Introduction Géophysique PDF

Université Sultan Moulay Slimane Faculté Polydisciplinaire Khouribga Parcours GSM Semestre 5 INTRODUCTION A LA GEOPHYSIQUE MODULE GÉOPHYSIQUE MINIÈRE Pr. MEHDI Khalid LES METIERS DE LA GEOPH...

Université Sultan Moulay Slimane Faculté Polydisciplinaire Khouribga Parcours GSM Semestre 5 INTRODUCTION A LA GEOPHYSIQUE MODULE GÉOPHYSIQUE MINIÈRE Pr. MEHDI Khalid LES METIERS DE LA GEOPHYSIQUE 1. LES OBJECTIFS Reconnaître et localiser les hétérogénéités du sous-sol par leurs contrastes de paramètres physiques, en vue d'une finalité ou d'une application particulière. Géophysique du globe : Étude à grande échelle de la structure planétaire et de ses mouvements - prévisions. · Géophysique pétrolière : Localisation des gisements de gaz ou pétroliers dans les 5000 premiers mètres de la surface, sur terre ou en mer. Géophysique minière : Localisation des gisements miniers et des ressources minérales, en général dans les premières centaines de mètres du sous-sol. Géophysique de subsurface : Géophysique appliquée aux métiers de l'hydrogéologie, de l'environnement et du bâtiment - génie civil. Investigation des 100 premiers mètres du sous-sol. Géophysique en forage: Diagraphies  2. LES TECHNIQUES UTILISEES Chacune des techniques citées ne peut être utilisée que si les terrains ou les structures et objets recherchés sont contrastés vis à vis de leur environnement géologique pour le paramètre physique mesuré. Les applications les plus courantes sont : Géophysique pétrolière : Gros moyens de mesures et de traitement. Sismique réflexion et gravimétrie pour une approche structurale essentiellement. Diagraphies instantanées et différées pour une approche structurale, lithologique et estimative du gisement Géophysique de subsurface : Moyens de mesures et de traitements légers. Microgravimétrie pour les recherches de vides (contraste de densité). Sismique réfraction à la masse ou à l'explosif pour les problèmes de rippabilité de matériaux (contraste de vitesse sismique). Etudes de vibrations pour la protection des ouvrages de génie civil (contraste de fréquence, spectre, vitesses particulaires, etc.). Sondages électriques pour obtenir une coupe épaisseur / résistivité des terrains jusqu'à 100 mètres de profondeur en moyenne (contraste de résistivité).  Panneaux électriques pour les recherches de failles et de localisation précise d'hétérogénéités dans les 50 premiers mètres sous la surface (contraste de résistivité). Méthodes électromagnétiques pour la localisation de failles ou de toute hétérogénéités dans les 50 premiers mètres de la surface. Mesures rapides pour une couverture importante ou un linéaire conséquent. Mise en évidence des entités géologiques principales (Contraste de conductivité). Polarisation spontanée pour la localisation de circulations aquifères ou de fuites dans un ouvrage de génie civil (contraste de différences de potentiels). Méthodes magnétiques et électromagnétiques dérivées pour la recherche de matériaux métalliques enfouis Applications environnementales ou contraste de variations du champ magnétique au droit de terrains de nature différente (Contraste de champ magnétique primaire ou secondaire). Méthodes radars pour la recherche de structures enfouies dans les 10 premiers mètres du sol.  Mesure radar Recherche de conduite (courtesy of V. Cappoen - ARPE) LES AXES DE RECHERCHE 1. PROSPECTION ARCHEOLOGIQUE Aide à la détection de vestiges enfouis Délimitation des zones favorables 2. PROSPECTION GEOPHYSIQUE APPLIQUEE AU GENIE CIVIL, AU GENIE RURAL ET A L'ENVIRONNEMENT Détection des cavités Détection de zones indésirables Détermination de l'emplacement d'un barrage Détection de réservoirs de déchets toxiques 3. PROSPECTION GEOPHYSIQUE APPLIQUEE A LA RECHERCHE MINIERE Détermination des zones favorables Estimation en masse et détermination de la géométrie du gisement minier 4. PROSPECTION GEOPHYSIQUE APPLIQUEE A LA RECHERCHE D'EAU Détermination des zones favorables Détermination de l'emplacement des aquifères Détermination de l'emplacement des puits pour l'AEP(Alimentation en eau potable) Les problèmes géotechniques Connaître la profondeur du socle : dans les problèmes d’aménagement urbains qui nécessitent des excavations ou la réalisation de