Brevet FR2223706A1 — publié le 19741025

La présente invention concerne un dispositif pour la prospection géophysique permettant en particulier l'établisse- ment des profils des sub-surfaces. On entend par sub-surfaces les parties de la couche terrestre comprises entre le niveau du sol et une profondeur inférieure à environ 1000 mètres et généralement plus faible. On connatt des méthodes de prospection magnéto-telluriques des grandes et moyennes profondeurs, égales ou supérieures à 1000 mètres environ. D'une manière générale la prospection magnéto-tellurique en sous-solconsiste à obtenir des informations sur la résistivité électrique du sol aux différentes profondeurs, à partir de mesures simultanées effectuées en surface, des variations du champ magnétique d'une part, du champ électrique (tellurique)d'autre part.A cet effet, on utilise un capteur magnétométrique et un capteur tellurique, avec deux voies identiques d'amplification et filtrage électroniques à l'entrée desquelles ils sont raccordés, des organes de sortie permettant soit l'affichage du rapport des amplitudes des signaux telluriques et magnétiques préalablement intégrées pendant un temps donné, soit la mesure des amplitudes sur un enregistreur graphique ou sur une bande magnétique numérique traitée ensuite sur ordinateur, la résistivité apparente ainsi déterminée correspondant à des fréquences sélectionnées dans le spectre des variations électro-magnétiques naturelles. Cette méthode a , en particulier, été étudiée et définie par Louis CAGNIARD (Annales de Géophysique 9, 1953 pages 95 à 125); elle a ensuite été développée, ce qui en a permis l'utilisation industrielle. Ces procédés connus donnent actuellement des résultats intéressants en particulier dans les prospections telles qu la recherche pétrolière, et nécessitent à cet effet des appareillages encombrants, des personnels spécialisés et des opérations de longue durée et dont chacune exige que les divers éléments d'appareillage soient répartis sur une grande surface de terrain ce qui comporte nécessairement des lignes telluriques longues. En présence des succès obtenus, on a alors cherché, en partant des mêmes principes magnéto-telluriques, à effectuer des prospections en sub-surface ctest-à-dire qui concernent les couches peu profondes du sol,pour lesquelles l'exploitation doit tre rapide ; ceci nécessite des appareils légers de mise en station pratiquement immédiate, et une durée maximale d'une trentaine de minutes pour une série de mesures.Une proposition de Jolivet (28 Novembre 1969 - thèse de Doctorat de l'Université de Paris - Etude d'un équipement léger pour la prospection magnéto-tellurique de sub-surface), comporte l'utilisation d'un appareillage du type "prospection minière" opèrant à des fréquences élevées, avec des électrodes fichées dans le sol3 avec lignes telluriques d'une centaine de mètres, magnétomètre à montre réaction de flux dent l'enroulement primaire délivre un signai sous haute impédance utilisé très près de sa source, avec préamplifi- cateur et filtres travaillant à niveau presque constant, et avec sorties de lectures et ou d'enregistrement Les inventeurs ont, poursuivant l'étude des procédés ot appareillages ainsi connus dans leurs applications aux mesures jusqu'à 50 mètres environ,cherché à simplifier les opérations en conservant au moins et en amélierant si possible les résultats d'ensemble déjà susceptibles d'être obtenus. A l'occasion de leurs travaux , les inventeurs ont entre autres cherché à s'affranchir des électrodes enfoncées dans le sol.En essayant un dip8le magnétique vertical scrvant à émettre un signal artificiel et constitué par une boucle posée sur le sol et parcourue par un courant alternatif3 ils ont observé, aux fréquences élevées, des pertes ccnsidé- rables dues aux fuites par capacité ave. le sol onducteury ils ont alors eu l'idée i'utiliser ces mêmes capacités à la réception, en mettant en oeuvre, au lieu d'éleotrodes fichées, un capteur capacitif posé sur le sol.Selon l'invention, un tel capteur capacitif peut être avantageusement constitué par un ensemble souple qui s'adapte au profil d'un sol à étudier et qui est constitué d'une partie