des neiges de septembre à décembre. Le ruissellement atteint son maximum à la fin ou juste un mois après la fin de la saison de fonte des neiges. Mis à part la fonte des neiges et des précipitations directes, les débits pérennes sont maintenus principalement par glaciers blancs et rocheux situés dans des zones de haute altitude à proximité la frontière argentine (Favier et al. 2009, Valois et al. 2019), ainsi que des aquifères dans le remplissage sédimentaire de ces vallées. La variabilité interannuelle des précipitations observée dans cette région peut être expliquée en partie par ENSO.

En ce qui concerne la configuration géologique, la zone est composée de vallées étroites entourées principalement de roches intrusives, volcaniques et roches volcano-sédimentaires (Fig. 2). Les forages surveillés utilisés dans cette étude ont été forés dans les comblements d'alluvions de la vallée sol.

<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>Figure 2 –Localisation et photos de la zone d'étude.</figcaption></figure>

Les techniques de tomographies de résistivité électriques, de sondages électro-magnétiques ont été déployées conjointement avec des techniques hydrogéologiques (hydrochimie, essais de pompage) pour caractériser les différents compartiments hydrogéologiques et tenter de comprendre comment ils se connectent entre eux.

## CONCLUSIONS

Les connexions entre compartiments hydrogéologiques doivent être approfondies pour améliorer la conceptualisation du modèle et comprendre sa pertinence non seulement pour la biodiversité locale mais aussi pour la population qui dépend de l'eau de montagne.

Une meilleure compréhension du système permettra de développer des modèles hydrologiques plus appropriés et donc de projeter des scénarios futurs, en reconnaissant les points de basculement en fonction, par exemple, des changements attendus des conditions climatiques, comme des changements dans la quantité, le moment et le type des précipitations ou des changements de température conditions climatiques et une augmentation conséquente de la dégradation du pergélisol.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Favier V, Falvey M, Rabatel A, Praderio E and López D (2009). Interpreting discrepancies between discharge and precipitation in high-altitude area of Chile's Norte Chico region (26–32° S). *Water Resources Research*, 45(2).

Garreaud RD, Alvarez-Garretón C, Barichivich J, Boisier JP, Christie D, Galleguillos M, ... and Zambrano-Bigiarini M (2017) The 2010-2015 megadrought in central Chile: impacts on regional hydroclimate and vegetation. *Hydrology and Earth System Sciences*, 21(12), 6307-6327. doi: 10.5194/hess-2017-191

Immerzeel WW, Lutz AF, Andrade M, Bahl A, Biemans H, Bolch T, ... and Baillie JEM (2020) Importance and vulnerability of the world's water towers. *Nature*, 577(7790): 364-369. doi: 10.1038/s41586-019-1822-y

Masiokas M, Villalba R, Luckman B, Le Quesne C and Aravena J (2006) Snowpack variations in the central Andes of Argentina and Chile, 1951–2005: Large-scale atmospheric influences and implications for water resources in the region. *Journal of Climate*, 19(24); 6334–6352. doi: doi.org/10.1175/JCLI3969.1.

McPhee J, MacDonell S and Cassasa G (2021) Snow Cover and Glaciers. In: Fernández B., Gironás J. (eds) *Water Resources of Chile*. World Water Resources, vol 8. Springer Cham, pp 129–151. doi: 10.1007/978-3-030-56901-3_6.

Navarro, G., MacDonell, S., & Valois, R. (2023). A conceptual hydrological model of semiarid Andean headwater systems in Chile. *Progress in Physical Geography: Earth and Environment*, 03091333221147649.

Schaffer N, MacDonell S, Réveillet M, Yáñez E and Valois R (2019). Rock glaciers as a water resource in a changing climate in the semiarid Chilean Andes. *Regional Environmental Change*, 1-17.

Valois R, Araya-Vargas J, MacDonell S, Guzmán-Piñones C, Fernandoy F, Yáñez-Carrizo G, ... and Maldonado A (2021) Improving the underground structural characterization and hydrological functioning of an Andean peatland using geoelectrics and water stable isotopes in semi-arid Chile. *Environmental Earth Sciences*, 80(1): 1-14.

Valois R, MacDonell S, Núñez-Cobo J and Maureira-Cortés H (2020) Groundwater level trends and recharge event characterization using historical observed data in semi-arid Chile. *Hydrological Sciences Journal*, 65(4): 597-609. doi: 10.1080/02626667.2020.1711912
# SUIVI PLURIANNUEL PAR TOMOGRAPHIE ÉLECTRIQUE D'UNE PARCELLE FORESTIÈRE
(FORÊT DE BARBEAU, SEINE-ET-MARNE, FRANCE)

PESSEL M.<fnref n="1" />, DELPIERRE N.<fnref n="2" />, BERVEILLER D.<fnref n="3" />, LAMBERT R.<fnref n="4" />, E. LEGER E.<fnref n="5" />, MORFIN A.<fnref n="6" />, VINCENT G. <fnref n="7" />
COURTIN A.<fnref n="8" />

## RESUME

De juin 2021 à mars 2023 six transects de tomographie de résistivité électrique ont été acquis dans une parcelle forestière en forêt de Barbeau (Seine-et-Marne). Durant cette période deux étés différents (humide et sec) ont permis de mettre en évidence des comportements différents de variations de résistivité électrique du sous-sol. On propose un processus « ascenseur hydraulique » pour expliquer ce phénomène.

Mots clés : suivi géophysique, ascenseur hydraulique, événement extrême, ERT

## ABSTRACT

From June 2021 to March 2023, 6 electrical resistivity tomography transects were acquired in a forest plot in the Barbeau Forest (Seine-et-Marne). During this period, two different summers (wet and dry) allowed for the observation of distinct variations in subsurface resistivity. We propose a hydraulic lift process to explain this phenomenon.

Key words: geophysical monitoring, hydraulic lift, extreme event, ERT

## INTRODUCTION

Dans le contexte du changement climatique, les écosystèmes terrestres sont confrontés à une augmentation de la demande évaporative de l'atmosphère. La façon dont les forêts réagiront aux sécheresses extrêmes dépendra, dans une large mesure, de leur accès à l'eau du sol. La "capacité de rétention d'eau dans le sol" (CRES, en millimètres d'eau) est considérée comme un paramètre-clé pour la croissance et la survie des arbres. Cependant, l'estimation de la CRES reste extrêmement compliquée pour les arbres forestiers, notamment car il est très difficile d'évaluer la profondeur d'extraction d'eau par les arbres en forêt.

Le laboratoire ESE a installé en 2005 une station de recherche lourdement instrumentée au sein de la forêt de Barbeau (Seine-et-Marne). Cette forêt a remarquablement bien résisté aux sécheresses estivales (2009, 2011, 2015, 2018-2020, 2022), avec une fixation nette de carbone maintenue voire accrue lors des années de sécheresse, nous supposons que cette résistance tient à une CRES particulièrement élevée pour cette forêt. Les laboratoires ESE et GEOPS ont mis en place depuis l'été 2021 une caractérisation hydrogéophysique du site de Barbeau par suivi de la résistivité du sous-sol par méthode ERT (Electrical Resistivity Tomography). Les premiers résultats, encourageants, confirment d'une part la forte hétérogénéité des sols forestiers ainsi que la faisabilité d'utiliser la résistivité électrique de sols comme proxy de l'accès à l'eau des arbres et donc de rendre compte de la variabilité interindividuelle en termes de fonctionnement et de vulnérabilité au stress hydrique.

<footnote n="1">¹ Université Paris-Saclay, GEOPS, Orsay, France, marc.pessel@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="2">² Université Paris-Saclay, ESE, Gif-sur-Yvette, France, nicolas.delpierre@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="3">³ Université Paris-Saclay, ESE, Gif-sur-Yvette, France, daniel.berveiller@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="4">⁴ Université Paris-Saclay, GEOPS, Orsay, France, remi.lambert@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="5">⁵ Université Paris-Saclay, GEOPS, Orsay, France, emmanuel.leger@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="6">⁶ Université Paris-Saclay, ESE, Gif-sur-Yvette, France, alexandre.morfin@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="7">⁷ Université Paris-Saclay, ESE, Gif-sur-Yvette, France, gaelle.vincent@universite-paris-saclay.fr</footnote>

<footnote n="8">⁸ Université Paris-Saclay, GEOPS, Orsay, France, alexandra.courtin@universite-paris-saclay.fr</footnote>
## SITE D'ÉTUDE

La forêt de Barbeau est située dans le département de la Seine-et-Marne en Île-de-France, elle s'étend sur une superficie de plus de 1200 hectares. Cette forêt est située à 100m d'altitude en bordure du plateau de Brie et domine la Seine (Fig. 1). Cette région a un climat océanique dégradé et homogène typique de l'Île-de-France avec des températures moyennes annuelles d'environ 11 °C et des précipitations annuelles moyennes d'environ 650 millimètres. Selon une coupe géologique perpendiculaire à la Seine (fig. 2), le bois de Barbeau est situé sur un plateau essentiellement constitué des calcaires de Champigny puis par la formation des marnes vertes et des calcaires de Brie, ceux-ci étant probablement en partie érodés. Au-dessus de ces formations calcaires-marneuses, les sables de Fontainebleau peuvent être présents avec des faibles épaisseurs (entre 1 et 5m), puis 1-2 m d'argiles à meulières sur lesquelles repose la couverture limoneuse (fig. 1).

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>Fig. 1: Principales entités géologiques de la forêt de Barbeau (Thiry, 2010).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_72.png" /></figure>

Fig.

<caption>2: Coupe géologique perpendiculaire à la seine et au droit de la forêt de Barbeau (Thiry, 2010)</caption>

## MATÉRIELS ET MÉTHODES

### Tomographie de résistivité électrique

Entre Avril 2021 et Mars 2023, six transects de résistivité électrique ont été effectués sur la même ligne d'électrodes, chaque position d'électrodes étant référencée par un piquet, permettant ainsi une erreur de repositionnement minime (inf. à qqs centimètres). Les périodes d'acquisition ont été choisies de façon à couvrir les variations saisonnières annuelles, notamment la période estivale d'asséchement et la période hivernale de recharge. Les années 2021 et 2022 présentent des

<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>Fig. 3: Pluviométrie cumulée mensuellement pour 2021 et 2022</figcaption></figure>
comportements estivaux très différents, 2021 étant une année humide tandis que 2022 une année sèche (fig. 3).

L'acquisition a été réalisée avec un Syscal PRO de 48 électrodes espacées d'1 m et le protocole d'acquisition choisi est un Wenner-Schlumberger. L'inversion des données de résistivité apparente est réalisé à l'aide de la librairie Python pyBERT/pyGIMli (Rücker et al., 2017).

## Pseudo-sections

La figure 4 présente les six pseudo-sections obtenues ainsi que les pseudo-sections de pourcentage de variation de résistivité apparente (PVRhoa). Les grands arbres localisés sur le profil sont également indiqués. Même si l'interprétation en terme de structure du sous-sol ne peut se faire à partir des pseudo-sections de résistivité apparente Zhang et al. (2023) ont très récemment montré que l'utilisation des valeurs de résistivité apparente étaient plus pertinentes pour suivre des traceurs dans la zone hyporhéique. Ainsi il est intéressant dans une première approche d'étudier la variation de la résistivité apparente.

Les différentes périodes d'acquisition permettent de mettre en évidence 5 périodes saisonnières différentes :

* de juin 2021 à Septembre 2021 : période estivale humide 2021

* de septembre 2021 à janvier 2022 : période hivernale 2021/22

* de janvier 2022 à juin 2022 : période printanière 2022

* de juin 2022 à Août 2022 : période estivale sèche 2022

* de août 2022 à mars 2023 : période hivernale 2022/2023

La différence des deux étés 2021 et 2022 est très remarquable, les PVRhoa T2/T1 et T5/T1

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>Fig. 4: (a) Pseudo-sections de résistivité apparente (b) localisation des arbres (c) Pourcentage de variation de la résistivité apparente</figcaption></figure>

permettent de visualiser les différences de résistivité sur ces 2 périodes. On observe une baisse de la résistivité apparente en profondeur, plutôt localisée à l'aplomb des arbres majeurs du profils. Intuitivement on s'attendrait à une augmentation de la résistivité apparente (perte de teneur en eau). Un effet d'ascenseur hydraulique généré par les arbres, notamment en période sèche en faisant remonter de l'eau des niveaux profonds (Horton and Hart, 1998) pourrait expliquer ce phénomène.
## Modèles inverses

Les sections PVR (pourcentage de variation de résistivité) des modèles inverses sont présentés sur la figure 5. La profondeur d'investigation maximale est de 10m. L'effet d'ascenseur hydraulique semble se confirmer, notamment en montrant des zones latérales plus résistantes entourant les zones plus conductrices.

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>Fig. 5: PVR : Pourcentage de Variation de Résistivité (modèle inverse) - PVRhoa : Pourcentage de Variation de Résistivité Apparente (pseudo-section)</figcaption></figure>

## CONCLUSIONS

Ce suivi pluriannuel semble mettre en évidence un effet d'ascenseur hydraulique cependant ce processus demande à être confirmé et notamment s'il n'a lieu que lors d'épisode extrême de sécheresse (été 2022). Pour ce faire un suivi moyen-terme et bi-quotidien a été mis en place sur cette parcelle, ainsi qu'une caractérisation pétro-physique par sismique réfraction et polarisation provoquée.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

* HORTON, J. AND HART, S. (1998). Hydraulic lift : a potentially important ecosysprocess. *Trends in Ecology and Evolution*. 13 (6): 232-235. doi:10.1016/s0169-5347(98)01328-7. pmid 21238277.

* THIRY M., 2010 – Le plateau de Brie à Fontaine-Le-port : géologie, géomorphologie, hydrologie et aménagement du territoire. 8. (hal-00647379)

* RÜCKER, C., GÜNTHER, T., WAGNER, F.M., 2017. pyGIMLi: An open-source library for modelling and inversion in geophysics, Computers and Geosciences, 109, 106-123, doi: 10.1016/j.cageo.2017.07.011.

* ZHANG, XL, SAWYER, AH and SINGHA, K, 2023. A numerical exploration of hyporheic zone solute transport behavior estimated from electrical resistivity inversions, *Volume 621, Article Number 129577*, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2023.129577
# UTILISATION DE LA GEOPHYSIQUE DE PROCHE-SURFACE POUR ETUDIER LES ECOSYSTEMES FORESTIERS

LOISEAU B.<fnref n="1" />, CARRIERE S.D.<fnref n="1" />, JOUGNOT D.<fnref n="1" />, SINGHA K.<fnref n="2" />, MARY B.<fnref n="3" />, DELPIERRE N.<fnref n="4" />,<fnref n="5" />, GUERIN R.<fnref n="1" />, MARTIN-STPAUL N.<fnref n="6" />

## RESUME

L'étude des sols et sous-sols forestiers représente un défi en raison de l'hétérogénéité de ces milieux. Les approches traditionnelles utilisées par les écologues pour caractériser les sols forestiers ont une faible représentativité spatiale et sont souvent intrusives voire destructives. Ce travail de revue illustre comment la géophysique de proche surface peut être utilisée pour obtenir de nouvelles informations de la subsurface de manière non destructive et intégrative. L'article est organisé autour de trois thèmes sur lesquels la géophysique peut contribuer aux études d'écologie forestière: 1) la détection des systèmes racinaires, 2) le suivi des quantités et de la dynamique de l'eau, et 3) la caractérisation de l'hétérogénéité spatiale des propriétés du sous-sol à l'échelle de la parcelle.

Mots clés : Géophysique, écologie forestière, écohydrologie, zone critique, zone racinaire

## ABSTRACT

The study of the forest soils and subsoils is a challenge due to their heterogeneity. The traditional approaches used by ecologists to characterise it have a low spatial representativeness and are often intrusive or even destructive. This review illustrates how near-surface geophysics can be used to obtain new information on the subsurface in a non-destructive and integrative way. The article is organised around three areas in which geophysics can contribute to forest ecology studies: 1) detection of root systems, 2) monitoring of water quantity and dynamics, and 3) characterisation of spatial heterogeneity in subsurface properties at the stand level.

Key words: Geophysics, forest ecology, ecohydrology, critical zone, root zone

## INTRODUCTION

Les forêts couvrent près d'un tiers des terres émergées de la planète et jouent un rôle central dans les cycles du carbone et de l'eau. La disponibilité de l'eau dans le sol est l'un des facteurs les plus importants qui régulent la transpiration, la production de biomasse et la répartition des espèces végétales dans les écosystèmes (e.g. Mathys et al., 2014). Les cycles du carbone et de l'eau sont étroitement liés et il est donc essentiel de comprendre le fonctionnement et l'évolution des environnements forestiers ainsi que leur relation avec la structure du sous-sol et la disponibilité de l'eau pour améliorer la compréhension du cycle de l'eau dans le contexte de changement climatique. Une augmentation de la fréquence et de la gravité des sécheresses est observée dans de nombreuses régions (e.g. Dai, 2013). Les épisodes de sécheresse affectent fortement la production de biomasse et, par conséquent, la séquestration du carbone dans les forêts.

La subsurface forestière est difficile à caractériser en raison de sa grande hétérogénéité et de sa fraction rocheuse souvent importante. La plupart des méthodes classiquement utilisées pour étudier la subsurface des écosystèmes forestiers sont invasives, destructrices et fournissent une représentation spatiale limitée.

<footnote n="1">¹ UMR METIS, Sorbonne Université, UPMC, CNRS, EPHE, 75005 Paris, France</footnote>

<footnote n="2">² Colorado School of Mines, Golden, CO 80401, USA</footnote>

<footnote n="3">³ Geoscience Department, University of Padova, 35100 Padova, Italy</footnote>

<footnote n="4">⁴ Université Paris-Saclay, CNRS, AgroParisTech, Ecologie Systématique et Evolution, 91405 Orsay, France</footnote>

<footnote n="5">⁵ Institut Universitaire de France (IUF), France</footnote>

<footnote n="6">⁶ URFM, INRAE, Domaine Saint Paul, Site Agroparc, 84000 Avignon, France</footnote>
La géophysique de proche surface offre un large éventail de méthodes pour caractériser la subsurface et les processus associés qui se produisent dans la zone critique. L'utilisation des méthodes géophysiques connait un essor tant de la part des géophysiciens qui cherchent à confronter leurs outils à des milieux plus complexes, que de la part des écologues qui cherchent à mieux caractériser les sols de leurs sites expérimentaux. Nous proposons ainsi un état de l'art de l'intérêt croissant de l'utilisation de la géophysique pour explorer les problématiques relatives à l'écologie forestière.

## METHODES

Les différentes méthodes géophysiques qui ont été considérées dans ce travail sont : 1) les méthodes électriques avec la tomographie de résistivité électrique (ERT, Fig. 1E), le potentiel spontané (PS, Fig. 1B), et de façon plus exploratoire la polarisation provoquée et la mise-à-la-masse ; 2) les méthodes électromagnétiques avec le géoradar (GPR, Fig. 1A) et l'induction électromagnétique (EMI, Fig. 1D) ; 3) les méthodes sismiques avec la sismique réfraction ; et 4) les méthodes gravimétriques avec la gravimétrie à supraconducteur (Fig. 1C). La mise en œuvre des principales techniques évoquées sont représentées sur la Fig. 1 avec un exemple de résultat qu'elles permettent d'obtenir (e.g. carte, coupe transversale, série temporelle).

<figure><img src="image_76.png" /></figure>

**Fig. 1:** Mise en œuvre sur le terrain des principales techniques géophysiques abordées. Pour chaque technique, un exemple de résultat est donné : ici, des séries temporelles, des coupes transversales et des cartes. Les méthodes illustrées sont A) le radar à pénétration de sol (GPR), utilisé pour détecter les racines grossières ; B) le potentiel spontané (SP), utilisé pour surveiller l'écoulement de l'eau ; C) la gravimétrie, utilisée pour surveiller les réserves d'eau ; D) l'induction électromagnétique (EMI), utilisée pour caractériser l'hétérogénéité spatiale des propriétés du sous-sol ; et E) la tomographie de résistivité électrique (ERT), utilisée pour caractériser l'hétérogénéité spatiale des propriétés du sous-sol et, éventuellement, surveiller la dynamique de l'eau.

## APPLICATIONS

Les applications géophysiques ont pu être organisées autour de trois problématiques relatives à l'écologie forestière : 1) la détection des systèmes racinaires, 2) le suivi des quantités et de la dynamique de l'eau, et 3) la caractérisation de l'hétérogénéité spatiale des propriétés de la subsurface à l'échelle de la parcelle.
## Détection des systèmes racinaires

Le GPR est la principale technique géophysique utilisée (e.g. Lorenzo et al., 2010). Son utilisation a été validée dans diverses études pour cartographier l'architecture de systèmes racinaires en forêts, estimer leur biomasse ou encore estimer la fréquence et le diamètre des racines (e.g. Day et al., 2013). Des études plus récentes cherchent à comprendre la distribution spatiale des racines en fonction de différents paramètres comme l'âge des arbres, la teneur en eau ou en élément chimique du sol (e.g. Lombardi et al., 2021; Zhang et al., 2021). L'ERT est aussi utilisée pour imager la zone racinaire des forêts et détecter indirectement les racines grâce aux variations d'humidité dans le sol (e.g. Zenone et al., 2008).

## Suivi des quantités et de la dynamique de l'eau

L'ERT est la technique géophysique la plus utilisée pour évaluer la distribution et les variations spatiale de la teneur en eau dans la subsurface. L'hétérogénéité de la distribution de l'eau dans le sol de différentes forêts a pu être constatée (e.g. Ma et al., 2014) et le rôle de la végétation sur la redistribution des précipitations a pu être observé (e.g., Cardenas et Kanarek, 2014). L'ERT a permis de détecter les mouvements de l'eau dans le sol liés à l'activité des racines des arbres ce qui a notamment permis de déterminer des profondeurs d'absorption (e.g. Jayawickreme et al., 2008) ou les sources d'eau utilisées pour maintenir le flux de transpiration (e.g. Mares et al., 2016). La PS qui est directement sensible aux flux d'eau et la gravimétrie aux variations de masse ont aussi été utilisées pour étudier l'évapotranspiration (e.g. Voytek et al., 2019; Carrière et al., 2021a).

## Caractérisation de l'hétérogénéité spatiale des propriétés de la subsurface à l'échelle de la parcelle

La capacité des méthodes géophysiques à caractériser l'hétérogénéité spatiale de la subsurface est un atout majeur pour les études d'écologie forestière. Les méthodes électriques, électromagnétiques et sismiques ont permis d'évaluer la variabilité spatiale de l'humidité, de l'épaisseur et du type se sol ou encore de l'altération de la subsurface. L'impact des conditions édaphiques sur le développement des peuplements forestiers a pu être étudié et des relations en sont ressorties (e.g. Carrière et al., 2021b; Grellier et al., 2014). Le rôle du sol sur le fonctionnement des forêts a aussi pu être étudié et notamment celui sur la résilience des arbres à la sécheresse (e.g. Carrière et al., 2020). Caractériser les propriétés de la subsurface de façon spatialisée donne ainsi la possibilité d'améliorer notre compréhension des processus liés à l'écohydrologie ou à la dynamique et l'assemblage des communautés végétales.

