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    Universit Aix- Marseille III Stage du 10/05/04 au 12/05/04

    Matrise STU 2003-2004 Mr Fourno et Mr Math

    RAPPORT DE GEOPHYSIQUE

    Prospection lectrique, sismique, gravimtrique et magntomtrique sur lemassif de ltoile

    Par

    WEIL Julien

    OFFANT Yohann

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    INTRODUCTION

    Le stage de gophysique a lieu au pied de la chane de l'toile aux alentours deMarseille. Lobjectif est de pouvoir approcher gologiquement, la structure du terrain

    prospecte. Les donnes rcoltes par divers mthodes, permettent normalement de pouvoir

    dfinir la nature du terrain, ainsi que dventuels travaux en sous -sols (lis lactivithumaine) comme danciennes galeries minires ou des canalisations. Ces mthodes sont : lagravimtrie, la magntomtrie, la sismique et llectrique. Pour chacune de ces mthodes,nous verrons leur principe de fonctionnement, les rsultats obtenus ainsi que leur

    interprtation.

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    I Le gravimtre

    1) Principe de fonctionnementLe gravimtre utilis est de type Scintrex. Il consiste en une tige de quartz (en

    remplacement d'un ressort) qui va subir une contrainte gravimtrique gale g lie une

    anomalie du substratum. La proprit pizomtrique du quartz va permettre denregistrer cesvariations gravimtriques et de restituer les mesures du champ gravitationnel en un point

    donn. Le gravimtre est pos sur une plate forme qui permet de mettre au niveau horizontal,

    lappareil. Le tilt X et Y limite les mesures sils sont suprieurs 10. La mesure du champpour une station nest en faite, quune moyenne de 100 mesures dont la dviation standard enest la marge derreur. Cette dviation est considre comme bonne si elle est infrieure 0.1mgal.

    Cette mthode prsente nanmoins quelques subtilits. Il faut en effet y apporter une

    correction de mare et daltitude. La correction de mare consiste mesurer le champsgravitationnel en un point de rfrence t = 0 et t final. La variation entre ces deux valeursnous donne g fermeture. La correction de mare en une station donnes x sur un rseau

    de n station est donn par la formule : Gx = x *gf/n.

    La correction daltitude se calcule via un systme de vis et de mire. Pour mesurer lednivel H entre deux stations de mesure, on place la vise (monte sur trpied) entre les

    deux stations et on ralise une vise avant (sur la premire station par exemple) sur lequel on

    relve une certaine hauteur h1 de la mire et une vise arrire qui nous donne h2. H = h2-h1.

    Ensuite, la correction daltitude nous est donne par la formule : g = -2 G (H). Pour lescalcaires, la correction daltitude est denviron 0.3mgal/mtre.

    Le terrain tudi lorigine est une sorte de cuvette avec au centre (plus bas) le bassindalimentation en eau de marseille. A lorigine, le but tait de pouvoir distinguer uneanomalie ngative (en profondeur) due la prsence du canal alimentant le bassin en contre

    bas. Une srie de station a t dispos au travers de cette topographie en cuvette (fig.1)

    raison dune tous les 5mtres. Cependant, lintervention du service de protection desforets nous a contraint rduire notre secteur dtude cinq stations. On peut noter la

    prsence dun regard deau quelques mtres de la station 3.

    Figure 1: Croquis schmatique de la topographie et des canalisations du secteur tudi

    1234

    5

    Rseaude

    Stations

    Station de

    base

    Canalisation ?

    Canal dalimentation dubassin de rtention deaude Marseille ?

    Ouest Est

    11

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    2) Rsultats

    StationsMesures

    gravimtriquesTilt X Tilt Y

    Erreur

    standardHeure

    1 6478.1 7 8 0.025 12h05

    2 6470.844 3 -9 0.119 12h14

    3 6470.932 9 8 0.021 12h26

    4 6471.019 5 1 0.021 12h48

    5 6471.246 5 9 0.064 13h10

    Tableau 1: Mesures du champs gravitationnel pour chaque station.

    Stations Vise Arrire h1 Vise Avant h2 H = h2- h1(cm)

    Champs g

    corrig delaltitude

    1 132.5 6478.1

    2 130 154.5 24.5 6470.769

    3 145 171.5 26.5 6470.857

    4 194.5 205 10.5 6470.910

    5 262 272.5 10.5 6471.216

    6 310 345 35

    7 119 219 100

    8 18.5 127 108.5

    9 21.5 137 115.5

    10 45 131 86

    11 36

    H total : 5

    m17

    Tableau 2:dnivels entre les diffrentes stations.

