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Université Aix- Marseille III Maîtrise STU 2003-2004

Stage du 10/05/04 au 12/05/04 Mr Fourno et Mr Mathé

RAPPORT DE GEOPHYSIQUE

 Prospection électrique, sismique, gravimétrique gravimétrique et magnétométrique sur le massif de l’étoile

Par WEIL Julien OFFANT Yohann

INTRODUCTION

Le stage de géophysique a lieu au pied de la chaîne de l'étoile aux alentours de

Marseille. L’objectif est de pouvoir approcher géologiquement, la structure du terrain

 prospectée. Les données récoltées par divers méthodes, permettent normalement de pouvoir définir la nature du terrain, ainsi que d’éventuels travaux en sous -sols (liés à l’activité

humaine) comme d’anciennes galeries minières ou des canalisations. Ces méthodes sont : la gravimétrie, la magnétométrie, la sismique et l’électrique. Pour chacune de ces méthodes,

nous verrons leur principe de fonctionnement, les résultats obtenus ainsi que leur interprétation.

I  –  Le  Le gravimètre 1) Principe de fonctionnement Le gravimètre utilisé est de type Scintrex. Il consiste en une tige de quartz (en remplacement d'un ressort) qui va subir une contrainte gravimétrique égale à g liée à une

anomalie du substratum. La propriété piézométrique du quartz va permettre d’enregistrer ces

variations gravimétriques et de restituer les mesures du champ gravitationnel en un point donné. Le gravimètre est posé sur une plate forme qui permet de mettre au niveau horizontal,

l’appareil. Le tilt X et Y limite les mesures s’ils sont supérieurs à 10. La mesure du champ  pour une station n’est en faite, qu’une moyenne de 100 mesures dont la déviation standard en est la marge d’erreur. Cette déviation est considérée comme bonne si elle est inférieure à 0.1 mgal. Cette méthode présente néanmoins quelques subtilités. Il faut en effet y apporter une

correction de marée et d’altitude. La correction de marée consiste à mesurer le champs gravitationnel en un point de référence à t = 0 et à t final. La variation entre ces deux valeurs nous donne g fermeture. La correction de marée en une station données données « x » sur un réseau de « n »station est donné par la formule : Gx = x * gf/n. La correction d’altitude s e calcule via un système de visé et de mire. Pour mesurer le dénivelé H entre deux stations de mesure, on place la visée (montée sur trépied) entre les deux stations et on réalise une visée avant (sur la première station par exemple) sur lequel on relève une certaine hauteur h1 de la mire et une visée arrière qui nous donne h2. H = h2-h1. Ensuite, la correction d’altitude nous est donnée par la formule  : g = -2 G  ( H). Pour les

calcaires, la correction d’altitude est d’environ 0.3mgal/mètre.

Le terrain étudié à l’origine est une sorte de cuvette avec au centre (plus bas) le bassin

d’alimentation en eau de marseille. A l’origine, le but était de pouvoir distinguer une anomalie négative (en profondeur) due à la présence du canal alimentant le bassin en contre  bas. Une série de station a été disposé au travers de cette topographie en cuvette (fig.1) à raison d’une tous les 5mètres. Cependant, l’intervention du « service de protection des forets » nous a contraint à réduire notre secteur d’étude à cinq stat ions. On peut noter la

 présence d’un regard d’eau à quelques mètres de la station 3. Ouest

Station de  base 3

2

Est

1

4 Réseau de Stations

5

Canalisation ?

11

Canal d’alimentation du  bassin de rétention d’eau de Marseille ?

Figure 1 : Croquis schématique de la topographie et des canalisa tions du secteur étudié

2) Résultats

Stations

1 2 3 4 5

Mesures gravimètriques 6478.1 6470.844

Tilt X

Tilt Y

7 3 9 5 5

8 -9 8 1 9

6470.932 6471.019 6471.246

Erreur standard 0.025 0 .025 0.119

0.021 0.021 0.064

Heure

12h05 12h14 12h26 12h48 13h10

Tableau 1 : Mesures du champs gravitationnel pour chaque station.

