Brevet FR3041108A1 — publié le 20170317

Procédé pour cartographier simultanément la conductivité électrique et la permittivité diélectrique du sous-sol La présente invention concerne le domaine de l'exploration du sous-sol au moyen de techniques géophysiques. L'objectif des mesures géophysiques de surface est de décrire la structure interne d'un sol (nature des matériaux, épaisseurs, fracturation...) par la mesure 5 d'une grandeur physique en surface. En particulier, l'invention concerne une méthode géophysique électromagnétique permettant de déterminer et cartographier la conductivité électrique et la permittivité diélectrique de la proche surface d'une zone du sous-sol, au moyen de mesures du champ magnétique généré par un émetteur inductif (i.e. un conducteur fermé parcouru par un 10 courant alternatif de fréquence non nulle). La permittivité diélectrique (notée e), est une propriété physique qui décrit la réponse d'un milieu donné à un champ électrique alternatif qui lui est appliqué, notamment le déplacement des charges électriques et la réorientation des dipôles électriques, qui se traduisent par des courants dits de déplacement. Elle peut s'exprimer en coulombs par volt et par mètre (C.V- 15 1.m-1 ou F/m). La conductivité électrique (notée o) est l'aptitude d'un matériau à permettre le passage d'un courant électrique en réponse à un champ électrique. La conductivité, exprimée en siemens/mètre (S/m) est l'inverse de la résistivité p, exprimée en ohm.mètre (n.m). La détermination de la conductivité électrique et de la permittivité diélectrique permet 20 entre autre d'étudier l'humidité dans la zone non saturée en hydrogéologie. De manière plus générale, ces données permettent de répondre à des questions de risques naturels et de reconnaissance géophysique environnementale, dans tous les domaines où l'humidité joue un rôle important : agriculture, reconnaissance de digues, humidité dans la zone non saturée (ZNS), cartographie des argiles à retrait/gonflement, contrôle des argiles de confinement 25 (stockages), archéologie, pollutions minérales et organiques, cavités vides ou remplies d'eau, etc... On connaît des méthodes géophysiques électromagnétiques basées sur des mesures électromagnétiques utilisant des fréquences diffusives (basses fréquences), c'est-à-dire des fréquences inférieures à 100 kHz, pour chaque offset de l'étude (l'offset étant défini comme 30 la distance entre l'émetteur et le capteur de champ magnétique). Ces procédés permettent de déterminer la résistivité de la zone du sous-sol étudiée. Un tel procédé est décrit par exemple dans le document suivant : Frischknecht F.C. et al. (1991), Profiling methods using small sources, in Nabighian M.N. ed., Electromagnetic methods in applied geophysicsApplications, volume 2, part A, 105-269. Chapter "Slingram Equipment and Procedures", 3041108 2 110-113. Sachant qu'à une fréquence donnée la résistivité d'une roche poreuse peu argileuse est influencée à la fois par la teneur en eau et par la salinité de l'eau (loi d'Archie), il n'est pas possible, à partir de tels procédés de déterminer l'un de ces paramètres sans connaitre l'autre. On connaît également des méthodes géophysiques électromagnétiques basées sur des mesures électromagnétiques utilisant des fréquences radar, c'est-à-dire des fréquences supérieures à 20 MHz, pour chaque offset de l'étude. Ces procédés permettent de déterminer principalement la permittivité diélectrique de la zone du sous-sol étudiée. Un tel procédé est décrit par exemple dans le document suivant : Mari J.L, Arens G., Chappelier D. et Gaudiani P. (1998), Géophysique de Gisement et de Génie Civil, Éditions Technip, Paris. Chapitre 9 « Le radar ». Sachant qu'à une fréquence donnée la permittivité diélectrique d'un sol peu argileux est reliée principalement à la teneur en eau (Topp G.C., Davis J.L. and Annan P. (1980), Electromagnetic determination of soil water content: measurement in coaxial transmission lines, Water Resour. Res., 16 (3), 574-582), il est difficile, à partir de tels procédés, de déterminer la salinité de l'eau. Ainsi, aucun de ces procédés ne permet d'estimer simultanément, pour une roche peu argileuse, la teneur en eau du volume sondé (à partir de la permittivité diélectrique) et la salinité de son eau d'imbibition (à partir de la conductivité). L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé géophysique