UNIVERSITE DE NEUCHATEL CENTRE D'HYDROGEOLOGIE DE L'INSTITUT DE GEOLOGIE APPORT DE LA CARTOGRAPHIE RADIOMAGNETOTELLURIQUE A LHYDROGEOLOGIE DES MILIEUX FRACTURES THESE présentée à la Faculté des Sciences de l'Université de Neuchâtel pour l'obtention du grade de Docteur es Sciences. par Pascal TURBERG Hydrogéologue Soutenue le 18 octobre 1993 devant le jury d'examen composé de: Prof F. Zwahlen Directeur de thèse. Professeur d'hydrogéologie. Directeur du Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel. Prof. 1. Müller Professeur d'hydrogéologie opérationnelle. Centre d'Hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel. Prof. G. Fischer Professeur de physique du globe. Institut de Géologie de l'Université de Neuchâtel. Prof. L. Kiraly Professeur d'hydrogéologie quantitative. Centre d'hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel. Prof. M. Burkhard Professeur de géologie structurale. Directeur de l'Institut de Géologie de l'Université de Neuchâtel. Prof. D.S. Parasnis Professor of applied geophysics. University of Lulea, Sweden. IMPRIMATUR POUR LA THESE i^PPPXt...de..la....cartpgraphie...rsdÌQn)agnétQtellu-.. r.lg.ue...çi....l..,.hy(ii:Qg.éQlQgie,..des...milieux..,fracturés de Mmsieur...Pascal. -Turber-g UNIVERSITÉ DE NEUCHÂTEL FACULTÉ DES SCIENCES La Faculté des sciences de l'Université de Neuchâtei sur le rapport des membres du jury, Messieurs F._..Zwah;Len.,....I.....Müller.,....k.,...Kira.ly.,....... M^B^khard,...^...................... ÇLulea)................................................................................................................... autorise l'impression de la présente thèse. Neuchâtei, le.....4...o.c.tohre...iS94....................................................... RESUME Une nouvelle méthode de cartographie électromagnétique a été développée en fonction des contraintes de "résolution cl de temps" imposées par les études hydrogéologiques. Celte méthode est testée sur différents sites expérimentaux à porosité de fractures. Les principes géophysiques de cette méthode radiomagnétotellurique (RMT) dans le cas de structures uni- ou bidimensionnelles sont rappelés, et le développement instrumental expliqué. La sensibilité de cette méthode aux variations structurales du milieu fracturé, la fiabilité des mesures, la méthodologie de cartographie, et le traitement des données sont discutés en fonction de l'échelle de la cartographie. Lx radiomagnétolcllurisme, par sa simplicité, sa sensibilité et son efficacité, est une méthode aisément applicable à la cartographie des structures géologiques de subsurface. Cette méthode permet la localisation rapide d'éléments structuraux majeurs, mais également la cartographie précise de structures géologiques locales. Lc RMT fournit donc une possibilité de cartographie extensive mais localisée et, de fait, convient particulièrement à l'étude des milieux a forte hétérogénéité locale. Comme toute autre méthode indirecte, la méthode radiomagnétotellurique est cependant Iimitée par divers facteurs. La magnitude des contrastes de la résistivité électrique de subsurface, la présence de fortes perturbations électromagnétiques, et celle d'une forte épaisseur de matériel conducteur de couverture sont les limitations les plus déterminantes; elles doivent être prises en compte lors de toute application. Dans le cas fréquent d'une forte épaisseur de matériel conducteur de couverture, la possibilité d'utiliser un autre type de méthode électromagnétique (méthode EM-BlPOLE) est envisagée. L'intérêt général d'appliquer le RMT à l'hydrogéologie est méthodologique. Le RMT permet de vérifier un modèle géologique initial (basé sur une cartographie géologique préalable ou sur l'observation à dislance de linéaments), puis de fournir les arguments permettant d'implanter, avec plus de précision, toute infrastructure d'observation hydrogéologique. Pour les milieux fracturés étudiés, ce rôle méthodologique fut difficile à démontrer rigoureusement in situ, du fait de la forte hétérogénéité locale observée sur ces milieux et de la spécificité structurale de chaque site. Dans cette étude, la contribution du RMT est cependant mise en évidence par le fait (a) que le modèle géologique initial esl toujours modifié (parfois fortement) par la cartographie radiomagnétotellurique, (b) que les résultais RMT sont cohérents avec les observations de forage et, (c) surtout, par le fait que les tests hydrauliques, menés à titre de vérifications hydrogéophysiques, montrent des corrélations complexes mais utilisables entre le champ radiomagnétotellurique et le champ des perméabilités. * * * ABSTRACT A new electromagnetic mapping method has been developed according to the "resolution and time" requirements of hydrogeological studies, and tested on experimental sites in fractured environments, The geophysical principles of this radiomagnetotelluric (RMT) method for one- and two- dimensionnal structures are rcwicved; and the instrumental development is explained. The sensitivity of this method lo structural changes in fractured rocks, the reliability of measurements, the field methodology, and the processing of results, arc discussed according to the scale of the survey. The RMT method, because of its simplicity, sensitivity and efficiency is seen as a versatile tool in mapping subsurface geological structures. H makes rapid surveys to delect major structural features possible, as well as detailed works leading to a fine determination of local geological structures. RMT may be considered as a geophysical method for extensive areal surveys (but) with localised measurements and, as such, is particularly suitable when applied lo locally heterogenous environments. Like other indirect methods, RMT is limited by a variety of factors. The magnitude of the contrasts of electrical resistivity of the subsurface, the presence of high industrial electromagnetic noises, and the presence of any thick conductive overburden arc the most important limitations and should be taken into account in any field study. In the case of a thick conductive overburden, the possibility of using another type of electromagnetic equipment (EM-BIPOLE method) is also considered. The general interest in applying RMT to Hydrogcology is methodological; the RMT tests an initial geological model (based on prior geological mapping of the surface or, linear structures observed on aerial pictures), then provides the arguments lo site, with more accuracy, an hydrogeological infrastructure of observation. In lhc fractured environments studied, this role was basically difficult to demonstrate rigourously on the field due lo the high local heterogeneity and, the structural specificity of each site. Its contribution is, however, demonstrated by the fact that (a) the initial geological model is always modified (and sometimes drastically) by the radiomagnetotelluric mapping, (b) the RMT resulls are coherent with boreholes observations and, (c) moreover, by the fact lhat hydraulic tests conducted as hydrogcophysical verifications show complex but usable correlations between the radiomagnelotellurie field and the field of permeabilities. * * * REMERCIEMENTS Je tiens tout d'abord à remercier Monsieur le Prof. F. Zwahlen, qui a soutenu et dirigé cette recherche et m'a offert, à maintes reprises, la possibilité d'en élargir le cadre scientifique. Jc remercie Ic Laboratoire d'Hydrogéologie de TUSTL, le BRGM du Languedoc-Roussillon, le Département de Géologie Appliquée de l'Université de Karlsruhe, l'Organisation CEBEMO et l'entreprise Mali Aquaviva de m'avoir ouvert les portes de leurs sites expérimentaux. Jc remercie tout particulièrement les personnes qui m'ont transmis leur connaissance de ces terrains et l'ensemble des données qu'ils y avaient acquises: Vincent Durand, Marc Eulry, Gilbcr Bielcr, Siraba Diarra et Thomas Himmelsbach. Jc remercie aussi l'Office des Ponts et Chaussées du Jura, le bureau MFR-Geologie-Géotechnique SA, le Spéléo-Club du Jura, l'Action Européenne COST_65 pour avoir largement contribué à l'établissement du site expérimental de Bure. A cette occasion, j'ai eu le plaisir de bénéficier de la généreuse cl enviable collaboration de Pierre-Yves Jeannin, Romain Christe, Pierre Meury, François Flury, Pierre-Alain Grétillat, Patrick Pantillon, Alain Hohl, Joël Pape et Joseph Nappez. Jc souhaite également remercier Tibor Steiner, B.V. Le Quang et Laurent Tacher pour les programmes qu'ils ont mis à ma disposition, M. Le prof. Fischer pour la relecture de mon manuscrit cl pour les corrections constrictives qu'il y a apportées, el M. le prof. L. Kiraly pour la pertinence de ses conseils. Toute ma reconnaissance va à Jacques Duppcrex pour la réalisation de l'instrumentation géophysique cl à François Bourrct pour les innombrables services électroniques qu'il m'a rendus. Deux remerciements me tiennent particulièrement à coeur: l'un s'adresse à M. Ic prof. Imre Müller dont l'intuition, l'expérience et l'enthousiasme en matière de recherche appliquée n'ont eu d'égal que la complicité permanente qu'il m'a témoignée; le second, à Annemarie Christen pour son aide précieuse lors de la réalisation des mesures de terrain et sa compréhension durant ces quatre années d'études. Enfin, j'exprime ma profonde reconnaissance à mes parents, aux parents d'Annemarie, aux amis et collègues du CHYN pour leur soutien et les mémorables moments passés en leur compagnie. * * * Cette étude a été financée par le Fond National Suisse pour la Recherche Scicnlifiquc, subsides N°21- 25590.88 et 20-30303.90, projet "GEOHSS" TABLE DES MATIERES INTRODUCTION.............................................................................1 MOTIVATIONS.....................................................................................................2 ETAT DK LA RBCHERCHE.....................................................................................2 PLAN DE RECHERCHE..........................................................................................3 PRESENTATION....................................................................................................4 1. PRINCIPES ET METHODES...........................................................5 1.1. LE SYSTÈME VERY LOW EREQUENCY (VLF)..............................................5 1.1.1. Emission.................................................................................................5 1.1.2. Transmission...........................................................................................6 1.13. Paramètres mesurés...................................................................................7 1.1.4. Profondeur de pénétration et d'investigation....................................................8 1.1.5. Modes d'utilisation du VLF.........................................................................9 1.2. LE SYSTEME RMT.......................................................................................10 1.2.1. Emission.................................................................................................10 1.2.2. Transmission...........................................................................................10 1.2.3. Paramètres mesurés...................................................................................10 1.2.4. Profondeur de pénétration............................................................................10 1.2.5. Modes d'utilisation du RMT........................................................................11 1.3. LE SYSTÈME EMB.......................................................................................12 1.3.1. Emission.................................................................................................12 1.3.2. Transmission...........................................................................................12 1.3.3. Paramètres mesurés...................................................................................13 1.3.4. Modes d'utilisation de TEMB.......................................................................14 1.4. NOTATIONS PHYSIQUES UTILISÉES............................................................16 2. SITES D'ETUDE..........................................................................17 INTRODUCTION....................................................................................................17 2. 1. SITE 1 - PLATEAU DE BURE - SITE DU MAIRA.................................20 2.1.1. Géologie et fracturation..............................................................................20 2.1.2. Hydrogéologie et karstologic.......................................................................21 2.1.3. Base de données EM..................................................................................22 2.1.3.1. Mesures pluridirectionnelles..............................................................22 2.1.3.2. Profils bidirectionnels......................................................................22 X Table des matières 2.1.3.3. Profils RMT-R unidirectionnels........................................................22 2.1.3.4. Sondages de fréquence......................................................................23 2.1.3.5. Profils VLF-EM unidirectionnels.......................................................23 2.1.3.6. Profils VLF-EM bidirectionnels........................................................23 2.2. SITE 2 - CAUSSE DE L'HORTUS - SITE DU LAMALOU.....................23 Causse de l'Hortus..............................................................................................23 2.2.1. Géologie et fracturation..............................................................................24 2.2.2. Hydrogéologie et karsti fi cation du causse.......................................................25 SilcduLamalou................................................................................................25 2.2.3. Geologie et Fracturation.............................................................................25 2.2.4. Base de données geophysiques......................................................................27 2.3. SITE 3 - GRANITE DE L1ALBTAL - SITE DE LINDAU........................27 2.3.1. Géologie et fracturation du massif................................................................28 2.3.2. Géologie et hydrogéologie du site.................................................................28 2.3.3. Base de données géophysiques......................................................................29 2.3.3.1. Mesures RMT-R pluridireelionnelles..................................................29 2.3.3.2. Mesures EMB................................................................................29 2.4. SITE 4 - GRÈS DE KOUTIALA BAND. - SITE DE TOMINIAN..............30 2.4.1. Géologie et Fracturation des grès..................................................................30 2.4.2. Hydrogeologie..........................................................................................31 2.4.3. Base de données geophysiques......................................................................31 3. LA MESURE RMT.......................................................................32 3. 1. R EPRODUCTIBI LITE AVEC DISPOSITIF FIXE.............................................32 3.2. REPRODUCTIBILITÉ AVEC DISPOSITI!