Archeo Intro to Geophysics Script 0809

7/27/2019 Archeo Intro to Geophysics Script 0809

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Cours bloc Gophysique applique larchologie Laurent Marescot 2

INTRODUCTION 5

But du cours 5

Quest ce que la gophysique ? 5

Quelques dfinitions et notions de base 6Modle 6

Norme, anomalie, proprits physiques et contraste 6Bruit en gophysique 6Problme direct, problme inverse et information a priori 7

Les proprits physiques des matriaux 7

Problmatiques et choix des mthodes 9

LES MTHODES LECTRIQUES : RSISTIVIT DES MATRIAUX 12

Gnralits 12

La rsistivit 12

La conduction du courant dans la proche surface 12La qualit de llectrolyte (salinit) 13La quantit d'lectrolyte (porosit) 14La saturation 16La temprature 16

La loi d'Archie 16Cas d'une roche sature 16Cas dune roche partiellement sature en eau 17

Consquences archologiques 18

Exercices : rsistivit des matriaux 20Problme 1 20Problme 2 20

LES MTHODES LECTRIQUES : TECHNIQUES DE PROSPECTION 21

Gnralits 21

Les filets de courant et les quipotentielles 21

Potentiel et champ lectrique pour un terrain homogne 22Terrain homogne 22Rpartition du potentiel - Principe de superposition 23Rpartition du courant * 24

Potentiel et champ lectrique pour un terrain htrogne 25Modle deux terrains avec 1 < 2 26Modle deux terrains avec 1 > 2 26Modle de foss rsistant 27Htrognits locales en plan 27Conclusions pour un sous-sol htrogne 28

Influence du relief 28


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Technique de mesure 29Le quadriple de mesure 29Principe de rciprocit * 31Le calcul de la rsistivit et rsistivit apparente 31

Premire technique de prospection lectrique: les cartes de rsistivits apparentes 32

Principe 32Quelques dispositifs 33Profondeur dinvestigation des dispositifs 37Espacement des mesures 37Interprtation des profils de rsistivits apparentes 38

Exercices : cartographie en rsistivit apparente 40Problme 3 40Problme 4 40

Deuxime technique de prospection lectrique : les sondages lectriques 42Principe 42Les diffrents types de sondages lectriques 44

Interprtation des sondages lectriques 46

Exercices : sondages lectriques 48Problme 5 48Problme 6 48

Troisime technique de prospection lectrique : la tomographie lectrique 49But de la tomographie lectrique 49Procdure de mesure en 2D 49Procdure de mesure en 3D 51Pseudosections 52Interprtation de la tomographie lectrique 54

Exercices : tomographie lectrique 57Problme 7 57Problme 8 58

Mthodes lectriques et archologie 59

LES MTHODES SISMIQUES 60

Gnralits 60

Les diffrentes ondes sismiques 60Les ondes P 60

Les ondes S 61Les vitesses sismiques dans les roches 61

La porosit et la saturation 61La profondeur 62L'ge de la formation 62Conclusions pour les vitesses sismiques dans les roches 62

Les techniques de mesure en sismique 64Appareillage de mesure 64La propagation des ondes sismiques 65Comprendre un sismogramme 66

Premire technique de prospection sismique : la tomographie sismique 69Deuxime technique de prospection sismique : la sismique rfraction* 72


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Troisime technique de prospection sismique : la sismique rflexion* 73

Mthodes sismiques et archologie 76

Exercices : mthodes sismiques 77Problme 9 77

Problme 10 * 77

LA MTHODE GRAVIMTRIQUE 78

Gnralits 78

La densit des roches 78

Les lois de Newton 79Premire loi de Newton 79Seconde loi de Newton 80

La gravit terrestre 80

Mesure de la gravit : le gravimtre 81

Prospection gravimtrique 82

Interprtation 82Exemple dun tumulus connu 83

Mthode gravimtrique et archologie 83

Annexe * 85Le problme direct 85

Inversion linaire 85Inversion non-linaire 88

Rfrences 90

Gophysique applique larchologie

Laurent [email protected]

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Laurent Marescot 2009


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INTRODUCTION

But du cours

Ce cours a pour but de fournir larchologue les bases gophysiques ncessaires permettant dedialoguer avec le gophysicien, de choisir une mthode gophysique adapte une problmatiquedonne et de comprendre les rsultats fournis par les mthodes gophysiques. Ce cours exposenotamment les possibilits et les limites des mthodes prsentes, ainsi que les techniques de mesureet dinterprtation. Les concepts mathmatiques ont t rduits au strict minimum ncessaire lacomprhension du sujet. Les parties marques dun * dcrivent des concepts plus avancs ou moins

utilises en archologie pouvant tre ignors lors dune premire lecture.

Les prsentations Powerpoint accompagnant ce cours proposent de plus une srie dexemples pourchaque mthode ainsi que des complments dinformation plus techniques . Un grand nombredillustrations ont t relgues dans les prsentations afin de rendre ces notes de cours plus claires.

Quest ce que la gophysique ?

La gophysique tudie le sous-sol par le truchement de ses proprits physiques. Le gologue, parexemple, utilise lobservation directe et visuelle, il examine les roches qui affleurent, prlve deschantillons, les tudie et en dduit larchitecture du sous-sol.

Le gophysicien, lui aussi, va essayer de dterminer larchitecture du sous-sol en mesurant certainesproprits physiques partir de la surface. Cette information est de prime importance pour legologue, lingnieur civil et bien entendu pour larchologue. Pour ces derniers, les techniquesgophysiques sont tout particulirement utiles lorsque dautres moyens de prospection (par exemple

la photographie arienne) ne peuvent pas tre utiliss ou quune fouille exhaustive est trop onreuse.

Les principales mthodes gophysiques sont : La prospection lectrique (rsistivit) La prospection gravimtrique La prospection sismique La prospection magntique La prospection lectromagntique et le radar gologique

Ce polycopi dcrit plus en dtail les trois premires mthodes de prospection.

This could be the discovery of the century.

Depending, of course, on how far down itgoes


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Quelques dfinitions et notions de base

Modle

Un modle est une vue simple et idalise et donc approximative de la ralit physique.

Norme, anomalie, proprits physiques et contraste

Quelque soit le type d'objet recherch et quelle que soit la mthode employe, il s'agit de mettre envidence des structures anormales, cest--dire des structures diffrant du milieu environnant par l'une

ou l'autre de leurs caractristiques physiques. Une anomalie ne peut tre dfinie que par rapport unenorme.

La gophysique est donc essentiellement la mesure de contrastes dans les proprits (ou paramtres)physiques de matriaux constituant le sous-sol (par exemple la densit, la rsistivit lectrique, etc.) etla tentative de dduire la nature et la distribution de ces matriaux responsables de ces observations.Sans contrastes, pas danomalies !

Les questions que se pose le gophysicien sont donc:

La structure archologique peut elle provoquer une anomalie par rapport la norme qui estson environnement ?

Le contraste est-il suffisamment important pour provoquer une anomalie mesurable ?Cette notion conduit tout naturellement au problme du choix des mthodes.

Bruit en gophysique

Des bruits extrieurs (vibrations, courants lectriques ou ondes lectromagntiques, naturels ouartificiels) peuvent rendre lutilisation des techniques gophysiques difficile ou mme impossible. La

figure suivante dcrit les diffrentes sources de bruit pour les diffrentes mthodes gophysiques :


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Problme direct, problme inverse et information a priori

Par problme direct, le gophysicien entend en gnral la prise de donnes sur le terrain (mesure) oula rponse dun modle numrique. Le problme inverse (ou inversion) dcrit par contre lobtentiondun modle partir des donnes mesures sur le terrain. En gnral, le modle obtenu par inversion

nest pas unique (plusieurs modles peuvent expliquer les mesures collectes) et de linformation a

priori est ajoute pour contraindre le modle et choisir parmi les diffrentes solutions possibles.

Pour faire une analogie, nous pouvons dire que larchologue rsout galement un problme direct

lorsquil collecte des donnes et mesures sur le terrain. En fonction par exemple de la gomtrie desmurs dgags, du mobilier collect, il va ensuite crer un modle dhabitat, ce qui constitue la

rsolution du problme inverse. Comme il lui manque forcment des informations, comme lastructure du toit par exemple, son modle dhabitat nest pas unique et il va se baser sur desinformations externes (par exemple dautres sites) pour contraindre son interprtation : il sagit ldinformation a priori.

Vous trouverez plus dinformation sur linversion en Annexe.

Les proprits physiques des matriauxPour un gophysicien, une roche est constitue de:

LA MATRICE : partie solide constitue par les minraux possdant chacunleurs proprits physiques propres: densit, vitesse, rsistivit,susceptibilit, etc.

LA POROSITE : soit le volume des vides par rapport au volume de lamatrice.


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LES FLUIDES : soit ce qui remplit plus ou moins les vides: eaux plus ou moins sales, hydrocarbures, gaz,air, polluants, chacun de ces fluides ayant des paramtres physiques qui lui sont propres.

En dfinitive les paramtres physiques de la roche dpendront des pourcentages des diversconstituants.

Ainsi pour le paramtre densit par exemple nous pouvons crire:

fmab ddd )1(

Avec : db = densit de la roche, dma = densit de la matrice, df = densit du fluide contenu dans les

pores, = porosit en %.

Le tableau suivant donne les gammes de valeurs pour les principaux paramtres physiques :


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Certains paramtres physiques peuvent tre mis en relation, ainsi une roche faible porosit aura unevitesse sismique leve mais aussi une densit leve. On peut donc relier vitesse sismique et densit,ces deux paramtres dpendant fortement de la porosit. Le tableau suivant donne les propritsphysiques ayant un effet prpondrant sur les diffrentes mthodes gophysiques :

P : effet prpondrant sur la rponse gophysique

S : effet secondaire sur la rponse gophysique

Problmatiques et choix des mthodes

Le premier travail de l'archologue consiste reprer le site archologique fouiller. Plusieurs raisonsprsident au choix de ce site :

Problme de temps: Les sites sont souvent menacs par l'expansion routire et urbaine: fouilles desauvetage.

