Prospections géophysiques

Plusieurs méthodes de prospections géophysiques sont appliquées à Narbonne dans le cadre du projet (V. Mathé, Université de la Rochelle)

La prospection électromagnétique (Méthode Slingram)

La prospection électromagnétique, utilisant des instruments de type Slingram, consiste à générer un champ électromagnétique primaire à partir d’un courant électrique parcourant une bobine émettrice. Ce champ primaire pénètre dans le sol et interagit avec les matériaux conducteurs. Cette interaction se traduit par la naissance de courants électriques induits (appelés courants de Foucault) qui produisent à leur tour un champ électromagnétique secondaire, opposé au champ primaire. Ce champ secondaire est capté par une bobine réceptrice. La mesure correspond au ratio entre le champ secondaire et le champ primaire (signal en quadrature de phase) qui est proportionnel à la conductivité électrique apparente (σa) du sol (McNeill, 1980b). La conductivité électrique exprime la capacité d’un matériau à laisser passer un courant électrique.

La mesure de la conductivité est dite apparente car elle correspond à une moyenne pondérée des conductivités des matériaux dans un volume d’intégration. Ce volume dépend de la fréquence de fonctionnement de l’instrument, de l’écartement entre les deux bobines et de l’orientation de celles-ci (dipôles horizontaux ou verticaux).

La conductivité électrique apparente s’exprime en milli-Siemens/mètre (mS/m) et dépend principalement de la teneur en eau, de la salinité (concentration ionique), de la teneur en argiles et de la nature lithologique des matériaux de la sub-surface (McNeill, 1980a).

Pour cette prospection électromagnétique, le conductivimètre EM38-MK2 (Geonics Ltd) a été employé.

 La tomographie de résistivité électrique (ERT)

La résistivité électrique est un paramètre qui exprime la difficulté rencontrée par un courant électrique à traverser un volume donné. La résistivité électrique (ρ) s’exprime en Ohm.mètres (Ω.m) et correspond à l’inverse de la conductivité électrique (σ) qui s’exprime en Siemens/mètre (S/m).

La résistivité électrique est un paramètre sensible à différentes propriétés physiques du sol comme : La granulométrie et la nature lithologique. Les sables et les calcaires sont généralement plus résistants que les argiles ; La porosité ; La teneur en eau. Pour un même sol, sa résistivité diminue si sa teneur en eau augmente ; La salinité et la concentration ionique. La salinité permet une bonne conductivité électrique dans le sol ;

En géophysique, la mesure de la résistivité électrique du sol s’effectue en employant deux couples d’électrodes. L’ensemble forme un quadripôle :

Une paire d’électrodes, dite d’injection, qui injecte un courant électrique d’intensité I, exprimée en ampères (A). Elles sont notées A et B ;

Une paire d’électrodes, dite de potentiel, qui mesure la différence de potentiel électrique (différence de voltage entre ces deux électrodes) qui s’exprime en volt (V). Elles sont notées M et N.

La profondeur d’investigation dépend de l’écartement entre les électrodes. En effet, plus l’écartement entre les électrodes est grand, plus le courant électrique pénètre profondément dans le milieu et inversement.

La tomographie de résistivité électrique (ERT : Electrical Resistivity Tomography) permet d’obtenir une image de la répartition verticale et horizontale de la résistivité électrique de la sub-surface.

Le pénétromètre dynamique et la diagraphie de résistivité électrique

Le pénétromètre dynamique léger à énergie variable de type PANDA® 2 (Sol Solution) est un outil issu de la géotechnique, souvent employé pour la reconnaissance des sols et le contrôle du compactage. Le principe consiste à enfoncer dans le sol, à coup de maillet, une tige en acier munie à l’extrémité par une pointe (dont le diamètre est supérieur à la tige pour éviter les frottements latéraux). Ainsi, l’opérateur tape au maillet sur une tête de frappe, posée au-dessus de la tige, et reliée à un dispositif d’acquisition de données. A chaque battage, la tête de frappe mesure la quantité d’énergie envoyée dans le train de tige et la pointe. Une courroie, reliant la tête au dispositif d’acquisition, permet de mesurer l’enfoncement de la tige dans le sol. La mesure de l’énergie et de l’enfoncement permet de calculer, par le biais d’une formule mathématique dite des « Hollandais », la résistance de pointe notée Qd (s’exprimant en mégaPascal, MPa). Ceci permet d’obtenir un profil de la résistance de pointe en fonction de la profondeur, appelé pénétrogramme.

La résistance de pointe est un paramètre sensible, entre autre, à la granulométrie et à la teneur en eau du sédiment. Le pénétrogramme met donc en évidence des hétérogénéités liées à des variations des propriétés mécaniques du sol, comme sa dureté et sa compaction. Plusieurs auteurs ont ainsi détournés le pénétromètre dynamique de son usage géotechnique traditionnel pour l’appliquer à des domaines d’étude différents comme l’archéologie (Lenoble et Martinaud, 2003) ou comme méthode d’investigation complémentaire de la géophysique (Martinaud et al., 1999).

Un dispositif de mesure de résistivité électrique est attaché sur le train de tige du pénétromètre, au niveau de la pointe. Il est composé par deux électrodes espacées de 0,05 m (une électrode de courant et une de potentiel), qui sont donc rattachées au train de tige, et deux autres situées à l’infini, soit à plus de 5 m de la position du sondage (elles restent donc à la surface). Cette configuration de quadripôle est donc en pôle-pôle et elle est adaptée pour la mesure en diagraphie. La diagraphie est la mesure d’une grandeur géophysique en puits. Comme la mesure de résistivité se fait en même temps que l’enfoncement, cette méthode de diagraphie est dite Direct-Push Electrical Conductivity Logging (Christy et al., 1994 ; Schulmeister et al., 2003). Les électrodes sont raccordées à un résistivimètre RM15 (Geoscan Research).

Contrairement à la section de résistivité électrique, où les valeurs sont issues d’un modèle, la mesure par la diagraphie électrique fournit directement des valeurs de résistivité. Comme le volume d’intégration est très petit (quelques cm3), la mesure de résistivité électrique apparente peut être considérée comme une résistivité « vraie ». Le profil présente donc la variation de résistivité électrique en fonction de la profondeur, en une position spatiale donnée.

L’objectif de la méthode est de coupler un profil de résistivité électrique avec un pénétrogramme. Ce montage permet de mesurer deux paramètres du sol simultanément. La résistivité électrique et la résistance de pointe sont des paramètres étroitement liés.

 

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