Montagne. Dans le plancher de cette carrière un bloc de granite de taille métrique a été séparé du reste de la formation par quatre tranchées latérales mais laissé solidaire de la roche par sa base. Ce bloc est traversé par trois séries de fractures (deux subverticales et une subhorizontale) dont la géométrie 3D a été caractérisée, par tomographie radar et sismique à déport constant, avec une précision centimétrique (vérifiée par un forage). Dans ce bloc des expériences de circulations, de fluides dans le réseau de fractures ont été effectues et les chemins de circulation de ces fluides sont actuellement bien connus. Les propriétés électriques de ce bloc ont été caractérisées à l’aide d’une tomographie de résistivité 3D. Des mesures RMP et radar permettront de mieux connaître leur comportement en milieu granitique fracturé.

Des simulations analogiques en cuve avec des milieux poreux à granularité homogène ont permis d’observer et de modéliser des effets électrocinétiques et électrochimiques ; ils permettent d’aborder des questions telles que l’influence du degré de saturation en eau sur la conductivité électrique et le couplage électrocinétique, et celle de la diffusion de solvants sur des mesures électriques. Les thèses de Charles Danquigny, Alexis Maineult, et Xavier Guichet, réalisées respectivement à l’IMFS, l’IPGS et l’ENS illustrent ce type d’observation. En plus du déplacement de Laurence Jouniaux de l’ENS vers l’IPGS en sept. 2004, nous collaborons sur ces aspects et allons demander un financement régional pour une thèse en codirection Ackerer-Sailhac pour tester des méthodes d’inversion de mesures PS en milieux saturés et non saturés dans la continuité de la thèse d’Alexis Maineult qui sera soutenue fin juin 2004.

6

Enfin deux principaux instruments seront développés dans notre projet : un dispositif Peltier peu encombrant permettant par la méthode des corrélations d’humidité (Peltier et fil chaud) de déterminer le flux d'évaporation, et une sonde géoradar nommée HYMENET permettant de fournir un profil vertical d'humidité sur un mètre de profondeur. Le projet comprend le développement instrumental et des tests d’abord sur un site expérimental bien contrôlé en 2004 et 2005 (ORE écosystèmes Forestiers à Fontainebleau), puis la mise à l’épreuve en 2005 et 2006 sur des sites moins contrôlés mais dont les autres mesures hydrogéophysiques (météo, radar, PS, etc.) ont permis de modéliser l’infiltration et de fournir des profils verticaux d'humidité (ex. l’Adour, voire la Soutte, puis CEFIRSE). Un volet expérimental in situ Des mesures sur plusieurs sites tests présentant des caractéristiques hydrogéologiques distinctes permettent de mettre à l’épreuve les différentes méthodes d’observation et de modélisation du contenu en eau et des flux hydriques. Quatre sites métropolitains et un ORE en Inde nous semblent particulièrement intéressants :

1) Le site de la Soutte se situe sur une clairière d’un bassin versant vosgien sur la commune d’Obernai (50cm-3m subsurface sur soubassement de granite fracturé) déjà en partie étudié à l’IPGS par cartographie magnétique, tomographie électrique (DC et EM), PS, et petits forages ; les travaux sur ce site seront coordonnés par Pascal Sailhac (IPGS). Il s’agit d’une clairière à 950m d’altitude, située à proximité de l’observatoire géophysique du Welschbruch qui sert de base logistique (à environ 5km). La reconnaissance des structures hydrogéologiques est encore en cours, et s’est orientée vers la localisation de structures de drainage là où le soubassement est fracturé. La carte géologique est combinée à des mesures GPS, magnétiques et électriques permettant de définir la profondeur du soubassement formé de granite fracturé en contact avec des roches volcaniques. Il est couvert par une subsurface de 0.5 à 3 mètres de profondeur, recouverte d’herbes dont la nature dépend de la proximité de petits affleurements et de petites sources d’eau superficielles – la faible conductivité électrique de cette eau, de l’ordre de 3-15mS/m, indique une faible minéralisation et une origine probablement superficielle, elle indique aussi qu’on peut s’attendre à un fort couplage électrocinétique –. Pour mieux connaître l’hétérogénéité à petites échelles, nous avons réalisé des mesures granulométriques (laboratoire « Sol » de l’ULP à Strasbourg), et pour mieux connaître les structures plus profondes une prospection électrique par CSAMT (Controled Source Audio Magneto Telluric) sera réalisée en juillet 2004 avec la collaboration de l’université de Barcelone. Le projet à moyen terme est le suivi spatio-temporel du site avec les diverses méthodes hydrogéophysiques mises en exergue dans le projet ainsi que des mesures sur échantillons pour mieux contraindre les modèle hydriques. Ceci devraient permettre de traiter le problème des échanges hydriques entre la surface, les aquifères profonds et les petits aquifères perchés dans les zones fracturées proche de la surface. Ce site et relativement ordinaire et sa relative simplicité pour la mesure géophysique (clairière quasi plane présentant un pendage presque constant avec peu d’arbres) devrait permettre de valider les méthodes développées pour caractériser les transferts hydriques entre la surface et les premiers mètres du sous-sol. Dans ce cadre des transferts proches du sol, les sondes développées par le LED pourraient être utilisées en 2005 pour mieux contraindre les flux hydriques verticaux.

2) Le site de l’Hallue se situe dans la vallée de la Somme sur la commune de Warloy-Baillon (craie sub-affleurante) ; il est observé hydrologiquement depuis 1963, et déjà en partie étudié par tomographie électrique et RMP au BRGM ; coordination Jean-Michel Baltassat (BRGM).