Problme dargent: Les archologues ont souvent des moyens financiers limits: choix de la zone laplus approprie pour la fouille.

L'archologue a donc besoin de mthodes permettant de:

Localiser les zones archologiques Prciser leur tendue En prciser la nature si possible

Les mthodes gophysiques permettent partir de mesures effectues en surface de dduire laprsence et parfois la nature des structures.

Proprits

physiquesMagntisme Gravimtrie Electromag. Rsistivit Radar Sismique

Susceptibilit

k P S S

Densit

d P S

Rsistivit

ohm.m P P S

Permittivit

S P

Vitesse

v P


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Pour le gophysicien, les structures se rsument souvent des formes simples:

des objets horizontaux. des objets verticaux. des amas. des cavits. des objets mtalliques.

Notez que le gophysicien est incapable de discerner si la structure horizontale enfouie est une dalle degrs ou une mosaque et encore moins si elle est d'poque romaine ou non ! L encore, ce sera larchologue dinterprter ces anomalies gophysiques en terme de structures archologiques.

Avant d'envisager de faire une prospection avec l'une ou l'autre mthode gophysique il convient debien poser le problme. Il existe de nombreuses mthodes gophysiques, chacune fournit desindications sur la nature du sous-sol par le biais de l'tude de la variation d'un paramtre physique. Il

sagit donc de bien choisir.

Ce choix dpend essentiellement

du pouvoir de rsolution de la mthode envisage (c'est--dire le degr de dtail pouvant treobtenu), de sa capacit dtecter des structures diverses profondeurs

de la nature des objets enfouis et leur possibilit de provoquer une anomalie sur la ou lesgrandeurs mesures (contraste de proprit physiques)

du cot de la mise en uvre de la sensibilit de la mthode au bruit gophysique

Prcisons tout de suite quil ny a pas de choix passe-partout ! Par exemple la mthode sismique a unmeilleur pouvoir de rsolution que la mthode lectrique mais est par contre plus lente mettre enuvre, plus onreuse et est aussi trs sensible aux vibrations parasites du sol ( proximit dune routepar exemple). D'autre part, les diffrentes mthodes de prospection sont souvent complmentaires etil est gnralement trs utile d'en employer plusieurs conjointement. Enfin quelle que soit la ou lesmthodes choisies, il faudra tenir compte de l'paisseur et de la nature des (morts) terrains recouvrantles vestiges archologiques.

En rsum, en sadressant au gophysicien, larchologue aura dj si poss ible une ide de :

La nature des objets enfouis (do on peut dduire leur possibilit de provoquer une anomaliesur la ou les grandeurs mesures)

Le but des travaux de prospection La superficie de l'aire explorer La prcision demande (dimension et profondeur supposes des structures) Le bruit prsent sur le terrain (proximit dune route par exemple)

Le tableau suivant fournit un guide sommaire d'emploi des diffrentes mthodes gophysiques. Pourchaque grand groupe se rapportant un paramtre physique mesur il existe de nombreusestechniques qui se caractrisent chacune par leurs possibilits et leurs limites, leur cot de mise enuvre, leur pouvoir de rsolution, etc.


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Il faut donc non seulement choisir le type de mthode qui s'applique au problme pos mais aussichoisir la technique utiliser en fonction des conditions d'application, de la taille et de la profondeurde la cible, etc.

Mthodes Photo.arienne

magntisme rsistivitslectriques

sismique gravimtrie lectro-magntisme

planshorizontaux

dallage 2 3 1 1 1

hypocauste 2 3 1 1 1

fond de cabane 3 3 3

foyer 1 3 3

route 2 3 1 2 1

toit effondr 3 2 2 2

plansverticaux

mur en pierre 2 3 2 2 2

mur en brique 2 2 2 2 2

leve en terre 2 2 3

parois en bois 2 3

pieux 3

amas

fours fer 2 1 2 3 2

fonderie 2 1 2 3 2

four de potier 2 1 2 3 3tumulus 2 2 1 2 1 2

dpotoir 3 3 1

cavits

fosss 2 1 2 3

tombes 3 1 2 2 1 2

cistes 3 1 2 2 3 2

souterrains 3 3 2 3 1 2

objetsmtalliques

fer 1 2

or 2

tain 2

bronze 2

souvent efficace moyennement efficace rarement efficace inefficace

1 2 3


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LES MTHODES LECTRIQUES : RSISTIVIT DES MATRIAUX

Gnralits

Les mthodes lectriques sont bases sur l'tude de la propagation du courant lectrique dans le sous-sol. La possibilit de distinguer lectriquement les diverses formations du sous-sol rsulte du fait quecelles-ci possdent souvent des rsistivits lectriques diffrentes. Les mthodes lectriquespermettent d'identifier partir de la surface les structures qui diffrent de la norme par leursrsistivits et ainsi de localiser, par exemple, des vestiges archologiques enfouis.

Les mthodes fondes sur la mesure du paramtre rsistivit sont trs rpandues pour lesapplications archologiques. Ces mthodes ont t imagines en l9l2 par les frres Schlumberger.

La rsistivit

Dfinition: La rsistivit d'un milieu est la proprit physique qui dtermine la capacit de cemilieu sopposer au passage dun courant lectrique.

On considre un courant lectrique qui traverse de manire uniforme un cylindre dune section

lautre. La rsistivit est la rsistance ohmique d'un cylindre de section S et de longueur L.

s

LR

Avec : R = rsistance (ohms) et = rsistivit ( m)

Les units S.I. (Systme International) sont l'ohm ( ) pour les rsistances et le mtre pour les

longueurs. L'unit de rsistivit sera donc lohm.m (ou m). L'ohm.cm employ parfois vaut 0,01 m.

La conductibilit est l'inverse de la rsistivit et s'exprime en mho/m. En hydrogologie, on emploie

le plus souvent le micromhos /cm ou microsiemens/cm (ou S/cm).

( m) = 10'000 / (microsiemens/cm) = 1000 / (millisiemens/m)

A strictement parler la loi d'Ohm n'est valable que pour les conducteurs mtalliques, pour les gaz et leslectrolytes, elle n'est qu'une approximation.

La conduction du courant dans la proche surface

Un sol, une roche, ou des vestiges archologiques conduisent l'lectricit le plus souvent grce l'eauqu'ils contiennent (conductivit lectrolytique). Cela signifie que ce sont les ions qui transportent des


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charges sous l'effet du champ lectrique et un dplacement de charges lectriques quivaut uncourant lectrique. Ainsi, les roches conduisent le courant lectrique grce l'eau qu'elles contiennent.

La rsistivit d'une roche va dpendre de:

La qualit de l'lectrolyte, c'est--dire de la rsistivit de l'eau d'imbibition w et parconsquent de la quantit de sels dissous. La quantit d'lectrolyte contenu dans l'unit de volume de la roche (porosit) La saturation La temprature

La qualit de llectrolyte (salinit)

Quand un sel se dissout dans l'eau, il se dissocie en ions chargs positivement et ions chargs

ngativement. Lorsque l'on applique un champ lectrique, les ions vont se dplacer. Ce dplacementest gn par la viscosit de l'eau et pour un ion donn atteint une vitesse limite appele la mobilit desions.

La conductibilit d'un lectrolyte dpend en fait de la teneur en ions et de la mobilit des diffrentsions en solution et du degr de dissociation.

La mobilit des ions tant diffrente pour chaque ion, on a par exemple les vitesses limites suivantes:

H + V = 36.2 l0 -8 m/secOH- 20.5 "

S04 -- 8.3 "Na + 5.2 "CL- 7.9 "

On note alors quune eau avec la mme concentration en poids de sels dissous aura une rsistivitdiffrente selon les ions en prsence.

Voici les rsistivits de diffrents types deau :

Types d'eaux Concentration ppm(part par million)

Rsistivit

( m)

Conductibilit(Microsiemens/cm)

Eau potable 500 12 833Eau mdiocre 1000 6 1666Eau mauvaise 2000 2,8 3571

Eau non-potable 8000 0.75 13333

Eau de mer 35000 0,2 50000Eau de Vichy 5167 1,2 8000

Eau d'Henniez 500 12 833Eau du robinet 311 18 550


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Voici les rsistivits de diffrentes eaux et de polluants :

Type deau ou de polluant Rsistivit ( m)

Eaux des rivires du plateau Suisse 15 35

Rhne 80Lac Lman 40 50

Lac de Neuchtel 40 50Eau de pluie 30 Plusieurs milliers

Fleuve Bal (Mali) 300

Fleuve Niger 100Hydrocarbure Rsistivit infinie

P :C :E. (Perchlorthylne) Rsistivit infinie

Jus de dcharge 5

La qualit d'une eau dans une roche va aussi dpendre:

De la nature des eaux originelles (eau douce ou marine)

De la solubilit des minraux de la roche (de la matrice)

De l'ge de la roche

D'une manire gnrale, les roches grains fins et pores fins renferment des eaux plus salines, doncplus conductrices, que les roches plus permables car l'eau ne circule pas et se charge en ionsprovenant de la matrice. Ainsi, la moraine argileuse renferme une eau en gnral beaucoup plusconductrice que celle des graviers. Les roches les plus vieilles prsentent galement des eaux pluscharges en sels (provenant de la matrice).

