Cours de Prospection Électrique IGS4 PDF

Faculté des Sciences de Tunis COURS IGS4 PROSPECTION ELECTRIQUE Adnen AMIRI La prospection électrique implique la détection en surface d’effets produits lorsqu’un courant électrique traverse le sous- sol. Elle est basée sur la mesure en surface de l'intensité...

Faculté des Sciences de Tunis COURS IGS4 PROSPECTION ELECTRIQUE Adnen AMIRI La prospection électrique implique la détection en surface d’effets produits lorsqu’un courant électrique traverse le sous- sol. Elle est basée sur la mesure en surface de l'intensité et de la différence de potentiel entre les différentes électrodes du dispositif de mesure. Le rapport de ces 2 paramètres permet de déterminer la résistivité des terrains sous jacents. La résistivité électrique ρ est une propriété intrinsèque, elle est définie comme étant la mesure de la difficulté qu’un courant électrique à passer au travers d’un conducteur. RESISTIVITES DOMAINES D’APPLICATION  La loi d’Ohm La loi d’Ohm s’applique aux circuits électriques, et à toutes les méthodes électriques en géophysique: ΔV  R.I où V est la différence de potentiel (en volts) ; I est le courant (en ampères) ; R est la résistance électrique (en ohm, ). La résistance est donc le ratio du voltage sur le courant : ΔV R I La résistance d’un milieu varie linéairement avec la longueur « L » du milieu traversé, mais de façon inversement proportionnelle à l’aire « S » de la surface traversée : ρ.L S ΔV S R d ' où   R. . S L I L où la constante de proportionnalité est la résistivité  (en .m). Elle exprime la difficulté du courant à traverser un milieu : La conductivité s (en Siemens) est l’inverse de la résistivité : 1 s   RÉSISTIVITÉ DES ROCHES Le courant peut être conduit: La conductibilité solide: Le passage du courant se fait par déplacement d’électrons. On parle de conductibilité électronique ou métallique car c’est une conductibilité analogue à celle des métaux. Cette conductibilité solide n’est réellement importante que pour certains gisements minéraux tels que : certains sulfures (pyrite, galène) certains oxydes (magnétite , hématite) le graphite, l’or, l’argent, le platine, etc.. La conductibilité liquide électrolytique: En fait, pour la plupart des roches, la conductibilité est presque uniquement de type électrolytique. Cela signifie que ce sont les ions qui transportent des charges sous l’effet du champ électrique et que les roches conduisent le courant électrique grâce à l’eau qu’elles contiennent. La résistivité d’une roche va dépendre de: La qualité de l’électrolyte, c’est à dire de la résistivité de l’eau d’imbibition ρ w et par conséquent de la quantité de sels dissous. quantité d’électrolyte contenu dans l’unité de volume de la roche. mode de distribution de l’électrolyte.  Mise en œuvre et acquisition sur le terrain Les mesures de la résistivité reposent sur un procédé très simple : on injecte le courant dans le sous-sol par deux électrodes d’émission du courant A et B. Au moyen de deux autres électrodes que nous appellerons M et N, on mesure la différence de potentiel. Au voisinage d’une électrode placée dans un forage qui recoupe un terrain homogène, les équipotentiels sont des sphères et les lignes du courant sont des rayons.  