# Contribution of geophysical imagery to the identification of aquifers in mountain areas: “Case of perched aquifers of Koyampleu in Danané”

## Apport de l'imagerie géophysique à l'identification des aquifères en zone de montagne : « cas des aquifères perchés de Koyampleu à Danané »

Moussa OUEDRAOGO<fnref n="1" />, Ismaël SYLLA<fnref n="1" />,*, Zié OUATTARA<fnref n="1" />, Abou Junior DIABY<fnref n="1" />, Soungari Jean Paul YEO<fnref n="1" />, and Bamory KAMAGATE<fnref n="2" />

**Abstract.** A hydrogeophysical survey was carried out near Koyampleu, a village in the Tonkpi region, particularly in the Danané département, known for its very rugged terrain. Eleven (11) profiles were investigated. The ERT geophysical imaging method using dipole-dipole device was used to locate and identify the aquifers. The parameter measured for data acquisition is the apparent resistivity of the environment, which is used to assess the capacity of the ground to withstand the passage of an electric current. Data processing using IP Post-process software identified perched and unconfined aquifers. The geology of the area is characterised by magmatic and metamorphic rocks such as biotite granodiorite and enderbites.

**Résumé.** A proximité de Koyampleu, village situé dans la région du Tonkpi particulièrement dans le département de Danané et connue par son relief très accidenté a eu lieu une étude hydrogéophysique. Onze (11) layons ont fait objet d'investigation. La méthode d'imagerie géophysique TRE à travers les dispositif dipôle-dipôle a permis de localiser et identifier les aquifères en présence. Le paramètre mesuré pour l'acquisition des données est la résistivité apparente du milieu qui permet de juger de capacité des terrains à résister au passage du courant électrique. Le traitement des données avec le logiciel IP Post-process a permis d'identifier des aquifères perchés et libres en présence. La géologie de cette zone est marquée par des roches magmatiques et métamorphiques telles que la granodiorite à biotite et les enderbites.

<footnote n="1">¹ Université Polytechnique de Man, Man, Côte d'Ivoire</footnote>

<footnote n="2">² Université Nangui Abrogoua, Abidjan, Côte d'Ivoire</footnote>

<footnote>*Corresponding author : ismael.sylla@univ-man.edu.ci</footnote>
# 1 Introduction

Dans le monde, l'eau est un élément indispensable aussi bien pour l'alimentation humaine que pour la production végétale et animale [2]. En Côte d'Ivoire, l'accès à l'eau potable est un défi majeur malgré qu'elle dispose de meilleures potentialités en eau de surface. Ces eaux (les cours d'eaux) sont de plus en plus susceptibles d'être polluées et nécessitent un traitement onéreux et sont très sensibles au changement climatique. En outre, elles pourraient desservir les futures mines et les villages à proximité, pour des fins de consommation en eau potable. Ainsi l'eau souterraine devient la source d'eau à privilégier du fait de sa disponibilité presque partout dans le sous-sol (aquifère). Elle est en général protégée de la pollution et moins sensible au changement climatique et constitue une ressource considérable. L'aquifère, est la structure (ou matériau) géologique perméable contenant de l'eau souterraine remplissant entièrement les interstices. Il est caractérisé par sa géométrie, sa superficie, sa profondeur et par les propriétés des couches qui le forment (lithologie, porosité, perméabilité, fracturation, homogénéité) [15]. Selon [18], en Côte d'Ivoire la détermination d'un aquifère en zone de socle est très délicate à cause de l'hétérogénéité et la complexité du milieu souterrain. L'exploitation durable de ce type d'aquifère dépend de la connaissance de leurs différentes caractéristiques et leur fonctionnement hydrodynamique. En milieu de socle comme c'est le cas de la zone d'étude, les ressources en eau souterraine constituent la seule source en eau potable durable destinée à la consommation de certaines populations. L'accès à cette eau souterraine potable est conditionné par la réalisation d'ouvrages hydrauliques (forages en général) de bonne qualité, capables de durer dans le temps. Cependant l'exploitation de l'eau souterraine se heurte à certaines difficultés qui, en général, selon la géologie, sont : l'accessibilité difficile ; la faiblesse et la précarité des débits souvent insuffisants pour développer un réseau de distribution d'eau ou une agriculture intensive.

