Brevet FR2007598A1 — publié le 19700109

La présente invention est relative d'une manière générale à l'exploration géophysique .Plus précisément, l'invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés,utilisés dans ltexplora- tion géophysique électromagnétique au cours de laquelle des champs magnétiques secondaires variant dans le temps sont détectés, mesurés et enregistrés Comme il est bien connu dans l'exploratiot géophysique faite au moyen de techniques électromagnétiques, un champ principal est engendré, généralement à une ou deux fréquences discrètes, par un moyen artificiel tel qu'un émetteur, ou par un moyen naturel,tel que des perturbations.st-osptErlquea Le champ principal établit uRe liaison avec la terre ce qui donne naissance à des courants de Foucault dans des corps conducteurs qu'elle contient à la mEme fréquence mais ordinairement légèrement déphasés par rapport au champ principal .Ces courants de Foucault engendrent à leur tour uh champ magnétique secondaire variant dans le temps qui est détecté, mesuré et enregistré .L'information enregistrée est analysée ensuite par un appareillage électronique aU moment de l'enregistrement ou ultérieurement au moyen de calculateurs Un appareil classique utilisé pour détecter mesurer et enregistrer le champ secondaire comprend généralement une antenne-cadre dont la tension de sortie détectée ,e=i # NR ARH, est proportionnelle à la fréquence du champ détecté .Pour compenser la diminution de s lorsque la fréquences diminue,-le produit du nombre de spires par la superficie du récepteur,NR AF, iou l'in- tensité H du champ détecté doit Entre augmenté,e.Pour la plupart des applications notamment pour les appareils montés à bord d'avions, l'augmentation de poids entratnée par celle de NU AIR ou de E devient prohibitive en dessous d'environ 100 Hz. Suivant la nature, la dimension et-la profondeur en dessous de la surface des corps géophysiques examinés, les composantes en phase et quadrature du champ magnétique secondaire peuvent être détectées dans des gammes de fréquence différentes .En général, pour les corps de grandes dimensions et situés en profon deur, la gamme de fréquence est bien inférieure à la fréquence de 100 Hz actuellement utilisable avec un appareil classique Comme la détermination des paramètres électriques des corps souterrains comprenant la conductivité , la permitivité didlec- trique et la perméabilité magnétique, nécessite la mesure des deux composantes en phase et en quadrature des champs secondaires, il devient extrêmement intéressant de disposer d'un procédé e+ d'un appareil pour effectuer ces mesures à une.fr4quenee quelconque Il est également extrêmement intéressant de disposer d'un procédé et d'un appareil pour mesurer les composantes en phase et en quadrature des champs magnétiques secondaires sur une gamme de fréquenceSétendue et continue afin d'obtenir un profil plus com plet des paramètres électriques des corps géophysiques examsndsX en particulier la constante diélectrique qui est fonct1 > n de a fréquence . En conséquence, l'invention vise à fournir -un procédé et un appareil perfectionnés pour détecter, me surer et enregistrer des champs magnétiques variant dans le temps à des fréquences beaucoup plus basses que la fréquence de 100 Hz possible Jusqu' maintenant avec un appareil classique -un procédé et un appareil perfectionnés pouvant être uti- lisés dans l'exploration géophysique Xlectromagnétique, afin de détecter, mesurer et enregistrer les composantes en phase et en quadrature de champs magnétiques secondaires variant dans le tempe dans une gamme de fréquences étendue et continue ;; -un appareil d'exploration géophysique électromagnétique per- fectionné utilisant un nouveau récepteur pour détecter, mesurera et enregistrer l'amplitude des composantes en phase et en quadrature de champs magnétiques secondaires variant dans le temps à des fréquences plus basses que celles possibles jusqu'à mainte nant -un tel appareil dans lequel le récepteur est un magnétomètre à résonance atomique pouvant détecter des champs magnétiques variant dans le temps à des fréquences aussi basses que u nz ;; -un tel appareil dans lequel le magnétomètre à résonance atomique peut produire un signal de sortie en fonction de l'amplitude des composantes en phase et en quadrature d'un champ ma- gnétique secondaire variant dans le temps sur vine gamme étendue et continue de fréquences ; -un tel appareil dans lequel le magnétomètre à réso;nanC atomique est du type à pompage optique et/ou à détection, à vapeur alcaline et est destiné à détecter, mesurer, enregistrer la direction ainsi que l'amplitude des deux champs magnétiques secondaires variant dans le temps -un tel appareil dans lequel le magnétomètre à résonance:: atomiaiic est un magnétomètre à pompage optique et/ou à détec tionahéltum destiné à détecter, mesurer et enregistrer la direction ainsi que l'amplitude de champs magnétiques secondaires variant dans le temps D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raieront au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels la Fig.l est une vue schématique d'un dispositif mettant en oeuvre l'invention la Fig.2 est un diagramme des parties réelles (M) etimagi naires(Ntducoefficient de réflexion d'un disque en fonction de son nombre d'induction ;; la Fig.3 est une forme quelque peu modifiée de la Fig .2 montrant les effets d'un paramètre géophysique diélectrique ou capacitif la Fig.4es-tun schéma du récepteur de l'invention muni de ses bobines de polarisation la Fig.5 est un diagramme des gammes de fréquence utilisées avec l'appareil d'exploration géophysique de l'invention ;; la Fig.6 est un diagramme de la décroissance relative des champs magnétiques secondaires engendrés dans des corps géophysiques fortement conducteurs et faiblement conducteurs On a représenté schématiquement à la Fig.l la forme montre bord d'un avion d'un dispositif mettant en oeuvre l'invention Un émetteur 1 muni d'une antenne appropriée 2, telle qu'un cadre, est transporté au-dessus de la surface de la terre suivant une ligne de vol prédéterminée .Un récepteur 3 est espacé de l'é- metteur 1 et peut être monté sur le même appareil que l'émetteur 1 ou être séparé de l'émetteur 1 en étant situé sur un câble tiré par un avion . Toute disposition classique de l'émetteur 1 et du récepteur 3 peut être adoptée .11 est clair toutefois,que l'émetteur 1 ou le récepteur 3 ou les deux peuvent entre disposés à même le sol ou embarqués sur un bateau si on le désire En fonctionnement, l'émetteur 1 engendre un champ magnétique principal 4 variant dans le temps, représenté en traits pleins, qui est dirigé vers la terre et est mis en liaison avec elle,et, suivant sa profondeur, avec tout corps conducteur 6 qu'elle contient, comme par exemple un dépôt de sulfure massif .Il en ré sulte que des courants de Foucault sont induits dans le corps conducteur 6.Ces courants de Foucault donnent naissance à leur tour à un champ magnétique secondaire 5 variant dans le temps représenté en pointillé qui s'étend dans toutes les directions et établit une liaison avec le récepteur 3. Bien que la fréquence du champ secondaire 5 soit la même que celle du champ principal X, elle est généralement quelque peu déphasée par rapport au champ principal 4, en raison de la réactance inductive et capacitive du corps conducteur 6. En me surant l'amplitude des composantes en phase et en quadrature du champ secondaire 5, les paramètres électriques tels que la conductivité or, la permitivité diélectrique s et la perméabilité magnétiquep des corps conducteurs, peuvant entre déterminés. En se référant à la Fig.2, ii est représenté un diagramme type de l'amplitude relative des composantes en phase tg et en quadrature (N) d'un champ magnétique secondaire pour un corps conducteur ayant la forme d'un disque en fonction de son nombre d'inductionE U ta ssdans laquelle ss est la conductivité, est la perméabilité magnétique, est la fréquence en radians par seconde et t et a sont respectivement l'épaisseur et la superficie du corps Bien que les courbes correspondant à l'amplitude relative des composantes en phase (M) et en quadrature (N) du champ secondaire soient quelque peu différentes pour des corps ayant des formes différentes, il est essentiel que tous ces corps prbsen- tent en commun une gamme de fréquences pour une conductivité, une perméabilité et une dimension données , dans laquelle il existe une composante en phase et une composante en quadrature suffisamment grandes pour être détectées .A la Fig.2, ceci cor respond à la gamme - 1 àG=30. On peut voir ainsi d'après la Fig.2, que lorsque la conductivité, la perméabilité ou la dimension du corps étudié est grande, la fréquence du champ secondaire doit être nécessairement inférieure afin de pouvoir effectuer l'examen dans la gamme de fréquences pour laquelle il existe une composante en phase et une composante en quadrature déclables du champ secondaire Dans les courbes de la Fig.2 et en particulier dans la courbe de la composante en phase (M) dans la région à nombre d'induction 9 élevé apparat implicitement l'effet de peau bien connu. On se souvient que les courants circulant dans tout corps donné se rapprochent de la surface externe du corps à mesure que la fréquence augmente, de sorte que dans un corps parfaitement conducteur tous les courants de Foucault induits dans le corps circulent à la surface, ce qui interdit complètement toute pénétration du corps conducteur par le champ principal .Par contre pour un corps de conductivité donnée, une plus grande , une plus grande pénétration du champ principal peut être obtenue aux fréquences de plus en plus basses A cet égard, certains des dépôts souterrains les plus précieux, tels que le sulfure de cuivre, sont fortement conCy-cteurs, très massifs et enterrés à de grandes profondeurs.Pour ces raisons, il devient extrêmement intéressant d'effectuer une-exploration géophysique à des fréquences suffisamment basses pour perL mettre la détection des composantes en phase et en quadrature du champ secondaire En se référant à la Fig.3, il est représenté une famille de courbes particulières des composantes