DISTRIBUTION DU POTENTIEL DANS LE SOL Dans le cas de la prospection électrique, puisque les deux électrodes d’émission sont en surface, les équipotentielles sont des demi-sphères et le potentiel es Modification des lignes de champ et des équipotentielles en présence d’une anomalie de résistivité Quadripôle Profondeur d’investigation et écartement des électrodes 50 % de tout le courant circule sur une profondeur inférieure à la séparation des électrodes. Pour augmenter la pénétration, on augmente la séparation des électrodes D’après Chouteau et Gloaguen  Le quadripôle a.I  1 1  Potentiel en M : VM     2  AM BM  a.I  1 1  Potentiel en N : VN     2  AN BN  Différence de potentiel entre M et N: a.I  1 1 1 1  V  V M  V N       2  AM BM AN BN  D’où la résistivité apparente: k.V a  I 2 Avec k facteur géométrique du dispositif  1 1 1 1        AM BM AN BN   Le quadripôle a.I  1 1  Potentiel en M : VM     2  AM BM  a.I  1 1  Potentiel en N : VN     2  AN BN  Différence de potentiel entre M et N: a.I  1 1 1 1  V  V M  V N       2  AM BM AN BN  D’où la résistivité apparente: k.V a  I 2 Avec k facteur géométrique du dispositif  1 1 1 1        AM BM AN BN   Quadripôles types Dispositif Wenner: pour AM  MN  NB  a k  2a Dispositif dipôle-dipôle: pour AB  MN  a k  .n.(n  1)(n  2).a Profondeur de pénétration des principaux dispositifs D’après Chouteau et Gloaguen Sensibilité des principaux dispositifs D’après Chouteau et Gloaguen PROSPECTION ELECTRIQUE INTERPRETATION  ACQUISITION D’où la résistivité apparente: k.V Avec a  facteur géométrique du dispositif I 2 k  1 1 1 1        AM BM AN BN  Sondages électriques verticaux Feuille de Sondage Représentation des Résultats AB/2 MN V mv I mA K Ρ Ohm.m 1 1 2.35 2 1 11.78 3 1 27.48 4 1 49.48 5 1 77.75 7 1 153.15 10 1 313.37 15 1 706.07 20 5 247.4 30 5 561.56 40 5 1001 Interprétation des sondages électriques Milieu homogène et isotrope Cas d'une couche d'épaisseur infinie et de résistivité finie, ρapp mesurée sera une ligne droite dont l'ordonnée est la résistivité ρ1 de ce milieu. Cas de deux couches Couche 1 : épaisseur h1 et de résistivité ρ1 Couche 2 : épaisseur infinie et de résistivité ρ2 , pour les petits espacements : OA petit : ρapp ± égale à ρ1 l'espacement augmente: la courbe monte ou descend selon que ρ2 est plus grande ou plus petite que ρ1 finalement atteint une valeur qui est ± égale à ρ2 Plus h1 est important plus l’espacement entre AB pour obtenir ρ2 est grand Quand ρ2/ρ1> 1 pour avoir ρapp = ρ2 il faut des OA plus grands.  INTERPRETATION DES RESULTATS/ Interprétation Qualitative X Y AB/2=6 AB/2=10 AB/2=14 AB/2=20 AB/2=30 AB/2=40 AB/2=60 AB/2=80 AB/2=100 SEV1 350 292 11.3 11.4 10.9 11 10.8 107 10.6 10 10.2 SEV2 351 292 22.7 31.4 40.2 42.3 40.2 35.4 25.6 20.3 16.2 SEV3 352 292 22.5 31 40 42 40 35 25 20 16 SEV4 350 291 40.7 40.6 41 41.2 40.4 40 40.9 40.2 40.6 SEV5 351 291 50 50.7 50.6 50.8 61 50.4 61 61.1 60.9 SEV6 352 291 32.3 40.8 40.1 41.8 39.8 35.2 25.1 19.4 16.1 SEV7 350 290 10.8 11.1 10.7 10.6 10.4 10.5 10.7 10.8 11 SEV8 351 290 11.2 11.1 10.9 11.3 10.8 11.1 10.9 10.8 10.7 SEV9 352 290 11.4 11.1 11.2 10.9 10.8 11 11.2 11 10.9  292 292 291.8 291.8 54 52 160 291.6 291.6 50 150 48 46 140 291.4 44 291.4 130 42 40 120 291.2 38 291.2 110 36 100 34 32 90 291 30 291 80 28 26 70 24 60 290.8 22 290.8 20 50 18 40 290.6 16 290.6 14 30 12 20 10 290.4 8 290.4 10 6 0 4 2 290.2 0 290.2 290 290 350 350.2 350.4 350.6 350.8 351 351.2 351.4 351.6 351.8 352 350 350.2 350.4 350.6 350.8 351 351.2 351.4 351.6 351.8 352 Résistivité apparente AB/2=10 Résistivité apparente AB/2=40 292 292 291.8 291.8 64 291.6 291.6 65 60 60 56 291.4 55 291.4 52 50 48 291.2 291.2 44 45 40 40 36 291 35 291 32 30 28 290.8 25 290.8 24 20 20 16 290.6 15 290.6 