isolante et d'une partie conductrice non en contact avec ledit sol. L'ensemble peut comporter une feuille de métal) conducteur, par exemple en aluminium ou en laiton recuit, de très faible épaisseur (par exemple de 1/2 à 1/10 mm dtdpaisseur) collée sur un support souple et isolant tel qu'une feuille d'élastomère tel que le caoutchouc synthétique très mince d'épaisseur 1 à 2 mm). L'ensemble peut aussi être constitué par toute autre armature conductrice isolée telle qu'une toile métallique logée dans une feuille isolante , ou encore par une imprégnation graphités, des poudres métalliques conductrices, agglomérées ou insérées à l'intérieur d'une feuille isolante. La faible épaisseur de l'isolant choisi avec une bonne teneu mécanique à l'abrasion, confère à ensemble une souplesse accrue, en même temps qu'une plus grande capacité choisi avec le sol cette capacité variant en raison inverse de la distance séparant les deux armatures du condensateur ainsi formé, le plateau capacitif obtenu est très souple s'adapte de lui-mEme à la surface même irrégulière d'un sol. I1 peut être roulé pour le transport et utilisé sur des sols dans lesquels il n'est pas possible d'enfoncer des électrodes (glaciers, terrains enneigés ou inondés, routes, etc). De préférence la feuille a en pratique une surface de l'ordre de 1 m. On sait que, en ne considérant que des longueurs d'onde # grandes devant la profondeur des couches étudiées Ex en mV/Km et Hy en étant les composantes orthogonales et horizontales du champ électromagnétique naturel pour une direction déterminée, a la résistivité apparente (en L.L m) et T la période en secondes. D'autre part, on sait définir une profondeur 2 (en km) de pénétration p 1 \ti 1O T r.. . ou bien p (en m) = 21I 107 a 1 où F - -- 2 T -. aF est la fréquence en Hertz du terrain traversé. Ceci permet de définir à l'avance les limites du spectre de fréquences utiles. Pour p compris entre 6 et 35 mètres par exemple , on obtient les valeurs données- dans le tableau ci-dessous: Fréquences limites (kHz) p = 6 mètres ;p = 35 mètres : 10 : 50 xV m : 350 kHz : 10 kHz Résistivités 100 #m : 700 kHz : 20 kHz p(#m) 500 2 m : 3,5 Hz : 100 kHz 1000 -; m : 7 MHz : 200 kHz L'appareillage selon l'invention qui comporte au moins un capteur magnétique, au moins un capteur tellurique , des oir- cuits avec amplificateurs et filtres à la sortie des capteurs, au moins une ligne non tellurique , des moyens de lecture et/ou d'enregistrement, est caractérisé en ce que chaque capteur tellurique est constitué par deux plateaux formant capacité avec le sol sur lequel-ils sont appliqués, par un préamplificateur à grande impédance d'entrée placé sur chaque plateau, par une ligne tellurique de longueur très réduite, par un amplificateur differentiel placé sur l'un des plateaux, par une sortie de liaison avec les moyens de mesure, en ce que chaque capteur magnétique est apériodique pour la gamme de fréquences retenue et comporte un enroulement à petit nombre de spires, et des extrémités reliées à un préamplificateur différentiel à faible -gain et servant d'adaptateur d'impédance, en ce que des moyens d'alimentation en courant sont reliés aux capteurs telluriques et magnéti- ques, un appareil de mesure recevant les sorties des capteurs. La ligne tellurique a avantageusement une longueur de l'ordre de six mètres environ. Seion une autre caractéristique. les moyens d'alimentation sont placés directement sur les capteurs. L'ensemble de mesure (lecture et/ou enregistreur) peut, avec les sources de courant eAtre monté solidairement avec les capteurs , de préférence au milieu du dispositif pour former un appareil susceptible d'être traîné sur le sol,de manière à enregistrer des profils continus. La distance séparant deux stations de mesures qui est obligatoirement réduite au fur et à mesure que l'on s'intéresse aux couches moins profondes du sous-sol, devient alors infiniment petite, apportant ainsi aux mesures un pouvoir de résolution particulièrement bien adapté notamment à l'étude des sub-surfaces. On réduit aussi sensiblement la durée des mesures sur le terrain; on a par exemple pu dresser 100 mètres de profils en trois minutes environ alors