La quantit d'lectrolyte (porosit)

La quantit d'eau contenue dans les roches dpend de la porosit . On distingue la porosit totale etla porosit efficace:

La porosit totale t

La porosit totale ou absolue est le rapport entre le volume des vides et le volume total de la rocheC'est un nombre sans unit exprim en % :

rocheladetotalVolume

videsdesVolumet

On distingue la porosit primaire et la porosit secondaire. La porosit primaire, forme pendant ledpt du sdiment, est de type intergranulaire. Son importance dpend du degr de classement desgrains et de leur forme. Elle ne dpend pas de leur taille. La porosit primaire que l'on rencontresurtout dans les roches dtritiques diminue gnralement avec le temps sous l'effet de la cimentation

et de la compaction.


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La porosit secondaire englobe la porosit vacuolaire acquise par dissolution dans les roches d'originechimique ou biochimique, la porosit de fracture et la porosit due l'altration.

La porosit efficace ou effective e

Les pores, pour permettre le passage d'un fluide, doivent tres connects. On dfinit alors:

rocheladetotalVolume

tscommunicanvidesdestotalVolumee

Cette porosit effective (ou efficace) peut tre trs infrieure la porosit totale lorsque les pores dela roche ne sont pas en communication (pierre ponce) ou que la taille des pores est telle que les fluidesne peuvent pas circuler (silt), ou encore qu'une partie de l'eau est absorbe par les minraux de laroche (argile).

Voici quelques caractristiques de sdiments meubles, d'aprs l'U.S. Geological Survey (N.B. Argile estprise au sens sdimentologique du terme) :

Type desdiments

Diamtre(mm)

porosit totale(%)

Porosit efficace(%)

Permabilit(m/s)

Gravier moyen 2.5 45 40 3.10-1Sable gros 0,250 38 34 2.10-3

Sable moyen 0,125 40 30 6.10-4

Sable fin 0,09 40 28 7.10-4Sable trs fin 0,045 40 24 2.10-5

Sable silteux 0,005 32 5 1.10-9Silt 0,003 36 3 3.10-8

Silt argileux 0,001 38 - 1.10-9

Argile 0,0002 47 - 5.10-10

Voici les valeurs de la porosit efficace moyenne pour les principaux rservoirs :

Types de rservoirs Porosit efficace(%)

Types de rservoirs Porosit efficace(%)

Gravier gros 30 Sable gros plus silt 5

Gravier moyen 25 Silt 2Gravier fin 20 Vases 0.1Gravier plus sable 15 20 Calcaire fissur 2 10

Alluvions 8 10 Craie 2 5

Sable gros 20 Grs fissur 2 15Sable moyen 15 Granite fissur 0.1 2

Sable fin 10 Basalte fissur 8 10Sable trs fin 5 Schistes 0.1 2


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La saturation

La saturation en eau Sw, savoir :

poresdestotalVolume

eaud'remplisporesdesVolumewS

Notez quil sagit de la saturation en eau. Pour un mlange eau + air (roche partiellement sature) on

aura 1airw SS .

La temprature

La rsistivit d'un lectrolyte dpend aussi de la temprature. Une augmentation de tempraturediminue la viscosit, la mobilit des ions devient plus grande et la dissociation augmente, ce qui a poureffet de diminuer la rsistivit ou inversement d'augmenter la conductibilit. On utilise gnralementla relation suivante pour valuer la rsistivit dune roche une temprature t connaissant sarsistivit 18C :

)18(025.01

18

t

t

Le gel augmente beaucoup la rsistivit des roches, cependant l'effet est relativement progressif car lessels en solution abaissent le point de conglation de l'lectrolyte qui remplit les pores de la roche. Uneroche totalement gele est extrmement rsistante les ions ne pouvant plus se dplacer. Dans les paysde permafrost, il est difficile de mettre en uvre les mthodes de rsistivits le sol tant infinimentrsistant. Cest pour cette raison que cest principalement dans ces pays qu'ont t dveloppes lesmthodes lectromagntiques.

La loi d'Archie

Cas d'une roche sature

Dans le cas d'une roche sature, Archie (1942) a tabli une relation exprimentale liant la rsistivit dela roche la porosit et la rsistivit de l'eau d'imbibition et son mode de distribution :

m

wr a


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Avec : w= rsistivit de leau dimbibition ; = porosit ; a = facteur qui dpend de la lithologie et quivarie entre 0.6 et 2 (a < 1 pour les roches porosit intergranulaire et a > 1 pour les roches porositde fracture) ; m = facteur de cimentation (dpend de la forme des pores, de la compaction et varieentre 1,3 pour les sables non consolids 2,2 pour les calcaires ciments).

On a l'habitude de regrouper sous le terme de facteur de formation F = a m.

Les paramtres a et m peuvent tre dfinis prcisment en laboratoire. Dans la pratique on admetpour les formations meubles, sables et grs, la relation suivante :

F = 0,62 -2,15

et pour les roches bien cimentes:

F = 1-2

En dfinitive nous obtenons pour la loi d'Archie en roche sature:

wr F

La loi d'Archie ne s'applique pas rigoureusement pour les roches argileuses, cause de deuxphnomnes secondaires qui sont:

L'ionisation de certains minraux argileux La conductibilit superficielle

Cas dune roche partiellement sature en eau

La loi d'Archie a t tablie pour des roches satures en eau, il faut maintenant tenir compte d'unedsaturation possible. La loi d'Archie devient alors

n

wwr SF

On peut aussi crire:

n

r

ww

FS

Avec : F = facteur de formation, w = rsistivit de leau dimbibition, r = rsistivit de la rochepartiellement sature en eau.

Lexposant n varie trs peu avec les formations, sa valeur est environ de 2 pour la plupart desformations de porosit normale dont la teneur en eau est comprise en 20 et 100 %.

D'une manire gnrale, la dsaturation augmente la rsistivit. Dans certains cas trs particuliers,l'effet de la dsaturation peut tre inverse. En effet, l'vaporation peut parfois charger en sels la zone


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dshydrate, qui devient plus conductrice que la zone sature de par sa grande concentration en sels.C'est le cas par exemple de certaines rgions dEgypte.

Consquences archologiques

On conoit au vu de ce qui prcde qu'un mur en maonnerie encore bien conserv, constitu parexemple de blocs de calcaire noys dans du mortier prsente une porosit faible et par l mme secomporte comme un rsistant. De mme pour un dallage ou un hypocauste. Au contraire, le solenvironnant, plus poreux, sera plus conducteur dans le cas o il est satur. Le mme sol sec pourra parcontre prsenter des rsistivits similaires celles du mur en maonnerie, ne crant ainsi aucuneanomalie ! L encore il est important de se poser la question du contraste et de la rsistivit del'environnement (la norme). En archologie, ce contraste dpend certainement des saisons, de lapluviomtrie etc.

Voici quelques exemples de rsistivit des roches dans nos rgions. Notez la variabilit inhrente pourchaque formation, dpendant de la saturation, de variations dans la composition etc.


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Voici une table similaire pour dautres units gologiques plus gnrales:


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Exercices : rsistivit des matriaux

Problme 1

Vous dsirez utiliser les mthodes lectriques afin d'tudier les vestiges d'une villa romaine dans largion de Fribourg. Vous possdez dj quelques connaissances de la zone d'tude, cest--dire (cf.figure schmatique):

Les murs de la villa sont composs de calcaire provenant d'une carrire dans les Pralpes. Ce calcaire

massif a une rsistivit de 2000 m dans la carrire. Toutefois, ces murs sont fortement altrs et

prsentent une rsistivit denviron 900 m (mesures en laboratoire sur chantillons). Des sondagesde reconnaissance ont dmontr que les Romains avaient profit d'une assise molassique (molasse

burdigalienne, 110 m) pour construire la villa. Les murs de la villa sont actuellement enfouis dans unmlange de sable et de gravier dont l'analyse granulomtrique donne une porosit de 25%. L'eau

d'imbibition de ces graviers a une rsistivit de 30 m.

a) Est-il possible d'appliquer les mthodes lectriques pour imager les murs de cette villa si lasaturation des sables et gravier est totale (100%)? Justifier votre rponse l'aide de la loi d'Archie.

b) Peut-on de mme effectuer cette tude si la saturation des sables et graviers est de 60%? Justifiervotre rponse l'aide de la loi d'Archie.

c) Dans le cas a), est-il toutefois possible d'utiliser les mthodes lectriques pour imager le substratummolassique?

Problme 2

Les mthodes lectriques peuvent donner de bons rsultats lors de la cartographie de diffrents typesde fosss. Il faut toutefois nuancer cette affirmation. Dites, pour les situations suivantes, si lesmthodes lectriques ont de grandes chances de donner des rsultats fiables. Nuancer vos rponses enfonction de la saturation des formations gologiques.

a) Etude d'un foss creus dans la molasse chattienne et rempli de limons humides.

b) Etude d'un foss creus dans la molasse burdigalienne et rempli de sables.

c) Etude d'un foss creus dans la moraine et rempli de limons humides.


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LES MTHODES LECTRIQUES : TECHNIQUES DE PROSPECTION

Gnralits

Nous avons vu que l'on pouvait caractriser le sous-sol par la mesure de la rsistivit, qui peut varier:

de 1 quelques dizaines d' m pour les argiles et les marnes d'une dizaine quelques centaines d' m pour les sables et les grs marneux d'une centaine plusieurs milliers d' m pour les calcaires et les roches ruptives.

La correspondance entre la rsistivit et le facis gologique est une notion d'une grande importancepratique. Parfois, certains facis, des argiles par exemple, gardent pratiquement la mme rsistivit surdes centaines de kilomtres; en gnral, la rsistivit d'une formation est moins constante et peutvoluer progressivement le long d'une mme formation spcialement dans les dpts quaternaires.