= MOBILE........................................33 3.3. SIGNIFICATION GÉOLOGIQUE DES MESURES EM.......................................35 3.4. LES PERTURBATIONS SUR LES MESURES RMT.........................................39 3.4.1. Effet de polarisation..................................................................................41 3.4.2. Influence de la position de l'émelleur.............................................................43 3.4.3. Effet de fréquence......................................................................................43 3.4.4. Effet lopographique...................................................................................46 3.5. RÉSUMÉ.......................................................................................................47 4. HETEROGENEITE........................................................................48 4.1. RMT ET HÉTÉROGÉNÉITÉ SEMI-RÉGIONALE..............................................48 4.2. RMT ET HÉTÉROGÉNÉITÉ LOCALE.............................................................52 4.2.1. Variabilité globale.....................................................................................52 4.2.2. La variabilité locale...................................................................................56 Table des matières X ì 4.2.3. La variabilité directionnelle locale cl l'anisotropie RMT...................................59 a) Bure secteur B07- cas d'une zone de faille.....................................................62 b) Bure secteur B18 - cas d'une zone de faille - mesures détaillées.........................63 c) Lindau secteurs Ll et L2..........................................................................68 d)Lamalou secteur Hl.................................................................................70 4.3. RÉSUMÉ.........................................................................................................70 5. MODELE GEOLOGIQUE................................................................7 3 5.1. BURE SECTEUR B17 - ÉTUDE D'UNE SITUATION'LOCALE..........................74 5.1.1. Observations directes sur B17......................................................................75 5.1.2. Observations indirectes sur B17...................................................................75 5.2. MODÈLE RMT ID.......................................................................................84 5.2.1. Evaluation semi-quanti tati ve.......................................................................84 5.2.1.1. Sondage FNl.................................................................................86 5.2.1.2. Sondage FN2.................................................................................86 5.2.1.3. Sondage NEB7..............................................................................-.87 5.2.2. Modélisation ID.......................................................................................87 5.2.2.1. Sondage FNl.................................................................................88 5.2.2.2. Sondage NEB7...............................................................................89 5.2.2.3. Sondage MIL4...............................................................................89 5.2.2.4. Sondage NEB9...............................................................................90 5.3. MODÈLE RMT 2D.......................................................................................92 5.3.1. Modèle géophysique..................................................................................92 5.3.2. Modèle géologique....................................................................................94 5.4. RÉSUMÉ.......................................................................................................96 6. HYDROGEOLOGIE.......................................................................98 6. 1. DÉTECTION DE ZONES KARSTIFIÉES..........................................................98 6.2. ETUDE HYDROGÉOLOGIQUE DU PROEIL 1..................................................100 6.2.1. Modèle hydrogéologique.............................................................................100 6.2.2. Hauteurs d'eau - forage - contexte géophysique................................................102 6.2.2.1. Forage FNl...................................................................................103 6.2.2.2. Forage FN2...................................................................................104 6.2.2.3. Forage MIL3.................................................................................104 6.2.2.4. Forage MIL2.................................................................................105 6.2.2.5. Forage MlLl.................................................................................106 6.2.2.6. Forage MIL9.................................................................................107 6.2.3. Essais de traçage sur Pl..............................................................................108 XII Table des matières 6.3. L'IMPLANTATION DE FORAGBS HYDROGÉOLOGIQUES...............................1 12 6.3.1. Implantation RMT en milieu karstique..........................................................112 6.3.1.1. Implantation du forage FNl..............................................................112 6.3.1.2. Implantation du forage MIL9............................................................113 6.3.2. Implantation par EMB sur le site de Tominian................................................114 6.4. RÉSUMÉ.......................................................................................................117 SYNTHESE....................................................................................118 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES...................................................127 ANNEXES ANNEXE 1 Théorie élémentaire concernant la méthode magnétotellurique et la méthode EMB (slingram). ANNEXE 2 Spécifications techniques des prototypes EM utilisés. ANNEXE 3 Situation et base de données du site de Bure. ANNEXE 4 Situation et base de données du site de l'Hortus. ANNEXE 5 Situation et base de données du site de Lindau. ANNEXE 6 Situation cl base de données du site de Tominian. ANNEXE 7 Levés des forages du secteur B17, site de Bure. ANNEXE 8 Critères d'implantation et levés des forages du secteur B19, profil N°l, site du Maira,. ANNEXE 9 Paramètres de modélisation 2D, site du Maira. ANNEXE 10 Données de traçage, site du Maira. * * * TABLE DES FIGURES ET TABLEAUX Fig. 1.1. Situation géographique de 15 émetteurs VLF avec indication de leur code, de leur fréquence (en kHz) et de leur puissance (MW). Tiré de Milsom. (1989).........................6 Fig. 1.2. Composantes EM d'une onde VLF incidente (i) et transmise dans un milieu conducteur (t).....................................................................................................7 Fig. 1.3. Epaisseur de peau (skin depth) calculée pour le domaine VLF de 12 à 25 kHz.................8 Fig. 1.4. Mode de mesure en VLF-R pluridireclionnel (ici tridireclionnel)..................................9 Fig. 1.5. Epaisseur de peau calculée pour le domaine RMT de 12 à 250 kHz...............................11 Fig. 1.6. Mode de mesure en RMT unidirectionnel...............................................................M Fig. 1.7. Mesure EMB en mode traîné (profilage), avec bobines coplanaires à axe vertical (horizontal loop EM). Tiré de Telford (1990)...........................................................15 Fig. 2.1. Carte hydrogéologique du bassin versant de la Milandrine. Extrait tiré de Grétillat 1992. Emplacement des secteurs géophysiques effectués sur cette zone. Le site experimental du Maira couvre approximativement les secteurs géophysiques N0 19, 15, 18 et 17......................................................................................................19 Tab. 2.1. Résultats des relevés de fissuration effectués en 17 points de la partie orientale du plateau de Bure. Tiré de Siméoni et Jamier (1975).....................................................21 Fig. 3.1. Mesures RMT-R effectuées au même point sans déplacement du dispositif....................33 Fig. 3.2. Mesures RMT-R effectuées au même point avec redéploiement du dispositif entre chaque série de mesure.........................................................................................33 Fig. 3.3. VLF-EM. Acquisition en continu de l'oulphase sur un profil parallèle à une zone de faille. Site calcaire de Vaumacon (Suisse, canton du Jura)...........................................34 Fig. 3.4. Distribution de fréquence des résistivités apparentes et des déphasages mesurés en VLF-R sur les sites à porosité d'interstices de Corno! (haut) et d'Hunzenschwil (bas)................................................................................................................36 Fig. 3.5. Distribution de fréquence des résistivités apparentes et de l'oulphase mesurés en EMB sur les formations gréseuses de Tominian. Distribution de fréquence des résistivités apparentes et des déphasages mesurés en VLF-R sur le granile de Lindau XIV Figures ei tableaux et sur les sites calcaires de Bure et de l'HorUis..........................................................38 Fig. 3.6. Comparaison entre les resistivités apparentes mesurées sur les sites de Bure (B), Hortus (H), Lindau (L), Tominian (T), Comol (C) et Hunzenschwil (HU) avec les resisti vi tés de différentes formations géologiques mesurées autour de stations radio (US-NBS, valeurs tirées de Keller et Frischknecht, 1979)...........................................40 Fig. 3.7. Corrélation entre les valeurs VLF-R (resistivité et phase) mesurées en direction Nord-Sud et en direction Est-Ouest. Site de Bure, transect N16, ensemble des stations de mesure..............................................................................................41 Fig. 3.8. Corrélation entre les valeurs VLF-R (résistivité et phase) mesurées en direction Nord-Sud et en direction Est-Ouest dans le cas d'un milieu marneux et d'un milieu calcaire adjacent. Site de Bure, transect N16, extrémité Nord du profil...........................42 Fig. 3.9. Evolution de la corrélation entre les valeurs VLF-R (résistivité el phase) mesurées en N110° (16.9 kHz) et les valeurs mesurées aux mêmes points en N115° (24 kHz), N130° (16 kHz), N075° (15.1 kHz) et N360° (12.1, 16.4 kHz). Site de Bure, secteurs pluridireclionnels...................................................................................44 Tab. 3.1. Variation de l'épaisseur de peau en fonction des fréquences vif el de quatre résistivilés représentant la plage de variation observée dans cette étude..........................45 Fig. 3.10. Corrélation entre les valeurs VLF-R (résistivité et phase) mesurées en Nl 10 (16.9 kHz) cl les valeurs mesurées en N360° à 12.1 kHz (A) el 16.4 kHz (B). Site de Bure, secteurs pluridireclionnels............................................................................45 Fig. 3.11. Corrélation enlre les valeurs VLF-R (résistivité cl phase) mesurées en N110° et la pente du terrain (tg a en direction Nl 10°) à la station de mesure. Site de Bure, secteurs B5.B6 et BIl........................................................................................46 Fig. 4.1. Distribution de fréquence des résistivités apparentes pour l'ensemble d'un profil VLF-R bidirectionnel (haut, droite) et pour différents tronçons de ce profil, subdivisés en fonction de leur lithostratigraphic (unités géologiques Sl à S5, cf. texte). Site de Bure, lranscctN16, mesures VLF-R...................................................50 Fig. 4.2. Distribution de fréquence des résistivités apparentes pour 6 secteurs VLF-R pluridirectionncls carrés de même aire (250m x 25Om). Site de Bure.............................51 Fig. 4.3. Distribution des valeurs VLF-R (résistivité et phase) en fonction de la direction de mesure. Site de Bure, transect N16, secteur 5, mesures en direction N-S (12.1,23.4 kHz) et E-W (16.8, 18.3 kHz)...............................................................................52 Figures et tableaux XV Fig. 4.4. Distribution des valeurs VLF-R (resisti vi té et phase) en fonction de ia direction de mesure. Site calcaire de l'Hortus, secteur Hl............................................................53 Fig. 4.5. Distribution des valeurs VLF-R (resisti vi té et phase) en fonction de la direction de mesure. Site granitique de Lindau, secteur Ll...........................................................55 Fig. 4.6. Distribution des valeurs VLF-R (resisti vi té et phase) en fonction de la direction de mesure. Site de Bure, secteurs B14, B15, B17 et B18................................................56 Fig. 4.7. Profils RMT-R B17-P1 et B17-P2 effectués en mode unidirectionnel multifréquences(4 fréquences, résistivité app. et phase). Direction des mesures en N135°. Site de Bure, secteur B17. Situation des profils à l'annexe A.3.4.......................58 Fig. 4.8. Semi-variogrammes de la résistivité (log rhoa) et de la phase à 19.0 kHz correspondant aux deux profils RMT-R de la figure 4.7. Site de Bure, secteur B17..........59 Fig. 4.9. Profil RMT-R B17-2 (résistivité et phase). Perte de l'information géophysique sur la structure avec l'augmentation de la distance entre les stations de mesures. Site de Bure, secteur B17...............................................................................................60 Fig. 4.10. Représentation dans le champ phi vs log rhoa des effets de polarisation calculés sur la structure théorique de type "filon conducteur" (Fischer et al. 1983) présentée à l'annexe A.1 (§ 1.3.3, figure A.1.5).......................................................................61 Fig. 4.11. Distribution des valeurs VLF-R pluridircctionnelles (5 directions) dans le champ phi vs log rhoa. Bure secteur B7 (situation cf.annexe A.3.1), totalité des mesures...........62 Fig. 4.12. Distribution des valeurs VLF-R pluridirectionnelles (5 directions) dans le champ phi vs log rhoa. Bure secteur B7, ligne y =4............................................................63 Fig. 4.13. Situation des mesures VLF-R pluridirectionnelles (cercles) du secteur B18 du site de Bure.............................................................................................................64 Fig. 4.14. Cartes directionnelles des stations VLF-R (mesures en NOOO0, N110° et N135°) du scctcurBlSdusitedeBure...................................................................................65 Fig. 4.15. Evolution des effets directionnels le long d'un profil VLF Iridirectionnel recoupant transversalement une zone de faille d'orientation Nord-Sud. Site de Bure, secteur B18, profil y = 24, stations x = 11 àx = 19 (situées à la figure 4.13)...........................67 Fig. 4.16. Cartes directionnelles des stations VLF (en N010°, N0950 et N145°) avec pour chaque station....................................................................................................68 Fig. 4.17. Cartes directionnelles des stations VLF (en N010°, N095° et N145°) avec direction X VI Figures et tableaux de la phase minimale (A), direction de la résislivilé maximale (B) et directions superposées de la phase minimale et de la resisti vite maximale (C). Site de Lindau, secteur L2.........................................................................................................69 Fig. 4.18. Cartes directionnelles des stations VLF pluridireclionnelîes (en N010°, N120° et N150°) avec direction de la phase minimale (A), direction de la resisti vi té maximale (B) et directions A et B superposées (C). Site de l'Hortus, secteur Hl...........................71 Fig. 5.1. Carte de situation des stations de mesures VLF-R pluridireclionnelîes en N3600, Nl 15°, N120°, N130* et N150° (cercles noircis), des profils RMT-R unidirectionnels (N* 1 etN°2) et des profils VLF-EM d'outphase (profils A à F). Indication des forages (NEB), du tracé du réseau karstique de Milandre et de la trace de la zone de faille Nord-Sud principale (en grisé). Site de Bure, secteur B17..................74 Fig. 5.2. Distribution des mesures VLF-R dans le champ phi vs log rhoa pour l'ensemble des observations (en bas à droite) el pour chacune des 5 directions de mesure (N360°,Nn5o,N120o,N130o et N150°). Site de Bure, secteur B17.............................76 Fig. 5.3. Cartes directionnelles des stations VLFpluridirectionnclles (N000°, Nl 15°, N120°, N130° et N150°) avec magnitude comparée de la phase pour ces 5 directions (en haut à gauche), magnitude comparée du log de la résislivité pour ces 5 directions (en haut à droite), direction normée de la phase minimale (en bas à gauche) et direction normec de la resisti vite maximale (en bas à droite). Site de Bure, secteur B17.................................................................................................................78 Fig. 5.4. Cartes VLF-R directionnelles (interpolées par kriging) du log de la résislivité apparente (à gauche) et du déphasage (adroite) pour les directions N010°à 12.1 kHz (en haut), N115° à 24.0 kHz (au centre) et N150° à 19.0 kHz (en bas). Site de Bure, secteur