tranchées, la présence d’un socle dur (bedrock) peut être fatale aux engins de chantier. L’estimation de la profondeur du bedrock permet alors d’adapter le moyen de creusement. De même, cette indication est importante à connaître à priori pour le dimensionnement de fondations. Estimation des paramètres mécaniques des sols : que ce soit pour l’étude des effets de site ou la recherche du comportement dynamique du sol pour les études de stabilité de massifs, ces paramètres sont des données d’entrée aux simulations numériques de dimensionnement d’ouvrage. Détection de pollutions: lors de la déclaration d'une zone polluée et avant toute remédiation, il faut en premier lieu estimer les surfaces ou les volumes impliqués. Cette estimation doit se faire par moyen destructif (forages) puis par analyses. La géophysique sert alors à préparer la campagne de forage afin de les placer de façon judicieuse.  Détecter les cavités souterraines : dans la plupart des cas, les anciennes exploitations souterraines ne peuvent être localisées (plans de position égarés, mal levés). Des campagnes géophysiques servent alors à élaborer des plans de prévention des risques qui prennent la forme de cartes d’aléa indiquant la probabilité d’effondrement due à la présence de cavités. Effondrement du à la présence de cavités souterraines (Lorraine, France). Cartographier les drains dans le contexte hydrogéologique local : Les circulations préférentielles d'eau peuvent être causées par la présence de fracturation (roches cristallines), la présence de karsts (roches sédimentaires calcaires) ou de structures tectoniques (plis, failles, etc). La géophysique est un outil qui permet soit de comprendre la géométrie des structures qui servent de support à la circulation, soit de cartographier les zones à forte concentration d'eau. Ces informations servent à proposer des modèles d'écoulements au sein des bassins versants qui eux-mêmes sont utiles pour dresser des cartes d'aléa pour les inondations, la migration de pollution, etc. Les outils géophysiques Introduction L'utilisation des méthodes géophysiques permet de compléter l'information sur le milieu géologique de deux façons: · En complétant l'information cartographique Comment l'information géophysique peut aider en cartographie géologique lorsque les affleurements sont peu nombreux · En complétant l'information en profondeur Comment la géophysique complète l'information en profondeur: coupe sismique et coupe interprétative situées dans le bassin d'Aquitaine (France) La géophysique d'exploration, puis environnementale ou de génie civil sont des disciplines relativement nouvelles et proviennent des avancées de la géophysique fondamentale Origines de la géophysique d'exploration et environnementale. Classification La géophysique permet de caractériser les propriétés physiques des matériaux terrestres. Elle peut se classer en deux catégories: · Méthodes passives : elles permettent de détecter les variations des champs naturels terrestres (gravité, magnétisme); · Méthodes actives : elles sont basées sur l'étude de signaux qui sont mesurés après qu'une source artificielle les ait générés et qu'ils se soient propagés dans les matériaux terrestres. Ces méthodes sont plus particulièrement utilisées en exploration (sismique, radar, EM, électrique). Les outils d'investigation géophysique dérivent des avancées réalisées en physique du Globe et géophysique fondamentale. La sismologie a ainsi donné naissance à la sismique, la gravimétrie à la micro-gravimétrie, la magnéto-tellurique aux méthodes électriques et électromagnétiques, etc. Méthodes sismiques: elles utilisent la propagation des ondes mécaniques dans le sous-sol pour déterminer sa distribution de vitesses ou ses contrastes d'impédance. Il existe plusieurs grandes familles: La sismique réfraction ; La sismique réflexion ; Les ondes de surface; La tomographie, etc;  Méthodes à résistivité: elles caractérisent la résistivité du sous-sol grâce à la distribution des champs électriques et magnétiques que l'on mesure. Il existe aussi plusieurs grandes familles: Electrique; Electromagnétisme; Radar, etc. La microgravimétrie: cette méthode est sensible aux défauts ou aux excès de masse dans le sous-sol. Le magnétisme: il est sensible