12 10 8 5 4 290.4 290.4 0 0 290.2 290.2 290 290 350 350.2 350.4 350.6 350.8 351 351.2 351.4 351.6 351.8 352 350 350.2 350.4 350.6 350.8 351 351.2 351.4 351.6 351.8 352 Résistivité apparente AB/2=80 Résistivité apparente AB/2=100 AB/2 MN/2 ρa 3 1 100 4 1 80 6 1 72 8 1 60 10 1 55 15 1 50 15 5 52 20 1 47 20 5 49 25 5 48 INTERPRETATION DES RESULTATS/ Sondage à deux couches  Interprétation des courbes de sondage ρapp Nombre de couches = nombre de point d’inflexion + 1 Point d’inflexion ρ1 > ρ2 AB/2 ρapp ρapp La plus résistante 2 1 3 3 2 1 La plus conductrice AB/2 AB/2 INTERPRETATION DES RESULTATS/Plus que deux couches AB/2 ρa 3 65 4 73 6 88 8 100 10 110 15 125 20 135 30 140 40 130 50 120 60 110 80 97 100 86 150 76 200 72 300 70 400 67 500 67 Résultats de l’interprétation quantitative Résistivité réelle Lithologie /structure géologique? Profondeur Epaisseur Nombre de couche RESISTIVITES Etalonnage des sondages électriques La détermination des valeurs absolues de h et ρ supposent d’autres circonstances favorables. Pour implanter des sondages électriques dans une zone inconnue il faut procéder à un étalonnage. S’il existe des forages mécaniques assez profonds, ils peuvent fournir un étalonnage quantitatif des sondages électriques exécutés à leur emplacement. Les principaux terrains affleurant permettent d’effectuer un certain nombre de ces sondages d’étalonnage que l’on nomme « SONDAGES PARAMETRIQUES ». Ces sondages paramétriques permettront de déterminer les résistivités vraies des différents terrains existant et faciliteront l’interprétation des sondages effectués dans la région (même lithologie). Ces sondages paramétriques permettent d’autre part de faire le choix de la longueur de ligne à utiliser pour le traîné. Coupes géo-électriques L’interprétation des SEV permet de déterminer un modèle de terrain montrant la succession verticale des couches en un point (emplacement du sondage). Chaque couche sera caractérisée par son épaisseur et sa résistivité vraie. La coupe géo-électrique permet d’illustrer les résultats d’interprétation d’une série de SEV répartie le long d’un profil. Ayant une série de sondages électriques le long d’un profil, on reporte les différents modèles de terrain sur une section. La corrélation des différentes couches en fonction de leurs résistivités permet d’établir la coupe géo-électrique. La coupe géo-électrique est une image de la géologie le long d’une section, déduites à partir des sondages électriques. Une coupe géologique diffère d’une coupe géo-électrique quand les limites entre les couches géologiques ne coïncident pas avec les limites entre les différentes résistivités. Par exemple quand la salinité de l’eau d’un sable varie avec la profondeur on peut distinguer plusieurs couches électriques alors qu’il s’agit de la même couche géologique, par contre si de l’argile à 20Ωm repose sur de la molasse à 20 Ωm on ne distinguera pas ces deux couches. Exemples de coupes géo-électriques dans la plaine d’ El Mida, région de Gabes (Mhamdi et al., 2006).  Coupes géo-électriques Exercice n°1 Représenter les résultats d’interprétation des sondages électriques 1, 2 et 3 sous forme d’une coupe géo-électrique. -Préciser l’orientation de la coupe sachant que le sondage 1 est le plus septentrional et le sondage 3 est le plus méridional. -Préciser les échelles : l’échelle de distance entre les sondages et l’échelle de profondeur. 