Stations

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Visée Arrière h1

132.5 130 145 194.5 262 310 119 18.5 21.5 45 36

Visée Avant h2

154.5 171.5 205 272.5 345 219 127 137 131

ΔH

= h2 - h1 (cm)

24.5 26.5 10.5 10.5 35 100 108.5 115.5 86

Champs g corrigé de l’altitude

6478.1 6470.769 6470.857 6470.910 6471.216

ΔH

total : 5 m17

Tableau 2: dénivelés entre les différentes stations.

3 ) Interprétation

Les données sont très difficilement interprétable dans la mesure où nous n’avons pas fait la mesure « g station de référence » à t final. La correction de fermeture (ou de marée) ne  peut donc pas être appliqué aux mesures gravitationnelles. Cependant, on observe une chute

du champ mesuré (corrigé de l’altitude) entre les stations 1 et 2, puis une légère remonté à

 partir de la station 4. On interprète cette anomalie négative comme étant le passage de la canalisation supposée reliée au regard cité précédemment. Avec plus de mesure, nous aurions  peut être put voir l’anomalie négative au niveau du talweg de la cuvette, liée au passage de la

grande canalisation qui alimente le bassin de rétention en eau de Marseille…

II  –  La  La méthode électrique 1) Principe de fonctionnement Cette méthode est basée sur les inégalités de conductibilité des roches. La méthode Schlumberger (fig. 2) dont nous nous sommes servie lors de notre stage, utilise 4 électrodes nommées : A, B, M et N. Sur les électrodes A et B est branché un ampèremètre et y circule un courant généré par une série de batterie pouvant aller jusqu’à 90 volt et 100 mA. Sur   les électrodes M et N est branché un voltmètre. Les quatre électrodes sont ensuite disposées

comme suit (fig.2). A mesure que l’on écarte les électrodes A, B et M, N un volume de plus

en plus important de terrain va être parcourus par la circulation du courant. Il suffit de noter

l’écartement entre chaque électrode, la tension et l’intensité mesuré, pour en déduire la résistivité apparente noté a de la roche considérée. On peut la calculer via la formule : a = K V/I (avec K =  (OA2  –  OM2)/ 2*OM. En portant sur un graphique les résistivités

apparentes en fonction des longueurs de ligne d’émission, on va avoir une image de la répartition des résistivités en profondeur (tab. 3 et fig.3). Pour chaque écartement d’électrode,

on inverse la polarité du système de façon à avoir deux valeurs par station de mesure (tab.3) (t ab.3) Plusieurs précautions doivent être prise lors de la mise en place du dispositif. Tout

d’abord, il faut faire le zéro relatif avant chaque mesure (il suffit d’appuyer sur un bouton).

Sinon on peut toujours faire une mesure à I=0 ou placer une pile suivant un montage contre électromotrice. Ceci a pour but de compenser la polarisation spon tanée qui s’ajoute au V mesuré. Deuxième précaution, il faut enfoncer suffisamment les électrode dans le sol pour avoir une bonne transmission du courant (au moins 20 cm). Pour optimiser cette transmission,

l’idéal est de mouiller les électrodes.  Notre secteur d’étude est situé au fond d’une légère dépression. Une série de mesure est effectué selon les écartements d’électrodes du tableau 3. La valeur maximum de AB est de

200m ; il faut donc autant de fil électrique pour les relier aux batteries. batteri es. La profondeur

d’investigation du courant étant dépendante de la profondeur suivant un rapport à peu prés égale à h=AB/4, on prévoit (avec 100 mètres d’écartement) de pouvoir interpréter le terrain  jusqu’à environ 25m de profondeur. Les abaques (suivant un modèle à 3 couches) sont ensuite utilisées pour déterminer

l’épaisseur de chaque couches et leur résistivité. Les résultats obtenus serviront de base pour

un traitement numérique ultérieur permettant de limiter les extrapolations faites lors de l’utilisation des a baques.