B17. Ci-dessus.........................................................................................81 Fig. 5.5. Comparaison entre les valeurs RMT du profil unidirectionnel B17-P2 (direction de la mesure en N1350) et les anisotropics VLF maximales mesurées aux stations pluridirectionnelles (en 5 directions) à proximité immédiate de ce profil (cf. fig. 5.1). Profil RMT de resistività apparente (A), profil VLF d'anisotropie maximale de résislivité (B), profil RMT de déphasage apparent (C) et profil VLF d'anisotropie maximale de déphasage (D). Indication du point le plus conducteur de la zone de faille principale (F). Site de Bure, secteur B17..........................................................83 Fig. 5.6 Courbes de sondages RMT (résislivité et phase, interpolation manuelle) effectués en 7 points reconnus par forage, site de Bure, Maira (situation de ces points à l'annexe A.3.4).................................................................................................85 Figures et tableaux X VII Fig. 5.7. Modélisation ID du sondage RMT au point FNi, site du Maira, secteur B18.................88 Fig. 5.8. Modélisation ID du sondage RMT au point NEB7, site du Maira, secteur B18...............89 Fig. 5.9. Modélisation ID du sondage RMT au point MIL4, site du Maira, secteur B18...............90 Fig. 5.10. Modélisation ID du sondage RMT au point NEB9, site du Maira, secteur B18...............91 Fig. 5.11. Modélisation 2D du profil 1, site de Bure, Maira, calé sur les valeurs de phase assumées en polE...............................................................................................93 Fig. 5.12. Modèle géophysique 2D synthétique du profil 1 regroupant les informations des trois modèles géophysiques calculés à 36,60 et 198 kHz (cf. annexe 9). Bure, site du Maira...........................................................................................................95 Fig. 5.13. Modèle géologique 2D interprété à partir du modèle géophysique synthétique de la figure 5.12, des données de forage (flèches) et des levés géologiques de surface. Bure, site du Maira.............................................................................................95 Fig. 6.1. Profils VLF-EM bruts (oulphasc, 16 kHz, N1350) recoupant une zone de faille d'orientation Nord-Sud et un réseau karstique, site de Bure, secteur B17.........................100 Fig. 6.2. Modèle hydrogéologique 2D du profil 1, établi sur la base des modèles géophysique et géologique des figures 5.12 et 5.13, Bure, site du Maira.........................................102 Fig. 6.3. Chronique des hauteurs d'eau du forage FNl, site du Maira, (situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 22.10.92 au 3.11.92. Tiré de Pantillon (1993)............103 Fig. 6.4. Chronique des hauteurs d'eau du forage FN2, site du Maira, (situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 22.10.92 au 3.11.92. Tiré de Pantillon (1993).............104 Fig. 6.5. Chronique des hauteurs d'eau du forage MIL3, site du Maira, (situation à Ia fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 26.11.92 au 2.12.92. Tiré de Pantillon (1993)..............................................................................................................105 Fig. 6.6. Chronique des hauteurs d'eau du forage MIL2, site du Maira, (situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 26.11.92 au 2.12.92. Tiré de Pantillon (1993)..............................................................................................................106 Fig. 6.7. Carte interpolée (interpol, bilinéaire) des valeurs RMT-uni directionnel les (résistivité et déphasage) mesurées en direction Est-Ouest à 65.8 kHz sur un terrain dominé par la présence d'une faille régionale d'orientation Nord-Sud. Site du Maira, secteurB19.......................................................................................................111 X vili Figures ei tableaux Fig. 6.8. Situation et courbes de restitutions des 8 essais de traçage au sel effectués sur le profil 1, Bure, site du Maira.................................................................................Ill Fig. 6.9. Données de deux séries de mesures de résistivité effectuées avec 2 méthodes différentes le long du profil 1, site du Maira. Le profil du haut est effectué en géoélectrique classique (type schlumbergcr) pour 3 séparations AB/2. Lc profil du bas est effectué en RMT unidirectionnel en N140°....................................................114 Tab. 6.1. Productivité des forages obtenue lors de deux campagnes de prospection sur Ic site deTominian......................................................................................................116 # # # INTRODUCTION L'utilisation de toute méthode d'observation en milieu naturel est soumise à des limitations théoriques et pratiques qui en déterminent le domaine d'application. Dans le cadre de cette recherche appliquée, la méthode en question est la cartographie radiomagnétotellurique (RMT) et dans une moindre mesure la cartographie EM bipôle (EMB). L'observation porte sur le milieu fracturé et l'objectif hydrogéologique est une meilleure prévision du champ des perméabilités. L'interprétation quantitative des réponses radiomagnétotelluriques mesurées au cours de cette étude sera, au plus, bidimensionnelle. Cette simplification conduit à interpréter les réponses magnétotelluriques naturelles que nous savons issues de structures tridimensionnelles comme des réponses issues de structures bidimensionnelles. Cette simplification constitue l'un des postulats importants de cette étude. Les deux sujets principaux de cette recherche sont d'une part la caractérisation de l'image radiomagnétotellurique en milieu fracturé réel et, d'autre part, l'intérêt de cette image en hydro géologie. Echelles d'observation: dans ce travail, différents types d'observations de surface sont utilisées. Nous les définissons comme suit: - échelle régionale: observations touchant à différents domaines géologiques (p.ex. résistivités moyennes mesurées sur différents massifs calcaires). - échelle semi-régionale: observations touchant à différentes unités composant le domaine global (p.ex. différenciation des formations géophysiques ou géologiques constituant un massif calcaire). - échelle locale: observations liées à une seule unité géologique (p.ex. détection d'une structure faillée dans une formation calcaire). - échelle ponctuelle: observations liées à un point de la surface (p.ex. hétérogénéité lithologique verticale d'un forage ou mesure d'une anisotropie géophysique). -2 - introduction MOTIVATIONS La complexité des circulations d'eau souterraine en milieu fracturé conduit fréquemment l'hydrogéologue praticien à adopter une approche globale du système aquifère. Pourtant, dans le cas d'études locales, ce praticien effectue des observations ponctuelles qu'il doit intégrer, selon sa connaissance du milieu, à un modèle hydrogéologique local. En cela, il doit pouvoir évaluer l'hétérogénéité du milieu à l'échelle de ses observations. Pour cette raison, la problématique liée à la cartographie géophysique constitue une part importante de ce travail. Elle reste cependant conditionnée par des préoccupations hydrogéologiques telles que par exemple, celle d'obtenir une meilleure approche de l'hétérogénéité locale du milieu ou celle de mieux implanter un forage lors d'une prospection d'eau. L'intérêt particulier porté ici au RMT vient du fait que cette méthode apparaît en théorie bien adaptée à l'étude locale du milieu fracturé, mais qu'il n'en existe que de rares exemples d'application. Il s'agira tout d'abord de déterminer jusqu'à quel point le comportement magnétotellurique modélisé dans le cas d'une structure 2D simple de type "filon" (p.ex. Fischer et al. 1983) reste applicable en milieu naturel à des structures plus complexes. Sur la base de mesures géophysiques et de tests hydrauliques associés, notre second objectif consiste ensuite à démontrer la contribution que ces méthodes électromagnétiques peuvent apporter à la connaissance hydrogéologique des milieux hétérogènes à porosité de fractures. ETAT DE LA RECHERCHE Les premières applications des méthodes électromagnétiques (méthodes EM) à la géologie remontent aux années 1920. Au cours des 30 dernières années, ces méthodes furent surtout développées pour Ia prospection minière et représentent actuellement, dans ce domaine, les méthodes les plus employées après les méthodes magnétiques. Dans ce contexte, le développement de modèles analogiques et numériques permirent de démontrer les différentes réponses liées à la géométrie et à la nature d'une structure bidimensionnelle type "filon" en relation avec la géométrie et les caractéristiques du dispositif de mesure (p.ex. Telford et al. 1974, Keller and Frischknecht 1979, Fischer et al. 1983, Parasnis 1986). En hydrogéologie des milieux fracturés, les méthodes EM ont été utilisées en milieu calcaire pour la recherche de cavités souterraines karstiques (Dubus 1968, Dupis 1977). En milieu granitique, les méthodes électromagnétiques de types Slingram (EMB) et very low frequency (VLF) furent testées pour la détection de zones fissurées aquifères (p.ex. Palacky et al. 1981). La mise en évidence par VLF de zones karstifiées (Montjoie Introduction - 3 - 1974, Müller 1982, Benderriter et Robin 1982) puis la discussion théorique des effets d'anisotropie MT dus à l'influence d'une structure de type "filon" (Fischer, Le Quang et Müller 1983, Fischer 1985) confirment les perspectives d'utilisation de ces méthodes en milieux hétérogènes. La mesure radiomagnétotellurique (RMT) en continu de la résistivité sur un bassin versant calcaire et son interprétation structurale (Robin 1984) permettent à ce dernier auteur de préciser la tectonique du lieu et d'émettre des hypothèses sur l'emplacement des structures potentielles de drainage. Ces résultats sont confirmés sur d'autres sites calcaires et précisés par la prise en compte de l'anisotropie de la résistivité mais aussi par celle du déphasage (Grétillat et al. 1986, Thierrin et Müller 1988). En milieu granitique, les mesures RMT comparées à l'analyse structurale (KoIl et Müller 1989) montrent la possibilité de localiser, grâce à l'anisotropie géophysique, la présence de zones aquifères anormalement fracturées au sein d'un contexte structural général. Bien que le radiomagnétotellurisme apparaisse comme une méthode particulièrement sensible à l'hétérogénéité du milieu, les auteurs soulignent généralement l'importance d'une connaissance détaillée du contexte géologique et structural pour une interprétation précise des mesures géophysiques. PLAN DE RECHERCHE Cette approche expérimentale vise à déterminer l'intérêt des réponses RMT en différents lieux et à différentes échelles. Un premier ensemble est consacré à la signification géologique des déformations du champ RMT sur plusieurs sites expérimentaux. Un second ensemble aborde, de manière plus détaillée, les relations entre le champ des variables géophysiques mesurées et le champ des perméabilités. La signification géologique des méthodes RMT est étudiée sur les terrains calcaires de l'Hortns (Montpellier, France), de Bure (Jura, Suisse) et sur le terrain granitique de Lindau (Forêt Noire, Allemagne). L'intérêt de la méthode EMB (ou SLINGRAM) est abordée sur la base des données acquises sur le terrain gréseux de Tominian (Mali). L'étude de détail est essentiellement effectuée sur le plateau calcaire de Bure selon la procédure suivante: - choix du terrain expérimental en fonction: des observations directes et indirectes effectuées lors de l'analyse globale, du type de structure à tester géophysiquement et des possibilités de vérifications géologiques et hydrogéologiques; - cartographie géophysique du terrain expérimental et vérification par forages du contexte géologique présumé; - établissement d'un modèle géologique à partir de l'ensemble des données directes et - 4 - Introduction indirectes puis prévision du champ des perméabilités sur la base de ce modèle; - évaluation de la réalisation de ces prévisions par divers tests hydrauliques (variation des hauteurs d'eau dans les forages, essais d'infiltration, essais de traçages des eaux souterraines). PRÉSENTATION Le premier chapitre "PRINCIPES ET MÉTHODES" présente les aspects techniques et méthodologiques liés à cette étude. Nous présentons l'instrumentation, ses caractéristiques, ses possibilités d'application et ses modes d'utilisation en milieu fracturé. Une introduction théorique aux méthode RMT et EMB est présentée à l'annexe A. 1. Le deuxième chapitre "SITES ET BASE DE DONNÉES" est consacré à la description des sites expérimentaux et à celle de Ia base de données géophysiques acquise sur chacun d'eux. Le troisième chapitre "MESURE RMT" traite de la fiabilité des mesures électromagnétiques et de leur signification régionale. Le quatrième chapitre "HÉTÉROGÉNÉITÉ" est consacré à l'hétérogénéité RMT à l'échelle semi-régionale ou locale et à l'anisotropie RMT. Le cinquième chapitre "MODÈLE GÉOLOGIQUE" concerne le traitement des données géophysiques et leur interprétation géologique. Nous abordons l'aspect du traitement semi-quantitatif, du traitement ID et du traitement 2D, en relation avec des données de forage. Le sixième chapitre "HYDROGÉOLOGIE" traite des relations entre la structure géologique établie par géophysique et le champ des perméabilités. Enfin, une SYNTHÈSE des résultats issus de cette recherche clôt ce travail. Chapitre 1 PRINCIPES ET METHODES Pour préciser la nature et les limites des méthodes utilisées, un aperçu théorique sur les propriétés électriques du milieu, la propagation des champs EM, sur la méthode radiomagnétotellurique et sur la méthode EMB est présenté à l'annexe A. 1. Les données électromagnétiques ont été acquises au moyen de quatre systèmes prototypes: un VLF-R (mesure de 12 à 25 kHz), un VLF-EM (12 à 29 kHz), un RMT- R 12 à 240 kHz et un système EMB 27-7040 Hz, type "SLINGRAM". Ce premier chapitre est consacré aux principes de fonctionnement de ces méthodes, à l'appareillage et aux modes de cartographie utilisés. 1.1. LE SYSTÈME VERY LOW FREQUENCY (VLF) La géophysique VLF est utilisée dès les années 60 pour la recherche de filons métallifères conducteurs. Son application à la prospection hydrogéologique ou à la géotechnique est plus tardive et actuellement encore peu développée. La méthode VLF appartient aux méthodes électromagnétiques dans le domaine des fréquences de 3 à 30 kHz, à source artificielle et à champs lointains (cf. annexe A. 1 ). Les deux prototypes suivants furent utilisés: Un VLF-résistivité 12 à 25 kHz, construit par Dupperex/Mùller, et essentiellement utilisé pendant la première année de la recherche (1989-90). Les spécifications techniques de cet appareil sont décrites à l'annexe A.2.1. Un VLF-EM 12 à 29 kHz (Dupperex/Müller) essentiellement utilisé pendant la dernière année de la recherche (1992-93). Les spécifications techniques de cet appareil sont décrites à l'annexe A.2.2. l.l.l. Emission Les émetteurs VLF sont des antennes fixes réparties irrégulièrement sur la surface - 6 - Principes et Méthodes terrestre. Ces émetteurs peuvent être assimilés à des dipôles électriques verticaux. La situation et les caractéristiques de certains de ces émetteurs VLF sont présentées à la figure 1.1. La portée de ces émetteurs (300 kW à 1 MW) est de plusieurs milliers de kilomètres, mais il faut noter que certaines régions du globe se trouvent à la limite ou en dehors des zones de réception acceptable de certains de ces émetteurs. Dans ces régions, la possibilité d'utiliser un champ VLF primaire généré à l'aide d'un émetteur portable existe, mais ne fut pas testée dans le cadre de ce travail. Fig. 1.1. Situation géographique de 15 émetteurs VLF avec indication de leur code, de leur fréquence (en kHz) et de leur puissance (MW). Tiré de Milsom. ( 1989). 