Il s’agit d’un sous-bassin de l’Hallue, dans la Somme qui constitue une unité hydrologique homogène de 219 km² de surperficie comprenant une seule nappe dans la craie séno-turonienne. Il a été dès 1963 choisi comme bassin expérimental pour étudier les mécanismes qui régissent alimentation et écoulement et affiner les méthodologies d’évaluation des ressources. Il bénéficie ainsi de chroniques piézométriques depuis cette date. Dans la deuxième partie des années 1990, la nappe et la zone non-saturée ont été suivies dans le cadre d’un programme régional expérimental de suivi de la qualité des eaux sur cinq sites de ce bassin faisant l’objet de mesures agro-environnementales de réduction d’intrant. La participation des eaux souterraines aux crues de l’année 2001 dans la vallée de la Somme est sans conteste, mise en évidence par toutes les observations des remontées de nappe dans plusieurs sous-bassin versant tel l’Hallue. Dans le cadre d’une approche multidisciplinaire visant à étudier les mécanismes de déclenchement de ces crues, un test préliminaire de suivi des paramètres RMP de la zone non saturée crayeuse a été mis en œuvre à partir d’octobre 2002 dans le sous-bassin de l’Hallue. La zone d’investigation comprend la zone-non-saturée et la nappe de la craie. Sur le site d’expérimentation envisagé (commune de Warloy-Baillon, Somme), la craie est subaffleurante. La nappe s’établit vers 30 m de profondeur à l’étiage. La tranche d’investigation visée s’étend ainsi entre 1 m et 30-40 m. Les diverses

7

méthodes développées par notre groupe, de la RMP au géoradar de forage, seront utilisées sur le site entre 2004 et 2005.

3) Le site de l’Ouysse se situe sur la commune de Rocamadour (réseau karstique de L'Ouysse souterraine), en partie étudié à Sisyphe par RMP ; coordination Roger Guerin (Sisyphe). Il se situe entre les gouffres de Cabouy et de Pou Meyssen. La résurgence de Cabouy est un exutoire important et le plus amont des sources alimentant la rivière Ouysse, affluent de la Dordogne. Le gouffre de Pou Meyssen situé 750 m en amont de Cabouy constitue un regard du réseau karstique reconnu par plongée souterraine à l’aval comme à l’amont. Ce système draine un vaste réseau karstique développé dans les calcaires Bajociens et Bathoniens du Causse (majeure partie du bassin-versant de l’Ouysse). Une première reconnaissance réalisée à proximité du gouffre de Pou Meyssen a mis en évidence, en 2003, une réponse RMP bien marquée, en corrélation avec la position supposée du karst. Avec un rapport signal/bruit bien supérieur au site de Lamalou (Causse de l’Hortus), ce site se prête à des tests de méthodologie d’acquisition 2D ainsi qu’à la validation des modélisations 2D/3D de la réponse RMP. La topographie de la galerie qui n’est pas encore connue avec précision à l’endroit des mesures devra être réalisée prochainement.

4) Le site de l’Adour se situe dans une zone de culture intensive de maïs en plaine, sur la commune de Larreule (0-6m subsurface sur soubassement d’argile à galets), en partie étudié à l’IGP par tomographie de résistivité électrique et géoradar ; coordination Dominique Rousset (IGP). Ce site se situe en plaine alluviale au nord du piémont pyrénéen, et son suivi hydrologique et hydrogéochimique a débuté en 2002 en collaboration avec le Laboratoire Hydrogéochimie de l’Environnement (Jeune Equipe Pau). Après un suivi temporel en 2002/2003 (GPR et résistivité) sur une année d'exploitation normale de la parcelle, dès la fin du printemps 2004, le site sera l'objet d'études géophysiques de la diffusion de traceurs (tomographie électrique et radar de surface). Dès la disponibilité de l'antenne de puits haute fréquence, nous pourrons entamer le suivi temporel en forages (Automne 2004-Automne 2005). Les outils RMP et HYMENET développés par d'autres participants au projet semblent les plus à même d'offrir une approche complémentaire à celle du radar géologique. Un fois qu'ils seront opérationnels dans ce contexte, les essais croisés de détermination de contenu en eau pourront débuter, probablement courant 2005 à courant 2006. Ceci permettra de calibrer et caractériser ces diverses mesures du contenu en eau qui font appel à des propriétés différentes, avec des résolutions différentes du plus local, HYMENET, au plus intégral, la RMP. En complément, un suivi PS de l’évapotranspiration simultanément aux mesures HYMENET permettra de quantifier la sensibilité et les incertitudes des diverses approches.

5) Le site CEFIRSE sur le bassin de la Kabini en Inde (gneiss altéré) qui fait parti des ORE ; coordination Anatoli Legtchenko (IRD).

Le site CEFIRSE s’inscrit dans un ORE qui s’attache à comparer le fonctionnement hydro-bio-géochimique de bassins versants tropicaux situés en contexte climatique humide en Inde et au Cameroun. Les travaux conduits sur la partie indienne de cet ORE sont coordonnés localement par l’IRD (UR R058 et UR R027) et l’IISc (Indian Institute of Science- Department of civil engineering). Il s’agit de mieux caractériser les processus qui agissent sur certaines formations continentales tropicales du sud de l’Inde et contrôlent la qualité des eaux qui drainent ces formations et alimentent les grands systèmes fluviaux. Le site d’étude est le bassin de la Kabini situé à l’Est de la chaîne montagneuse des Ghâts (au sud-ouest de Bangalore). Ce bassin présente deux caractéristiques majeures qui en font un site exceptionnel pour étudier (i) la dynamique évolutive de ces formations en zone de marge active (surélévation des Ghâts) et (ii) le contrôle de cette dynamique sur la qualité des eaux. Sur formation gneissique, le site est recoupé d’ouest en est par trois grandes zones d’altération et de pédogenèse associées à un fort gradient climatique (de 3000 mm à 500 mm) : (1) la zone pluvieuse ferrallitique à l’Ouest, (2) la zone de transition et (3) la zone sèche fersiallitique à l’Est. Trois grands confluents de la Kabini drainent du sud vers le nord ces trois grandes zones caractérisées de ce fait par des cortèges minéralogiques et des écoulements très contrastés : (1) la Haute Kabini à écoulement permanent en zone pluvieuse et en milieu ferrallitique (exportation totale des bases et partielle de la silice : accumulation résiduelle de kaolinite et d’oxydes de fer et d’aluminium), (2) la Heb Halla à écoulement saisonnier en zone de transition et (3) la Gundal à écoulement sporadique en zone sèche et en milieu fersiallitique. Les travaux pluridisciplinaires (pédologues, géophysiciens, hydrologues, géochimistes…) débutés en 2002 portent notamment sur un petit bassin versant (Mole hole) d’environ 4.5 km2 situé dans la zone de transition. Ils intègrent à la fois des études structurales sur le milieu physique et des études sur le fonctionnement hydrogéochimique des systèmes sol-eau. Il s’agit donc d’un site de choix pour conduire les développements proposés en RMP, géoradar et électrique car un nombre important de paramètres hydrologiques sont suivi depuis 2001 par un réseau relativement dense de capteurs de surface ou de forages.

