Bref historique de la méthode de polarisation provoquée

Bref historique de la méthode de polarisation provoquée 

Le phénomène de polarisation provoquée a été constaté et décrit par Conrad Schlumberger vers 1913 (Seigel, 1959 ; Seigel et al., 2007 ; Kemna et al., 2012). Il a constaté que la différence de potentiel, mesurée entre deux électrodes, ne revenait pas toujours instantanément à zéro lors de la coupure d’un courant électrique initialement appliqué. Le potentiel décroissait progressivement vers zéro pendant un certain temps. Schlumberger a publié une monographie en 1920 (re-éditée à l’identique en 1930 (Schlumberger, 1930)) sur les méthodes de prospection électrique, dans laquelle il associe, dans un court chapitre, le phénomène de décroissance lente à une polarisation du sous-sol. Il a également signalé qu’il avait trouvé de longues décroissances similaires dans les roches non minéralisées. En 1929, il a utilisé la polarisation provoquée en recherche pétrolière en puits en URSS. Enfin, il a présenté ces données de PP comme un rapport entre le signal mesuré après la coupure de courant électrique Vs (potentiel secondaire) et le potentiel premier Vp établi après un long temps d’injection de courant continu. Seigel (1959) a proposé une formulation mathématique de la réponse d’un milieu de différentes résistivités et chargeabilités. Dans cette étude, il a introduit le paramètre “m” de la chargeabilité du milieu qui fut pendant de nombreuses années le paramètre quantitatif principal issu de l’interprétation des données de polarisation provoquée temporelle.

Jusqu’aux années 50, toutes les mesures PP du sous-sol étaient exclusivement observées et mesurées dans le domaine temporel. En 1950, lors de mesures expérimentales en laboratoire, Collett et Seigel ont trouvé que la résistivité d’un échantillon de sulfure diminue significativement en augmentant la fréquence du courant alternatif utilisé dans cette expérience (Seigel et al., 2007). La méthode en domaine fréquentiel a ensuite été généralisée par Wait (1959). Certains essais sur le terrain dans le domaine fréquentiel ont été réalisés en 1950-1951, mais cette recherche a été abandonnée en faveur du domaine temporel, car à cette époque les instruments de mesure n’étaient pas suffisamment performants (problème de sensibilité notamment) (Ghorbani, 2007 ; Okay, 2011). A partir des années 1950, des études sur l’origine physique des phénomènes observés ont débuté. Bleil (1953) a réalisé des études en laboratoire sur différents types de minéraux métalliques et du graphite pour expliquer l’origine du signal observé sur les sites miniers. Ces travaux ont montré qu’un potentiel de polarisation peut être mesuré à la surface d’un objet métallique ou lorsque des particules métalliques disséminées sont plongées dans un électrolyte. Il en a déduit que la meilleure application de la méthode concernait la prospection de minerais. Dans ces explications il a présenté l’origine de PP comme la suivante : au niveau de la surface électrolyte-particule métallique, il y a un changement dans le mode de conduction du courant (ionique vers électronique), donc les ions sont bloqués à la surface de la particule métallique, ce qui provoque une accumulation de charges électriques à l’interface ; celles-ci se relaxent lorsque le courant est arrêté. Dans ces mesures Bleil a utilisé des électrodes non-polarisables de type Ag/AgCl (Bleil, 1953).