Dans les zones dites « de socle » tel est le cas de Koyampleu (Danané) à l'Ouest de la Côte d'Ivoire, où la géologie est constituée de roches cristallines et cristallophylliennes, la difficulté à capter l'eau souterraine est accentuée à cause du caractère discontinu des aquifères de ce type de géologie. Pour des besoins en eau sur le site, la réalisation de forages est indispensable. Ainsi le caractère discontinu des aquifères en zone de socle qui ne garantit pas la réussite d'un forage aléatoire, nécessite une étude d'implantation de forage afin de faciliter l'adduction en eau potable de le département de Danané. Plusieurs méthodes permettent de caractériser un aquifère, parmi les différents outils envisageables, les méthodes géophysiques non-intrusives présentent un certain intérêt [8, 10]. Ces méthodes permettent d'obtenir des informations du souterrain à travers des mesures en surface. Certaines de ces méthodes sont fréquemment employées pour les études hydrogéologiques, comme par exemple les méthodes électriques et électromagnétiques [7], la méthode électrique est la plus utilisée pour l'implantation des forages d'eau [1]. Ces méthodes permettent d'estimer la quantité d'eau dans le sous-sol et les paramètres hydrodynamiques du milieu. C'est dans cette optique que la méthode d'imagerie de tomographie de résistivité électrique permettra de caractériser les aquifères de Koyampleu. Cette étude a pour objectif général de localiser et d'identifier les aquifères (profondeur, épaisseur, type) en vue d'une implantation de forage d'eau potable dans le village de Koyampleu. De façon spécifique, il s'agira de :

* Etudier la variation latérale et verticale de la résistivité électrique des formations sous-jacentes à partir d'imagerie géophysique ;

* Identifier les zones les plus favorables à l'accumulation d'eau souterraine en vue d'une exploitation ;

* Comprendre les caractéristiques des aquifères souterrains afin de garantir une exploitation efficace durable de l'eau potable.

# 2 Localisation de la zone d'étude

Le département de Danané se localise à l'Ouest de la Côte d'Ivoire entre les latitudes 7°15' et 7°17'Nord et les longitudes 8°09' et 8°11' (Figure 1). Ayant une superficie d'environ 100 ha (Figure 2), la zone d'étude est située à proximité du village de Koyampleu dans le même
département. Il appartient à la région du Tonkpi avec pour chef-lieu la ville de Man. Cette
zone occupe une superficie de 789 km² soit moins de 1% de la superficie de la Côte d'Ivoire.
La région Ouest bénéficie d'un climat tropical humide de type montagnard avec une seule
saison de pluie et de fortes hauteurs pluviométriques annuelles qui varient de 1095 à
1900 mm. On y distingue une saison sèche d'une durée de 4 mois, allant de Novembre à
Février et une saison de pluie allant de Mars à Octobre. Au niveau de la végétation, le
département de Danané possède une végétation très abondante. Cette végétation qui conserve
son caractère forêt sempervirente, est menacée du fait de son exploitation abusive par les
forestiers. Il faut ajouter à cela, les méfaits de l'agriculture. Cette région est caractérisée par
des reliefs forts accidentés d'un point de vue morphologique, laissant apparaître des collines
granitiques, des vallées et de nombreux bas-fonds.

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>Fig. 1. Localisation du département de Danané.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig. 2. Aperçu de la zone d'étude.</figcaption></figure>

2.1 Géologie de la zone d'étude

Le substratum de la Côte d'Ivoire se situe sur le craton ouest africain précisément sur la dorsale de Man [3]. La partie méridionale du craton Ouest africain comprend le bassin voltaïque, les dorsales de Man et de Léo ainsi que les fenêtres de Kayes et Kéniéba [3]. La
dorsale de Réguibat fait partir également du craton ouest africain, les dorsales de Réguibat et de Man présentent des similitudes au niveau de la nature des formations géologiques et des âges de ces formations [9]. La dorsale de Man est constituée de deux domaines dont le domaine Archéen Kenema-Man et le domaine paléoprotérozoïque (Baoulé-Mossi) séparés tous les deux par la faille de Sassandra.