8

L’articulation dans le temps de ces actions est détaillée dans le tableau suivant :

Tâche 2004 2005 2006

Expérience en cuves ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■Interprétation de données expérimentales ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■Mesures en labo sur petits échantillons ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Développement instrumental en RMP ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Tests et modélisation du signal RMP ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Développement HYMENET (conception/test/étalonnage) ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Tests HYMENET (validation/duplication x2/réseau) ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Modélisation signal HYMENET (dont sujet de thèse) ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■Corrélation humidité (construction/prototype/test) ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Tests HYMENET et humidité (labo/Fontainebleau/Pau) ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Développement de logiciels de modélisation et d’inversion ■ ■ ■ ■ ☻ ■ ■ ■ ☻ ■ ■ ■ ■ ■ ☻ Expérimentations communes sur les sites métropolitains ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ Expérimentation ORE Inde ■ ■ Valorisation et formation ■ ■ ■ ■ ■ ■

3. Références bibliographiques Al-Fares W., M. Bakalowicz, R. Guérin, M. Dukhan, 2002. Analysis of the karst aquifer by means of a ground

penetrating radar (GPR) - example of the Lamalou area (Hérault, France). J. Applied Geophysics, 51 (2-4), 97-106. Al Hagrey S. A., and J. Michaelsen, 1999. Resistivity and percolation study of preferential flow in vadose zone at

Bokhorst, Germany. Geophysics 64, 746-753. Al Hagrey S., J. Michaelsen, and P. Widmoser, 2000. Geophysical and hydrological soil studies at a peach orchad in

Portugal, I: Soil water flow under drip irrigation. 6th. Meeting of EEG, Sept. 3-7, Bochum, Germany, HY05, 4 pp. Al Hagrey S., P. Widmoser and J. Michaelsen, 2000. Geophysical and hydrological soil studies at a peach orchad in

Portugal, II: Soil moisture regime with water stress and under ponding infiltration at dye tracer. 6th. Meeting of EEG, Sept. 3-7, Bochum, Germany, HY06, 4 pp.

Aubert, M., I. N. Dana et M. Livet, 1990. Vérification de limites de nappes aquifères en terrain volcanique par la méthode de polarisation spontanée. C.R. Acad. Sci. Paris 311, Série II, 999-1004.

Bano M., and J.-F. Girard, 2001. Radar reflections and water content estimation of Aeolian sand dunes. Geophys. Res. Lett. 28, 3207-3210.

Bano M., 2004. Modeling of GPR waves for lossy media obeying a complex power law of frequency for dielectric permittivity. Geophys. Prosp. 52, 11-26.

Behaegel M., P. Sailhac, and G. Marquis, 2004. Hydrogeophysical monitoring of a small catchment area in Vosges (France) : First data and modelling perspectives. EGU annual meeting, Nice.

Birch F.S., 1993. Testing Fournier’s method for finding water table from self-potential. Ground Water 31, 50-56. Bogoslovsky V. A., and A. A. Ogilvy, 1973. Deformations of natural electric fields near drainage structures.

Geophysical Prospecting 21, 716-723. Bosch M., M. Zamora, and W. Utama, 2002, Lithology discrimination from physical rock properties, Geophysics 67,

573-781. Boucher M., and J.-F. Girard, 2004. Numerical study of the potential of magnetic resonance soundings applied to

localization of karst aquifers. Actes de la 16ème Réunion des Sciences de la Terre, Strasbourg, Sept 2004. Boukerbout H., D. Gibert, and P. Sailhac, 2003. Identification of sources of potential fields with the continuous

wavelet transform: application to VLF data. Geophys. Res. Lett. 30, 10.1029/2003GL016884. Braudeau E., J.-P. Frangi and R. H. Mohtar, 2004. Characterizing non-rigid aggregated soil-water medium using its

shrinkage curve, Soil Sci. Soc. Am. J., sous presse. Clavaud, J.B., M. Zamora P. Rasolofosaon and Schliter C., 2003, Permeability anisotropy and its relations with

porous medium structures, J. Geophys. Res., soumis. Cosenza P., R. Guérin and A. Tabbagh, 2003. Relationship between thermal conductivity and water content of soils

using numerical modelling. European J. of Soil Science, 54, 581-587. Darnet M. and G. Marquis, 2003. Modelling Streaming Potential (SP) signals induced by water movement in the

vadose zone. J. Hydrol. 285, 114-124.

9

Darnet M., G. Marquis, and P. Sailhac, 2003. Estimating aquifer hydraulic properties from the inversion of surface Streaming Potential (SP) anomalies. Geophys. Res. Lett. 30, 1679.

Demarty J., C. Ottlé, I. Braud, A. Olioso, J.-P. Frangi, L.A. Bastidas and H. Gupta, 2004. Using a multiobjective approach to retrieve information on surface properties used in a SVAT model, J. Hydrol. 287, 1-4, 214-236.

Demarty J., C. Ottlé, C. François, I. Braud, J.-P. Frangi, 2002. Effect of aerodynamic resistance modelling on SISPAT-RS simulated surface fluxes, Agronomie 2, 641-650.

De Rosny G., A. Chanzy, M. Pardé, J.-C. Gaudu, J.-P. Frangi, J.-P. Laurent, 2000. Modelling of a soil moisture capacitive probe response, Soil Sci. Soc. Am. J. 65, 13-18.

Diaw E. B., F. Lehmann, and P. Ackerer 2001. One-dimensional simulation of solute transfer in saturated–unsaturated porous media using the discontinuous finite elements method, J. Contaminant Hydrology 51, 197-213.

Doussan C., L. Jouniaux, and J.-L. Thony, 2002. Variations of self-potential and unsaturated water flow with time in sandy loam and clay loam soils. J. Hydrol. 267, 173-185.

Fournier C., 1989. Spontaneous potentials and resistivity surveys applied to hydrogeology in a volcanic area: Case history of the Chaîne des Puys (Puy-De-Dôme, France). Geophysical Prospecting 37, 647-668.