1.1.2. Transmission La propagation de ces signaux électromagnétiques est complexe mais le champ d'un tel dipôle peut pratiquement, à grande distance de l'émetteur (champ lointain), être considéré comme uniforme à l'intérieur d'une région de 1 à 2 km2 (Parasnis, 1986). Le signal transmis est polarisé. L'excitation magnétique (H) du champ incident est constituée d'une seule composante Hjy, perpendiculaire à La direction de propagation du signal. Le champ électrique incident (E) présente une composante électrique horizontale Ejx, parallèle à la direction de propagation et une composante électrique verticale Ejz. Un schéma des composantes électromagnétiques du signal VLF est présenté à la figure 1.2 en polarisation électrique E et en polarisation magnétique H (cf. Annexe A. 133). Principes ei Méthodes - 7 - Distant transminer Direction of wove propagation ------- <£*3-^à> Ground surface Direction of wave propagation in the ground Distant transmitter (Ej2 Measurement line Ground surface Direction of wave propagation in the ground Fig. 1.2. Composantes EM d'une onde VLF incidente (i) et transmise dans un milieu conducteur (t). Cas d'un filon conducteur, de direction parallèle à la direction de propagation de l'onde incidente (polarisation E, figure de gauche). Cas d'un conducteur de direction perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde incidente (polarisation H, figure de droite). Tiré de Parasnis ( 1986). 1.1.3. Paramètres mesures Les paramètres suivants ont été mesurés: Pour le VLF-Résistivité les paramètres sont la résistivité et la phase. La résistivité pa est calculée sur la base du rapport d'impédance complexe Z = Ex/Hy (A. 13.2) selon la formule: Ht. = (rApw) 1/2 d.ou. pa = ^l_ 2*fno Uy) (1-1) E: champ électrique (WIm), H: intensité du champ magnétique (A/m), p: résistivité électrique (ohm.m), P3: résistivité électrique apparente (ohm.m), co = 2nf: vitesse angulaire (rad. s- '), f: fréquence (Hz), il. (J0: perméabilité magnétique du milieu, du vide (H/m). La phase est le déphasage entre Etx et Hty. II est démontré (A. 1.2.5) que pour un volume de terrain homogène, Etx est généralement en avance de phase de n/4 par rapport à Hty. La réponse de la phase est décrite en milieu ID et 2D à l'annexe A.l (A.1.3.2 et A.1.3.3). Pour le VLF-EM, seule la composante magnétique verticale est mesurée. On en mesure l'intensité d'inphase et d'outphase en % du champ primaire horizontal considéré comme référence. Nous rappelons que l'inphase est la composante en phase avec le champ primaire. L'outphase est la composante en quadrature par rapport au champ primaire (cf. annexe A. 1.43). - 8 - Principes et Méthodes l. l .4. Profondeur de pénétration et d* investigation La profondeur de pénétration d'une onde plane (cas admis pour une onde VLF) est basée sur l'absorption exponentielle de l'énergie de celle-ci en fonction de la profondeur. Si les courants de déplacement sont négligeables (f.p < 10E8 ohm.m.s-1) et pour des conducteurs non magnétiques {\i = Ji0), l'épaisseur de peau est calculée par: 6 = 5033(C)" [m] (12) Ö: épaisseur de peau, p: resisti vi té app. (ohm.m), f: fréquence (Hz). Si les courants de déplacement ne sont pas négligeables (f.p £ 10E10 ohm.m.s-1) et pour des conducteurs non magnétiques (n = \x0), l'épaisseur de peau devrait être calculée par [Parasnis, 1986]: 1=b = &r2[(p2EV+l)1/2-pEa)]1/2 (1.3) ô '2P' Ô: épaisseur de peau, œ = 2n;f: vitesse angulaire (rad. s"1), u.: perméabilité magnétique du milieu (H/m), p: résislivité électrique (ohm.m), e: permittivité du milieu (A.s/V.m). La figure 13 présente un graphe des profondeurs d'atténuation (courants de déplacement négligeables) en fonction de la fréquence et pour différentes résistivités couvrant le domaine de notre étude. Dans cette dernière et dans Ia plupart des conditions naturelles, la profondeur de pénétration définie par l'équation 1.2 est valable. La résistivité s'exprime en ohm.m et la fréquence en Herz. ¦ ¦ ¦ -i ........' ........' ........1 VLP (12-25 KHE) S^-^-''' /S0 ^ J***** * *' 5 100 : >y, <'' PTH . S^* U Q jSis'-''' ^^s' ' Z M S^^S*'' *'' J^* ** - " J IK I M É S^ ¦£ .. ¦ IZ KMZ S^.''''' -----16 kHz £•'¦''' -----19 kH2 10 - .......25 kHz 10 100 1000 10000 RESISTIVITY QlMTEfIH AW E kMit /cotuvkm I brani uUnn tablas al gravtart Votgltn« Pliocène TEHTUlHE B. Milieu poreux et fissuré (roches coMrenes) £ï*£ 4-4*4,'.a. Irai labié moy.-tatile marnai Bomphone JA)Oi* / conglemtral 0» Ponantru» Otgeo*newp. Oligocène M. C. Milieu tissure et karstique El (roches cohérentes, formet Ion terift épauseurs cattairet WfioonpMquei Peruana«» ~ mam« at caldini brunt 1 Exogra Vkgula Kimm*rtdgbn(vp. to m calcar« mtertlqua at oetUilque Kmmeridglen tuo. 2WO m mamai ai marno^aiealni Jaunat (Piérecarn) Knwntitaaltn may. 5-10 m calcar« mtaaiquesi MoOttntiQuu/DCitUilqutt KirnnirlcUan H^S*quanl*n tap HALM WMtOm mam« nblnit/mamo-calcanvi (Hata ; Altana ) SAquanlen moy. 2MOm calcaJrn mcniquaMraraui Mancvcoranien* S4quanien WÄawaelan BO-IOO m num« m «ça« gn>-t>l*u Oxford Jen BHO m calcaire* roto btodMrtaquutoelmlQuu CaDoinen/Bathorüan 40-Mm mamas griMt (Acuminata mi Homomy*t) Balhontefi W. DOGGER 10-15 m calcarei oottnlQUM *l ceraHjenw Ba{od*n MAtwnKn iup.) 130-1*0 m mam« flria iambta (OpaKnui) AawnnnM. 100-100 m mam« « calca Irai Stnamurtan-Toarclsn LMS 50-60 m marnai 4 DTP** Keupsr THtAS - oètDoçie ---------------imi* Uhottgiqu* ——------ IaBIe 00*erv*oftBppo>*e S\W eone da dejealon c :> T »------,------T- chaviuciwmanl 0DMrv4> auppoM _^------g------£—^ axa ambimi (pwnoemera utaiy mppou pomlstfeey a ¦ 10 ini: datai min-mai Q" source wnporalra (déM cru» » SO IAi) O" O*' Pvn* • oaptae» par luraoa I * drain« hortiomiui (n*Bl-85) .!8T D la-"»"' + inimwiom ponctuelles ou permanentes ««al fl» incapa (Wt-IOi): irat* le pka court -nul atlactu« an hauiaa «ain •liai tvac traeaur non ratrouv« aSmefflatiort mudala (provbolnt) U* Oa rejas o*«aux useea dans la kv*t ; coun daau -«vac data« (aceordamant tune STEP > »!»raflions ponctuâtes ou permanentes «¦ai d* liacag* (nM-103): trac* la pkii coun -estai effectué an haut** «aux ® GLAND1 Soivu hyOrogêologie InMa da baisai variant du prlndpeux ooura d*aau '--------------lRMdebe»ndueawGO*kartUQuai«aou*«eiilrii coun Mg perenne ; wmpe ratte —3—") ) ) — lnUnUlontdteouradtaudantlafcam —------------ m -ailw«^: principe/tacondilra A déchaiga aana orsinocnkinll A twjcxiaig* 1 convolar tnvew ¢. aoridaDadanKXatnaDuanc*p4oüTn^droe*ciLI>3am:n*1-ct) Ballon tmirrigiiptilqu* teoentia SHON (OmW Omoy an rra/t)) (R) «*Bonpluyiom*trtqua/rrBié0l U V •o 38 - 36 - 34 - 32 - 30 - 28 - 26 - 24 - 22 O Série 1 ....... X Série 2 ...... 0 Série 3 183 kHz 100 16 kHz 4- 75 kH2 RESISTIVITE {ohm.m) 1000 Fig. 3.1. Mesures RMT-R effectuées au même point sans déplacement du dispositif. Les mesures de la série 2 (75 kHz) sont réalisées par un opérateur sans expérience préalable. Site calcaire de tele plumée (Neuchâtel, Suisse). 3.2. REPRODUCTIBILITÉ AVEC DISPOSITIF MOBILE. Ce test de reproductibilité est plus proche des conditions réelles de mesure car le dispositif est redéployé pour chaque nouvelle mesure au même point. La figure 3.2 présente une o U 38 36 T 34 32 30 * 28 - 26 - 24 100 183 kHz 75 kHz 19.6 kHz 16.0 kHz 23.4 kHz 16.4 kHz 12.1 kHz ¦t- >¦¦— i » i— i t •—......-~rf>......I- RESISTIVITE (ohm.m) 1000 Fig. 3.2. Mesures RMT-R effectuées au même point avec redéploiement du dispositif entre chaque série de mesure. Les émetteurs utilisés n'ont pas tous la même direction. Site calcaire de tête plumée (Neuchâtel, Suisse). - 34 - La mesure RfvTT série de mesures RMT-R effectuées à des jours différents, mais à la même station que cellede la figure 3.1. On note que la variation de phase reste faible (±1°) et que celle de résistivité atteint un écart maximum d'environ 10 %. La reproductibilité de la mesure d'outphase en VLF-EM (cf. § 1.1.3) en acquisition continue est illustrée à la figure 33. Il s'agit de trois séries de mesures effectuées le long d'un même profil mais pour des conditions expérimentales différentes (date d'acquisition, sens de profilage et vitesse de profilage): - série A: 30 avril 92, profilage Sud vers Nord, vitesse de profilage = 41 m/min. - série B: 30 avril 92, profilage Nord vers Sud, vitesse de profilage = 42 m/min. - série C: 25 avril 92, profilagc Sud vers Nord, vitesse de profilage = 58 m/min. 200 400 600 800 1000 DISTANCE SUD-NORD (m) 1200 1400 A: Sud-Nord, v=41 m/min, 30/4/92 B: Nord-Sud, v=42 m/min, 30/4/92 C: Sud-Nord, v m/min, 25/4/92 =58 Fig. 3.3. VLF-EM. Acquisition en continu de l'outphase sur un profil parallèle à une zone de faille. Site calcaire de Vaumacon (Suisse, canton du Jura) Ce profil de mesure est répété 3 fois dans des conditions expérimentales différentes (date de la mesure, sens de profilage, vitesse de profilagc, cf. texte). Ce profil visant à tester la sensibilité de la méthode VLF-EM (cf. Turberg, Müller 1992) est effectué parallèlement à une zone de faille en milieu calcaire subaffleurant, de résistivité moyenne de matrice égale à environ 700 ohm.m. La reproductibilité d'outphase entre les trois séries de mesures est bonne quelque soit les conditions expérimentales. Les décalages horizontaux entre les trois courbes sont dus La mesure RMT -35 - essentiellement à l'irrégularité de la vitesse de profilage. 11 faut toutefois remarquer qu'un test identique (VLF-outphase), réalisé sur le site de l'Hortus a montré des différences, localement significatives, de reproductibilité. Ces différences sont attribuées à la très forte hétérogénéité latérale du milieu et à sa résistivité moyenne plus élevée (env. 3000 ohm.m). 3.3. SIGNIFICATION GEOLOGIQUE DES MESURES EM En admettant que la qualité technique des appareils utilisés et les erreurs expérimentales produisent un bruit de fond négligeable sur la mesure magnétotellurique, il convient de montrer que les valeurs électromagnétiques mesurées sont cohérentes entre elles et représentatives (pour le moins) du contexte géologique régional. Cette analyse globale est basée sur l'ensemble des données acquises au cours de cette recherche sur les 4 sites expérimentaux. Il s'agit de: Bure: 2880 mesures de résistivité et de déphasage effectuées en plusieurs fréquences vif sur l'ensemble des secteurs Bl à B17. Hortus: 9% mesures de résistivité et de déphasage effectuées en trois fréquences vif sur le secteur Hl. Lindau: 1754 mesures de résistivité et de déphasage effectuées en trois fréquences vif sur les secteurs Ll, L2 et L3. Tominian: 1972 mesures de résistivité et d'outphase effectuées à 220 Hz avec bobines horizontales coplanaires (s = 56 m) sur les secteurs Tl à T18. A titre comparatif, deux sites supplémentaires en milieux à porosité d'interstices sont utilisés comme référence de milieux "homogènes". Il s'agit : - du site de Cornol (Jura tabulaire, JU, Suisse) avec 728 mesures de résistivité et de déphasage effectuées à 19 kHz sur un secteur d'environ 3.8 km~. Le contexte est celui d'un remplissage tertiaire constitué d'une couverture de colluvions, loess et alluvions quaternaires à forte composante argilo-silteuse (0 à 10 m de puissance) surmontant une marne silteuse (molasse alsacienne) dont la puissance est évaluée à une centaine de mètres; - du site d'Hunzenschwil (Bassin Molassique, AG, Suisse) avec 689 mesures de résistivité et de déphasage effectuées à 19 kHz sur un secteur d'environ 3.0 km-. Le contexte est celui d'un milieu à porosité intersticielle du bassin molassique suisse. Le soubassement est constitué de dépôts lacustres argileux surmontés de dépôts fluviatiles hétérogènes graveleux à sablo-graveleux, eux-mêmes localement surmontés de terrains morainiques de couverture. - 36 - La mesure RMT Les histogrammes de fréquence de la figure 3.4 présentent la distribution du log des résistivités apparentes et du déphasage de l'ensemble des valeurs VLF-R sur les sites de Cornol et d'Hunzenschwil. i ¦ 111¦¦11 ti 11....... Z 200- CORNOL 728 observation« mean: 1.31A sind, dev.: 0.163 sind, error: 0.006 variance: 0.026 i i I I 1 I I I Hl i ii-| liti-li Tr •TT TTT1IT 0.00 0.60 1.20 1.B0 2.40 3.00 3.60 4.20 4.80 log (rhoa] 200- 50- 11...... HUNZEKSCKWL 680 observations mean: 2.267 sind, dev.: 0.300 etnd. error: 0.011 variance: 0.09 iiiiiiiniiiiiiiinihiiinnnn 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.80 4.20 4.80 tog (rhoa) 100- 150- „ 100- CORNOL 728 observations mean: 51.326 «nd. dev.: 4.593 sind, error: 0.170 variance: 21.097 h ! I ! . I ! I I I m i n i I ¦ to 20 30 40 50 80 70 BO 90 phase » ' '...... HUNZENSCHWIL ¦89 observation« mean: 51.369 and. dev.: 9.059 stnd. error: 0.345 variance: 82.064 f=R 10 20 30 40 SO GO 70 BO 90 phase SITES A POROSITE D'INTERSTICES Fig. 3.4. Distribution de fréquence des résistivités apparentes et des déphasages mesurés en VLF-R sur les sites à porosité d'interstices de Cornol (haut) et d'Hunzenschwil (bas). Le site de Cornol est essentiellement bicouche et suffisamment homogène latéralement pour que les effets EM directionnels soient négligeables (situation ID). Il présente logiquement une distribution unimodale pour les résistivités comme pour les phases. En fonction du contexte géologique, les résistivités doivent être globalement faibles (marne silteuse) et les déphasages supérieurs à 45° (couverture alluvionnaire sur marne silteuse). C'est effectivement ce que démontrent les deux histogrammes avec une moyenne à 21 ohm.metà51°dephase. Notons que ta dispersion autour de la moyenne est faible pour les deux paramètres, ce qui confirme la faible hétérogénéité du milieu. Le site d'Hunzenschwil appartient aux terrains habituellement considérés comme La mesure RMT -37 - suffisamment homogènes pour que les effets EM directionnels soient négligeables (situation ID). La distribution y est bimodale pour les résistivités et dispersée pour les phases. Cette bimodalité de résistivité exprime la présence de terrains essentiellement sableux à sablo-gravel eux dans lesquels se trouve une faible proportion de chenaux graveleux (reconnus par forages). La dispersion des phases met en évidence une variabilité non négligeable de la géométrie des dépots fluviatiles. La figure 3.5 présente, de façon similaire, les données EMB (résistivité et outphase) du site gréseux de Tominian et les données VLF-R pluridirectionnelles du site marno-calcaire de Bure, du site calcaire de l'Hortus et du site granitique de Lindau (rhoa et phase). Les valeurs de Tominian furent acquises sur des traînés EMB d'orientations diverses, avec bobines à axe vertical, séparation de 56 m et fréquence de 220 Hz. Les deux paramètres présentent des distributions unimodales peu dispersées attestant d'un contexte géoélectrique relativement homogène. La valeur de résistivité moyenne de 135 ohm.m apparaît cohérente avec la nature sablo-limoneuse des grès et l'on remarque effectivement que les zones fracturées ne se démarquent pas (ou peu) des zones de matrice. La distribution de ces deux variables sur le site de Lindau est unimodale et relativement peu dispersée, surtout pour les résistivités. Les valeurs moyennes de 1230 ohm.m avec les 2/3 des valeurs (± 1 écart-type) comprises entre 700 et 2100 ohm.m attestent d'un milieu globalement résistant. La distribution quasi totale des valeurs de déphasage au- dessous de 45° est également cohérente avec la présence d'un conducteur de surface (sol et Berglersand) surmontant un milieu plus résistant (massif granitique d'Albtal). Bien que représentant un milieu calcaire très karstifié, Ia distribution des valeurs de l'Hortus est unimodale mais dispersée. Les résistivités élevées sont en accord avec la présence de calcaires globalement compacts sans recouvrement conducteur. Le contexte strati graphique modal se dégage nettement à 55° indiquant la présence d'une couche conductrice basale, probablement celle des marnes du complexe Valanginien inférieur/Berriasien supérieur (cf. A.4.1). Les histogrammes de Bure comprennent l'ensemble des mesures VLF pluridirectionnelles effectuées sur les secteurs Bl à B17. Les deux distributions sont bimodales et très dispersées. Les modes sont situés à environ 50 et 400 ohm.m mais la distribution couvre une gamme très large de 20 à 5600 ohm.m. La bimodalité des résistivités démontre la dualité géoélectrique de ce milieu où se succèdent des formations marneuses et calcaires. De même, leur dispersion élevée démontre la diversité géologique de ce plateau où sont intégrés les différentes lithologies, les effets de fracturation, les ¦ 38 - La mesure RMT 0.00 O.eO 1.30 1.B0 2.40 3.00 3.S0 4.20 4.00 log (rttoi) t......... il............. TOMINIAN 107Î obaervallone msan: 1.050 «ind. o i f^ .tinlMlMWBÌLfqr'Eii HHH«J — » âSSBIP' % ° L- a- o _Ay~mffi9BMRMdK__ 2 2.0 - o a « %^2änMK « « SIS l.S * •^^ 0 UJ CC 1.0 - fc---------------1-----------------1------------------1-----------------1-----------------1------------ 1 0 l.S 2.0 2.5 3.0 3.5 log (rho «pp. K-S) 4.0 90.0 - '________I________I________I________I________1________I_____ y - V-* B0.O - Transect N16 jf 1477 observation» jS j*^ y - 0.BBx - 3.71 „ g»» .».