Cours et TD de Géophysique Appliquée - 2023 PDF

COURS et TD DE GEOPHYSIQUE APPLIQUEE I. Introduction II. Gravimétrie III. Sismique IV. Méthodes électriques V. Méthodes magnétiques VI. Méthodes électromagnétiques VII. Radioactivité Déroulé et évaluations : Géophysique Appliquée : 27/09 - 9h-12h 27/09...

COURS et TD DE GEOPHYSIQUE APPLIQUEE I. Introduction II. Gravimétrie III. Sismique IV. Méthodes électriques V. Méthodes magnétiques VI. Méthodes électromagnétiques VII. Radioactivité Déroulé et évaluations : Géophysique Appliquée : 27/09 - 9h-12h 27/09 -13H-16H 04/10 - 9h-12h 05/10 - 9h-12h 12/10 - 9h-12h 18/10 - 9h-12h 19/10 - 10h-12h 20/12 - 9h-12h : Oraux du projet Evaluations : 30 % Projet + 70% Contrôle terminal Communication- Documentation : 26/10 - 9h-12h 08/11 - 9h-12h 15/11 - 9h-12h 13/12 - 9h-12h I. Introduction 1. Généralités et Applications 2. Différentes méthodes géophysiques 3. Paramètres physiques a. Densité b. Vitesses sismiques c. Caractéristiques électriques d. Caractéristiques magnétiques e. Caractéristiques radioactives 1. Généralités et Applications Quelques définitions : Géophysique : Application de la physique à l’étude de la Terre et des autres planètes Géophysique appliquée : études des couches superficielles dans un but technique et économique Historique : au 19ème siècle, recherche des gisements de matières utiles à l’Industrie en mesurant les perturbations des champs de force autour de ces gisements. La plus ancienne des techniques est le magnétisme. Dès le milieu du 19ème siècle, Balance de Schmidt utilisée pour localiser des gisements de fer magnétique. Lien :http://musee-sismologie.unistra.fr/collections/les-collections-de-magnetisme/balance-de-schmidt/ A la fin du 19ème , première application de la gravimétrie avec la détermination de la profondeur du lac Balaton en Hongrie à l’aide de la balance de torsion dûe au hongrois Eötvös. Lien : http://mek.oszk.hu/02000/02054/html/onehund.html Début du 20ème, un des précurseurs de la géophysique appliquée, Conrad Schlumberger a repris et réfléchi sur ces techniques liées à des champs naturels afin de suivre des perturbations dues à des champs artificiels. Il a appliqué, dans un premier temps, la méthode du champ électrique provoqué à un bassin ferrifère du Calvados et a pu ainsi délimiter le gisement. Dans les années 1930, essor de cette méthode pour la recherche de minerais et d’eaux souterraines. Vers 1970, la problématique environnementale est enfin devenue un sujet et les méthodes de résistivité électrique on été utilisées pour la recherche de sols contaminés ou encore pour la recherche de fûts contenant des déchets radioactifs Dans les années 1980, les méthodes géophysiques ont connu un progrès significatif avec l’utilisation des méthodes électromagnétiques, la sismique et des méthodes Radar pour la recherche de pétrole et de minerais. En Environnement, les domaines d’application de ces différentes méthodes sont : - Pédologie - Archéologie - Etude des sols pollués (décharge, friche industrielle) - Hydrogéologie (recherche des nappes phréatiques) - Recherche en minerais - Risques naturels ( Erosion, seismes) Exemple : Etude de la mise en place d’une décharge a) Exemple d’analyses effectuées avant la mise en place d’un site de stockage : Laboratoire CIGEO (ANDRA) pour le stockage des déchets radioactifs. https://www.andra.fr/sites/default/files/2018- 06/371-8.pdf https://meusehautemarne.andra.fr/le-milieu- geologique-fondement-du-stockage-geologique- profond b) Exemple suivi de glissement ou d’effondrement Les effondrements peuvent être dûs à des cavités souterraines naturelles ou plus souvent artificielles (activité minière ou carrière). La géophysique appliquée permet de dimensionner ces cavités et d’effectuer un suivi temporel. https://www.ifsttar.fr/fileadmin/user_u pload/editions/lcpc/GuideTechnique/Gu ideTechnique-LCPC-DETECTCAV.pdf  Fontis place de l'Alma causé par le creusement du tunnel du métro à Paris, 1915. Par Agence Rol — Bibliothèque Nationale de France, Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid =19697303 c). Exploration et protections des resources en eaux souterraines http://www.geophy.fr/ hydrogeologie.html 2. Les différentes méthodes géophysiques. Etudier le sous-sol nécessite dans un premier temps d’établir un modèle géologique. Dans les grandes lignes, cette étude consiste en : a) Dimensionnement Etude de la carte topographique et géologique – Site du BRGM – InfoTerre. Application sur telephone: InfoGeol et I-InfoTerrre Informations sur le système hydrographique Etude des photos aériennes et satellitaires (Géoportail et Remonterletemps) b) Proposition d’un modèle A partir des données collectées, des informations de terrain et de la bibliographie et on ajoute la liste des problèmes éventuels c) Sondage mécanique (géotechnique) Echantillonnage afin de déterminer la nature du sol Le modèle géologique établi, les techniques géophysiques sont choisies en fonction : Type de terrain Type de contraste attendu De la profondeur