Frangi J.-P. and D. Richard, 2000. Energy budget and Dynamic of the semiarid spanish surface layer during the WELSONS experiment, Ann. Geophys. - Atmospheres Hydrospheres and Space Sciences, 18(3): 365-384.

Frangi J.-P., C. Garrigues, F. Haberstock, F. Forest, 1996. Evapotranspiration and stress indicator through Bowen ration method. Evapotranspiration and Irrigation Scheduling, Am. Soc. Agri. Eng., 800-805.

Garambois S., P. Sénéchal and H. Perroud, 2002. On the use of combined classical methods to assess water content and water conductivity of near-surface formations. J. Hydrol. 259, 32-48.

Gloaguen E., M. Chouteau, D. Marcotte, and R. Chapuis, 2001. Estimation of hydraulic conductivity of an unconfined aquifer using cokriging of GPR and hydrostratigraphic data, J. Applied Geophysics 47, 135-152.

Gomes L., J.L. Arrue, M.V. Lopez, G. Sterk, D. Richard, R. Gracia, M. Sabre, A. Gaudichet, J.-P. Frangi, 2003. Wind erosion in a semi-arid agricultural area of Spain: the WELSONS project, Catena 52, 232-256.

Guichet X., and L. Jouniaux, and J.-P. Pozzi, 2003. Streaming potential of a sand column in partial saturation conditions. J. Geophys. Res. 108, n° B3, pp. 2141,doi:10.1029

Guillen A., and A. Legtchenko, 2002 - Application of linear programming techniques to the inversion of proton magnetic resonance measurements for water prospecting from the surface, J. Appl. Geophys. 50, 149-162.

Guillen A., and A. Legtchenko, 2002 - Inversion of Surface Nuclear Magnetic Resonance data by an adapted Monte-Carlo method applied to water resource characterization, J. Appl. Geophys. 50, 193-205.

Guérin R., Y. Benderitter, 1995. Shallow karst network exploration using MT-VLF and DC resistivity methods. Geophysical Prospecting 43, 635-653.

Henry P., L. Jouniaux, E. J. Screaton, S. Hunze, and D. M. Saffer, 2003. Anisotropy of electrical conductivity record of initial strain at the toe of the Nankai accretionary wedge, J. Geophys. Res. 108, 2407, doi:10.1029/2002JB002287.

Jouniaux L., J. P. Pozzi, M. L. Bernard and M. Zamora, 2000, Electrokinetic in rocks: Laboratory measurements on sandstone and volcanic samples, Phys. Chem. Earth 25, 329-332.

Jouniaux L., M. L. Bernard, M. Zamora and J. P. Pozzi, 2000, Streaming potential in volcanic rocks from Mount Pelée, J. Geophys. Res. 105, 8391-8401.

Keating P., and P. Sailhac, 2004. Use of the analytic signal to identify magnetic anomalies due to kimberlite pipes. Geophysics 69, 180-190.

Kemna A., A. Binley, A. Ramirez, and W. Daily, 2000. Complex resistivity tomography for environmental applications. Chemical Engineering Journal 77, 11-18.

Kemna A., B. Kulessa, and H. Vereecken, 2002. Imaging and characterisation of subsurface solute transport using electrical resistivity tomography (ERT) and equivalent transport models. J. Hydrol. 267, 125-146.

Krivochieva S., and M. Chouteau, 2003. Integrating TDEM and MT methods for characterization and delineation of the Santa Catarina aquifer (Chalco Sub-Basin, Mexico), J. Applied Geophysics 52, 23-43.

Loeffler O., M. Bano and J.-F. Girard, 2004. GPR Measurements in a Sand Box Experiment: Influence of the Water Content. Vadose Zone J., soumis.

Legtchenko, A. V., and O. A. Shushakov., 1998. Inversion of surface NMR data, Geophysics 63, 75-84. Legtchenko A., J.-M. Baltassat, Y. Albouy, J.-M. Vouillamoz, M. Bakalowicz, and W. Al-Fares, 2002. Experience of

karst localization using magnetic resonance soundings, Proceedings, 8th EEGS-ES meeting, Aveiro, Portugal, 8-12 Sept. 2002, 37-40.

Legtchenko A., J.-M. Baltassat, A. Beauce, and J. Bernard, 2002. Nuclear magnetic resonance as a geophysical tool for hydrogeologists, J. Appl. Geophys. 50, 21-46.

Legtchenko A., J.-M. Baltassat, A. Bobachev, C. Martin, H. Robin, and J.-M. Vouillamoz, 2004. Magnetic resonance sounding applied to aquifer characterization, J. Ground Water 42, May-Juin 2004, sous presse.

Legtchenko A., and P. Valla, 2003. Removal of power line harmonics from proton magnetic resonance measurements, J. Appl. Geophys., sous presse.

Legtchenko A., 2004. Magnetic resonance sounding: Enhanced modeling of a phase shift, Applied Magnetic Resonance 25/3-4, January 2004, sous presse.

Leparoux D., D. Gibert and Ph. Côte, 2001. Adaptation of pre-stack migration to multi-offset ground-penetrating radar (GPR) data, Geophysical Prospecting 49, 374-386.

Lutz P. and H. Perroud, 2004. Phased-array transmitters for GPR surveys, Geophysics, soumis.

10

Maineult A., 2004. 3D Imagery for geoelectrical prospecting: Modelling and inverse problem using finite-difference. Rap. DEA 1999-2000 «Phys. et Chim. de la Terre, Mention Géophysique», ULP, version révisée Jan. 2004, 29 pp.

Maineult A., Y. Bernabé, and P. Ackerer, 2004. Electrical response of flow, diffusion and advection in a laboratory sand-box. Vadose Zone J., soumis.

Malet J.-P., Th.W.J. van Asch, L.P.H. van Beek, and O. Maquaire, 2002. Dynamic hydrological modelling of a fast moving complex landslide in the French Alps. Hydrological Processes, soumis.

Marquis G., M. Darnet, P. Sailhac, A.K. Singh, and A. Gérard, 2002. Electric Variations Induced by deep Hydraulic Stimulation: an Example from the Soultz HDR site. Geophys. Res. Lett. 29, n° 14, 7.1-7.4.