Il faut noter que les rsistivits que l'on mesure en prospection de surface sont dj des moyennesrelatives de grands volumes de terrain en place, moyennes d'ailleurs d'autant plus larges que lesterrains sont plus profonds.

Il rsulte de ce qui prcde que les mesures de rsistivit faites sur chantillons ne sont comparables celles des terrains en place que si l'on considre la valeur moyenne d'un grand nombre d'chantillons.

Souvent, les rsistivits des roches dpendent de plus de la direction du courant qui les traverse, on ditalors qu'elles sont anisotropes. Cette anisotropie peut tre due la structure intime de la roche, lesterrains sdimentaires sont gnralement plus rsistants dans la direction perpendiculaire au plan destratification par exemple. Il s'agit alors de micro anisotropie. Mais pour de grands volumes, il peutgalement s'agir d'une anisotropie apparente, une succession de couches alternativement rsistanteset conductrices donnera une valeur de rsistivit plus leve selon une direction normale aux strates, ils'agit dans ce cas de macro-anisotropie.

Les filets de courant et les quipotentielles

Examinons maintenant comment mesurer la rsistivit des roches. La loi d'Ohm nous permet deprvoir le cheminement des filets de courant dans un milieu homogne isotrope.

Soit un terrain homogne et isotrope de rsistivit limit par une surface plane du ct de l'air.Envoyons un courant continu I l'aide d'une lectrode ponctuelle A. L'coulement du courant se ferapar filets rectilignes rayonnant autour de A et produira des variations de potentiel dans le sol causede la rsistance ohmique de celui-ci. La rpartition du potentiel peut tre reprsente par des demi-sphres centres sur A et perpendiculaire aux filtes de courant :


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Potentiel et champ lectrique pour un terrain homogne

Terrain homogne

Dans un milieu homogne isotrope le potentiel V d une source ponctuelle dcrotproportionnellement la distance r, et est d'autre part proportionnel l'intensit I du courant envoy

et la rsistivit du milieu :

rIV

2

Avec V le potentiel mesur en surface en Volts, I lintensit du courant inject en Ampres et r ladistance sparant le point o on mesure le potentiel de llectrode de courant, en mtres.


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Rpartition du potentiel - Principe de superposition

En fait, dans la pratique, il existe deux lectrodes d'mission de courant A et B afin de fermer le circuitlectrique. Le courant envoy par A+ (source) sera recueilli par B- (puits), mais d'aprs le principe desuperposition, le potentiel en un point M sera le mme si l'on envoie indpendamment un courant +Ipar A ou un courant -I par B.

Par ailleurs, les lois qui rgissent la propagation des phnomnes lectriques sont linaires, ce quisignifie que l'on peut additionner algbriquement les potentiels crs par diffrentes sources. Le

potentiel total en un point sera V= VA + VB pour deux ples d'envoi de courant (+I par A etI par B) :

1 1

2

IV

AM BM

avec AM et BM les distances sparant M des lectrodes A et B.

L'expression du potentiel montre que dans un sol homogne et isotrope, les surfaces quipotentiellesseront pour un seul ple d'envoi de courant des demi-sphres centres sur ce ple. Pour deux plesleur forme sera plus complique mais elles resteront sensiblement sphriques au voisinage des

lectrodes A et B. De mme, les lignes de courant qui seraient des droites issues du ple d'envoi sicelui-ci est unique s'incurvent progressivement pour rejoindre la seconde lectrode de courant.


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Si l'on considre sur la ligne AB l'volution du potentiel V, on obtient la courbe reprsente sur la figureci-dessus. Cette figure montre que le champ Vest sensiblement uniforme dans le tiers central de ABtandis que la majeure partie de la chute de potentiel est localise au voisinage immdiat des lectrodes

A + et B -, cela signifie que la presque totalit de la rsistance qu'offre le sol au passage du courantprovient du voisinage immdiat des prises A et B. Cette rsistance est appele la rsistance de contact.

Par exemple pour une lectrode de diamtre a, 90% de la rsistance du circuit se situe dans une sphrede rayon 10a, le reste du terrain ayant une contribution trs faible, il sera donc impossible deconnatre la nature du sous-sol par l'tude de la rsistance entre deux prises . Les couches profondesdu sous-sol ne se manifestent que par leur influence sur la rpartition du potentiel au tiers central dudispositif, d'o la ncessit de mesurer la diffrence de potentiel cet endroit, au moyen de deuxlectrodes de mesure de potentiel, comme nous le verrons plus loin.

D'autre part, lorsque la rsistance de contact est trs importante, il passe peu de courant dans le sous-

sol et la mesure est ainsi rendue difficile. Par consquent il est recommand d'essayer de diminuercette rsistance (on peut pour faire passer plus de courant dans le sous-sol, augmenter le nombre depiles, diminuer la rsistance de contact en arrosant les lectrodes, augmenter le nombre d'lectrodes,etc.)

Rpartition du courant *

Au milieu des lectrodes A et B et pour un sous-sol homogne, la quantit de courant passant sous unecertaine profondeur z vaut :

12 2tanf

zI

AB

Cette pntration du courant est illustre par la figure suivante :


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On admet que pour un terrain homogne 30% du courant se trouve entre la surface et une profondeurz=AB/4, 50% du courant entre la surface et z=AB/2 et 70% du courant entre la surface et z=AB.

Ces rsultats permettent dapprcier dans quelle mesure le courant mis en surface par deux

lectrodes ponctuelles pntre dans le sous-sol et peut tre affect par les roches situes enprofondeur.

Potentiel et champ lectrique pour un terrain htrogne

L'existence d'une masse relativement conductrice ou rsistante dans le sous-sol va perturber larpartition des filets de courant et des lignes quipotentielles. Nous allons apprhender ici ceproblme de manire plus qualitative. Dans le cas dun sous-sol htrogne, il est en effet difficiledobtenir des quations simples dcrivant le comportement du champ lectrique et des techniques

numriques avances (diffrences finies, lments finis) devront tre utilises.

Commenons tout dabord par donner une image de la rpartition du courant lectrique (ou du champ

lectrique) dans un terrain homogne entre deux lectrodes A et B (cette situation est similaire celledcrite ci-dessus). Lexemple gologique utilis pour la modlisation est un niveau de grs de rsistivit

120 m.


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Pour un sous-sol htrogne, plusieurs situations peuvent tre envisages :

Modle deux terrains avec 1 2

Lexemple gologique utilis pour la modlisation montre (ci-dessous droite) :

un niveau suprieur de graviers sableux de rsistivit 200 m un niveau infrieur grso-marneux de rsistivit 30 m


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Modle de foss rsistant

Lexemple archologique utilis pour la modlisation montre trois terrains (notez la rpartition pluscomplexe des filets de courant) :

un niveau suprieur de moraine de rsistivit 60 m un niveau infrieur grso-marneux de rsistivit 30 m un ancien foss rempli de graviers de rsistivit 400 m

Htrognits locales en plan

Lorsquon est en prsence de variations plus ou moins locales de la rsistivit, un corps conducteur parexemple va attirer et concentrer les lignes de courant. Les quipotentielles seront repousses par leconducteur. Voici cette situation sous forme de cartes vue en plan (en surface) et autour dune sourcede courant unique positive :


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A l'inverse pour un corps rsistant, les filets de courant auront tendance contourner les obstaclesrsistants et les quipotentielles se resserreront au voisinage et l'intrieur de ce corps :

Conclusions pour un sous-sol htrogne

On remarque donc dans les exemples ci-dessus que le courant se concentre de prfrence dans lesunits conductrices et vite les units plus rsistantes. Cette rpartition variable du courant cregalement des asymtries dans le champ de potentiel (dans les quipotentielles). En mesurant cechamp de potentiel, nous pourrons alors obtenir des informations sur les structures enfouies dans lesous-sol, dfinir leurs localisations ainsi que leurs proprits physiques et par l donner des indicespour une interprtation archologique.

Influence du relief

La topographie perturbe la distribution des potentiels. L'exemple suivant montre que lesquipotentielles seront plus resserres au fond des valles et plus cartes au sommet des montagnes(mme si dans cet exemple le sous-sol est homogne !). Notez que les quipotentielles sontperpendiculaires la surface. Cet effet peut devenir gnant dans les rgions montagneuses. Il dpendaussi du contraste des rsistivits dans un terrain htrogne, lorsque le terrain superficiel conducteurrepose sur un substratum trs rsistant, la presque totalit des filets de courant se trouve concentredans le conducteur et les moindres dnivellations auront alors un effet important. Il est doncncessaire de tenir compte de la topographie dans linterprtation des rsultats.


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Technique de mesure

Le quadriple de mesure

Nous avons vu plus haut que la mesure de la rsistance entre deux prises conduit une impasse (on nemesure alors que la rsistance de contact). Il est donc ncessaire de sparer le circuit dinjection ducircuit de mesure. On utilise pour cela quatre lectrodes AMNB dans la pratique. Si l'on ferme un circuit

d'intensit I l'aide de deux lectrodes A et B, on peut mesurer la diffrence de potentiel Vcr par

le passage du courant entre deux lectrodes M et N . Comme nous lavons vu, on doit mesurer ce Vdans le tiers central du dispositif (sauf exception) afin de mesurer leffet des structures profondes etnon de lenvironnement direct des lectrodes.


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Un circuit complet de mesure se compose alors de :

La source de courantOn utilise gnralement des piles sches de 90 volts en srie. Plus rarement une gnratrice essencecouple avec un redresseur ou une batterie de voiture.

Les lectrodes d'mission A et BCes lectrodes sont gnralement constitues par des piquets d'acier inox.

La mesure du courant Iest effectue laide dun ampremtre.

Le circuit de courantCe sont des cbles en acier isols.