## CONCLUSIONS

Cette revue bibliographique montre comment la géophysique peut contribuer à améliorer notre compréhension des écosystèmes forestiers. Trois thématiques d'application ont été identifiées : 1) la détection des systèmes racinaires, 2) le suivi des quantités et de la dynamique de l'eau et 3) la caractérisation de l'hétérogénéité spatiale des propriétés de la subsurface à l'échelle de la parcelle. La géophysique offre de nouvelles méthodes d'étude de la zone critique qui peuvent casser les frontières entre les communautés scientifiques et fournir une vision plus exhaustive dans l'espace et dans le temps.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**CARDENAS M.B., KANAREK M.R., 2014** – Soil moisture variation and dynamics across a wildfire burn boundary in a loblolly pine (Pinus taeda) forest. *Journal of Hydrology* 519, 490–502.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.07.016

**CARRIÈRE S.D., LOISEAU B., CHAMPOLLION C., OLLIVIER C., MARTIN-STPAUL N.K., LESPARRE N., OLIOSO A., HINDERER J., JOUGNOT D., 2021A** – First Evidence of Correlation Between Evapotranspiration and Gravity at a Daily Time Scale From Two Vertically Spaced Superconducting Gravimeters. *Geophysical Research Letters* 48. https://doi.org/10.1029/2021GL096579
CARRIÈRE S.D., MARTIN-STPAUL N.K., DOUSSAN C., COURBET F., DAVI H., SIMIONI G., 2021B – Electromagnetic Induction Is a Fast and Non-Destructive Approach to Estimate the Influence of Subsurface Heterogeneity on Forest Canopy Structure. *Water* 13, 3218. https://doi.org/10.3390/w13223218

CARRIÈRE S.D., RUFFAULT J., PIMONT F., DOUSSAN C., SIMIONI G., CHALIKAKIS K., LIMOUSIN J.-M., SCOTTI I., COURDIER F., CAKPO C.-B., DAVI H., MARTIN-STPAUL N.K., 2020 – Impact of local soil and subsoil conditions on inter-individual variations in tree responses to drought: insights from Electrical Resistivity Tomography. *Science of The Total Environment* 698, 134247. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134247

DAI A., 2011 – Drought under global warming: a review. *WIREs Climate Change* 2, 45–65. https://doi.org/10.1002/wcc.81

DAY F.P., SCHROEDER R.E., STOVER D.B., BROWN A.L., BUTNOR J.R., DILUSTRO J., HUNGATE B.A., DIJKSTRA P., DUVAL B.D., SEILER T.J., 2013 – The effects of 11 yr of CO2 enrichment on roots in a Florida scrub-oak ecosystem. *New Phytologist* 200, 778–787. https://doi.org/10.1111/nph.12246

GRELLIER S., FLORSCH N., JANEAU J.-L., PODWOJEWSKI P., CAMERLYNCK C., BAROT S., WARD D., LORENTZ S., 2014 – Soil clay influences Acacia encroachment in a South African grassland: Soil clay drives spatial distribution of Acacia. *Ecohydrol.* 7, 1474–1484. https://doi.org/10.1002/eco.1472

JAYAWICKREME D.H., VAN DAM R.L., HYNDMAN D.W., 2008 – Subsurface imaging of vegetation, climate, and root-zone moisture interactions. *Geophys. Res. Lett.* 35, L18404. https://doi.org/10.1029/2008GL034690

LOMBARDI E., FERRIO J.P., RODRÍGUEZ-ROBLES U., RESCO DE DIOS V., VOLTAS J., 2021 – Ground-Penetrating Radar as phenotyping tool for characterizing intraspecific variability in root traits of a widespread conifer. *Plant Soil* 468, 319–336. https://doi.org/10.1007/s11104-021-05135-0

LORENZO H., PÉREZ-GRACIA V., NOVO A., ARMESTO J., 2010 – Forestry applications of ground-penetrating radar. *Forest Syst* 19, 5. https://doi.org/10.5424/fs/2010191-01163

MA, Y., VAN DAM, R.L., JAYAWICKREME, D.H., 2014 – Soil moisture variability in a temperate deciduous forest: insights from electrical resistivity and throughfall data. *Environ Earth Sci* 72, 1367–1381. https://doi.org/10.1007/s12665-014-3362-y

MARES R., BARNARD H.R., MAO D., REVIL A., SINGHA K., 2016 – Examining diel patterns of soil and xylem moisture using electrical resistivity imaging. *Journal of Hydrology* 536, 327–338. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.03.003

MATHYS A., COOPS N.C., WARING R.H., 2014 – Soil water availability effects on the distribution of 20 tree species in western North America. *Forest Ecology and Management* 313, 144–152. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2013.11.005

VOYTEK E.B., BARNARD H.R., JOUGNOT D., SINGHA K., 2019 – Transpiration- and precipitation-induced subsurface water flow observed using the self-potential method. *Hydrological Processes* 1784–1801. https://doi.org/10.1002/hyp.13453

ZENONE T., MORELLI G., TEOBALDELLI M., FISCHANGER F., MATTEUCCI M., SORDINI M., ARMANI A., FERRÈ C., CHITI T., SEUFERT G., 2008 – Preliminary use of ground-penetrating radar and electrical resistivity tomography to study tree roots in pine forests and poplar plantations. *Functional Plant Biol.* 35, 1047. https://doi.org/10.1071/FP08062

ZHANG T., SONG L., ZHU J., WANG G., LI M., ZHENG X., ZHANG J., 2021 – Spatial distribution of root systems of Pinus sylvestris var. mongolica trees with different ages in a semi-arid sandy region of Northeast China. *Forest Ecology and Management* 483, 118776. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118776
# DETERMINER LES FLUX D'EAU EN PROCHE SURFACE GRACE AUX CHRONIQUES DE TEMPERATURE A DIFFERENTES PROFONDEURS SUR DEUX SITES D'ETUDES

HARROUET T.<fnref n="1" />, LEGER E.<fnref n="1" />, SAILHAC P.<fnref n="1" />, ZEYEN H.<fnref n="1" />, LAMBERT R.<fnref n="1" />, MAUGIS P.<fnref n="2" />, RIVIERE A.<fnref n="3" />

## RESUME

Le transfert thermique au sein de la zone non saturée est régi par les processus de diffusion et advection provoqués par le transfert de fluides. En observant les variations temporelles de température à plusieurs profondeurs, une estimation de ces deux processus et aux variation des paramètres thermiques les caractérisant peut être obtenue. Cette étude présente ces estimations de deux manières différentes : (i) par décomposition spectrale des variations de température et, (ii) par modèle thermo-hydrodynamique. Les résultats sur deux sites d'études ayant des contextes et des dynamiques hydriques différents sont présentés.

*Mots clés : Thermique, advection, diffusion, UAV, zone humide*

## ABSTRACT

Heat transfer within the unsaturated zone is governed by diffusion and advection processes caused by fluid transfer. By observing temporal variations in temperature at various depths, it is possible to estimate these two processes and the variations in the thermal parameters characterizing them. This study presents the quantification of fluxes and thermal parameter variations in two different ways: (i) by spectral decomposition of temperature variations and, (ii) by thermo-hydrodynamic modelling. Results from two study sites with different contexts and water dynamics are presented.

*Key words: Thermal, advection, diffusion, UAV, wetland*

## INTRODUCTION

Étudier la dynamique des flux d'eau sur le premier mètre de la zone non saturée permet d'estimer l'infiltration et la reprise évapo-transpiratoire qui sont des membres du bilan hydrique à l'échelle locale. En effet, la variation de la teneur en eau de la zone non saturée est le résultat de nombreuses dynamiques saisonnières impliquant, entre autre, la variation des niveaux des eaux souterraines, l'activité des plantes ainsi que les précipitations. L'activité végétale en est un des principaux facteurs affectant la distribution de la teneur en eau du sol (Bengough, 2012). Le besoin des plantes en eau en période de pousse implique un pompage de l'eau contenue dans le milieu poreux autour de la zone racinaire. À cela s'ajoute l'évaporation du sol nu, et les périodes d'infiltration d'eau lors de pluies.

Ces dynamiques se matérialisent dans la mise en place de flux hydriques au sein du milieu poreux et modifient, en conséquences, les propriétés thermiques de la zone non saturée. Par conséquent, mesurer les variations temporelles de température permet de remonter à la variation de saturation en eau via la variation des paramètres thermiques du milieu poreux du sous-sol (de Vries, 1963 ; Tabbagh & Jolivet, 1974) et potentiellement remonter aux flux d'eau liquide (Tabbagh et al., 2009). Le transfert d'énergie thermique peut avoir lieu soit sous forme d'advection (avec mouvement de masse

<footnote n="1">¹ GEOPS, Université Paris Saclay, Orsay, France</footnote>

<footnote n="2">² UMR CEA-CNRS, Université Versailles Saint Quentin, IPSL, Saclay, France</footnote>

<footnote n="3">³ Mines Paristech, PLS University, Geosciences, Fontainebleau, France</footnote>
d'eau) soit en terme de diffusion (sans mouvement de masse d'eau). L'étude que nous présentons ici s'attache à déterminer la variation temporelle de la part de l'advection versus diffusion sur deux sites ayant des dynamiques d'eau souterraine différente ainsi que des couverts végétaux différents.

## Sites d'étude

Deux sites d'études sont investigués thermiquement. Le premier est un champ cultivé en zone périurbaine sur le plateau de Saclay en Essonne (Chalhoub et al. 2020). Les premiers mètres de sol se composent essentiellement d'alternance de limon/sable/argile/calcaire. Le deuxième site est une zone humide le long de la rivière Essonne, principalement constituée de matière organique à différents stades de décomposition (tourbe) également en Essonne (Renaud, 2023). Par définition, la zone humide a un toit de nappe beaucoup moins profond que le site agricole. Ces deux sites présentent une variation saisonnière de l'occupation du sol par la végétation. En hiver, le champ est à nu et seulement labouré quant à la végétation de la zone humide, elle est en hibernation (roseaux morts, buissons et arbres sans feuille). A l'arrivée des beaux jours, le blé commence à pousser sur le champ tandis que sur la zone humide, la végétation (roselière) reprend son activité. Ce contraste d'activité de la végétation a une incidence sur la saturation en eau de la zone non saturée.

## Instrumentation des sites

Ces deux sites sont instrumentés avec des piézomètres, des capteurs de température répartis sur un profil 1D à différentes profondeurs d'une précision de 0,01°C avec un échantillonnage toutes les 15 min et des stations météo qui permettent d'avoir accès à la micro-météorologie.

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>Fig. 1 – Exemple de séries temporelles de mesure de température sur un site</figcaption></figure>

De plus, sur la zone humide, un suivi de la croissance de la végétation est effectué par imagerie drone dans le visible.
## Méthode

La variation spatio-temporelle de la température est décrite en 1D pour un milieu homogène par :

$$ \frac{\partial T(t, z)}{\partial t} = \frac{\lambda}{c_p} \frac{\partial^2 T(t, z)}{\partial z^2} - v_{eff} \frac{\partial T(t, z)}{\partial z} $$

où T est la température en degrés Celsius, c_p est la capacité thermique volumique, λ la conductivité thermique et v eff une vitesse effective prenant en compte la vitesse de Darcy facteur de la capacité thermique volumique de l'eau sur la capacité thermique du milieu poreux.

Une première méthode d'analyse de données de température se base sur une décomposition spectrale. En supposant une solution de type sinusoïdale avec un terme d'amortisseur/dissipateur et en isolant la partie réelle et imaginaire de la solution dans l'espace de Fourier, il est possible de remonter à l'expression d'une diffusivité et d'une vitesse effective en fonction de la fréquence. Ces deux paramètres sont estimés sur des fenêtres glissantes de 10 jours sur les séries temporelles acquises sur les sites.

## Résultats préliminaires

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>Fig. 2 - Exemple de résultats et de vitesse a. de diffusivité b. pour chacune des fenêtres glissantes pour un site d'étude.</figcaption></figure>

Les valeurs de diffusivités thermiques et d'advections calculées via cette méthode pour la période de 24h restent dans un bon ordre de grandeur, de l'ordre de 1.10⁻⁷ m².s⁻¹ pour la diffusivité thermique et entre 1.10⁻⁸ et 1.10⁻⁷ m.s⁻¹ pour l'advection. On peut alors s'intéresser à la variation temporelle sur
chacune des fenêtres des 10 jours de ces deux grandeurs. On remarque notamment des valeurs
positives et négatives pour l'advection, ce qui laisse penser à des directions de flux différentes
(évaporation/infiltration). Pour des périodes autres que 24 et 12h, des incertitudes persistent et
mènent à des valeurs beaucoup moins réalistes (Béhaegel et al., 2007). Une étude de stabilité de la
méthode pourra être approfondie, avec également un travail sur le choix des fenêtres glissantes.

Perspectives

Des travaux sont à l'étude pour coupler les résultats avec un code de résolution de l'équation de diffusion-advection et non une solution approximative. Le code Ginette (Rivière, 2012) calculant le transport de la chaleur dans le sous-sol résolvant les équations de Richards notamment. Ainsi, en ayant une autre méthode d'estimation des flux à partir de chroniques de température, il sera possible de comparer les deux méthodes, voire, de se servir du modèle direct généré par Ginette et de tester la méthode de décomposition spectrale en fréquence (Cas d'une résolution d'un modèle numérique). Suites aux différents résultats, une corrélation entre les différents suivis (précipitations, phases de pousse de la végétation notamment) sera nécessaire afin d'essayer de comprendre les processus thermo-hydro-dynamiques des différents sites.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

BÉHAEGEL, M., SAILHAC, P., & MARQUIS, G., 2007 – On the use of surface and ground temperature data to recover soil water content information. *Journal of Applied Geophysics*, 62(3), 234-243.

BENGOUGH A. G., 2012 – Water dynamics of the root zone: rhizosphere biophysics and its control on soil hydrology. *Vadose Zone Journal*, 11(2).

CHALHOUB, M., GABRIELLE, B., TOURNEBIZE, J., CHAUMONT, C., MAUGIS, P., GIRARDIN, C., ... & GARNIER, P., 2020 – Direct measurement of selected soil services in a drained agricultural field: Methodology development and case study in Saclay (France). *Ecosystem services*, 42, 101088.

RENAUD A., 2023 – Compréhension du fonctionnement hydrologique et géochimique d'une zone humide riparienne : cas du marais de Jarcy (Essonne, France). Doctoral dissertation, Université Paris-Saclay.

RIVIERE A., 2012 – Influences du pergélisol sur les écoulements souterrains et leurs échanges avec une rivière : étude numérique et expérimentale. Doctoral dissertation, Paris 6.

TABBAGH A., JOLIVET A., 1974 – Procédé de mesure in-situ des propriétés thermiques des sols. *Science* du sol, 4, 269-279.

TABBAGH A., GUERIN R., BENDJOUDI H., CHEVIRON B., BECHKIT M.-A., 2009 – Pluri-annual recharge assessment using vertical soil temperature profiles: Example of the Seine river basin (1984–2001). *Comptes Rendus Geoscience*, 341(10-11), 949-956.
# PROPRIETES DU REGOLITE A L'OBSERVATOIRE DE LA ZONE CRITIQUE DE BERAMBADI (INDE) PAR COMBINAISON DE TOMOGRAPHIE DE RESISTIVITE ELECTRIQUE (ERT) ET AUDIO-MAGNETO-TELLURIQUE (AMT)

SAILHAC P.¹, HARROUET T.¹, ROBAIN H.², CAMERLYNCK C.³, BAUD. B.⁴, AMELIN J.⁴, RUIZ L.⁵,⁴, SEKHAR MUDDU⁶,⁴, ANBAZHAGAN P.⁶, RIOTTE J.⁷,⁴

¹GEOPS, Université Paris-Saclay, Orsay, France, titouan.harrouet@universite-paris-saclay.fr

²IRD, Sorbonne Université (SU), Université Paris Est Creteil (UPEC), CNRS, INRAe, Institute of Ecology and Environmental Sciences of Paris, iEES-Paris, Paris, France

³METIS, Sorbonne Université (SU), CNRS, Paris, France

⁴IISc, Indo-French Cell for Water Sciences, Interdisciplinary Center for Water Research, Indian Institute of Science, Bangalore, India

⁵SAS, INRAE, Institut Agro, Rennes, France

⁶IISc, Civil Engineering Department, Indian Institute of Science, Bangalore, India

⁷GET, IRD, CNRS, CNES, Université Toulouse III, Toulouse, France

## RESUME

Nous avons mené une étude géophysique multi-méthodes du bassin versant de Berambadi (Inde), qui fait partie du Service National d'Observation M-TROPICS (Multiscale TROPICAL CatchmentS). Deux campagnes incluant sismique, électrique, et électromagnétisme ont été répétées à des niveaux piezométriques contrastés (haut en dec. 2019, bas en mai 2022). L'imagerie "time-lapse" avec des modèles issus d'inversions jointes ERT-AMT (tomographie de résistivité électrique et audio-magneto-tellurique) est discutée en termes de contenu en eau et de propriétés du régolite.

**Mots clés :** tomographie de résistivité électrique, audio-magneto-tellurique, contenu en eau, régolite

## ABSTRACT

We carried out a multimethod geophysical survey at the Berambadi catchment aquifer (India) which is part of the National Observation Services M-TROPICS (Multiscale TROPICAL CatchmentS). Two campaigns including seismic, electrical, and electromagnetic methods have been repeated for contrasting piezometric levels (high in Dec. 2019, low in May 2022). We consider time-lapse imaging using electrical resistivity tomography (ERT) and audio-magneto-tellurics (AMT); resulting models from jointly inverted ERT-AMT data are discussed in terms of water content and regolith properties.

**Key words:** electrical resistivity tomography, audio-magneto-tellurics, water content, regolith

## INTRODUCTION

La caractérisation du régolite est une des étapes importantes dans l'étude des aquifères en zones de socle comme en Inde sur le bassin versant expérimental de Berambadi dans un contexte où la production agricole irriguée est fortement influencée par la variabilité spatiale et temporelle des sols et formations superficielles. Une combinaison de méthodes géophysiques a été utilisées pour apporter des contraintes supplémentaires à celles apportées par les méthodes hydrogéologiques et géochimiques (e.g. niveaux piézométriques, tests de pompages en forage, analyses des eaux de surface et de puits, etc.). La résistivité électrique avait déjà été identifiée il y a près de 20 ans comme marqueur du front d'altération : un seuil à
environ 400 Ωm marquant pour ce site la base du régolite (Fleury 2005, Parate et al. 2011, Braun et al. 2019). Les couches plus superficielles altérées étant moins résistantes (<10 Ωm), la pénétration des méthodes ERT (tomographie de résistivité électrique) est limitée mais elle est améliorée par combinaison avec des méthodes électromagnétiques de type AMT (audio-magneto-tellurique). Nous considérons des données acquises en divers lieux du site de Berambadi (Fig. 1) et à deux dates aux niveaux piezométriques contrastés (haut en dec. 2019, bas en mai 2022).

Nous présentons la démarche mise en œuvre, par méthode jointe ERT-AMT puis discutons des premiers résultats "time-lapse" en nous focalisant sur les sondages FT et KA (resp. Lakipura Flux Tower et Kannegala proches du centre de la carte sur la Fig. 1).

<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>**Fig. 1** – Position des deux campagnes de mesures incluant sismique, électrique, et électromagnétisme répétées en dec. 2019 et en mai 2022 sur la partie Berambadi de M-TROPICS CZO (Sud de l'Inde).</figcaption></figure>

# METHODES

## Imagerie de résistivité électrique par méthodes « ERT » et « AMT »

La méthode géophysique utilisée pour imager le plus proche de la surface est la tomographie de résistivité électrique (ou ERT pour "Electrical Resistivity Tomographie") réalisée avec un système multi-électrode (Syscal-Pro d'IRIS Instruments). Le protocole d'acquisition de type Wenner-Schlumberger contrôlant l'agencement des positions relatives de dipôles d'injection de courant et de mesures de différences de potentiel a été utilisé sur des séries de 72 électrodes avec un espace inter-électrodes de 5m. Le traitement des données ERT est réalisé par une sélection basée sur un seuil de qualité (répétabilité des données à 2%) puis conduisant à des valeurs de résistivité apparente pour chaque « quadripole de mesure ». L'inversion 2D des données ERT à l'aide du logiciel Res2DInv a fourni des sections de résistivité électrique dont on peut considérer la sensibilité limitée en profondeur à une vingtaine de mètres sur certains sites du Berambadi, en particulier dans les zones de sols noirs dont l'environnement est le plus conducteur.

Pour étendre les profondeurs de pénétration à plusieurs dizaines ou centaines de mètres, nous avons utilisé la méthode audio-magnéto-tellurique (ou AMT) avec un système d'acquisition large bande particulièrement sensible aux hautes fréquences 1-100 kHz (ADU07e de Metronix, avec capteur magnétique 3 composantes SHFT-02). Les acquisitions sont réalisées avec une station « mobile » permettant des mesures de dipôles électriques et magnétiques sur les sites d'intérêt et une station « fixe » avec seulement des mesures magnétiques, utilisée comme site de référence. Le traitement des données AMT est réalisé par une méthode basée sur des statistiques robustes avec le programme Razorback développé par Smaï et Wawrzyniak (2020), permettant d'obtenir des valeurs de résistivité apparente (et phase) en fonction de la fréquence.
Les valeurs de résistivité apparente AMT présentent un biais connu sous le nom de « static shift » (Spitzer 2001 ; Sasaki and Meju 2006). Pour identifier cet effet (figure 2), nous avons utilisé le modèle de résistivité électrique issu des données ERT pour extraire un profil vertical et produire des données AMT synthétiques par modélisation 1D : il apparaît un décalage entre le logarithme des résistivités AMT observées et celles synthétisées sur les données ERT. Ce décalage est presque constant sur une large gamme de fréquences ; il est corrigé par un facteur correctif sur les valeurs de résistivités apparentes AMT avant inversion 1D. On ne considère que la composante $ρ_{yx}$, dont le traitement paraît le plus fiable (voir Fig 2.c et 2.e, respectivement pour les sites FT et KA).

## Paramétrage de l'inversion « jointe » de données AMT contrainte par modèle ERT

Les données AMT sont inversées dans une démarche similaire à celle utilisée par Monteiro Santos et al. (2007) et Lajaunie et al. (2023) en utilisant un modèle de référence $m_{prior}$ (modèle 1D a priori) construit sur la base de mesures ERT. L'inversion conduisant au modèle m est basée sur la minimisation d'une fonction objective définie par la formule suivante :

$$ \Phi(m; d_{obs}, w_d, m_{prior}, w_m) = \|d_{calc} - d_{obs}\|_w + \lambda_1 \|\nabla m\|_1 + \lambda_2 \|m - m_{prior}\|_w $$

Ici, les données d sont définies par le logarithme des résistivités apparentes corrigées du « static shift ». Le premier terme caractérise le « misfit » entre données observées $d_{obs}$ et données calculées $d_{calc}$ avec une pondération $ω_d$ liée aux incertitudes. Les autres termes, associés aux préfacteurs $λ_1$ et $λ_2$, sont des termes de régularisation : un terme de lissage minimisant le gradient vertical du modèle, et un terme d'écart au modèle a priori $m_{prior}$ avec une pondération $ω_m$ liée à la confiance à ce modèle. On tend ainsi à limiter l'éloignement du modèle AMT à 10 % de celui issu des données ERT aux faibles profondeurs (<15 m) tout en permettant 100 % aux plus grandes profondeurs non contraintes par l'ERT.

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>Fig. 2 – Exemple de traitement ERT-AMT : a) section ERT inversée et rectangle noir montrant le positionnement du site AMT de Lakipura Flux Tower (FT), b) profil électrique vertical extrait de la section ERT à proximité du sondage AMT, c) résistivité apparente observées (après traitement par razorbak) et calculées à 1D sur la base du modèle ERT (La flèche rouge indique la correction s à appliquer pour corriger du « static shift »), d) profils électriques inversés avec indication du seuil à 400 Ωm (croix noire), e) et f) cas d'un autre site AMT moins conducteur (KA)</figcaption></figure>
## RESULTATS

La profondeur d'investigation de certaines sections de résistivité électrique issues de données ERT ne permet pas d'atteindre la zone à environ 400 Ωm marquant le front d'altération et la base du régolite ; c'est le cas du site FT (Lakipura Flux Tower) dont l'analyse est présentée sur la Figure 2. Le profil vertical de résistivité électrique obtenu par la méthode jointe ERT-AMT permet d'identifier ce seuil de 400 Ωm entre 26 m et 42 m (Figure 2d). Sur d'autres zones dont la très proche surface est moins conductrice comme le site KA (Kannegala), la méthode ERT est suffisante pour identifier cette limite vers 15-16 m ; l'approche jointe ERT-AMT permet d'en préciser la résistivité à plus grande profondeur.

## CONCLUSIONS

Les premiers résultats de l'étude en termes de résistivité électrique permettent de préciser les profondeurs du seuil de 400 Ωm associé au front d'altération / base du régolite. Notre travail continue en abordant d'une part l'incertitude et les équivalences entre modèles, mais aussi la comparaison avec les saisons : on s'attendrait à associer les périodes de haut niveau piezométrique avec des faibles résistivités mais on observe l'inverse sur le site FT avec un seuil de 400 Ωm moins profond en période humide (26 m en 2019) qu'en période plus sèche (42 m en 2022). Un travail complémentaire est en cours sur l'inversion jointe avec aussi des données de sismique réfraction qui permettront entre autres, avant une modélisation hydrogéologique, de préciser les propriétés physiques du régolite et le seuil de 400 Ωm utilisé pour en définir la base.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**BRAUN J.-J., DESCLOITRES M., RIOTTE J., FLEURY S., BARBIÉRO L., BOEGLIN J.-L., VIOLETTE A., LACARCE E., RUIZ L., SEKHAR M., MOHAN KUMAR M.S., SUBRAMANIAN S., DUPRÉ B., 2009 –** Regolith mass balance inferred from combined mineralogical, geochemical and geophysical studies: Mule Hole gneissic watershed, South India. Geochimica et Cosmochimica Acta, 73(4), 935-961.

**FLEURY S., 2005 –** Determination of the weathered thickness at Moole Hole and Maddur watersheds using 2D electrical imaging, EOST engineering Diploma, 67 p.

**LAJAUNIE M., GANCE J., SAILHAC P., MALET J.-P., WARDEN S., LARNIER H., 2023 –** Hydrogeological structure of a granitic mountain catchment inferred from multi-method electrical resistivity datasets. Near Surface Geophysics (under review)

**MONTEIRO SANTOS F.A., AFONSO A.R.A., DUPIS A., 2007 –** 2D joint inversion of dc and scalar audio-magnetotelluric data in the evaluation of low enthalpy geothermal fields. Journal of Geophysics and Engineering, 4(1), 53-62

**PARATE H.R., MOHAN KUMAR M.S., DESCLOITRES M., BARBIERO L., RUIZ L., BRAUN J.J., SEKHAR M., KUMAR C. 2011 –** Comparison of electrical resistivity by geophysical method and neutron probe logging for soil monitoring in a forested watershed. Current Science, 100(9), 1405-1412.