«// r - 0.85 rP^^nrnFZ^^ 70.0 - - o BJj.^ÌMMtniL'^ s 60.0 - >4èmÊ$pf°c - UU U « !^^^; : a S SD.0 - jêA^SB^^^^>'/^ * < Q. C/3 (?W *"• UJ Q 10.0 - i i i i i i i 10 0 20.0 30.0 40.0 SO.0 60.0 70.0 BO.0 phase N-S 90.0 Fig. 3.7. Corrélation entre les valeurs VLF-R (resisti vi té et phase) mesurées en direction Nord-Sud et en direction Est-Ouest. Site de Bure, transect N16, ensemble des stations de mesure. 3.4.1. EFFET DE POLARISATION L'utilisation de différents émetteurs vif signifie généralement un changement d'orientation du dispositif par rapport aux éventuelles structures géologiques du milieu. Géophysiquement, les effets EM directionnels résultant de ce changement entre la direction de propagation du signal vif et celle des structures géologiques devraient fournir des indications concernant l'anisotropie des structures du milieu donc, pour une situation tabulaire, concernant l'orientation de leurs fractures. Il s'ensuit que, sur de faibles - 42 ¦ La mesure RAfT distances, la relation entre les valeurs mesurées en deux directions, si elle n'est pas totalement masquée par d'autres effets, doit être clairement différente d'un milieu homogène à un milieu hétérogène. C'est le cas illustré à la figure 3.8 où sont représentés deux tronçons adjacents de l'extrémité Nord du transect N16. Le premier tronçon est constitué de marnes surmontant des calcaires. Le second est constitué de calcaires dont la fracturation principale est vraisemblablement NNE-SSW. 4.0 " ii''______________l____________-p I 3.5 * Formation nurneui« " Ä yr 81 observations \/ 1 y • 0.8Ox • 0.34 * >*H§^^ I X r - 0.76 8o$%3(k ù 3.D " \ # *%$£*& UJ app. *JPF H o 2-5 - \ X** " > ^ S V S 2.U- X \ H X \ ~ XfI y \ IMi^ m*> y\ JHV Formation calcaire _ LU 1.5" #• •• * /"¦ r = 0.923 216ofasemlitn3 2 50 b Z « 8 ¦1.30 20 N • 70° •*....•* &*•'' .1£*'* &¦ ¦ A ** r = 0.916 libàbttrrtâora 1.25 Ij 1.75 2 2.25 2J 2.75 3 3.23 3.5 3.75 tog i h 8 e \ & : S î UU I.S " a Soctoart BS, Bt I BIl 101 sbiorvitiom i OA 1.0 T' ' I1" I-----------1----------1 T T1-1I I I j 0.0 0.1 0.4 O.C 0.1 1.0 i pont* on HIlO* i 10.0 - _________________l__________________l__________________l__________________¦ ¦ _____I_______I-----------1 I----- 70.0 ¦ B a • . * ° S • » o o a ° » S - ! i «0.0 * _ ° o • fi ' i h ° " ' • o o a UJ * »o.o - a I S • S o o ° • • • O « - i O e • O a < : «co * e • * . ¦ -si •• a o a ! < 30.0 - X ! eu 10.0 ¦ O C(CtOUCi BÌ. B« t BIl UJ O 101 ob**rvitlon* Û 10.0 - , 0.0 0.1 0.4 0.« 0.1 1.0 i i pent* on KUO* ! Fig. 3.11. Corrélation entre les valeurs VLF-R (résistivité et phase) mesurées en NIlO* et la pente du terrain (Ig a en direction Nl 10°) à la station de mesure. Site de Bure, secteurs B5, B6 et Bl 1. La mesure RMT -47 - montre que, pour l'ensemble du site de Bure, les corrélations entre la résistivité et la pente (mesurée dans la direction de la mesure) ne sont pas significatives. Pour les phases, l'absence d'effet topographique sur la mesure est encore plus net. L'effet topographique apparaît donc négligeable sur le plateau de Bure et pour des pentes étudiées de 0 à 40°. Les corrélations légèrement positives observées sur l'ensemble de cet échantillonnage sont indirectes. Elles sont probablement dues au fait que sur ces secteurs les flancs pentus des dépressions représentent fréquemment des interfaces subverticales qui se marquent en RMT par une forte augmentation de la résistivité apparente ( effet de pol H, cf. Annexe A. 1.3.3). Sur les autres sites cartographies (Hortus, Lindau, Tominian), les effets topographiques sont également négligeables. 3.5. RESUME Outre le fait que la mesure radiomagnétotellurique est une opération simple, rapide et reproductible, il est montré que les variations topographiques, l'emploi de différentes fréquences ou de différentes directions de mesure n'ont pas d'effet prépondérant sur la caractérisation RMT régionale des sites étudiés. Pour chacun des sites cartographies, les valeurs modales de l'ensemble des résistivités apparentes et des déphasages ainsi que les dispersions autour de ces valeurs sont des indicateurs permettant d'évaluer respectivement le contexte géologique type du site et son hétérogénéité globale due aux variations litholologiques et aux zones fracturées. 11 nous importe au chapitre suivant, de déterminer quelle est l'importance de cette hétérogénéité à l'échelle semi-régionale et locale. Chapitre 4 HETEROGENEITE Les roches consolidées comportent des zones fracturées dans un milieu matriciel considéré comme peu ou pas fracturé. Il est généralement admis en termes électriques que la signature radiomagnétotellurique d'une zone fracturée consiste en une diminution de la résistivité et une variation associée du déphasage (cf.annexe A. 1.33). D'autre part, il a été observé au chapitre 2 que plusieurs systèmes de fractures coexistent sur nos sites, que ces fractures se développent tridimensionnellement, que leurs dimensions s'étendent du domaine infra-centimétrique au domaine déca-kilométrique et que leur réponse électromagnétique est fortement influencée par la nature de leur matériel de remplissage. En outre se superpose fréquemment à cet effet de facturation une variabilité strati graphique issue de la présence de différentes formations géologiques ou de couche de couverture. L'hétérogénéité est donc inhérente à celle du milieu fracturé et, de plus, fondamentalement liée à la méthode d'observation utilisée. Au cours de ce chapitre, nous nous intéressons tout d'abord à l'hétérogénéité semi- régionale. Nous comparons les réponses électromagnétiques obtenues sur différentes unités géologiques du plateau de Bure. Nous évaluons ensuite l'importance des effets EM directionnels à cette même échelle. Nous abordons ensuite le problème de l'hétérogénéité locale et de l'anisotropie radiomagnétotellurique . 4.1. RMT ET HETEROGENEITE SEMI-REGIONALE Au chapitre précédent, nous avons vu que le RMT caractérisait avec cohérence 5 milieux régionaux différents et que les milieux calcaires présentaient une dispersion très importante des résistivités et des phases (p.ex. site de Bure). Pour voir si cette dispersion est liée principalement à l'amalgame de différentes formations Hétérogénéité -49 - géologiques, nous utilisons les données VLF-R du transect N16 traversant l'ensemble du plateau de Bure. Sur des critères de cartographie géologique, nous subdivisons la distribution globale des résistivités du transect (figure 4.1) en 5 sous-distributions correspondant aux formations suivantes: S 1: affleurement de calcaires lithographiques et de marnes à Exogyra Virgula (Portlandien, réf: J8b); S 2: affleurement du complexe Kimméridgien formé des calcaires sup. à Ptérocères, des marnes à Ptérocères (localement absentes) et des calcaires inf. à Ptérocères (réf: J8a); S3 A: affleurement de calcaires à térébratules et cardium du Séquanien supérieur (réf: J7c-d); S3B: affleurement de calcaires marneux à interlits marneux de la base du Séquanien supérieur (J7c-d); S 4: affleurement de marnes à Astartes du Séquanien inférieur (réf: J7b); S 5: affleurement du complexe formé de calcaires à Astartes et Natices du Séquanien inférieur (réf: J7a) et des calcaires récifaux du Rauracien (J6). La figure 4.1 permet de montrer que les résistivités propres à chacune de ces formations présentent des distributions unimodales logiquement moins dispersées. De plus, ces distributions sont cohérentes avec la nature géologique des différentes subdivisions. On passe ainsi des formations les plus marneuses (S4, 30 à 45 ohm.m) aux formations calcaires les plus massives (S5,700 à 1000 ohm.m). Nous avons également vu à l'Annexe 33 que les histogrammes de resisti vite des secteurs Bl à B18 peuvent être très différents. Nous présentons à la figure 4.2 les distributions de résistivité de six de ces secteurs carrés dont les aires sont identiques (250 x 250 m). Le secteur B4 est situé sur des marnes (probablement sur les marnes à Astartes): les valeurs de résistivité sont basses et leur dispersion faible. A l'opposé, le secteur BIl est situé sur une zone tectonisée du complexe Kimméridgien-Séquanien-Rauracien: les valeurs de résistivité sont relativement basses mais surtout montrent une dispersion comparable à celle de l'ensemble des valeurs de résistivité apparente du plateau de Bure. Ces observations montrent que si la distinction en sous-unités tend le plus souvent à réduire la dispersion des valeurs RMT observée à l'échelle régionale, la dispersion géophysique à l'intérieur certaines de ces sous-unités reste, dans certains cas, de magnitude comparable à la variabilité régionale. - 50 - Hétérogénéité 80- IUHE NH-SECTEUB) TtI et»i«*t Hait* nu: t.TU •M. «v.: ClMt ant. mtr. MFtI : 0.111 40 C I I M I I I I I If 0.00 LIO IJS 1.10 1-10 t. m« (m«) m........ .eo j« i.n **e g »0- 1 BURE NIl-SECTEUtU Mi B b mit* lia n* ira: 1400 M *>,: 0.111 ¦loa. «fi«: 0 MT* «4'Vnc*: 0.01' m................ 260 o.to i.» i.to lui i.oo j.to a.» BO (f*o 3b ™fl BLfRE HIt-SECTEURJiI It f>b(ir«ill«ni *mn ItM km. «•».: son •rno, «n«: 0.01* : 0 Où** Pf-T- 0.00 OJO 1.» !JO MO m JtO »JO 4JO *ï (TlOt) 3a nmurf- BURE H It-SECTEURM -i ni *b»rva liana hi: IJM OM Wv,: OJM VnC. «fit: 001» »fune«: rj.oti 1................. 248 560 564 o-oe OM uè I.» JiO !.M rao «.io *.to »« (rtioa) g St- Tot. J BURE NIt-TOTAL till lMliHlliin tHBruuM -] Bi*. «*¦-: 0.«*1 BfifJ. «fier 0J11 «in: 0J11 Fh........ 0« 0-IQ 1J3 l.*D 1,40 3OC MQ 4.ÏD *K - 1,1,1,1.1,1, Sa TNl 6 - \r-' ** *1\ 1 Ss I I I ..J— S4 "T"" S3b "T" S3a - m l - W 566 572 BURE HIt-BECTEURl 414 ebHr*ttt*nt f frBWi: IJOT •M. «*..: CLMt «ff«. «n«; 0.011 »mi: 0.0» r-1 l 2 ¦¦¦>*.......... 1 .......... ifl BURE N 1(-9ECTEURI 111 obifrvitiani ¦h: »11 iH.gn.:tui BnC «mr: 000*3 : 0.DÎ3 rh..............I o.oo OJO i.n IJO t,«e lu MO 4jo 1.IO log (mo« 0,00 o.to IJO i.to mo i.oo i.to «jo «.m MO (ITlM) DISTRIBUTION DE RESISTIVITE: ECHELLE SEMI-REGIONALE Fig. 4.1. Distribution de fréquence des résistivilés apparentes pour l'ensemble d'un profil VLF-R bidirectionnel (haut, droite) et pour différents tronçons de ce profil, subdivisés en fonction de leur lithostraügraphie (unités géologiques Sl à S5, cf. texte). Site de Bure, transect N16, mesures VLF-R. Hétérogénéité -51 - Fig. 4.2. Distribution de fréquence des résistivités apparentes pour 6 secteurs VLF-R pluridirectionnels carrés de même aire (250m x 250m). Site de Bure. La situation géologique de ces secteurs sur la base de la figure 2.1 et sur celle d'observations complémentaires est la suivante: B4: marnes à Astartes; B13: calcaires du Kimméridgien supérieur; B5, B14 et B15: calcaires du Séquanien inf./ Rauracien; B11: essentiellement calcaires du Séquanien inf./Rauracien (avec éventuellement: marnes du Séquanien moyen et calcaires du Séquanien sup./Kimméridgien inf.). La situation géographique générale de ces secteurs est présentée à l'annexe A.3.1. - 52- Hétérogénéitê 4.2. rmt et hétérogénéité locale 4.2.1. Variabilitéglobale Les dispersions observées sur les différents tronçons calcaires de la figure 4.1 et sur les secteurs B1 à B18 peuvent provenir soit de la variabilité électrique intrinsèque élevée des formations géologiques soit des effets EM directionnels dus à l'hétérogénéité du milieu. L'importance des effets EM directionnels est illustrée à la figure 4.3 sur le tronçon 5 du transect Nl 6 de Bure, à la figure 4.4 pour le secteur Hl de l'Hortus et à la fig. 4.5 pour le secteur Ll de Lindau. Sur ce tronçon, les résistivités mesurées en N-S et en E-W ne sont globalement pas très différentes. Sur les graphes phi vs log(rhoa), on note cependant qu'une partie des mesures présente un déphasage plus faible en E-W, confirmant les observations effectuées précédemment à la figure 3.8 sur la direction des structures conductrices. S&P oîffn Oo O Nord-Sud 1.20 1.60 2.00 2.4 0 2.B0 3.20 3.60 4.00 log(rhoa) BO - O 70 - O oo o ° 60Qs i^a .° " °°îM Se? o o*o?W3S _ so ¦ wa Bs%>o o o 40 - 8 J o°Po o 3^° ° 30 ¦ 20 - * o 0o^> C Est-Ouest 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80 3.20 3.60 4.00 log(rhoa) 50- 1 ¦¦¦»'' ' NU-8«cleur 5 Orlantatfon N-S 3S1 obaarvatlons mean; 2.736 etnd. dev.: 0.339 sind, »tror: O.C 17 variane«: 0.115 jfl ITk11111M 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.60 4.20 4.60 log lrtioa) 15- S M N1B-8actaur 5 Orttntalion E-W ¦81 obaarvallona maan: 2.770 and. dav.: 0.356 etftd. arror: 0.016 wlanca: 0.127 0.00 0.60 1.20 1.S0 2.40 3.00 3.60 4.20 4.SO log (rhoal Q Q O 2: H UJ D O H UJ Fig. 4.3. Distribution des valeurs VLF-R (résislivilé et phase) en fonction de la direction de mesure. Site de Bure, transect N16, secteur 5, mesures en direction N-S (12.1, 23.4 kHz) et E-W (16.8,18.3 kHz). Hétérogénéité -53 90 ¦ 80 ¦ io -- «o - O tA° - so -to -30 - o o 0 o0 o ß O O O N120* O O o" 1.S0 2.20 2.60 3.00 3.40 3.80 4.20 loglrhoal o Nl 50* 1.80 2.20 2.60 3.00 3.40 3.BD 4.20 logtrhoa) ¦..... ........¦ ¦ HORTUS ¦ Hl Orientation NG10* 32 B obMfvaliona maan: 3.2BG Knd. dew.: 0.383 «md. etroi : 0.021 variance: 0.147 ^e Q1I l~l~TT I I1TTT 0.00 0.60 1.20 1.B0 2.40 3.00 3.60 4.20 4.60 log (rhoal ..............'.........¦ '...... HOHTUS - Hl Orientation N120' 32B obaervatlone mean: 3.215 nnd. dev.: OjOO atnd. error: 0.028 variance: 0.250 ..........rfl ft 0.00 0.G0 1.2D 1.B0 2.40 3.00 3.60 4.20 4.80 log (rhofl) HORTUS - HI Orientation N160* 32B observation* mean: 3.222 nnd. dev.: 0.468 sind, error: 0.026 varlanca: 0.219 J h 11. i 11111111 0.00 0.60 1.20 l.eo 2.40 3.00 3.60 4.20 4 .GO log lrhoa) O O 2 o rs Z HORTUS - SECTEUR Hl: ECHELLE LOCALE Fig. 4.4. Distribution des valeurs VLF-R (résistivité et phase) en fonction de la direction de mesure. Site calcaire de !"Hortus, secteur Hl. Mesures en N010° (16.4 kHz, en haut), N120° (20.3 kHz, au centre) et N150°(19.0kHz,enbas). Pour le secteur Hl (figure 4.4), les distributions de fréquence des résistivités sont plus différenciées: les résistivités sont plus dispersées en direction N120° et N150° qu'en - 54 - Hétérogénéité direction N010°. C'est dans cette dernière direction, que les résistivités sont globalement les plus élevées. Les déphasages se démarquent aussi en NOlO0 où la valeur de phase est plus dispersée et globalement plus faible. Ces indications montrent que, pour des hétérogénéités conductrices, la direction de polarisation E à l'échelle du secteur est plus proche de la direction N010° que des deux autres. Cette direction pourrait représenter la direction des fractures particulièrement karstifiées en N040°-050° ou celle des joints de stratification en N060°. La figure 4.5 montre que les résistivités du secteur Ll sont légèrement plus basses en N095° alors que les phases dans cette même direction présentent les valeurs les plus élevées. Cela tend à montrer que la direction de polarisation E (pour structures conductrices) serait à l'échelle du secteur plus N-S que E-W. Notons que l'effet de fréquence est ici négligeable puisque les émetteurs N010° et N095° sont respectivement de 16.4 et 16.8 kHz. Le secteur L2 de Lindau (non représenté) utilisant les mêmes trois directions présente des résistivités également maximales en NOlO0 et des déphasages nettement plus bas en N010°, d'environ 14° par rapport aux deux autres directions. Cela montre que la direction de polarisation E serait à l'échelle du secteur L2 également plus N-S que E-W. Cette direction préférentielle correspondrait à celle du filon Hermann et des structures parallèlles qui lui sont associées (cf.