Les lectrodes de mesure de potentiel M et NSi la mesure de Ine pose pas en fait de rels problmes, la mesure de Vest plus dlicate En effet,dans le sol, M et N s'oxydent de faon diffrente et sont polarises. On parle de polarisationspontane des lectrodes. Pour limiter le plus efficacement possible le phnomne de polarisation deslectrodes, on choisit des mtaux chimiquement assez stables (cuivre, plomb). Cependant du fait del'tat d'oxydation diffrent sur la surface des deux lectrodes, une diffrence de potentiel apparatentre M et N en l'absence de tout courant extrieur. Cette diffrence doit tre limine. On utilise parexemple des lectrodes impolarisables, mais le plus souvent on compense ce potentiel parasite l'aided'une petite source de tension auxiliaire ajustable ou en rptant les mesures en inversant la polaritde A et B.


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La mesure de la diffrence de potentiel V

Une fois cette compensation effectue, on peut mesurer le V d au passage du courant que l'onenvoie entre A et B. Dans certains cas, le Vdevient trop petit pour tre mesur convenablement, onremdie cette difficult de la faon suivante:

On augmente la sensibilit de l'appareil On augmente la distance entre M et N. En effet, sur le graphique de l'volution du champ et du

potentiel, on remarque qu'agrandir MN correspond augmenter V. Cependant, un MN trsgrand devient trs rceptif toutes sortes de courants parasites (bruit) tels que:

- Une composante variable du rseau 50 hertz- Une autre composante 16 hertz provenant des lignes de chemin de fer- Des courants trs variables dans le temps, non priodiques, dus l'enclenchement de

machines diverses ....

- Des courants dus des phnomnes naturels, telluriques, foudre, etc.

Principe de rciprocit *

Le principe de rciprocit dit que dans un milieu quelconque, homogne ou htrogne, isotrope ouanisotrope, le potentiel cr en un point M par un courant envoy en A est gal celui qu'onmesurerait en A si M devenait source d'mission.

En pratique, le courant est envoy entre deux ples A et B et l'on mesure la diffrence de potentiel Ventre les deux points M et N, les principes de superposition et de rciprocit apprennent alors quecette diffrence de potentiel est la mme que celle que l'on observerait entre A et B si le courant taitenvoy entre M et N.

Le calcul de la rsistivit et rsistivit apparente

Ayant mesur V et I, il ne nous reste qu' calculer la rsistivit. Dans un milieu homogne de

rsistivit avec deux ples A et B, l'action conjugue de A et B donnera, en suivant lquationobtenue plus haut :

potentiel en M

BMAM

IVM

11

2

potentiel en N

BNAN

IVN

11

2


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Ventre M et N

BNANBMAM

IVVV

NM

1111

2

et

VK

Iavec

11111

2BNANBMAM

K

Ven millivolts, I en milliampres, en m, K en mtres qui est le facteur gomtrique dpendantde l'espacement entre les lectrodes.

Si le sous-sol est homogne et isotrope, avec un dispositif de ce type on obtiendra la rsistivit vraie. Sipar contre, le sous-sol est htrogne, on mesurera la rsistivit apparente, qui est fonction de lanature du sous-sol (rsistivit vraies) et de la gomtrie du dispositif utilis.

Premire technique de prospection lectrique: les cartes dersistivits apparentes

Principe

Les rsultats que l'on obtient en maintenant constante la distance entre A, B, M, et N, l'ensemble sedplaant le long d'un profil, servent tablir les profils et cartes de rsistivits apparentes. Comme on trane un cble sur le terrain, on parle aussi de traner lectrique.

Une carte de rsistivit apparente dessine partir de plusieurs profils est une carte des anomaliesrelatives qui se rapporte une longueur et une orientation sensiblement constante de tout ledispositif de mesure. En effet, une longueur de ligne dtermine de AMNB correspond uneprofondeur d'investigation peu prs constante, donc l'tude d'une tranche de terrain d'paisseur etde largueur dtermines. On sera sensibles des variations horizontales de la rsistivit. Les

dimensions du dispositif seront donc choisies en fonction du problme traiter. Il est souventncessaire de dresser des cartes avec plusieurs longueurs de ligne pour pouvoir interprtercorrectement les rsultats.


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Quelques dispositifs

Pour l'tablissement d'une carte de rsistivit apparente les dispositifs les plus varis peuvent treenvisags. Tout dispositif de mesure comporte en fait quatre lectrodes, deux A et B, pour l'envoi decourant (circuit d'mission) et deux M et N, pour la mesure du potentiel V(circuit de mesure).

Les diples ou ple - ple

Les lectrodes B et N sont places l'infini (en thorie), on ne s'occupe que de A et M. Ce dispositifest thoriquement simple puisque le potentiel mesur en M est d A seul. Dans la pratiquecependant ce dispositif est encombrant cause de la longueur des cbles ncessaires pour rendrengligeable l'effet des lectrodes places l'infini (en ralit trs loin du site de mesure, car on atoujours besoin de quatre lectrodes pour fermer le circuit).

Les triples ou ple-diple

Les triples prsentent l'intrt de n'exiger que le dplacement de trois lectrodes et moins delongueur de cble ce qui peut prsenter parfois un certain avantage, cependant leur caractredissymtrique leur fait en gnral prfrer les quadriples complets.

Les quadriples complets

Dans la plupart des quadriples utiliss, les quatre lectrodes sont disposes sur un mme alignement.

Les deux lectrodes de mesure M et N sont le plus souvent l'intrieur de l'intervalle AB et en gnralsymtriques par rapport au milieu O de cet intervalle. Les trois quadriples les plus utiliss sont:

Le Wenner alpha: toutes les lectrodes sont quidistantes, AM = MN = NB = AB/3

Le Schlumberger: La distance MN est petite par rapport AB. En gnral MN < AB/5


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Le diple-diple: Le diple MN est en dehors du diple AB

Le diple-diple est un dispositif o MN est l'extrieur de AB. L'avantage de celui-ci est de n'exigerque des longueurs de cble beaucoup faibles pour une profondeur d'investigation donne. Il ncessitecependant un appareillage trs sensible, car si la profondeur d'investigation crot avec la distance entreA et B, le V que l'on mesure entre M et N dcrot avec le cube de cette distance (dans unSchlumberger le Vdcrot avec le carr de cette distance).

Ces trois quadriples se diffrencient galement par leur capacit imager des structures horizontales(dalle) ou verticales (mur). Un Wenner sera plus sensible une variation verticale de la rsistiv (bienadapt pour dtecter des structures horizontales comme des dalles) alors qu'un diple-diple serainfluenc par une variation horizontale de la rsistivit (bien adapt pour dtecter des structuresverticales comme des murs). Un Schlumberger prsente un comportement intermdiaire. Ceci estsurtout valable grande distance des lectrodes.

Le tran multiple

Des mesures avec une seule longueur de ligne sont souvent insuffisantes, d'autant plus que leurprofondeur d'investigation peut varier avec la succession des rsistivits dans le sous-sol. Au lieu derefaire plusieurs fois les mesures, on peut employer des trans simultans plusieurs longueurs de

lignes. Un mme MN sert successivement la mesure de Vpour l'envoi de courant entre A' B' et AB.L'ensemble du dispositif est ensuite dcal le long du profil. Bien entendu, ces dispositifs multiplesncessitent l'emploi de cbles spciaux nombreux conducteurs et de nombreuses autresconfigurations sont possibles.

La figure suivante montre un exemple de dispositif Twin Probes permettant deffectuer plusieursmesures de la rsistivit en utilisant uniquement 5 lectrodes. On remarque que les lectrodes A, B, Met N sont interverties pour chaque mesure. Au total 6 cartes de rsistivits apparentes peuvent tresmesures en une seule installation (4 ple-ples, 1 Wenner et 1 diple-diple). Une seule personnepeut effectuer ces mesures en dplaant simplement le dispositif selon une srie de profils. Unmultiplexer permet la commutation rapide dun dispositif lautre, ce qui rend la mesure rapide

(Papadopoulos et al., 2006. Archeological Prospection, 13, 75-90).


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Le dispositif rectangle *

Enfin, on peut aussi utiliser un dispositif o toutes les lectrodes ne sont pas sur la mme droite, le pluscouramment utilis est celui dit du rectangle AB . MN reste sur l'alignement de AB gnralementdans le 1/3 central une distance infrieure AB/4.


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Profondeur dinvestigation des dispositifs

La figure ci-dessous donne pour quelques dispositifs les profondeurs d'investigation et le pouvoir dersolution. Selon Roy la profondeur dinvestigation est la profondeur de la couche infiniment mince quicontribue le plus la mesure du potentiel. Pour Barker, il sagit de la profondeur laquelle la portionde terrain situe au dessus de cette limite a la mme influence que la portion de terrain situe audessous ( profondeur mdiane dinvestigation ). On remarque que pouvoir de rsolution etprofondeur d'investigation varient en sens inverse. Pour le diple-diple la profondeur dinvestigationdpend de lespacement entre les deux lectrodes les plus externes.

Espacement des mesures

Qu'il s'agisse de l'un ou l'autre de ces dispositifs, on dplace le tout suivant l'alignement des lectrodesen tranant l'ensemble des cbles. L'intervalle entre les mesures successives dpendra de la prcision

avec laquelle on veut localiser les accidents. Il est en gnral gal AB pour les tudes dereconnaissance, pour les tudes de prcision on peut utiliser un pas de mesure gal MN ce qui


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conduit une exploration continue du profil. Le mme travail est ensuite repris sur des profilsparallles et quidistants. L encore, la distance entre profils dpendra de la prcision, cette distancepeut tre suprieure ou gale la distance entre mesures successives. Le plus souvent, les profilsauront t orients normalement la direction des structures tudies.