Notre zone d'étude est située dans la partie du noyau Archéen de la Côte d'Ivoire. 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 ou la dorsale de Man léo en particulier. Au plan lithologique, le site présente des roches cristallines à faible altération (granodiorite à biotite et les Enderbites) (Figure 3) et repose sur du matériel précambrien du vieux socle granitogneissique ; d'un ensemble lithologique et structural 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.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Fig. 3. Carte géologique de la zone d'étude.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Fig. 4. Aperçu de quelques formations rencontrées dans notre zone d'étude.</figcaption></figure>

## 2.2 Géomorphologie de la zone d'étude

Comme tout l'Ouest de la Côte d'Ivoire, cette région présente un relief très accidenté qui est la caractéristique de l'Ouest ivoirien, avec des altitudes dépassant parfois 1000 m (Figure 5). Situé entre les bas-fonds et les vallées, le relief très accidenté du site n'a pas facilité
l'acquisition des données sur le terrain (Figure 6). L'accès au site en véhicule est très difficile du point de vue de son relief, ce qui compliquait les acquisitions de données.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Fig. 5. Aperçu de la végétation à Koyampleu.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Fig. 6. Coupe géomorphologique de la zone d'étude.</figcaption></figure>

## 2.3 Hydrogéologie de la zone d'étude

L'ensemble du réseau hydrographique est orienté Nord-Sud. Les cours d'eau se rattachent au bassin du fleuve Cavally au Centre, du Nuon à l'Ouest et du N'zo (affluent du Sassandra) à l'Est. On rencontre en zone de socle telle que dans la localité de Danané, selon le type de gisement des eaux souterraines les aquifères d'altérites et les réservoirs de fissures [17]. Mais les aquifères de la région de Danané sont en général très transmissifs comparativement aux autres régions de la Côte d'Ivoire. Deux types d'aquifères sont présents à l'ouest de la Côte d'Ivoire, dont les aquifères des altérites et ceux de facture ou fissure.

### 2.3.1 Aquifères des altérites

Ce type d'aquifères est principalement capté par des ouvrages à grand diamètre (puits modernes ou paysans) ne nécessitant pas de grande profondeur de forage. Ces altérites
proviennent de l'altération de roches mères sous l'effet de phénomènes météoriques (pluies, vents...), biologiques (végétation...) et tectoniques. Leur puissance est fonction du type de roche constituant le substratum et des conditions climatiques. Les aquifères d'altérites ont une fonction capacitive. La zone saturée de ces réservoirs est variable et fonction des saisons, des zones climatiques, de la lithologie et de la topographie. Depuis les années 1980, les différents programmes d'hydraulique ne captent plus ces niveaux d'altérites du fait qu'ils subissent fortement l'influence des variations climatiques (assèchement) et de l'infiltration des eaux de surface.

### 2.3.2 Aquifères de fracture ou fissure

Les formations géologiques sont généralement découpées par des réseaux de fractures issues d'événements tectoniques. Cette fracturation peut s'étendre sur de très grandes surfaces au niveau desquelles les fractures s'organisent en réseaux. Toutes les fractures ne sont pas hydrauliquement actives et n'ont donc pas le même intérêt hydrogéologique [17, 12]. Ces fractures sont profondes (suivant la topographie et l'épaisseur d'altération) et sub-verticales (Figure 7). Elles sont donc, le plus souvent, le siège de circulation d'eaux souterraines. Les réservoirs de fractures ont une fonction conductrice au contraire des réservoirs d'altérites qui présentent une fonction capacitive. Ces fractures situées sous les altérations ne sont décelables que grâce à l'utilisation des méthodes de géophysique, de photo-interprétation et de télédétection [12].

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Fig. 7. Profil d'altération typique développé au sein de roches de socle [11].</figcaption></figure>

# 3 Méthodologie d'étude

## 3.1 Méthode de Tomographie de résistivité électrique (TRE)

Le mot tomographie qui signifie « imager les tranches d'un objet » a pour d'imager les propriétés d'un milieu à partir de séries de mesures effectuées autour et à l'intérieur de celui-ci [5]. La tomographie de résistivité électrique (TRE) encore appelée « panneau électrique » ou « imagerie de résistivité électrique (IRE) » ou « Electrical Resistivity Tomography (ERT) » permet de faire des mesures de résistivité du sol selon un plan vertical (2D) ou dans un volume de sol (3D). Elle est apparue au début des années 1990.