Martelet G., P. Sailhac, F. Moreau, and M. Diament, 2001. Characterization of geological boundaries using 1-D wavelet transform on gravity data. Geophysics 66, 1116-1129.

Michot D, Y. Benderitter, A. Dorigny, B. Nicoullaud, D. King and A. Tabbagh, 2003. Spatial and and temporal monitoring of soil water content with an irrigated corn crop cover using surface electrical resistivity tomography. Water Resour. Res. 39, 1138, doi:10.1029/2002WR001581.

Moss A. K., X. D. Jing and J. S. Archer, 2002. Wettability of reservoir rock and fluid systems from complex resistivity measurements, J. Petroleum Sci. Engin. 33, 75-85.

Osiensky J. L., 1997. Ground water modeling of mise-a-la-masse delineation of contaminated ground water plumes, J. Hydrol. 197, 146-165.

Ogilvy A. A., and E. N. Kuzmina, 1972. Hydrogeologic and engineering-geologic possibilities for employing the method of induced potentials. Geophysics 37, 839-861.

Perroud H. and M. Tygel, 2004. Velocity estimation by the CRS method: a GPR real data example. Geophysics, soumis.

Perroud H. and M. Tygel, 2004. Nonstretch NMO. Geophysics 69, 599-607. Perrier F., M. Trique, J. Aupiais, U. Gautam, and P. Shrestha, 1999. Electric potential variations associated with

periodic spring discharge in western Nepal, C.R. Acad. Sci. Paris 328, 73-7. Pessel M., and D. Gibert, 2003. Multiscale electrical impedance tomography, J. Geophys. Res. 108, B1, 2054. Pinettes, P., P. Bernard, F. Cornet, G. Hovhannissian, L. Jouniaux, J.-P. Pozzi, and V. Barthès, 2002. On the

difficulty of detecting streaming potentials generated at depth, Pure and Applied Geophysics, 159, 2629-2657. Pouliquen G., and P. Sailhac, 2003. Wavelet analysis of deep-tow magnetic profiles: Modeling the magnetic layer

thickness over oceanic ridges. J. Geophys. Res, 108, B6, 2297. Pride S., 1994. Governing equations for the coupled electromagnetics and acoustics of porous media, Phys. Review B

50, 15678-15696. Rabaute A., B. Yven, M. Zamora, and, W. Chelini, 2003. Subsurface geophysics of the Phlegrean Fields: New

insights from downhole measurements interpretation, J. Geophys. Res. 108, 2171. Reppert, P.M., F.D. Morgan, D.P. Lesmes, and L. Jouniaux, 2001. Frequency-dependent streaming potentials. J.

Colloid Interface Sci. 234, 194-203. Revil A., H. Schwaeger, L.M. Cathles III, and P.D. Manhardt, 1999. Streaming potential in porous media 2. Theory

and application to geothermal systems. J. Geophys. Res. 104, 20,033-20,048. Revil A., V. Naudet, J. Nouzaret and M. Pessel, 2003. Principles of electrography applied to self-potential

electrokinetic sources and hydrogeological applications. Water Resour. Res, 39, 1114. Robain H., J.-M. Baltassat, C. Camerlynck, M. Descloitres, A. Legtchenko, B. Dewandel, N. S. Krishnamurthy, K.

Prabrakhar Rao and S. Ahmed, 2004. Groundwater depletion in a heavily irrigated watershed in southern India: detailed assessment using MRS and ERT (CEFIPRA Project 2700-W1). EOS Transaction, Symposium NS

Sailhac P., M. Darnet, G. Marquis, and S. Szalai, 2003. On the characterization of subsurface flow and hydraulic conductivity from surface SP measurements: correcting for electrical heterogeneities. European Geophysical Society 2003, Symposium HS38, Vol. 5, 03429.

Sailhac P., and D. Gibert, 2003. Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform: 2D wavelets and multipolar approximations. J. Geophys. Res. 108, B6, 2296.

Sailhac P., G. Marquis, et M. Darnet, 2002. Développement de fonctions de Green spécifiques pour l’interprétation de mesures de Potentiel Spontané (PS) en présence de variations spatiales de conductivité électrique. Atelier CNRS-CEREGE, 16-17 Déc, Aix-en-Provence.

Sailhac P., and G. Marquis, 2001. Analytic potentials for the forward and inverse modeling of SP data caused by subsurface fluid flow. Geophys. Res. Lett. 28, 1851-1854.

Sailhac P., Darnet, M., and G. Marquis, 2004. Electrical streaming potential measured at the ground surface: Forward modeling and inversion issues for monitoring infiltration and characterizing the vadose zone. Vadose Zone J., soumis.

Samouëlian A., G. Richard, I. Cousin, R. Guérin, A. Bruand and A. Tabbagh, 2004. Three-dimensional crack monitoring by electrical resistivity measurement. European Journal of Soil Science, in press.

Sill W. R., 1983. Self-potential modelling from primary flows. Geophysics 48, 76-86. Slater L. D., and D. Lesmes, 2000. The induced polarization method. Conference Proceedings. First Int. Conf. on the

Appl. of Geophys. Method. & NDT to transportation Facilities and Infrastructure, Dec. 11-15, St.Louis, Missouri, USA, 11 pp.

Tabbagh A., C. Camerlynck, and P. Cosenza, 2000. Numerical modelling for investigating the physical meaning of the relationship between relative dielectric permittivity and water content of soils. Water Resour. Res. 36, 2771-2776.

11

Tabbagh A., C. Panissod, R. Guérin and P. Cosenza, 2002. Numerical modeling of the role of water and clay content in soils and rocks bulk electrical conductivity. J. Geophys. Res. 107, 2318, 10.1029/2000JB000025.

Telford W. M., L. P. Geldart, and R. E. Sheriff, 1990. Applied Geophysics, Second Edition. Cambridge University Press, Cambridge, 770pp.

Titov K., Y. Ilyin, P. Konosavski, and A. Levitski, 2002. Electrokinetic spontaneous polarization in porous media: petrophysics and numerical modelling. J. Hydrol. 267, 207-216.