que Jusqu'à présent 1,5 heure était nécessaire pour opérer en 100 points de mesure sur la même distance. On notera que les informations recueillies à partir d'une ou deux fréquences ne suffisent pas en fait pour effectuer un sondage magnéto-tellurique proprement dit. On peut selon l'inventionRutiliser une source artificielle suffisamment éloignée commandée par l'opérateur ou télécommandée, et dont la fréquence sera choisie successivement dans la gamme étudiée (10 kHz -500 kHz pat exemple). Cet émetteur fonctionnant soit en régime harmonique, soit par impulsions, peut être un dipôle électrique horizontal constitué par deux plateaux capacitifs (du type du capteur décrit ci-dessus) alimentés par un générateur de puissance de fréquence variable ou plus simplement l'ensemble des émetteurs radio de la gamme VLF-et çF considérée.Dans ces conditions, on peut donc juxtaposer pour les comparer deux ou plusieurs profils relevés pour différentes profondeurs de pénétration et mieux déterminer la nature exacte d'une anomalie détectée. I1 y a enfin lieu de noter que pour-étudier le dispositif capacitif on peut faire intervenir un système électrique équivalent dans lequel le sol traversé par la nappe tellurique peut être assimilé à un générateur de tensions symétriques de faibles impédances internes Z1 et Z2 et dont chaque sortie se referme sur la ligne tellurique de mesure à travers un condensateur de liaison C1 et C2: ce condensateur ntétant autre que le capteur capacitif lui-même. Aux fréquences élevées, cette capacité C1 ou C2 (d'une valeur de 2000 pf environ),peut sembler largement suffisante comme condensateur de liaison;le capteur présente en sortie une impédance (500 fi à 164 kHz) d'autant plus faible devant la capacité des fuites des cibles de liaison qui constituent la ligne tellurique , que ces cibles sont eux-memes posés sur le sol. L'amplification du signal reçu se faisant au niveau du capteur lui-même permet de remédier à cet inconvénient Des mesures tests faites au même endroit en comparant électrodes et capteurs capacitifs, pour une même ligne tellurique, ont permis e montrer l'identité (tous gains déduits) des signaux reçus. On a alors essayé ce nouveau dispositif tellurique capacitif pour des fréquences plus basses (cas de lamagnéto- tellurique "pétrolière") qui est lente. En modifiant légèrement les capteurs capacitifs à la fréquence de 8 Hz, on a obtenu les résultats qui suivent et qui montrent que, même en basse fréquence, ils sont encore tout à fait satisfaisants. A cette fréquence de 8 Hz, en effet, le condensateur de liaison représente une impédance non négligeable Il est ainsi nécessaire de disposer à la sortie du capteur cette fois, d'un adaptateur d'impédance, qui s'apparente aux dispositifs habituellement utilisés en électrométrie. Les enregistrements effectués ont permis de comparer simultanément deux signaux telluriques, l'un issu d'une ligne tellurique traditionnelle (électrodes) l'autre d'une ligne tellurique de meAme longueur parallèle et distante de quelques mètres de la première, se refermant sur les capteurs capacitifs. On a observé la similitude. des signaux à 8 Hz; 16 Hz et 24 Hz. Si l'on diminue la capacité des plateaux, soit en diminuant leur surface, soit en les éloignant du sol (en interposant un matelas isolant), le bRuit de fond apparatt et se superpose au signal. I1 devient prépondérant au fur et à mesure que la capacité diminue. A la limite, si l'amplificateur a son entrée en l'air, le signslnaturel disparatt complètement au profit du bruit de fond et il n'y a plus de corrélation entre les deux dispositifs. En conclusion, ouest donv'possible d'utiliser un capteur capacitif même en basse fréquence, moyennant certaines précautions (communes aux montages électrométriques). L'invention offre donc un intérêt général aussi pour toutes les recherches magnéto-telluriques. On a décrit ci-après, un capteur tellurique capacitif selon l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels Fig.l est une vue schématique du capteur capacitif Fig.2 est une vue schématique d'une forme de réalisatiqn pratique de l'appareil équipé selon l'invention. A la figure 1, on voit sur le sol 1, un premier