imagerie électrique détaillé

Cours imagerie électrique Master EGC 2014-2015

Driss KHATTACH 1

Méthodes des résistivités • Rappel – SEV – Profil – Carte

• Imagerie électrique – Principe – Acquisition – Traitement – Interprétation – Applications

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La résistivité et la conductivité

Section qui s’exprime en ohm.m Résistivité   R Longueur Conductivité 

24/12/2014



1



qui s’exprime en (ohm.m)-1

3

Résistivités moyennes de quelques roches  Argiles et marnes 4 à 30 ohm.m  Schistes 40 à 250  Craie 100 à 300  Calcaire 100 à 5000  Grès 500 à 10000  Sable 30 à 10000

Echelle relatives des résistivités des roches saines Gangues > Roches volcan.>Roches sédi.>Marnes>Argiles>Minerais Isolant x 1000 x 100 x 10 x1 Conducteur

24/12/2014

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électrique

La résistivité apparente

ρapp = k ∆V / I K = 2 π / (AM-1 – AN-1 – BM-1 + BN-1)

Le facteur géométrique K qui dépend de la configuration des électrodes

Sondage électrique • Le SEV (sondage électrique vertical) est basé sur l’injection dans le sol d’un courant continu au moyen d’électrodes métalliques implantées en surface (quatre électrodes sont utilisées, deux pour l’injection du courant (A, B) et deux autres pour la mesure du potentiel (M,N)). • L’augmentation de la distance séparant les électrodes permet d’atteindre des profondeurs croissantes. • Le sondage électrique permet d’obtenir la succession verticale des résistivités. Les résistivités mesurées sur le terrain (résistivités apparentes) sont interprétées à l’aide d’abaques ou de logiciels pour obtenir des couches électriques caractérisées par leurs épaisseurs et résisitivtés. 6

Exemple de sondage

Sondage électrique (dispositif Wenner) au-dessus d’un terrain à stratification horizontale 7

Les traînés ou profils électriques

Permettent d’obtenir des profils et des cartes de résistivités apparentes indiquant la variation latérale de la résistivité à une profondeur donnée (plus la longueur du dispositif est grande, plus la profondeur d’investigation augmentera).

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Variations des résistivités apparentes avec la longueur AB de la ligne d’émission (r1< r3 < r 2)

10

panneaux électriques Les dispositifs multi-électrodes (panneaux électriques, imagerie électrique ou Tomographie électrique) permettent de réaliser des profils à différents niveaux d’acquisition et obtenir une section de résistivité.

11

AB=100m

Cartes de résistivité

AB=300m

AB=1000m

AB=500m

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limitations • SEV : ne prend pas en compte les variations latérales de résistivité du sous sol (Modèle 1D) • Imagerie électrique 2D : les résistivités varient verticalement et horizontalement le long du profil, on suppose que la résistivité ne change pas dans la direction perpendiculaire au profil (cas des corps géologiques allongés, Modèle 2D). • Imagerie électrique 3D: pour les modèles 3D, une acquisition 3D par la réalisation de plusieurs profils parallèles permettra de déterminer les vraies dimensions des corps. 13

L’imagerie électrique Le Panneau électrique– Tomographie électrique (ou Electrical Resistivity Imagery)

1. Acquisition 2. Traitement 3. Interprétation

14

1. Acquisition  L’équipement

• Un résistivimètre • Un câble multi-conducteurs pour connecter plusieurs électrodes • Une boite de commutation pour sélectionner automatiquement les électrodes de courant et du potentiel • Un ordinateur pour créer une séquence de mesures selon un dispositif (fichier texte). 15

16

17

acquisition  Principe

pseudo-profondeur

A

M A M N

B

N

M

B A

M N A

M N N

B B

14 14 18 17 19 15 15 13 13 14 17 22 21 22 25 38 31 44 24 30 25 27 27 23 23 24 24 25 23 11 11 10 9 10 10 9 12 10 9

9

9

8 8

12 11 10 9

8 8

9

8 9

9

8 8

9

7 8

9

9 11 13 13 11 12 15 15 12 12 12 13 13 14 7

9

8 9

9 10 8 9 10 9

8 9

8 11 11 11 9 11 13 9

9 10 10 11 13

13 12 11 11 10 10 10 10 10 11 10 10 10 11 10 11 12 15 14 13 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 13 17 16 15 14 14 15 14 14 14 15 15 18 18 17 18 16 16 16 17

distance (m)

Pseudo-section .m 56

40

29

21

15

11

.1

.7

.6

.5

.6

.3

2 8.

0 6.

3 4.

2 3.