2) Identifier la couche réservoir. Est-elle continue ? On donne : la distance entre SEV 1 et 2 est égale 700m et la distance entre SEV 2 et 3 est égale à 400m. Résultats Sondage 1 Sondage 2 Sondage 3 d’interprétatio Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur n (Ωm) (m) (Ωm) (m) (Ωm) (m) Couche 1 9 10 7 15 10 13 Couche2 50 40 47 43 52 45 Couche 3 15 10 12  Résultats Sondage 1 Sondage 2 Sondage 3 d’interprétatio Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur n (Ωm) (m) (Ωm) (m) (Ωm) (m) Couche 1 9 10 7 15 10 13 Couche2 50 40 47 43 52 45 Couche 3 15 10 12 700 m 400 m N SEV1 SEV2 SEV3 S 9 Ωm 7 Ωm 10 Ωm 10 m 30 m 50 Ωm 52 Ωm 47 Ωm 50 m 70 m 15 Ωm 10 Ωm 12 Ωm  Exercice n°2 1- Représenter les résultats d’interprétation des sondages électriques a, b et c sous forme d’une coupe géo-électrique. 2- Préciser les échelles : l’échelle de distance entre les sondages et l’échelle de profondeur. 3- Comment évolue la résistivité de la deuxième couche ? Proposer des explications à cette évolution. Sondage a Sondage b Sondage c Résultats Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur Résistivité d’interprétation Epaisseur (m) (Ωm) (m) (Ωm) (m) (Ωm) Couche 1 23 9 25 10 22 9 Couche2 7 10 8 12 85 48 Couche 3 20 15 23 On donne : la distance entre SEV a et b est égale à 500m et la distance entre SEV b et c est égale à 300m.  Sondage a Sondage b Sondage c Résultats Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur Résistivité d’interprétation Epaisseur (m) (Ωm) (m) (Ωm) (m) (Ωm) Couche 1 23 9 25 10 22 9 Couche2 7 10 8 12 85 48 Couche 3 20 15 23 500 m 300 m SEVa SEVb SEVc 23 Ωm 25 Ωm 22 Ωm 10 m 7 Ωm 8 Ωm ?! 30 m 85 Ωm 15 Ωm Cavité ? 20 Ωm 50 m 23 Ωm 70 m Faille ?  Sondage a Sondage b Sondage c Sondage d Résultats Epaisseu d’interprétati Résistivité Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur Résistivité Epaisseur r on (Ωm) (Ωm) (m) (Ωm) (m) (Ωm) (m) (m) Couche 1 23 9 25 10 22 9 22 11 Couche2 7 10 80 15 85 20 6 25 Couche 3 17 15 16 13 500 m 300 m 400 m SEVa SEVb SEVc SEVd 23 Ωm 25 Ωm 22 Ωm 10 m 22 Ωm 7 Ωm 80 Ωm 85 Ωm 6 Ωm Lentille de sable 30 m 15 Ωm 20 Ωm 13 Ωm 23 Ωm 50 m 70 m TRAINEE ELECTRIQUE Avec le même matériel, si l’opérateur se fixe un espacement des électrodes A et B constant et qu’il déplace l’appareil et les électrodes selon une maille de points, il réalise une traînée électrique qui permet de caractériser une zone pour une profondeur à peu près constante. Il permet une exploration horizontale du sol. Un panneau électrique est composé d’une multitude de point de sondage. TOMOGRAPHIE ELECTRIQUE  PSEUDOSECTION Les pseudo-sections de résistivités s’obtiennent en combinant déplacement horizontal de quadripôles et variation de l’écartement des électrodes. Le résultat permet d’imager verticalement les variations de ρa en fonction de l’écartement des électrodes le long d’un profil, ce que l’on nomme une pseudo-section. On peut, par inversion des données remonter à de véritables sections de résistivité, permettant cette fois-ci d’imager les variations de celle-ci en 2D, suivant la profondeur et la distance horizontale le long du profil. Exemples d’imagerie électrique Exemples d’imagerie électrique En utilisant les valeurs de résistivité vraie dans le tableau ci-dessous, établir la coupe géoélectrique. Interpréter la coupe Sondage 1 Sondage 2 Sondage 3 Couche 1 6 8 5 Couche 2 35 38 8 Couche 3 10 9 95 Couche 4 70 90 19 Couche 5 7 4 4  Sondage Sondage Sondage Sondage Sondage 1 2 3 4 5 Couche 1 21 19 23 20 18 Couche 2 75 25 29 72 69 Couche 3 39 75 73 36 34 Couche 4 25 38 39 22 19