    3 ) Interprtation

    Les donnes sont trs difficilement interprtable dans la mesure o nous navons pasfait la mesure g station de rfrence t final. La correction de fermeture (ou de mare) ne

    peut donc pas tre appliqu aux mesures gravitationnelles. Cependant, on observe une chute

    du champ mesur (corrig de laltitude) entre les stations 1 et 2, puis une lgre remont partir de la station 4. On interprte cette anomalie ngative comme tant le passage de la

    canalisation suppose relie au regard cit prcdemment. Avec plus de mesure, nous aurions

    peut tre put voir lanomalie ngative au niveau du talweg de la cuvette, lie au passage de lagrande canalisation qui alimente le bassin de rtention en eau de Marseille

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    II La mthode lectrique

    1) Principe de fonctionnementCette mthode est base sur les ingalits de conductibilit des roches. La mthode

    Schlumberger (fig. 2) dont nous nous sommes servie lors de notre stage, utilise 4 lectrodes

    nommes : A, B, M et N. Sur les lectrodes A et B est branch un ampremtre et y circule un

    courant gnr par une srie de batterie pouvant aller jusqu 90 volt et 100 mA. Sur leslectrodes M et N est branch un voltmtre. Les quatre lectrodes sont ensuite disposes

    comme suit (fig.2). A mesure que lon carte les lectrodes A, B et M, N un volume de plusen plus important de terrain va tre parcourus par la circulation du courant. Il suffit de noter

    lcartement entre chaque lectrode, la tension et lintensit mesur, pour en dduire larsistivit apparente not a de la roche considre. On peut la calculer via la formule : a =

    KV/I (avec K = (OA2 OM2)/ 2*OM. En portant sur un graphique les rsistivits

    apparentes en fonction des longueurs de ligne dmission, on va avoir une image de la

    rpartition des rsistivits en profondeur (tab. 3 et fig.3). Pour chaque cartement dlectrode,on inverse la polarit du systme de faon avoir deux valeurs par station de mesure (tab.3)Plusieurs prcautions doivent tre prise lors de la mise en place du dispositif. Tout

    dabord, il faut faire le zro relatif avant chaque mesure (il suffit dappuyer sur un bouton).Sinon on peut toujours faire une mesure I=0 ou placer une pile suivant un montage contre

    lectromotrice. Ceci a pour but de compenser la polarisation spontane qui sajoute au Vmesur. Deuxime prcaution, il faut enfoncer suffisamment les lectrode dans le sol pour

    avoir une bonne transmission du courant (au moins 20 cm). Pour optimiser cette transmission,

    lidal est de mouiller les lectrodes.Notre secteur dtude est situ au fond dune lgre dpression. Une srie de mesure

    est effectu selon les cartements dlectrodes du tableau 3. La valeur maximum de AB est de

    200m ; il faut donc autant de fil lectrique pour les relier aux batteries. La profondeurdinvestigation du courant tant dpendante de la profondeur suivant un rapport peu prsgale h=AB/4, on prvoit (avec 100 mtres dcartement) de pouvoir interprter le terrain

    jusqu environ 25m de profondeur.Les abaques (suivant un modle 3 couches) sont ensuite utilises pour dterminer

    lpaisseur de chaque couches et leur rsistivit. Les rsultats obtenus serviront de base pourun traitement numrique ultrieur permettant de limiter les extrapolations faites lors de

    lutilisation des abaques.

    A M O N B

    Batterie en srie

    Voltmtre-Ampremtre

    MN 10 AB

    Figure 2: Dispositif de la prospection lectrique

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    2) Rsultats

    Tableau 3 : Relev des mesures lectriques

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    3) InterprtationPour interprter la courbe de la figure 3 en terme de rsistivit et dpaisseur de

    couche des terrains sous-jacents, il nous faut utiliser les abaques. Cette mthode reste assez

    approximative, mais permet de donner une ide gnrale du type de roche et de leur paisseur.

    Ainsi, on peut lire que la rsistivit de la couche 1 (1) est proche de 460. La croix se

    place au niveau de lpaisseur de couche gale 2 m. Donc E1=2m. La courbe suit ensuitelabaque pour lequel 2/1=2,5. On peut donc en dduire que 2=2,5*460=1150. Ensuite lacourbe commence redescendre environ 10*h1 (sur la courbe des abaques). Donc E2 =20m.