§ 2.3.2). L'exemple de la figure 4.6, regroupant les valeurs MT des secteurs B14, BIS, B17 et B18 est peut être le plus intéressant car il se situe dans la même lithologie que le secteur Nl 6-5 de la figure 4.3 mais représente un échantillonnage biaisé. Cet ensemble de 344 mesures se situe en effet au droit, ou à proximité immédiate, d'une zone de faille régionale d'orientation N-S et devrait logiquement privilégier cette direction. La fig. 4.6 montre que ce n'est pas le cas car les plus fortes résistivités ainsi que les plus faibles phases (polarisation E) se trouvent dans l'orientation Nl 10°. Par contre, si l'on considère les graphes en détail, on observe que dans la zone des résistivités faibles (au droit des zones faillées) les phases minimales sont logiquement orientées en N010. L'interprétation de ces différences directionnelles en termes de structures est complexe en milieu hétérogène car l'on n'observe pas d'uniformité directionnelle à l'échelle locale. Néanmoins, les tendances directionnelles semblent se marquer (sur un échantillonnage unimodal) par des résistivités plus élevées et des phases plus basses (polE) mais également par une dispersion plus faible des résistivités. Cela peut se comprendre en considérant la variation plus faible des résistivités autour de la direction de polarisation E, tels que le montrent les diagrammes polaires de la figure A. 1.5 de l'annexe A.l. Hétérogénéité -55 - 55 - O - 45 -35 - O ° O fjg 9*À cas O i ?1 to ° 1 I ¦ I ' 1 ¦ 25 - O ° - O - 15 - - *> - - O O —i—r---i—¦—T-"—i—¦-1—i—I 0 N095* —1—¦—I—¦—T-"—I—¦—T- - 1.60 2.00 2.40 2.80 3.20 3.GO 4.00 log(rhoa) 55 - _!_,—L_ «5 - - 35 ¦ 0 s% J o Of 25 • o° ° WzJ - 15 • O <9 °c O - S • O NH 5* 1.60 2.00 2.40 2.BO 3.20 3.60 4.00 log(rhoa) 100- .....I I I I 1 1.........1..Il LINDAU • L1 Orientation NOIO- 314 observation* mean: 3.191 and. dov.: 0.314 OfW. errar: 0.01 î variance: 0.046 riM.lT k 0.00 0.60 1.20 1.G0 2.40 3.00 3.60 4.20 log (rhoa) 100- LlNDAU - Ll Orlaniallon HDS3* 314 observation* mean: 3.03 and. dev.: 0.222 Etnd. tirer: 0.013 variane«: 0.049 ,rlillllh, 00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.60 4.20 4 .SO log Irhoa) '....................' ' '......¦ ¦ ' LINDAU - Ll Orlaniallon Nl 43* 114 observation* man: 3.095 Und. dov.: 0.220 Bind, error: 0.012 variance: 0.0*5 -F=FH 0* 1111111111 00 0.60 1.20 l.aO 2.40 3.00 3.60 4.20 4.B0 log irhon) O O O 2 W~i LINDAU - SECTEUR Ll: ECHELLE LOCALE Fig. 4.5. Distribution des valeurs VLF-R (résistivité et phase) en fonction de la direction de mesure. Site granitique de Lindau, secteur Ll, mesures en N010° ( 16.4 kHz, en haut), N095° ( 16.8 kHz, au centre) et N145°(i9,0kHz,enbas). Enfin, la figure 4.6 suggère qu'il faut tenir compte de la position relative des mesures pour préciser l'interprétation des effets directionnels. - 56 - Hétérogénéité 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80 3.20 3.60 4.00 loglrhoa) BO ¦ ¦ • ¦ .....-I1 O > 70 - O - O 0 Q) O BtA11 ffl. to*oo qeffiw^^ S*^ °# - 50 - °° o$ OO fi O O OO 0 °0 O 40 ¦ o Jh 30 - 8 ( 00 ° o ^0O ° o O 0 . ° 20 - - 10 ¦ ¦ I ¦ I ¦ I ' I ' I ' I ¦ 1 O N120-N135 1.20 1.60 2.00 2.40 2.B0 3.20 3.60 4.00 logfihoa) ..... -L-L. BURE • S14, IS, 17. 18 Orient. NOOO'-OIO* 344 observation* mean: 2.607 « nd. dev.: 0.299 sind, eiror: 0,016 variance: 0.069 .........rrrf BWx- 0.00 0.60 1.20 1.BO 2.40 3.00 3.60 4.20 4.BO log Irhoa) 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.60 4.20 4.80 log Irhoa) BURE • 514, IS, 17, IB Orlar!. N12CM3S* 344 o starvations mean: 2.6*5 •md. dev.: 0.363 «ti*l «rrar: 0.019 variane«: 0.132 0.00 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.60 4.20 4.B0 loç (rhoa) O O Z O O fi O O BURE - SECTEURS B14, B15, B17, B18: ECHELLE LOCALE Fig. 4.6. Distribution des valeurs VLF-R (resisti vi té et phase) en fonction de la direction de mesure. Site de Bure, secteurs B14, B15, B17ct B18, mesures en NOOO0 (12.1, 16.4 kHz, en haut), N100-110* (24.0 kHz, au centre) et N120-135° (16.9, 19.0 kHz, en bas). 4.2.2. La variabilité locale La relation entre la variance d'une série d'observations en fonction de la distance entre les observations peut s'exprimer par un variogramme selon la théorie des variables régionalisées (Guillaume 1977, Isaaks and Srivastava 1989). Il s'agit de pouvoir évaluer Hétérogénéité -57 jusqu'à quelle distance deux mesures sont encore significativement liées entre elles. Ce type d'approche permet de déterminer la structure du champ de la variable mesurée, donc de mieux justifier l'intervalle de mesure en fonction du milieu étudié. Nous présentons à la figure 4.7, deux profils RMT effectués sur le secteur B17 dans les mêmes conditions expérimentales. Ces profils (Pl et P2) sont situés à la figure 5.1. Les variogrammes (du log de la résistivité et du déphasage) associés à ces deux profils sont présentés à la figure 4.8. Ils expriment l'évolution de la semi-variance en fonction de la distance séparant deux points de mesure. Afin de pouvoir comparer les variances, nous relevons la distance d'intersection entre cette fonction d'interpolation et la ligne de variance maximale de l'échantillonnage (environ équivalent à la portée). Nous admettons qu'au-delà de cette distance l'interpolation entre deux observations n'est plus souhaitable. Nous obtenons ainsi pour le profil 1 les distances d'interpolation suivantes: B 17-Pl 19S.0 kHz 60.0 kHz 19.0 kHz 16.0 kHz rho app. 25 m. 25 m. 23 m. 23 m. déphasage 41 m. 59 m. 63 m. 72 m. De même pour le profil 2, effectué dans des conditions identiques, on obtient: B17-P2 198.0 kHz 60.0 kHz 19.0 kHz 16.0 kHz rho app. 15 m. 16 m. 18 m. 17 m. déphasage 28 m. 35 m. 31 m. 28 m. Nous constatons que les mesures RMT-R de B17 présentent une forte variabilité. Cette variabilité se traduit par une continuité spatiale réduite, entre 15 et 30 m pour les résistivités et entre 25 et 75 m pour les déphasages. Pour illustrer la variabilité locale.très forte nous représentons à la figure 4.9 le profil P2 du secteur B17 avec des intervalles de mesure originaux de 5 m, puis augmentés à 15, 30 et 50 m. Par cette figure, nous confirmons les observations effectuées sur les variogrammes. L'intervalle de 5 m est approprié et les anomalies de rhoa et de phi, même secondaires, sont calées par plusieurs mesures. L'intervalle de 15 m est encore acceptable pour les déphasages mais ne représente plus que partiellement le champ des résistivités. A titre d'exemple, l'anomalie positive située à 290 m n'est plus représentée. - 58- Hétérogénéité 10000 -J ? 1 •g îooo g M a; 100 -J '¦¦-¦' 1.,,,1, B17-P1 -S-----R-198KHZ -----1-----R-19KHZ -K-----R-60KHZ -----û-----R-16KHZ -50 -[—T—i—i—i—i—i—i—i—i—i—l—r—1—l—[—l—l—r—i—l—i—l—i—r 50 100 150 200 250 3Ò0 DISTANCE (m) o W Q (¾ 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10000 i . . -I---1---1___I___1___I___L J_^. J___I___L__]___I___I___I___L. B17-P1 1 ' ' I ' ' ' ' I ' ' ' ' l ' ' ' ' I ' ' ' ' 1 ' ' ' ' I ' ¦ ' 50 0 50 100 150 200 250 300 DISTANCE (m) 5 1000 -= g 100 J__I__I__l_l__I__I__1__I__I__I__1__I__I__I__I__I I I .... 1 -I__l_J__I__1_ B17-P2 -e-----R-198KHZ -*-----R- 6 OKHZ h-----R-19KHZ *-----R-16KHZ -50 "1—i—l—i—i—i—i—l—i—l—i—i—i—i—r—i—i—J—r- 50 100 150 200 DISTANCE (m) T']l 'l-T T- ]"T n- 250 300 350 w Q CU 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ....... B17-P2 SE ¦ 1 i ¦ ' ' * \ ' ' * ' i ¦ ' ¦ ' i 50 0 50 100 150 200 250 300 350 DISTANCE (m) Fig. 4.7. Profils RMT-R B17-P1 et B17-P2effectuésenmodeunidirecuonnelmultifréquences(4 fréquences, résistivité app. et phase). Direction des mesures en N135". Site de Bure, secteur B17. Situation des profils à l'annexe A.3.4. Hétérogénéité 59 - Fig. 4.8. Semi-variogrammes de la rési sii vi té (log rhoa) et de la phase à 19.0 kHz correspondant aux deux profils RMT-R de la figure 4.7. Site de Bure, secteur B17. Comme prévu sur variogramme, l'intervalle de 30 m est acceptable pour les déphasages, mais ne représente plus que les anomalies majeures du champ des résistivités. Enfin, l'intervalle de 50 m apparaît déjà trop élevé pour les déphasages et ne représente plus le champ des résistivités locales. Ces observations démontrent l'importance de connaître la variance du paramètre géophysique mesuré à l'échelle du site étudié. Cette variance nous renseigne surtout sur la distance "d'interpolabilité" entre deux stations de mesures et sert de critère pour le dimensionnement d'une cartographie géophysique. 4.2.3. LA VARIABILITÉ DIRECTIONNELLE LOCALE ET L' ANISCfTROPIE RNTT L'utilisation magnétotellurique en milieu fracturé implique que l'on puisse évaluer en un point les effets EM directionnels créés par l'hétérogénéité du milieu puis, par déduction, la - 60 - Hétérogénéité e.o sb.o iDD.o ise.e ice.e is«, a 309.« jso.« Olita»« M-E la) e. g se. e ice.e is«, s leo.o iso.o 309.0 01.t.ne. H-E 1 ¦¦¦¦¦¦ ¦ lnt«rv*.lla - IS a -R-llim ¦ H-lOUB o.e SB.o loo.» ïso.o 10t.0 15« .0 »g.« îso.o Dittane« M-E (¦) 0.0 ».0 HO.« ISO.« 190.« ISI.0 »9.0 OlitMW. D-E (a) ¦17-BroCll 2 IntiTTiU« - SO K -*-iia»n —.— t-t«m ¦ i-iim « i-iun O.O 50.0 100.0 1SO.0 i«0.« IiO.0 100.0 ISO.« Oil tin« H-E lui 0.« so.0 100.0 lio.0 300.0 jso.« 309.0 Olitine H-I la) 111-Pnfll 2 latarnlla - SO -H-IHkII a H-IlHaI - ¦ ¦ ¦ »|tm -se.o «.« sc* 10t.0 is*.0 Joi.t »«.0 Ji«. « ss«.o ¦«.« ' 79.« ¦ M.« ' I "•¦ ¦ & 10.0 ¦; I »¦• M.o : 10,0 ¦ 0.« BlI-VnEIl 2 IcMmUi - SO -so.c 1.1 so.o no.« îso.« 191.« îso.0 ioo.o iso.o DlItUMH «-E Ih) resistivite DEPHASAGE Fig. 4.9. Profil RMT-R B17-2 (résislivité et phase). Perte de l'information géophysique sur la structure avec l'augmentation de la distance entre les stations de mesures. Site de Bure, secteur B17. Hétérogénéité -61 - direction des structures fracturées conductrices. La réponse MT d'une structure 2D idéale (filon conducteur vertical) est calculée par Fischer, Le Quang et Müller (cf. annexe A. 1.3.3) et constitue la base théorique de cette étude . Nous avons reproduit à la figure 4.10 l'effet directionnel de cette structure sur un graphe phi vs log rhoa, et ceci pour quatre positions successives du dispositif de mesure par rapport à l'interface gauche de la structure. Cette évolution calculée assume une fréquence unique donc aucun effet dû à la variation de profondeur de peau. Fig. 4.10. Representation dans le champ phi vs (log rhoa) des effets de polarisation calculés sur la structure théorique de type "filon conducteur" (Fischer et al. 1983) présentée à l'annexe A. 1 (§ 1.3.3, figure A.1.5). Effet au centre de la structure (y = 5 m), à l'interface structure-matrice (y= 10m), à 10m de cette interface, sur la matrice (y = 20m) et hors de l'influence de cette structure (valeur de matrice, y = <»). La polarisation E est considérée en N360°. Ces quatres positions montrent : - que l'effet directionnel décroît très rapidement avec la distance à la structure; - que l'effet directionnel le plus marqué entre la polE (N360°) et la polH (N090°) pour une structure 2D se trouve à l'interface des deux milieux (y = 10 m) pour la resisti vite et au centre de la structure (y = 5 m) pour la phase. - que pour une position suffisamment éloignée de la structure (cas y = 20), l'effet directionnel entre polE et pol H est logiquement moindre et que la progression de la polE à la pol H se fait des petites phases et des petites résistivités vers les hautes phases et les grandes résistivités (effet inversé). - 62 - Hétérogénéité Cinq exemples de variabilité directionnelle locale sont présentés ci-dessous dans 3 contextes géologiques régionaux différents. Les secteurs B07 et B18 du plateau de Bure, les secteurs Ll et L2 du granite de Lindau et le secteur Hl du causse de l'Hortus. a) Bure secteur B07- cas dune zone de faille La cartographie géologique classique montre que le secteur B7 est constitué de deux compartiments de calcaires du Séquanien supérieur séparés par une zone de faille d'orientation N-S située au centre du secteur, entre les lignes x= 2 et x=3. La distribution d'ensemble de ces mesures pluridirectionnelles (5 directions) montre une bipartition MT nette de ce secteur (cf figure 4.11 ). 60 55 50 45 S 40 QU 35 30 25 20 15 lil,!,! I I I i I . I I ¦ I Secteur B7 o o° P X + O + x D + xO X + + O a o x ï o o >+ O X S4*4?3 > C 0OO D O O O N3600 D N075° O N1150 X N120' + N1350 B7 Ten • "J fflfîï JSi n. Q ta 11 T fc?S -i—i—i—i—r I ' I ' i ' 1 i—l—i—l—i—l—i—I—i—l—r- 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 log(rhoa) 3.2 Fig. 4.11. Distribution des valeurs VL,F-R pluridirectionnelles (5 directions) dans le champ phi vs log rhoa. Bure secteur B7 (situation cf .annexe A.3.1), totalité des mesures. F: zone de faille supposée. La distribution spécifique des mesures VLF pluridirectionnelles (5 directions) dans le champ log rhoa et phi pour la ligne y = 4 est représenté à la figure 4.12. Cette figure montre: - une bipartition très nette entre les compartiments Ouest et Est de part et d'autre de la faille indiquant un changement de contexte géologique. Le bloc Ouest (à droite sur le diagramme) est constitué d'un résistant surmontant un conducteur (résistivités élevées Hétérogénéité -63 - et phases élevées), alors que la partie Est (à gauche sur le diagramme) est constituée d'un conducteur surmontant un résistant; 60 " i I . I . I . I , I • I \ "s 1.1,1,1,1,1.1,1,1.1,! ,^. 1/4 ,-^' 0/4 -:^ \*» 2/4 N135° . 55 - - Tm W W N N 0 ¦ O i: i L 4 ¦ - . î ¦ 50 . : i u . Jtut tu \ ¦ &W > ¦ 45 " ^) ' ,y è -H a 40 -35 ¦-30 : 25 -20 - 3/4 ^ +--. y <\ \ ^ XÌ ,X >ï. V 4/4 \q" ¦->••„ x --.. ,.....9' O N360D D N0750 O N115e X N120° + . , . , ! . I I l I , I I I l I I 1 I I ! , I I I 1 I I I ! ! I I I - 1.2 1.4 1.6 1. 2 2.2 2.4 2.6 2.8 log(rhoa) 3.2 Fig. 4.12. Distribution des valeurs VLF-R pluridirectionnelles (5 directions) dans le champ phi vs log rhoa. Bure secteur B7, ligne y =4. La présence de la faille F (cf. fig. 4.11 ) est clairement confirmée, malgré les effets directionnels, entre les stations 2 et 3. - l'organisation des mesures pluridirectionnelles en chacun de ces points est variable. La bordure Est présente pour les trois stations assez logiquement une polE sur la direction N360° (phase minimum). En bordure Ouest, l'effet de polarisation le plus marqué présente une polarisation E inverse, dans la direction approximative E-W . Notons que les points 1/4 et 4/4 situés en bordure immédiate de la faille ne présentent pas d'effet de polarisation marqué. Les deux stations extrêmes (0/4 et 5/4) présentent un effet directionnel marqué surtout par le déphasage. Sur ce cas simple, on remarque que les effets EM directionnels varient à l'échelle locale. b) Bure secteur Bl 8 - cas d'une zone de faille - mesures détaillées Le réseau de mesures VLF-R pluridirectionnelles de B18 est situé à la figure 4.13. Son emplacement sur une zone de faille régionale, l'espacement de 10 m entre chaque station de mesure, l'utilisation de trois fréquences très proches et le contexte d'une zone conductrice subverticale englobée dans une matrice résistante et d'un soubassement - 64 - Hétérogénéité conducteur sont des conditions expérimentales favorables. Fig. 4.13. Situation des mesures VLF-R pi unidirectionnel les (cercles) du secteur B18 du site de Bure. Les cercles noircis représentent les stations de la figure 4.15. Projection en surface du réseau karstique de Mi landre (M). Indication du centre de la zone failléc F cartographice géologiquement (irait épais). La figure 4.14 présente trois cartes directionnelles présentant en chaque point (A) la direction de la plus petite phase mesurée, (B) celle de la plus grande résistivité et (C) la superposition de ces deux directions. Les trois directions de mesures sont N000° (16.4 kHz), N110° (16.8 kHz) et N135° (16.0 kHz). Les fréquences étant proches, les différences enregistrées en une station sont dues uniquement aux effets EM directionnels créés par les hétérogénéités locales. Théoriquement, si les directions de la plus petite phase et de la plus grande résistivité sont confondues, elles représentent la direction d'allongement des structures faillées subverticales considérée comme conductrices par rapport à la matrice calcaire (poi. E, figure 4.14, carte C). En nous basant sur les phases (paramètre plus sûr) nous observons que le 56 % des stations VLF présentent une direction unique en Nl 10°. Cette direction est surtout représentée dans les zones externes à la faille et semble représenter la direction "normale" du lieu. Le 29 % des stations présentent une direction en N000°, essentiellement au droit de la zone considérée comme faillée. Enfin 15 % des stations présentent une direction en N135° et sont groupés dans la partie Sud-Est du secteur B18. De plus, l'effet de polE (phi Hétérogénéité -65 - min et rho maximum confondus) est respecté pour le 80 % des observations. \^ \ I \^\ I \ \ \ \ \ II l\\ I I I I \ 29 B \ 23 \ -^ \ \ 10 .16 I ^\ \ W WWW W I \ W _______20____________ i N ^k ¦vwt -v- U >S^SÌ Sw w IUiUx \1,lU\ Fig. 4.14. Cartes directionnelles des stations VLF-R (mesures en NOOO*, NlIO6 elN135°)dusecteur B18 du sile de Bure avec (A) direction de la phase minimale, (B) direction de la resisti vite maximale et (C) directions