Techniques d'exploration minérale - Chapitre 3 PDF

Chapitre 3 TECHNIQUES DE GÉOPHYSIQUE  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 1. Introduction à la Géophysique La géophysique est la science qui étudie la Terre en utilisant les principes de la physique. Elle s'intéresse à la structure interne de notre planète, à sa composition, ainsi qu'aux...

Chapitre 3 TECHNIQUES DE GÉOPHYSIQUE  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 1. Introduction à la Géophysique La géophysique est la science qui étudie la Terre en utilisant les principes de la physique. Elle s'intéresse à la structure interne de notre planète, à sa composition, ainsi qu'aux processus dynamiques qui la façonnent. Pour ce faire, les géophysiciens analysent des propriétés physiques telles que la gravité, le magnétisme, les ondes sismiques, la chaleur et les champs électriques. Pourquoi la géophysique est-elle importante ? ‣ Exploration des ressources naturelles : Grâce à des méthodes comme la sismique réfraction ou la gravimétrie, les géophysiciens aident à localiser des gisements de pétrole, de gaz, de minéraux et d'eau ‣Recherche fondamentale : La géophysique est au cœur de notre souterraine, essentiels à notre économie. compréhension des processus géologiques fondamentaux, tels que la tectonique des plaques, la formation des montagnes et l'évolution de la ‣ Gestion des risques naturels : En surveillant l'activité sismique, Terre. volcanique et les mouvements de terrain, les géophysiciens contribuent à ‣Autres domaines d'application : La géophysique trouve également la prévision et à la mitigation des risques liés aux catastrophes naturelles. des applications en archéologie pour localiser des sites enfouis, en ‣ Études environnementales : La géophysique permet de détecter et de ingénierie civile pour étudier la stabilité des sols, en océanographie caractériser la pollution du sol et des eaux souterraines, ainsi que pour comprendre les fonds marins et même en planétologie pour d'évaluer l'impact des activités humaines sur l'environnement. explorer d'autres corps célestes..  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 1. Introduction à la Géophysique Rappel: Structure Interne de la Terre ‣ Le manteau terrestre : La géophysique est la science qui étudie la Terre en utilisant les principes de la Situé sous la croûte, il s’étend jusqu'à une profondeur d'environ 2 900 km. physique. Elle s'intéresse à la structure interne de notre planète, à sa Il est constitué principalement de roches silicatées riches en magnésium et en fer. composition, ainsi qu'aux processus dynamiques qui la façonnent. Pour ce faire, Le manteau supérieur est partiellement fondu, créant une zone appelée les géophysiciens analysent des propriétés physiques telles que la gravité, le asthénosphère, sur laquelle les plaques tectoniques se déplacent. magnétisme, les ondes sismiques, la chaleur et les champs électriques. Des processus de convection dans le manteau sont responsables des mouvements ‣ La croûte terrestre : des plaques tectoniques et des phénomènes volcaniques. C’est la couche la plus externe de la Terre, relativement mince et solide. Elle ‣ Le noyau terrestre : représente environ 1 % du volume total de la Terre. Situé sous le manteau, il est divisé en deux parties : un noyau externe liquide et un ‣ Croûte continentale : Plus épaisse (environ 30 à 70 km), composée noyau interne solide. principalement de roches granitiques. Noyau externe (environ 2 200 km d'épaisseur) : Composé principalement de fer ‣ Croûte océanique : Plus fine (environ 5 à 10 km), composée de roches et de nickel, il est en fusion. Ce mouvement de métal liquide génère le champ basaltiques plus denses. magnétique terrestre. Cette couche est fragmentée en plusieurs plaques tectoniques qui bougent et Noyau interne (environ 1 220 km de rayon) : Solide, constitué de fer et de nickel, interagissent entre elles. il atteint des températures similaires à celles de la surface du Soleil, mais reste solide en raison de la pression immense.