Prospection électrique
Si vous utilisez des données de ce travail ,vous devez citer la référence en bibliographie de la façon suivante : DJEDDI Mabrouk .prospection électrique, 13 pp ,13 figures .Laboratoire de physique de la Terre , Université M’Hamed Bougara de Boumerdes-Algérie , Novembre 2014.
Principe et paramètre mesuré : Mesure de la DDP produite par l’injection d’un courant électrique dans le sol. Paramètre mesuré : résistivité électrique par traînée ou par sondage électrique Origine du champ physique : provoquée
Introduction : Les méthodes électriques sont des techniques d’investigation qui permettent de quantifier la difficulté avec laquelle un courant électrique traverse un sédiment de composition physico - chimique donnée, cela consiste donc à mesurer le paramètre résistivité électrique qui change en fonction du type de sédiment. Elles sont fondées sur la mesure de la résistivité électrique qui se fait par injection d’un courant électrique continu dans le sol au moyen de deux électrodes A et B, qui engendre une différence de potentiel électrique que l’on mesure avec deux autres électrodes M et N. L’ensemble constitue un quadripôle (Fig.1)
Fig. 1 Notion de résistivité et de conductivité électrique
LA RESISTIVITE ELECTRIQUE : La résistivité électrique( ) des roches et des sédiments est une propriété intrinsèque, elle est définie comme étant la mesure de la difficulté qu’a un courant électrique à passer au travers d’un conducteur. Par comparaison avec les autres paramètres physiques (densité , vitesses des ondes sismiques etc.), à l’exception du paramètre viscosité, la résistivité électrique est pratiquement le paramètre qui varie sur plusieurs ordre de grandeurs d’où l’avantage d’utiliser sa distribution pour définir les structures du sous - sol . Ses variations s’étendent entre 10-5 ohm.m pour des minéraux métalliques à 107 ohm.m pour le gabbro et de 10 à 103 ohm.m pour les dépôts sédimentaires non consolidés à température ambiante.
Fig.2. Résistivité électrique de quelques matériaux du sous-sol (Palacky.in Le P’tit Vert) CONDUCTIVITE ELECTRIQUE ⁄ ) mesurée en L’inverse de la résistivité est la conductivité électrique ( Siemens/m. La conductivité décrit l’aptitude d’une substance à conduire un courant électrique, c’est-à-dire à laisser les charges électriques se déplacer librement. Il existe trois processus qui provoquent la conduction électrique dans les substances, ce sont :
La conduction électronique, elle s’effectue essentiellement dans les métaux, elle est liée au déplacement des électrons.
La conduction ionique (électrolytique) .Elle est liée au déplacement des ions de l’électrolyte.
La conduction surfacique .Elle est due à l’existence d’une double couche électrique à la surface de séparation entre les grains et l’électrolyte contenu dans la substance.
CALCUL DE LA RESISTIVITE : Soit un conducteur de section 𝑆, de longueur 𝐿 et de résistance 𝑅 .
Fig. 3 dispositif de mesure de la resistivité
La loi d’Ohm donne :
⃗
⃗
⃗⃗
Avec
⃗
(Ωm)
:résistivité
:Densité de courant (Loi d’Ohm) en (
)
conductivité en
-La conductivité électrique correspond à la constante de proportionnalité entre le champ électrique ⃗ ( ) appliqué en un point du milieu et la densité de courant électrique⃗ . ⃗
⃗
⃗
⃗⃗⃗
-Le potentiel est fonction de la distribution de la résistivité électrique . est calculée à partir du rapport Le calcul de la résistivité apparente du terrain est :
du sous-sol et du courant
Le courant électrique ( ) représente le flux du vecteur ⃗ au travers d’une surface 𝑆
∫
Où
coefficient géométrique qui dépend de la position relative des électrodes.