superposées de la phase minimale et de ta resisti vi té maximale. Sur la base de ia carte des directions de la phase minimale (indicateurconsidéré comme le plus fiable) nous subdivisons cette surface en 4 zones "isodirectionnelles": - la zone 1 couvre l'ensemble de la partie Ouest de B18. Elle comprend le plateau calcaire bordant la faille régionale à l'Ouest. La direction de polE est possible entre N055°etN122°; - la zone 2 couvre la partie centrale de B18. Elle comprend la zone déprimée sans - 66 - Hétérogénéité affleurement calcaire. La polE est possible entre N3370 et N055°; - la zone 3 couvre la partie Nord-Est de B18. Les directions de polE sont similaires à celles de la zone 1 ; - Enfin, la zone 4 couvre un secteur allongé au Sud-Est de B18. Ses hétérogénéités géophysiques sont orientées entre N122 et N157°. Les mesures de terrain confirment sur deux points les comportements théoriques calculés sur une structure conductrice 2D (cf. annexe 1, figure A. 1.5) : la polarisation E sur la zone de faille est réalisée pour l'ensemble des stations et cet effet s'atténue très rapidement avec la distance à la faille. On note cependant qu'il n'existe pas de zones géophysiquement isotropes et surtout que la direction de polE des zones marginales de la faille est ± perpendiculaire à la direction de celle-ci. Nous discutons cet effet sur un secteur adjacent au chapitre suivant (cf. § 5.1.3.1). Ces observations montrent que l'effet EM directionnel induit par les hétérogénéités électriques du sous-sol varie de façon cohérente à l'échelle locale. Nous ajoutons, pour la prospection des cavités karstiques, que ces dernières ne produisent pas d'anomalie directionnelle notable. Sur B18, le réseau connu est complètement inclus dans la zone isodirectionnelle centrale (zone de faille). L'évolution des phases et des résistivités le long du profil pluridirectionnel y = 24 du même secteur B18 est présentée à la figure 4.15 pour les stations x= 11 à x=19. A quelques 40 m en bordure Ouest de la faille (point 11) l'effet de polarisation est net, Ia pol H est dans la direction Nord-Sud et la résistivité est moyenne. En se rapprochant de la structure conductrice la polarisation se marque très fortement au point 12 puis la relation s'inverse aux points 13 et 14 pour arriver à une polarisation inverse où la polE est Nord- Sud. Cet effet s'accroît jusqu'au point 17 où les résistivités et les phases sont basses. Entre les points 17 et 18 intervient un brusque changement créé par une forte augmentation de résistivité (bordure Est de la zone de faille). Cette évolution détaillée dans le champ rho/phi à travers la bordure Ouest de la zone de faille centrale permet les constatations suivantes: - dans la zone de marge calcaire (N° 11 et 12), la direction de la polE est NIlO0 et les différences directionnelles de ces 2 stations sont d'amplitude moyenne; - les deux stations suivantes (N°13 et 14) ne présentent pas d'effet directionnel bien marqué et notamment pas de correspondance directionnelle entre la phase min. et la résistivité maximum (cf. figure 4.14). Elles correspondent à une zone de transition; - les stations suivantes (N° 15 à 17) présentent des effets EM directionnels conformes à une direction de polE en N000°. Les effets les plus marqués (N° 16 et 17) se trouvent Hétérogénéité -67 - logiquement sur les zones les plus conductrices que l'on peut considérer comme la faille au sens strict. Notons que le réseau karstique se trouve entre les points très anisotropes N° 16 et 17. 80 . .......I . . . , r . . , , I . , , . I , . , . I . . . . | . . . , | . . Il Il I I I I ¦ B18 - ProHl 24 ¦ 75 " 70 - stations 11 à 19 - ^ Ds 11 ie À D Ov \ 19 . 65 " N \ ^ \ n - CJ) ¦ \ : 60 : \ \ \ \ LiJ CO < 55 : s \ \ ^O 12 - X Û_ so : O 16.4 kHz X \ s, v ° ^ 75 - . D 16.8 kHz 45 -40 1 X 16.0 kHz i i 17 ^ IS i i —I-I—f—1—I—i"T- J—i—r- 1. 50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 log Rhoa (ohm.m) 3.75 Fig. 4.15. Evolution des effets directionnels le long d'un profil VLF tridirectionnel recoupant transversalement une zone de faille d'orientation Nord-Sud. Site de Bure, secteur B18, profil y = 24, stationsx= 11 à x = 19(situéesà la figure 4.13). Mesures en 16.4 kHz NOOO0, 16.8 kHz N110° et 16.0 kHzNDS0. Cet exemple d'évolution détaillée montre que la distribution spatiale des effets directionnels mène au concept de "zone isodirectionnelle " : zone où les effets directionnels sont identiques. La zone isodirectionnelle pourrait être un indicateur de la direction des structures fai liées, mais pas de l'intensité de la fracturation. Cela implique que les différences directionnelles ne doivent pas être interprétées uniquement sur la base de leur intensité, mais aussi sur celle de leur évolution spatiale. La station N° 13 (peu de différence de phase), située à l'interface d'une zone très fracturée en est l'exemple type. On remarquera aussi qu'en mesurant uniquement en N010° (16.4 kHz), on obtient une résistivité supérieure an droit de la zone faillée (points 15 et 16) à la résistivité que l'on mesurera par exemple sur sa marge calcaire occidentale (points 11,12). - 68 - Hétérogénéité Cette organisation spatiale en zones isodirectionnelles se retrouve sur les secteurs géophysiques de Lindau et sur celui du Lamalou. Malheureusement les données géologiques de vérification sont trop éparses et mal adaptées aux anomalies du champ magnétotellurique. Il ne sera donc possible que de présenter des indices sur les relations entre les zones isodirectionnelles et les structures géologiques. c) Lindau secteurs LJ et 12 Les figures 4.16 et 4.17 montrent les phases minimum et les résistivités maximum (normées) sur les secteurs 1 et 2 du site granitique de Lindau. Fig. 4.16 Cartes directionnelles des stations VLF (en NOlO*, N0950 et N145°) avec pour chaque station: direction de la phase minimale (A), direction de la résistivité maximale (B) et directions A el B superposées (C). Site de Lindau, secteur Ll. Les directions marquées en traits interrompus indiquent des déphasages inférieurs à 45°. Hétérogénéité -69 - Les phases minimum de Ll sont essentiellement orientées en N1450 et NOlO0 et les résistivités maximum préférentiellement en N010°, mais présentent des regroupements en N095° et N145°. La distribution spatiale des effets directionnels est plus variable que dans le cas de B18, mais géologiquement, Ll est caractérisé par la présence du filon Hermann (direction N-S) et par celle des filons phorphyriques et dioritiques d'orientation NW-SE (cf annexe A.5.2). Fig. 4.17 Cartes directionnelles des stations VLF (en N010°, N0950 et N1450) avec direction de la phase minimale (A), direction de la résistivité maximale (B) et directions superposées de la phase minimale et de ta résistivité maximale (C). Site de Lindau, secteur L2. Les directions marquées en traits interrompus indiquent des déphasages inférieurs à 45°. La situation est différente en L2 (figure 4.17) où les phases minimales sont presque exclusivement orientées en NOlO0 et où les résistivités maximales sont orientées en N010 - 70 - Hétérogénéité et N095°. Géologiquement, ce secteur est surtout caractérisé par la présence du filon Hermann, de direction N-S. Sans autre source d'information, il est difficile d'interpréter plus en détail les effets EM directionnels de ce milieu granitique, mais la variabilité locale de ces effets n'est pas incohérente avec la présence de multiples structures conductrices d'épaisseur métrique. La direction des phases apparaît être un meilleur critère que celle des résistivités. On remarque notamment que les directions N010° et N145° de Ll correspondent avec les directions de polarisation E, respectivement, du filon Hermann et des dikes associés. La direction unique de polE en N010° sur L2 correspond aussi à la présence du filon Hermann seul. d) Lamalou secteur Hl La fig. 4.18 présente les zones isodirectionnelles du secteur Hl du Lamalou. Les phases minimum sont essentiellement subdivisées en deux zones isodirectionnelles dont Ia principale est orientée en N010° et la seconde en N120°. Le manque de corrélation géologique lié à la forte hétérogénéité du milieu rend difficile toute interprétation plus détaillée. Notons cependant que sur ce secteur H1: - la direction N030-0500, la plus proche de la direction préférentielle des phases minimales (NOlO), est levée localement sur le site du Lamalou comme la principale direction de karstifi cation (cf annexes A A3 et A.4.4). la direction NlOO0 à N130, la plus proche de la direction secondaire des phases minimales (N 120), est levée sur le site du Lamalou (et sur l'ensemble du causse de l'Hortus) comme une direction de facturation préférentielle, représentée aussi bien en surface qu'en profondeur (cf. annexes A.4.3 et A.4.4). Cette observation est soutenue par le fait que la zone i sodi recti onnelle des phases minimales en N1200 (carte A) est située au droit de la zone comprenant le réseau karstique cartographie du Lamalou. 4.3.RESUME L'ensemble des observations de ce quatrième chapitre montre que les mesures radiomagnétotelluriques peuvent être utilisées à plusieurs échelles. Si l'on considère l'unité comme étant la formation géologique, on considérera la globalité des mesures, indépendamment des effets directionnels. Cette procédure permet de dégager les tendances géophysiques des différentes unités géologiques. Ces tendances Hétérogénéité -71 - semi-régionales ne peuvent pas être extrapolées à une situation locale. Fig. 4.18 Cartes directionnelles des stations VLF pluridirectionnelles (en N010°, N120° et N1500) avec direction de la phase minimale (A), direction de la résislivité maximale (B) et directions A et B superposées (C). Site de l'Hortus, secteur Hl. Les directions marquées en traits interrompus indiquent des déphasages inférieurs à 45°. L'étude locale en milieu fissuré nécessite une attention plus détaillée, car l'hétérogénéité RMT locale du milieu est dans certains cas comparable à l'hétérogénéité RMT régionale. Plus encore que les valeurs absolues, la structure spatiale des paramètres électromagnétiques est donc essentielle pour caractériser un milieu fracturé. A l'échelle locale, la differentiation de zones présentant une même direction de polarisation (zone isodirectionnelle) apparaît intéressante car elle met en évidence une nouvelle possibilité de structurer le milieu. Sur le site de Bure, il est possible de - 72 - Hétérogénéité démontrer que ces zones isodirectionnelles ont une cohérence interne et que certaines d'entre elles sont manifestement liées aux zones fracturées. Il est par contre prématuré de prétendre que leur concept peut être généralisé. Les exemples de l'Hortus et de Lindau laissent penser que tel pourrait être le cas. Enfin il est montré que si les anisotropics RMT élevées représentent généralement des milieux fracturés (et karstifiés), des milieux très fracturés peuvent ne pas être représentés par des anisotropics RMT élevées (cf. également fig 5.5). Chapitre 5 MODELE GEOLOGIQUE La transcription des réponses électromagnétiques en information géologique quantitative constitue l'objet de ce chapitre. Nous verrons que s'il est toujours possible de modéliser une structure géologique concordante aux mesures EM, le problème inhérent à cette transcription est lié à sa vérification. En effet, en l'absence de données spatialement continues (tunnel, tranchée, carrière), les forages ne permettent qu'une vérification ponctuelle du modèle géologique. En outre, il est évident que plus le terrain est hétérogène et plus la corrélation entre les données de forage et celles des mesures géophysiques sera faible. Bien que le contexte géologique des sites de Lindau et de l'Hortus fut considéré comme relativement simple, la densité de forages s'est malheureusement avérée insuffisante par rapport à l'hétérogénéité radiomagnétotellurique du milieu et, qui plus est, l'emplacement des forages s'est avéré souvent indépendant des anomalies du champ des paramètres électromagnétiques. Seul le site de Bure (par ailleurs aussi plus hétérogène que prévu) a pu être observé par un ensemble de forages implantés sur des critères magnétotelluriques. Pour cette raison, l'argumentation des corrélations entre le champ RMT et l'observation géologique sera essentiellement basée sur le site expérimental du Maira (situation cf. annexe A3.4). Trois étapes d'analyse sont développées dans ce chapitre: - la première consiste à étudier semi-quantitativement un secteur stratigraphiquement simple dont les zones principales de drainage (réseau karstique) sont connues (secteur B17). Nous mettons en parallèle les réponses RMT et les observations morphogéologiques, les levés de fissuration et les indications d'une série de 4 forages (cf. annexes A.7.1 et A.7.2); . 74 - Modèle Géologique - La deuxième étape consiste en une comparaison quantitative entre une série de forages et une modélisation unidimensionnelle des mesures géophysiques RMT multifréquencesetmultidirectionnelles; - la dernière est une interprétation quantitative bidimensionnelle d'un profil RMT de 300 m de long calibré en 6 points par forage; 5.1. BURE SECTEUR B17 - ÉTUDE D'UNE SITUATION LOCALE Pour illustrer une étude locale, nous avons choisi un secteur carré de 250 m de côté comprenant un réseau régulier de 121 stations de mesures VLF pluridirectionnelles, deux profils RMT détaillés et 7 profils VLF-EM en outphase. B17 est situé sur le plateau de Bure, à quelques dizaines de mètres au Nord du secteur B18, sur la même zone de faille N-S et au droit d'un double tronçon cartographie du réseau karstique de Milandre. Ce secteur est présenté à la fig. 5.1. Fig. 5.1 Carte de situation des stations de mesures VLF-R pluridirectionnelles en N360°, N115°, N120°, NBO0 et N150° (cercles noircis), des profils RMT-R unidirectionnels (N0I et N°2) et des profils VLF-EM d'outphase (profils A à F). Indication des forages (NEB), du tracé du réseau karstique de Milandre el de la trace de la zone de faille Nord-Sud principale (en grisé). Site de Bure, secteur B17. Modèle Géologique - 75 - Il s'agit d'évaluer: - les correspondances entre les valeurs RMT et la cartographie géologique locale; - l'information structurale fournie par les données RMT; - les limites d'interprétation des valeurs RMT locales. 5.1.1. OBSERVATIONS DIRECTES SUR B17 A l'affleurement B17 est constitué de calcaires rauraciens surmontant les marnes oxfordiennes. Ce contexte est précisé par quatre forages verticaux carottés situés à l'intérieur ou aux abords immédiats de ce secteur (figure 5.1), dont la description et les levés figurent à l'annexe A.7.1. L'ensemble de ces 4 forages montre que la zone de B17 est un terrain essentiellement bicouche, avec une formation calcaire d'épaisseur variable entre 60 et 85 m surmontant une formation marno-calcaire et marneuse. Cette formation calcaire peut présenter localement une couverture limono-argileuse d'épaisseur variant entre 0 et 6 m et un épikarst de 1 à 4 m d'épaisseur. Les formations de ce secteur apparaissent relativement homogènes et les décalages verticaux apparaissent faibles (inférieurs à 6 mètres). 11 faut cependant noter que la zone Nord-Est de B17 n'est pas reconnue par forage. D'autre part un relevé de fissuration proche de B17, situé à l'annexe A.3.4, est disponible (Kiraly et al. 1971). Il ressort de ce levé que la fréquence globale de fissuration est moyenne et que le classement des fréquences des 3 systèmes de fractures présents est: NOOO0 (de 10 à 20 fractures par 10m), N025° (de 30 à 40 fractures par 10m) et Nl 10° (de 40 à 50 fractures par 10m). Notons que les deux premiers systèmes sont les systèmes les mieux représentés sur l'ensemble des 10 stations de mesures prises en compte sur l'ensemble du plateau de Bure (cf annexe A.3.3). A cette même échelle, le troisième système est étonnamment Ie moins bien représenté régionalement alors qu'il l'est le plus sur ce levé. D'autre part, cette direction n'apparaît pas dans les orientations des galeries du réseau karstique contrairement aux deux premières directions. Les auteurs mentionnent cependant "la karstification sur de courtes distances seulement du système N110" expliquant ainsi, l'absence de ce système de galeries. 