Prospection électrique : principe et application en science du sol

Principe de la méthode électrique

Avantage de la mesure de résistivité

La profondeur d’investigation d’une prospection électrique s’étend de quelques centimètres à plusieurs kilomètres de profondeur ce qui en fait une méthode utilisée dans divers domaines des sciences de la Terre : en recherche minière, en construction de bâtiment, en hydrogéologie, etc. Cette grandeur physique est d’une part très liée à la teneur en argile qui présente un intérêt tout particulier pour les pédologues et montre d’autre part une gamme de variation extrêmement étendue (plusieurs décades) selon les matériaux géologiques. La méthode électrique est en outre une méthode fiable, robuste, non destructive et peu, voire non influencée, par les éléments extérieurs lors de la prospection (contrairement à la méthode électromagnétique). Sa mise en œuvre s’appuie sur un large choix de dispositifs dont les configurations et parfois même la mécanisation permettent de prospecter des surfaces importantes rapidement ou encore d’investiguer plusieurs profondeurs (investigation par commutation d’électrode par exemple).

Notion de résistivité apparente

Lorsque le milieu est hétérogène ou anisotrope, la présence de discontinuités modifie la répartition des lignes de courants et la résistivité mesurée en un point n’est plus fonction uniquement de la distance de ce point à la source. La résistivité mesurée est alors appelée résistivité apparente du terrain ρa. Elle résulte de la contribution de tous les éléments constitutifs du sol traversés par le courant émis. Elle est par conséquent dépendante du volume investi par le courant (notion évoquée paragraphe 2.1), qui lui-même est conditionné par la configuration du dispositif utilisé. La valeur de résistivité apparente ne peut donc avoir de signification  que si elle est comparée à d’autres valeurs : seules les variations relatives sont significatives.

Mesure de la résistivité électrique des sols

Notion de profondeur d’investigation

La profondeur d’investigation qualifie l’épaisseur de terrain prise en compte dans la mesure. Pour un quadripôle donné, elle dépend de l’écart existant entre l’électrode de mesure de potentiel et l’électrode d’injection les plus proches. Ainsi, un écartement inter-électrode important permettra d’investiguer un volume de sol plus conséquent qu’un dispositif avec un faible espacement entre les électrodes. Cependant, la profondeur d’investigation est conditionnée par le terrain prospecté. Si celui-ci comporte des zones conductrices, notamment en surface, les lignes de courant vont être concentrées dans ces régions conductrices et ne pourront investir celles plus profondes. Généralement, les profondeurs d’investigation théoriques sont considérées, suivant la répartition verticale des résistivités, égales à l’écartement ou au demi-écartement entre l’électrode de potentiel et l’électrode de mesure les plus proches ; si cette indication est couramment valable, car basée sur un panel de sites prospectés “moyens”, il convient de garder en mémoire qu’elle n’est qu’une estimation grossière.

Dispositif de mesure de la résistivité

Il existe de nombreux dispositifs de mesure de résistivité électrique dont les configurations permettent d’intégrer des volumes de sol variables, qui sont plus ou moins sensibles aux contrastes verticaux ou latéraux ou encore aux irrégularités de surfaces et dont les rapports signal sur bruit diffèrent de l’un à l’autre (Dahlin et Loke 1998).

Multipôles fixes

a) Exploration verticale : le sondage électrique
Le sondage part de l’observation selon laquelle l’épaisseur du terrain où circule la part significative du courant dépend de l’écartement des électrodes. Le principe consiste, à l’aide de 4 électrodes, à accroître le volume investigué en augmentant progressivement l’écartement, le dispositif restant de même configuration et de même centre. Le résultat du sondage caractérise la variation de la résistivité apparente en fonction de l’écartement des électrodes, variation ensuite interprétée en fonction de la profondeur en un point donné.

b) Exploration horizontale
Pour restituer les variations latérales de résistivité apparente, il suffit de déplacer, selon un pas régulier, un quadripôle AMNB de géométrie fixe sur le site à explorer. Si le déplacement se fait le long d’une ligne, il s’agit de profilage ou trainé électrique (1D horizontal). Si le déplacement se fait le long de plusieurs lignes – avec toujours le même écartement interélectrodes –, la technique permet de réaliser des cartes de résistivité apparente (2D horizontal).