•Le principe de mesure est basé sur le déplacement du quadripôle ABMN afin de sonder latéralement, mais aussi sur l’augmentation de l’espace inter-électrodes (a). On parle alors de niveaux d’acquisition (n), la profondeur d’investigation augmentant avec a.

Séquences de mesure • La séquence de mesure est programmée dans un ordinateur (ou un résistivimètre possédant un disque dur). • Il s’agit généralement d’un fichier texte contenant diverses informations, notamment le type de dispositif. • La boite de commutation sélectionne automatiquement les électrodes utilisés pour l’injection du courant et la mesure de potentiel. 19

Exemple de séquence • • • • • • • • • • • • • • • • •

Version 1 Name 485 Area 0 Line 0 Qmax 3 StackMin 3 StackMax 6 Time 500 Mode Rho Vmn Range Vmn Low Array Type Dipole Dipole Spacing 1 1 Level used 1 2 3 4 5 6 Spacing 2 2 NbElectrode 48 NbQuqdripole 906

20

• • • • •

#XYZ 1 0.00 0.00 0.00 2 5.00 0.00 0.00 3 10.00 0.00 0.00 4 15.00 0.00 0.00

• ...... • • • • • • • • • • • •

#ABMN 1 1 2 3 4 2 1 2 4 5 3 1 2 5 6 4 1 2 6 7 5 1 2 7 8 6 1 2 8 9 7 1 3 9 11 8 1 3 10 12 9 1 3 11 13 10 1 3 12 14 11 1 3 13 15

• ..........

21

Les dispositifs • Le positionnement des électrodes en surface est variable et influence la répartition du courant dans le sous-sol. Les différentes variantes de positionnement d'électrodes définissent différents dispositifs, qui ont chacun leurs propres avantages et inconvénients.

22

les plus courants.

K = facteur géométrique 23

Valeurs calculées des résistivités apparentes provoquées par un modèle simple, avec l'utilisation de différents dispositifs.

Les formes engendrées par un objet identique différent fortement en fonction du dispositif employé.

Les pseudosections (sections non inversées) ne peuvent être correctement interprétées. 24

Représentation des valeurs de la fonction de sensibilité pour les dispositifs les plus courants. Les contours des valeurs de sensibilité sont quasiment horizontaux à l’aplomb du centre du dispositif . Wenner plus sensible aux changements verticaux qu’horizontaux.

Les contours sous le centre du dispositif ne sont ni horizontaux ni verticaux. Dispositif intermédiaire entre Wenner et DD. Très sensible à l’aplomb des deux dipôles. Les contours sont verticaux : ce dispositif est alors très sensible aux changements horizontaux. 25

Avantages/Inconvénients • Chacun des dispositifs a des avantages et des inconvénients différents. Les plus courants sont ce sont le Wenner, le WennerSchlumberger, le Dipôle-Dipôle et le Pôle-Pôle. Le choix du meilleur dispositif dépend de la structure à imager, du bruit de fond et de la sensibilité de l'appareil de mesure. Il y a aussi les différentes caractéristiques de chaque dispositif à prendre en considération. Ce sont : • La sensibilité du dispositif aux changements verticaux et horizontaux de la résistivité. • La profondeur effective d'investigation. • La couverture horizontale. • La force du signal.

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Dispositifs Wenner

Avantages  

WennerSchlumberger

  

Dipôle-Dipôle

  

Pôle-Pôle

 

Inconvénients

sensible aux changements verticaux de résistivité bonne résolution verticale



sensible aux variations verticales et horizontales profondeur de pénétration d'environ 10% supérieure au Wenner densité de points est supérieure au Wenner



sensible aux changements horizontaux de la résistivité profondeur d'investigation plus élevée densité de points est supérieure au Wenner



Grande couverture horizontale Grande profondeur d’investigation

 





faible profondeur d'investigation faible densité de points Force de signal plus faible que Wenner

Force de signal plus faible que Wenner Sensible au bruit de fond

2 Electrodes à l’infini Sensible aux bruits et courants telluriques

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Traitement des données

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inversion  Principe B A

M N A

M N N

B B

11 11 10 9 10 10 9 12 10 9

9

9

8 8

12 11 10 9

8 8

9

8 9

9

8 8

9

7 8

9

9 11 13 13 11 12 15 15 12 12 12 13 13 14 7

9

profondeur (m)

14 14 18 17 19 15 15 13 13 14 17 22 21 22 25 38 31 44 24 30 25 27 27 23 23 24 24 25 23

8 9

9 10 8 9 10 9

8 9

8 11 11 11 9 11 13 9

9 10 10 11 13

13 12 11 11 10 10 10 10 10 11 10 10 10 11 10 11 12 15 14 13 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 13 17 16 15 14 14 15 14 14 14 15 15 18 18 17 18 16 16 16 17

distance (m)

distance (m)

a mesurée

 interprétée .m 56

40

29

21

15

11

.1

.7

.6

.5

.6

.3

2 8.