en phase et en quadrature d'un champ magnétique secondaire sous une forme quelque peu mo difiée par rapport à celle représentée à la Fig.2.Les irrégularités desrcourbes M et N, notées comme étant des variations relativement importantes de -l'amplitude des-composantes en-phase et en quadrature, résultent du paramètre diélectrique capacitif des corps géophysiques A la différence de la conductivité r et de la perméabilité} , la constante diélectrique provoqyant les variations est une fonction complexe de la fréquence des champs magnétiques principaux et secondaires .Etant donné que les dépôts minéraux précieux et ceux sans valeur commerciale présentent la même conductivité, la mEme perméabilité et la mEme dimension , il est extrEmement important de déterminer également la constante diélectrique des corps étudiés . En raison de la dépendance par rapport à la fréquence de la constate diélectrique, il devient mEme plus avantageux de mesurer l'amplitude des composantes en phase et en quadrature du champ secondaire sur une gamme étendue de fréquences aussi bien que les fréquences inférieures En se référant maintenant aux Fig.l, 4 et 5, le champ magnétique secondaire 5 est détecté, mesuré et enregistré par le récepteur 3 qui comprend un magnét-omètre i éssn8gd, nucléaire 10 délivrant un signal de sortie dont la fréquence est fonction de l'intensité du champ secondaire 5.La sortie du magnétomètre 10 e,st appliquée ensuite à un circuit de lecture 13 et à un enr9gis- treur 14 qui peut être un circuit bien connu quelconque connu nant à cet effet .Au contraire des récepteurs connus de la tech- nique antérieure dont la dépendance par rapport à la fréquence restreint le fonctionnement à des fréquences supérieures à 100 Hz , comme représenté à la Fig.5, le magnétomètre 10 délier un signal de sortie pratiquement indépendant de la fréquence sur toute la gamme intéressante dans l'exploration géophysique allant de O Hz à plus de 60.000 Hz. Le magnétomètre 10 peut être par exemple un magndtomètre à précession protonique, mais pour des raisons énoncées ci-dessous, c'est de préférence un magnétomètre à pompage optique et/ou de tection à vapeur alcaline,eomme décrit plus complètement dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 150 313, ou un magnéto- mètre à pompage optique et/ou à détection, @ hélium. Le magnétomètre à précession protonique, fournit un signal de sortie de précession d'environ 2.000 Hz dans un champ ter- restre statique moyen de 50 000 gammas, tandis que le signal de sortie de précession d'un magnétomètre à pompage optique et à vapeur alcaline se trouve au voisinage de 200 000 Hz dans un champ statique de mEme intensité .Ainsi, pour une variation LO née de l'intensité du champ, l'excursion de fréquence de la sor tie du magnétomètre à vapeur alcaline met en jeu beaucoup plus de cycles de précession que ceux qui apparattraient dans la sortie du magnétomètre à précession protonique .Cette caractérise tique du magnétomètre à vapeur alcaline devient particulièrement importante lorsque, comme dans l'exploration géophysique électro- magnétique, la période ou la fréquence de la variation du champ magnétique variant dans le temps peut se rapprocher de la période de précession, ou de la fréquence du magnétomètre à préc@s@@@@ protonique . Il est alors possible de détecter les variations d'un champ magnétique ayant des périodes aussi faibles que 50 microsecondes La réponse du magnétomètre 10 à l'intensité du champ magné- tique 5 au lieu de la variation de cette intensité, comme dans le cas de l'appareil de réception à bobine d'induction connu de la technique antérieure t est particulièrement avantageuse pour 2 cas dans lesquels la sortie de l'émetteur est pulsée au lieu d'8tre continue En raison de la réactance des corps géophysiques examinés, les courants de Foucault et par conspuent le champ magnétique secondaire 5 décroissent exponentiellement, comme représenté à la Fig.6.Pour les corps plus précieux qui sont fortement con- ducteurs, dans lesquels l'inductance est élevée, la vitesse de variation de l'intensité du champ secondaire est beaucoup plus faible . Dans l'appareil de réception connu de la technique antérieure à bobines d'induction, la vitesse de variation plus faible fournit un signal de sortie beaucoup plus faible que celui désiré . Toutefois, le magnétomètre 10 de l'invention mesure non seulement l'intensité totale du champ magnétique 5 mais effectue cette mesure sur presque la totalité de la gamme de fréquence concernée lorsque l'intensité décroît .Cette caractéristique fournit un moyen facile pour obtenir un profil continu de la réponse des corps géophysiques , en particulier des corps fortement conducteurs, aux champs principaux variant dans le temps sur une gamme de fréquence qui n'était pas disponible jusqu'à maintenant En tant que dispositif scalaire, le magnétomètre 10 mesure la composante du champ magnétique secondaire variant dans le temps dans la direction du champ magnétique terrestre statique qui présente une valeur d'environ 50.000 gamnas Comme la répartition des courants de