Valla P., and A. Legtchenko, 2002. One-dimentional modelling for proton magnetic resonance sounding measurements over an electrically conductive medium, J. Appl. Geophys. 50, 217-229.

Vouillamoz J.-M., M. Descloitres, J. Bernard, P. Fourcassier and L. Romagny, 2002. Application of integrated magnetic resonance sounding and resistivity methods for borehole implementation. A case study in Cambodgia, J. Appl. Geophys. 50, 67-81.

Vouillamoz J-M., A. Legtchenko, Y. Albouy, M. Bakalowicz, J.-M. Baltassat, and W. Al-Fares, 2003. Localization of saturated karst aquifer with magnetic resonance sounding and resistivity imagery, J. Ground Water 41, 578-587

Wyns R., J. M. Baltassat, P. Lachassagne, A. Legtchenko, J. Vairon, 2004. Application of SNMR soundings for groundwater reserves mapping in weathered basement rocks (Brittany, France), Bull. Soc. Géol. Fr., N°1 de 2004, t. 175 (1).

Yahaya S., J.-P. Frangi, and D. C. Richard, 2003. Some spectral characteristics of the Cierzo wind in the atmospheric surface layer (northern Spain) from cup anemometers, Ann. Geophys. EGU journal 21, 2119-2131.

4. Résultats attendus Nos travaux doivent conduire à proposer des procédures instrumentales et numériques pour le suivi et la modélisation de circulations hydriques par des moyens hydrogéophysiques prenant en compte divers types de mesures : résonance magnétique du proton (RMP), géoradar (GPR et sonde HYMENET), corrélations d’humidité (Peltier et fil chaud pour le flux d'évaporation), polarisation électrique spontanée (PS), polarisation électrique provoquée (PP) et tomographie de résistivité électrique (DC et EM). En complément des publications dans des revues avec comité de lecture, plusieurs thèses présenteront ces résultats. En cas de soutien budgétaire, nous prévoyons également un atelier annuel sur le thème de notre projet. Enfin plusieurs référents auront pour rôle de coordonner les sous-projets et de réunir les résultats sous forme numérique accessible à l’ensemble de participants.

12

MOYENS DONT DISPOSENT LES DEMANDEURS ET QUI SERONT AFFECTÉS À LA RÉALISATION DU PROJET

1. Personnels et laboratoires impliqués : liste synthétique des personnels par organisme Fonction (nature de l’activité) Organisme Nombre ETP Chercheur / Enseignant -Chercheur / Post-Doctorant Dominique GIBERT (PR U. Rennes) Anatoli LEGTCHENKO (DR IRD) Maksim BANO (MC ULP) Patrick BAUD (MC ULP) Yves BERNABE (PR ULP) Laurence JOUNIAUX (CR CNRS) Alexis MAINEULT (ATER ULP) Guy MARQUIS (PR ULP) Pascal SAILHAC (MC ULP) Philippe GAILLOT (Post-Doc IGP) Hervé PERROUD (PR Univ. Pau) Dominique ROUSSET (MC Univ. Pau) Maria ZAMORA (PR IPGP) Philippe ACKERER (DR CNRS) Jean-Pierre FRANGI (PR Univ. Paris 7) Daniel RICHARD (MC Univ. Paris 7) Gilles de ROSNY (PR Univ. Paris 7) Marc PESSEL (MC Univ. Paris Sud) Albane SAINTENOY (MC Univ. Paris Sud) Christian CAMERLYNCK (MC Univ. Paris 6) Philippe COSENZA (MC Univ. Paris 6) Roger GUERIN (MC Univ. Paris 6) Valérie PLAGNES (MC Univ. Paris 6) Fayçal REJIBA (MC Univ. Paris 6) Alain TABBAGH (PR Univ. Paris 6)

Geosciences Rennes (UMR 6118) GEOVAST (IRD R027) IPGS (UMR 7516) IGP (FRE2639) IPGP-Géomatériaux (UMR 7046) IMFSS (UMR 7507) LED (Convention INSU ) ORSAY TERRE (EP 1748) Sisyphe (UMR 7619)

1 1 6

3

1 1 3

2

6

10% 70% 15% 10% 10% 20% 30% 15% 50% 20% 50% 50% 10% 10% 15% 40% 10% 20% 10% 20% 10% 20% 10% 10% 10%

ITA Jean-Michel BALTASSAT (IR BRGM) Jean-François GIRARD (IR BRGM) Nadia AMRAOUI (IR BRGM) Nathalie DOERFLIGER (IR BRHM) Patrick LACHASSAGNE (IR BRGM) Marie-Luce NOYER (IR BRGM) Marc DESCLOITRES (IR IRD) Gaghik HOVHANNISSIAN (IR IRD) Pierre-Daniel MATTHEY (IE ULP) Karim MAHIOUF (Tech. IPGP) Xavier Chavanne (IR Univ. Paris VII)

BRGM (ARN/MRS) BRGM (EAU) GEOVAST IPGS IPGP-Géomatériaux LED

2

4

2

1 1 1

20% 30% 10% 10% 10% 10% 70% 15% 50% 10% 40%

Doctorant Marie BOUCHER Mathieu FONTES Michael BEHAEGEL Charles DANQUIGNY Konstantinos CHALIKAKIS

GEOVAST-BRGM IGP IPGS IMFSS Sisyphe

1 1 1 1 1

100% 30%

100% 50%

100% TOTAL 40 12 Remarque : Cette liste ne mentionne que les personnels sûrs et déjà nommés, travaillant sur le projet dans la durée (au moins en 2004 pour les doctorants et Post-Doc) ; d’autres non listés devraient néanmoins s’y ajouter d’ici la fin 2004, notamment dans le cadre de projets de thèse et de post-doc déjà affichés à 100% sur ce projet.