**SMAÏ F., WAWRZYNIAK P., 2020 –** Razorback, an open source Python library for robust processing of magnetotelluric data. Frontiers in Earth Science, 8, doi://10.3389/feart.2020.00296

**SASAKI Y., MEJU M.A. 2006 –** Three-dimensional joint inversion for magnetotelluric resistivity and static shift distributions in complex media. J. Geophys. Res., 111, B05101, doi:10.1029/2005JB004009

**SPITZER K. 2001–** Magnetotelluric static shift and direct current sensitivity. Geophys. J. Int., 144(2), 289-299.
# CALIBRATION D'UN MODELE HYDROLOGIQUE A L'AIDE DE MESURES DE RESONANCE MAGNETIQUE PROTONIQUE

GRU G.<fnref n="1" />, LESPARRE N.<fnref n="1" />, ACKERER P.<fnref n="1" />, BELFORT B.<fnref n="1" />, GIRARD J.F.<fnref n="1" />

## RESUME

Des mesures de résonance magnétique protonique ont été acquises de manière répétée lors d'un suivi de fonte de neige sur le bassin versant du Strengbach (site de l'Observatoire Hydro-Géochimique de l'Environnement, Vosges) pendant l'hiver 2021. Nous utilisons ces mesures géophysiques pour caractériser les propriétés de la zone vadose, en estimant les paramètres d'un modèle hydrologique unidimensionnel (Richards 1D) grâce à une approche de modélisation couplée hydrologique et géophysique. La méthode d'estimation de paramètres choisie (inférence bayésienne) permet à la fois d'estimer les paramètres du modèle et de quantifier l'incertitude sur cette estimation.

**Mots clés** : résonance magnétique protonique, modèle hydrologique 1D, problème inverse, inférence bayésienne

## HYDROLOGIC MODEL CALIBRATION USING MAGNETIC RESONANCE SOUNDING MEASUREMENTS

## ABSTRACT

Magnetic resonance sounding data were repeatedly acquired during the follow-up of a snowmelt event on the Strengbach catchment (Observatoire Hydro-Géochimique de l'Environnement, Vosges mountains) during the winter 2021. We use these geophysical measurements to characterize the vadose zone properties by inferring the parameters of a hydrologic 1D model (Richards 1D) through a hydrologic and geophysical coupled modeling approach. The parameter inference method chosen (Bayesian inference) also quantifies the uncertainty on the estimated parameters.

**Key words:** magnetic resonance sounding, 1D hydrologic model, inverse problem, Bayesian inference

## INTRODUCTION

La ressource en eau en montagne est primordiale à la fois pour les écosystèmes locaux et pour un certain nombre d'activités anthropiques (Viviroli et al., 2011). Le dérèglement climatique pourrait avoir un impact négatif sur la ressource en eau disponible. Il est impératif de réduire les incertitudes sur les prédictions d'évolution de cette dernière. L'objectif du travail présenté est d'utiliser des mesures géophysiques pour apporter une information sur le stock d'eau contenu dans la sub-surface. Cette information est utilisée dans des méthodes de calibration automatique appliquées à des modèles hydrologiques. Nous avons effectué le couplage d'un modèle d'écoulement unidimensionnel basé sur l'équation de Richards et d'un modèle d'estimation de signaux de résonance magnétique protonique (RMP) à partir de distributions de teneur en eau. Nous utilisons cette modélisation couplée pour estimer les paramètres du modèle hydrologique avec des méthodes d'inférence bayésienne.

## DESCRIPTION DU SITE

Le lieu d'étude sur lequel les données utilisées ont été récoltées est le bassin versant expérimental du Strengbach (carte du bassin versant avec les stations de mesures : Fig. 1). Ce site de 80 ha est localisé dans le massif vosgien entre 800 et 1100 mètres d'altitude. L'exutoire du bassin versant est situé à l'Est

<footnote n="1">¹ Institut Terre et Environnement de Strasbourg, Université de Strasbourg/EOST/ENGEEES, CNRS UMR 7063, 5 rue Descartes, Strasbourg F-67084, France
gru@unistra.fr, lesparre@unistra.fr, ackerer@unistra.fr, belfort@unistra.fr, jf.girard@unistra.fr.</footnote>
au niveau de la station de suivi du débit sur la limite du bassin versant. Ce bassin versant expérimental est le site d'étude de l'Observatoire Hydro-Géochimique de l'Environnement (OHGE). Des données météorologiques, hydrologiques et géochimiques y sont acquises depuis 1986. Cet observatoire étudie les modifications à long-terme des écosystèmes dues à des perturbations naturelles ou anthropiques (Pierret et al., 2018).

<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>Fig. 1 – Carte du bassin versant du Strengbach et localisation des stations de mesures.</figcaption></figure>

# MATERIEL ET METHODES

## Données météorologiques et hydrologiques

Nous utilisons des mesures hydrologiques et météorologiques pour imposer les conditions aux limites de nos simulations (cf. Fig. 2). La condition limite supérieure de flux est déduite des précipitations mesurées à la station météorologique. La condition limite inférieure en pression est quant à elle imposée par la mesure de hauteur de nappe effectuée au piézomètre situé en aval de la station de mesure RMP. La fréquence d'acquisition est d'une mesure toutes les 10 minutes.

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>Fig. 2 – Chroniques de précipitations et de niveau piézométrique (aval).</figcaption></figure>

## Modélisation hydrologique

Le modèle d'écoulement unidimensionnel avec lequel nous travaillons est basé sur l'équation de Richards et les modèles de Mualem et Van Genuchten. Le code numérique utilisé pour les simulations, WAMOS (WAter MOvement in Soil), est basé sur une discrétisation de l'équation de Richards et une résolution de l'équation discrète par la méthode de Newton-Raphson (Maina et Ackerer, 2017). Les
paramètres des modèles de Mualem et Van Genuchten sont les suivants : ($K_s$, $\theta_s$, $\theta_r$, $L$, $\eta$, $h_0$). $K_s$ est la conductivité hydraulique à saturation, $\theta_s$ et $\theta_r$ respectivement la teneur en eau à saturation et la teneur en eau résiduelle. Les paramètres $L$, $\eta$ et $h_0$ sont quant à eux des paramètres d'échelle. Dans un premier temps les paramètres que nous estimons sont $K_s$, $\theta_s$, $\eta$ et $h_0$.

## Mesures de résonnance magnétique protonique

Nous utilisons des données de mesures RMP. Le principe de cette méthode est d'introduire un champ électromagnétique qui va dévier les dipôles magnétiques des atomes d'hydrogène contenus dans les molécules d'eau du sol et du sous-sol de leur état d'équilibre. Puis la réponse du milieu est observée sous forme d'un signal électrique dont l'intensité ($[nV]$) est (Legchenko et Valla, 2002)

$$V(t, q) = \int_{z} \kappa(q, z)\theta_{RMP}(z)e^{-\frac{t}{T_{2}^{*}(z)}}dz. \quad (4)$$

Où $q$ ($[A. ms]$) est le pulse injecté, $\kappa$ ($[nV. m^{-1}]$) est la fonction de sensibilité RMP qui dépend de la géométrie du système d'acquisition et du champ magnétique terrestre local et $T_2^*$ ($[s]$) est le temps de relaxation caractéristique. On note $V_0(q) = V(t = 0, q)$. La profondeur sondée par une mesure RMP augmente avec le pulse injecté $q$.

## Expérience RMP répétée sur du socle

L'objectif du sondage RMP était de vérifier si cette méthode de mesure est assez sensible pour détecter les variations de teneur en eau sous la surface dues à la fonte de neige. L'année pendant laquelle ces mesures ont été effectuées (2021) était une année exceptionnelle en terme de chute de neige. Quand l'appareil de mesure (Numis<sup>plus</sup>, IRIS instruments) a été installé, une couche de 80cm de neige était présente sur le site. Quelques jours après l'installation de l'expérience une pluie intense a déclenché une fonte de neige et quelques semaines plus tard une chute de neige plus faible a eu lieu. De cette manière deux évènements d'infiltration avec des caractéristiques différentes ont pu être suivis. Les acquisitions ont été réalisées pour 30 valeurs de pulse et 800 stacks. Habituellement les acquisitions sont réalisées pour moins de 10 pulses et environ 200 stacks. Nous avons choisi d'augmenter le nombre de pulse et de stacks dans le but d'allonger la durée de la mesure pour observer l'évolution temporelle du contenu en eau du milieu. Nous avons limité la valeur maximale du pulse injecté à 2260 A. ms pour sonder la partie superficielle du milieu. La particularité de cette expérience, outre le fait que les mesures aient été acquises de manière répétée, est la nature du milieu sondé : du socle. Les études RMP en time-lapse ont en effet principalement été effectuées en milieux calcaires (Mazzilli et al., 2020).

## Méthodologie d'estimation de paramètres

Pour l'estimation des paramètres du modèle hydrologique nous utilisons une méthode d'inférence bayésienne : Markov Chain Monte Carlo (MCMC). L'intérêt de cette méthode est de fournir des informations sur l'incertitude des paramètres estimés.

## RESULTATS PRELIMINAIRES

### Couplage des modèles

Nous avons couplé les modèles décrits ci-dessus, de manière à utiliser les distributions de teneurs en eau obtenues par simulation pour estimer les signaux RMP correspondants. Ce couplage est utilisé pour comparer les signaux mesurés lors de l'expérience de terrain et les signaux simulés pour un jeu de paramètres donné (cf. Fig.3).
<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>Fig. 3 – a) Distribution de teneurs en eau, résultat de la simulation WAMOS - b) Comparaison des signaux RMP mesurés et simulés sur toute la période d'acquisition.</figcaption></figure>

## CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Le couplage des modèles hydrologique et géophysique est fonctionnel et fournit des résultats cohérents. Nous avons choisi la mesure de divergence entre les données simulées et mesurées : le $\chi^2$. Pour poursuivre le travail, il s'agira d'utiliser cette modélisation couplée dans un schéma d'inférence statistique de type MCMC.

## REMERCIEMENTS

Nous remercions Rohianuu Moua et Alain Hernandez pour leur participation à la mise en place de l'expérience. L'expérience de terrain a bénéficié d'un financement de l'EQUIPEX CRITEX. Le programme Idex-Unistra W16RPD19 a financé l'appareil d'acquisition. Nous remercions l'Institut Terre et Environnement de Strasbourg pour le financement du stage de fin d'études de Guillaume Gru

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Hassane Maina, F., & Ackerer, P. (2017) – Ross scheme, Newton-Raphson iterative methods and time-stepping strategies for solving the mixed form of Richards' equation. *Hydrology and Earth System Sciences*, 21(6), 2667-2683.

Legchenko, A., & Valla, P. (2002) – A review of the basic principles for proton magnetic resonance sounding measurements. *Journal of Applied Geophysics*, 50(1-2), 3-19.

Mazzilli, N., Chalikakis, K., Carrière, S. D., & Legchenko, A. (2020) – Surface Nuclear Magnetic Resonance Monitoring Reveals Karst Unsaturated Zone Recharge Dynamics during a Rain Event. *Water*, 12 (11), 3183.

Pierret, M. C., Cotel, S., Ackerer, P., Beaulieu, E., Benarioumlil, S., Boucher, M., et al., & Probst, A. (2018) – The Strengbach catchment: A multidisciplinary environmental sentry for 30 years. *Vadose Zone Journal*, 17(1), 1-17.

Viviroli, D., Archer, D. R., Buytaert, W., Fowler, H. J., Greenwood, G. B., Hamlet, A. F. et al. & Woods, R. (2011) – Climate change and mountain water resources: overview and recommendations for research, management and policy. *Hydrology and Earth System Sciences*, 15(2), 471-504.
# APPORT DES MÉTHODES RMP ET TDEM Á L'ÉVALUATION DES RESSOURCES EN EAU DISPONIBLES POUR L'IRRIGATION EN CLIMAT SEMI-ARIDE – CAS DE BIRNI N'KONNI

NOUHOU CHAWEYE Y.<fnref n="1" />, BOUCHER M.<fnref n="2" />, NAZOUMOU Y.<fnref n="1" />, FAVREAU G.<fnref n="2" />, ABDOU MAHAMAN R.<fnref n="1" />, ISSOUFOU OUSMANE B.<fnref n="1" />, LEGCHENKO A.<fnref n="2" />

## RESUME

Le périmètre irrigué de Birni N'Konni au Niger s'est développé grâce à des barrages sur la rivière Maggia. Il a été investigué par des sondages géophysiques RMP et TDEM. Les résultats montrent que l'aquifère libre superficiel représente une ressource en eau importante (~ 55 millions de m³ utiles) et facilement mobilisable (niveau statique à ~9 m, transmissivité de ~ 2.10⁻³ m<fnref n="2" />/s). Cette ressource en eau souterraine est en partie rechargée par un flux d'eau de la réserve de Tyérassa estimé à 22,8 m³/h. Elle permet de pallier aux aléas des ressources en eau de surface qui sont plus sensible à la variabilité climatique.

**Mots clés** : Aquifère sédimentaire, Résonance Magnétique des Protons (RMP), Electro-Magnétisme en Domaine Temporel (TDEM), périmètre irrigué, Sahel.

# CONTRIBUTION OF MRS AND TDEM GEOPHYSICAL METHODS FOR ASSESSING AVAILABLE FOR IRRIGATION WATER RESOURCES IN SEMI-ARID CLIMATE – CASE OF BIRNI N'KONNI

## ABSTRACT

The irrigated perimeter of Birni N'Konni in Niger has been developed thanks to dams on Maggia River. It has been investigated using MRS and TDEM geophysical methods. The results show that the shallow aquifer represents an important water resource (~ 55 million useful m³) that can be easily mobilized (static level ~9 m, transmissivity ~ 2.10⁻³ m<fnref n="2" />/s). This groundwater is partly recharged by a flux from the Tyérassa dam that is estimated at 22.8 m³/h. It makes it possible mitigating the surface water resources hazard, which are more sensitive to climate variability.

**Keywords:** Sedimentary aquifer, Magnetic Resonance Sounding (MRS), Time Domain Electro-Magnetism (TDEM), irrigated area, Sahel.

## INTRODUCTION

Dans un contexte de forte croissance démographique et de changement climatique défavorable à l'agriculture pluviale, l'Etat du Niger a mis en avant le développement de l'agriculture irriguée dans les régions où les potentialités en eau existent. Dans la région de Birni N'Konni, un périmètre irrigué a été mis en place (Fig. 1) pour contribuer à améliorer la sécurité alimentaire de la région. Ce périmètre est exploité par ~ 3400 agriculteurs au cours de deux campagnes par an (en saison sèche et en saison humide). Il est alimenté à partir des eaux de la rivière Maggia collectées dans un réservoir artificiel d'une capacité de 1,2 Mm³, placé à Tyérassa (Fig. 1). Cette ressource en eau de surface est facilement accessible, mais sensible à la variabilité climatique particulièrement importante en climat sahélien. Les eaux souterraines constituent une alternative à condition d'une gestion intégrée et durable (Nazoumou et al., 2016). Dans l'optique d'accroître la résilience du périmètre irrigué de Birni N'Konni, une étude hydrogéophysique a été menée pour évaluer les ressources en eau souterraines de la zone. Cette étude basée sur des sondages géophysiques par

<footnote n="1">¹ Université Abdou Moumouni, Faculté des Sciences et Techniques, Département de Géologie, Niamey, Niger, [chaweye1993@gmail.com](mailto:chaweye1993@gmail.com), [nazoumou@gmail.com](mailto:nazoumou@gmail.com).</footnote>

<footnote n="2">² Univ. Grenoble Alpes, IRD, CNRS, INRAE, Grenoble INP, IGE, Grenoble, France, [marie.boucher@ird.fr](mailto:marie.boucher@ird.fr), [Guillaume.favreau@ird.fr](mailto:Guillaume.favreau@ird.fr), [anatoly.legtchenko@ird.fr](mailto:anatoly.legtchenko@ird.fr).</footnote>
résonance magnétique des protons (RMP) et électromagnétisme en domaine temporel (TDEM), associés à l'analyse de données de puits et forages a pour objectif de déterminer le stock d'eau et les caractéristiques hydrogéologiques de l'aquifère superficiel autour du périmètre irrigué.

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>Fig. 1 – Localisation de la zone d'étude et des sites de sondages</figcaption></figure>

## MATERIEL ET METHODES

Une synthèse géologique a été effectuée pour identifier les compartiments potentiellement aquifères. Un total de 26 sondages RMP et 29 TDEM a été réalisé autour du périmètre irrigué pour cartographier l'aquifère superficiel. Les caractéristiques des boucles de mesures, les équipements de mesures et les logiciels d'inversion utilisés sont résumés dans le **Tab. 1**. Une coupe géophysique 2D de 16,5 km basée sur 11 sondages RMP et 11 sondages TDEM a été tracée à travers le périmètre irrigué (cf. localisation en **Fig. 1**). Elle permet d'illustrer la variabilité des caractéristiques géophysiques et d'appréhender les échanges entre l'aquifère et la réserve de Tyérassa. Des données complémentaires composées des logs de forages et des niveaux piézométriques mesurés dans les puits et forages ont été utilisées pour compléter et améliorer l'interprétation des résultats RMP et TDEM. Le stock d'eau souterrain a été estimé en intégrant la teneur en eau RMP sur l'épaisseur mouillée de l'aquifère.

<table><caption>Tab. 1 – Caractéristiques des mesures géophysiques</caption><thead><tr><th>Méthodes</th><th>Dispositif de mesure</th><th>Nombre de sondages</th><th>Equipements</th><th>Logiciels d'inversion</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">TDEM</td><td>Coïncident 25×25 m²</td><td>2</td><td rowspan="2">TEM FAST 48HPC</td><td rowspan="2">TEM-RES</td></tr><tr><td>Coïncident 50×50 m²</td><td>27</td></tr><tr><td>RMP</td><td>Forme en Huit 50×50 m²</td><td>26</td><td>NUMIS Auto</td><td>SAMOVAR_11.6</td></tr></tbody></table>
RESULTATS ET DISCUSSION

L'analyse géologique montre que le périmètre irrigué est situé dans les alluvions quaternaires de la Maggia. Ces alluvions reposent sur la série sédimentaire du bassin des lullemmeden qui se compose localement de haut en bas : des grès du Continental terminal (Ct), de la série marine du Paléocène (marne et calcaire) ; et des formations marines du Crétacé.

<figure><img src="image_85.png" /><figcaption>Fig. 2 – Coupe de résistivité électrique TDEM à travers le périmètre et interprétation géologique</figcaption></figure>

<figure><img src="image_86.png" /><figcaption>Fig. 3 – Coupe de teneur en eau RMP à travers le périmètre irrigué</figcaption></figure>

Les figures 2 et 3 illustrent les résultats géophysiques. Les résultats TDEM (Fig. 2) délimitent quatre couches de résistivité qui sont de haut en bas : un premier terrain relativement résistant (11 à 100 Ohm.m) dont l'épaisseur (13 à 40 m) augmente du nord-est vers le sud-ouest ; un terrain conducteur (2 à 5 Ohm.m) d'épaisseur variant également de 13 à 40 m ; un troisième terrain de ~15 m d'épaisseur très résistant (500 à 2000 Ohm.m) ; et un dernier terrain très conducteur (1 à 3 Ohm.m). La comparaison avec les données de forages permet d'identifier la première couche comme les alluvions quaternaires et les formations du Continental terminal ; la deuxième couche correspond à des formations argileuses incluant les marnes du Paléocène supérieur qui constituent un écran imperméable entre l'aquifère superficiel et les aquifères sous-jacents ; la troisième couche est le niveau calcaire du Paléocène et la dernière couche correspond au sommet argileux des formations marines du Crétacé supérieur.
Les sondages RMP ne détectent qu'un seul aquifère (Fig. 3). Le toit de l'aquifère saturé mesuré par RMP est cohérent avec les niveaux d'eau mesurés dans les puits ; le mur de l'aquifère estimé par RMP correspond au passage entre la première couche résistante détectée par TDEM et la couche conductrice argileuse (Fig. 2 et 3). Les alluvions et les grès du Ct forment donc un aquifère libre et unique.

Les gammes des paramètres hydrodynamiques estimés par RMP sont indiquées dans le Tab. 2. La transmissivité moyenne de l'aquifère est estimée à $2.10^{-3}$ m²/s et le niveau piézométrique varie de 5 à 13 m, ce qui indique une bonne capacité de l'eau souterraine à être mobilisée par pompage. Les résultats des 11 sondages RMP représentés sous forme de profil (Fig. 3) montrent un stock d'eau plus important au sud-ouest du périmètre irrigué avec des teneurs en eau pouvant atteindre 40%. Le stock d'eau souterrain cartographié à l'échelle du périmètre irrigué montre également des conditions plus favorables au sud-ouest du périmètre. Cette variation du stock intégrée sur la superficie du périmètre a permis d'évaluer le stock d'eau total sous le périmètre à environ 110 Mm³, dont la moitié à moins de 20 mètres de profondeur (limite de prélèvement avec les moyens techniques habituels qui consiste en une pompe par aspiration installée dans un contre-puits).

Dans la partie nord-est, les niveaux piézométriques à proximité de la réserve de Tyérassa montrent un gradient hydraulique qui met en évidence l'existence d'un flux d'eau depuis la réserve de Tyérassa vers la nappe superficielle. La loi de Darcy a été utilisée pour estimer ce flux d'eau à environ 22,8 m³/h.

<table><caption>Tab. 2 – Caractéristiques hydrogéophysiques de l'aquifère superficiel et stock d'eau estimé</caption><thead><tr><th>Propriétés</th><th>W<sub>RMP</sub> (%)</th><th>T<sub>RMP</sub> (m²/s)</th><th>T1 (ms)</th><th>RES (Ohm.m)</th><th>Niv. Piezo (m)</th><th>Stock d'eau (m³/m²)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Max</td><td>40</td><td>9.10<sup>-3</sup></td><td>310</td><td>550</td><td>13</td><td>14</td></tr><tr><td>Moy</td><td>20</td><td>2.10<sup>-3</sup></td><td>225</td><td>85</td><td>9</td><td>6</td></tr><tr><td>Min</td><td>7</td><td>3.10<sup>-3</sup></td><td>170</td><td>11</td><td>5</td><td>2</td></tr></tbody></table>

W<sub>RMP</sub>: Teneur en eau RMP; T<sub>RMP</sub>: transmissivité RMP; T1: temps de relaxation;

RES: résistivité TDEM; Niv. Piezo: Niveau piézométrique

## CONCLUSION

Les résultats ont montré une continuité hydraulique entre les alluvions quaternaires et les formations du Continental terminal qui forment un aquifère libre et unique. Les méthodes géophysiques RMP et TDEM ont permis de cartographier la géométrie de cet aquifère superficiel, de déterminer ses paramètres hydrodynamiques et d'évaluer son potentiel en eau. Ce potentiel est non négligeable et peut-être utilisé pour compléter l'irrigation sans influencer les nappes sous-jacentes (substratum imperméable). Cette étude démontre la pertinence des outils géophysique RMP et TDEM pour caractériser les ressources en eau souterraine afin d'optimiser l'irrigation en climat semi-aride.

## RERMERCIEMENTS

Cette étude a été réalisée dans le cadre d'une expertise menée par la compagnie CACG. Elle s'inscrit dans une thèse financée par l'Etat du Niger, l'Ambassade de France au Niger et l'IRD.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

NAZOUMOU Y., FAVREAU G., ADAMOU M. M., MAINASSARA I., 2016 – La petite irrigation par les eaux souterraines, une solution durable contre la pauvreté et les crises alimentaires au Niger ? Cahiers Agricultures, 25 :15003, https://doi.org/10.1051/cagri/2016005.
# PREDICTION DE LA PROFONDEUR DES EAUX SOUTERRAINES POUR L'OPTIMISATION DES OUVRAGES D'HYDRAULIQUE PASTORALE DANS LE SAHEL : APPLICATION DES METHODES GEOPHYSIQUES RMP ET TDEM

ISSOUFOU OUSMANE B.<fnref n="1" />, ABDOU MAHAMAN R.<fnref n="1" />, BOUCHER M.<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, NOUHOU CHAWEYE Y<fnref n="1" />, FAVREAU G.<fnref n="2" />, ABDOU BABAYE M. S.<fnref n="3" />, NAZOUMOU Y.<fnref n="1" />, LEGCHENKO A<fnref n="2" />

## RESUME

Le pastoralisme est une activité économique majeur au Sahel. Pour garantir sa durabilité, des ouvrages hydrauliques d'accès aux eaux souterraines sont nécessaires, car les eaux de surface deviennent de plus en plus insuffisantes et limitées dans l'espace et dans le temps à cause de la variabilité climatique. Cette étude, basée sur l'application des méthodes géophysiques RMP et TDEM, vise à estimer la profondeur de la nappe et le volume accessible dans le nord-ouest du Niger afin d'optimiser la réalisation des ouvrages hydrauliques pastoraux. Les résultats montrent que la profondeur de la nappe est estimée avec une précision de ±3 m ; et une mise en eau normale est généralement suffisantes pour les puits pastoraux.