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 1. Introduction à la Géophysique Propriétés physiques et chimiques des différentes couches ‣ La croûte terrestre : ‣ Le noyau terrestre : Densité : La croûte océanique est plus dense (environ 2,9 g/cm³) que la croûte Densité : Le noyau externe a une densité de 9,9 à 12,2 g/cm³, tandis que le noyau continentale (environ 2,7 g/cm³). interne est encore plus dense (environ 12,6 à 13 g/cm³). Composition chimique : La croûte continentale est riche en silice (SiO₂), Composition chimique : Principalement constitué de fer et de nickel avec des tandis que la croûte océanique est plus riche en fer et magnésium (roches traces d’éléments légers comme le soufre et l'oxygène. basaltiques). Propriétés physiques : Le noyau interne est solide en raison des hautes pressions, tandis que le noyau externe est liquide, permettant la création du champ ‣ Le manteau terrestre : magnétique terrestre. Densité : Environ 3,3 à 5,7 g/cm³, augmentant avec la profondeur. Composition chimique : Principalement composé de péridotite (olivine, pyroxènes, et d'autres minéraux riches en fer et magnésium). Propriétés physiques : Le manteau se comporte comme un fluide extrêmement visqueux à long terme, permettant les mouvements de convection  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques Le Géophysicien s’intéresse aux propriétés électriques des sols et roches car, comme par exemple la densité ou la susceptibilité magnétique, elles permettent de caractériser et d'imager le sous-sol. Les propriétés électriques peuvent être mesurées de plusieurs façons. Les trois propriétés fondamentales sont : 1. l'activitée électrochimique : base de la polarisation spontanée (P.S.) ; 2. la résistivité : facilite avec laquelle on peut faire passer un courant électrique dans la roche ; 3. la constante diélectrique : capacite des roches a emmagasiner de l'Energie et a la restituer ; à la base de la polarisation provoquée (P.P.). La mesure de ces propriétés permet d'atteindre une très vaste échelle de profondeurs d'investigation (Sondages DC : quelque mètres - Magnétotellurique : 20 a 100 km). Elles peuvent également permettre de faire ressortir des structures invisibles a d'autres méthodes (par exemple la table d’eau est très souvent mieux dénie par les méthodes électriques).  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques a. La polarisation spontanée ‣ Sources naturelles du potentiel électrique: Le potentiel électrique naturel de la Terre est le résultat de plusieurs processus Par polarisation spontanée, on entend deux choses. D'abord on peut parler du géophysiques. phénomène physique comme tel, a savoir la génération de potentiels électriques Ces processus incluent : dans les sols sans influence humaine. On utilise également cette expression pour designer la méthode de prospection Phénomènes atmosphériques: Les orages et les courants d'air ionisent basée sur la mesure du phénomène. l'atmosphère, créant un champ électrique statique autour de la Terre. La polarisation spontanée est causée par l'activité électrochimique ou mécanique, Interactions avec le champ magnétique terrestre: Les variations du champ soient: magnétique terrestre, notamment causées par le vent solaire, induisent des courants électriques dans la croûte terrestre (courants telluriques). Activité sismique: Les mouvements des roches lors des séismes génèrent des (1) altération des sulfures ; charges électriques, créant des potentiels électriques transitoires. (2) variation de la composition des roches aux contacts géologiques ; Activité volcanique: Les éruptions volcaniques libèrent des gaz ionisés et des (3) activité bioélectrique du matériel organique ; particules chargées, créant des champs électriques et magnétiques. (4) corrosion ; Mouvement des eaux souterraines: Les différences de charge et de (5) et gradients thermiques et pression dans les fluides souterrains. conductivité des eaux souterraines génèrent des courants électriques. Différences de température: Les variations de température dans la Terre induisent des flux de charges électriques (effet thermoélectrique).  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques a. La polarisation spontanée ‣ Domaines d’application: Les principales applications de la mesure de la PS sont : 1. La localisation des limites d’extension des zones ou des couches perméables ; 2. La recherche de gisement de minerais ; 3. L’étude de la circulation hydrothermale dans les édifices volcaniques pour la géothermie et la volcanologie et d’une manière plus générale, l’étude des circulations souterraines de fluide ; 4. La recherche de fuite dans un barrage, une digue, ou dans une canalisation ; 5. La délimitation des panaches de pollutions ; 6. L’estimation de la résistivité de l’eau ; 7. Une indication qualitative de l’argilosité des formations. La PS dans la pyrite selon Sato et Mooney in Chouteau  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques a. La polarisation spontanée ‣ Moyens nécessaires à l’acquisition Equipements : La mesure de la polarisation spontanée nécessite au moins une paire d’électrodes impolarisables et un voltmètre ou un résistivimètre (Terrameter LS2, Iris Syscal ou Lippmann 4Point Light) : Le voltmètre doit avoir une impédance