Brevet FR2581766A1 — publié le 19861114

L'invention se rapporte à un procede de prospection géophysique par méthode électrique et concerne plus précisément un procédé apte à déceler des hétérogénéïtés de terrain, en particulier des vides, à moyenne profondeur, utilisant au moins une électrode ponctuelle profonde. On sait que la prospection électrique a pour objet l'étude du parametre résistivité " des terrains prospectés. Sachant que la résistivité des roches est variable selon leur nature, on cherche à dresser des cartes de resistivité. Ces cartes montrent la répartition de la résistivité en relation avec la nature géologique. Des variations brusques de la resisti- vite, dites " anomalies " démontrent des hétérogénéïtés du terrain en profondeur. D'ob l'intérét d'une prospection géophysique par la méthode électrique. Les premières mesures de la résistivité des terrains ont eté faite par C. SCHLUMBERGER dès 1920. Le principe de cette méthode consiste à envoyer dans le sol par deux électrodes A et B fichées à la surface, un courant électrique d'intensité I qui se répartit dans le sol en créant un champ de potentiel. Ce champ de potentiel s'établit suivant la résistivité du sol. Si l'on mesure la différence de potentiel a V ainsi produite entre deux points M et N à la surface du sol, on sait que cette différence de potentiel répond à la formule ss V = 1. 1. # . I K dans laquelle K est une constante géométrique définie par la position des quatres points A B M N, et P la résistîvité du milieu. En général on place les points M et N sur le segment A B de part et d'autre du centre O de ce segment. La résistivité dite " résistivité apparente ", est alors donnee par la formule : # a = K I Elle représente la valeur de la résistivité spécifiquement mesurée avec le quadripole A M N B, et que l'on attribue au point 0. En deplaçant l'ensemble que constituent les électrodes A et B ainsi que les points de mesure M et N, c'est à dire en déplaçant a la surface du sol le quadripôle de longueur constante, on détermine une série de resis- tivités apparentes attribuées aux points O successifs. On peut dresser ainsi une carte de ces résistivités apparentes? C'est la methode dite du H trainé de resistivité ". Dans le cas également connu ou on dilate homothétiquement le quadripôle A M H B en gardant le point O fixe, le courant traversera des couches de terrains de plus en plus profondes C'estle"sondage électrique". Il permet de déterminer la résistivité vraie et la profondeur des couches successives du sol. Ces méthodes bien connues présentent toutefois des inconvénients dûs au fait que leur pouvoir de résolution est faible. Elles ne permettent pas de déceler des hetérogénéltes de résistivités des lors qu'elles ne sont pas suffisamment importantes en volume ou proches de la surface. Elles sont donc utilises pour des recherches génerales ou a l'échelle régionale. Pour deceler des gisements de petrole profonds dans un terrain stratifie, une solution connue consiste à placer les électrodes A et B, non pas en surface mais en profondeur dans le sol, utilisant pour cela des puits de forages généralement percés a proximité de gisements eventuels pour effectuer une première " reconnaissance " du terrain. Les électrodes linéïques continues, souvent constituées par le tubage metallique lui-meme du forage, permettent l'injection de courant dans les couches profondes les plus conductrices du sol. L'anomalie de champ électrique mesurée entre des electrodes profondes pouvant être éloignes ainsi de plusieurs kilomètres permet due localiser une anomalie de résistivité correspondant à un gisement pétrolier. Cette méthode, si elle donne des résultats satisfaisants pour la prospectif de gisements profonds, ne peut être utilisée pour déceler des anomalies localises en surface ou à faible profondeur. Jusqu'a ce jour, par consequent, aucune de ces methodes connues ne permet de déceler à coup sur, de façon rapide et prise, des anomalies de résistivité moyennement proches de la surface d'un terrain, batt ou non, liées par exemple a des masses hétérogènes enfouies dans le sol, ou encore à des creux, des vides, des tunnels, des carrières, des differences de nature de terrain c'est a dire a des hétérogénéités du terrain prospecté. Or la connaissance précise du sous-sol préalablement à tous travaux de construction ou de génie civil est absolument nécessaire aux hommes de l'art. L'invention propose un procédé de prospection géophysique par methode électrique particulièrement adapte a la connsaissance de ces anomalies à moyenne ou faible profondeur et qui, de surcroit, est d'une mise en oeuvre rapide et simple tout en donnant des résultats précis et immédiatement exploitables. Le procédé selon l'invention consiste, - à envoyer dans le sol un courant electrique par deux electrodes ponctuelles fixes dont l'une d'entre elles au moins est disposee au fond d'un trou de forage réalisé dans ou a proximité immédiate du terrain a reconnaître, et dont l'autre est placee en surface dudit terrain ou dans un autre forage; - à mesurer le potentiel grace à une troisieme électrode disposée en des points de mesure M successifs a la surface du terrain par rapport à une quatrième électrode fixe, de préférence en un point de potentiel zéro; - à calculer en chaque point M la K VM valeur de la résistivité correspondante par la formule # = I - à porter ces valeurs de la résistivité sur une carte et a tracer les lignes d'isorésistivité faisant apparaître les éventuelles anomalies de resistivite quivseront en relation avec les hétérogénéïtés profondes du terrain. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés qui représentent figure 1, une vue schématique en coupe d'un terrain montrant la position des électrodes excitatrices et de l'électrode de mesure ; figure 2, une vue schématique montrant la position relative des differents éléments pour la determination du calcul du potentiel electrique au point M de coordonnées x, y, z ; figure 3 et 4, deux graphiques montrant la répartition des lignes equipo- tentielles respectivement selon les plans x oz et y oz de la figure 1 ; figure 5, un exemple de carte de résistivités apparentes illustrant la présence d'une anomalie. La figure 1 montre la position de deux electrodes A et B placées dans des puits de forage respectivement à des profondeurs h1 et h2. L'electrode A etant considéree à l'abcisse O est disposee à proximité immédiate du terrain à reconnaître. L'electrode B etant à la profondeur h2 est éloignée de A de la distance L ( h2 peut être egal à zéro ). Ces électrodes emissives de courant sont des électrodes ponctuelles. Le potentiel en un point M de mesure effectuee a la surface du sol ( z = o ) est donné par la formule : 1 VM = x # x I K dans laquelle # est la résistivité, K un paramètre qui dépend des coordonné@ des électrodes notamment leur profondeur h1 et h2, et leur espacement L, et des coordonnees ( x, y ) du point M. Connaissant VM et l'intensité I, on détermine donc la résistivité. En se référant maintenant à la figure 2, on montre l'expression mathématique donnant le calcul du potentiel électrique au point M qui se déplace dans le demi-espace de résistivité p limite par le plan x o z. Les points A et B representant les électrodes en profondeur, leurs images A' , B' par rapport au plan x o z et le point de mesure M, definissent les cotes suivante xA = o xA' = o xB = L xB' = L oA = oA' = h1 yA = o yA' = o yB = o yB' = o o'B = oB' = h2 zA = h1 zA' = - h1 zB = h2 zB' = - h2 oo' = L AM = d1 MA' = d'1 MB = d2 MB' = d'2 D'après la théorie des images électriques, le potentiel de M par rapport à A est donne par De même le potentiel de M par rapport à B est : VM = VM (A) - VM (B) d'où :: Lorsque le point M est a la surface du sol la formule se simplifie Si l'on mesure le potentiel VM en différents points M de la surface du sol, cette formule permet de calculer la résistivité # du sol, le calcul du coefficient K se faisant aisement pour chaque point M avec un ordinateur. Si le milieu est homogène, la résistivité ainsi calculée sera identique en tous points de mesure. Mais s'il existe une hétérogénéTté dans la résis tivité du milieu, par exemple un vide équivalent à un volume de resistivité infinie, la repartition des équipotentielles va être modifiée, notamment au voisinage de l'hétérogénéïté. Ces déformations se feront sentir à la surface du sol. La resistivite calculée en chaque point M de la surface du sol où l'on aura mesure le potentiel réel ne donnera plus une valeur uniforme. On appelle les valeurs calculées des " résistivités apparentes ". La carte des résistivités apparentes fera apparaître une anomalie de résistivité qui sera en relation avec l'hétérogénêTté. Les figures 3 et 4 montrent la répartition du coefficient K donc des équipotentiel les calculees pour une résistivité homogène suivant le plan x o z ( figure 3 ) et y o z ( figure 4 ). L'électrode A est à une profondeur h1 de 21m, l'électrode B non représentée est en surface à une longueur de 101,60m. On peut voir que dans un domaine très etendu autour de l'électrode A les surfaces équipotentielles sont pratiquement perpendiculaires à la surface du sol. Si, dans ce domaine, il existe une hétérogénéTté de résistivité entrainant une déformation des equipotentielles, il est visible que le maximum d'anomalies des potentiels lus én surface sera a peu près verticalement superposé à la déformation maximale provoquee par 1 'hétéro- génélte profonde. Il faut pour cela que la profondeur h de I'électrode soit au moins de l'ordre de grandeur de la profondeur de l'hétérogénéïté cherchée. La profondeur d'investigation de la méthode est alors uniquement fonction de la possibilité de creuser un forage à plus ou moins grande profondeur pour y installer une électrode excitatrice que l'on pourra considèrer comme ponctuelle. Si h est cette profondeur, l'autre électrode excitatrice devra être éloignée d'une distance L qui, en pratique, devra être au moins superieure à 3h. Cette distance L peut augmenter jusqu'à l'infini ou du moins, une très grande valeur Dans cette disposition, l'hétérogénéïté se trouve entre l'électrode et les points de mesure. On la " voit par transparence ", d'où le nom donné au-procédé de mesure de résistivité par transparence. La mise en oeuvre de ce procede consiste à mesurer le potentiel VM par exemple avec un appareil du genre d'un voltmètre électronique entre le point M et un point de potentiel zéro que l'on trouve sur le plan médiateur de AB. Mais il est bien connu que cette mesure est perturbée par une série de phenomènes dits de " polarisation spontannée " (P.S.). On peut pallier ces phénomènes