    La courbe suit peu prs labaque pour lequel 3/2=0,1. Ainsi 3=0,1*1150=115.Lutilisation dun modle numrique va permettre de lisser les extrapolations faites

    lors des interprtations par abaque. Nanmoins, les donnes obtenues par les diffrentes

    abaques vont servir de base de calcul pour le modle numrique. En modifiant les paramtres

    dpaisseur de couche et de rsistivit, on rajuste la courbe de faon passer au milieu des

    diffrents points de mesure. Par ttonnement, on trouve de nouvelle valeur pour les diffrentsparamtres (fig. 4). Se sont ces valeurs qui sont le plus reprsentative du terrain tudi entre

    les deux modles.

    Ainsi, on peut dire que le terrain admet priori 3 diffrentes couches sur les 25

    premiers mtres de profondeur (limite de profondeur dinvestigation). La premire faitenviron 2m dpaisseur et sa rsistivit correspond celle dun remplissage de produitdaltration en vue du contexte gologique (terrain situ dans une cuvette). La deuximecouche fait environ 20m dpaisseur et sa rsistivit correspond celle dun banc calcaire.Enfin, la dernire couche admet une trs faible rsistivit. Dautre part, nous avons vu quencontre bas, tait situ un bassin de rtention deau. Cette couche pourrait donc tre lie la prsence dune nappe deau alimentant le bassin (en plus des canaux dacheminement de

    leau).

    Figure 4 : Courbe thorique par ajustement numrique

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    III Le magntomtre

    3) Principe de fonctionnementLes magntomtres utiliss sont des G856 et G858 de la socit Geometrics. Ils se

    composent d'une sonde gaz de csium entour d'une bobine qui gnre un champ lectrique,

    lui-mme transform en un champ magntique. C'est l'intensit du champ magntique qui est

    ici mesure, et non sa direction, en fonction des concentrations en csium.

    Un critre de l'appareil rside dans le qualitycheck"QC". C'est une qualit de mesure

    donne en fonction de la sensibilit de l'appareil. Un bip sonore indique la frquence

    d'acquisition de la sensibilit exprime en Hz/nT. Ainsi au fil du dplacement on enregistre

    une variation du champ en s/nT. Plus le QC tend vers 0 et meilleure sera la mesure.

    Par variations d'aimantation, on aboutit une anisotropie magntique du matriau. Son

    intensit correspond au champ de facteur dmagntisant. Dans un repre orthonorm

    (O,x,y,z), pour une sphre,

    N = N1 + N2 + N3 avec N1 = Nx,N2 = Ny,N3 = Nz= 1 en SI, soit Nx = Ny = Nz =1/3

    Pour un barreau orient dans l'axe de facile aimantation N2= N3= 0, et la sonde enregistre

    l'aimantation du barreau avec possibilit d'obtenir la direction du nord magntique pour un

    maximum d'aimantation lisible sur le magntomtre.

    Quand le soleil est l'azimut, on enregistre un important flux de particules issues de

    vents solaires ; c'est cette priode de la journe que le champ sera le plus lev. Par ailleurs,

    on notera la prsence de contrastes positifs lis au btonnage qui peuvent perturber

    l'enregistrement, car, le bton a une susceptibilit plus forte que le calcaire. Ou encore des

    orages magntiques dus des protubrances solaires peuvent tre la cause de la variation du

    champ de l'ordre de 2000 nT.

    Un profil qui a t marqu sur 200m (fig. 5), fait l'objet d'une tude de variation diurne

    du champ magntique avec deux types d'appareillage. Le premier a t ralis avec une sonde

    prcession de protons leve 2,50m (un maximum de protons seront orients si l'on dirige

    l'ampoule csium selon le Nord magntique) ; le second type est compos d'une perche

    deux sondes prcession d'lectrons disposes selon un axe vertical et espaces de 90cm. Ce

    dernier gagne en prcision et enregistre deux champs en mme temps des altitudes

    diffrente : on obtient un gradient qui est la diffrence de champ total entre deux hauteurs (la

    sonde du haut est 1,4m du sol, l'autre du bas est 50cm).

    Figure 5 :Croquis schmatique de la topographie et des types de terrains rencontrs.