13

2. Equipements disponibles pour la réalisation du projet (préciser dans quel laboratoire) BRGM : Système d’acquisition RMP d’Iris Instruments NUMIS+ Résistivimètre d’IRIS-Instruments à 96 électrodes Moyens informatiques Géosciences Rennes : Résistivimètre d’ABEM à 72 électrodes Moyens informatiques IMFS :

Cuves expérimentales (6m x 1m x 1m et 1.70m x 0.70m x0.45m) avec dispositifs de mesure et d’acquisition automatisés

Stations de travail XP 1000 IPGP-Géomatériaux : Perméamètre Equipements de mesure de caractérisation du réseau poreux IPGS : Electrodes impolarisables Boîtiers d'acquisition Moyens informatiques Résistivimètre d’IRIS-Instruments à 48 électrodes VLF, EM34, GEM-2, ... Vibropercuteur à gouges pour petits forages Sonde de conductivité électrique de l’eau Sondes de temprérature Géoradar pour acquisition de surface (antennes de 50MHz à 1200MHz) et de forage (100MHz) ENS vers IPGS (suite à la demande de mobilité de Laurence Jouniaux effective en sept. 2004) :

Equipements pour mesures d’électrofiltration (PS) et de résistivité électrique sur échantillons non consolidés et intacts.

Impédancemètre RLC HP 4284A (20 Hz à 1 MHz), multimètre HP 34401A IRD : Système d’acquisition RMP d’Iris Instruments NUMIS+ Résistivimètre d’IRIS-Instruments à 96 électrodes LED, Univ. Paris 7 : Anémo-thermomètre sonique CAMPBELL Sci. Hygromètre rapide Krypton CAMPBELL Sci. Fluxmètre sol Station rapport de Bowen Agro-Clim Systems Anémomètres à coupelles et anémomètre girouette Sonde HYMENET Hygromètres à effet Peltier Sondes capacitives SDEC (licence INRA) Orsay Terre : Résistivimètre d’IRIS-Instruments à 32 électrodes Electrodes impolarisables Sisyphe :

Résistivimètre d’Iris Instruments à 64 électrodes Système PP fréquentielle : SIP-Fuchs (1.4 mHz à 12 kHz) ERT par électromagnétisme : VLF, EM31, slimgram, TDEM Magnétisme : magnétomètre EDA, et gradiomètre G-858 Geometrics Géoradar pour acquisition de surface (antennes de 50MHz à 1200MHz) et de forage (100MHz) Moyens informatiques Univ. Pau : Résistivimètre d’IRIS-Instruments à 96 électrodes Foreuse Atlas-Copco Cobra pour petits forages Géoradar pour acquisition de surface (antennes de 50MHz à 1000MHz) et de forage (100MHz) GEM-2 Sismique, système DMT 62 canaux + source VIBSIST

Moyens informatiques

3. Autres financements attribués (en cours) ou demandés dans le cadre d’autres programmes (autre Programme National, ACI, Programmes Internationaux, CPER, etc…) Préciser l’origine et le montant (HT) : …

14

BUDGET

Année Nature

2004 2005

2006

1. Petit Equipement (< 80kEuros HT)

14k€OH Forage, analyses RMP et électrique

3.4k€PA Boitier d’acquisition multiicapteur

6k€PA sonde TDR

3.4k€SV Boitier d’acquisition multiicapteur

1k€SV Petit forages, analyses électriques

2k€SV 40 électrodes non polarisables

2k€SV Sondes pour piézométres

5k€SV Station météo complète

0.7k€SV Panneau solaire

_ _ _ _ _ _ _

4k€PH 4 ponts de mesure monofréquence

1k€PH 1 fil chaud

3k€PH capteurs pour bilan d’énergie

1k€PH syst. de stock. et trait. de données

2k€PO Amplificateur de haute précision

2k€PO Amplificateur de haute précision

2k€PO Divers informatique

15k€PR Radar de forage à 250MHz

3.4k€OH Boitier d’acquisition multiicapteur

1k€OH 20 électrodes non polarisables

3.4k€PA Boitier d’acquisition multiicapteur

1k€PA 20 électrodes non polarisables

15k€SV 64 électrodes ABEM pour

SAS4000) _ _ _ _ _ _ _

4k€PH 4 ponts de mesure monofréquence

1k€PH système de télétransmission

20k€PO Géné. de courant (200A)

20k€PO Système d’acquisition

36k€SP PP-mètre

(emmet.eur+récepteur)

2. Fonctionnement 3k€ Publications _ _ _ _ _ _ _

1k€SL Consommables de laboratoire

_ _ _ _ _ _ _

0.5k€PA Batteries, piles

0.5k€PK Batteries, piles

0.5k€SV Batteries, piles

_ _ _ _ _ _ _

2k€PH Électronique, connectique, etc.

2k€PH Reconditionnement/ sonde Peltier

1k€PH Travail d'atelier

2k€PH Matières premières

2k€PO Consommables

4k€ Publications _ _ _ _ _ _ _

2k€SL Consommables de laboratoire

_ _ _ _ _ _ _

0.5k€OH Batteries, piles

0.5k€PA Batteries, piles

0.5k€SV Batteries, piles

_ _ _ _ _ _ _

2k€PH Électronique, connectique, etc.

2k€PH Travail d'atelier

1k€PH Matières premières

2k€PO Consommables

4k€ Publications _ _ _ _ _ _ _

1k€SL Consommables de laboratoire

_ _ _ _ _ _ _

0.5k€OH Batteries, piles

0.5k€PA Batteries, piles

0.5k€PR Batteries, piles

0.5k€SV Batteries, piles

0.5k€BIBatteries, piles

_ _ _ _ _ _ _

2k€PH Électronique, connectique, etc.

2k€PO Consommables

3. Missions 3k€ Conférences

3k€ Atelier thématique à Paris _ _ _ _ _ _ _

2k€PA Mesures radar

8k€PK Reconnaissance du réseau karstique

3k€OH Forages, Mesures électriques

2k€SV RMP

3k€ Conférences

6k€ Atelier thématique à Strasbourg _ _ _ _ _ _ _

6k€OH Mesures RMP, radar et électrique

2k€PA Mesures PS

2k€PA ou SV Mesures HYMENET

3k€PK Mesures RMP et électriques

2k€PR RMP

2k€SV Radar de forage

_ _ _ _ _ _ _

2k€PH Site fontainebleau (ou INRA-Grigon)

3k€ Conférences

4k€ Atelier thématique à Paris _ _ _ _ _ _ _

3k€OH Mesures RMP et radar

2k€PA Mesures PS et PP

2k€PA ou SV Mesures HYMENET

2k€PR RMP

2k€SV Radar de forage

_ _ _ _ _ _ _

20k€BI 3 pers. Pendant 40 jours

Les sigles renvoient à l’expérience considérée Budget spécifique aux mesures en laboratoires :

PL (Paris, pour les mesures sur le Mayet de Montagne par l’IPGP), SL (Strasbourg, pour les mesures en cuve et sur échantillons par l’IMFS et l’IPGS).