Mots clés : Pastoralisme, infrastructures hydrauliques, Sahel, RMP&TDEM

# PREDICTION OF GROUNDWATER DEPTH FOR OPTIMIZATION OF PASTORAL HYDRAULIC INFRASTRUCTURE IN THE SAHEL: APPLICATION OF MRS AND TDEM GEOPHYSICAL METHODS

## ABSTRACT

Pastoralism is a major economic activity in the Sahel. To ensure its sustainability, hydraulic infrastructures to access for groundwater are necessary, because surface water are highly variable and limited in space and time, due to effects of climate change. This study, based on the application of MRS and TDEM geophysical methods, aims to estimate groundwater depth and accessible volume in north-western Niger in order to optimize the realization of pastoral hydraulic infrastructures. The results show that groundwater depths are estimated with an accuracy of ±3 m, and normal watering is generally sufficient for pastoral wells.

Key words: Pastoralism, hydraulics infrastructure, Sahel, MRS&TDEM

## INTRODUCTION

Au Sahel, le pastoralisme est une activité économique majeure et un moyen de subsistance essentiel de plus de 20 millions de personnes, et contribue à environ 15% du produit intérieur brut (PIB) (CIWA, 2023) (Cooperation in International Waters in Africa). Cependant, en raison de leur mode de vie itinérant, les communautés pastorales et leur bétail sont extrêmement vulnérables à la variabilité climatique caractérisée par des sécheresses qui entraînent une pénurie des eaux de surface facilement accessibles. Les ressources en eau souterraine, moins sensibles aux effets du climat et disponibles tout au long de l'année, peuvent constituer une alternative pour garantir la pérennité du pastoralisme.

<footnote n="1">¹Département de Géologie, Faculté des Sciences et Techniques, Université Abdou Moumouni, Niamey, Niger. [boukari086@gmail.com](mailto:boukari086@gmail.com)</footnote>

<footnote n="2">²Univ. Grenoble Alpes, IRD, CNRS, Grenoble INP, IGE, 38000 Grenoble, France</footnote>

<footnote n="3">³Département de Géologie, Faculté des Sciences et Techniques, UMR SERMUG, Université Dan Dicko Dan Koulodo, Maradi, Niger</footnote>
Les zones pastorales sahéliennes sont peu couvertes par des ouvrages hydrauliques permettant l'accès à l'eau souterraine, car il s'agit de zones nomades avec très peu de villages permanents (Toure et al., 2019). Les ouvrages hydrauliques sont mal répartis dans l'espace, ce qui entraîne un déséquilibre bétail/pâturage qui se traduit par une forte concentration de bétail, qui à son tour dégrade le couvert végétal par le surpâturage autour des points d'eau. La CIWA, 2023 estime que plus de 3 000 puits et forages pastoraux supplémentaires sont nécessaires au Sahel pour couvrir les besoins en eau des communautés pastorales.

La rareté et la mauvaise répartition des ouvrages hydrauliques dans les zones pastorales sahéliennes rendent difficile la prévision de la profondeur de la nappe pendant la planification des projets d'hydraulique pastorale, ce qui ne permet pas d'optimiser les financements, car la profondeur est généralement surestimée. Sans une bonne estimation de la profondeur de la nappe et du volume d'eau accessible dans les aquifères, l'optimisation de la réalisation des ouvrages hydrauliques durables reste une question délicate.

Les méthodes géophysiques de résonance magnétique des protons (RMP) et électromagnétique dans le domaine temporel (TDEM) se sont avérées efficaces pour estimer la profondeur des eaux souterraines et les propriétés de stockage des aquifères (Boucher al., 2009 ; Issoufou Ousmane et al., 2023). Dans ce sens, une étude de cas a été réalisée dans les zones pastorales du nord-ouest du Niger (Fig.1).

<figure><img src="image_87.png" /><figcaption>Fig. 1 – Localisation de la zone d'étude</figcaption></figure>

## MATERIEL ET METHODES

Dans le cadre de cette étude, 18 sondages TDEM et douze (12) sondages RMP ont été réalisés. Les équipements géophysiques utilisés, les dimensions des boucles et les logiciels d'inversion sont indiqués dans le **Tab. 1**. Six (6) sondages pour chacune de ces méthodes ont été réalisés sur des sites cibles, tandis que les autres sondages ont été réalisés sur des sites témoins à proximité d'un puits ou forage. En outre, pour tester la fiabilité des résultats RMP et TDEM, les données techniques (logs lithologiques, plans d'équipement et niveaux statiques) des sites témoins ont été collectées auprès des directions départementales de l'hydraulique et de l'assainissement concernées. La qualité de
l'eau a été testée par des mesures in situ de la conductivité, de la température de l'eau et du niveau statique de l'eau dans les puits et les forages.

<table><caption>Tab. 1 - Méthode, équipement et logiciel d'inversion.</caption><thead><tr><td>Méthode</td><td>Dispositifs de mesure</td><td>Equipement</td><td>logiciel d'inversion</td></tr></thead><tbody><tr><td>TDEM</td><td>Coïncidente 150x150</td><td>TEM FAST 48HPC</td><td>TEM-RES</td></tr><tr><td>RMP</td><td>Carrée 75x75 m², câble doublé</td><td>NUMIS Auto</td><td>SAMOVAR_V11.6</td></tr></tbody></table>

## RESULTATS ET DISCUSSIONS

La **Fig. 2** montre l'exemple typique des résultats TDEM et RMP comparés aux données techniques d'ouvrages hydrauliques sur les sites témoins de Kolefou et de Gandou. Le modèle de résistivité établi à partir du TDEM montre une bonne corrélation avec la description lithologique du forage. Il s'agit d'un terrain très résistant (2000 Ω m) de 0 à 10 m correspondant au dépôt du sable éolien ; un terrain conducteur (18.6 Ω m) de 10 à 160 m correspondant au CT3 et CT2 composés des grès argileux, sables argileux et argiles sableuses et un terrain encore plus conducteur (8.3, 6.7 Ω m) de 160 à 300 m correspondant plus aux faciès argileux du CT1. Le sondage RMP sur le site témoin de Gandou a été réalisé à 100 m d'un puits cimenté dont le niveau statique (NS) mesuré est de 21.6 m. Les résultats RMP montrent que le niveau statique est à 17.5 m avec une distribution de teneur en eau de 5% de 25-45 m, puis 18% de 45-80 m (limite d'investigation du matériel) et les valeurs de temps de relaxation T₁ correspondantes sont 227 et 152 ms, respectivement. Toutefois, la légère différence entre le niveau statique RMP moins profond que celui du PC s'explique par le fait que la RMP est parfois capable de détecter de l'eau capillaire dans la zone non saturée. Ainsi, il y'a une bonne corrélation entre le NS dans le puits et celui fourni par la RMP.

<figure><img src="image_88.png" /><figcaption>Fig. 2 – Exemple typique des résultats géophysiques comparées aux données aux données techniques ouvrages hydrauliques</figcaption></figure>

Le même traitement a été effectué sur tous les sites étudiés, et les résultats comprenant la profondeur estimée de la nappe, la profondeur totale prévue de l'ouvrage, la conductivité de l'eau
estimée et le type d'aquifère sont énumérés dans le **Tab. 2**. Les teneurs en eau RMP et les valeurs de résistivité sont également prises en compte.

<table><caption>**Tab. 2** - Récapitulatif des prévisions. NS = Niveau Statique ; Incert. = Incertitude ; Prof. = Profondeur ; Prévi. = Prévisionnel ; Cond. = Conductivité électrique ; Θ = teneur en eau, Res. = Résistivité électrique de l'aquifère</caption><thead><tr><th>Site/type d'ouvrage</th><th>NS prévi. (m)</th><th>Incert. NS (m)</th><th>Prof. totale prévi. (m)</th><th>Cond. (µS/cm)</th><th>Θ RMP (%)</th><th>Res. TDEM (Ωm)</th><th>Mise en eau à prévoir</th><th>Aquifère ciblée</th></tr></thead><tbody><tr><td>Soumagesker (F)</td><td>46</td><td>± 3</td><td>130 à 240</td><td>-</td><td>6 (en surface)</td><td>16 à 50</td><td>-</td><td>CI/CH</td></tr><tr><td>Mayanta (PC)</td><td>33</td><td>± 3</td><td>42</td><td>50 à 100</td><td>6 à 13</td><td>60</td><td>Normale</td><td>CT3</td></tr><tr><td>Gatchika (F)</td><td rowspan="2">73</td><td rowspan="2">± 2</td><td>130</td><td rowspan="2">80 à 100</td><td rowspan="2">no data</td><td rowspan="2">27</td><td>-</td><td rowspan="2">CT3/CT2</td></tr><tr><td>Gatchika (PC)</td><td>80</td><td>Normale</td></tr><tr><td>Doubalma (PC)</td><td>60</td><td>± 3</td><td>72</td><td>80 à 100</td><td>2.5</td><td>23</td><td>10 m*</td><td>CT3</td></tr><tr><td>Gandou (PC)</td><td>47</td><td>± 2</td><td>52</td><td>50 à 100</td><td>10</td><td>330</td><td>Normale</td><td>CT3</td></tr><tr><td>Agalwaré (PC)</td><td>65</td><td>± 2</td><td>70</td><td>50 à 100</td><td>no data</td><td>no data</td><td>Normale</td><td>CT3</td></tr></tbody></table>

## CONCLUSION ET PRESPECTIVES

Les sondages géophysiques RMP et TDEM ont permis d'estimer la profondeur de la nappe avec une précision de ± 3 m. Compte tenu de la teneur en eau des aquifères, généralement supérieure ou égale à 6 %, une mise en eau normale est suffisante pour les puits cimentés. En perspective, les mesures RMP et TDEM doivent être poursuivis sur l'ensemble des zones pastorales sahéliennes, particulièrement où les ouvrages hydrauliques sont rares. Cela permettra de disposer d'une carte de profondeur de la nappe et de la teneur en eau des aquifères.

## REMERCIEMENTS

L'étude a été réalisée dans le cadre du projet REPO (Résilience agro-sylvo-pastorale Ouest-Niger) financé par ENABEL (Coopération Belge).

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

* Boucher, M., Favreau, G., Vouillamoz, J. M., Nazoumou, Y., & Legchenko, A., 2009. — Estimating specific yield and transmissivity with magnetic resonance sounding in an unconfined sandstone aquifer (Niger). *Hydrogeology Journal*, 17(7), 1805–1815. https://doi.org/10.1007/s10040-009-0447-x

* CIWA, 2023 — Harnessing the potential of groundwater to enhance pastoral productivity in the Sahel. *Learning notes*

* Issoufou Ousmane B., Nazoumou Y., Favreau G., Abdou Babaye M.S., Abdou Mahaman R., Boucher M., Issoufa I., Lawson F.M.A., Vouillamoz J.-M., Legchenko A. & Graham Taylor R., 2023 — Changes in aquifer properties along a seasonal river channel of the Niger Basin: Identifying groundwater recharge pathways in a dryland environment. *Journal of African Earth Sciences*, 104742. https://doi.org/10.1016/j.jafrearsci.2022.104742

* Toure I., Yaro Botoni E., Ba Diao M., Ickowicz A., 2019 — Quelle stratégie d'hydraulique pastorale pour un aménagement durable de l'espace et des ressources naturelles au Sahel ? *Montpellier : CIRAD*, 2019
# ÉVALUATION PRELIMINAIRE PAR TOMOGRAPHIE ELECTRIQUE DE LA CONTINUITE DES BANCS DE GRES ET DU POTENTIEL HYDROGEOLOGIQUE ASSOCIÉ AU NIVEAU DU BASSIN VERSANT DE KAMECH (TUNISIE)

MONTASSAR HAMROUNI<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, MOHAMED HAMROUNI<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, HAKIM GABTNI<fnref n="1" />, GUILLAUME COULOUMA<fnref n="3" />, HAJER AZAIEZ<fnref n="1" />, DAMIEN RACLOT<fnref n="3" />, OUSSAMA KORTAS<fnref n="1" />, RADHOUANE HAMDI<fnref n="3" />

## RESUME

Le bassin versant de Kamech, situé au Nord-Est de la Tunisie, fait partie d'un observatoire franco-tunisien porté sur l'évolution des ressources en eau et en sol dans les paysages cultivés méditerranéens. Il présente principalement des dépôts marins côtiers intercalés entre des bancs de grès fracturés du Serravallien-Tortonien. Les bancs de grès ont un pendage important et leur continuité, leur état de fracturation et leur profondeur dans le versant sont essentiels pour comprendre les transferts d'eau à l'échelle du versant. La formation de ravines dans la région revêt une importance particulière, car elle offre des informations précieuses sur les variations spatiales des couches de grès, qui sont d'une grande importance hydrogéologique. De plus, il est nécessaire de prendre en compte l'impact des mouvements de masse et du processus de formation des ravines dans la région. Trois profils de Tomographie de résistivité électrique parallèles ont été acquis, analysés et interprétés. Une inversion en 2D mais aussi en 3D a été réalisée. Le modèle 3D de résistivité électrique élaboré a pu mettre en évidence la géométrie des bancs de grès, les discontinuités associées et les voies de circulation d'eau souterraine

*Mots clés : Tomographie électrique, aquifère, inversion, Tunisie*

## ABSTRACT

The Kamech watershed, situated in northeastern Tunisia, is part of a Franco-Tunisian observatory dedicated to studying the changes in water and soil resources within cultivated Mediterranean landscapes. It primarily consists of alluvial deposits that are interlayered between fractured Serravallian-Tortonian sandstone beds. The sandstone beds have a significant dip, and their continuity, fracture state, and depth within the slope are essential for understanding water transfers at the watershed scale. The formation of gullies in the region is of particular importance, as it provides valuable insights into the spatial variations of the sandstone beds, which are of great hydrogeological significance. Moreover, the impact of mass movements and the gully formation process in the area must be considered. Three parallel electrical resistivity profiles with different lengths were acquired, analyzed, and interpreted. Both 2D and 3D inversions were performed to generate a comprehensive understanding of the subsurface. The resulting 3D resistivity model successfully revealed the shape and dimensions of the sandstone beds, as well as the associated discontinuities. Furthermore, it provided valuable information about the pathways through which groundwater circulates.

**Key Word:** Electrical tomography, aquifer, inversion, Tunisia

## INTRODUCTION

La géologie du Cap-Bon (Nord-Est de la Tunisie) (Fig.1) a été étudiée par Ben Salem (1989) et Ben Salem (1992) cartographiant ainsi les différents bancs de grès fracturés à fort intérêt hydrogéologique (Fig.2) et les niveaux argileux du Serravallien-Tortonien. En effet, le bassin versant de Kamech présente une structure composée de bancs de grès intercalées avec des argilites fortement érodées. Les sols prédominants dans la

<footnote n="1">¹ Laboratoire de Géoressources, Centre de Recherches et des Technologies des Eaux, CERTE, BP 273, Soliman, 8020, Tunisie</footnote>

<footnote n="2">² Faculté des Sciences de Tunis, Université Tunis El Manar, Tunis, Tunisie</footnote>

<footnote n="3">³ UMR LISAH, INRAE, IRD, Univ Montpellier, Institut d'Agro, Montpellier, France.</footnote>
région sont argileux, et lors des périodes sèches, des fentes de retrait apparaissent (Inoubli et al., 2016). Dans ce bassin, les grès et les argilites s'érodent progressivement, formant des zones de dépôts significatives aux points où les principaux axes d'érosion se déversent, remplissant souvent d'anciens ravins (Coulouma et al. 2018). La méthode de tomographie de résistivité électrique (ERT) a été choisie pour mieux comprendre la variabilité spatiale des grès du Serravallien-Tortonien, et en explorer la continuité en profondeur.

<figure><img src="image_89.png" /></figure>

Figure 1 : Localisation du bassin versant de Kamech (Nord-Est de la Tunisie) et carte géologique associée (inspirée de Ben Salem 1989). Coordonnées en UTM WGS84.

## MATERIEL ET METHODES

Les trois profils électriques ERT 1, ERT 2 et ERT 3 (Fig.2) traversent le versant NW de Kamech en allant des abords des affleurements des grès du Serravallien-Tortonien jusqu'au cour d'eau existant. L'acquisition a été réalisée par un équipement de type ABEM SAS4000. Faisant suite à plusieurs essais, le dispositif Wenner-Schlumberger a été adopté garantissant une bonne résolution horizontale et verticale, ainsi qu'un bon rapport signal/bruit (Lamouchi et al. 2021). Les profils ERT1, ERT2, et ERT3 3 ont un espace ment inter- électrode de 10 m et des longueurs respectivement de 630m, 470m et 470m.

<figure><img src="image_90.png" /></figure>

Figure 2 : Localisation des profils ERT dans le bassin versant de Kamech.
Les données en 2D recueillies ont été filtrées à l'aide du logiciel X2IPI (Ritz et al. 1999) puis inversées en utilisant l'algorithme d'inversion Occam (Constable et al. 1987) du logiciel ZondRes2D (Kaminsky 2018) pour produire des modèles de résistivité compatibles (aux équivalences et erreurs près) avec les mesures de terrain corrigés topographiquement.

L'inversion 3D a été réalisée en utilisant l'algorithme "Smoothness Constrained" (Yang et LaBrecque 2018) du logiciel ZondRes3D (Kaminsky 2018).

## RESULTATS ET INTERPRETATIONS

Les modèles de résistivités calculées obtenus montrent des variations de résistivité allant de 1 Ωm à 25 Ωm. Ces fluctuations de résistivité se rapportent à l'hétérogénéité lithologique du bassin versant de Kamech associée aux argiles et aux grès fracturés du Serravallien-Tortonien. La présence d'une zone relativement résistante en profondeur a été interprétée par l'enracinement de la barre gréseuse ayant un pendage moyen mesuré en surface de 35° vers le SE. Des niveaux gréseux intercalés avec les argiles sont aussi mis en évidence. Au centre des profils ERT, les faibles résistivités reconnues (entre 3 Ωm et 9 Ωm), correspondent probablement à la présence d'argiles altérées en surface, des argilites et des argiles saines en profondeur (Fig.3). Les profils ERT réalisés ont fourni des informations importantes sur la structure du sous-sol du versant NW du site de Kamech.

<figure><img src="image_91.png" /><figcaption>Figure 3 : Interprétation du modèle 2D au niveau de ERT1</figcaption></figure>

Un modèle ERT 3D (Fig.4) est représenté sous forme de tranches de profondeur coupées approximativement aux positions de la ligne ERT pour faciliter la comparaison avec les modèles 2D. Cela permet de localiser les différentes anomalies dans l'espace et en profondeur, offrant une meilleure relation avec la géologie déjà connue. Il a permis de dévoiler des aires résistantes en profondeur associées aux barres gréseuses fissurées et d'autres conductrices liées aux dépôts argileux. Ce modèle a permis aussi de déceler la présence d'une discontinuité majeure affectant les barres gréseuses à plus de 50m de profondeur. Cette structure discontinue est associée à l'implication de plusieurs rameaux de failles, reconnus par ailleurs en affleurement, dans une logique de tectonique cassante ayant affectée la région. Ces barres de grès assurent aussi des transferts préférentiels d'eau souterraine. Ce phénomène a fortement influencé l'ossature du paysage du bassin de Kamech. Les dépôts argileux présentent eux aussi des aires de résistivités différentes dénotant de la variabilité lithologique de la série post-barre gréseuse.
<figure><img src="image_92.png" /><figcaption>Figure 4 : Interprétation du modèle 3D de résistivité au niveau de la zone étudiée du bassin de Kamech</figcaption></figure>

## CONCLUSIONS

Cette étude présente les résultats d'une approche géophysique adaptée à un contexte géologique local caractérisant le bassin de Kamech (Nord-Est de la Tunisie). Elle a permis de caractériser la géométrie de la structure encaissante des dépôts ravinaires à grande échelle de profondeur (80-100m) et des barres gréseuses qui facilitent les transferts préférentiels d'eau souterraine. La tomographie de résistivité électrique 2D a permis de révéler une spécification détaillée de la géométrie des niveaux résistants (grès) et ceux conducteurs (dépôts argileux) ainsi que la présence d'une discontinuité majeure affectant les barres gréseuses à une profondeur de plus de 50 mètres. L'inversion 3D fournit une appréciation spatiale et en profondeur quantitative de la géologie de subsurface. Elle nous permet entre autres de mieux caractériser les barres gréseuses et les niveaux argileux ainsi que les discontinuités. Ces observations montrent que le bassin de Kamech a alterné plusieurs cycles sédimentaires et paléogéographiques depuis le Miocène ainsi qu'une activité tectonique prépondérante.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**Ben Salem H., 1989** - Carte géologique de Tazoghrane 1/50000. Département de géologie office national des mines, Tunis, n15.

**Ben Salem H., 1992** - Contribution à la connaissance de la géologie du Cap Bon : stratigraphie, tectonique et sédimentologie. Contribution to the study of the geology of Cape Bon: stratigraphy, tectonic and sedimentology) PhD thesis, Faculté des Sciences de Tunis, Tunisia.

**Constable SC., Parker RL., Constable CG., 1987** - Occam's inversion: A practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data. Geophysics 52(3):289-300.

**Coulouma G., Raclot D., Hamdi R., 2018** - Reconstitution historique de la géométrie d'une ravine au Cap Bon (Tunisie), tentative d'utilisation de la tomographie de résistivité en milieux argileux. 11ème Colloque GEOFCAN 20 et 21 novembre 2018, Antony, 1-4.

**Inoubli N., Raclot D., Moussa R., Habaieb H., Le Bissonnais Y., 2016** - Soil cracking effects on hydrological and erosive processes: a study case in Mediterranean cultivated vertisols. Hydrological Processes. https://doi.org/10.1002/hyp.10928.

**Kaminsky A., 2018** - Zond Software ©, https://zond-geo.ru

**Lamouchi, I., Azaiez, H., & Gabtni, H. 2021**- Assessment of deep groundwater potential associated with Khalled Fault Zone (Northwestern Tunisia, North Africa) using an integrated geophysical approach. Arabian Journal of Geosciences, 14, 1-16. https://doi.org/10.1007/s12517-021-07786-w

**Ritz, M., Robain, H., et al. 1999** - Improvement to resistivity pseudosection modelling by removal of near-surface inhomogeneity effects: application to a soil system in south Cameroon. Geophysical prospecting, 47(2), 85-101. https://doi.org/10.1046/j.1365-2478.1999.00122.x

**Yang X., LaBrecque DJ., 2018** Stochastic Inversion of 3D ERT Data Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems. p221-228.
# MESURER LE POTENTIEL SPONTANE ELECTRIQUE EN MILIEU FORESTIER
POUR OBSERVER LES ECHANGES HYDRIQUES
DANS LE CONTINUUM SUBSURFACE-VEGETATION-ATMOSPHERE

LESPARRE N.<fnref n="1" />, MATTHEY P.D.<fnref n="2" />, HERNANDEZ A.<fnref n="1" />, BONAL D.<fnref n="2" />, CARRIERE S.D.<fnref n="3" />, KOFFI H.E.B.<fnref n="1" />, ACKERER P.<fnref n="1" />, MARQUIS G.<fnref n="1" />, JOUNIAUX L.<fnref n="1" />, JOUGNOT D.<fnref n="3" />, BELFORT B.<fnref n="1" />

## RESUME

Les mesures de potentiel spontané électrique sont influencées par la variation des flux hydriques circulant dans le sol et au sein des arbres. Nous étudions ici comment ces données acquises en milieu forestier sont sensibles aux différents processus de transferts hydriques qui ont lieu dans le continuum subsurface-végétation-atmosphère. Pour cela, nous avons conçu et installé une expérience de mesures de potentiel spontané sur le tronc et au pied de plusieurs arbres d'une même parcelle forestière et complété ces mesures par des observations des variables environnementales.

**Mots clés** : potentiel spontané électrique, circulations hydriques, continuum subsurface-végétation-atmosphère, milieu forestier, mesures environnementales

# MEASURING THE ELECTRICAL SELF-POTENTIAL IN A FOREST ENVIRONMENT
TO MONITOR THE WATER EXCHANGES
IN THE CONTINUUM SUBSURFACE-VEGETATION-ATMOSPHERE

## ABSTRACT

The electrical self-potential measurements are influenced by the variation of the water flowing in the soil and in tree trunks. We study here how such data acquired in a forest environment are sensitive to the different processes of water transfers occurring in the continuum subsurface-vegetation-atmosphere. In that goal, we designed and installed an experiment of electrical self-potential measurements on several tree trunks and roots and in the soil in a forest plot. Those measurements are completed with observations of the environmental variables.