Interprtation des profils de rsistivits apparentes

La reprsentation des rsultats obtenus ne pose aucun problme particulier. Pour les dispositifssymtriques, on reporte au centre du dispositif la valeur de la rsistivit apparente obtenue. Dans lecas des dispositifs dissymtriques, MN extrieurs par exemple, on convient de reporter les rsultats l'aplomb du milieu des lectrodes MN. Cette convention est arbitraire. Les rsultats d'un ensemble deprofils sont reprsents sous forme de cartes de rsistivits apparentes, chacune correspond unelongueur de ligne bien dfinie qui doit tre indique. A l'emplacement de tous les milieux de MN oninscrit la valeur de la rsistivit apparente obtenue, on trace ensuite par interpolation entre les pointsde mesure des courbes d'gale valeur de cette rsistivit apparente.

Il est important de pouvoir, en tout temps, disposer des donnes brutes (la feuille de donnes, avec lalongueur de ligne, l'espacement des mesures, les valeurs mesures). Dans le dossier on doit aussitrouver un plan de situation de l'tude avec l'chelle, les coordonnes, les renseignementstopographiques, etc. Dans tous les cas, une carte de rsistivit apparente doit tre accompagne dela longueur de ligne AB utilise, de l'chelle, de l'espacement des mesures, d'une lgende permettantde localiser l'tude.

Linterprtation des cartes et profils de rsistivits apparentes est essentiellement qualitative. Il y asouvent intrt tablir pour la mme rgion plusieurs cartes de rsistivit avec des dispositifs AB delongueurs diffrentes, les plus petites faisant ressortir l'action des terrains superficiels, les autres plusgrandes pour explorer le sous-sol plus profondment. Nous pouvons alors obtenir des informationsqualitatives supplmentaires sur la variation de la rsistivit avec la profondeur. Dans le cas demesures effectues avec des dispositifs mobiles, le grand nombre de donnes collectes peutncessiter un traitement informatique et statistique permettant de filtrer les donnes.

Ci-dessous un exemple schmatique de profils de rsistivit pour un modle gologique trs simple (3couches). On note bien la relation existant entre lvolution de la rsistivit apparente et la gologie

dans le sous-sol (par exemple, le foss rempli de matriel de rsistivit 2 ne peut tre dtect avec lapetite longueur de ligne AB mais est bien visible avec un AB plus grand).


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Ci-dessous un exemple de carte mesur dans le pristyle de la villa gallo- romaine dYvonand (Vaud).Notez la prsence des murs et dune structure rsistante au centre de la carte (fragments defontaine ?). On trouvera dautres exemples dans le Powerpoint accompagnant ce cours.

AB=4m


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Deuxime technique de prospection lectrique : les sondageslectriques

Principe

Lors de l'excution d'un sondage lectrique on recherche comment varie, en un point donn de lasurface, la rsistivit du sous-sol la verticale. Pour cela on excute en un mme endroit unesuccession de mesures, en augmentant chaque fois les dimensions du dispositif et de ce fait laprofondeur d'investigation qui est proportionnelle (plus la longueur du dispositif augmente, plus lecourant se propage en profondeur). On explore cet endroit une tranche de terrain de plus en pluspaisse et l'on met ainsi en vidence les changements de constitution gologique suivant la verticale.

Les mesures peuvent tre ralises avec les dispositifs classiques, Schlumberger, Wenner, diple-diple, etc. Dans la pratique cependant, on n'utilise gure que les quadriples symtriques, et le plussouvent le dispositif Schlumberger. En pratique, la distance MN est maintenue fixe et aussi petite quepossible pendant un certain nombre de mesures, cela allge le travail manuel. Il n'est cependant gurepossible pratiquement de faire un sondage complet avec une seule position de MN, en effet pour lestrs grandes longueurs de ligne le Vmesur serait trop faible. Cette distance MN doit donc tre detemps en temps agrandie.

On reprsente la rsistivit apparente mesure ( a) en fonction de l'espacement du dispositif (OA) surdu papier bilogarithmique, o les deux axes sont reprsents selon des chelles logarithmiques (voirfigure plus loin). La courbe obtenue est appele courbe de sondage lectrique . Diverses mthodesd'interprtation permettent de restituer partir de cette courbe une coupe golectrique du sous-solou chaque formation sera dfinie par son paisseur et sa rsistivit vraie.

Cette mthode n'est applicable avec quelque rigueur que lorsque les terrains sont constitus de

couches horizontales uniformes latralement. En effet pour qu'un sondage lectrique reflte lesvariations de la rsistivit avec la profondeur il ne faut pas que les mesures soient affectes par des


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variations l'horizontale. Il importe donc lors de l'excution des sondages lectriques d'viter autantque faire se peut les variations l'horizontale des rsistivits. Des cartes de rsistivit apparenteeffectues au pralable permettent de placer judicieusement les sondages lectriques.

La figure ci-dessous illustre une feuille dacquisition pour un sondage lectrique. On y distingue lescolonnes destines recevoir les valeurs Vet de I mesures. Le facteur gomtrique est donn pourdiffrents MN ce qui permet de calculer directement sur le terrain la valeur de la rsistivit apparenteet de contrler ainsi la cohrence des mesures.


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Les diffrents types de sondages lectriques

La forme des courbes obtenues par sondage lectrique au dessus de milieux stratifis est une fonctionde la rsistivit, de l'paisseur des couches et de la configuration du dispositif de mesure.

Milieu homogne et isotrope

Si le milieu est constitu d'une couche homogne, isotrope, d'paisseur infinie et de rsistivit finie, la

rsistivit apparente mesure sera une ligne droite dont l'ordonne est la rsistivit 1 de ce milieu.

Milieu deux couches

Si le sous-sol est compos de deux couches, une premire couche d'paisseur h1 et de rsistivit 1

surmontant un substratum d'paisseur infinie et de rsistivit 2, alors le sondage lectrique dbute,

pour les petits espacements, par une portion de ligne droite ou la rsistivit apparente a est plus ou

moins gale la rsistivit 1 du premier terrain. Puis, au fur et mesure que l'espacement augmente,la courbe monte ou descend selon que 2 est plus grande ou plus petite que 1 et finalement atteint

une valeur asymptotique qui est celle de 2. L'espacement OA auquel on atteint la valeur de 2 dpendde trois facteurs:

L'paisseur de h1 la valeur du rapport de rsistivits le dispositif utilis.

L'effet de l'paisseur de h1 est assez vident. Plus l'paisseur du premier terrain est importante plus ilfaudra un grand espacement pour obtenir la rsistivit du second terrain. Cela est vrai pour n'importe

quel dispositif et pour n'importe quel rapport de 2/ 1. Cependant quel que soit le dispositif utilis ilfaut des OA plus grands pour atteindre 2 quand 2 est rsistant ( 2/ 1> 1) que quand 2 est conducteur


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Interprtation des sondages lectriques

Des programmes dinterprtation de sondages lectriques sont disponibles gratuitement sur Internet.Ces programmes permettent de faire une interprtation automatique ( inversion par itrations).

Les rsistivits apparentes mesures (donnes de terrain) sont reprsentes sur le graphe (A) de lafigure suivante. Le but de lopration est de crer un modle du sous-sol constitu dune succession decouches horizontales ayant chacune une certaine rsistivit et une certaine paisseur (B) puis decalculer la rponse de ce modle (C). Il sagit l de la rponse du modle, ou rsistivits apparentescalcules (sur le modle). L'interprtation n'est bonne que lorsque la courbe calcule pour le modleconcide avec les mesures de terrain. Dans ce cas le modle est une approximation possible de laralit du sous-sol car il gnre des donnes similaires celles mesures.

Il faut toutefois au pralable contraindre linversion en terme de rsistivits et paisseurs, ce sont lesinformations a priori (donnes mesures sur affleurements, forages). Sans contrainte, l'algorithmed'inversion ne cherche qu converger vers une erreur minimale entre les rsistivits apparentesmesures et calcules sur son modle, parfois au mpris de la pertinence gologique (couchesinfiniment conductrices ou trop fines).

Une courbe de sondage lectrique avec des mesures contenant du bruit peut correspondre desrpartitions trs diffrentes des rsistivits et des paisseurs, ce qui peut conduire uneindtermination. Il y a plurivocit de linterprtation (plusieurs solutions possibles). Cetteindtermination se manifeste sous deux formes particulires qui ont reu le nom de principedquivalence(impossibilit de dterminer de manire indpendante la rsistivit et lpaisseur dunecouche, sous certaines conditions de contrastes de rsistivit) et de suppression (une couche dersistivit intermdiaire peut disparatre). Des informations a priori (mesures sur affleurements parexemple) sont souvent ncessaires pour interprter correctement les sondages lectriques.


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La figure ci-dessous montre un exemple de sondage lectrique effectu dans la rgion de Fribourg(Grangeneuve). Les mesures sont marques pas des points noirs et la courbe calcule sur le modle parune ligne noire. Le modle gologique, en termes de rsistivits et de profondeurs est donn sous lafigure. On distingue bien le sol conducteur, puis les graviers plus rsistants et finalement la Molasse

burdigalienne plus conductrice.


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Exercices : sondages lectriques

Problme 5

Pour lexemple de sondage ci-dessus (Grangeneuve), rpondez aux questions suivantes :

a) Donnez les longueurs de ligne (AB) minimale et maximales utilises pour ce sondage.

b) On dsire effectuer un reprage dtaill des couches du sol uniquement. Que faudrait-il changerdans la manire de faire ce sondage ?

c) Expliquez pourquoi la couche de sol 84 m est peu visible.

Problme 6

Esquissez la forme des courbes de sondages lectriques pour les modles de terrain ci-dessous en vousaidant des segments de sondage dj donns.