d'entrée assez forte (supérieure à 200MOhm) pour que le courant venant de la terre pendant la mesure soit négligeable ; Les électrodes employées doivent être non-polarisables pour éviter l’accumulation de charges à la surface de l’électrode métallique (potentiels parasites qui peuvent avoir un ordre de grandeur similaire aux valeurs que l'on veut mesurer). Elles doivent également avoir un coefficient de température assez faible (200 uV/°C) afin de garder une certaine stabilité lors des variations de température. Elle va être constituée d'un métal plongé dans une solution saturée de son propre sel (Cu dans SO4Cu, Zn dans SO4Zn), contenue dans un pot poreux qui permet à la solution de diffuser lentement et d'assurer le contact avec le sol Positionnement : matériel pour le repérage des profils, jalons, décamètre, GPS Véhicules : 1 x véhicule de transport léger (camionnette, break), de préférence tout-terrains/ tout-chemins, permettant le transport du personnel et des équipements. Les mesures se font ensuite à pied Personnel et compétences : 1 x opérateur qualifié pour la mise en œuvre,  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques a. La polarisation spontanée Mesure PS et ERT ‣ Mise en œuvre sur le Terrain ▪ Avant chaque démarrage de mission, il convient de relever la différence de potentiel au sein des couples d'électrodes une fois qu’elles sont placées dans un bac rempli d'eau salée non saturée. La différence doit être inférieure à 2 mV et les couples ainsi formés doivent être soigneusement étiquetés pour pouvoir les conserver ensemble durant toute l’étude. Si cette valeur est trop forte, on peut essayer de l'améliorer en remplaçant l'une des électrodes. ▪ Avant le début de la mission puis à la fin de chaque journée d’acquisition, les paires électrodes sont reliées entre elles par un même fil électrique puis placées dans un bac rempli d'eau salée non saturée afin d'éviter de réduire la porosité des céramiques qui assurent le contact à la base de électrodes. Les profils de mesure devront être, dans la mesure du possible, perpendiculaires à la direction des anomalies recherchées, avec une distance entre points de mesure comprise entre 3 et 30m. Profils PS et ERT  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques a. La polarisation spontanée Mesure PS et ERT ‣ Mise en œuvre sur le Terrain Deux types de dispositifs peuvent être mis en œuvre, la technique dite de “Base-Fixe” et la technique dite de “Gradient” : 1. « Base fixe » : Une première électrode fixe, située dans un endroit calme et représentatif de l'étude, va servir de base. Une seconde électrode est déplacée le long du profil de façon à mesurer la distribution de potentiel électrique. Les mesures étant faites avec la même base, la lecture du potentiel est directe par rapport à un point fixe et cela rend les erreurs liées à la différence de potentiel entre électrodes négligeables. L’inconvénient de cette technique réside dans la longueur des profils, limitée par la longueur des câbles. Cette technique est donc le plus souvent utilisée pour des zones à prospecter relativement petites (< 1 km²) ; 2. « Gradient » : Les 2 électrodes sont simultanément déplacées le long du profil, en conservant un intervalle constant entre elles. Cela revient alors à mesurer la différence de potentiel le long d’un dipôle constitué de deux électrodes fixes. Cette technique est utilisée pour cartographier des zones étendues (> 1 km²). En additionnant les valeurs successives mesurées, on obtient un profil de potentiel comparable à celui obtenu avec le premier dispositif mais en risquant néanmoins d'ajouter également les erreurs de zéro au fur et à mesure de la progression. Profils PS et ERT  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques b. Méthodes à conduction de courant DC Également appelées méthodes de résistivité électriques. Elles sont basées sur la mesure de la réponse électrique du sous-sol à l'injection d'un courant électrique direct ou de basse fréquence. Le principe fondamental de ces méthodes est de mesurer la résistivité électrique du sol ou des roches, qui est une propriété physique importante pour caractériser les matériaux souterrains. Elles se distinguent de la P.S. ou on mesure le potentiel généré naturellement, et de la P.P. ou on injecte un courant alternatif (AC). La résistivité électrique est la propriété physique qui montre les plus forts contrastes en géophysique. Par exemple, l'argent natif présente une résistivité de 1,6 x 10- 8 Ωm, alors que celle du soufre est de 1016 m. On a donc 1024 ordres de grandeur de différence entre les deux. On distingue trois grandes classes de conducteurs : 108 - 1 Ωm : bon conducteurs, Ωm : Ohm 1 - 107 Ωm : conducteurs intermédiaires, 107 - ∞ : faibles conducteurs. Les variations de résistivité pour un minéral particulier sont énormes, et peuvent dépendre des impuretés et des cristaux. En général, dans les roches ignées, la résistivité apparente est élevée. Si la roche est saine, peu fracturée, pas poreuses, peu de fluide y circule et elle sera très résistantes. Les fractures diminuent la résistivité.