**Key words:** electrical self-potential, water flow, continuum subsurface-vegetation-atmosphere, forest environment, environmental measurements

## INTRODUCTION

La circulation de l'eau dans la sub-surface joue un rôle clef dans le développement de la forêt. Elle influence la variabilité de la distribution de la ressource hydrique et sa disponibilité et contraint la demande en eau de la végétation (Silva et al., 2022). Cependant les processus de circulation hydrique dans le continuum subsurface-végétation-atmosphère demeurent difficiles à observer et à déconvoluer. Les capteurs ponctuels fournissent une information sur les dynamiques locales (échelle centimétrique). Les mesures de flux de sève effectuent une mesure intégrée sur une section du tronc de la transpiration. Par ailleurs, les tours à flux apportent une mesure de l'évapotranspiration à une échelle d'environ $10^3 m^2$. En revanche, il y a un manque de mesures intégratives pour décrire la dynamique des échanges en eau dans le sol et à l'échelle de l'arbre.

Le potentiel spontané électrique (PSE) est fortement impacté par les transferts hydriques car les ions transportés par les écoulements d'eau peuvent générer un signal électrique d'origine électrocinétique.

<footnote n="1">¹ Université de Strasbourg, CNRS, EOST, ENGEES, Institut Terre et Environnement de Strasbourg, UMR 7063, 5 rue Descartes, Strasbourg F-67084, France, [lesparre@unistra.fr](mailto:lesparre@unistra.fr)</footnote>

<footnote n="2">² Université de Lorraine, AgroParisTech, INRAE, UMR Silva, 54000 Nancy, France</footnote>

<footnote n="3">³ Sorbonne Université, CNRS, EPHE, UMR 7619 METIS, 75005 Paris, France</footnote>
Par conséquence, les variations du flux hydrique entraînent des fluctuations du PSE. Cependant, d'autres processus influencent le PSE, comme la redistribution des charges liées à des changements de contenu en eau, à des fluctuations de concentration en ions ou des variations de température. La réalisation de mesures complémentaires au PSE permet d'étayer l'interprétation des signaux de PSE pour localiser et quantifier les flux hydriques (Jouniaux et al., 2009).

Les mesures continues de PSE peuvent être acquises avec une résolution temporelle relativement fine et de manière autonome. Ces mesures sont intégratives et représentent la dynamique du milieu dans l'espace situé entre deux électrodes. Cette méthode est peu invasive si l'on compare l'insertion d'électrodes par rapport à l'excavation de fosses réalisées pour insérer des capteurs hydrologiques. Jusqu'à présent, les applications de mesures de PSE pour étudier les processus de la zone vadose liés au fonctionnement de la végétation sont caractérisées par des mesures effectuées soit sur des arbres (Hao et al., 2021), soit dans le sol (Voytek et al., 2019). Nous formulons l'hypothèse que les mesures de PSE acquises simultanément dans le sol et dans l'arbre sont susceptibles de présenter des caractéristiques distinctes et peuvent ainsi apporter des informations complémentaires sur les processus d'échanges hydriques dans le continuum subsurface-végétation-atmosphère.

<figure><img src="image_93.png" /><figcaption>Fig. 1 – Schéma des équipements installés sur et autour d'un arbre pour observer les échanges hydriques entre les compartiments de la subsurface, la végétation et l'atmosphère.</figcaption></figure>

## MATERIEL ET METHODES

Nous réalisons depuis mai 2021 une expérience de mesures du PSE dans une parcelle de jeunes épicéas située sur le site de l'Observatoire Hydro-Géochimique de l'Environnement (OHGE - OZCAR, Pierret et al., 2018). Cet observatoire est situé entre 850 et 1150 m d'altitude et son climat est tempéré avec des influences océaniques et montagnardes. L'observatoire correspond au bassin versant du Strengbach dont la surface de 80 ha est couverte par un sol acide d'une épaisseur variant 50 cm et 5 mètres. La roche mère sous-jacente est de type granitique et sa partie altérée présente une épaisseur variant
entre 1 et 12 m. La forêt occupe 80% du bassin versant, dont 80% d'épicéas (Piceas abies) et 20% de hêtres (Fagus sylvatica). Cependant le couvert forestier évolue avec les travaux forestiers, les tempêtes, les épisodes de sécheresse et les attaques de scolytes (Dendroctonus micans), tous ces éléments ayant été particulièrement virulents ces dernières années.

<figure><img src="image_94.png" /><figcaption>**Fig. 2** – Données environnementales et de PSE acquises sur le bassin versant du Strengbach entre le 18 juillet et le 22 août 2022. Le capteur de contenu en eau est à 5 cm de profondeur celui de potentiel matriciel à 30 cm. Les mesures de PSE correspondent à des variations entre des dipôles verticaux.</figcaption></figure>

Pour comprendre comment les différents processus de transferts hydriques dans le sol, la végétation et l'atmosphère influencent les mesures de PSE, nous avons également mesuré simultanément :

- La quantité de pluie et de pluviolessivats (observations fournies par l'OHGE),

- Le gradient hydraulique dans le sol (sondes tensiométriques à différentes distances d'un arbre),

- Les variations de contenu en eau dans le sol (sonde SoilVue10 équipée de 9 capteurs de réflectométrie en domaine temporel réparties entre 5 cm et 1 m de profondeur),

- La transpiration des arbres (sondes thermiques).
Ces données sont destinées à distinguer les contributions liées à l'infiltration, l'évaporation et l'absorption racinaire sur le signal de PSE. Les données météorologiques sont mesurées à la station météorologique de l'OHGE à 300 m de la parcelle suivie. Les mesures de déficit de vapeur d'eau sont calculées à partir de la température et de l'humidité relative. Elles indiquent la différence entre l'état actuel de la pression de vapeur et la saturation en vapeur correspondant à la température observée.
Les mesures de PSE sont réalisées sur 4 arbres et dans le sol à différentes distances d'un des arbres (Fig. 1). Sur les arbres les électrodes sont installées à différentes hauteurs et suivant 4 orientations pour observer comment ces paramètres influencent la mesure. Des électrodes sont également installées sur les racines d'un des arbres.

## RESULTATS – PREMIERES OBSERVATIONS

Quelques mesures de PSE acquises durant la sécheresse 2022 sont représentées Fig. 2. Les mesures de PSE acquises dans l'arbre correspondent à la différence entre les signaux mesurés à 3 m et 2 m avec les électrodes situées au nord de l'arbre. Celles acquises dans le sol représentent la différence entre les signaux acquis entre 30 cm et 80 cm de profondeur, à une distance de 50 cm de l'arbre. Toutes ces mesures de PSE sont liées à la même électrode de référence. L'évènement pluvieux du 20 juillet est suivi par un épisode de sécheresse jusqu'au 14 août. Cette sécheresse impacte les mesures d'humidité de l'air et de déficit de vapeur d'eau, notamment entre le 4 et le 14 août. La sécheresse influence également le flux de sève dont le maximum journalier décroît jusqu'au 14 août et présente des valeurs non nulles les nuits précédant le 14 août. Les mesures de teneur en eau dans le sol restent faibles (<10%), ces mesures et celles de potentiel matriciel sont fortement marquées par les épisodes pluvieux et par la sécheresse qui entraîne une diminution régulière du contenu en eau et une croissance de la pression matricielle. Les mesures de PSE dans l'arbre et dans le sol montrent une cyclicité journalière, ces signaux sont perturbés suite aux pluies et l'amplitude de variation journalière diminue après les pluies. L'influence de la sécheresse sur ces données est en revanche moins évidente.

## CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

L'ensemble des mesures acquises dans une forêt d'épicéas nous montrent que les mesures de PSE oscillent avec une fréquence journalière durant la période estivale dans l'arbre et au pied de l'arbre. La cyclicité de ces mesures est perturbée suite aux épisodes de pluie. Ces observations doivent maintenant être comparées à celles déjà publiées. L'analyse de ces mesures sera approfondie de manière à distinguer quels paramètres environnementaux influencent la cyclicité des mesures de PSE.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**HAO Z., LI W., HAO X., 2021** - Variations of electric potential in the xylem of tree trunks associated with water content rhythms. *J. Exp. Bot.*, **72 (4)**, 1321-1335.

**JOUNIAUX L., MAINEULT A., NAUDET V., PESSEL M., SAILHAC P. 2009** - Review of self-potential methods in hydrogeophysics. *C. R. Geoscience*, **341 (10-11)**, 928-936.

**PIERRET M.-C., COTEL S., ACKERER P., et al., PROBST A., 2018** - The Strengbach Catchment: A Multidisciplinary Environmental Sentry for 30 Years. *Vadose Zone J.*, **17 (1)**, 180090.

**SILVA M., MATHENY A.M., PAUWELS V.R.N., TRIADIS D., MISSIK J.E., BOHRER G., DALY E., 2022** - Tree hydrodynamic modelling of the soil-plant-atmosphere continuum using FETCH3. *Geosci. Model Dev.*, **15 (6)**, 2619-2634.

**VOYTEK E.B., BARNARD H.R., JOUGNOT D., SINGHA K., 2019** - Transpiration and precipitation induced subsurface water flow observed using the self-potential method. *Hydrol. Process.*, **33(13)**, 1784-1801.
# PROFONDEUR DE L'INTERFACE EAU DOUCE – EAU SALEE A PARTIR DU TIME DOMAIN ELECTROMAGNETISM (TDEM) ET DE L'APPROCHE HYDROSTATIQUE DE GHYBEN-HERZBERG AU SUD DU PLATEAU DE SAKETE ET DE SA PLAINE LITTORALE (BENIN)

N'TCHA T<fnref n="1" />., YALO N<fnref n="1" />., ALASSANE A<fnref n="1" />., BOUCHER M<fnref n="2" />., ALLE C<fnref n="3" />., ELEGBEDE B<fnref n="3" />.

chantipentcha@gmail.com/tchantipn29@yahoo.com

## RESUME

Pour caractériser l'interface entre l'eau douce et l'eau salée sur le Plateau de Sakété et sur la Plaine littorale, l'approche géophysique Time Domain Electromagnetism (TDEM) a été utilisé. 12 sondages TDEM ont été réalisés à cet effet à des endroits cibles de la zone d'étude. La mesure des niveaux statiques pour l'estimation de la profondeur du front salin selon l'approche hydrostatique de Ghyben-Herzberg s'est effectuée durant le mois d'Août (période des basses eaux) sur 221 forages et puits. La profondeur des nappes varie entre 0,9 à 2,9 m sur l'aquifère du Quaternaire dans la plaine littorale et entre 4 à 25 m sur l'aquifère du Continental Terminal (CT) au Nord du Plateau. Les sondages TDEM ont confirmés par endroits la présence de l'interface eau douce-eau salée à des profondeurs comprises entre 15 et 50 m dans la plaine littorale au Sud du Plateau de Sakété. La carte des profondeurs de l'interface eau-douce/eau salée montre que le front salin est plus proche aux voisinages du Lac Nokoué, de la lagune de Porto-Novo et son chenal.

**Mots clés :** interface eau douce-eau salée, Continental Terminal (CT), Time Domain Electromagnetism (TDEM), Ghyben-Herzberg

# DEPTH OF THE FRESHWATER-SALTWATER INTERFACE FROM TIME DOMAIN ELECTROMAGNETISM (TDEM) AND THE GHYBEN-HERZBERG HYDROSTATIC APPROACH AT THE SOUTH OF THE SAKETE PLATEAU AND ITS COASTAL PLAIN (BENIN)

## ABSTRACT

To characterize the interface between fresh and salt water on the Sakété Plateau and the Coastal Plain, the Time Domain Electromagnetism (TDEM) geophysical approach was used. 12 TDEM surveys were conducted for This purpose at target locations in the study area. The measurement of static levels for the estimation of the depth of the salt front according to the hydrostatic approach of Ghyben-Herzberg was carried out during the month of August (period of low water) on 221 boreholes and wells vary between 0.9 to 2.9 m on the Quaternary aquifer in the coastal plain and between 4 to 25 m on the aquifer of the Continental Terminal (CT) in the north of the Plateau. TDEM boreholes confirmed by location the presence of a freshwater-saltwater interface at depths between 15 and 50 m in the coastal plain. The depth map of the freshwater/salt water interface shows an advance from Lake Nokoué, the Porto-Novo lagoon and its channel.

**Key words :** freshwater - saltwater interface, Continental Terminal (CT), Time Domain Electromagnetism (TDEM), Ghyben - Herzberg

## INTRODUCTION

Les zones côtières sont définies comme les zones à terre dont l'environnement, le climat et l'économie sont fortement influencés par la présence proche de la mer ; plus de 60 % de la population mondiale vit dans ces zones littorales. Elles attirent les populations et les touristes, tant pour les conditions climatiques et la qualité de vie que pour le développement économique (transport maritime, import-export). Cependant, ces zones sont exposées aux risques de catastrophes naturelles (inondations, tsunamis) ou de pénurie en eau, en partie en raison des intrusions salines dans les réservoirs d'eaux

<footnote n="1">¹Laboratoire d'Hydrologie Appliquée (LHA),</footnote>

<footnote n="2">²Institut de Recherche et de Développement (IRD)</footnote>

<footnote n="3">³Institut National de l'Eau, Benin.</footnote>
souterraines (Dorfliger, 2013). Hormis la forte densité relative de la population dans des agglomérations sujettes à une urbanisation accélérée et aux rejets des déchets et des polluants de tout genre, l'ouverture des plateaux méridionaux béninois dont le Plateau de Sakété, sur la plaine côtière cause un stress du fait de l'intrusion saline menaçante. Une étude chimique des eaux des fleuves Ouémé et Sô (complexe hydrographique en bordure Ouest du Plateau de Sakété) a révélé qu'il se produit une remontée d'eau salée dans ces fleuves pendant la période d'étiage (GIGG, 1983). La profondeur de pénétration de l'eau salée vers l'amont à partir de leurs exutoires respectifs est d'environ 25Km le long de l'Ouémé contre 30 km le long de la Sô. De même, des études menées par (Alassane, 2004) montrent sur le plateau de Sakété des valeurs de conductivité critiques supérieures à 500 µs/cm dans les puits en bordure de lagune de Porto-Novo. La profondeur moyenne du biseau salé détectée par les sondages TDEM sur la plaine littorale de la commune de Sèmè-Kpodji passe de 23 à 45m (Yalo et al., 2020). Cette intrusion saline constitue une menace de pollution pour le grand champ de captage (Ouando), source d'alimentation en eau potable de la capitale administrative du Bénin.

## MATERIEL ET METHODES

La zone d'étude est située dans le département de l'Ouémé, au Sud-Est du Bénin entre les latitudes 6°21'36" et 6°33'36 et les longitudes 2°27'36" et 2°44'24". Les niveaux statiques (NS) ont été mesurés à l'aide d'une sonde piézométrique sonore pendant le mois de d'Août (période des basse eau) dans 221 forages et puits captant l'aquifère du Quaternaire de la plaine littorale et l'aquifère du Continental Terminal (CT) sur le Plateau. Les altitudes Z sont obtenues d'une part avec un GPS de +/-3m de précision dans la plaine littorale et d'autre part sur le plateau grâce à l'extraction dans QGIS (extension sample tools) à partir des points Géodésiques et un Model Numérique de Terrain (MNT) sélectionnée sur la base de la comparaison des critères ; RSR, coef-NASH et R^2. Les niveaux piézométriques (NP) ont été calculés à partir de l'équation 2, la profondeur de l'interface eau douce-eau salée a été estimée à partir de la formule hydrostatique de Ghyben-herzberg (Figure1, Equation 1) et la spatialisation a été faite dans surfer 11 et Qgis (figure 3). Les sondages TDEM (11) (Figure 3) ont été réalisés avec l'équipement TEM-FAST en utilisant des boucles coïncidentes de 25 m de côté. Ils ont été inversés avec le logiciel TEMRES.

$$H = \rho f / \rho s - \rho f * h = 40h \text{ (Équation 1)}$$

$$h = Z - NS \text{ (Équation 2)}$$

Les densités considérées sont de 1,025kg/l pour la nappe salée et de 1,000Kg/l pour la nappe d'eau douce.

<figure><img src="image_95.png" /><figcaption>Figure 1 : Illustration de la coupe schématique perpendiculaire au Littoral selon Ghyben- Herzbeg (FRISSANT N. et al, 2005)</figcaption></figure>

## RESULTATS ET DISCUSSION

Le front salin déduit de la Formule de Ghyben Herzberg permet de distinguer 2 zones ; la zone du plateau où le front est estimé entre 100 et 450m et la zone de la plaine et du delta où le front est estimé entre 50 et 100m (Figure 3). Les faibles valeurs s'observent en bordure du Lac Nokoué, de la Lagune de Porto-Novo et dans la partie Deltaïque qui correspondent aux zones de dépressions piézométriques (figure 2). Ces faibles profondeurs dans ces zones pourraient être dues au transit de l'eau de mer à travers le lac puis son infiltration à travers les formations géologiques comme l'avait signalé (GIGG, 1983). Par ailleurs les modèles de TDEM effectuées présentent généralement une succession de 4 couches d'épaisseurs variables avec des profondeurs d'investigations qui varient entre 40 et 75m. Les résistivités correspondantes à l'interface d'intrusion saline sont inférieures à 10 ohms.m. Cette interface se situe à des profondeurs comprises entre 15 et 50m (Figure 4). Ces valeurs confirment par endroits les profondeurs de l'interface déduite de la formule de Ghyben-Hezberg et sont proches de celles obtenues
par Yalo et al., 2020 sur la plaine de Sèmè-Kpodji à l'Ouest de notre zone d'étude. De la carte piézométrique et des différents sondages TDEM, il ressort que les zones où le front salin est proche correspondent aux zones de dépressions piézométriques. La piézométrie a donc une incidence sur la Géométrie du milieu. En confrontant les résultats des deux méthodes, on constate que la formule hydrostatique suretime à certains endroits la profondeur du front salin par rapport à la méthode TDEM. Une analyse conjointe avec les logs stratigraphiques des forages de proximité pourra permettre une validation des résultats.

<figure><img src="image_96.png" /><figcaption>Figure 4 : Modèles géo électriques et inversions des sondages TDEM de la plaine Littorale et du Plateau de Sakété</figcaption></figure>
<figure><img src="image_97.png" /><figcaption>Figure 2 : Carte piézométrique des nappes superficielles de la plaine littorale et du plateau de Sakété</figcaption></figure>

<figure><img src="image_98.png" /><figcaption>Figure 3 : Carte des profondeurs de l'interface eau douce-eau salée de la nappe superficielle du plateau de Sakété et de sa plaine littorale estimée par l'Approche de Ghyben- Herzberg et des sondage TDEM</figcaption></figure>

## CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Les aquifères superficiels du plateau de Sakété et de sa plaine littorale sont sensibles aux risques d'intrusion saline. Cette vulnérabilité peut être accentuée (1) à la suite d'un pompage intensif ou (2) en cas de remontée du niveau de la mer à cause du réchauffement climatique, (3) à la forte concentration de la population due à la mise en place de la zone balnéaire. Les sondages TDEM ont confirmés dans certaines zones les profondeurs de l'interface eau douce eau salée définis par la formule hydrostatique. L'intrusion saline proviendrait des plans d'eau reliés à l'Océan Atlantique. La plaine littorale semble plus vulnérable que le plateau partiellement protégé par sa topographie. En perspective, (1) le développement d'un modèle de compréhension de la géométrie et du fonctionnement de l'aquifère du Mio-Pliocène permettrait une gestion durable et optimale de la ressource en eau souterraine. (2) le développement d'un modèle hydrogéologique de transfert des solutés dans la nappe phréatique pourra aider à délimiter les périmètres de protection du champ de captage de Ouando à Porto-Novo.

## REMERCIEMENTS

Laboratoire d'hydrologie Appliquée (LHA) ; Institut de Recherche Pour le Développement (IRD)

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ALASSANE A., (2004) Etude hydrogéologique du Continental Terminal et des formations de la plaine littorale dans la région de Porto-Novo (sud du Bénin) : identification des aquifères et vulnérabilité de la nappe superficielle. THS. Doctorat ès-Science. Univ. C. A.Diop de Dakar.160p + annexes.

DORFLIGER N., (2013). ; Entre terre et mer, les eaux souterraines du littoral Géosciences, pp.74-81. « Hal01062271 »

GIGG ou IGIP - GKW- GRAS, (1983), Plan directeur alimentation en eau potable de la ville de Cotonou. Les ressources en eau. Ministère de l'industrie des Mines et de l'énergie SBEE"2 VOL.

YALO E. Nicaise, R. CHODATON Hercule, KOUNIKA Elie, BOUCHER Marie et ALLE Christian (2020) : Délimitation géophysique de l'interface eau douce - eau salée dans les sables bruns de la plaine côtière de la commune de Sèmè-kpodji. Afrique SCIENCE 16(2) pp 206 – 216. ISSN 1813-548X, http://www.afriquescience.net.
<figure><img src="image_99.png" /></figure>
Relier les propriétés géophysiques aux
paramètres physico-chimiques
# MODELISATION PETROPHYSIQUE DES PROCESSUS DE BIODEGRADATION

ZOHORÉ U.L.<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, JOUGNOT D.<fnref n="1" />, GUÉRIN R.<fnref n="1" />, KESSOURI P.<fnref n="2" />, DEPARIS J.<fnref n="2" />

## RESUME

Quelques articles scientifiques portent sur le développement de modèle permettant de décrire en courant alternatif la conductivité électrique des milieux poreux, d'une suspension colloïdale de bactéries et d'une suspension de bactéries en milieu poreux. Ces références permettent de poser les bases d'une étude des relations pétrophysiques reliant conductivité complexe (ou sa réciproque la résistivité complexe) et processus de biodégradation de polluants organiques.

**Mots clés :** Modélisation, polarisation provoquée, biodégradation, polluants organiques

## ABSTRACT

A number of scientific articles have been published on the development of models describing the electrical conductivity of porous media, bacterial colloidal suspension and bacterial suspension in porous media in alternating current. These references lay the groundwork for a study of the petrophysical relationships between complex conductivity (or inversely complex resistivity) and biodegradation of organic pollutants.

**Key words:** Modeling, induced polarization, biodegradation, organic pollutants

## INTRODUCTION

Les sols pollués sont le plus souvent la conséquence d'activités anthropiques plus ou moins récentes, et constituent des problèmes sociétaux majeurs. Une étude récente (Froger et al., 2021) estime que 30% de la superficie de la France présente des concentrations en HAP (Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques) des sols supérieures à 100 µg.kg⁻<fnref n="1" />. Les polluants une fois dans le sol représentent un risque pour les eaux souterraines et les captages d'alimentation en eau potable.

La polarisation provoquée (PP) est une extension de la méthode de la résistivité électrique en courant continu utilisée afin de mesurer la conductivité électrique complexe. Cette conductivité permet d'obtenir les propriétés de conduction et de chargeabilité du milieu. La PP peut être mesurée suivant deux manières (Ghorbani, 2007) : temporelle et fréquentielle (ou spectrale). La polarisation provoquée spectrale (PPS) mesure les paramètres électriques basse fréquence sur un spectre allant typiquement de 1 mHz à 10 kHz. Quoique de nombreux travaux aient souligné la sensibilité de la PPS à la croissance bactérienne, à la biodégradation, aux activités bactériennes telles que la production de minéraux et de biofilms (Abdel Aal et al., 2010, 2004; Atekwana et Slater, 2009; Davis et al., 2006; Kessouri et al., 2019; Ntarlagiannis et al., 2005; Personna et al., 2008; Slater et al., 2007; Zhang et al., 2014), toutes ces études se sont bornées à observer ces phénomènes sans les quantifier. A ce jour, très peu de travaux ont été menées pour étudier quantitativement les réponses PP des bactéries en milieu poreux. Dans le cadre du projet ANR IMAGE qui vise à étudier la réponse PP de la biodégradation sur plusieurs échelles de mesure allant de l'échelle du pore à l'échelle de la parcelle, cette étude quantitative va être menée. Avant de mener cette étude, nous présentons ici une revue d'articles portant sur le développement de modèle permettant de décrire en courant alternatif la conductivité électrique des milieux poreux, d'une suspension colloïdale de bactéries et d'une suspension de bactéries en milieu poreux.

## MODELES PETROPHYSIQUES

### Conductivité électrique en courant alternatif

<footnote n="1">¹ Sorbonne Université, CNRS, EPHE, UMR 7619 METIS, 75005 Paris, France, zohore.urie@gmail.com</footnote>

<footnote n="2">² BRGM, Service Géologique National, 45060 Orléans, France, zohore.urie@gmail.com</footnote>
Si la conductivité en courant continu fournit des informations utiles concernant le milieu poreux, la conductivité en courant alternatif est encore plus intéressante. En effet, différents mécanismes de nature physique ou chimique interviennent en fonction de la fréquence du signal émetteur, et peuvent donc être dissociés.