Dans le cas de l'imagerie 2D, on suppose que la résistivité ne change pas dans la direction perpendiculaire au profil. Théoriquement, une étude 3D est plus précise car les différentes dimensions de l'espace d'investigation sont prises en compte. Cependant, elle nécessite un temps d'acquisition nettement plus important, un coût de matériel plus élevé et une
interprétation des données plus complexe [13]. De ce fait, l'imagerie 2D semble être un bon compromis entre l'obtention de données fiables tout en maintenant un coût d'acquisition et de traitement raisonnable [13]. La mise en œuvre de la TRE consiste à implanter dans le sol un nombre important d'électrodes espacées d'un écartement constant « a » et raccordées par câble multiconducteur à un résistivimètre. Les électrodes jouent successivement le rôle d'électrodes d'injection de courant et de mesure de différence de potentiel sur toute la longueur du dispositif. L'écartement croissant entre électrodes permet d'augmenter la profondeur d'investigation. Cependant, elle entraîne une baisse de la résolution. Les mesures sont automatisées à l'aide de séquence de mesures (succession de mesures commandée par un microprocesseur). Les valeurs de résistivités apparentes pa obtenues pour chacun des quadripôles de mesure sont reportées dans un plan vertical appelé pseudo-section ou pseudo-coupe de résistivité apparente (Figure 8)

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Fig. 8.** Schéma d'acquisition d'un panneau électrique et d'une pseudo-coupe. Cas d'un dispositif dipôle-dipôle [4].</figcaption></figure>

La profondeur d'investigation s'exprime pour un milieu homogène comme la profondeur à laquelle la densité de courant passant par une couche fine horizontale du sol est maximale et a une influence dominante sur la mesure de surface [16]. Cette profondeur varie en fonction de l'écartement entre des électrodes (dipôles de courant et de potentiel) (Figure 8) et de la conductivité du milieu investigué. En effet, un milieu conducteur dans le proche sous-sol concentrera les lignes de courant dans ses régions conductrices ce qui réduira la profondeur d'investigation. Par ailleurs, il est important de noter que le gain en profondeur d'investigation peut entraîner une perte de résolution.

## 3.2 Application de la méthode TRE sur site

Tel que énoncée précédemment, la méthode de TRE a été mise en œuvre sur le site à partir d'un transmetteur TxIII et d'un récepteur GRx8-32 associé à son PDA. Cette ensemble d'équipement de GDD instruments a permis d'acquérir avec le dispositif dipôle-dipôle les données, de les traiter afin de mieux les interpréter. La profondeur d'investigation est de 110 m sur tous les layons investigués pour une longue de ligne de 1,1 km. Onze (11) layons sur vingt et un (21) pour cette phase ont servi pour les mesures avec un pas de mesure de 20 m et une distance inter-layon de 100 m (Figure 9). Le traitement des données à partir du logiciel IP Post-process a permis d'obtenir des pseudo-sections de résistivité apparente auxquelles sont superposées le profil géomorphologique de chaque ligne de mesure. 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 [14, 6].
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Fig. 9. Grille de layonnage de la zone d'étude.</figcaption></figure>

# 4 Caractérisation des aquifères

Les résultats du levé géophysique présentent les données de résistivité mesurées sous forme de coupe appelée pseudo-section de résistivité apparente du sous-sol. L'analyse des pseudo-sections de résistivité permet de caractériser les structures géologiques et de leur influence remarquable de la géomorphologie (zones d'aquifère, milieux poreux et imperméable). Les pseudo-sections sur lesquelles porte cette étude, sont celles des layons 14, 16 et 18. La direction N0° est la même sur tous les layons avec une profondeur d'investigation de 110 m.