indésirables par plusieurs méthodes, soit en utilisant des électrodes impolarisables qui éliminent la polarisation voltaTque entre les piquets de mesure mais ne peuvent rien contre les autres origines de la polarisation, soit en envoyant un courant inverse et de la même valeur dans le circuit ( methode par compensation ), soit encore en mesurant ces potentiels parasites avant d'appliquer le courant aux électrodes d'injection pour pouvoir les soustraire de la mesure faite lorsque le courant est etabli entre A et B (méthode par différence ). Pour les électrodes de mesure ( YM ) de simples piquets suffisent ( on utilisera de préférence du cuivre pour diminuer la polarisation entre ces piquets). En effet, leur résistance de terre est indifférente puisqu'il s'agit d'une mesure de potentiel, notamment si l'on utilise un voltmètre electronique dont la résistance interne est de plusieurs milliers d'Ohms. Pour les électrodes d'injection du courant A et B, les phénomènes de polarisation importent peu, par contre leur résistance de prise de terre doivent être la plus faible possible. En effet, pour que-le potentiel VM soit lisible avec suffisamment de précision, il faut qu'il atteigne une valeur appréciable. Dans la formule # = K. VM I on voit que pour que VM soit le plus grand possible, il faut augmenter l'intensité du courant I. Or on a : UAB RAB x I U étant la force électromotrice du générateur entre A et B. RAB est la résistance électrique du circuit essentiellement le sol. Cette resistance est la somme des"résistancesde prise de terrez des electrodes d'injection A et B, essentiellement tributaires de la résistivite du sol et des dimensions des électrodes. On sait qu'au dela d'une certaine distance, RAB est pratiquement indépendant de la longueur AB. On voit donc que pour augmenter l'intensité I tout en limitant la force électromotrice U du générateur à des valeurs raisonnables, il faut diminuer les résistances de prise de terre des électrodes A et B Ceci est contradictoire avec la nécessite théorique d'électrodes ponctuelle Il faut donc garder un compromis en utilisant des électrodes A et B de dimension suffisamment petite dans les forages ou bien en employant tout artifice permettant de diminuer ces résistances de prise. La mesure de l'intensité I du courant d'injection se fait normalement avec un amperemètre placé sur le circuit d'injection entre A et B. Ce circuit est constitué par un groupe générateur de courant continu, par exemple une batterie d'accumulateur. En pratique une force électromotrice d'une cinquantaine de volts produira une intensité de l'ordre de 1 ampère dans des terrains marno-calcaires. Le circuit comprend donc : - d'une part, une bobine de fils munie d'un interrupteur et d'un ampèremètre relié en série a la batterie d'accumulateurs et aux electrodes A et B ; - d'autre part, une bobine de fil reliant l'électrode de mesure M et le voltmètre a l'électrode fixe de potentiel zéro. La figure 5 montre un exemple d'une carte de résistivités établie sur un site où on prevoit la construction d'un certain nombre d'habitations H. L'électrode A etait placee au fond d'un forage à 23 m de profondeur, l'électrode B était en surface a 75 m de là. Les points M de mesure e-taient implantés successivement en surface selon un maillage carré suivant les axes o x et o y, et a des espacements de 5 en 5 mètres. La mesure de VM en chaque point M a permis de calculer la resistivite apparente en chacun de ces points et de tracer la carte d'isovaleurs de cette résistivité. Les courbes ainsi obtenues font apparaître très nettement en 18 une anomalie allongée qui en l'occurence correspond à un souterrain dont on ignorait l'emplacement. REVENDICATIONS 1) Procédé de prospection géophysique par méthode électrique pour la détection d'hétérogénéïtés ou de vides en profondeur dans le sol, dans lequel deux électrodes placées dans ou sur le sol injectent dans le terrain un courant continu qui crée un champ de potentiel mesure par une électrode de mesure, caractérisé par le fait qu'on place une électrode excitatrice et ponctuelle A, au fond d'un trou de forage a proximité ou dans le terrain a reconnaître, qu'on place une autre electrode excitatrice et ponctuelle B en surface ou dans un autre forage, qu'on analyse le champ de potentiel par rapport à une électrode fixe de mesure à l'aide d'une electrode M disposée en des points de mesure successifs a la surface du terrain et qu'on restitue les mesures de potentiel obtenues dans un tracé de lignes d'isorésistivité faisant apparaître les éventuelles anomalies de résistivité. 2) Procédé de prospection geophysique selon la revendication 1, carac merise par le fait qu'on mesure le potentiel VM entre l'emplacement de l'électrode de mesure M et un point de potentiel zéro sur le plan médiateur du segment défini par les électrodes excitatrices A et B. 3) Procédé de prospection geophysique selon la revendication 1 carac térisé par le fait que les points de mesure successifs M sont implantés à la surface du terrain selon un maillage régulier. 4) Procédé de prospection géophysique selon les revendications 1 et 3 caractérisé par le fait que la restitution des mesures de potentiel est rendue possible par le calcul d'une valeur de " résistivité apparente pour chaque point M de mesure donné par la formule VM #a = K avec