d’investigation Du niveau de détail visé Ainsi, la géophysique appliquée permet d’améliorer le modèle géologique en donnant une vision 3D du sous-sol  Principales méthodes en Géophysique Appliquée Groupe de méthodes Paramètre Champ mesuré Origine naturelle (N) physique étudié Ou provoquée (P) Gravimétrie Densité, r pesanteur N Sismique Vitesse vP et vS et/ou Temps de trajet et P impédance acoustique amplitude des signaux des ondes mécaniques émis (vitesse *densité) Electrique en courant Résistivité, r Différence de P continu potentiel Magnétisme Susceptibilité Champ magnétique N magnétique, k terrestre Electromagnétisme Résistivité, r Champ magnétique N ou P et/ou constante Champ électrique diélectrique e Radioactivité Radioactivité des Nombre d’événements N ou P roches Caractéristiques des 7 principales méthodes géophysiques Méthode Réponse à Mode de Profondeur Résolution Changement mesure de en pénétration Radar Propriétés Profil continu à 0,4 0 à 30 m. Limité La plus détaillée électriques km/h pour des par les fluides et de toutes les géologique principalement, mesures les sols à haute méthodes densité et teneur en détaillées, 0,8 conductivité fluides; mais aussi km/h pour de la électrique et par objet métalliques reconnaissance- les argiles Contact avec le sol non nécessaire Electro- Conductivité Profils continus de Profondeur à Excellente électrique du sol des 0,5 à 15 m de contrôler résolution latérale- magnétisme roches et des fluides profondeur. Résolution des pores Stations de mesure verticale de 2 (dominance de entre 15 et 60 m. niveaux ( pas de ceux-ci). Contact avec le sol détection de lits non nécessaire. fins). Méthode Réponse à Mode de Profondeur de Résolution Changement mesure pénétration en Résistivité Résistivité Stations de Profondeur contrôlée Bonne résolution électrique du sol mesures pour par l’espacement entre verticale de 3 à 4 D.C. des roches et des profils ou les électrodes-Limite niveaux- Pas de fluides des pores sondages- par l’espace disponible détection des lits (dominance de Nécessité d’un pour se déployer- fins. ceux-ci). contact avec le Puissance des moyens et sol. de la sensibilité importantes pour les grandes profondeurs Résistivité Réaction chimique Idem que ci- Idem que ci-dessus Idem que ci-dessus dans le sol dessus mais complexe mesures de fréquences spécifiques Méthode Réponse à Mode de Profondeur de Résolution Changement mesure pénétration en Réfraction Vitesse sismique du Stations de Profondeur limitée Bonne résolution sol et des roches mesures - par la longueur de verticale de 3 à 4 sismique transcrites en Nécessité d’un déploiement et par niveaux-S’accroît densité et contact avec le sol. la source d’énergie. avec la profondeur propriétés Pas de détection des élastiques. lits fins. Détecteur de Conductivité Continue- Contact Inférieur à 3 m ou 6 Très bonne capacité électrique des avec le sol non m selon les pour localiser des métaux métaux ferreux et nécessaire appareils sources. non-ferreux Magnétomètre Susceptibilité Champ total Inférieur à 6 ou 20 Bonne capacité magnétique des continu ou m selon les pour localiser des métaux ferreux. gradients de appareils sources. mesures ( certains instruments spécifiques)- Contact avec le sol non nécessaire. Avantages et inconvénients des techniques géophysiques Appareillage Type d’application Avantages et inconvénients Radar géologique Détection d’anomalies Haute résolution-Génération de souterraines (lithologie ou objet profils de mesure en continu- enterré)-Profondeur Possibilité de quadriller une zone d’investigation variable, entre 0 rapidement-Meilleurs résultats et 15 m selon la nature des par temps sec et dans les sols terrains sableux( les sols argileux et/ou saturés en eau interfèrent et limitent la profondeur de pénétration)-Interprétation nécessitant l’intervention de géophysiciens confirmés. Magnétomètre Détection de la présence et de Facile et rapide d’utilisation- l’extension de matériaux Outil très adapté pour un état ferromagnétiques dans les sols initial-Lectures affectées par la superficiels (bidon de 200 l proximité de structures en acier- identifiables à 3 m) >Interprétation nécessitant l’intervention de géophysiciens confirmés. Appareillage Type d’application Avantages et inconvénients Conductimètre Détection des variations de Collecte de données rapides-Possibilité conductivité électrique du sol de délimiter à grande échelle une (couches lithologiques, fluides, contamination organique et inorganique objets enterrés)-Profondeur des fluides de sous-surface- d’investigation variable en Interférences liées à la présence de fonction des appareils (0 à 30 m). structures-Réalisation et interprétation nécessitant l’intervention de géophysiciens confirmés. V.L.F. Détection des variations de Utilisation de longues ondes conductivité électrique en surface radios(utilisées en communication de et sous-surface par la 10 à 30 kHz-Utilisation des émetteurs déformation des ondes à très radios existants-Possibilités de basses fréquences-