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques b. Méthodes à conduction de courant DC ‣ Résistivité de quelques minéraux  Chapitre 3 Techniques de Géophysique ‣ Principe de base 2. Méthodes de Géophysique 1.Injection du courant électrique : Un courant continu est injecté dans le sol à l'aide de deux électrodes, appelées électrodes de courant (A et Méthodes électriques B). Ces électrodes sont disposées à la surface de la Terre ou le long d'une ligne de prospection. b. Méthodes à conduction de courant DC 2.Mesure de la différence de potentiel : Deux autres électrodes, appelées électrodes de potentiel (M et N), sont placées entre les ‣ Domaines d’applications électrodes de courant pour mesurer la différence de potentiel résultant du passage du courant à travers le sous-sol. Les méthodes de résistivité électrique sont couramment utilisées dans divers 3.Résistivité apparente : La résistivité électrique du sous-sol est domaines : calculée en fonction de la quantité de courant injecté, de la différence de Hydrogéologie : Pour localiser des nappes d'eau souterraines ou des zones potentiel mesurée, et de la géométrie de disposition des électrodes. La aquifères. résistivité apparente est la valeur mesurée et est influencée par la Exploration minière : Pour détecter des corps minéralisés et des zones altérées distribution des résistivités dans le sous-sol. associées à des minéralisations. 4.Interprétation : Les valeurs mesurées de résistivité apparente sont Géothermie : Pour cartographier des structures favorisant la circulation de interprétées pour déterminer la distribution de la résistivité en fluides thermiques. profondeur. Cela permet de détecter des structures géologiques, des Études environnementales : Pour identifier des zones contaminées ou des aquifères, des fractures, des zones d’altération ou des corps minéralisés. réservoirs polluants dans le sol. Géotechnique : Pour l’étude des fondations de grandes infrastructures.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques b. Méthodes à conduction de courant DC ‣ Configuration d’électrodes Différentes configurations d’électrodes (schémas de quadripôle) sont utilisées, les plus courantes étant : ‣ Schéma de Schlumberger : Les électrodes de courant sont éloignées des électrodes de potentiel, permettant d’obtenir des données à des profondeurs variables en modifiant la distance entre les électrodes de courant. ‣ Schéma de Wenner : Les électrodes de courant et de potentiel sont espacées à des distances égales, ce qui simplifie le calcul de la résistivité apparente. ‣ Schéma dipôle-dipôle : Utilisé pour des levés à plus grande résolution latérale.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique ‣ Principe de base 2. Méthodes de Géophysique 1.Injection du courant électrique : Un courant continu est injecté dans le sol à l'aide de deux électrodes, appelées électrodes de courant (A et Méthodes électriques B). Ces électrodes sont disposées à la surface de la Terre ou le long d'une ligne de prospection. b. Méthodes à conduction de courant DC 2.Mesure de la différence de potentiel : Deux autres électrodes, appelées électrodes de potentiel (M et N), sont placées entre les ‣ Domaines d’applications électrodes de courant pour mesurer la différence de potentiel résultant du passage du courant à travers le sous-sol. Les méthodes de résistivité électrique sont couramment utilisées dans divers 3.Résistivité apparente : La résistivité électrique du sous-sol est domaines : calculée en fonction de la quantité de courant injecté, de la différence de Hydrogéologie : Pour localiser des nappes d'eau souterraines ou des zones potentiel mesurée, et de la géométrie de disposition des électrodes. La aquifères. résistivité apparente est la valeur mesurée et est influencée par la Exploration minière : Pour détecter des corps minéralisés et des zones altérées distribution des résistivités dans le sous-sol. associées à des minéralisations. 