permettant, en une seule mesure, c'est-à-dire à une seule fréquence et pour un seul offset, la détermination de la teneur en eau et de la salinité de cette eau pour une roche peu argileuse. Ainsi, l'objet de l'invention concerne un procédé pour cartographier simultanément la conductivité électrique et la permittivité diélectrique d'une zone du sous-sol, procédé dans lequel on réalise des mesures électromagnétiques et l'on construit un modèle tabulaire multicouche ayant un nombre donné de couches. Selon l'invention : on réalise les mesures électromagnétiques pour au moins un offset en un point de ladite zone, en utilisant plusieurs fréquences choisies dans la gamme des fréquences intermédiaires ; on calcule pour chaque point de mesure, pour chaque offset et pour chaque fréquence une résistivité et une permittivité apparentes on construit en chaque point de mesure le modèle tabulaire multicouche de conductivité électrique et de permittivité diélectrique par inversion directe des mesures électromagnétiques au moyen d'un logiciel d'inversion déduisant simultanément une valeur de conductivité électrique, une valeur de permittivité 3041108 3 diélectrique et une épaisseur pour chaque couche du modèle. Ce procédé constitue une méthode géophysique électromagnétique permettant l'acquisition, sans contact avec le sol, de données de conductivité électrique et de permittivité diélectrique dont les variations spatiales traduisent les hétérogénéités et les 5 variations de faciès du proche sous-sol, jusqu'à environ 20 m de profondeur et avec une résolution verticale d'ordre métrique dans les premières couches. En effet, l'utilisation de fréquences intermédiaires présente les avantages suivants : mesures sensibles à la fois à la conductivité électrique et à la permittivité diélectrique (la première est reliée à la teneur en eau et à la salinité de l'eau porale, ainsi qu'aux 10 argiles ; la seconde est reliée à la teneur en eau indépendamment de la salinité, ainsi qu'aux argiles, et plus particulièrement au groupe des smectites, connues pour leurs propriétés de retrait/gonflement) ; bon compromis entre profondeur de pénétration (- 10-20 m) et résolution verticale (- 12 m) pour les études environnementales superficielles à haute résolution spatiale. 15 Selon l'invention, la gamme de fréquences intermédiaires est la gamme de fréquences pour lesquelles il existe une superposition de courants de déplacement et de courants de conduction. Notamment, la gamme de fréquences intermédiaires peut être la gamme de fréquences 20 pour lesquelles le ratio E w /a est compris entre 0.05 et 10, où E est la permittivité diélectrique, w est la pulsation et a est la conductivité électrique. Par exemple, la gamme de fréquences intermédiaires peut être définie comme la gamme de fréquences comprises entre 400 kHz et 20 MHz.* Selon un mode de réalisation, on réalise des mesures électromagnétiques pour différents 25 offsets et/ou sous offsets et/ou pour différentes positions d'un dispositif de mesure au niveau de ladite zone, et pour chaque offset et/ou sous offsets et/ou position, on utilise différentes fréquences comprises dans la gamme de fréquences intermédiaires. Selon ce mode de réalisation, on déduit avantageusement une valeur de conductivité électrique et une valeur de permittivité diélectrique pour chacune desdites fréquences et 30 chacun desdits offsets et/ou chacune desdites positions. Selon l'invention, on peut déduire la valeur de conductivité électrique et la valeur de permittivité diélectrique au moyen d'une technique d'inversion basée sur les équations de Maxwell et les équations de propagation des ondes. On peut construire le modèle tabulaire multicouche de conductivité électrique et de 35 permittivité diélectrique au moyen d'une technique d'inversion des mesures électromagnétiques. 