c) Exploration verticale et latérale par tomographie électrique
♦ Panneau électrique 2D
Le panneau électrique combine les techniques de profilage et de sondage pour décrire les distributions latérale et verticale des résistivités. Une rangée de N (N=72, 96…) électrodes équidistantes est pré-implantée le long d’un profil. Par permutation des couples d’électrodes, le centre du dispositif est déplacé et l’écartement augmenté, en respectant ou non la configuration adoptée. Le résultat obtenu est une pseudo-section de résistivité apparente, interprétée ensuite en coupe géoélectrique.
♦ Panneau électrique 3D
Il correspond à une série de panneaux 2D parallèles utilisés simultanément. Les électrodes sont pré-implantées selon une grille régulière et le quadripôle de mesure peut alors prendre diverses configurations (carré, en ligne parallèle, …). Le résultat obtenu est un pseudo-bloc diagramme de résistivité apparente, interprété ensuite en bloc diagramme géoélectrique.

Cartographie multi-profondeur à l’aide de dispositifs tractés

L’emploi de multipôles électriques mobiles remonte aux années 30 avec des dispositifs pour lesquels des brevets ont été déposés aux Etat-Unis et au Canada (Panissod 1997). Différents outils ont également été envisagés au Centre de Recherche (CNRS) de Garchy des années 60 au années 90 (Hesse et al. 1986 ; Panissod et al. 1997b, 1998). Le développement de dispositifs de mesure tractés répond à deux préoccupations majeures de la géophysique de subsurface :
– un pas d’échantillonnage suffisamment petit pour décrire les variations latérales brutales de résistivité,
– l’amélioration de rapport temps de prospection / surface couverte. Ainsi, les dispositifs actuels permettent de prospecter rapidement des surfaces étendues avec une maille de mesure fine. Ils sont donc particulièrement intéressants pour l’étude de parcelles agricoles, de plus en plus vastes et dont la couverture végétale non pérenne ou limitée en hauteur permet le passage de ces appareils.

Variables pédologiques pérennes

Profondeur d’apparition du substrat

Dans le contexte des plateaux du Bassin Parisien, de nombreuses études, portant notamment sur la cartographie des sols (Chery 1995 ; Le Parco 1995), ont démontré l’utilité de la prospection électrique pour déterminer la profondeur d’un substrat calcaire. Plus sa profondeur d’apparition est faible, plus la résistivité mesurée en surface est importante. A partir d’une interprétation conjointe de données pédologiques et géophysiques, Panissod (1997) obtient une bonne correspondance entre cartes de résistivités (apparentes et interprétées) et épaisseur d’horizons argileux ; il conclue à un lien fort entre variation de résistivité apparente et profondeur d’apparition et épaisseur des matériaux limono-argileux. Ce constat est confirmé par Dabas et al. (1995) ainsi que par Moeys et al. (2006), cette dernière étude précisant que la diminution de résistivité due à l’épaisseur d’un niveau limonoargileux est notamment visible sur les mesures par les plus grands quadripôles des systèmes de prospection électrique multi-profondeur. De manière générale, la profondeur d’un sol est une propriété qui régit en grande partie la variabilité de résistivité (Zanolin 2003). Ainsi, un sol court présente la plupart du temps de hautes valeurs de résistivité apparente tandis qu’un sol profond est plus conducteur.