4.Interprétation : Les valeurs mesurées de résistivité apparente sont Géothermie : Pour cartographier des structures favorisant la circulation de interprétées pour déterminer la distribution de la résistivité en fluides thermiques. profondeur. Cela permet de détecter des structures géologiques, des Études environnementales : Pour identifier des zones contaminées ou des aquifères, des fractures, des zones d’altération ou des corps minéralisés. réservoirs polluants dans le sol. Géotechnique : Pour l’étude des fondations de grandes infrastructures.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique ‣ Intérêt par rapport à la résistivité électrique 2. Méthodes de Géophysique La polarisation provoquée est complémentaire à la méthode de résistivité électrique. Tandis que Méthodes électriques la résistivité mesure la capacité d'un milieu à conduire un courant électrique, la polarisation c. La polarisation provoquée PP provoquée renseigne sur les processus électrochimiques qui se produisent dans le La polarisation provoquée (PP) est une technique géophysique qui sous-sol. Elle est donc particulièrement adaptée exploite les propriétés électrochimiques du sous-sol. Elle consiste à à la détection de matériaux hétérogènes et à la injecter un courant électrique dans le sol puis à mesurer la réponse caractérisation des propriétés électrochimiques électrique du milieu. Cette réponse est influencée par la présence de des milieux. matériaux conducteurs (métaux, minéraux) et par les processus ‣ Types de polarisation : électrochimiques qui se produisent au niveau des interfaces entre les Polarisation électrochimique : Ce différentes phases du sous-sol (minéraux, eau, air). phénomène se produit principalement en présence de minéraux métalliques ‣ Domaines d’applications disséminés (sulfures, oxydes). Les La polarisation provoquée est largement utilisée dans : charges s'accumulent à la surface des L'exploration minière : Elle permet de détecter des grains minéraux conducteurs lors du minéralisations sulfurées (cuivre, or, zinc) et d'autres types de passage du courant. gisements minéraux. Polarisation électrocinétique : Causée Les études environnementales : Elle peut être utilisée pour par le mouvement des ions dans les pores caractériser la pollution des sols, notamment par des métaux saturés en eau, souvent observée dans des lourds. matériaux argileux ou des roches poreuses contenant des fluides salins.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes électriques c. La polarisation provoquée PP ‣ Sources des courants Pour les mesures P.P. en exploration, les sources doivent être puissante car les distances entre électrodes peuvent être grandes. On utilise alors de génératrices permettant d'atteindre des puissance de 1 a 10 kW. Pour les mesures DC en environnement ou en génie, les écartements entre électrodes sont plus modestes, et une batterie de voiture 12V est suffisante pour alimenter la source de courant pendant une journée. Lors de levés P.P., on utilise nécessairement un courant alternatif. Cependant, pour un levé de résistivité, il est possible d'utiliser une source DC directement (batterie 12V). L'avantage de la source DC est qu'on mesure la vraie résistivité DC. Cependant, la polarisation spontanée se superpose a la mesure et il faut donc la mesurer séparément et la soustraire. De plus, l'utilisation d'une source DC requiert l'utilisation de pots poreux. Pour ces raisons, on travaille généralement avec une source AC de basse fréquence. Le signal est en habituellement une onde carrée avec inversion de polarite, qui permet de réduire les effets de polarisation électrolytique. L'avantage d'une source AC est donc qu'on élimine plus facilement l’effet dû a la P.S. Par contre, la résistivité mesurée n'est pas la vraie résistivité DC, mais est légèrement plus faible. La source AC entraine également des problèmes de couplage et de courants de fuite (en particulier dans les sols humides).  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes sismiques ‣ La géophysique sismique repose sur la propagation des ondes sismiques dans le sous-sol pour explorer les structures géologiques et déterminer la profondeur et la forme des discontinuités géologiques. Cette méthode est largement utilisée en exploration minière, pétrolière, et dans les études géotechniques. ‣ Elle se divise en deux méthodes principales : la sismique réflexion et la sismique réfraction, chacune ayant ses applications et son principe spécifique.