3041108 4 Selon l'invention, on peut déterminer, une valeur ou une variation relative de la teneur en eau d'un volume sondé en utilisant la loi de Topp, et déterminer une valeur ou une variation relative de la salinité de l'eau d'imbibition d'un volume sondé en utilisant les lois d'Archie et de Topp. 5 L'invention concerne également un dispositif de mesure électromagnétique comportant au moins un émetteur magnétique vertical (Tx) et un récepteur magnétique vertical (Rx), l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) étant chacun reliés à un boitier de commande, de numérisation et de traitement (PXI), lui-même relié à un PC de contrôle (PC), dans lequel l'émetteur magnétique (Tx) génère un champ magnétique à au moins une fréquence 10 donnée, choisie parmi les fréquences intermédiaires. De préférence, l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) sont distants de 2 à 40m, et l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) sont chacun reliés par un câble coaxial de courte longueur au boitier. Avantageusement, le dispositif de mesure électromagnétique comporte un second 15 récepteur mesurant un champ magnétique horizontal Hx. Le boitier peut comporter une carte d'acquisition d'au moins 100 méga échantillons par seconde, un module de communication et un module de synchronisation. Il peut également comporter un boitier maître relié à l'émetteur et un boitier esclave relié au récepteur ; le boitier maitre et le boitier esclave pouvant être reliés entre eux par un 20 faisceau d'au moins cinq fibres optiques. Enfin, selon un mode de réalisation : Une fibre est adaptée à l'envoi d'ordres du boitier maître au boitier esclave par le biais de modules de communication ; Une fibre est adaptée à la récupération par le boitier maître de données acquises par 25 le boitier esclave ; Une fibre est adaptée à l'exportation d'une horloge hyper stable d'un module de synchronisation du boitier maître vers celui du boitier esclave ; Une fibre est adaptée à l'envoi d'un ordre de déclenchement du boitier maitre vers le boitier esclave pour démarrer une mesure ; 30 Une fibre est adaptée à l'exportation d'un pulse de synchronisation du boitier maître vers le boitier esclave. L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : 35 - La figure 1 illustre les étapes du procédé selon l'invention. - La figure 2 illustre un exemple de mesures de champs électromagnétiques : Hz et Hx, et leurs phases respectives, pour différentes fréquences intermédiaires et différents offsets 3041108 5 (Tx-Rx). - La figure 3 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention. Les notations suivantes seront utilisées au cours de la description : 5 H champ magnétique E champ électrique a conductivité électrique P résistivité électrique, inverse de o- Er permittivité diélectrique relative 10 E permittivité diélectrique EWE : courant de déplacement aE courant de conduction TI ratio courant de déplacement/ courant de conduction ; ri = e w /a f fréquence 15 w pulsation ; w = 2t.f 0, teneur en eau volumétrique (produit de la porosité d) par la saturation en eau Sw) a, conductivité de l'eau, dépendante de la salinité et de la température. 20 On se réfère maintenant à la figure 1, qui illustre le procédé selon l'invention pour cartographier simultanément la conductivité électrique et la permittivité diélectrique de la proche surface d'une zone du sous-sol, dans lequel on réalise des mesures électromagnétiques et l'on construit un modèle tabulaire multicouche (MOD) ayant un nombre donné de couches. Selon ce procédé : 25 on émet un champ magnétique à l'aide d'un émetteur inductif, tel qu'un conducteur fermé parcouru par un courant alternatif de fréquence non nulle ; on réalise les mesures électromagnétiques pour au moins un offset en un point de ladite zone, en utilisant plusieurs fréquences, de préférence régulièrement réparties, dans la gamme des fréquences intermédiaires (100 kHz - 20 MHz) ; 30 on calcule les paramètres électriques apparentes pour chaque point de mesure (on les reporte sur des profils ou des cartes) ; on construit finalement pour chaque point de mesure le modèle tabulaire multicouche (MOD) de conductivité électrique et de permittivité diélectrique par inversion directe des mesures électromagnétiques (différentes valeurs de champ mesurées aux 35 différentes fréquences et offsets), au moyen d'un logiciel d'inversion déduisant simultanément une valeur de conductivité électrique (a), une valeur de permittivité 3041108 6 diélectrique (E ou er) et une épaisseur pour chaque couche du modèle. Mesures électromagnétiques Au cours de cette étape, on réalise des mesures électromagnétiques pour au moins un 5 offset au niveau de la zone d'étude, en générant dans cette zone un champ magnétique pour différentes fréquences discrètes, choisies et réparties parmi les fréquences intermédiaires, et en enregistrant au moins une composante géométrique (Hz en standard, parfois Hz et Hx) du champ magnétique dans cette