MN ≈ 10 AB A

M

O

N

B

Batterie en série Voltmètre-Ampèremètre

Figure 2 : Dispositif de la prospection électrique

2) Résultats

Tableau 3 : Relevé des mesures électriques

Figure 4 : Courbe théorique par ajustement numérique

3) Interprétation

Pour interpréter la courbe de la figure 3 en terme de résistivité et d’épaisseur de couche des terrains sous-jacents, il nous faut utiliser les abaques. Cette méthode reste assez approximative, mais permet de donner une idée générale du type de roche et de leur l eur épaisseur. Ainsi, on peut lire que la résistivité de la couche 1 ( 1) est proche de 460. « La croix » se  place au niveau de l’épaisseur de couche égale à 2 m. Donc E1=2m. La courbe suit ensuite l’abaque pour lequel 2/1=2,5. On peut donc en déduire que 2=2,5*460=1150. Ensuite la courbe commence à redescendre à environ 10*h1 (sur la courbe des a baques). Donc E2 =20m. La courbe suit à peu prés l’abaque pour lequel 3/2=0,1. Ainsi 3=0,1*1150=115.

L’utilisation d’un modèle numérique va permettre de lisser les extrapolations faites

lors des interprétations par abaque. Néanmoins, les données obtenues par les différentes abaques vont servir de base de calcul pour le modèle numérique. En modifiant les paramètres

d’épaisseur de couche et de résistivité, on réajuste la courbe de façon à passer au milieu des

différents points de mesure. Par tâtonnement, on trouve de nouvelle valeur pour les différents  paramètres (fig. 4). Se sont ces valeurs qui sont le l e plus représentative du terrain t errain étudié entre les deux modèles. Ainsi, on peut dire que le terrain admet à priori 3 différentes couches sur les 25  premiers mètres de profondeur (limite de profondeur d’investigation). La première fait

environ 2m d’épaisseur et sa résistivité correspond à celle d’un remplissage de produit d’altération en vue du contexte géologique (terrain situé dans une cuvette). La deuxième couche fait envir on on 20m d’épaisseur et sa résistivité correspond à celle d’un banc calcaire. Enfin, la dernière couche admet une très faible résistivité. D’autre part, nous avons vu qu’en contre bas, était situé un bassin de rétention d’eau. Cette  « couche » pourrait donc être liée à la présence d’une nappe d’eau alimentant le bassin (en plus des canaux d’acheminement de l’eau).

III  –  Le  Le magnétomètre 3) Principe de fonctionnement Les magnétomètres utilisés sont des G856 et G858 de la société Geometrics. Ils se composent d'une sonde à gaz de césium entouré d'une bobine qui génère un champ électrique, lui-même transformé en un champ magnétique. C'est l'intensité du champ magnétique qui est ici mesurée, et non sa direction, directi on, en fonction des concentrations en césium. Un critère de l'appareil réside dans le quality check  "QC".   "QC". C'est une qualité de mesure donnée en fonction de la sensibilité de l'appareil. Un bip sonore indique la fréquence d'acquisition de la sensibilité exprimée en Hz/nT. Ainsi au fil du déplacement on enregistre une variation du champ en s/nT. Plus le QC tend vers 0 et meilleure sera la mesure. Par variations d'aimantation, on aboutit à une anisotropie magnétique du matériau. Son intensité correspond au champ de facteur démagnétisant. Dans un repère orthonormé (O,x,y,z), pour une sphère,  N = N1 + N2 + N3 avec N1 = Nx , N2 = Ny, N3 = Nz = 1 en SI, soit Nx = Ny = Nz =1/3 Pour un barreau orienté dans l'axe de facile aimantation N 2 = N3 = 0, et la sonde enregistre l'aimantation du barreau avec possibilité d'obtenir la direction du nord magnétique pour un maximum d'aimantation lisible sur le magnétomètre. Quand le soleil est à l'azimut, on enregistre un important flux de particules issues de vents solaires ; c'est à cette période de la journée que le champ sera le plus élevé. Par ailleurs, on notera la présence de contrastes positifs liés au bétonnage qui peuvent perturber l'enregistrement, car, le béton a une susceptibilité plus forte que le calcaire. Ou encore des orages magnétiques dus à des protubérances solaires peuvent être la cause de la variation du champ de l'ordre de 2000 nT. Un profil qui a été marqué sur 200m (fig. 5), fait l'objet d'une étude de variation diurne du champ magnétique avec deux types d'appareillage. Le premier a été réalisé avec une sonde à précession de protons élevée à 2,50m (un maximum de protons seront orientés si l'on dirige l'ampoule à césium selon le Nord magnétique) ; le second type est composé d'une perche à deux sondes à précession d'électrons disposées selon un axe vertical et espacées de 90cm. Ce dernier gagne en précision et enregistre deux champs en même temps à des altitudes différente : on obtient un gradient qui est la différence de champ total entre deux hauteurs (la sonde du haut est à 1,4m du sol, l'autre du bas est à 50cm).  Nord

Sud

200 m

Zone de remplissage remplissage : colluvions

Réseau de Stations

Plateau : calcaires

Zone de remplissage remplissage : colluvions

42

3

Talweg

2 Station 1 référence

Figure 5 : Croquis schématique de la topographie et des types de terrains rencontrés.