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes sismiques La méthode sismique repose sur deux phénomènes principaux : ‣ La génération d’ondes sismiques. ‣ L’enregistrement et l’analyse de la réponse du sous-sol à ces ondes. Ces ondes sont générées soit par des sources naturelles (comme les tremblements de terre) soit par des sources artificielles (explosions contrôlées, coups de masse, ou sources vibratoires). Les variations des propriétés des roches (densité, élasticité) influencent la manière dont les ondes se propagent, ce qui permet d'inférer la structure et la composition du sous-sol. Lorsque les ondes sismiques se déplacent dans la Terre, elles sont réfléchies, réfractées, diffractées ou diffractées en fonction des discontinuités (couches géologiques, failles, gisements) qu’elles rencontrent. En enregistrant et en interprétant ces signaux, il est possible de construire des images du sous-sol et d’identifier des structures géologiques.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes sismiques ‣ Types d’ondes sismiques Il existe plusieurs types d’ondes sismiques, mais les plus importantes pour les levés sismiques sont les suivantes : a. Ondes de volume : Ce sont les ondes qui se propagent à l'intérieur de la Terre. ▪ Ondes P (primaires) : Ce sont des ondes de compression (longitudinales), qui se propagent plus rapidement et peuvent se déplacer à travers les solides, les liquides et les gaz. ▪ Ondes S (secondaires) : Ce sont des ondes de cisaillement (transversales), qui se déplacent plus lentement que les ondes P et ne peuvent se propager qu'à travers des solides. b. Ondes de surface : Elles se propagent le long de la surface de la Terre et ont une amplitude plus élevée que les ondes de volume, mais elles se dissipent rapidement en profondeur. ▪ Ondes de Rayleigh : Elles provoquent des mouvements elliptiques rétrogrades à la surface de la Terre, comme des vagues sur l’eau. ▪ Ondes de Love : Ce sont des ondes de cisaillement qui provoquent un mouvement horizontal perpendiculaire à la direction de propagation.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes sismiques ‣ Processus d’acquisition des données sismiques i. Source sismique : Des impulsions d'énergie sont générées par des sources telles que des explosifs, des véhicules vibrateurs (camions vibreurs), ou des coups de masse. Ces sources créent des ondes sismiques qui se propagent dans le sol. ii. Capteurs (géophones) : Des géophones ou hydrophones sont disposés à la surface (ou dans des forages sous-marins) pour capter les ondes sismiques réfléchies ou réfractées. Ces capteurs mesurent les mouvements du sol induits par les ondes sismiques. iii. Traitement des données : Les signaux captés sont traités à l’aide de logiciels spécialisés. Ce traitement inclut le filtrage des bruits, la conversion des temps de trajet en profondeur (migration) et la construction d’images sismiques en deux ou trois dimensions. iv. Interprétation : Les images obtenues sont analysées pour identifier les structures géologiques telles que les failles, les plis, les réservoirs d’hydrocarbures, ou d’autres anomalies géologiques.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes sismiques ‣ Processus d’acquisition des données sismiques i. Source sismique : Des impulsions d'énergie sont générées par des sources telles que des explosifs, des véhicules vibrateurs (camions vibreurs), ou des coups de masse. Ces sources créent des ondes sismiques qui se propagent dans le sol. ii. Capteurs (géophones) : Des géophones ou hydrophones sont disposés à la surface (ou dans des forages sous-marins) pour capter les ondes sismiques réfléchies ou réfractées. Ces capteurs mesurent les mouvements du sol induits par les ondes sismiques. iii. Traitement des données : Les signaux captés sont traités à l’aide de logiciels spécialisés. Ce traitement inclut le filtrage des bruits, la conversion des temps de trajet en profondeur (migration) et la construction d’images sismiques en deux ou trois dimensions. iv. Interprétation : Les images obtenues sont analysées pour identifier les structures géologiques telles que les failles, les plis, les réservoirs d’hydrocarbures, ou d’autres anomalies géologiques.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes gravimétrique La méthode géophysique gravimétrique est une technique d'exploration géophysique qui mesure les variations du champ gravitationnel terrestre causées par les différences de densité des roches dans le sous-sol. Les anomalies gravimétriques détectées aident à identifier des structures géologiques comme des failles, des bassins sédimentaires, des intrusions magmatiques, ou même des gisements de minerais et de pétrole. ‣ Principe de base La gravimétrie repose sur la loi universelle de la gravitation de Newton, qui stipule que tout corps attire un autre corps avec une force proportionnelle à la masse des objets et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. En géophysique, cela se traduit par le fait que des variations de densité dans le sous-sol modifient la force gravitationnelle locale mesurable à la surface. La densité des roches varie selon leur composition : par exemple, les roches magmatiques denses (comme le basalte) exercent une plus grande attraction gravitationnelle que les roches sédimentaires moins denses (comme le grès). Ces différences de densité créent des anomalies gravimétriques, qui sont des écarts par rapport à la gravité normale théorique à un endroit donné.