Debye (1929) a proposé un modèle qui a servi de point de départ utile pour l'étude des processus de polarisation de fluides dipolaires. Dans les fluides dipolaires, comme l'eau, la polarisation d'un milieu est essentiellement due à l'orientation des molécules à moment dipolaire permanent par rapport au champ électrique imposé. En étudiant les résultats expérimentaux de la polarisation de composés liquides tels que les glycols et la glycérine, Cole et Cole (1941) ont observé que ces résultats étaient difficilement représentés par un demi-cercle (résultats attendus selon la théorie de Debye, 1929) dans un diagramme d'Argand (partie imaginaire en fonction de la partie réelle des paramètres électromagnétiques complexes). Les auteurs ont donc proposé une meilleure approximation des données expérimentales qui tienne compte de la largeur des temps de relaxation associés aux différents éléments polarisables dans le milieu. Après une étude des propriétés diélectriques de la glycérine, Davidson et Cole (1951) ont découvert que les propriétés diélectriques de la glycérine n'étaient pas circulaire (résultats attendus selon la théorie de Cole et Cole, 1941) mais asymétrique. Ils incluent un coefficient $\alpha$ qui permet d'introduire un comportement dissymétrique, observé lors des mesures. Le modèle de Cole-Cole généralisé est un modèle à 5 paramètres :

$$ \rho^*(\omega) = \rho_0 \left[ 1 - m \left( 1 - \frac{1}{((1 + (i\omega\tau_0)^c)^\alpha)} \right) \right], $$

avec $\rho_0$, la résistivité électrique en courant continu, $m$, la chargeabilité intrinsèque du modèle Cole-Cole, $\tau_0$, le temps de relaxation du système, $c$, l'exposant du modèle Cole-Cole et $\alpha$ une constante liée à la largeur de la distribution. Cette expression permet de retrouver plusieurs modèles empiriques en posant certains paramètres égales à 1.

## Conductivité électrique d'une suspension colloïdale de bactéries

Un nombre important d'études en chimie colloïdale ont mesuré puis modélisé plusieurs mécanismes de polarisation associés aux suspensions de bactéries à l'aide de la spectroscopie diélectrique (méthode analogue à la PPS). Dans le cas d'une suspension cellulaire, les différents mécanismes de polarisation sont considérablement influencés par les propriétés des organismes. Cette sensibilité a permis à la spectroscopie diélectrique de contribuer à la compréhension des structures cellulaires.

La polarisation de type Gamma se produit entre le GHz et le THz et résulte des contributions de la relaxation de l'eau liée autour de la surface de la cellule et de la différence de permittivité entre l'intérieur de la cellule et l'électrolyte (Grosse, 2002). La polarisation de type Delta se déroule dans les gammes hautes du MHz et dépend essentiellement de la conductivité intracellulaire et de la relaxation de l'eau liée aux macromolécules intracellulaires (Irimajiri et al., 1987). Ainsi, la polarisation de type Delta est dépendante de la taille de la cellule (Grosse, 2002; Irimajiri et al., 1987). La polarisation de type Bêta prend place aux basses gammes du MHz et est principalement liée à la structure diélectrique de la membrane cellulaire, ainsi dépendante de l'épaisseur de la membrane (Irimajiri et al., 1987; Prodan and Prodan, 1999). La polarisation de type Alpha se produit en dessous du kHz et résulte de la mise en place de la double couche électrique, soit l'accumulation de charges autour de la membrane cellulaire, qui ne se développe qu'à cette plage de fréquences (Atekwana et Slater, 2009; Dukhin et al., 1974; Grosse, 2002; Prodan and Prodan, 1999, van der Wal et al., 1997).

Revil et al. (2012) ont proposé un modèle pour décrire la polarisation basse fréquence d'une suspension bactérienne. Ils établissent une analogie entre la polarisation des particules d'argile, qui semble être liée à la formation de la double couche électrique plus particulièrement à la présence de la couche de Stern et celle des bactéries. De ce fait, la conductivité d'une suspension bactérienne est contrôlée par la quantité de bactéries dans le milieu et leurs conductivités de surface. Contrairement à l'approche de Revil et
al. (2012), Zhang et al. (2014) ont proposé un modèle linéaire décrivant la relation entre conductivité imaginaire et abondance bactérienne au lieu de modéliser la courbe de polarisation. Toutefois, il faut noter que ce modèle ne parvient à prédire que qualitativement la conductivité imaginaire en raison probablement d'une approche linéaire simplificatrice.

## Conductivité électrique d'une suspension de bactéries dans un milieu poreux

Heenan et al. (2013) ont utilisé la méthode de la décomposition de Debye afin de suivre l'évolution temporelle de la chargeabilité. Dans leur cas d'étude, les auteurs ont mis en évidence le fait que les variations de chargeabilité étaient étroitement liées à celles de la conductivité imaginaire et donc à l'évolution bactérienne. Par ailleurs, Mellage et al. (2018) ont souligné le lien existant entre le temps de relaxation (obtenu après avoir faire correspondre un modèle Cole-Cole aux mesures de PPS) et les activités bactériennes. Ainsi, les auteurs indiquent que le temps de relaxation pourrait être lié aux conditions énergétiques du milieu ; conditions auxquelles sont soumis la croissance et l'activité bactérienne. Quoique Heenan et al. (2013) et Mellage et al. (2018) n'aient pas développé de modèle particulier pour l'interprétation quantitative des signaux électriques dans le cadre de processus biogéochimiques, ces auteurs ont utilisé des modèles préexistants (ex : type Cole-Cole) pour des applications à la modélisation de la réponse PPS de milieux contenant des bactéries. Suivant une tout autre approche, Zhang et Furman (2023) ont utilisé des méthodes statistiques pour établir des relations entre les processus biogéochimiques et les signaux géoélectriques. Revil et al. (2012), se basant sur l'approche décrite au paragraphe précédent, ont modélisé la réponse PPS de bactéries en milieu poreux. De plus, supposant une relation de proportionnalité entre la conductivité imaginaire macroscopique et la densité bactérienne, les auteurs ont proposé des formulations modélisant les phases de croissance et décroissance bactérienne. Finalement, Zhang et al. (2014) ont identifié une relation linéaire entre la conductivité imaginaire totale du milieu, la densité bactérienne et la conductivité imaginaire des minéraux constituant le milieu poreux.

## CONCLUSIONS

Cette revue a présenté un ensemble de modèles décrivant la conductivité électrique complexe associée à différents milieux. Elle permet d'établir les bases de travaux futurs consacrés à l'étude des relations pétrophysiques reliant conductivité complexe et processus de biodégradation. Revil et al. (2012) et Zhang et al. (2014) se sont limités à établir une relation entre le signal PPS et la densité bactérienne. Suivant une approche en laboratoire et numérique, nous envisageons non seulement d'évaluer les modèles pétrophysiques existants mais aussi de les étendre afin de prendre en compte dans la formulation finale la teneur en polluants organiques.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**Abdel Aal G.Z., Atekwana E.A., Rossbach S., Werkema D.D., 2010** – Sensitivity of geoelectrical measurements to the presence of bacteria in porous media. *Geophysical Research Letters*. 115(G3).

**Abdel Aal G.Z., Atekwana E. A., Slater, L.D., Atekwana E. A., 2004** – Effect of different phases of diesel biodegradation on low frequency electrical properties of unconsolidated sediments. *Geophysical Research Letters*, 386-395.

**Atekwana E.A., Slater L.D., 2009** – Biogeophysics: A new frontier in Earth science research. *Reviews of Geophysics*, 47, RG4004.

**Cole K.S., Cole R.H., 1941** – Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics. *The Journal of Chemical Physics*, 9, 341-351.

**Cosenza P., Ghorbani A., Camerlynck C., Rejiba F., Guérin R., Tabbagh A., 2009** – Effective medium theories for modelling the relationships between electromagnetic properties and hydrological variables in geomaterials: a review. *Near Surface Geophysics* 7, 563-578.
Davidson D.W., Cole R.H., 1951 – Dielectric relaxation in glycerol, propylene glycol, and n-propanol. *The Journal of Chemical Physics*, *19*, 1484–1490.

Davis C.A., Atekwana E., Atekwana, E., Slater, L.D., Rossbach S., Mormile M.R., 2006 – Microbial growth and biofilm formation in geologic media is detected with complex conductivity measurements: microbial growth and geophysics. *Geophysical Research Letters*, *33*, L18403.

Debye P.J.W., 1929 – Polar molecules. *Dover publications*.

Dukhin S.S., Shilov V.N., Bikerman J.J., 1974 – Dielectric phenomena and double layer in disperse systems and polyelectrolytes. *Journal of the Electrochemical Society* **121**, 154C.

Froger C., Saby N., Jolivet C.C., Boulonne L., Caria G., Freulon X., de Fouquet C., Roussel H., Marot F., Bispo A., 2021 – Spatial variations, origins, and risk assessments of polycyclic aromatic hydrocarbons in French soils. *Soil*, *7*, 161–178.

Ghorbani A., 2007 – Contribution au développement de la résistivité complexe et à ses applications en environnement. *Mémoire de thèse de doctorat. Université Pierre-et-Marie-Curie-Paris 6*.

Grosse C., 2002 – Relaxation mechanisms of homogeneous particles and cells suspended in aqueous electrolyte solutions. *Interfacial electrokinetics and electrophoresis*, *106*, 279–327.

Heenan J., Porter A., Ntarlagiannis D., Young L.Y., Werkema D.D., Slater, L.D., 2013 – Sensitivity of the spectral induced polarization method to microbial enhanced oil recovery (MEOR) processes. *Geophysics*, *78*, E261–E269.

Irimajiri A., Asami K., Ichinowatari T., Kinoshita Y., 1987 – Passive electrical properties of the membrane and cytoplasm of cultured rat basophil leukemia cells. I. Dielectric behavior of cell suspensions in 0.01–500 MHz and its simulation with a single-shell mod. *Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes*, *896*, 203–213.

Kessouri P., Furman A., Huisman J.A., Martin T., Mellage A., Ntarlagiannis D., Bücker M., Ehosioke S., Fernandez P., Flores-Orozco A., 2019 – Induced polarization applied to biogeophysics: recent advances and future prospects. *Near Surface Geophysics*, *17*, 595–621.

Mellage A., Smeaton C.M., Furman A., Atekwana E.A., Rezanezhad F., Van Cappellen, P., 2018 – Linking spectral induced polarization (SIP) and subsurface microbial processes: Results from sand column incubation experiments. *Environmental science & technology*, *52*, 2081–2090.

Ntarlagiannis D., Williams K.H., Slater L., Hubbard S., 2005 – Low-frequency electrical response to microbial induced sulfide precipitation. *Journal of Geophysical Research: Biogeosciences*, *110*, G02009.

Personna Y.R., Ntarlagiannis D., Slater L., Yee N., O’Brien M., Hubbard S., 2008 – Spectral induced polarization and electrogenic potential monitoring of microbially mediated iron sulfide transformations. *Journal of Geophysical Research: Biogeosciences*, *113*, G02020.

Prodan C., Prodan E., 1999 – The dielectric behaviour of living cell suspensions. *Journal of Physics D: Applied Physics*, *32*, 335.

Revil A., Atekwana E., Zhang C., Jardani A., Smith S., 2012 – A new model for the spectral induced polarization signature of bacterial growth in porous media. *Water Resources Research*, *48* (9), W09545.

Slater L., Ntarlagiannis D., Personna Y.R., Hubbard S., 2007 – Pore-scale spectral induced polarization signatures associated with FeS biomineral transformations. *Geophysical Research Letters*, *34*, L21404.

van der Wal A., Norde W., Zehnder A.J., Lyklema J., 1997 – Determination of the total charge in the cell walls of Gram-positive bacteria. *Colloids and surfaces B: Biointerfaces*, *9*, 81–100.

Zhang C., Revil A., Fujita Y., Munakata-Marr J., Redden, G., 2014 – Quadrature conductivity: A quantitative indicator of bacterial abundance in porous media. *Geophysics*, *79*, D363–D375.

Zhang Z., Furman A., 2023 – Statistical analysis for biogeochemical processes in a sandy column with dynamic hydrologic regimes using spectral induced polarization (SIP) and self-potential (SP). *Geophysical Journal International*, *233*, 564–585.
# LE PROSPECTEUR DOIT-IL PRENDRE EN COMPTE LA POLARISATION ELECTRIQUE DANS LA GAMME DE FREQUENCE 10 KHZ– 100 KHZ ?

TABBAGH A.<fnref n="1" />, SIMON F.-X.<fnref n="2" />, VITALE Q.<fnref n="3" />

## RESUME

Les méthodes électromagnétiques et électrostatique adaptées à l'exploration du proche sous-sol utilisent la gamme de fréquence [10 kHz – 100 kHz] où la conductivité électrique et la susceptibilité magnétique sont habituellement prises en compte dans l'interprétation. Il faut aussi prendre en compte et cartographier la polarisation électrique, comme l'illustre les mesures EMI présentées ici.

**Mots clés** : Permittivité, gamme [10 kHz – 100 kHz], méthodes électromagnétique et électrostatique

## ABSTRACT

In Near-Surface surveying, electromagnetic and electrostatic methods use the [10 kHz – 100 kHz] frequency range. There, the electrical conductivity and the magnetic susceptibility are commonly considered for interpretation. The presentation defends and illustrates the additional need for consideration of the electrical polarization.

**Key words:** Permittivity, [10 kHz – 100 kHz] range, electromagnetic & electrostatic methods

## INTRODUCTION

La recherche de méthodes permettant de décrire la résistivité électrique des sols et formations superficielles de façon plus rapide et aisée qu'avec la prospection électrique traditionnelle par injection galvanique du courant, a conduit à utiliser d'une part la méthode électrostatique (CCR Capacitively Coupled Resistivity) et d'autre par des méthodes électromagnétiques (EMI ElectroMagnetic Induction). La profondeur de pénétration recherchée et les contraintes techniques liées à l'émission et à la mesure des champs électrique ou magnétique ont conduit à se focaliser sur la gamme de fréquence 10 kHz–100 kHz.

Dans cette gamme, comme le montrent les équations de Maxwell, ce sont trois propriétés qu'il faut *a priori* prendre en compte, la conductivité électrique, $\sigma$, la permittivité diélectrique, $\varepsilon_0\varepsilon_r$ et la susceptibilité magnétique complexe, $\kappa$. Le rôle de cette dernière a été mis en évidence en prospection archéologique il y a plus de 50 ans et les conditions de sa mesure avec les instruments EMI sont aujourd'hui relativement bien définies. La permittivité diélectrique, qui correspond à l'existence d'une polarisation électrique dans le milieu étudié, se traduit en régime fréquentiel par l'existence du courant de déplacement, $i\omega\varepsilon_0\varepsilon_rE$ (où $\omega$ est la pulsation, $E$ le champ électrique et $i^2=-1$), qui s'ajoute au courant de conduction $\sigma E$. La méthode électrostatique étant souvent mise en œuvre dans des milieux résistants, la détermination des deux propriétés y a été pratiquée d'emblée. La preuve expérimentale de l'influence de la permittivité sur les mesures EMI n'a en revanche été apportée que récemment (Benech *et al.* 2016), alors que deux raisons concourent à sa prise en compte dans l'interprétation des mesures : (1) sa détermination est nécessaire à une évaluation correcte de la conductivité et de la susceptibilité, et (2) elle peut apporter une information inédite *a priori* non négligeable.

<footnote n="1">¹ Sorbonne-Université, UMR7619 Métis, Paris, France, alain.tabbagh@upmc.fr</footnote>

<footnote n="2">² Inrap, UMR 6249 Chrono-Environnement, Dijon, France, francois-xavier.simon@inrap.fr</footnote>

<footnote n="3">³Éveha International, Université de Lyon, UMR5133-Archeorient, France, quentin.vitale@eveha.fr</footnote>
# VALEUR DE LA PERMITTIVITE RELATIVE DANS LA GAMME 10 kHz – 100 kHz

## Par la bibliographie

Le nombre de publications traitant du cas des fréquences « intermédiaires » est nettement plus faible que celui des fréquences plus faibles -où l'intérêt pour la polarisation provoquée (SIP, *Spectral Induced Polarisation*) a été renouvelé par les études environnementales- ou que celui des hautes fréquences où le radar-sol (GPR, *Ground Probing Radar*) et la mesure de la teneur en eau par TDR (*Time Domain Reflectometry*) ont été largement développés. Il a néanmoins été possible de montrer que les valeurs peuvent dépasser $\varepsilon_r=10000$, qu'une corrélation existe avec les valeurs de conductivité et que la granularité et la teneur en eau jouent des rôles importants (Tabbagh et al. 2021).

## Par mesure directe sur échantillon au laboratoire

Les mesures en laboratoire réalisées par notre équipe (Souffaché et al. 2021) avec des échantillons de volume représentatif de matériaux inhomogènes (500 cm³) ont confirmé l'ordre de grandeur de cette propriété. Ils ont permis de montrer une variation avec la teneur en eau différente de celle de la conductivité : Fig. 1.

<figure><img src="image_100.png" /><figcaption>Fig. 1 –Variations de la conductivité électrique et de la partie réelle de la permittivité diélectrique relative avec la teneur volumique en eau pour un sol de limon aux fréquences de 33 kHz et 96 kHz.</figcaption></figure>

# EXEMPLES IN SITU AVEC DES APPAREILS 'EMI'

## Réponses théoriques et cartographie des propriétés apparentes

La solution analytique du calcul de la réponse obtenue sur un terrain tabulaire (1D) avec un appareil EMI (émission par un dipôle magnétique, réception par un dipôle magnétique) est bien connue. Elle tient compte des trois propriétés, des paramètres géométriques et se présente sous la forme de transformées d'Hankel (Thiesson et al. 2014). Le calcul de ces transformées par filtrage est rapide. Il est toutefois intéressant d'utiliser une série d'approximations (sol homogène, susceptibilité magnétique nulle, altitude de mesure nulle, faible nombre d'induction) pour obtenir une expression simple permettant d'évaluer quelle propriété aura un rôle dominant et de le quantifier approximativement. La société Geonics (McNeill 1980) a permis un large développement de l'emploi des appareils EMI en cartographie des sols en proposant la définition d'une conductivité apparente à partir de la réponse en quadrature: $Qu(H_s/H_p) = -\frac{i\sigma\mu_0\omega L^2}{4}$ (où $H_s$ est le champ secondaire, $H_p$ le champ primaire, L l'écart entre émission et réception et $\mu_0$ la perméabilité magnétique du vide). En remplaçant dans cette formule $\sigma$ par $i\omega\varepsilon_0\varepsilon_r$ on obtient une réponse en phase $Ph(H_s/H_p) = \frac{\varepsilon_0\varepsilon_r\mu_0\omega^2L^2}{4}$ qui serait donc proportionnelle à la permittivité mais aussi au carré de la fréquence et au carré de l'écartement.
Effectivement, le calcul sans approximation montre bien que dans la gamme considérée, la réponse due à la permittivité est fortement croissante avec la fréquence, linéaire et principalement en phase, où elle se superpose à l'effet de la susceptibilité magnétique. Les coefficients de proportionnalité étant différents entre les configurations (HCP, VCP ou PERP), il est possible, en utilisant à la même position les mesures de deux configurations différentes, de définir une permittivité diélectrique apparente et une susceptibilité magnétique apparente (Benech et al. 2016).

## Exemple 1 : site de Pyrgi (Toscane, Italie), CMD-Explorer en configuration HCP

Le but de ce traitement est d'obtenir des valeurs de permittivité sur ce site. L'appareil a été utilisé en configuration HCP seulement, avec une altitude de mesure estimée à 0,9 m, une fréquence $f=10$ kHz et trois écartements de bobines, $L_1=1,48$ m, $L_2=2,82$ m, $L_3=4,49$ m. Il n'y a eu ni test de la variation des réponses en phase et en quadrature avec l'altitude de mesure ni vérification du signe de la réponse en phase avec une boule métallique amagnétique. Cependant la configuration HCP montre une meilleure sensibilité à la permittivité et une décroissance de la réponse de la susceptibilité magnétique avec l'altitude de mesure plus rapide que la configuration VCP. Il en résulte (tableau 1) une incertitude sur la permittivité qui reste néanmoins limitée par rapport aux valeurs cartographiées.

<table><caption>Tableau 1 : Valeurs de la permittivité diélectrique que devrait avoir un sol homogène pour produire la même amplitude de réponse en phase que celle d'un sol dont la susceptibilité magnétique est $50 \cdot 10^{-5}$ uSI ($h=0,9$ m, $f=10$ kHz).</caption><tr><td>Ph (Hs/Hp)</td><td></td><td>1,48 m</td><td>2,82 m</td><td>4,49 m</td></tr><tr><td>ε<sub>r</sub> équivalent à κ<sub>ph</sub>=50.</td><td>HCP</td><td>3331</td><td>274</td><td>578</td></tr><tr><td>10<sup>-5</sup> uSI.</td><td>VCP</td><td>7436</td><td>3140</td><td>1346</td></tr></table>

<figure><img src="image_101.png" /><figcaption>Fig. 2 : Conductivité apparente sur le carré 15 du site de Pyrgi (Toscane, Italie)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_102.png" /><figcaption>Fig. 3 : Permittivité relative apparente sur le carré 15 du site de Pyrgi (Toscane, Italie)</figcaption></figure>

## Exemple 2 : site de Bourbourg (Nord, France), GEM-2 en configuration HCP

Cet appareil est actuellement le seul du commerce à permettre un choix de fréquence (au nombre de 5) dans la gamme [10 kHz – 100 kHz]. Il mesure la différence des champs secondaires entre deux réceptrices montées en opposition et situées à 1,66 m et 1,035 m de l'émettrice, de telle sorte que l'effet du champ primaire est annulé. Cette disposition complexifie cependant la variation de la réponse en phase avec l'altitude comme la réponse des corps 3D. Sur ce site, l'appareil a été tracté sur une luge à une altitude de $h=0,2$ m en configuration HCP.
<table><caption>Tableau 2 : Valeur de la permittivité diélectrique que devrait avoir un sol homogène pour produire, dans la configuration géométrique du GEM-2 et en fonction de la fréquence, la même amplitude de réponse en phase que celle d'un sol dont la susceptibilité magnétique serait de 50. 10⁻⁵ uSI</caption><thead><tr><th>Ph (Hs/Hp)</th><th></th><th>5010 Hz</th><th>10350 Hz</th><th>21390 Hz</th><th>44250 Hz</th><th>91470 Hz</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">ε<sub>r</sub> équivalent à<br>κ<sub>ph</sub>=50. 10<sup>-5</sup> uSI.</td><td>HCP</td><td>248192</td><td>58855</td><td>13957</td><td>3080</td><td>730</td></tr><tr><td>VCP</td><td>104661</td><td>24819</td><td>5886</td><td>1396</td><td>307</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_103.png" /><figcaption>Fig. 5 : A 5 kHz la réponse en phase est interprétée en susceptibilité magnétique, à 91 kHz en permittivité</figcaption></figure>

## CONCLUSIONS

Les exemples présentés montrent qu'il serait préjudiciable de négliger l'effet de la permittivité diélectrique qui s'avère significatif dès lors que l'on monte en fréquence ou que l'on augmente l'écartement des bobines. Il est indispensable de prendre en compte l'effet de cette propriété pour s'affranchir des erreurs d'interprétation mais aussi pour mettre en évidence des phénomènes non perceptibles par le seul biais de la conductivité électrique.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**BENECH C., LOMBARD P., REJIBA F., TABBAGH A., 2016** - Demonstrating the contribution of dielectric permittivity to the in-phase EMI response of soils: example of an archaeological site in Bahrain. Near Surface Geophysics, 14-4, 337-344.

**McNEILL J. D., 1980** - Electromagnetic terrain conductivity measurement at low induction number, TN-6, Geonics Ltd, 13 pages.

**SOUFFACHE B., TABBAGH A., 2021** - Laboratory study of the electrical properties of Lutetian limestones in the 100 Hz to 10 MHz frequency range. Near Surface Geophysics, 19-5, 573-582.

**TABBAGH A., REJIBA F., FINCO C., SCHAMPER C., SOUFFACHE B., CAMERLYNCK C., THIESSON J., JOUGNOT D., MAINEULT A., 2021** - The case for considering polarization in the interpretation of electrical and electromagnetic measurements in the 3 kHz to 3 MHz frequency range. Surveys in Geophysics, 42-2, 377-397.

**THIESSON J., KESSOURI P., SCHAMPER C., TABBAGH A., 2014** - Calibration of frequency-domain electromagnetic devices used in near-surface surveying. Near Surface Geophysics, 12(4), 481-491.
# CONTRIBUTION DES SONDAGES PAR RESONANCE MAGNETIQUE PROTONIQUE (RMP) A L'IDENTIFICATION DES SITES DE FORAGES PRODUCTIFS POUR UN DEVELOPPEMENT DE L'IRRIGATION DANS LA BASSE TERRASSE DU FLEUVE NIGER

ABDOU MAHAMAN R.<fnref n="1" />, ISSOUFOU OUSMANE B.<fnref n="1" />, NAZOUMOU Y.<fnref n="1" />, BOUCHER M.<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, FAVREAU G.<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, LEGCHENKO A<fnref n="2" />.

## RESUME

Dans les régions semi-arides, les eaux souterraines constituent la principale eau douce accessible pour un développement de l'irrigation. Les vallées alluvionnaires et les terrasses du fleuve Niger constituent les sites les plus favorables pour un développement de l'irrigation. Des sondages géophysiques par Résonance Magnétique Protonique (RMP) ont été réalisés dans la basse terrasse du fleuve Niger pour identifier les niveaux aquifères les plus productifs. Les résultats ont révélés deux horizons aquifères, le 1er avec une teneur en eau qui varie 15 à 27% et le 2ème horizon qui présente une teneur en eau très faible (~ 8 %).