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Troisime technique de prospection lectrique : la tomographielectrique

But de la tomographie lectrique

Une des limitations des sondages lectriques vient du fait qu'ils ne prennent pas en compte lesvariations latrales de la rsistivit du sous-sol. La mthode de tomographie lectrique (parfoisappele imagerie lectrique, ou ERT Electrical Resistivity Tomography en anglais) ft mise au pointdans le but d'obtenir un modle du sous-sol o la rpartition de rsistivit varie verticalement ethorizontalement. Dans le cas de la tomographie 2D (en 2 dimensions), on suppose que la rsistivit nechange pas dans la direction perpendiculaire un profil. Cette supposition est raisonnable pour

beaucoup de corps allongs (murs par exemple) et dans ce cas la mthode pourra tre applique. Ilfaudra alors tenter de placer les profils perpendiculairement au corps tudier ce qui nous permettragalement de dterminer les vraies dimensions de ce corps. Pour une gomtrie du sous-sol pluscomplexe, une tude 3D devrait tre utilise. Si, pour un sondage, on emploie quelques dizaines depoints, il en faudra entre 100 et 1000 pour un profil 2D et plusieurs milliers pour une acquisition 3D.Cette volution, bien quelle permette une amlioration considrable de notre connaissance du sous-sol, pose diffrents problmes: le temps dacquisition important, le cot du matriel relativementlev et linterprtation des donnes de plus en plus nombreuses. La tomographie 2D semble donctre actuellement un bon compromis entre obtenir des donnes fiables tout en maintenant un cotd'acquisition et de traitement raisonnable.

Procdure de mesure en 2D

Une acquisition 2D utilise en gnral un grand nombre d'lectrodes connectes un cble multi-conducteurs et places selon un profil. Un ordinateur portable, dans lequel est programme lasquence de mesures (ou un rsistivimtre possdant un disque dur), est reli une boite decommutation et slectionne automatiquement les lectrodes utilises pour l'injection du courant et lamesure du potentiel (figure ci-dessous). Chaque lectrode possde en effet une adresse numriqueunique dans le dispositif, ce qui lui permet d'tre identifie par l'ordinateur. La squence de mesure estgnralement cre sous forme de fichier texte dans lequel sont contenues diverses informations. Lesformats de ces fichiers dpendent du constructeur. Les cbles multi-conducteurs sont relis la boite

de commutation. Un contact galvanique est assur avec le sol au moyen de piquets mtalliques (acierinoxydable) ou encore d'lectrodes spciales liminant la polarisation spontane. Un espacementconstant est gnralement utilis d'une lectrode l'autre.


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Lorsqu'on lance l'acquisition, le programme slectionne automatiquement les lectrodes utilises pourl'injection du courant et la mesure du potentiel en fonction de la squence de mesure programme. Lamesure est ensuite stocke dans la mmoire de l'ordinateur (ou du rsistivimtre).

Pour obtenir une bonne image 2D du sous-sol, il est ncessaire que la couverture des mesures soitgalement 2D et uniforme. Prenons comme exemple un dispositif Wenner avec 19 lectrodes. Ladistance entre deux lectrodes est note a. En dispositif Wenner (figure ci-dessous) la premiremesure du fichier dacquisition va se faire laide des lectrodes 1 , 2, 3 et 4; les lectrodes 1 et 4

serviront linjection du courant (A et B), les 2 et 3 la mesure du potentiel (M et N). Tout le dispositif

va ensuite se dplacer par commutation dune distance a. Les lectrodes 2 et 5 serviront alorsdinjection du courant et les 3 et 4 de mesure du potentiel. Le processus se rpte jusqu' llectrode

19. On a donc, pour le premier niveau dacquisition 16 possibilits (19-3).

Comme la caractristique du dispositif Wenner est de garder une distance constante entre toutes leslectrodes, on va donc, pour le niveau suivant, prendre une distance gale 2*a. La premire mesuredu 2

me niveau impliquera donc les lectrodes 1 et 7 pour linjection du courant et 3 et 5 pour la

mesure du potentiel. Le processus se rpte nouveau jusqu llectrode 19. Le second niveaucomprendra alors 13 possibilits (19-2*3). On effectue ainsi les mesures de chaque niveau dacquisitionavec 3*a, 4*a,etc (il en existe 6 pour 19 lectrodes en Wenner). Il est vident que plus la distance

inter-lectrode augmente, plus le nombre de possibilits diminue. Le nombre de mesures va dpendredu type de dispositif utilis. Pour avoir de bons rsultats, il est obligatoire d'effectuer les mesures demanire systmatique de faon viter les zones sans mesures. Le dispositif Wenner a le plus faiblenombre de mesures comparativement aux autres dispositifs communment utiliss.


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Pour le ple-ple, une procdure similaire au Wenner est utilise. Pour un systme avec 19 lectrodes,18 mesures sont d'abord effectues avec une distance 1*a entre A et M, puis 2*a et ainsi de suite.

Pour un diple-diple, un Wenner-Schlumberger ou un ple-diple, la squence de mesure estlgrement diffrente (voir figure ci-dessous). Pour un diple-diple par exemple, les mesures

commencent habituellement avec une distance 1*a entre les lectrodes d'injection du courant (A et B)et de mesure de potentiel (M et N). La premire squence de mesure est alors effectue en donnantune valeur de 1 pour le facteur n (qui est le rapport AM/MN) puis une valeur de 2 tout en maintenantla distance AB et MN fixe 1*a. Lorsque n vaut 2, la distance AM est donc le double de la distance AB(ou MN). Pour les mesures suivantes, la valeur de n est habituellement incrmente jusqu' 6. A partirde n=6, la valeur du potentiel mesure n'est plus prcise car trop faible. Pour accrotre la profondeurd'investigation, on augmente la distance AB 2*n et une mme squence de mesure est effectue demanire similaire. Si ncessaire, cette opration peut tre encore rpte.

Pour le Wenner-Schlumberger et un ple-diple, diffrentes combinaisons de a et n sont utilises. Il estdonc bien clair que dans le cas d'un Wenner-Schlumberger, le type exact du dispositif va donc tre

compris entre un Wenner au sens strict et un dispositif Schlumberger.

Procdure de mesure en 3D

Etant donn que les structures gologiques etarchologiques sont en 3D dans la nature, un vritabledispositif 3D devrait donner de meilleurs rsultats. Cetype d'acquisition n'a nanmoins pas encore atteint unniveau de dveloppement quivalent celui de la 2D.

Une acquisition 3D demande en effet plus de donneset cote donc plus cher. Il y a toutefois deux principalesvolutions qui tendent actuellement rendre lestudes 3D possibles. Il s'agit de l'apparition rcente desrsistivimtres multicanaux qui permettent d'effectuerplusieurs mesures la fois ainsi que de l'volutionrapide du matriel informatique rendant possible letraitement d'un nombre important de donnes en untemps raisonnable.

La procdure dcrite pour les acquisitions 2D reste

valable en 3D. Les lectrodes sont par contrehabituellement arranges selon un carr ou un


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rectangle en surface (bien que cela ne soit pas une obligation). La forme de la grille peut donc varierselon celle du corps tudier. L'interlectrode est galement identique selon les axes x et y dudispositif (figure ci-dessous). On utilise essentiellement des dispositifs ple-ple, ple-diple et diple-diple en tomographie de surface 3D. Les autres dispositifs ont en effet une trop faible couverture dedonnes vers les bords de la grille.

Pseudosections

Les points de mesure sont habituellement reprsents en 2D sous la forme de pseudosections (coupeslectriques du sous-sol en rsistivits apparentes). Les points de mesure sont reports laplomb ducentre du dispositif et une profondeur arbitraire proportionnelle la distance sparant leslectrodes.

Une pseudosection donne une image distordue du sous-sol car cette image dpend de la rpartitiondes rsistivits dans le sol mais galement du dispositif utilis (concept de rsistivits apparentes). Unepseudosection est donc uniquement une manire commode de reprsenter les rsistivits apparentes.Il est donc totalement faux d'utiliser une pseudosection comme une image finale de la rsistivitvraie du sous-sol! Cette pseudosection doit tre interprte (inverse, voir plus loin). Une des utilitsde la pseudosection est la possibilit d'liminer sur ces profils les mauvaises donnes de rsistivitsapparentes. Ces dernires se marquent par des points de rsistivit apparente anormalement hauts oubas par rapport aux points environnants.

La figure ci-dessous prsente les pseudosections obtenues avec trois dispositifs diffrents sur unmodle constitu de deux corps identiques (murs), infiniment longs perpendiculairement au dispositifet loigns de quatre fois leur largeur. La figure permet de faire quelques commentaires intressants.

Les formes engendres par un objet identique diffrent fortement en fonction du dispositif employ.Cest la raison pour laquelle, il est quasiment impossible dinterprter correctement unepseudosection. Le nombre de points de mesure et leur emplacement varient aussi avec les diffrentsdispositifs. Ce phnomne se remarque bien en comparant lacquisition effectue en Wenner et celleen diple-diple. Les valeurs en rsistivit apparente de lanomalie sont trs faibles, malgr la

rsistivit leve des deux corps (800 m) et un environnement 30 m.


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30 ohm*m 800 ohm*m

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Distance [m]

Modle

-5

-4

-3

-2

-1

0

Profondeur[m]

-5

-4

-3

-2

-1

0

Dispositif Wenner-Schlumberger

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Niveauxd

'acquisition

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Dispositif Diple-diple

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Nive

auxd'acquisition

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Dispositif Wenner

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Niveauxd'acquisition

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

Rsistivit apparente [ohm*m]

0.00 30.00 30.25 30.50 30.75 31.00 31.25 31.50 31.75 32.00 32.50 33.00 34.00 100.00

1 m 1 m4 m


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remarquer que les rsultats sont relativement similaires quels que soient les dispositifs utiliss(Wenner, Schlumberger, diple-diple), mais ils ne sont pas exactement identiques : comme nouslavons vu plus haut, chaque dispositif a une rsolution diffrente qui se traduit galement dans lersultat de linversion.