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes gravimétrique ‣ Mesure de la gravité Les variations du champ gravitationnel terrestre sont mesurées à l'aide de capteurs extrêmement sensibles appelés gravimètres. Ces instruments mesurent les petites variations dans la gravité avec une grande précision, souvent exprimées en milliGals (1 Gal = 1 cm/s²). Les relevés gravimétriques peuvent être effectués de différentes manières : Au sol : Les gravimètres sont placés à des intervalles réguliers le long d'un profil ou d'une grille pour cartographier la distribution des anomalies gravimétriques. Aérien : Des gravimètres sont embarqués dans des avions pour survoler de grandes zones, souvent à basse altitude, afin de collecter des données sur des régions difficiles d’accès. Marin : Les gravimètres peuvent également être utilisés à bord de navires pour mesurer les variations gravimétriques sous-marines.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes gravimétrique ‣ Types d’anomalies Anomalies gravimétriques positives : Elles se produisent lorsque des corps plus denses que les roches environnantes (comme des intrusions magmatiques ou des dômes salins) augmentent localement la gravité. Anomalies gravimétriques négatives : Elles se produisent lorsque des matériaux moins denses que les roches environnantes (comme des bassins sédimentaires ou des cavités) réduisent la gravité mesurée.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes gravimétrique ‣ Traitement et correction des données Les mesures gravimétriques brutes sont influencées par plusieurs facteurs, et plusieurs corrections doivent être appliquées pour isoler les anomalies dues uniquement aux structures géologiques. Parmi les principales corrections figurent : 1. Correction de marée : Le champ gravitationnel terrestre est influencé par les marées lunaires et solaires, qui doivent être soustraites des données brutes. 2. Correction de latitude : La gravité varie avec la latitude en raison de la forme non sphérique de la Terre et de sa rotation. Cette correction ajuste les mesures en fonction de la position géographique. 3. Correction topographique : Les variations de relief (montagnes, vallées) modifient la gravité locale et nécessitent une correction basée sur la topographie locale. 4. Correction de Bouguer : Cette correction tient compte de la masse des matériaux situés entre la station de mesure et le niveau de référence, habituellement le niveau de la mer. Elle permet de compenser l'effet gravitationnel du terrain situé sous le point de mesure. Une fois les corrections effectuées, les anomalies gravimétriques restantes représentent des écarts par rapport à un champ de gravité théorique et peuvent être interprétées géologiquement.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes gravimétrique ‣ Domaines d’application 1. Exploration pétrolière et gazière : La gravimétrie est couramment utilisée pour identifier des bassins sédimentaires profonds, où des hydrocarbures peuvent s’être accumulés. Les anomalies gravimétriques peuvent révéler des structures favorables, telles que des anticlinaux, des dômes ou des pièges stratigraphiques. 2. Exploration minière : La gravimétrie permet de détecter des gisements de minerais denses comme les sulfures métalliques (cuivre, plomb, zinc) ou les minerais de fer et de chrome, car ces matériaux ont des densités élevées. 3. Cartographie géologique : Elle est utilisée pour cartographier les structures géologiques profondes, comme les failles, les plis ou les contacts entre différentes unités lithologiques. 4. Études géotechniques : La gravimétrie aide à détecter des cavités souterraines, des zones de fracture, ou des fondations rocheuses, notamment avant des travaux de génie civil (barrages, tunnels). 5. Études environnementales : Elle est parfois utilisée pour identifier des zones de densité anormale, comme des sites de stockage de déchets enfouis ou des zones de contamination.