D’une manière générale, la résistivité apparente (soit l’inverse de la conductivité) est considérée comme étant la moyenne des résistivités vraies des différents terrains constituant l’intérieur d’un volume de sol affecté par la distribution du courant électrique. Elle dépend de la composition physico-chimique, de la température, de la saturation, du type d’électrolyte, de la porosité, des matériaux traversés par le flux électrique etc. Dans la majorité des cas, une roche ou un sol conduisent le courant électrique le plus fréquemment grâce à l’eau qu’ils renferment (conductivité électrolytique). Ce sont généralement les ions qui transportent des charges sous l’action d’un champ électrique .Or, tout mouvement des charges électriques équivaut à un courant électrique .De ce fait, les roches conduisent le courant électrique à cause de l’eau qu’elles renferment. En conséquence, l’existence d’un matériau résistant ou conducteur dans le sous-sol va perturber la distribution du flux du champ électrique (filets de courant) et les lignes équipotentielles .Fig.4
Fig.4 Schéma de principe de la prospection électrique par courant continu (Dispositif quadripôles)
Dispositif de Wenner
(fig 5 )
Dispositif dipôle – dipôle
FACTEURS AFFECTANTS LA RESISTIVITE ELECTRIQUE : La résistivité électrique des roches et des sédiments est affectée par plusieurs facteurs dont les plus significatifs sont la concentration des minéraux dissous dans l’eau interstitielle, la porosité, la granulométrie (forme des grains), la présence d’argile, la température et la phase de l’eau interstitielle, l’anisotropie , la contrainte , le degré de saturation et bien d’autres. Nous décrivons très succinctement dans ce qui suit l’effet certains de ces paramètres sur la résistivité électrique. POROSITE : La porosité est une caractéristique petro -physique très importante, elle est définie par le rapport entre le volume total des vides et le volume total de l’échantillon, soit :
. : Volume de la partie solide. La résistivité augmente lorsque la porosité diminue. La loi d’Archie relie la résistivité électrique d’un sol
avec sa porosité Fig.6 Pour un sol saturé à la résistivité électrique (eau interstitielle contenue dans les pores), sa résistivité électrique a été formulée par la loi d’Archie en 1942. (Valable en absence d’argile dans le sol)
et
:constantes dépendant du type de sol, : varie de : étant le facteur de cimentation qui peut prendre des valeurs comprises entre 1,3 et 2,5
Fig.6 Loi d’Archie pour des porosités de 0 à 50%. La résistivité de l’eau est de 100 Ω.m
La salinité de l’eau interstitielle contenue dans les pores du sol affecte fortement la résistivité de celui-ci .Plus la salinité est importante et plus la résistivité est faible. CONTRAINTE : Des travaux montrent que l’augmentation des contraintes provoquerait l’augmentation de la résistivité. LA TEMPERATURE : La résistivité électrique d’un sol varie avec la température. Comme la résistivité est l’inverse de la conductivité, lorsque la température d’un conducteur augmente, celui-ci devient moins conducteur. Cela concerne aussi bien les conducteur ionique(ou électrolytique) et métallique(ou électronique). En 1966 Keller et Frischknect ont proposé une formule exprimant la résistivité d’un sédiment à la température T en degré Celsius en fonction de la résistivité standard prise à .Elle s’exprime comme suit :
(
Constante expérimentale égal à
)
environ.
CHAINE DE MESURE EN PROSPECTION ELECTRIQUE :
Une chaine complète de mesure comprend des électrodes d’émission A et B, des électrodes de réception M et N, une source de courant et un appareil de mesure (un resistivimètre). électrodes d’émission A et B : Elles sont habituellement composées par des piquets d’acier inox. source de courant : On utilise le plus fréquemment des piles de 90 volts montées en série ou à défaut, on utilise une génératrice couplée avec un redresseur ou encore une batterie d’un véhicule .Le circuit de courant est constitué par des câbles en acier isolés et la mesure du courant électrique est exécutée au moyen d’un ampèremètre . électrodes de réception M et N : Elles permettent de mesurer le potentiel .Elles sont fabriquées en métaux chimiquement suffisamment stables comme le cuivre et le plomb afin d’éviter le phénomène d’oxydation et de polarisation qui induisent un potentiel parasite.