Pour ce profil (Figure 10), comme tous les autres d'ailleurs, la section obtenue se caractérise par des zones de faible (couleur bleue) et de forte résistivité (couleur vive). Deux zones de forte résistivité apparaissent sur le profil, dont l'un en début et l'autre en fin du layon en allant de la gauche vers la droite sont identique avec une forte résistivité selon la légende. La première zone résistante est celle qui part de 200 à 460 m. elle s'observe sur les 50 premiers mètres de profondeur. La seconde plonge depuis les 50 m de profondeur jusqu'à la profondeur maximale de la pseudo-section sur une longueur d'environ 220 m. En plus de ces deux zones de forte résistivité, une zone très remarquable de forte conductivité (faible résistivité) se présente au cœur de la pseudo-section. Cette information se localise entre les distances 560 m et 720 m et les profondeurs 30 et 100 m. Toutefois, quelques informations sur la pseudo-section sont à signifier bien qu'elles ne soient importantes pour cette étude.

Du point de vue analytique, la zone de faible résistivité (Figure 10) de profondeur allant jusqu'au 40 m, pourrait correspondre à une formation conductrice qui s'étend à partir des premiers mètres de la profondeur qui sont parfois soumis à une altération. Cette formation conductrice constituerait un aquifère de surface contenant une nappe libre. Cela se justifie par l'existence de plusieurs puits superficiels dans différents villages à proximité du site. La zone de faible résistivité située au cœur du profil (Figure 10) est assimilable à un aquifère piégé du fait de sa position entre la surface et la profondeur. Cet aquifère serait probablement un aquifère perché situé dans une zone de transition dont la qualité de l'eau serait remise en cause. Une zone d'infiltration (zone de recharge) probable au point 650 m pourrait être considérée par rapport à la topographie de ce profil (Figure 10).
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Fig. 10. Pseudo-section de résistivité apparente 1 (L14).</figcaption></figure>

Le second profil (Figure 11), sensiblement identique au précédent sauf que celui-ci présente aux extrémités, un faciès très résistant. Entre ces deux formations résistives se trouve un faciès conducteur entre les distances 580 m et 800 m.

La faible valeur de résistivité de cette zone conductrice (Figure 11) justifierait la présence d'une nappe. Cette nappe serait phréatique du fait de sa proximité avec l'altération. Par conséquent, la probabilité que cet aquifère soit un aquifère libre est considérable. La topographie de ce profil présent également une zone de recharge à environ 600 m le long du profil.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Fig. 11. Pseudo-section de résistivité apparente 2 (L16).</figcaption></figure>
Le dernier profil (Figure 12) présente des faciès de faible à forte valeur de résistivité du début jusqu'à la fin du layon. A savoir le premier faciès qui part de 10 à 560 m est marqué de façon générale par des valeurs plus ou moins élevées de résistivité apparente de la profondeur vers la surface. Le second faciès qui débute de 590m à 640m présente une zone de faible valeur de résistivité apparente depuis les premiers mètres jusqu'à environ 70 m de profondeur, et enfin entre les distances 800 m et 1000 m une formation très résistives marque les horizons entre 40 m et la profondeur maximale investiguée.

Pour ce dernier profil (Figure 12), il est encore question d'une nappe libre au regard du toit qui serait presqu'à la surface. La très faible résistivité de cette zone, s'adjugerait par le fait que cette nappe serait contenue par une eau de mauvaise qualité quant à la consommation. Par contre, la formation de très forte résistivité bien qu'elle ne soit pas d'un intérêt dans le cadre de cette étude, est susceptible d'être un dôme qui sub-affleure.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Fig. 12. Pseudo-section de résistivité apparente 3 (L18).</figcaption></figure>

## 5 Conclusion

Dans le cadre de cette étude, qui avait pour objectif de localiser et identifier les aquifères, il a été objet d'imager le sous-sol de sorte à atteindre l'objectif. Différents aquifères ont été observés tels que : les aquifères perchés et les aquifères libre (sub-surface). Ces aquifères ont une orientation généralement verticale et une morphologie variée à l'instar de celui du second profil (Figure 11) qui a une orientation oblique.

Les résultats obtenus lors de cette étude permettent de faire les perspectives suivantes :

* la superposition des pseudo-sections de résistivité électrique et topographique a révélé une cohérence importante entre les structures topographiques correspondant aux rangs des arbres et les anomalies résistantes étendues ;

* les résultats du traitement numérique montrent que les valeurs de la résistivité électrique peuvent être influencées par une structure topographique.

L'analyse des résultats obtenus dans le cadre de cette étude montre l'efficacité des paramètres géophysiques pour caractériser les aquifères en présences.

## Références

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