Budget spécifique à un site (suivi temporel en continu et missions) : OH (Orléans, pour le site de l’Hallue), PA (Pau, pour le site de l’Adour), PK (Paris, pour le site karstique de l’Ouysse), SV (Strasbourg, pour le site de la Soutte dans les Vosges).

Budget spécifique à une méthode pour les expériences pouvant se déplacer d’un site à un autre (time-lapse) : PH (Paris, pour le développement de la sonde HYMENET), PO (Paris ou Orléans, pour la RMP), PR (Pau, pour le géoradar de forage).

NB : aucun budget n’est demandé pour les missions à très faible coût (par exemple pour les strasbourgeois allant sur le site de la Soutte) ; et pour le suivi par PS, l’équipement est acheté pour chaque site sauf le dernier site (en Inde) pour lequel ont devrait pouvoir « recycler » des électrodes et un système d’acquisition acquis précédemment.

TOTAL GÉNÉRAL DES CRÉDITS DEMANDÉS (HT) : 103k€ + 91,3k€ + 105,5k€ = 299,8k€

Sur la durée totale du projet : 300k€ (= 100k€ par an en moyenne)

Pour l’année en cours : 103k€

15

Annexe ECCO 2004 PNRH : Apport du géoradar de forage en hydrogéophysique Bilan des activités du laboratoire d’Imagerie Géophysique Pau - FRE 2639

Afin de comprendre les mécanismes de transports verticaux des fluides et des contaminants sur un cycle complet de culture du maïs et en incluant les variations saisonnières de pluie et d'irrigation, nous avons effectué un suivi temporel des propriétés physico-chimiques du sous sol compris entre la surface et la nappe alluviale. Durant 12 mois (de février 2002 à Janvier 2003), nous avons fait une campagne de mesures radar et électrique par mois. Les données radar ont été utilisées pour déterminer quantitativement le contenu en eau dans le sous sol et la combinaison des données radar et électriques pour estimer la conductivité de l'eau contenue dans les pores. Les résultats sont très encourageants, l'analyse des données géophysiques nous a permis de :

quantifier le contenu en eau et ses variations saisonnières : à partir des mesures radar multi offsets, nous avons établi des modèles de vitesse radar en utilisant la méthode CRS (Common Reflection Surface). Cette nouvelle méthode d'analyse de vitesses sismiques a été appliquée avec succès aux données radar. C'est une méthode qui présente plusieurs avantages sur l'analyse de vitesse classique : elle est automatique et donc rapide, elle permet d'exploiter l'ensemble des données, y compris les grands déports, pour tous les points milieux et permet d'obtenir un modèle de vitesse mieux résolu. À partir des vitesses de propagation radar, nous avons établi les teneurs en eau dans le sous sol pour chaque campagne de mesures. Les résultats obtenus montrent que l'on est parfaitement capable de suivre et quantifier les variations saisonnières de la teneur en eau et de la hauteur de la nappe alluviale dans le sous sol à partir de mesures géophysiques de surface.

estimer la porosité: Pour estimer la porosité du milieu, nous avons utilisé la combinaison de la formule empirique de Topp et l'équation semi empirique de CRIM (in Warthon et coll., 1980) dans un milieu non saturé. Au cours du temps, les porosités ainsi obtenues restent quasiment identiques, malgré des variations de vitesse, et donc de contenu en eau, notables. Ces résultats valident la méthode de détermination des vitesses radar. Les mesures en forage permettront d'obtenir des mesures de porosité de façon indépendante.

estimer la conductivité des fluides : Elle nous permet de déterminer les variations de concentration de contaminants dans l'eau. La combinaison des teneurs en eau nous permet d'estimer la conductivité des fluides en utilisant la loi d'Archie dans le cas où les conductances de surface sont négligeables c'est à dire pour cette étude, lorsque les milieux sont peu argileux. On voit nettement des zones de fortes conductivités qui évoluent d'une campagne de mesures à l'autre et qui apparaissent essentiellement lors d'épisodes de pluies intenses (mai, juin et décembre, janvier).

Après un essai des antennes 100MHz disponibles au laboratoire, nous avons décidé de tester les antennes 250MHz, qui offrent une meilleure résolution Pour une vitesse moyenne de l'ordre de 7 cm/ns, la longueur d'onde typique du signal à 100MHz est de 70 cm contre 28 cm pour l'antenne à 250MHz. Ceci autorise une discrétisation beaucoup plus fine pour l'inversion tomographique des temps d'arrivée, eu égard à l'épaisseur de la zone non saturée, principal cible de l'étude. La première arrivée est aussi beaucoup mieux localisée,

16

ce qui est essentiel pour l'inversion des temps de trajet. Par ailleurs la plus haute fréquence du signal permet aussi une meilleure séparation du signal direct entre puits des signaux réfractés, dans l'air ou dans des couches rapides, ce qui est vital pour la tomographie d'amplitude, qui permet d'approcher l'atténuation et donc la conductivité électrique des matériaux traversés. D'autre part nous développons une méthode d'évaluation de l'atténuation basée sur l'étude de la variation du spectre d'amplitude qui est plus sensible aux hautes fréquences. Ces avantages sont tels qu'ils nous conduisent à demander le financement de ce matériel dès 2004 dans le cadre de ce projet. Le coût de la location (>2K€/semaine) rend l'achat très rentable dans le cas d'un suivi temporel. Ce matériel serait de plus unique dans le parc instrumental académique national. Nos résultats préliminaires (DEA en cours) montrent que les vitesses de propagation obtenues depuis la surface en utilisant l'analyse CRS (courbe épaisse) moyennées spatialement entre deux forages et les vitesses moyennes obtenues en forage (courbe fine), sont similaires. On note toutefois une zone où les vitesses CRS sont sous-estimées. C'est dû à un changement de phase brutal du signal radar réfléchi en fonction de l'offset. Il faut donc adapter encore ces méthodes développées originellement pour les signaux sismiques.