Pendant les années 50, les travaux de Madden et ses collègues sont remarquables. Madden a développé la configuration de dipôle-dipôle pour le profilage et la pratique de la présentation des résultats de profil en 2D sous forme de pseudo-sections à la fois pour la résistivité et la réponse PP (Seigel et al., 2007). Cette dernière a été représentée à la fois par le pourcentage d’effet de fréquence (PFE : Percent Frequency Effect) et par le facteur métal (MF : Metal Factor) qui est la différence entre les conductivités prises à deux fréquences choisies, affectée d’un coefficient. Pour ces définitions et d’autres de grandeurs exploitées en PP, on peut se référer à (Telford et al., 1990). Entre 1956 et 1959, Madden et Marshall ont mené une série d’expérimentations en laboratoire combinées à des études théoriques sur la nature du signal PP observé dans des milieux ne possédant pas de particule métallique. Marshall et Madden (1959) proposent les premiers modèles sur les deux origines de la polarisation provoquée : la polarisation d’électrode et la polarisation de membrane: dans ces deux cas, le mécanisme de polarisation est lié à la diffusion des ions, et, par conséquent, ils ont conclu qu’il est difficile de distinguer entre ces deux types de polarisation. Par la suite Madden et Cantwell (1967) introduisent la notion d’impédance de Warburg afin de décrire quantitativement le phénomène PP par des circuits électriques équivalents. Vaquier et al. (1957) ont appliqué la méthode PP pour la recherche d’eaux souterraines. Après ces projets de recherche dans les années 1950, la méthode PP s’est répandue essentiellement pour l’exploration de minéralisations de sulfures en Amérique du Nord. Pendant ces années, les auteurs s’intéressaient pas à l’angle de phase qu’à la variation fréquentielle de l’amplitude de la résistivité (effet fréquentiel, FE).

A partir des années 1960, les recherches de PP sont focalisées sur la réponse spectrale (amplitude et phase) : c’est la résistivité complexe. Des modèles semi empiriques qui relient les observations de polarisation provoquée spectrale (PPS) avec des propriétés pétrophysiques du milieu voient le jour avec le travail de Schwarz (1962) sur les colloïdes. Ce travail a permis de relier le temps de relaxation à la taille des particules et au coefficient de diffusion des ions dans l’électrolyte. Pendant les années 1970-80, il y a eu des avancées dans l’instrumentation et dans l’interprétation des données de polarisation provoquée temporelle et fréquentielle (Zonge et al., 1972 ; Van Voorhis et al., 1973 ; Zonge et Hughes, 1980). Van Voorhis et al. (1973) ont souligné l’importance de réaliser les mesures fréquentielles sur une large gamme de fréquences pour bien mettre en évidence la variation en phase. Toutefois, la mise en œuvre de la résistivité complexe a toujours été difficile à cause du couplage électromagnétique observé à hautes fréquences. La question de couplage électromagnétique a été abordée par plusieurs chercheurs. D’abord Pelton et al. (1978) ont présenté un modèle de relaxation de la résistivité complexe à partir du modèle Cole-Cole (Cole et Cole, 1941), qui est en principe un modèle de dispersion de permittivité diélectrique, et ils ont proposé une méthode pour enlever les couplages électromagnétiques. Puis, Wong (1979) a présenté un modèle électrochimique pour décrire la polarisation mesurée en présence de particules métalliques. Pendant les années 80, la méthode PPS a été de plus en plus utilisée pour la prospection pétrolière et les applications environnementales. En ce qui concerne l’industrie pétrolière, la technique PP a été utilisée pour détecter les anomalies géochimiques créées par la présence d’hydrocarbures en profondeur. L’hypothèse est que les anomalies de PP mesurées au-dessus des réservoirs de pétrole sont liées aux disséminations de pyrite à grain fin provenant des hydrocarbures qui se sont infiltrés à partir du réservoir (Bussian, 1983 ; Vinegar et Waxman, 1984 ; De Lima et Sharma, 1992). En ce qui concerne les applications environnementales, Klein et Sill (1982) ont étudié l’effet de la taille des grains, de la conductivité de l’électrolyte et de la teneur en argile sur le spectre des échantillons artificiels composés d’argile, de perles de verre et d’eau. Ils ont découvert que le temps de relaxation est lié à la taille des grains de verre : c’est le même résultat que celui trouvé par Schwarz (1962).