4) Résultats Les mesures du champ magnétique sont effectuées tous les 5 mètres le long du profil de 200 mètres, depuis la station de référence jusqu'à la station 42. Le tableau 4 fait en évidence la variation diurne du champ magnétique à la station de référence à différentes heures de la journée. Le tableau 5 montre un relevé du champ sur la section du profil 150m 200m (voire 210m). Enfin le tableau 6 rassemble les mesures de champ faites avec la "double sonde" à électrons sur le profil entier.

Mesures magnétiques

Heure

46004,2 46005,2 46004,8

13h24

45999,6 45999,3 45999,6

13h49

46002,9 46004,4 46002,2 46002,3 46002,5 46002,8

14h12

14h24

Tableau 4 : relevé des mesures magnétiques (3) de la station de référence à différentes heures

Stations

Distances (mètres)

Mesures magnétiques

30

150

46052,3

31

155

46053,4

32

160

46052,4

33

165

46051,1

34

170

46050,1

35

175

46053,0

36

180

46049,5

37

185

46053,7

38

190

46055,5

39

195

46055,3

40

200

46055,8

41

205

46060,5

42

210

46057,1

Tableau 5 : Mesures magnétiques à la sonde à protons.

Topographie/ Nature du terrain

1ère zone de remplissage : colluvions

Zone de plateau : calcaire

2ème zone de remplissage : colluvions

Distances (m)

Stations

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 0

référence 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 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 référence référence

Mesures magnétiques 45999 45997 46015 46027 46032 46033 46036 46039 46040 46040 46039 46044 46039 46037 46040 46040 46041 46044 46041 46041 46042 46041 46044 46048 46049 46042 46042 46047 46048 46049 46045 46046 46046 46050 46050 46051 46053 46058 46055 46069 46046 46045 46047 45998,5

Heure

12h42'33''

13h10'32''

Tableau 6 : Mesures du champ magnétique avec la sonde à électrons.

5) Interprétation L'étude magnétique réalisée sur le terrain permet de faire ressortir un contexte géologique structural global. De la station de référence, à partir de laquelle une variation diurne d'environ 4 nT a été enregistrée, jusqu'à la station 10 environ, le champ magnétique augmente au fur et à mesure que l'on monte dans la topographie. La deuxième partie du profil met en évidence un plateau dont les mesures magnétiques sont relativement stables et sans grandes variations. Enfin, un changement du champ à la hausse est enregistré sur les quelques dernières dizaines de mètres qui montrent une baisse en altitude pour rejoindre un talweg. Ces variations du champ semblent avoir un impact direct sur la nature du terrain et le contexte géologique. L'hypothèse serait que la zone centrale de l'étude correspondrait à une  partie calcaire dure qui enregistre de faibles anomalies du champ, contre deux zones, au départ et en fin de profil, qui marque une variation certaine du signal. Ces dernières montreraient deux zones de remplissage en colluvions plus riches en magnétite ou hématite. Le rôle de la topographie y serait pour quelque chose : une érosion et un lessivage du substratum amont aurait permis une accumulation des matériaux dans les secteurs en aval.  Notons par ailleurs un pic du champ magnétique (46069 nT) à la station 39 : une

concentration métallique anormale peut être due à des débris de véhicule…

Il en ressort ainsi de cette étude que la géométrie du signal est trop petite pour voir des "choses" (anomalies) significatives. Aucune galerie souterraine, ni canalisation, n'a été détectées ; une prospection sur un autre secteur voisin pourrait bien faire ressortir de telles structures.