0 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90 1 00 150 200

Dispositif Wenner, Iteartion 5 RMS error = 0.3%

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

Distance [cm]

-8

-6

-4

-2

0

-8

-6

-4

-2

0

Dispositif Wenner-Schlumberger, Iteration 5 RMS error = 0.30%

-8

-6

-4

-2

0

Profondeur[cm]

-8

-6

-4

-2

0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52

Dispositif Diple-Diple, Iteration 5 RMS error = 1.24%

-8

-6

-4

-2

0

-8

-6

-4

-2

0

Echelle des rsistivits [ohm*m]


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Exercices : tomographie lectrique

Problme 7

a) Le profil de tomographie lectrique invers ci-dessous a t effectu au travers d'une bueidalise reprsentant une partie d'un site gallo-romain. Les vestiges sont constitus de

calcaires altrs (900 m) plongs dans un terrain suprieur de rsistivit 80 m. Cette villa

est probablement construite sur la molasse chattienne (30 m). Des sdiments lacustres

peuvent exister au dbut du profil (100 m).Localisez la limite suprieure de la molasse, les diffrents murs, la dalle la base des murs.

b) En dessous, vous trouverez le modle l'origine des mesures. En fonction de ce dernier ainsique du profil invers et de la lgende, discutez des points suivants:

Quelle est l'inter-lectrode ainsi que le dispositif utilis? Comparez les valeurs de rsistivits calcules sur le profil avec les vraies valeurs du

modle (que pouvez-vous dire?)

La dalle horizontale est-elle mieux image que les murs verticaux? Les deux murs proches (entre 13 et 14 m) sont ils correctement imags?


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LES MTHODES SISMIQUES

Gnralits

La mthode sismique est l'tude de la propagation d'ondes sismiques (vibrations) dans le sol. Leparamtre qui nous intresse est la vitesse de propagation de ces ondes dans le sous-sol (en mtres /secondes, m/s). En effet, chaque roche peut tre dfinie partir de la mesure de la vitesse sismique quilui est propre. La propagation des ondes sismiques dpend des proprits lastiques des rochescomposant le sous-sol. Les roches peuvent tres considres comme lastiques lorsque lesdformations sont faibles.

Avec cette mthode, on peut distinguer la roche compacte du terrain meuble, la roche compacte et la

roche altre, les zones fractures dans une roche saine, le niveau de la nappe phratique, un dallage,un amas compact en archologie.

Les diffrentes ondes sismiques

Dans un milieu isotrope et lastique deux principales sortes d'ondes peuvent se propager : les ondes Pet les ondes S.

Les ondes P

Le premier type d'ondes est appel ondes longitudinales, ondes de compression ou ondes primaires Pcar ce sont elles qui arrivent en premier.

Le mouvement des particules se fait selon un mouvement de compression et de dilatation. Ladformation se propage selon l'axe OX. La vitesse de telles ondes peut s'exprimer en fonction desdiffrents paramtres d'lasticit (paramtres de Lam).


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Les ondes S

Le second type d'ondes correspond un mouvement de cisaillement. On les appelle des ondestransverses, ondes de torsion ou ondes secondaires S car ce sont elles qui arrivent en second.

Le mouvement des particules dans ce cas se fait perpendiculairement la direction de propagation. Lavitesse des ondes secondaires s'exprime en fonction elle aussi des paramtres d'lasticit. Comme iln'existe pas de module de cisaillement dans les liquides, les ondes S ne s'y propagent pas.

Les vitesses sismiques dans les roches

Le paramtre physique mis en cause est la vitesse de propagation des ondes. On mesure en gnral lesondes P.

On a souvent besoin, pour savoir si la mthode sismique est applicable certains problmes, deconnatre l'ordre de grandeur relatif des vitesses des diffrentes roches en prsence. En effet, l'emploide cette mthode est conditionn par l'existence d'un contraste suffisant entre les vitesses desdiffrentes couches de la zone tudier.

D'une faon gnrale, on peut dire qu'un problme peut tre rsolu par la sismique lorsque les cartsde vitesse pour deux units sont suprieurs 25%.

Les vitesses sismiques dans les roches varient avec un certain nombre de facteurs que nous allonspasser en revue :

La porosit et la saturation La profondeur Lge de la formation

La porosit et la saturation

D'une faon gnrale, les vitesses sismiques dcroissent lorsque les porosits croissent. Par ailleurs,pour une mme porosit, les terrains propagent les ondes sismiques plus rapidement quand ils sontsaturs que quand ils ne le sont pas. Par exemple, pour une porosit de 60% environ, la vitesse de

propagation est proche de 330 m/s (vitesse de l'air) lorsque la roche est sche, et de 1500 m/s (vitessedans l'eau) si la roche est sature. Il existe une loi similaire celle utilise en rsistivit :


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fluidematriceroche VVV

)1(1

La profondeur

Les vitesses augmentent gnralement avec la profondeur, cela peut tre d :

Une diminution de la porosit Une augmentation de la saturation

L'ge de la formation

La vitesse des ondes P augmente avec l'ge pour une mme profondeur. La cause principale en est unediminution de la porosit.

Conclusions pour les vitesses sismiques dans les roches

Pour lestimation des vitesses des roches, on peut se souvenir de quelques rgles:

La vitesse est grossirement proportionnelle au degr de consolidation des roches. Dans du matriel non consolid, la vitesse augmente avec la saturation en eau. L'altration de la roche diminue gnralement sa vitesse. Les mesures de vitesse sont trs sensibles au pendage gologiques.


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Valeurs de quelques vitesses sismiques de roches de la crote terrestre :

Classification selon le matriel_____________________________________________________________________________

Matriel Vitesse en m/sec_____________________________________________________________________________

Terrain d'altration en surface 300 - 600

Graviers, sable sec... 500 - 1000

Sable humide 600 - 1850

Eau (selon la temprature et la salinit ) 1430 - 1680

Eau de mer 1460 - 1530

Grs 1800 - 3500

Argiles 2750 - 4250

Craie 1850 - 3950

Calcaire 2100 - 6100

Sel 4250 - 5200

Granite 4580 - 5800

Roches mtamorphiques 3000 - 7000


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Les techniques de mesure en sismique

Nous avons vu que lorsquon provoque unchoc, un branlement (naturel:tremblement de terre ou, artificiel:explosif) dans un milieu lastique, celui-cise dforme. La dformation se propage deproche en proche en s'loignant du pointd'impact et en s'amortissant. L'objet de lasismique est l'tude de la propagation decette dformation.

On enregistre larrive de cet branlement un rcepteur (gophone). Cet enregistrement constitue

une trace sismique. Connaissant les dimensions du dispositif (distance d) et le temps darrive t delonde, on peut en dduire des informations sur la vitesse du sous-sol : V=d/t.

Appareillage de mesure

La mthode sismique implique la production d'nergie qui est transmise au sous-sol. Aprs un certaintemps, cette nergie ayant t rflchie ou rfracte sur une ou plusieurs discontinuits retourne ensurface o elle est perue par des rcepteurs ou gophones. L'amplitude du signal reu, qui dpend del'nergie parvenant aux rcepteurs, ainsi que la forme du signal sont affectes par des causesartificielles (appareil, source, etc.) et des causes naturelles (coefficient de rflexion, distance,absorption, etc).

Les sources d'nergie

Il existe de nombreux moyens d'mission utiliss en prospection sismique. Pour les travaux faibleprofondeur en archologie, on peut utiliser la place des explosifs le choc d'un marteau sur une plaquepose sur le sol ou encore le fusil (cartouches blanc). Les endroits o ont eu lieu les tirs sont appelsdes points de tirs.

Les rcepteurs

Le mouvement du sol provoqu par le passage des ondessismiques gnres par l'explosion ou la chute du marteau,est peru par des rcepteurs que l'on appelle desgophones. Le gophone est un petit appareil qui traduit entension lectrique induite dans une bobine le mouvementdun aimant d aux vibrations du sol, surtout sacomposante verticale. L'amplitude des oscillations del'appareil est proportionnelle celle des arrives sismiques.La frquence d'oscillation dpend essentiellement del'instrument.


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L'amplitude du signal dpend aussi du couplage du gophone avec le sol. Le couplage sol-gophone esttrs important si l'on dsire avoir une reprsentation fidle du mouvement du sol.

Les signaux qui arrivent aux gophones sont amplifis et enregistrs. Chaque gophone donne endfinitive une courbe ou trace sismique, ligne verticale qui traduit en fonction du temps l'amplitude

des paramtres mesurs (voir plus loin).

Les appareils enregistreurs

Ils permettent d'enregistrer simultanment les impulsions perues par 1, 12, 24 etc. gophones.L'enregistrement des impulsions qui permettent de mesurer les temps de propagation est appel unsismogramme. Pour chaque tir, on obtient donc un sismogramme qui reprsente l'image desmouvements vibratoires capts par les gophones. L'instant de l'explosion, origine des temps est lisiblesur le sismogramme sur l'une des traces. Sur chaque trace, on peut noter le temps mis par l'onde entrel'explosion et l'arrive au gophone. Les appareils modernes permettent d'amliorer la qualit desmesures en rptant et en additionnant les tirs, ou coups de marteau. On appelle cette faon de faire

un stacking. Cette faon de faire permet d'attnuer les bruits.

La propagation des ondes sismiques

Dans un milieu homogne, lastique, isotrope.

Le principe de huygens stipule que tout point touch par un front d'onde (en gris sur la figure ci-dessous) devient son tour source d'onde

Archeo Intro to Geophysics Script 0809

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