et un second plateau 2 et ), reliés par un cible 4 En figure 2, on voit les capteurs en tapis capacitifs telluriques 2,3 (E1 et E2)reliés par le cible 4(5) aux préamplifi cateurs 6(7) celui-ci repose sur un capteur magnétique 1)2, également reliés par un câble 14 à un amplificateur adaptateur 15. Le capteur 1)-15 est relié à une entrée de filtre 16-détecteur 17 elle-même branchée, comme les capteurs 2 et 3,sur l'amplificateur différentiel 18 qui,par.un amplificateur 19 est relié à l'instrument de lecture (voltmètre 20). DeS bretelles accrochées aux deux extrémités du capteur magnétique 13-15 permettent de déplacer tout l'ensemble sur le sol le long du profil à étudier. On a décrit ci-dessus un mode particulier et avantageux d'utilisation de l'appareil selon l'invention. On peut évidemment y apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi entre autres que le procédé capacitif de mesure peut être utilisé pour des mesures par profilage (étude de profil) continu au moyen de deux composantes telluriques seules Ex, Ey orthogonales ou non,si l'on prévoit des circuits fournissant le rapport Ex/Ey ou le produit Ex.Ey ou le produit Ex A . On peut aussi mettre en oeuvre un ensemble comprenant un émetteur capacitif et capteurs capacitifs; ledit ensemble pouvant être,solidairement ou non, trainé sur le sol à la manière d'un quadripole électrique en vue de profilages continus, soit en opérant à échelle très réduite, sur une surface à étudier notamment pour la détection d'anomalies ou de défauts éventuels On peut aussi, en utilisant une source constante, comparer deux mesures faites à des instants différents, ce qui rend le choix de la constante d'intégration indifférent et en définitive permet le profilage indépendant de chacune des composantes telluriques ou magnétiques. Enfin,en constituant les capteurs d'une manière étanche par tous moyens connus, et en les rendant capables de flotter, on peut utiliser les procédé et appareillages de l'invention pour le profilage continu au-dessus de terrains faiblement immergés. -REVEN3ICATIONS- 1. Procédé de prospection électrique du sol au moyen d'au moins un capteur magnétique,au moins un capteur tellurique, des circuits avec amplificateurs-et filtres à la sortie des capteurs, au moins une ligne non tellurique, des moyens de lecture, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on utilise un capteur tellurique capacitif posé déplaçable sur ledit sol. 2. Procédé pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication l,qui comporte au moins un capteur magnétique,au moins un capteur tellurique, des circuits avec amplificateurs et filtres à la. sortie des capteurs, au moins une ligne non tellurique, des moyens de lecture et/ou d'enregistrement, caractérisé en ce que chaque capteur tellurique est constitué par deux pla teaux formant capacité avec le sol sur lequel ils sont appliqués, par un préamplificateur à grande impédance d'entrée placé sur chaque plateau ,par une ligne tellurique de longueur très réduite, par un amplificateur différentiel placé sur l'un des plateaux, par une sortie de liaison avec les moyens de mesure, en ce que chaque capteur magnétique est apériodaue pour la gamme de fréquences retenue et comporte un enroulement à petit nombre de spires, et des-extrémités reliées à un préamplificateur différentiel à faible gain et servant d'adaptateur d'impédance, en ce que des moyens d'alimentation en courant sont reliés aux capteurs telluriques et magnétiques,un appareil de mesure recevant les sorties des capteurs. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le plateau déplaçable sur le sol est constitué d'une toile métallique collée sur une feuille isolante. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le plateau déplaçable sur le sol est formé d'une feuille d'élastomère dans laquelle sont incorporés des éléments conducteurs. 5.Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les moyens d'alimentation sont disposés directement sur les capteurs. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le capteur est tel outil peut flotter, permettant ainsi des mesures dans des zones marécageuses ou recouvertes d'une faible hauteur d'eau.