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés Dans la géophysique aéroportée, des instruments sont montés à bord d’aéronefs pour mesurer en continu différentes propriétés géophysiques du sous-sol tout en survolant la zone d’étude à basse altitude et à vitesse contrôlée. Les données obtenues sont ensuite corrigées et interprétées pour obtenir des cartes géophysiques détaillées. Les principaux avantages de cette méthode incluent la capacité de couvrir de grandes surfaces rapidement, même dans des régions éloignées ou inaccessibles au sol, et de détecter des anomalies géophysiques indicatives de la présence de structures géologiques ou de gisements minéraux.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés Il existe plusieurs techniques géophysiques aéroportées couramment utilisées, chacune adaptée à l'étude d'une propriété géophysique spécifique : 1. Magnétométrie aéroportée La magnétométrie aéroportée mesure les variations du champ magnétique terrestre causées par les roches et minéraux contenant du fer ou d'autres éléments magnétiques. Le magnétomètre, un capteur très sensible, est monté à bord de l’aéronef et enregistre les variations magnétiques le long des lignes de vol. Principe : Les roches magnétiques, comme les basaltes ou les gisements de sulfures, modifient localement le champ magnétique terrestre. Ces anomalies magnétiques peuvent être détectées et cartographiées. Applications : La magnétométrie aéroportée est largement utilisée dans l'exploration minière pour détecter des gisements de fer, nickel, cuivre, ainsi que pour cartographier des structures tectoniques ou des failles.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés 2. Gravimétrie aéroportée La gravimétrie aéroportée mesure les variations du champ gravitationnel terrestre. Comme pour la gravimétrie au sol, les variations sont causées par les différences de densité des roches sous-jacentes, mais cette technique permet une couverture beaucoup plus vaste et rapide. Principe : Des gravimètres embarqués mesurent les petites variations dans le champ gravitationnel terrestre causées par des corps denses (comme des intrusions magmatiques ou des gisements métalliques). Applications : Utilisée pour détecter des structures géologiques profondes comme des bassins sédimentaires (dans l'exploration pétrolière), ou pour localiser des gisements minéraux.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés 3. Électromagnétisme aéroporté (EM aéroporté) La méthode électromagnétique aéroportée repose sur la mesure de la conductivité électrique du sous-sol. Un émetteur à bord de l’aéronef envoie des ondes électromagnétiques dans le sol, et les réponses induites dans les matériaux conducteurs (comme les minéraux métalliques ou les nappes phréatiques) sont enregistrées par des récepteurs. Principe : Les ondes électromagnétiques interagissent avec les matériaux souterrains conducteurs, générant des courants électriques qui sont mesurés par les capteurs à bord. Les matériaux conducteurs (minéraux, eau) et non conducteurs (roches sèches, sable) génèrent des réponses différentes. Applications : Cette technique est couramment utilisée pour détecter des gisements de sulfures métalliques, des nappes d'eau souterraines, ou pour cartographier des structures géologiques complexes comme des failles et des fractures.  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés 4. Radiométrie aéroportée La radiométrie aéroportée mesure la radioactivité naturelle de la surface terrestre en détectant les rayonnements gamma émis par les isotopes radioactifs comme le potassium-40, l'uranium et le thorium. Les capteurs gamma sont placés dans l'aéronef pour enregistrer la distribution spatiale des rayonnements. Principe : Les roches à la surface de la Terre émettent naturellement des rayonnements gamma, dont l'intensité varie en fonction de leur composition minérale. Les roches riches en potassium, uranium ou thorium génèrent des niveaux de rayonnement plus élevés. Applications : La radiométrie aéroportée est utilisée pour la cartographie géologique, l'exploration des minéraux contenant de l'uranium, et même pour des applications agricoles et environnementales (comme la cartographie des sols).  Chapitre 3 Techniques de Géophysique 2. Méthodes de Géophysique Méthodes géophysiques aéroportés ‣ Limites de la géophysique aéroportée Coût élevé : Les relevés aéroportés impliquent l’utilisation d’aéronefs spécialisés, d’équipements sophistiqués et de personnel qualifié, ce qui peut rendre cette méthode plus coûteuse que les relevés géophysiques terrestres. Profondeur d'investigation limitée : En raison de la distance entre les capteurs et la surface du sol, les levés aéroportés sont principalement efficaces pour explorer des structures géologiques proches de la surface (jusqu'à quelques centaines de mètres de profondeur). Pour les structures plus profondes, des levés terrestres sont souvent nécessaires. Merci pour votre attention