au magnétisme des roches. Classification des méthodes géophysiques. Chaque méthode a des performances différentes suivant le problème à traiter. Ces performances dépendent d'une part de la nature du problème par rapport à ce que pourra mesurer, et d'autre part à l'environnement immédiat de la mesure (bruit industriel ou naturel, complexité géologique, etc). Tableau des performances des principales méthodes géophysiques classées par thématique La mise en œuvre des études Une étude géophysique se place toujours dans un cadre plus large de détection de matière première, de génie civil, d'aménagement, etc. La géophysique est toujours employée en appui aux méthodes plus traditionnelles d'auscultation: Diminution du nombre de forage dans l'industrie pétrolière ou minière, Diminution des mesures in situ de la rigidité du sol dans les études para-sismiques, Optimisation des échantillonnages d'analyse de sol pollués, Etc. Les interprétations géophysiques doivent toujours être validées a posteriori de façon à améliorer le diagnostic final. Schéma de réalisation d'une étude géophysique L'utilisation de ces méthodes est toujours conditionnée par la rentabilité: elles doivent être mises en œuvre dans un cadre qui les moyens mis en œuvre sont légèrement en deçà du gain offert "au client".  TABLEAU RECAPITULATIF DE L’UTILISATION DES METHODES GEOPHYSIQUES Méthode Principe de Mesure Objectifs Avantages Inconvénients Sismique réfraction -la vitesse doit être croissante avec la profondeur -caractérisation des vitesses des vitesse des ondes -suppose un milieu quasi- terrains porte directement sur une propriété utilisable de compression directe et tabulaire -profondeur du substratum en mécanique réfractée -Lente -recherche du toit de la nappe -mauvaise résolution horizontale -mise en oeuvre délicate en ville Sismique réflexion -structure géologique profonde, -mise en oeuvre très lourde -caractérisation des terrains par temps d’arrivée des ondes -utilisable pour les profondeurs > mise en évidence des porte directement sur des propriétés élastiques sur tout 20m horizons réflecteurs utilisables en mécanique interface -utilisation exceptionnelle en -vitesse et impédance Génie Civil acoustique Tomographie inversion des temps de caractérisation mécanique des sismique trajet des ondes terrains, porte directement sur des propriétés -mise en oeuvre lourde sismiques à travers la mise en oeuvre entre forages, utilisables en mécanique -coût élevé zone étudiée galeries et/ou surface (micro)Gravimétrie -mesures lentes Recherche des vides, des zones variations locales du champ -mesures d’altitudes très précises décomprimées, du toit du porte sur la densité de pesanteur nécessaires substratum et corrections Prospection électrique -la résistivité présente une grande gamme de par courant variations -nécessité d’un contact électrique injecté résistivité structure du terrain -maîtrise de la résolution latérale et verticale avec le sol d’où difficultés (profondeur d’investigation) en milieu urbain -rapide (faibles coûts) Prospection mêmes avantages que la méthode électrique électrostatique résistivité structure du terrain mais en s’affranchissant du problème -limitée aux 10 premiers mètres du contact avec le sol  -limitée en pratique au profilage -la conductivité présente structure du terrain et -sensible aux perturbateurs Conductivimètre conductivité (inverse de la une grande gamme perturbateurs métalliques E.M. Slingram résistivité) de variations métalliques -inopérante en milieux résistants -très rapide (faibles coûts) (supérieurs à 500 Ohm.m) -profondeur d’investigation mal contrôlée RadioMagnétoTelluri -la résistivité présente une -perturbation par les réseaux mesure de la résistivité à partir du -structure du terrain grande gamme de métalliques (difficile en milieu que, MT-VLF, champ émis par les émetteur -structures métalliques variations urbain) VLF-R L.F. et V.L.F. allongées(cables..) -rapide -nécessité d’utiliser 2 émetteurs de directions approximativement perpendiculaires réflexion des ondes E.M. sur les très grande résolution structure du terrain -profondeur d’investigation limitée Radar-Sol contrastes de identification d’obstacles géométrique de la par la présence d’argile permittivité structure du terrain