Pendant les années 1990, les applications environnementales en PPS se sont étendues avec l’apparition de nouveaux instruments de haute précision. Vanhala et Soininen (1995) ont abordé la question de la fiabilité des mesures et l’impact des électrodes sur la réponse spectrale de milieu : ils ont présenté un système de mesures fiables sur une large gamme de fréquence. Vanhala (1997) a mesuré la résistivité complexe en laboratoire et in situ afin de délimiter les zones contaminées. La méthode connaît un renouveau pour la caractérisation de paramètres hydrogéologiques du sous-sol. Borner et al. (1996) a utilisé les mesures de résistivité complexe pour déterminer la conductivité hydraulique du sous-sol. Depuis les années 2000, les applications en PPS pour l’hydrogéologie ont connu un essor grâce aux nombreuses études en laboratoire, qui se focalisent particulièrement sur les relations entre la réponse PPS et les propriétés hydrauliques et structurales du milieu (e.g., Slater et Lesmes, 2002a ; Scott et Barker, 2003 ; Binley et al., 2005 ; Titov et al., 2010 ; Revil et Florsch, 2010 ; Koch et al., 2011 ; Joseph et al., 2015). En général, l’importance de la méthode de polarisation provoquée comme une méthode prometteuse pour identifier des paramètres texturaux et structuraux des milieux a augmenté au fil des années. De nombreuses études ont été consacrées à l’étude de la dépendance du signal PP avec d’autres paramètres physico-chimiques tels que la composition chimique du fluide poral (Lesmes et Frye, 2001 ; Revil et Skold, 2011 ; Vaudelet et al., 2011a ; Weller et al., 2011 ; Weller et Slater, 2012), la saturation en eau du milieu (Ulrich et Slater, 2004 ; Cosenza et al., 2007 ; Ghorbani et al., 2009b), la température (Binley et al., 2010) et l’influence des activité micro-biologiques (Abdel Aal et al., 2010).

Plus récemment, la PP a été développée pour l’étude de troncs d’arbres par (Martin, 2010 ; Zanetti et al., 2010) ou encore pour la détection de systèmes racinaires autour d’un ouvrage hydraulique en remblai (Mary, 2016). Cependant, in situ, cette approche reste un véritable challenge et jusqu’à présent, les études menées en laboratoire cherchent à caractériser les facteurs et les processus qui causent l’effet de polarisation à l’échelle microscopique du bois afin d’identifier des signatures caractéristiques qui permettront de les discriminer par de telles méthodes non-invasives.

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Table des matières

Introduction générale
1 Introduction de la méthode de polarisation provoquée : Etat de l’art
1.1 Bref historique de la méthode de polarisation provoquée
1.2 Fondamentaux physiques et chimiques
1.3 Rappels sur les mesures de résistivité électrique et PP
1.3.a Équation du potentiel électrique dans le milieu
1.3.b Acquisition de données
1.4 Les paramètres mesurées en PP
1.4.a Mesures dans le domaine temporel
1.4.b Mesures dans le domaine spectral
1.5 L’origine des signaux mesurés en PP
1.5.a Polarisation d’électrode
1.5.b Polarisation de la double couche électrique
1.5.c Polarisation de membrane
1.5.d Polarisation d’interface
1.6 Modèles de représentation des données de polarisation provoquée
1.6.a Modèles empiriques
1.6.b Modèles semi-empiriques
1.7 Les applications de la méthode de Polarisation Provoquée
1.7.a Application dans le hydrogéologie pour calculer la conductivité hydraulique
1.7.b Application aux sciences de l’environnement pour détecter les zones polluées
1.7.c Application dans l’archéologie
1.8 Conclusion
2 Mesures expérimentales selon différents types d’électrodes
2.1 Introduction à l’article
2.2 Article
2.3 Conclusion de l’article et perspective
3 Le signal PP sur un milieu contenant des particules semi-conductrices
3.1 Introduction à l’article
3.2 Article
3.3 Conclusion de l’article
3.4 Modélisation dans le domaine fréquentiel
3.4.a Méthodologie de solution en domaine fréquentiel
3.4.b Calcul de l’intensité du courant électrique
3.5 Erreur d’interpolation sur le maillage
3.6 Validation du calcul : comparaison avec des données expérimentales
3.7 Résultats des modélisation dans le domaine fréquentiel
3.8 Conclusions
4 Applications de prospection géophysique sur un site archéologique
4.1 Introduction du site
4.2 Article : application de PP en archéologique
4.3 Conclusion
5 Conclusions

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