0 6.

3 4.

2 3.

a calculée pseudo-profondeur

pseudo-profondeur

A M A M N M A B M N A B B B A M N N N M B

 Interprétation

erreur RMS = 4.1 %

distance (m)

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LES DIFFÉRENTES ÉTAPES D’UN RELEVÉ EN IMAGERIE ÉLECTRIQUE •Construction d’une séquence de mesure selon le dispositif choisi •Réalisation des mesures sur le terrain à l’aide d’un résistivimètre •Inversion des résistivités obtenues par un logiciel (RES2DINV par exemple) pour passer des valeurs mesurées aux valeurs de résistivités réelles •Présentation des résultats et calage avec la géologie. 30

Profil continu Profondeur =1/5 L (wenner ou dipôle-dipôle) L

31

Tomographie 3D • Les structures 3D peuvent être imagées par une tomographie 3D en réalisant des profils parallèles. Les électrodes se répartissent selon une grille. 32

3D Coupes horizontales

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Tomographie en forage

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Profondeur d’investigation des SEV et de la Tomographie

• rho = K x VMN / IAB, • K facteur géométrique dépend de la disposition des électrodes A, B, M, N : • K = 2 π / (AM-1 – AN-1 – BM-1 + BN-1).

Paramètres contrôlant la profondeur d’investigation Sur le plan théorique la profondeur dépend de la longueur de la ligne AB et de la séparation entre AB et MN Les dispositifs (Schlumberger, Wenner, dipole-dipole, polepole, gradient, …) : Avantages, limitations en termes de la pénétration verticale et de la résolution latérale et la mise en œuvre, mais ils sont soumis à la même règle générale :



Plus la longueur AB est grande, plus la profondeur de pénétration du courent est grande



Plus M,N sont espacés de A, B, plus le potentiel mesuré en surface est plus représentative des résistivités des couches profondes

• Sur le plan pratique la profondeur d’investigation dépend aussi de la mesurabilité du potentiel VMN • VMN = rho x IAB / K. • Pour des grandes profondeurs d’investigation, l’espacement entre électrodes est grand, la valeur de K est aussi importante, le signal VMN devient petit , souvent difficile à mesurer. • Plusieurs facteurs favorisent de bonnes mesures pour des grandes profondeurs d’investigations :

 une roche de résistivité assez élevée “rho”: 1000 ohm.m (roche compacte) produise un signal VMN dix fois plus grand qu’une roche de 100 ohm.m (roche sédimentaire) et cent fois plus grand qu’une roche de 10 ohm.m (argiles) (le paramètre résistivité ne dépend pas de l’opérateur).  Une intensité élevée du courent IAB = VAB / RAB, qui signifie : • un sous-sol de faible résistance RAB: pour une couche en surface formée de sable sec (résistivité très élevée) la résistance de A et B est plus élevée que pour une couche argileuse (résistivité faible). Cependant, il est possible de réduire RAB par arrosage des électrodes par de l’eau salée.

• et/ou appliquer un voltage VAB assez élevé, obtenu par un puissant équipement. (les appareils sont caractérisés par un maximum courent, voltage et puissance)  un résistivimètre assez sensible ( filtrage, stacking, élimination de bruit (Self Potential, interférences électromagnétiques naturelles ou artificielles,…), pour mesurer une faible VMN dans un temps assez court.

Profondeur d’investigation pour les SEV

 SEV : suppose couches horizontales superposées. Règle générale p= 0.1 à 0.3 x AB

 AB de 1km  profondeur 100 à 300m (dépendant des couches : un substratum conducteur peut être atteint avec un court AB qu’un résistif, mais signal cas 1< cas 2)

Profondeur d’investigation pour la Tomographie

Schlumberger, Wenner et Dipole – Dipole : Profondeur maximum est de l’ordre de  0.2 x L (Longueur du profil)

Pole Pole



profondeur max 0.9x L

DOMAINES D’APPLICATION

Géologie Génie-civil Archéologie Hydrogéologie Environnement Recherche minière

Applications • • • • • • • • •

Détermination de la profondeur d'une couche. Estimation de l'épaisseur d'altération Caractérisation des aquifères Détection des fractures et des failles Localisation des cavités et des karsts Identification des structures enterrées Etude de site de stockage Surveillance de la résistivité dans le temps Exploration et délimitation de gisements.