    200 m

    Station

    rfrence

    42

    32

    1

    Zone de

    remplissage :colluvions

    Zone de

    remplissage :colluvions

    Plateau :

    calcaires

    Nord Sud

    Rseau de

    Stations

    Talweg

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    4) RsultatsLes mesures du champ magntique sont effectues tous les 5 mtres le long du profil

    de 200 mtres, depuis la station de rfrence jusqu' la station 42. Le tableau 4 fait en

    vidence la variation diurne du champ magntique la station de rfrence diffrentes

    heures de la journe. Le tableau 5 montre un relev du champ sur la section du profil 150m -200m (voire 210m). Enfin le tableau 6 rassemble les mesures de champ faites avec la "double

    sonde" lectrons sur le profil entier.

    Mesures magntiques Heure

    46004,2

    46005,2

    46004,8

    13h24

    45999,6

    45999,3

    45999,6

    13h49

    46002,9

    46004,4

    46002,2

    14h12

    46002,3

    46002,5

    46002,8

    14h24

    Tableau 4 : relev des mesures magntiques (3) de la station de rfrence diffrentes heures

    Stations Distances (mtres) Mesures magntiques

    30 150 46052,3

    31 155 46053,4

    32 160 46052,4

    33 165 46051,1

    34 170 46050,1

    35 175 46053,0

    36 180 46049,5

    37 185 46053,7

    38 190 46055,5

    39 195 46055,3

    40 200 46055,8

    41 205 46060,5

    42 210 46057,1

    Tableau 5 : Mesures magntiques la sonde protons.

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    Topographie/

    Nature du terrain

    Distances

    (m)Stations

    Mesures

    magntiquesHeure

    1re zone deremplissage :

    colluvions

    0 rfrence 45999 12h42'33''

    5 1 45997

    10 2 46015

    15 3 4602720 4 46032

    25 5 46033

    30 6 46036

    35 7 46039

    40 8 46040

    45 9 46040

    50 10 46039

    Zone de plateau :calcaire

    55 11 46044

    60 12 46039

    65 13 4603770 14 46040

    75 15 46040

    80 16 46041

    85 17 46044

    90 18 46041

    95 19 46041

    100 20 46042

    105 21 46041

    110 22 46044

    115 23 46048120 24 46049

    125 25 46042

    130 26 46042

    135 27 46047

    140 28 46048

    145 29 46049

    150 30 46045

    155 31 46046

    160 32 46046

    165 33 46050

    2me

    zone deremplissage :

    colluvions

    170 34 46050

    175 35 46051

    180 36 46053

    185 37 46058

    190 38 46055

    195 39 46069

    200 40 46046

    205 41 46045

    210 42 46047

    0 rfrence 45998,5 13h10'32''

    Tableau 6: Mesures du champ magntique avec la sonde lectrons.

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    5) InterprtationL'tude magntique ralise sur le terrain permet de faire ressortir un contexte

    gologique structural global. De la station de rfrence, partir de laquelle une variation

    diurne d'environ 4 nT a t enregistre, jusqu' la station 10 environ, le champ magntique

    augmente au fur et mesure que l'on monte dans la topographie. La deuxime partie du profilmet en vidence un plateau dont les mesures magntiques sont relativement stables et sans

    grandes variations. Enfin, un changement du champ la hausse est enregistr sur les quelques

    dernires dizaines de mtres qui montrent une baisse en altitude pour rejoindre un talweg.

    Ces variations du champ semblent avoir un impact direct sur la nature du terrain et le

    contexte gologique. L'hypothse serait que la zone centrale de l'tude correspondrait une

    partie calcaire dure qui enregistre de faibles anomalies du champ, contre deux zones, au

    dpart et en fin de profil, qui marque une variation certaine du signal. Ces dernires

    montreraient deux zones de remplissage en colluvions plus riches en magntite ou hmatite.

    Le rle de la topographie y serait pour quelque chose : une rosion et un lessivage du

    substratum amont aurait permis une accumulation des matriaux dans les secteurs en aval.

    Notons par ailleurs un pic du champ magntique (46069 nT) la station 39 : uneconcentration mtallique anormale peut tre due des dbris de vhicule

    Il en ressort ainsi de cette tude que la gomtrie du signal est trop petite pour voir des

    "choses" (anomalies) significatives. Aucune galerie souterraine, ni canalisation, n'a t

    dtectes ; une prospection sur un autre secteur voisin pourrait bien faire ressortir de telles

    structures.