Mesure de la DDP : La fermeture du circuit des électrodes d’émission et fait circuler le courant électrique d’intensité entre et .On mesure la différence de potentiel produite par la circulation du courant électrique entre les deux électrodes de réception et à l’aide d’un resistivimetre relié à ces deux électrodes implantées dans le sol. Le resistivimetre fournit la valeur de la résistivité en réalisant le rapport potentiel mesuré sur le courant électrique émis. CALCUL DE LA RESISTIVITE APPARENTE L’intensité du courant électrique étant connue, la ddp ( procédure de calcul de la résistivité s’opère comme suit : Le potentiel en M se calcule par : (
)
(
)
) étant mesurée, la
Potentiel en N se calcule par :
Avec : (
)
L’équation décrite plus haut donne :
Avec En millivolts en milliampères mètre .C’est le facteur géométrique dépendant de l’espacement entre les électrodes Ohm. mètre Il existe plusieurs dispositifs de mesure dont les plus répandus sont dispositifs suivants :
les
Dispositif de Wenner
L’espacement inter-électrodes (AB et MN) est fixe. L’operateur déplace donc le dispositif complet d’un point de mesure à l’autre le long du profil .
Le dispositif de Wenner géologiques horizontales.
est recommandé pour l’investigation des structures
Dispositif de Schlumberger
Dans ce type de dispositif, l’opérateur garde les électrodes de mesure immobiles au centre du dispositif et il fait modifier la distance entre les électrodes d’émission du courant électrique .La prospection électrique à l’aide du dispositif de Schlumberger permet de déterminer la résistivité en profondeur sous le centre du dispositif.
Dispositif dipôle -dipôle
C’est un dispositif qui permet d’exécuter le sondage électrique. Les électrodes d’émission du courant électrique et les électrodes de mesure de la sont séparées d’un multiple de leur propre écartement.
(
)(
)
la profondeur d’investigation est fonction des parametres a et n Lorsque on alors
le dispositif dipôle-dipôle est tres sensible aux modifications horizontales de la resistivité .C’est de ce fait un dispositif qui convient au mieux pour la mise en evidence des structures verticales . Dispositif pôle - dipôle Dans ce type de dispositif, l’une des électrodes d’émission du courant électrique est placée une grande distance du point de mesure.
( ) C’est un dispositif irrégulier qui exige d’implanter une électrode à une grande distance (dans le schéma l’électrode .
Dispositif pôle – pôle
Dans ce type de dispositif, l’une des électrodes de mesure de la grande distance.
est placée à une
Le dispositif pôle - pôle sollicite de placer deux électrodes à l’infini (dans le schéma les deux électrodes et se trouvent à une grande distance).Il se caractérise par une plus grande profondeur d’investigation, par une faible résolution et il est assez sensible aux bruits .Le dispositif pôle-pôle est recommandé pour être utilisé en imagerie 3D.
Tomographie électrique Ce dispositif résulte des méthodes habituelles du trainée et du sondage électrique simultanés. C’est un dispositif d’acquisition de l’imagerie Géo - électrique qui compte un grand nombre d’électrodes de sources de courant ou de mesure de la . Il fournit des images géo- électriques (pseudo-section) des variations de résistivité électrique en continue en et du sous-sol. Appelé également dispositif Wenner –Schlumberger. Il est préconisé en même temps pour l’investigation des structures géologiques verticales et horizontales.
(
)
Profondeur d’investigation La profondeur d’investigation est définie comme étant la profondeur dans le sous-sol à laquelle une couche de faible épaisseur exprime son apport maximal au signal total mesuré à distance (en surface). Elle est généralement proportionnelle à l’écartement des électrodes et également fonction croissante de la distance (électrode de la source et électrode de mesure). Donc, en effectuant une modification de l’écartement des électrodes, il est de ce fait possible d’obtenir des renseignements à des profondeurs différentes. Cela implique également que la dimension des structures repérées est aussi proportionnelle à la distance des électrodes.