**Mots clés:** Sahel, Basse terrasse du fleuve Niger, Développement de l'irrigation

## ABSTRACT

In the semi-arid regions, groundwater is the main accessible fresh water for irrigation development. The alluvial valleys and terraces of the Niger River are the most favorable sites for irrigation development. The Magnetic Resonance Sounding (MRS) geophysical surveys were carried out in the Niger River lower terrace to identify the most productive aquifer levels. The results revealed two horizons aquifers, the first with a water content that varies from 15 to 27% and the second horizon has a very low water content (~8%)

**Keywords:** Sahel, River Niger lower terrace, Irrigation development

## INTRODUCTION

Le Niger, pays semi-aride aux trois quart désertique, est confronté depuis plus de cinq décennies à une insécurité alimentaire chronique engendrée par les épisodes de sècheresses Nazoumou et al. (2016), qui deviennent récurrentes depuis les années 1970. La production agricole qui dépend grandement de la pluviométrie devient très déficitaire Panthou et al. (2012), exposant la population rurale à la famine. Pour atténuer ces effets, le recours aux nappes d'eau souterraine peu profondes,

<footnote n="1">¹Département de Géologie, Université Abdou Moumouni de Niamey, Niamey, Niger</footnote>

<footnote n="2">²Univ. Grenoble Alpes, IRD, CNRS, Grenoble INP, IGE, 38000 Grenoble, France</footnote>

<footnote n="3">³Institut de Recherche pour le Développement (IRD), 276 Avenue de Maradi, BP 11416, Niamey, Niger</footnote>
facilement accessibles pour l'irrigation s'avère une alternative crédible afin de garantir durablement l'autosuffisance alimentaire et améliorer le revenu de populations Nazoumou et al. (2016).

Le bassin hydrographique du fleuve Niger dispose d'importantes ressources en eau souterraine, contenues dans les formations géologiques du bassin des lullemmeden et dans les alluvions quaternaires de vallées des affluents fossiles et les terrasses du fleuve Favreau et al. (2012).

La basse terrasse du fleuve Niger, qui constitue la zone d'étude, se localise dans la région de Gaya, à l'extrémité sud-ouest du Niger et du bassin des lullemmeden, grand bassin sédimentaire ouest africain (cf. Fig. 1). L'objectif global de ce travail est de déterminer les points les plus favorables pour la réalisation de forages productifs et les profondeurs prévisionnelles de ces forages et piézomètres au niveau des sites de Sia Kouanza, en utilisant la méthode de Résonnance Magnétique Protonique (RMP).

<figure><img src="image_104.png" /><figcaption>Fig. 1 – Carte de localisation de la basse terrasse du fleuve Niger (a) dans le bassin des lullemmeden, (b) entre le socle Dahoméen d'âge Protorozoique au Sud-ouest et la confluence des frontières avec le Benin et le Nigeria où localement le bassin des lullemmeden est appélé bassin de Kandi et de Sokoto basin, respectivement, (c) entre les Communes Rurales de Tenda et de Ouna</figcaption></figure>
# 1. MATERIEL ET METHODE

La méthode géophysique RMP renseigne directement sur la présence ou l'absence des eaux souterraines dans un terrain investigué. Elle permet d'avoir des informations qui sont directement liées à la teneur en eau dans le sous-sol et un temps de relaxation lié à la taille des pores (Legchenko et Valla, 2002).

Le NUMISLITE qui a une profondeur d'investigation de 50 à 60 m, a été utilisé pour réaliser ce travail. Les câbles électriques (diamètre 6 mm) ont été doublés pour augmenter le courant maximal émis et optimiser une profondeur d'investigation de l'ordre de 80 m. Les données de sondages ont été interprétées avec le logiciel d'inversion et de modélisation SAMOVAR_11x60° en prenant en compte une résistivité électrique donnée par les sondages électriques verticaux réalisés au droit de chaque site d'investigation.

# 2. RESULTATS ET DISCUSSIONS

Pour mieux caractériser les aquifères de la basse terrasse du fleuve Niger, les résultats des sondages réalisés ont été comparés aux formations géologiques de la zone. Les profils de la teneur en eau et du temps de relaxation T₁* en fonction de la profondeur au niveau du chaque site, montrent une succession de deux strates aquifères de caractéristiques différentes. Les sondages de Tié, Sia et celui de Garin Gourmou (sites tout près du plateau), ont révélés une seule strate aquifère avec des teneurs en eau très faibles.

Sur le transect de Tounga Goumbi-Koubou Banda (cf. Fig. 2), trois sites ont été investigués. L'inversion des sondages montre une succession de deux niveaux aquifères concordants à la géologie de la zone. Le premier niveau aquifère de 25 à 30 m en moyenne, est caractérisé par une teneur en eau qui varie entre 15 et 27% avec un temps de relaxation T₁* qui fluctue entre 300 et 420 ms. Ce premier niveau aquifère est comparable aux sables alluvionnaires (Quaternaire) et aux grès grossiers du Continental Hamadien. Le deuxième niveau aquifère rencontré à partir de 30 m, caractérisé par une teneur en eau très faible corrélable aux grès argileux du Continental Hamadien. Dans toute la basse terrasse du fleuve Niger, le premier horizon aquifère est caractérisé par une teneur en eau qui fluctue entre 15 et 20% sur une épaisseur moyenne de 25 à 30 m.

# CONCLUSION

Les sondages géophysiques par Résonance Magnétique Protonique ont permis de mieux structurer les différents niveaux aquifères dans la basse terrasse du fleuve Niger. Pour le développement de l'irrigation dans la zone d'étude, il est intéressant de réaliser les forages dans les premiers 25 à 30 m
de profondeur que plutôt de faire des forages profonds dans les grès argileux du Continental Hamadien.

<figure><img src="image_105.png" /><figcaption>Fig. 2 – Distribution de la teneur en eau en fonction des formations géologiques suivant le transect de Tounga Goumbi – Koubou Banda (cf. Fig. 1)</figcaption></figure>

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Favreau V., Nazoumou Y., Leblanc M., Guéro A., Goni I.B., 2012. Groundwater resources increase in the Iullemmeden Basin, West Africa. In Climate Change Effects on Groundwater Resources: A Global Synthesis of Findings and Recommendations (Pp. 113-128). CRC Press.

Legchenko, A., Valla, P., 2002. A review of the basic principles for proton magnetic resonance sounding measurements. *Journal of Applied Geophysics*, 50(1-2), 3-19.
https://doi.org/10.1016/S0926-9851(02)00127-1

Nazoumou, Y., Favreau, G., Adamou, M. M., Maïnassara, I., 2016. La petite irrigation par les eaux souterraines, une solution durable contre la pauvreté et les crises alimentaires au Niger ? *Cahiers Agricultures*, 25(1). https://doi.org/10.1051/cagri/2016005

Panthou, G., T. Vischel, T. Lebel, J. Blanchet, G. Quantin, Ali A., 2012. Extreme rainfall in West Africa: A regional modeling, *Water Resour. Res.*, 48, W08501. doi:10.1029/2012WR012052
# IDENTIFICATION DES AQUIFERES PAR IMAGERIE GEOPHYSIQUE EN ZONE DE MONTAGNE :
CAS DES AQUIFERES FRACTURES DE DANANE, OUEST DE LA COTE D'IVOIRE

OUEDRAOGO M.¹, SYLLA I.¹, OUATTARA Z.¹, DIABY A. J.¹, PESSEL M.², KAMAGATE B.³

¹ Université de Man, Man, Côte d'Ivoire, moussa.ouedroago@univ-man.edu.ci

² Université Paris-Saclay, Labo GEOPS, Orsay, France, marc.pessel@universite-paris-saclay.fr

³ Université Nangui Abrogoua, Abidjan, Côte d'Ivoire, kambamory2@yahoo.fr

## RESUME

Dans la région Ouest de la Côte d'Ivoire, la fracturation a été abondamment étudiée dans le but d'une meilleure compréhension du fonctionnement des écoulements souterrains. Cette étude a pour objectif, la caractérisation des fractures les plus productives d'un point de vue hydraulique. La méthode géo-électrique de résistivité électrique a permis d'imager le sous-sol. Les résultats obtenus permettent de distinguer plusieurs structures géologiques afin d'orienter les prospections hydrogéologiques futures et les implantations de forages dans cette région.

Mots clés : Aquifère fracturé, pseudo-section de résistivité apparente, Ouest de la Côte d'Ivoire

# IDENTIFICATION OF AQUIFERS USING GEOPHYSICAL IMAGERY IN MOUNTAINOUS AREAS:
THE CASE OF FRACTURED AQUIFERS IN DANANE (WESTERN IVORY COAST)

## ABSTRACT

In the western region of Côte d'Ivoire, fracturing has been extensively studied with the aim of gaining a better understanding of how underground flows work. The aim of this study is to characterize the most productive fractures from a hydraulic point of view. The geoelectrical method of electrical resistivity was used to image the subsoil. The results obtained enable several geological structures to be distinguished in order to guide future hydrogeological prospecting and drilling in this region.

Key words: Fractured aquifer, apparent resistivity pseudo-section, western Côte d'Ivoire

## INTRODUCTION

En Côte d'Ivoire, l'approvisionnement en eau se fait au travers des systèmes d'adduction en eau potable qui captent les eaux souterraines ou de surface (Ouedraogo et al., 2022). Plus des trois quarts des localités de l'intérieur du pays sont alimentées par des nappes souterraines. Ces nappes souffrent de la faiblesse de leur emmagasinement et des périodes sèches induisant un tarissement souvent brusque. Les grandes villes se tournent donc vers des eaux de surface pour l'adduction en eau. En revanche, les localités rurales restent tributaires des eaux souterraines. Différentes campagnes de forage ont montré des taux d'échec important dans la localisation d'eau souterraine du fait d'une insuffisance de connaissance sur le milieu. Il s'avère donc important de mener des études pour identifier les sites présentant des productivités adéquates pour l'implantation des futurs forages. La région de Danané rencontre les mêmes difficultés d'approvisionnement en eau surtout en zone rurale. Les travaux de prospection géophysique permettant une connaissance plus précise des aquifères fracturés, sont indispensables pour une meilleure localisation, exploitation et gestion durable de leurs ressources. Les résultats issus de l'utilisation des techniques de la télédétection sont confrontés aux problèmes de leurs fiabilités et de leurs validations (Akokponhoué et al., 2018). En effet, la géophysique en général et l'imagerie de tomographie de résistivité électrique en particulier, vient en appui aux approches de la télédétection. La tomographie de résistivité électrique permet de déterminer avec une meilleure précision la position des discontinuités géologiques et de localiser les zones à fort intérêt hydrogéologique.

Le présent travail, vise donc à cartographier et localiser avec précision les aquifères fracturés en vue d'une meilleure planification de l'approvisionnement des populations de la région de Danané en eau potable.
# SITE D'ETUDE

## Contexte géologique, géomorphologique et hydrogéologique de la zone d'étude

Le site d'étude est situé dans la partie Ouest de la Côte d'Ivoire, il fait partie du noyau archéen. D'un point de vue morphologique, cette région est caractérisée par des reliefs fortement accidentés et s'oppose au reste du pays (partie Est de la faille du Sassandra) qui présente des reliefs peu accidentés. Le contexte géologique et tectonique de cette région s'intègre dans l'histoire du craton Ouest africain en général et de la dorsale de Man en particulier. Au plan lithologique, le site présente des roches cristallines à faible altération, de métamorphisme et de magmatisme (Fig. 1). Ces différents phénomènes géologiques sont matérialisés par de nombreuses fractures généralement structurées E-W et N-S. Les différents événements tectoniques ont abouti à la mise en place d'une fracturation très développée dans ces formations. Du point de vue hydrogéologique, la zone est caractérisée par des aquifères circulant au sein des altérites. Ces altérites sont superficielles et captées par les puits modernes et les puits villageois, ainsi que par des aquifères de fractures/fissures plus profonds.

<figure><img src="image_106.png" /><figcaption>Fig. 1 – Carte géologique de la zone d'étude</figcaption></figure>

## MATERIEL ET METHODES

Des mesures géophysiques de terrain de résistivité et chargeabilité ont été réalisés avec un transmetteur Tx III et le récepteur GRx8-32 avec le dispositif Dipôle-Dipôle. Seules les données de résistivité électrique ont été utilisées. Onze (11) layons sur vingt et un (21) layons de 1,1 km ont permis de faire les mesures avec une distance inter-layon de 100 m (Fig. 2a). Les mesures ont été effectuées dans le domaine temporel. Les mesures sont présentées sous forme de pseudo-sections de résistivité apparente en fonction de la position le long du profil et de la profondeur. Cette technique de panneau est classiquement utilisée pour définir les structures et la géométrie du milieu souterrain. Leur simplicité et leur faible coût les rendent populaires en milieu de socle (Pessel, 2000 ; Dewandel et al., 2006 ; Descloitres et al., 2008). Le logiciel IP Post-Process a permis d'extraire les pseudo-sections pour l'analyse et l'interprétation. Une topographie (Fig. 2b) a été réalisée à partir des cordonnées des électrodes enregistrées par GPS.
<figure><img src="image_107.png" /><figcaption>Fig. 2 - Grille de layonnage de la zone d'étude (a), coupe géomorphologique de la zone d'étude (b)</figcaption></figure>

## RESULTATS ET DISCUSSION

Les **fig. 3 & 4** présentent des pseudo-sections en fonction de la géomorphologie pour chaque profil réalisé sur les profils. La section obtenue se caractérise par une variation des zones de forte (couleur vive) à faible résistivité tout au long du profil. La variation de résistivité le long des différents profils est due à l'hétérogénéité du sous-sol et à sa géologie. Ces résultats rendent compte de la structuration en place dans la zone d'étude en relation avec le type d'aquifère de la zone.

<figure><img src="image_108.png" /><figcaption>Fig. 3 – Pseudo-section de résistivité apparente du layon 10</figcaption></figure>

Les zones de fracture assimilables aux valeurs de faibles résistivités apparentes ont une orientation bien définie. En effet, les structures qui pourraient être des zones fracturées sont orientées Est-ouest (Fig. 3 et 4).
<figure><img src="image_109.png" /><figcaption>Fig. 4 – Pseudo-section de résistivité apparente du layon 12</figcaption></figure>

L'analyse des données montrent la continuité d'une même couche entre les distances 600 et 700 m. Les informations sur les 20 premiers mètres pourraient donner des informations sur l'altération et la zone de recharge. Quant aux 3 structures conductrices identifiées, qui se retrouvent entre des faciès résistifs, elles pourraient présenter des points de forage distincts.

## CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Des profils de résistivité apparente ont permis de délimiter avec précision la litho-stratigraphique du réservoir en déterminant ses paramètres géométriques dont entre autres l'épaisseur et la conductivité. L'objectif principal de cette étude était d'assurer une meilleure compréhension du système aquifère du site étudié en vue de proposer des zones probables d'implantation de forage. Cette méthode nous a permis de mettre en exergue des zones de faible résistivité et cela est favorable pour l'implantation de forage d'eau dans cette zone.

Au regard de la géométrie du site, il est envisageable de proposer des forages profonds pour des usages de tous types dans cette localité.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

AKOKPONHOUÉ Y., YALO N., AKOKPONHOUÉ H.B., YOUAN T. M., AGBAOUNGBA G., 2018 – Apport de la télédétection et de la géophysique dans la cartographie des fractures hydrauliquement actives en zone de socle au Centre-ouest du Benin. *European Scientific Journal*, vol. 15 n°27, 426p.

DESCLOITRES M., RUIZ L., SEKHAR M., LEGTCHENKO A., BRAUN J-J., KUMAR M., SUBRAMANIEN S., 2008 – Caractérisation de la recharge locale saisonnière par tomographie de résistivité électrique et sondage par résonance magnétique. *Processus hydrologique*, 3 (22), 384-394.

DEWANDEL B., LACHASSAGNE P., WYNS R., MARECHAL J.C., KRISHNAMURTHY N.S, 2006 – A generalized 3-D geological and hydrogeological conceptual model of granite aquifers controlled by single or multiples weathering. *Journal of Hydrology* (2006) 330, 260-284.

OUEDRAOGO M., PESSEL M., DURAND V., SAINTENOY A., KAMAGATE B., SAVANE I., 2022 – Multifrequency electromagnetic method for the hydrogeophysical characterization of hard-rock aquifers : the case of the upstream watershed of White Bandama (northern Ivory Coast), BSGF – Earth Sciences Bulletin 193 : 11.

PESSEL M., 2000 – Tomographie électrique : Développements méthodologiques et applications.
*Thèse de Doctorat, Université de Rennes, Rennes, 129p.*
# CARACTERISATION GEOPHYSIQUE DES ZONES CIBLES A UNE MINIRALISATION AURIFERE A SOUÊPLEU (DANANE, OUEST DE LA COTE D'IVOIRE)

OUEDRAOGO M.¹, OUATTARA Z.¹, SYLLA I.¹, DIABY A. J.¹, PESSEL M.², KAMAGATE B.³

¹ Université de Man, Man, Côte d'Ivoire, moussa.ouedroago@univ-man.edu.ci

² Université Paris-Saclay, Labo GEOPS, Orsay, France, marc.pessel@universite-paris-saclay.fr

³ Université Nangui Abrogoua, Abidjan, Côte d'Ivoire, kambamory2@yahoo.fr

## RESUME

Une campagne de prospection géophysique a été effectuée dans le département de Danané à l'Ouest de la Côte d'Ivoire et s'inscrit dans l'objectif de la recherche minière dans un secteur géologiquement favorable. La méthode PP/R a permis d'obtenir des résultats probants. Des zones probables de minéralisation ont pu être identifiées et elles pourraient-être prouvées après une campagne de sondage (forages). La présence probable de cette minéralisation serait liée à des continuités structurales et de façon disséminée.

Mots clés : Résistivité, chargeabilité, polarisation provoquée, Ouest de la Côte d'Ivoire

# GEOPHYSICAL CHARACTERIZATION OF TARGET AREAS FOR GOLD MINERALIZATION IN SOUÊPLEU (DANANE, WESTERN COTE D'IVOIRE)

## ABSTRACT

A geophysical prospecting survey; was carried out in the Danané department in the west of Côte d'Ivoire, as a part of a mining research programme in a geologically favorable sector. The PP/R method yielded convincing results. Probable zones of mineralization have been identified and could be proven after a drilling campaign. The probable presence of this mineralization could be linked to structural continuities and in a disseminated manner.

Key words: Resistivity, chargeability, induced polarization, western Côte d'Ivoire

## INTRODUCTION

Les minerais à faibles teneurs et les gisements cachés représentent désormais les principaux objectifs de la recherche minière, qui dans un secteur géologiquement favorable ne doivent jamais être considérés comme terminés. On conçoit aisément que la détection de tels gisements est particulièrement difficile et qu'elle requiert des moyens modernes d'investigation dont la mise au point nécessite une recherche permanente. La géophysique fait partie actuellement des outils indispensables dans le cadre de la recherche, de l'évaluation et de l'estimation de gisement caché dans le sous-sol à travers ses différentes méthodes telles que les méthodes électromagnétiques, les méthodes électriques, la méthode magnétique, les méthodes sismiques, etc. Le département de Danané regorge un potentiel inexploité d'informations géologiques et de ressources minérales. Dégradantes pour l'environnement, des activités d'exploitation artisanale menées par les opérateurs clandestins donnent des indications sur le type de minéralisation et son orientation. Les études géophysiques et géochimiques permettant de caractériser la structure du gisement aurifère qui a pour but d'étudier la mise en place de la minéralisation par des levés géophysiques et géochimiques sur ces données structurales en vue d'élaborer un modèle synthétique du gisement, qui servira de guider l'exploration adéquate et optimale d'autres cibles économiques. Pour mener à bien cette étude, un levé géophysique est effectué à travers la méthode de polarisation provoquée, couplée à la méthode électromagnétique, en vue de proposer des zones cibles de minéralisation aurifère sur le site de Souêpleu. Par ailleurs, cela permettra d'abord d'identifier les zones de conductivité en surface, ensuite
établir la lithologie à travers les réponses géophysiques et enfin identifier les zones cibles à une minéralisation.

## SITE D'ETUDE

### Contexte géologique et géomorphologique de la zone d'étude

Situé à l'Ouest de la Côte d'Ivoire, le site de Souêpleu qui abrite cette étude est localisée dans le département de Danané. Il se positionne à l'Ouest de faille de Sassandra, dans le domaine Archéen. La géomorphologie de cette région est caractérisée par les chaînes de montagnes successives sur le site d'étude présentant un relief très accidenté du Sud vers le Nord comme l'ont signifié BOYOSSORO et al. (2007), dans cette région (Fig. 1). La région du Tonkpi (abritant la zone d'étude) fait partie intégrante du domaine forestier de la Côte d'Ivoire, avec un climat pluvieux de montagnes et une couverture forestière sempervirente (TIESSE et al., 2017). Le contexte géologique et tectonique de cette région s'intègre dans l'histoire du craton Ouest africain en général et de la dorsale de Man en particulier. Au plan lithologique, le site présente des roches cristallines à faible altération (granodiorite à biotite et les enderbites) (LASM et al., 2004). Le site repose sur du matériel précambrien du vieux socle granito-gneissique ayant subi plusieurs phases de déformation, de métamorphisme et de magmatisme. Ces différents phénomènes géologiques sont matérialisés par de nombreuses fractures généralement structurées E-W et N-S. Les différents événements tectoniques ont abouti à la mise en place d'une fracturation très développée dans ces formations. En effet, ces différents phénomènes pourraient favoriser la mise en place davantage de minéralisation.

<figure><img src="image_110.png" /><figcaption>Fig. 1 – Coupe géomorphologique de la zone d'étude</figcaption></figure>

## MATERIEL ET METHODES

Les mesures de polarisation provoquée peuvent être réalisées dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel (spectral). Les paramètres mesurés sont différents d'un domaine à l'autre (mais ils sont liés par les transformations de Fourier ou de Laplace). Généralement, les mesures sur le terrain sont majoritairement acquises dans le domaine temporel (FLORSCH et al., 2012 ; GAZOTY et al., 2012) car l'acquisition est plus rapide et facile à mettre en œuvre, évitant en grande partie les problèmes de couplage. Des campagnes de prospection géophysique sur le terrain, avec des mesures de résistivité et de chargeabilité couplées aux acquisitions en électromagnétisme ont été réalisées au moyen de transmetteurs Tx II, Tx III et de récepteur GRx8-32. Le dispositif quadripolaire Dipôle-Dipôle a été utilisé pour la mise en œuvre de cette méthode d'acquisition de données PP/R avec plus de précision. La récolte des données a permis d'obtenir les informations sur une profondeur maximale de 110 m. Onze (11) layons de 1,1 km sur vingt et un (21) layons ont fait l'objet de mesures PP/R avec une distance inter-layon de 100 m (Fig. 2). Ces mesures se sont effectuées dans le domaine temporel et sont présentées sous forme de pseudo-sections de résistivité et chargeabilité apparente en fonction de la position le long du profil et de la pseudo-
profondeur. Cette technique de panneau est classiquement utilisée pour définir les structures et la géométrie du milieu souterrain. Le logiciel IP Post-process a permis d'extraire les pseudo-sections pour l'analyse et l'interprétation. Une topographie (Fig. 1) a été réalisée à partir des coordonnées des électrodes relevées à l'aide d'un GPS.

<figure><img src="image_111.png" /><figcaption>Fig. 2 - Grille de layonnage de la zone d'étude</figcaption></figure>

# RESULTATS ET DISCUSSIONS

## Caractérisation lithologique

La Fig. 3 présente la pseudo-section de résistivité suivant le profil parcouru, ce qui permet d'apprécier la zone d'information afin de faciliter l'interprétation de celle-ci. Cette pseudo-section présente un faciès conducteur au cœur allant de 240 à 760 m de distance sur toute la profondeur. Toutefois cette zone est en partie très conductrice sur une distance de 360 m (400-760 m) en fonction de la profondeur. Sa géométrie pourrait être assimilable à une discontinuité structurale telle une fracture remplie par des minéraux différents de ceux de la roche encaissante.

<figure><img src="image_112.png" /><figcaption>Fig. 3 – Pseudo-section de résistivité</figcaption></figure>
## Identification de zones cibles

La pseudo-section de chargeabilité présentée sur la **Fig. 4** montre les zones anomales qui superposeraient des valeurs de chargeabilité élevées, aux valeurs de résistivité faibles, dénotant de structures chargeables et conductrices. Les zones de fracture assimilables aux valeurs de faibles résistivités présentent des valeurs de chargeabilité faibles à très fortes. Trois points sur cette pseudo-section montre trois zones de moyennes à très forte chargeabilité tels qu'indiqués entre les distances respectives de (300-400 m), (400-500 m) et (500-600 m). L'analyse des données montrent qu'à ces trois zones de chargeabilité importante se superposent des zones de faible résistivité (zone conductrice) qui pourraient faire l'objet de sondages dans le but de confirmer ou infirmer l'information actuelle.