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    IV La sismique

    1) Principe de fonctionnementL'tude se fait le long d'un profil de 240 mtres de direction nord-sud (fig. 6). Le

    dispositif comprend 24 gophones placs tous les 10 mtres dans le sol en position verticale ;

    ceux-ci sont relis 24 cbles munis de conducteurs : pour viter le phnomne d'induction

    (influence sur le bruit de fond), les cbles ne doivent pas former de boucles. Une centrale

    d'acquisition sert rcolter les informations. Une masse a pour fonction de gnrer des ondes

    sismiques ; ainsi 5 coups successifs frapperont une plaque en fer pos sur le sol en trois

    endroits diffrents (dbut : tir direct, centre : tir au centre, et fin du profil : tir inverse). Pour

    de grandes tudes de terrain ralises par des entreprises spcialises, les tirs se font la

    dynamite. Ces 5 coups reprsentent une source d'nergie et de vibrations et sont ncessaires

    pour dclencher l'enregistrement : en effet les frappes s'additionnent (stacking) car le choc

    gnre le mme chemin de l'onde. On remarquera qu'une ligne de 24 W se ra place ct du

    1

    er

    gophone qui sert alors de rfrence en donnant le "time break". L'amplitude du signal seramesure tous les 500 s. Des vitesses d'onde de 4 km/s sont attendues.

    Figure 6 :Schma du dispositif de la mthode sismique.

    200 m

    gophones rfrence

    Nord Sud

    Rseau de 12

    gophonesCentrale d'acquisition

    Rseau de 12

    gophones

    Tir direct Tir inverseTir au centre

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    2) RsultatsLes 3 tirs qui ont lieu au dbut, au centre et en fin du profil ont permis l'enregistrement

    de donnes de temps d'arrives des ondes exprims en ms. Pour chaque tir les gophones les

    plus prs de la source de vibration ont capt un signal ; les autres trop loigns et peu

    informateurs ont t ngligs.

    Tir Direct :Tableau 7, des temps d'arrives des ondes enregistrs par la premire dizaine de gophones.

    Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie

    20 6 44 74

    30 16 43 54

    40 19 58 95

    50 17 67 100

    60 21 72 115

    70 24 7580 28 80 108

    90 29 86 124

    Tir au centre :Tableau 8, des temps d'arrives des ondes enregistrs par les gophones situs de partet d'autre du centre du profil.

    Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie

    70 16 46 84

    80 15 36 87

    90 17 38 95100 14 36 80

    110 10 38 78

    120 2 19 45

    130

    140

    150 16 42 87

    Tir Inverse :Tableau9, des temps d'arrives des ondes enregistrs par les derniers gophones.

    Distance x Onde directe Onde rfracte Onde rflchie

    140 28

    150 38 47 109

    160 26 59

    170 24

    180 23 48 104

    190

    200

    210 13 28 100

    220 10 22

    230 6240 2

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    3) InterprtationLa rcolte des informations par la centrale d'acquisition et le traitement des donnes

    des ondes sismiques ont permis d'laborer les tableaux 7, 8 et 9 et les graphiques 7, 8 et 9

    reprsentant les hodochrones des ondes directes, rflchies et rfractes pour les 3 types de

    tirs.Tir direct :

    L'hodochrone de l'onde directe a une pente de 0.58 et donc londe a une vitesse V1=1.7 km/s.L'hodochrone de l'onde rfracte a une pente de 0.125 ; la vitesse est alors V2de 8 km/s.

    Le point de brisure XBobtenu tant de 46 m, on applique la formule qui donne lpaisseur duterrain :

    On obtient une paisseur de 18.5 mtres ct Nord.

    Tir inverse :

    Londe directe a une vitesse de 2.4 km/s (pente = 0.42).La vitesse V2 = 13.3 k/s caractrise londe rfracte dont la pente de lhodochrone est 6,67.XB a pour valeur ici 194 m.

    Ainsi lpaisseur du terrain est de 80.8 mtres.

    On conclue donc que lallure gnrale de lpaisseur du terrain est croissante du Nordau Sud : on passe denviron de 18 80 m. On peut supposer donc que les dpts deremplissage ont t principalement localiss au sud ou que le contexte palogographique a

    engendr une intense rosion du substratum au Nord ou enfin que la tectonique a engendr un

    biseau sdimentaire rtrci au nord.

    XB V2- V1

    H = 2 V2+ V1