Dispositif Dipôle-Dipôle Sa profondeur d'investigation Wenner- Schlumberger
est
plus grande que pour le Wenner et
Dispositif Pôle-Pôle C’est le dispositif qui donne la profondeur d'investigation la plus profonde. Dispositif Pôle-Dipôle La profondeur d'investigation est médiane entre le Dipôle-Dipôle et le Pôle-Pôle .
Dispositif Wenner-Schlumberger La profondeur d'investigation est légèrement plus élevée qu'avec le dispositif Wenner
Dispositif Wenner La profondeur d'investigation est plus faible que celle des dispositifs DipôleDipôle et Wenner-Schlumberger.
Mise en œuvre Il y a trois types de mise en œuvre : -Traînée électrique : C’est le procédé ou l’écartement des électrodes et est maintenu constant tout le long de la durée de la prospection. L’opérateur déplace l’ensemble du dispositif suivant un profil ou une maille et en prenant des mesures à chaque déplacement. Ce procédé permet d’explorer avec une profondeur d’exploration constante. Elle permet donc de suivre la continuité latérale des couches en une position donnée, et permet de confirmer l’existence ou l’absence des anomalies de résistivité électrique. Les résultats de mesures permettent d’établir des profils et des cartes de résistivités apparentes (soit l’inverse de la conductivité)
-Sondage électrique C’est le procédé qui permet de mesurer la variation de la résistivité apparente suivant la verticale. .Il est réalisé avec des quadripôles d’électrodes, composés de deux électrodes d’injection et deux électrodes de mesure. Pour y parvenir l’opérateur doit tout d’abord fixer le centre du dispositif et mesurer tour à tour la résistivité apparente pour des valeurs progressives de l’écartement des électrodes .Plus l’écartement est grand et plus les couches de sol de plus en plus épaisses contribuent dans la détermination de la résistivité apparente. -Le panneau électrique Il représente une combinaison du trainé et sondage électrique Applications La prospection électrique occupe une place remarquable en prospection géophysique et ce grâce au fort contraste de propriétés électriques que certaines anomalies impliquent. Parmi les applications les plus connues, elle permet de : -Rechercher l’eau souterraine -Définir les fractures -Repérer les vides (cavités) ou des corps gelés dans le sol -Imager des intrusions ou des déplacements d’eau salée dans le sol -Repérer l’existence de ruines archéologiques -Délimiter des décharges et repérer les déplacements de polluants dans le sol -Prospecter et développer les gisements miniers etc.
Bibliographie Guéguen Y. et PalciauskasV.1992 .Introduction à la physique des roches.Ed.Hermann. Gupta S.C. et Hanks R.J. 1972. .Influence of water content on electrical conductivity of the soil. Soil Science Society of America .J. 36(6), 855- 857 Bussian 1268.
A.E. 1983. Electrical conductance in a porous medium. Geophysics, 48(9), 1258-
Chouteau M. et Giroux B.2006. Géophysique appliquée II : Méthodes électriques, notes de cours .Ecole Polytechnique de Montréal. Chouteau M. et Giroux B.2008. Géophysique appliquée II : Méthodes electromagnetiques , notes de cours .Ecole Polytechnique de Montréal. Meyer de Stadelhofen, c., 1991 : Application de la géophysique aux recherches d’eau, technique et documentation .Lavoisier Chapellier,D., 1987 :Diagraphies appliquées à l’hydrologie, techniques et documentation Lavoisier. Chapellier,D et Meyer De Stadelhofen c., 1979 :Mesures de résistivités sur filons. – Bull.Inst. Geophys. Appl .Univ .Lausanne I, 1-20