<figure><img src="image_113.png" /><figcaption>Fig. 4 – Pseudo-section de chargeabilité</figcaption></figure>

## CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Cette étude a permis de mettre en exergue des zones cibles à la minéralisation. Trois zones ont pu être identifiées suite à l'interprétation des données traitées et analysées. En effet, trois sites de sondages ont été signifiés afin de prouver les résultats obtenus.

Trois forages sont proposés sur ce profil par ordre de priorité successive allant de DDH 1 à DDH 3. Il va falloir également faire une prospection resserrée c'est-à-dire une prospection tactique. Ainsi, la géochimie sol pourrait être d'un bien utile pour la poursuite des travaux.

## REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**BOYOSSORO H. K., KOFFI F. K., BACHIR M. S., BIEMI J., TRAORE I., 2007** - Insécurité climatique et géorisques en Côte d'Ivoire : étude du risque d'érosion hydrique des sols dans la région semi-montagneuse de Man (Ouest de la Côte d'Ivoire). *Sécheresse 2007, 18 (1)*, 29-37.

**FLORSCH N., LLUBES M., TEREYGEOL F., 2012** - Induced polarization 3D tomography of an archaeological direct reduction slag heap. *Near Surface Geophysics, 10* (1957).

**GAZOTY A., FIANDACA G., PEDERSEN J., AUKEN E., CHRISTIANSEN A., 2012** - Mapping of landfills using time-domain spectral induced polarization data: the Eskelund case study. *Near Surface Geophysics, 10* (1957).

**LASM T., KOUAME K. F., OGA Y. M.-S., JOURDA J. R. P., SORO N., KOUADIO H. B., 2004** – Etude de la productivité des réservoirs fracturés des zones de socle. Cas du noyau archéen de Man-Danané (Ouest de la Côte d'Ivoire). *Revue Ivoirienne des Sciences et Technologiques, Vol. 5, 97-115*.

**TIESSE B. A., EBOUA N. W., N'DA D. H., 2017** - Apport de la télédétection pour le suivi spatio-temporel de l'occupation du sol dans la région montagneuse du Tonkpi (Côte d'Ivoire). *In European Scientific Journal.Vol.13, N°15, 310-329*.
# UTILISATION DES METHODES GÉOPHYSIQUES POUR LA CARACTERISATION ET LE SUIVI DE L'EFFET DU BIOCHAR SUR LES PROPRIETES DE SOLS URBAINS

PASQUET S.<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, THIESSON J.<fnref n="2" />, BODET L.<fnref n="2" />, JOUGNOT D.<fnref n="2" />, VASCONEZ M.<fnref n="2" />,<fnref n="3" />, LADEN A.<fnref n="2" />, GUERIN R.<fnref n="2" />, QUENEA K.<fnref n="2" />, DELARUE F.<fnref n="2" />

## RESUME

Un site expérimental a été mis en place à Limeil-Brévanne pour étudier l'effet du biochar sur la structure et les propriétés de sols urbains. Les mesures TDR effectuées ponctuellement ne permettent pas de détecter un effet significatif du biochar sur la teneur en eau. À l'inverse, les mesures sismiques montrent des variations significatives de vitesses qui sont cohérentes avec l'augmentation de la teneur en eau dans les placettes avec biochar, démontrant l'intérêt de la sismique pour la caractérisation de ces sols.

Mots clés: biochar, technosol, sol urbain, géophysique, sismique, rétention d'eau

## ABSTRACT

An experimental site has been set up at Limeil-Brévanne to study the effect of biochar on the structure and properties of urban soils. Single-point TDR measurements did not reveal any significant effect of biochar on water content. Conversely, seismic measurements showed significant variations in velocity, consistent with the increase in water content in the biochar plots, demonstrating the value of seismic for soil characterization.

Key words: biochar, technosol, urban soil, geophysics, seismics, water retention

## INTRODUCTION

Le compostage et la biométhanisation sont des méthodes bien connues de recyclage des déchets organiques, mais elles ne sont pas adaptées aux résidus ligneux. Ces résidus peuvent être transformés en "biochar" par pyrolyse de la biomasse végétale. Le biochar a été identifié comme faisant partie des technologies susceptibles de stocker du carbone et d'atténuer le changement climatique grâce à sa production et à son incorporation dans les sols. Les effets du biochar sur les propriétés des sols des régions tempérées sont mal compris, mais une méta-analyse récente suggère que le biochar peut être utilisé pour atténuer les émissions de gaz à effet de serre, améliorer la santé des sols et la résilience au changement climatique dans les sols dégradés des régions tempérées (Lévesque et al., 2022). Le biochar peut donc être un élément essentiel d'une stratégie bioéconomique basée sur le recyclage des résidus ligneux et sur la réhabilitation des sols urbains dégradés. Le biochar peut modifier les propriétés physiques des sols (Yang et Lu, 2021) et influencer directement les fonctions du sol, notamment la rétention d'eau et la stabilité mécanique. Il peut en particulier amener une diminution globale de la densité apparente du sol et conduire à une augmentation de la capacité au champ, du point de flétrissement et de la teneur en eau disponible pour les plantes (Razzaghi et al., 2020). À ce jour, la plupart des études ne prennent en compte ni l'effet du vieillissement du biochar ni les effets saisonniers. Il est donc nécessaire de suivre l'évolution des propriétés physiques dans l'espace et dans le temps.

Le suivi par carottage est destructif et s'avère peu représentatif dans des sols hétérogènes. Les techniques géophysiques (i.e. sismiques, électriques) ont montré leur efficacité pour la caractérisation et le suivi non destructifs des sols (Romero-Ruiz et al., 2018). À ce jour, les effets du biochar sur les propriétés géophysiques des sols sont peu étudiés et limités à des expériences en

<footnote n="1">¹ UAR 3455 OSU ECCE TERRA, CNRS, Sorbonne Université, Paris, France</footnote>

<footnote n="2">² UMR 7619 METIS, Sorbonne Université, CNRS, EPHE, Paris, France</footnote>

<footnote n="3">³ Department of Mining and Civil Engineering, Universidad Politécnica de Cartagena, Spain</footnote>
laboratoire (Gao et al., 2019). La combinaison des méthodes géophysiques et d'informations locales provenant de l'échantillonnage du sol permet d'obtenir des images à haute résolution des propriétés intrinsèques du sol, telles que la saturation en eau et la porosité (Dangeard et al., 2021). Dans ce contexte, un site expérimental a été mis en place pour étudier l'effet du biochar sur les propriétés de sols fortement urbanisés et leur évolution au cours du temps. Son suivi combine mesures géophysiques (sismique, résistivité électrique, polarisation provoquée), biogéochimiques (matière organique et nutriments dans le sol, flux de CO₂), ainsi que des propriétés intrinsèques du sol (teneur en eau, granulométrie, ADN environnemental) et des plantes (chlorophylle). Le site expérimental ainsi que les premiers résultats couplant mesures sismiques et teneurs en eau sont présentés ici.

## DESCRIPTION DU SITE EXPÉRIMENTAL

Situé entre Valenton et Limeil-Brévannes (94), le site expérimental est constitué d'un technosol très hétérogène dans lequel 20 placettes de 2 m x 3 m x 30 cm ont été réalisées. Sur 10 de ces placettes, du biochar a été incorporé sur 30 cm d'épaisseur. La stratégie suivie pour réaliser ces placettes a consisté à : (1) creuser le technosol dans les 20 placettes sur 30 cm ; (2) enlever les gros artefacts anthropogéniques ; (3) mélanger les matériaux excavés de chaque placette ; (4) diviser le volume de sol en deux lots A (sans biochar) et B (avec biochar) ; (5) incorporer le biochar dans les lots B ; (6) remplir chaque placette avec les sols des lots A ou B ; (7) couvrir les placettes avec un géotextile (pour éviter l'arrachage d'espèces végétales adventices ou sauvages) ; (8) planter 3 espèces végétales ayant de bonnes propriétés phytoremédiatrices et fréquemment utilisées dans les espaces verts sur la moitié des placettes avec et sans biochar ; (9) si besoin, arroser chaque placette avec un volume d'eau équivalent. Le plan expérimental consiste en quatre traitements répétés cinq fois, comme illustré sur la figure 1.

<figure><img src="image_114.png" /><figcaption>Fig. 1 – Carte du site expérimental avec positions des placettes et des profils sismiques (à gauche). Photographie des *nodes* installés sur la placette BP2 (à droite).</figcaption></figure>
## ACQUISITION ET TRAITEMENT DES DONNÉES

Trois mesures ponctuelles de teneur en eau ont été effectuées en avril 2023 sur toutes les placettes sans plantesà l'aide d'une sonde TDR (Time Domain Reflectometry) HydroSense II (Campbell Scientific) de 12.5 cm de long. La conversion de la mesure TDR en teneur en eau volumique est réalisée grâce aux équations de van Genuchten (1980). Des profils sismiques de 4.6 m de long ont également été réalisés en avril 2023 sur 6 placettes avec plantes (3 avec biochar et 3 sans biochar). Les profils ont été mis en place dans le sens de la longueur, au centre de chacune des placettes à l'aide de 24 géophones autonomes (ou nodes) espacés de 20 cm (figure 1). Une masseyette de 1.5 kg et une plaque en acier de 5 x 5 x 1 cm ont été utilisées pour générer le signal sismique, avec 25 positions de sources situées à mi-distance de chaque géophone. L'utilisation de ces nodes permet d'acquérir les données sismiques avec une plus grand flexibilité et rapidité par rapport aux instruments câblés traditionnels. À titre indicatif, l'installation et l'acquisition de 6 profils 24 traces - 25 positions de tir a été effectuée par une personne seule en moins de 4h, soit environ 40 min par profil. Les pointés des temps de premières arrivées ont ensuite été effectués manuellement pour chaque profil. L'utilisation des nodes se révèle une nouvelle fois bénéfique, avec peu de problèmes de déclenchement, un bon rapport signal sur bruit et une forte atténuation de l'onde aérienne (en comparaison avec des tests - non présentés ici - effectués avec des instruments câblés traditionnels). Ce dernier point s'avère particulièrement intéressant pour l'étude des sols où les vitesses observées peuvent avoisiner celles de l'air. Ces temps d'arrivée ont ensuite été inversés à l'aide de la librairie python pyGIMLi (Rücker et al., 2017). La topographie n'a pour le moment pas été prise en compte, mais des relevés au GPS différentiel sont prévus dans les prochains mois afin d'incorporer les variations de micro-topographie dans la procédure d'inversion.

## RÉSULTATS

La teneur en eau volumique moyenne a été calculée pour chaque type de placette à partir des mesures TDR sur le terrain. Pour les placettes sans biochar, la teneur en eau moyenne est de 10.2 ± 0.6 %, alors qu'elle est de 11.9 ± 1.7 % sur les placettes avec biochar. La différence entre les deux types de placettes est notable, mais n'est pas statistiquement significative (test de Student avec t = 0.1). Les vitesses sismiques obtenues après inversion sont représentées pour chaque profil sur la figure 2. On peut clairement observer des vitesses plus faibles en surface dans la zone correspondant aux placettes. Les vitesses de chacun de ces profils ont été extraites dans une zone de 3 m x 0.3 m correspondant à l'emplacement de la placette. Les statistiques de ces vitesses (figure 2g) mettent en évidence des signatures différentes en fonction de la présence ou non de biochar. Une vitesse moyenne de 214 ± 33 m/s a été calculée pour toutes les placettes sans biochar, contre 160 ± 27 m/s pour les placettes avec biochar. Cette différence est significative, et reste cohérente avec une augmentation de la teneur en eau dans les placettes avec biochar (Solazzi et al., 2021).

## DISCUSSIONS ET CONCLUSION

Le site expérimental de Limeil-Brévanne a été mis en place pour étudier l'effet du biochar sur la structure et les propriétés de sols urbains. Dans ces milieux fortement hétérogènes, les mesures ponctuelles de teneur en eau ne permettent pas de détecter des variations significatives de teneur en eau entre placettes avec et sans biochar. À l'inverse, les mesures sismiques permettent d'intégrer un volume de sol plus large et détectent une diminution significative des vitesses sismiques en présence de biochar. Ces variations sont cohérentes avec l'augmentation de la teneur en eau dans les placettes avec biochar, mais pourraient également être liées à une diminution de la densité en présence de biochar. Ces résultats confirment l'intérêt de la sismique pour le suivi et la caractérisation des propriétés des sols. La répétition des mesures à différentes saison, et le couplage avec d'autres méthodes géophysiques (notamment résistivité électrique) et mesures directes (porosité, granulométrie) permettra de mieux contraindre les modèles pétrophysiques utilisés pour décrire le fonctionnement de ces technosols.
<figure><img src="image_115.png" /><figcaption>Fig. 2 – (a-f) Modèles de vitesse obtenus pour chaque profil et positions des placettes (rectangle rouge). (g) Statistiques des vitesses pour chaque placette et vitesses moyennes avec et sans biochar (trait rouge en gras).</figcaption></figure>

## RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

**DANGEARD, M., RIVIÈRE, A., BODET, L., SCHNEIDER, S., GUÉRIN, R., JOUGNOT, D., MAINEULT, A., 2021** - River corridor model constrained by time-lapse seismic acquisition. *Water Resources Research* 57(10), e2020WR028911.

**GAO, Z., HAEGEL, F.-H., ESSER, O., ZIMMERMANN, E., VEREECKEN, H., HUISMAN, J. A., 2019** - Spectral Induced Polarization of Biochar in Variably Saturated Soil. *Vadose Zone Journal* 18(1), 180213.

**LÉVESQUE, V., OELBERMANN, M., ZIADI, N., 2022** - Biochar in temperate soils: opportunities and challenges. *Canadian Journal of Soil Science*. 102(1), 1-26.

**RAZZAGHI, F., OBOUR, P.B., ARTHUR, E., 2020** - Does biochar improve soil water retention? A systematic review and meta-analysis. *Geoderma* 361, 114055.

**ROMERO-RUIZ, A., LINDE, N., KELLER, T., OR, D., 2018** - A Review of Geophysical Methods for Soil Structure Characterization. *Reviews of Geophysics* 56(4), 672-697.

**RÜCKER, C., GÜNTHER, T., WAGNER, F.M., 2017** - pyGIMLi: An open-source library for modelling and inversion in geophysics. *Computers & Geosciences* 109, 106-123.

**SOLAZZI, S.G., BODET, L., HOLLIGER, K., JOUGNOT, D., 2021** - Surface-Wave Dispersion in Partially Saturated Soils: The Role of Capillary Forces. *Journal of Geophysical Research: Solid Earth* 126(12), e2021JB022074.

**VAN GENUCHTEN, M.TH., 1980** - A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. *Soil Science Society of America Journal* 44(5), 892.

**YANG, C.D., LU, S.G., 2021** - Effects of five different biochars on aggregation, water retention and mechanical properties of paddy soil: A field experiment of three-season crops. *Soil and Tillage Research* 205, 104798.
<figure><img src="image_116.png" /></figure>
Développer les outils d'analyse
(modélisations, inversions,
apprentissage machine...)
# LE MONITORING SISMIQUE POUR LA DETERMINATION DE PROPRIETES MECANIQUES DE LA PROCHE SURFACE LE LONG DE LIGNES A GRANDE VITESSE

CUNHA TEIXEIRA José<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, BODET Ludovic<fnref n="1" />, HALLIER Amélie<fnref n="2" />, BURZAWA Audrey<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, DANGEARD Marine<fnref n="2" />, FONDA Marie<fnref n="2" />, CARDENAS CHAPELLIN Julio<fnref n="1" />, SANCHEZ GONZALEZ Ramon<fnref n="3" />, GESRET Alexandrine<fnref n="3" />, RIVIERE Agnès<fnref n="3" />, DHEMAIED Amine<fnref n="2" />, BOISSON-GABORIAU Joséphine<fnref n="2" />

## RESUME

Les méthodes sismiques par ondes de surface permettent le contrôle des plateformes ferroviaires en estimant la variation de la vitesse des ondes de cisaillement en proche surface, directement liées au module de cisaillement du milieu. Cependant l'accès aux sites est très contraint, limitant la régularité des mesures. Ce travail propose d'adapter une méthode dite « passive », utilisant le bruit sismique généré par le passage des trains, aux lignes à grande vitesse (LGVs). Les données sont enregistrées par une réseau linéaire uniforme de 96 capteurs implantés en piste le long de la ligne et sont utilisées afin de générer des tirs virtuels par interférométrie. La dispersion des ondes de Rayleigh est ensuite extraite et montre des résultats cohérents avec la sismique active.

**Mots clés** : monitoring, ferroviaire, sismique passive, ondes de surface, interférométrie

## ABSTRACT

Seismic surface-waves methods allow the control of railway embankments by estimating near-surface shear(S)-wave velocities ($V_s$), closely linked to the medium's mechanical moduli variations. We use seismic noise generated by high-speed trains and recorded by a uniform linear array of 96 geophones from the trackside to generate virtual shot gathers by interferometry. We then extract Rayleigh-wave dispersion and show that results compare very well with those obtained with an active source.

**Key words:** monitoring, railway, passive seismic, surface waves, interferometry

## INTRODUCTION

Il est essentiel pour SNCF Réseau de caractériser la rigidité de la plateforme ferroviaire (i.e., premiers mètres de sol sur lesquels reposent les traverses) afin de garantir la sécurité du trafic ferroviaire. Cela est généralement réalisé en vérifiant périodiquement son intégrité à l'aide d'essais *in situ* (forages, carottés) ou, plus récemment, par des approches géophysiques non destructives telles que les méthodes sismiques par ondes de surface. Ces dernières permettent d'estimer la vitesse des ondes de cisaillement ($V_s$) en fonction de la profondeur, étroitement liée au module de cisaillement du milieu. Ces méthodes se basent principalement sur l'étude de la propagation des ondes de Rayleigh, dont les vitesses de phase ($V_R$) pour des fréquences données sont quasi-égale aux $V_s$ du milieu pour des profondeurs correspondantes. Ces ondes sont généralement générées par des sources actives (masse, chute de poids) et sont enregistrées par un réseau linéaire uniforme de géophones afin d'être traitées dans le cadre de la méthode dite de *Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW)* (Park et al., 1999). La MASW est utilisée pour fournir une estimation moyenne de $V_s$ en fonction de la profondeur ou bien pour générer des sections pseudo-2D de $V_s$. L'approche est considérée fiable pour la vérification de la stabilité du sous-sol en contexte ferroviaire (Boisson Gaboriau et al., 2016 ; Bodet et al., 2017). Cependant, de nombreuses prospections sont exclues ou retardées en raison de restrictions d'accès aux sites ferroviaires, rendant la caractérisation continue ou régulière dans le temps difficile à déployer. Ainsi, l'utilisation de sources passives de bruit sismique générées par des activités naturelles ou anthropiques et ne nécessitant pas d'opérateur présent sur le terrain semble plus adaptée pour ce

<footnote n="1">¹ Sorbonne Université, CNRS, EPHE, UMR 7619 METIS, 4 place Jussieu, 75252 Paris 05, France, jose.teixeira@sorbonne-universite.fr</footnote>

<footnote n="2">² SNCF Réseau, 6 avenue François Mitterrand, 93210 Saint-Denis, France</footnote>

<footnote n="3">³ Département de Géosciences, Mines Paris – PSL, PSL Université, Paris, France</footnote>
type de contexte. Ce type de méthodes a largement été développé en sismologie depuis les années 50 et est, entre autres, aujourd'hui utilisé dans un schéma de MASW pour la caractérisation de la proche-surface en utilisant le bruit sismique généré par le trafic le long des routes (Park & Miller, 2008) ou le long des voies ferrées (Brenguier et al., 2019 ; Bardainne et al., 2020 ; You et al., 2023). Les outils de surveillance mis en place utilisent généralement des réseaux 2D denses de géophones et offrent des cartes 3D de $V_s$ de haute résolution avec une évolution temporelle fine. Dans cette étude une méthode de surveillance passive de la plateforme ferroviaire, utilisant le bruit sismique généré par le passage de TGVs et enregistré sur de courtes durées par un réseau linéaire uniforme réduit (i.e. moins étendu et moins dense), est étudiée et comparée avec une méthode active traditionnelle.

# MATERIEL ET METHODES

## Déploiement et acquisition

Le site d'étude, localisé sur une ligne à grande vitesse (LGV) française, connaît une augmentation du besoin de maintenance affectant principalement la voie 2 et pouvant être dû à de fortes variations de la rigidité du sol. 7 profils sismiques de 23,75 m ont été réalisés en piste le long de la voie 2 (voir **Figure 1**), chacun composé de 96 géophones à composante verticale espacés de 25 cm. Une première prospection par sismique active a été réalisée en frappant verticalement une plaque en métal placée sur le sol avec une massette de 1,5 kg. Pour chaque profil, un tir direct et un tir inverse ont été réalisés de part et d'autre des dispositifs à une distance de 12,5 cm. L'acquisition a été faite sur une durée de 2 s avec un pas d'échantillonnage de 0.5 ms. De plus, 5 coups de massette ont été sommés à chaque position de tir afin d'améliorer le rapport signal sur bruit. D'autre part, le bruit sismique généré par le passage de TGVs a été enregistré sur chaque profil sur des durées de 60, 90 et 130 s et avec un pas d'échantillonnage et 2 ms. Les enregistrements ont été lancés manuellement à l'approche des trains en voie 1 et 2.

<figure><img src="image_117.png" /><figcaption>**Fig. 1** – Carte de la position relative des profils sismiques le long de la piste de la LGV.</figcaption></figure>

## Traitement du signal

Chaque enregistrement est divisé en segments de 5 s en utilisant une fenêtre glissante avec un pas de 1 s. Les segments sont triés en utilisant une transformée fréquence-nombre d'onde (f-k), selon Cheng et al. (2018), permettant de déterminer le sens de propagation relatif (direct et inverse) des ondes pour chaque échantillon en calculant le rapport d'énergie entre la partie négative et positive en nombre d'onde. Cela permet, d'autre part, d'éliminer les segments au cours desquels le train passe au niveau des capteurs ou est trop éloigné du dispositif, ne montrant ainsi pas de directionnalité bien définie des ondes. Un pré-traitement (Bensen et al., 2007) est appliqué aux segments conservés. Cela consiste, pour chaque trace, à éliminer la réponse instrumentale et la tendance moyenne et à appliquer une normalisation temporelle ainsi qu'un blanchiment spectral. Un procédé d'interférométrie sismique est ensuite mis en œuvre par corrélation croisée entre le premier capteur et tous les autres (tir virtuel direct) ainsi qu'entre le dernier capteur et tous les autres (tir virtuel inverse) afin d'estimer la fonction de Green du milieu (Derode et al., 2003). Les résultats d'interférométrie contiennent une partie temporelle positive dite causale et négative dite anticausale. Ainsi, pour un sens de propagation direct, la partie causale est conservée pour le tir virtuel direct et la partie anticausale pour le tir virtuel inverse, et inversement pour un sens de propagation inverse. Enfin, les tirs virtuels directs et inverses de chaque segment sont coupés à une durée de 2 s et sommés dans le domaine temporel avec une pondération de phase (Schimmel & Paulssen, 1997). Le résultat est un tir virtuel unique montrant la propagation des ondes de surface le long du dispositif avec une source virtuelle au niveau du premier capteur (voir **Figure 2**). Une image de dispersion est extraite de ce tir virtuel en
utilisant une opération dite de sommation oblique du champ d'ondes (McMechan et Yedlin, 1981). D'autre part, une image de dispersion est extraite de chacun des deux tirs sismiques actifs. Ces deux images sont sommées dans le domaine fréquence-V<sub>R</sub>. Qu'il s'agisse des enregistrements passifs ou des tirs actifs, les maximas du champ d'ondes correspondant aux courbes de dispersion, sont pointés en utilisant un outil semi-automatique.

<figure><img src="image_118.png" /><figcaption>Fig. 2 – Tir virtuel final coupé à 0.25 s pour le profil 1 construit à partir de 6 enregistrements de 130 s.</figcaption></figure>

## RESULTATS

Les **Figures 3A** et **B** montrent les images de dispersion pointées extraites avec les méthodes passive et active pour le profil 1 (voir **Figure 1**). La qualité de l'image de dispersion passive permet la reconnaissance de nombreux modes de propagation : le mode fondamental, ainsi que 3 modes supérieurs pour la sismique active et jusqu'à 5 modes supérieurs pour la sismique passive. La comparaison entre passif et actif montre une superposition des modes de propagation (voir **Figure 3C**). La méthode passive semble cependant donner plus d'informations pour les basses fréquences de chaque mode et avec plus de continuité.

<figure><img src="image_119.png" /><figcaption>Fig. 3 – Images de dispersion obtenues par (A) sismique passive et (B) sismique active sur le profil 1. (C) Superposition des courbes de dispersion passives (vert) et actives (rouge) pour les 3 premiers modes de propagation du profil 1. La dispersion passive a été obtenue à partir de 6 enregistrements de 130 s. Les barres d'erreur sont calculées selon O'Neill (2003) pour les données actives.</figcaption></figure>