IV  –  La  La sismique 1) Principe de fonctionnement L'étude se fait le long d'un profil de 240 mètres de direction nord-sud (fig. 6). Le dispositif comprend 24 géophones placés tous les 10 mètres dans le sol en position verticale ; ceux-ci sont reliés à 24 câbles munis de conducteurs : pour éviter le phénomène d'induction (influence sur le bruit de fond), les câbles ne doivent pas former de boucles. Une centrale d'acquisition sert à récolter les informations. Une masse a pour fonction de générer des ondes sismiques ; ainsi 5 coups successifs frapperont une plaque en fer posé sur le sol en trois endroits différents (début : tir direct, centre : tir au centre, et fin du profil : tir inverse). Pour de grandes études de terrain réalisées par des entreprises spécialisées, les tirs se font à la dynamite. Ces 5 coups représentent une source d'énergie et de vibrations et sont nécessaires  pour déclencher l'enregistrement : en effet les frappes s'additionnent (stacking) car le choc génère le même chemin de l'onde. On remarquera qu'une ligne de 24 W se ra placée à côté du 1er  géophone qui sert alors de référence en donnant le "time break". L'amplitude du signal sera mesurée tous les 500 μs. Des vitesses d'onde de 4 km/s sont attendues.

 Nord

Sud

200 m

Tir direct

Tir au centre

Tir inverse

Réseau de 12 géophones

Réseau de 12 géophones Centrale d'acquisition géophones référence

Figure 6 : Schéma du dispositif de la méthode sismique.

2) Résultats

Les 3 tirs qui ont lieu au début, au centre et en fin du profil ont permis l'enregistrement de données de temps d'arrivées des ondes exprimés en ms. Pour chaque tir les géophones les  plus prés de la source de vibration ont capté un signal ; les autres trop éloignés et peu informateurs ont été négligés. Tir Direct : Tableau 7, des temps d'arrivées des ondes enregistrés par la première dizaine de géophones. Distance x

Onde directe

Onde réfractée

Onde réfléchie

20 30 40 50 60 70 80 90

6 16 19 17 21 24 28 29

44 43 58 67 72 75 80 86

74 54 95 100 115 108 124

Tir au centre : Tableau 8, des temps d'arrivées des ondes enregistrés par les géophones situés de part et d'autre du centre du profil.

Distance x

Onde directe

Onde réfractée

Onde réfléchie

70 80 90 100 110 120 130 140 150

16 15 17 14 10 2

46 36 38 36 38 19

84 87 95 80 78 45

16

42

87

Tir Inverse : Tableau : Tableau 9, des temps d'arrivées des ondes enregistrés par les derniers géophones. géophones. Distance x

Onde directe

140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240

28 38 26 24 23

13 10 6 2

Onde réfractée

Onde réfléchie

47 59

109

48

104

28 22

100

3) Interprétation La récolte des informations par la centrale d'acquisition et le traitement des données des ondes sismiques ont permis d'élaborer les tableaux 7, 8 et 9 et les graphiques 7, 8 et 9 représentant les hodochrones des ondes directes, réfléchies et réfractées pour les 3 types de tirs. Tir direct : L'hodochrone de l'onde directe a une pente de 0.58 et donc l’onde a une vitesse V 1=1.7 km/s. L'hodochrone de l'onde réfractée a une pente de 0.125 ; la vites se est alors V 2 de 8 km/s. Le point de brisure X B obtenu étant de 46 m, on applique la formule qui donne l’épaisseur du terrain : XB H=

√

V2 - V1

2 V2 + V1 On obtient une épaisseur de 18.5 mètres côté Nord. Tir inverse :

L’onde directe a une vitesse de 2.4 km/s (pente = 0.42) . La vitesse V2 = 13.3 k/s caractérise l’onde réfractée dont la pente de l’hodochrone est 6,67. XB a pour valeur ici 194 m.

Ainsi l’épaisseur du terrain est de 80.8 mètres.

On conclue donc que l’allure générale de l’épaisseur du terrain est croissante du  Nord au Sud : on passe d’environ de 18 à 80 m. On peut supposer donc que les dépôts de remplissage ont été principalement localisés au sud ou que le contexte paléogéographique a engendré une intense érosion du substratum au Nord ou enfin que la tectonique a engendré un  biseau sédimentaire rétréci au nord.