Foucault et par suite la direction du champ secondaire 5 est fonction de la géométrie du corps examiné , il est souvent intéressant de mesurer l'intensité du champ secondaire 5 suivant une direction prédéterminée. Ceci peut être réalisé en établissant un champ magnétique de polarisation unidirectionnel puissant au voisinage du magnétomètre 10 orienté dans la direction suivant laquelle on désire mesurer l'amplitude du champ secondaire En se référant la Fig.4, un champ de polarisation magnétique puissant, par exemple cent fois plus grand que le champ magnétique terrestre statique de 50.000 gammas, est obtenu au moyen de 3 paires de bobines de Helmholtz 11,12 et 15 disposées orthogonalement .On fait cirouler un courant continu dans une ou plusieurs des paires de bobines de façon classique de sorte qu'il apparat uh champ magnétique de polarisation continu puissant dans la direction désirée Comme une partie du champ primaire 4 établit la liaison également avec le magnétomètre 10, comme représenté à la Fig.l les bobines de Helmholtz 11,12,15 peuvent être utilisées égale ment pour polariser 1e magnétomètre 10 et annuler le champ principal.Ceci exige naturellement que la distance 1 entre l'émetteur 1 et le récepteur 3 soit maintenue à une valeur connue afin que la composante en phase du champ secondaire 5 puisse être distinguée du champ principal 4 .Bien que tout moyen bien connu puisse Entre utilisé à cet effet, le montage de l'émetteur 1 et du récepteur 3 sur une perche rigide est suggéré comme technique appropriée à cet effet REVENDICATIONS l-Appareil d'exploration géophysique électromagnétique destiné à détecter mesurer et enregistrer l'intensité d'un champ magnétique secondaire variant dans le temps, produit par un champ magnétique principal variant dans le temps, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un moyen sensible aux variations de l'intensité du champ magnétique secondaire afin de fournir un signal de sortie modulé en fréquence en fonction des dites varis- tions et un moyen couplé à la sortie du dispositif sensible pour indiquer l'amplitude des variations 2-Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen sensible est un magnétomètre à précession du spin et à résonance atomique 3-Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le magnétomètre à précession dlt spin et à résonance atomique est un magnétomètre à vapeur alcaline et à pompage optique 4-Appareil suivant la revendication 2 > caractérisé en ce que le magnétomètre à précession daWspin et à résonance atomique est un magnétomètre i hélium et à pompage optique 5-Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le magnétomètre à précession spin et à résonance atomique est un magnétomètre à précession protonique 6-Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen sensible est un dispositif scalaire et n'indique normaXe- ment que la composante du champ magnétique secondaire variant avec le temps orientée dans-la direction du champ magnétique terrestre et en ce qu'il comprend-un moyen de polarisation du champ magnétique au voisinage du moyen sensible afin d 'engendrer un champ magnétique de polarisation unidirectionnel pour mesurer la composante du champ magnétique secondaire variant dans le temps dans la direction du champ de polarisation 7-Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de polarisation est destiné à engendrer un champ de polarisation d'intensité égale à 100 fois au moins celle du champ magnétique terrestre 8-Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de polarisation comprend trois paires de bobines de Helmholtz orthogonal disposées à la périphérie du magnétomètre, ces bobines étant destinées à entre alimentées sélectivement 9-Appareil suivant la revendication l,caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour engendrer le champ magnétique princi- pal variant dans le temps , le champ principal produisant des courants de Foucault dans des corps géophysiques conducteurs sous son influence , les courants de Foucault donnant naissance au champ magnétique secondaire variant dans le temps pour fournir un signal de sortie dont la fréquence est fonction de l'lntensité du champ magnétique secondaire 10-Procédé d'exploration géophysique électromagnétique dans lequel un champ magnétique secondaire variant dans le temps est produit par un champ magnétique principal variant dans le temps ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à disposer un magndtombtre à résonance atomique et à préoession de spin dans le champ magnétique secondaire variant dans le temps, i mesurer l'intensité du champ magnétique secondaire pour obtenir un signal dont la fréquence est fonction de l'intensité du champ: flia gnétique secondaire ll-Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en: ce que le magndtomètre à résonance atomique et à précession de spin est un magnétomètre à vapeur alcaline et à pompage optique 12-Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qus le magnétomètre à résonance atomique et à précession de spin est un magnétomètre à hélium et à pompage optique