Texture et minéraux argileux

La texture du sol est le facteur qui a le plus d’impact sur la mesure de résistivité, du fait du rôle joué par l’argile. En effet, les minéraux argileux, comportant une surface électriquement non neutre, sont caractérisés par leur capacité d’adsorption des ions de l’électrolyte. Cette propriété leur confère une forte capacité d’échange cationique (CEC) (Waxman et Smits 1968) : elles fixent des cations, qui augmentent la densité de charge conductrice (Ward 1990), qui peuvent se déplacer à la surface des feuillets. La résistivité apparente d’un sol est ainsi très fortement influencée par la proportion d’argile plus conductrice (Auerswald et al. 2001). Par conséquent, une forte teneur en argile entraîne une diminution de la résistivité. Les mesures de résistivité électrique peuvent alors être une indication du degré d’évolution d’un sol, car elles permettent, sur des luvisols, de différencier l’horizon E éluvié de l’horizon BT sous-jacent enrichi en argile : des mesures de résistivité sur des sols du Bassin Parisien (Nicole et al. 2003 ; Nicole 2006) ont donné des valeurs supérieures à 70 Ω.m pour les horizons E tandis que les horizons argileux BT avaient une résistivité comprise entre 30 et 60 Ω.m. Ces mesures ont en outre montré que le phénomène d’éluviation était plus important dans les micro-dépressions topographiques. La résistivité peut donc être un indicateur de l’évolution pédogénétique des sols.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I Prospection électrique : principe et application en science du sol
1. Principe de la méthode électrique
1.1. Introduction
1.1.1. Définition de la résistivité
1.1.2. Avantage de la mesure de résistivité
1.2. Des équations de Maxwell à l’équation de Laplace
1.2.1. Equations de Maxwell
1.2.2. Approximation sur la perméabilité magnétique
1.2.3. Régime continu ou approximation des régimes statiques
1.2.4. Equation de conservation de la charge
1.2.5. Equations de Maxwell réduites
1.2.6. Equation de Laplace
1.3. Distribution du potentiel électrique dans les sols
1.4. Mesure du potentiel créé par deux électrodes de courant
1.5. Notion de résistivité apparente
2. Mesure de la résistivité électrique des sols
2.1. Notion de profondeur d’investigation
2.2. Dispositif de mesure de la résistivité
2.2.1. Multipôles fixes
2.2.2. Cartographie multi-profondeur à l’aide de dispositifs tractés
3. Paramètres pédologiques influençant la résistivité électrique d’un sol
3.1. Variables pédologiques pérennes
3.1.1. Profondeur d’apparition du substrat
3.1.2. Texture et minéraux argileux
3.1.3. Pierrosité
3.2. Variables pédologiques dynamiques
3.2.1. Teneur en eau
3.2.2. Tassement et structure du sol
3.2.3. Salinité de la phase liquide
3.2.4. Température
3.2.5. Végétation et matière organique
4. Recherche bibliographique sur les valeurs de résistivité observées sur les matériaux géologiques du Bassin Parisien
CHAPITRE II Présentation des sites d’étude et des données géophysiques et pédologiques acquises sur les parcelles expérimentales
1. Site de Ouarville
1.1. Contexte régional : la Beauce
1.1.1. Localisation géographique
1.1.2. Contexte géologique
1.1.3. Hydrogéologie
1.1.4. Contexte pédologique
1.1.5. Climat
1.2. Présentation de la parcelle expérimentale et données disponibles
1.2.1. Situation géographique et géologie locale
1.2.2. Données de prospection géophysique et pédologique conduites sur la parcelle
2. Site d’Orgeval
2.1. Contexte régional : le bassin de l’Orgeval
2.1.1. Localisation géographique
2.1.2. Contexte géologique
2.1.3. Hydrogéologie
2.1.4. Pédologie
2.1.5. Climat
2.2. Présentation de la parcelle expérimentale et données disponibles
CHAPITRE III Problème direct
1. Matériels et méthode
1.1. Modélisation directe de mesures ARP®
1.1.1. Principe de la méthode des moments
1.1.2. Formulation du problème physique
1.1.3. Présentation de l’outil de calcul PELEC3D
1.2. Evaluation de la qualité de la détection d’un corps
1.2.1. Cartographie de résistivité apparente
1.2.2. Tracé du profil de résistivité à l’aplomb du corps
1.3. Paramètres testés
1.3.1. Espacement inter-profils
1.3.2. Profondeur et épaisseur du corps
1.3.3. Contraste de résistivité avec le milieu encaissant
2. Résultats
2.1. Evaluation des dimensions minimales détectables
2.2. Impact de l’espacement inter-profils sur la détection
2.3. Impact de la profondeur d’une structure sur sa détection
2.4. Impact de l’épaisseur d’une structure sur sa détection
2.5. Influence du contraste de résistivité entre le corps et l’encaissant
3. Synthèse sur la modélisation
CONCLUSION

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