zone. Pour réaliser de telles mesures, on utilise un dispositif de mesure électromagnétique 10 comportant deux modules : un émetteur magnétique de moment généralement vertical (Tx) (petite boucle de courant alternatif disposée à l'horizontale, assimilable à un dipôle magnétique vertical), et un module récepteur (Rx) permettant de mesurer au moins une composante géométrique du champ magnétique (vertical, horizontal, ou les deux). Chaque module (Tx et Rx) est relié à un boîtier numérique d'échantillonnage et de contrôle. Les deux 15 boîtiers communiquent de préférence entre eux par fibre optique, ceci afin d'éviter les rayonnements parasites qui seraient produits avec des câbles coaxiaux (i.e. métalliques), jouant le rôle d'antennes. L'émetteur constitue une source qui génère un champ magnétique primaire à une fréquence donnée, choisie parmi les fréquences intermédiaires. Lorsque le champ primaire 20 rencontre le sol, qui est toujours plus ou moins conducteur et diélectrique (i.e. o-> 0 et e> 0), un champ secondaire est généré qui vient s'ajouter au champ primaire : le système de mesure détecte le champ total égal à la somme des champs primaire et secondaire. La profondeur d'investigation maximale est de l'ordre de l'offset entre l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx). 25 Selon une configuration basique de l'invention, les mesures électromagnétiques consistent essentiellement à mesurer le champ magnétique vertical Hz, mais on peut aussi utiliser le champ magnétique horizontal radial Hx, ou les deux. Chacune de ces composantes magnétiques est un complexe dont on utilise, soit les partie réelle et imaginaire (représentation cartésienne), soit les paramètres module et phase (représentation polaire). 30 Par définition, la gamme des fréquences intermédiaires est celle où il existe une superposition des courants de déplacement et des courants de conduction, de sorte qu'aucun des deux termes ne domine complètement l'autre. Ainsi, l'utilisation de ces fréquences intermédiaires permet une détermination simultanée de la conductivité électrique p et de la permittivité diélectrique relative Er. 35 A partir des équations de Maxwell et des équations de propagations des ondes, rappelées en annexe, on constate qu'à très basse fréquence, les courants de déplacement (EWE) sont 3041108 7 négligeables devant les courants de conduction (CE). Au contraire à très haute fréquence, les courants de déplacement deviennent dominants. Ainsi, en pratique, la gamme des fréquences intermédiaires correspond aux fréquences pour lesquelles le ratio courant de déplacement / courant de conduction, noté ri (ri = e.co / a), 5 est compris entre 0.05 et 10. En moyenne, dans les terrains de surface de régions tempérées, en France notamment, la plage des fréquences intermédiaires se situe entre 400 kHz et 20 MHz. En réalité, la fréquence plancher de la gamme des fréquences intermédiaires est fonction des paramètres électriques locaux : sur des terrains ayant une forte permittivité diélectrique 10 et une résistivité électrique pas trop faible (p>20, er>100, cas de certaines argiles gonflantes par exemple), la plage des fréquences intermédiaires pourra commencer vers 400 kHz et se terminer vers 100 MHz ; au contraire, sur des terrains conducteurs et peu permittifs (p REVENDICATIONS1. Procédé pour cartographier simultanément la conductivité électrique et la permittivité diélectrique d'une zone du sous-sol, dans lequel on réalise des mesures électromagnétiques et l'on construit un modèle tabulaire multicouche (MOD) ayant un nombre donné de couches, caractérisé en ce que : on réalise les mesures électromagnétiques pour au moins un offset en un point de ladite zone, en utilisant plusieurs fréquences choisies dans la gamme des fréquences intermédiaires ; on calcule pour chaque point de mesure, pour chaque offset et pour chaque fréquence une résistivité et une permittivité apparentes ; on construit en chaque point de mesure le modèle tabulaire multicouche (MOD) de conductivité électrique et de permittivité diélectrique par inversion directe des mesures électromagnétiques au moyen d'un logiciel d'inversion déduisant simultanément une valeur de conductivité électrique (d), une valeur de permittivité diélectrique (E, er) et une épaisseur pour chaque couche du modèle. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la gamme de fréquences intermédiaires est la gamme de fréquences pour lesquelles il existe une superposition de courants de déplacement et de courants de conduction. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la gamme de fréquences intermédiaires est la gamme de fréquences pour lesquelles le ratio e colo- est compris entre 0.05 et 10, où eest la permittivité diélectrique, West la pulsation et o-est la conductivité électrique. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la gamme de fréquences intermédiaires est la gamme de fréquences comprises entre 400 kHz et 20 MHz. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réalise des mesures électromagnétiques pour différents offsets et/ou sous offsets et/ou pour différentes positions d'un dispositif de mesure au niveau de ladite zone, et pour chaque offset et/ou sous offsets et/ou position, on utilise différentes fréquences comprises dans la gamme de fréquences intermédiaires. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on déduit une valeur de conductivité électrique et une valeur de permittivité diélectrique pour chacune desdites fréquences et chacun desdits offsets et/ou chacune desdites positions. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on déduit la valeur de conductivité électrique et la valeur de permittivité diélectrique au moyen d'une technique d'inversion basée sur les équations de Maxwell et les équations de propagation des ondes. 3041108 17 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on construit le modèle tabulaire multicouche de conductivité électrique et de permittivité diélectrique au moyen d'une technique d'inversion des mesures électromagnétiques. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on détermine une 5 valeur ou une variation relative de la teneur en eau d'un volume sondé en utilisant la loi de Topp. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on détermine une valeur ou une variation relative de la salinité de l'eau d'imbibition d'un volume sondé en utilisant les lois d'Archie et de Topp. 10 11. Dispositif de mesure électromagnétique comportant au moins un émetteur magnétique vertical (Tx) et un récepteur magnétique vertical (Rx), l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) étant chacun reliés à un boitier de commande, de numérisation et de traitement (PXI), lui-même relié à un PC de contrôle (PC), dans lequel l'émetteur magnétique (Tx) génère un champ magnétique à au moins une fréquence donnée, choisie parmi les fréquences 15 intermédiaires. 12. Dispositif de mesure électromagnétique selon la revendication 11, dans lequel l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) sont distants de 2 à 40m. 13. Dispositif de mesure électromagnétique selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel l'émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) sont chacun reliés par un câble coaxial de 20 courte longueur au boitier. 14. Dispositif de mesure électromagnétique selon l'une des revendications 11 à 13, comportant un second récepteur mesurant un champ magnétique horizontal Hx. 15. Dispositif de mesure électromagnétique selon l'une des revendications 11 à 14, dans lequel le boitier comporte une carte d'acquisition d'au moins 100 méga échantillons par 25 seconde, un module de communication et un module de synchronisation. 16. Dispositif de mesure électromagnétique selon l'une des revendications 12 à 15, dans lequel le dispositif comporte un boitier maître relié à l'émetteur et un boitier esclave relié au récepteur. 17. Dispositif de mesure électromagnétique selon la revendication 16, dans lequel le boitier 30 maitre et le boitier esclave sont reliés entre eux par un faisceau d'au moins cinq fibres optiques. 18. Dispositif de mesure électromagnétique selon la revendication 17, dans lequel : Une fibre est adaptée à l'envoi d'ordres du boitier maître au boitier esclave par le biais de modules de communication ; 35 Une fibre est adaptée à la récupération par le boitier maître de données acquises par le boitier esclave ; Une fibre est adaptée à l'exportation d'une horloge hyper stable d'un module de 3041108 18 synchronisation du boitier maître vers celui du boitier esclave ; Une fibre est adaptée à l'envoi d'un ordre de déclenchement du boitier maitre vers le boitier esclave pour démarrer une mesure ; Une fibre est adaptée à l'exportation d'un pulse de synchronisation du boitier maître 5 vers le boitier esclave.