5.1.2. OBSERVATIONS INDIRECTES SUR B17 La présence d'un contexte local essentiellement bicouche (cf. ci-dessus) avec 60 à 85m de calcaires sur marnes doit se traduire en VLF-R par une résistivité apparente fortement influencée par celle des calcaires rauraciens, mais surtout, par un déphasage supérieur à 45° (résistant sur conducteur). Le graphe de la figure 5.2 comprenant la totalité des mesures pluridirectionnelles montrent en effet que les valeurs de résistivité sont essentiellement comprises entre 300 et 1200 ohm.m avec une moyenne de 630 ohm.m - 76 - Modèle Géologique (log: 2.80) et un déphasage toujours supérieur à 45° avec une moyenne à 59e ao 75 70 o IO S 65 C £ 60 55 50 45 ¦!¦¦¦!¦.l|lM|M.|-|.H[.H|m|...|M.|,, 1,,,1,,.1,..1,, .1,.,1.,,1..,1,, B17 N360* ¦!¦¦¦!¦¦¦I ¦¦[¦ O QOc ,;..,; ,,| ,|, .;,, |,,,|,,,i ¦!,, |, ,!, |, 1.S 2 2.2 2.4 2.6 Î.6 3 3.2 3.4 3.6 3.8 tog(rtioaJ en N360* ¦ ¦ ¦ t¦¦¦1¦¦ -I ¦¦t¦¦¦ !¦ ¦ ¦ j¦ ¦ ¦ I¦¦¦I-- I ao • 75 -70 - '"l"'!'")'"!' B17 Ni 20" ¦ -I... I-.. I ¦ ¦ ¦ t ¦ ¦ ¦ I ¦ • ¦ I ¦ ¦ ¦ t ¦ • • I ¦ ¦ ¦ '1'"1'"I" -l-l-l-i- fifi - O O 0°° O ^°u , 60 ¦ 55 ¦ . ° o° O ( L°o D O o°° ^L a 0(f? » o ö* ofi rto 0 ° S* ? ir é?0 R 0 50 • O «S» ^0 OO ^ 45 ¦ ¦¦¦!¦¦¦!¦¦¦!¦¦I- ¦¦!¦¦¦|...|. ,i.1„,|..,|...|,m|.,. I ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ ¦ |.m1...|...|m. eo -75 -70 - ¦¦¦|-|-l"i|i B17 N130* "I'"l'"l ¦ ¦¦I ¦¦¦!¦>.|.¦¦!¦., I.. ¦i-l-l1 ¦¦I-I-I-I- ] O Pl Z 65 J O 0 °°t C O 1. 60 ¦ 55 ¦ O ¦ o cç O ° a a a C? ÄS u" C ° < o IO > O O 50 ¦ 0 45 - M. 1..,1,,,1..,1. ..!¦¦¦!¦¦¦l .,,I,,,|...|. .!,,,!,,, !¦¦¦!¦¦¦I.. ¦¦¦¦¦|...|..,|... 1.6 a 2.2 2.4 2.6 2.S 3 3.2 3.4 3.B 3.8 log(rhoa) «n N120' 1.6 2 2.2 2.4 2.6 2.0 3 3.2 3.4 3.6 3.8 log(rtioâ) «n Nl 30* 60 -75 -70 - "'l'"l"t"l' B17 N150* ¦ ¦ I" -f ¦¦ ¦ I ¦ ¦¦!¦¦¦!¦¦¦!¦¦¦!¦¦¦I" ¦I-- ¦t---I ¦' "1'"1-1"1I'" fifi - ° ° - ° n c ° O 60 ¦ 55 - O O O O n°n Do°jO0 k° ° S O O0 ° 50 - O o C n 0 ° O O 45 - .,,l,.,l..,l..,l, "I" l"'1 O l...l...ln .[..,1,,,1,.,1,,, -ç «n-- .6 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.6 log(rhoa) «n NlSO* 80 75 70 Î5 " a 60 + 55 ¦!¦¦.¦!¦¦¦¦l—! ¦H4 !¦¦¦¦!¦¦¦¦!¦..¦!¦¦¦.!¦¦¦¦!¦¦¦.!¦¦¦¦!¦.¦¦!¦"¦l-'l .¦|i.»|..»|. -+~+ ¦I — i—i—j. .!¦¦¦¦!¦¦¦¦!¦¦¦¦|. 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.6 3 3.2 3.4 3.6 3.8 log(rhoa) BURE - SECTEUR Bl 7: EFFETS DIRECTIONNELS Fig. 5.2 Distribution des mesures VLF-R dans le champ phi vs log rhoa pour l'ensemble des observations (en basàdroite)el pour chacune des 5 directions de mesure (N360°,N1150,N1200, N130° et N150°). Site de Bure, secteur B17. Modèle Géologique - 77 - Les deux profils RMT-R sur B17, présentés précédemment à la figure 4.7, permettent de préciser l'évolution des paramètres géophysiques avec la profondeur. Les resistivités sont minimales en surface (198 kHz), maximales à profondeur intermédiaire (60 kHz) et intermédiaires en profondeur. Les déphasages sont très inférieurs à 45° en surface, inférieurs à 45° en profondeur intermédiaire et supérieurs à 45° en profondeur. Ces informations confirment les données de forage avec la présence d'un résistant intermédiaire (calcaires rauraciens) surmonté d'un conducteur (limons superficiels et épikarst) et surmontant un conducteur (mames oxfordiennes). A partir de cet ensemble de données et à titre indicatif, la modélisation ID d'un contexte stratigraphique type comprenant 4 mètres de matériel de surface à 250 ohm.m (sol + épikarst), 65 m de calcaires à 950 ohm.m et des marnes basales à 70 ohm.m fournit à 16.0 kHz (fréquence intermédiaire) un couple rhoa/phi de 630 ohm.m et 59° cohérent avec les données de la figure 5.2 (distribution de toutes les observations). Les valeurs radiomagnétotelluriques modales permettent donc une évaluation du contexte lithostratigraphique à l'échelle du secteur B17. L'hétérogénéité reconnue de B17 (cf. variogrammes, fig. 4.8) doit se marquer sur la distribution directionnelle des résistivités et des phases. De plus sachant que la structure locale majeure est orientée Nord-Sud, les valeurs de phase les plus faibles (polE) devraient se trouver préférentiel!ement dans la direction de mesure en N010°. La fig. 5.2 montre effectivement que les différences directionnelles ne sont pas négligeables. Par contre les phases minimales sont majoritairement orientées en Nl 15°, soit à environ 90° de la direction présupposée. Cette direction préférentielle confirme par ailleurs les observations effectuées sur la base de la figure 4.6 et est discutée ci-desssous. La figure 5.3 présente 2 couples de cartes pluridirectionnelles. Le premier couple représente les valeurs directionnelles absolues mesurées en 5 directions (NOlO0, NlOO0, Nl 15°, N135°, N150°) pour la résistivité (log rhoa) et pour le déphasage. Le second couple représente les directions normées selon lesquelles sont mesurés en chaque station la résistivité maximale (droite) et le déphasage minimal (gauche). On observe que: - les différences directionnelles présentent une distribution spatiale cohérente. Les variations d'intensité brutales entre certains points adjacents montrent probablement le sous-échantillonnage local dû à l'espacement de 25 m entre les stations; - les directions de polarisation E (phase minimum et rho maximum) ne sont pas aléatoires malgré l'hétérogénéité du milieu. La direction Nl 15° apparaît clairement prépondérante à l'échelle de B17. Pour les phases surtout, cette direction subit une -78- Modèle Géologique rotation en NOlO0 au droit du linéament conducteur considéré comme la faille principale de direction Nord-Sud (cf. figure 5.1). Déphasage (5 directions) 0 = 45* rt^iU + i a i i i^m,*+ i i i i * 4^r ir^r ^-Hr ^ i * i i % -^VJtVV* * + * * * ^r ^^ ^\ 1, i i i i i ******* i i $ i * *^ ** * * *^ * ^ Jr J*r ir- F^l^FT^I^r/^ i*^*****^* i ^^**^*** * ^*******^ Resistività (5 directions) 0 = minimum de tout le fichier %%-fc. %* •fc % %. 1^ % * %%% * % Y» %^^%^ i, A ^l 4 il * IV 5TP 7^= )^7^ 4/ ^L^L ^L * J^ IT JT T^ > % * %¦%%*% *fe %^^* * «F rç= fp ^ r^ ^= % % 1^ *V )T "% % ^ HT îT5 ^ ^ H ^^ ^ % *t* *!*%%> % * i =^ ^ "^ rP i"? re* 1½= 1^= •% + i Ir *{* 3^ ^ H^ re1 T^P ^ \ * * * Hr. ¦% %^% %> *l* % . . % % ^% ^ ^ "Vf * Déphasage minimal Valeurs normées W Résistivité maximale Valeurs normées 250 m Hg. 5.3 Cartes directionnelles des stations VLF pluridireclionnelles (N000°, N115°, N120°, N130* et N150°) avec magnitude comparée de la phase pour ces 5 directions (en haut à gauche), magnitude comparée du log de la résistivité pour ces 5 directions (en haut à droite), direction normée de la phase minimale (en bas à gauche) et direction normée de la résistivité maximale (en bas à droite). Site de Bure, secteur B17. Modèle Géologique • 79 • La raison de l'orientation préférentielle proche de Nl 15° ne peut être prouvée formellement mais 3 éléments appuient indirectement la réalité physique de cette direction: Ie relevé de fissuration cité ci-dessus (§ 5.1.2) et situé sur la marge de la zone de faille N-S montre une fréquence de fissuration légèrement préférentielle en N110o-N130°; en éliminant les données VLF correspondant à cette direction (mesurée à 24.0 kHz), cette orientation préférentielle se reporte sur la direction de mesure Ia plus proche (NlOO0, 16.8 kHz), attestant l'absence d'effet dû à la différence de fréquence. cette direction apparaît également comme préférentielle sur les marges du secteur B18 (cf. fïg.4.14), secteur adjacent à B17. Les différences directionnelles du champ VLF mesurées sur B17 sont encore plus apparentes si elles sont représentées sur des cartes interpolées (interpolation par krigeage). Conscients de la difficulté d'obtenir une fonction d'interpolation adaptée, nous n'attribuons à la figure 5.4 qu'un but démonstratif. Elle illustre le fait que l'interprétation géologique du champ des résistivités ou des déphasages est étroitement liée à la direction "du regard géophysique" par rapport à celles des structures du milieu. Il apparaît sur la figure 5.4 que les anomalies de résistivité ressortent d'autant mieux que la direction de mesure est perpendiculaire (polH). A titre d'exemple, la zone de faille régionale est suffisamment large pour être déterminée par notre réseau de station: en NOlO0 (poIE ou ±E), elle n'apparaît pas; en Nl 15° (polH) ses deux tronçons d'orientation N-S apparaissent clairement et c'est en N150° que le tronçon intermédiaire d'orientation NE-SW (pol H) se démarque Ie plus nettement. Par opposition, les anomalies de déphasage liées à cette structure ressortent d'autant mieux que la direction de mesure est parallèle (poIE). Nous remarquons en effet que l'anomalie maximale due à cette structure est observée en N010°. Notons en outre qu'en direction de mesure Nl 15°, l'ensemble de la partie Est de B17 présente des déphasages relativement bas et nous verrons à la figure 5.5 que cette zone est une zone où les anisotropics de phase sont élevées. Ces observations montrent qu'en milieu hétérogène, il est justifié de cartographier pour le moins en deux directions ± perpendiculaires. Les effets plus accentués de la poIE pour les réponses de phase et ceux de la polH pour celles de résistivité concordent avec les résultats calculés présentés à l'annexe A. 1.4 sur une structure conductrice simple (Fischer et al. 1983). Cet effet pourrait expliquer Ia raison de la non concordance directionnelle, en certaines stations, entre la phase minimale et la résistivité maximale lors de Ia présence de plus d'un système de structures faillées. - 80 - Modèle Géologique ¦Mi »735 «730 WIM »TX »7 1» - % I É I V • 1 7-M1 »PU I SWJ H W710 587 Ib »7.20 587, » 587. 10 log RHOa (ohm m) SUP. 3J IH 16- 17 3.4- 3J 15- 2.6 3J- 3.4 14- 2.5 31- 3.3 13- 2.4 3.1- 3.2 12- 13 3.0- 3.1 11- 2.2 2.9- 3.0 2.0- 11 LL 2.8-17- 2.9 2.8 wm INF. 10 PHASE (deg.) IH SUP. 69.0 ç_j 57:0- 585 67J- 69.0 55J- 57.0 66.0- 67J s 54X)- 55.5 64 J 66.0 515- 54.0 63.0- 64J 51.0- 515 61J- 63.0 49J- 51.0 60.0- 6IJ 48.0- 49.5 I 58J- 60.0 IH INF. 48.0 Modèle Géologique - 81 - B17-N11S-M0 m <§> » rwfq 025 TB^ -ftlt ^ BIMfl 5WWO RESISTIVITE DEPHASAGE Fig. 5.4 Ci-contre: cartes VLF-R directionnelles (interpolées par kriging) du log de la résistivité apparente (à gauche) et du déphasage (àdroite) pour les directions N010°à 12.1 kHz (en haut), Nl 15° à 24.0 kHz (au centre) et N150° à 19.0 kHz (en bas). Site de Bure, secteur B17. Ci-dessus: cartes des écarts-type associées à ces six interpolations. - 82 - Modèle Géologique La mise en parallèle d'un profil RMT unidirectionnel et des anisotropics maximales de résistivité et de phase mesurées en plusieurs stations pluridirectionnelles de ce profil (ou à proximité immédiate) permet de voir dans quel contexte géophysique se situent les anisotropics maximales, susceptibles d'être interprétées comme des indicateurs de fracturation maximale. La figure 5.5 montre que la distribution spatiale de ces anisotropics n'est pas aléatoire; on observe: que les plus grandes différences de phase ne se situent pas au droit de l'anomalie considérée comme majeure mais dans la zone située entre 210 et 260 m. Notons que cette zone d'anisotropie élevée des phases a une continuité spatiale dans la direction Nord-Sud (non représentée); - que les différences maximales de résistivité sont préférentiellement associées aux bordures des zones faillées mais qu'au droit de ces zones, les différences directionnelles peuvent aussi être faibles. En résumé, les observations semi-quantitatives effectuées sur B17 montrent: - que le champ des valeurs RMT représente fiablement la géologie globale à l'échelle de B17, mais présente une variabilité locale d'ordre comparable à la variabilité semi- régionale; - en plusieurs zones de B17, la distance d'interpolation atteint des valeurs limites à des distances de l'ordre de 10 m; - si l'anomalie régionale N-S que nous considérions a priori comme référence montre une signature RMT évidente, d'autres structures EM anomales importantes sont localisées et compromettent l'interprétation simple des données; - les mesures pluridirectionnelles mettent en évidence des zones différenciées dont les limites concordent avec des zones fracturées majeures. Une concordance directionnelle entre le système de fracturation le mieux représenté sur des relevés de fissuration et les directions de polE les plus représentées est observée. Elle confirme les remarques du chapitre précédent établies sur Ia base des cartes pluridirectionnelles. En admettant cette relation, il apparaît que l'emplacement (par rapport aux structures) des affleurements sur lesquels sont faits les relevés de fissuration déterminent en partie les résultats de ceux-ci, donc que l'hétérogénéité locale de la fissuration est élevée. Ce fait peut être démontré par la différence entre le relevé N° 6 (cf.A.3.2.b) qui correspond à la marge géophysique de la zone de faille Nord-Sud et qui présente une fréquence de fissuration moyenne et le relevé N°7 (cf.A.3.2.b), situé structuralement au droit de cette même zone de faille et qui présente une fréquence de fissuration élevée, particulièrement en direction Nord-Sud; - l'information obtenue par RMT complique notablement l'image géologique du milieu Modèle Géologique - 83 - io' S io3 - O ... i ,., I ... i ... i ... i B17-P2 ¦-»¦¦¦ R-198KHZ -«---R-60KHZ *-----B-19KHZ *-----R-16KHZ â °-8 o o.6^ Mesures VLF pluridirectionnelles 0.4 -----......- -50 50 70 CFi Q) W Ol fe €0 -i 50 H 40 -i 30 -î 20 -î 10 ¦ ' '.'*¦-«--- -50 i 50 OJ TJ 15 13 - 11 - 9 -_ 7 - i * -50 50 DISTANCE (m) 100 150 200 250 300 350 100 150 200 250 300 350 ¦ ¦......,,1,.,1...1..,1.,,1,, Mesures VLF pluridirectionnelles * 100 150 200 250 300 350 Fig. 5.5 Comparaison entre les valeurs RMT du profil unidirectionnel B17-P2 (direction de la mesure en N135") et les anisotropics VLF maximales mesurées aux stations pluridirectionnelles (en 5 directions) à proximité immédiate de ce profil (cf. fig. 5.1). Profil RMT de résistivité apparente (A), profil VLF d'anisotropie maximale de résistivité (B), profil RMT de déphasage apparent (C) et profil VLF d'anisotropie maximale de déphasage (D). Indication du point le plus conducteur de la zone de faille principale (F). Site de Bure, secteur B17. - 84- Modèle Géologique mais apporte des informations cohérentes sur la nature, sur la structure et sur l'hétérogénéité du milieu; - pour être réellement utilisables, les mesures pi uri directionnel le s doivent être adaptées à l'hétérogénéité du milieu. Dans notre cas, un maillage de 10 m aurait été idéal. La mesure rapprochée et la nécessité de mesurer en 2 (voire 3) directions limitent d'autant la rapidité de cartographie. 5.2. MODELE RMT ID En milieu hétérogène, il est généralement incorrect d'utiliser un modèle ID pour calculer les épaisseurs et résistivités vraies des unités géologiques. Comme il est cependant intéressant, en pratique, de pouvoir préciser le contexte lithostratigraphique en un point, sans recourir à une modélisation 2D ou 3D, nous évaluons ci-dessous la possibilité de traitement ID en plusieurs points d'un contexte géologique reconnu par forage. La méthodologie utilisée est la suivante: a. mesure à la station de la résistivité et de la phase avec tous les émetteurs disponibles entre 12 et 240 kHz (= sondage de fréquence avec en moyenne 30 émetteurs); b. lissage manuel des deux courbes de sondage obtenues; c. évaluation semi-quanti tati ve d'un schéma géophysique de base; d. calcul 1D par inversion magnétotellurique (Steiner, 1993) à partir du schéma de base; d. comparaison du modèle ID avec données de forage. La fig. 5.6 présente les valeurs mesurées en 7 points (situés à l'annexe A.3.4) et les courbes de résistivité et de déphasage lissées manuellement. On constate qu'en certains points (p.ex. FN2, NEB10) la présence de forts effets latéraux est sensible et ne permet pas Ie tracé d'une courbe de sondage suffisamment fiable. Pour cette raison, seuls les couples de courbes jugées suffisament fiables (courbes de phase et de résistivité) sont utilisés pour une modélisation ID. Il s'agit ici des stations FNl, NEB7, MIL4 et NEB9. 5.2.1. Evaluation semi-quantitative L'évaluation semi-quantitative permet de borner l'interprétation ultérieure par modélisation ID. Evaluons le contexte géophysique des 3 forages carottés atteignant les marnes oxfordiennes : le FNl, FN2 et le NEB7. Modèle Géologique - 85 - FH 1 .-7--¾*¾¾. m :.-/-*' O K)APPFNI * PHI-FNl ^ FN 2 __ _• _ t s.. °° _ n —-°^ .o o ° O ROAPPFW FREOUEKCC (Hi) FHEQUEHCt: (HtI 1000 - HES 9 ^' ** o/° S* •"* o o-°o *-* ? * *• o «o App teat • phi-nebs MIL 4 / * o J*>------¦___o„ O HHOA-UlK • PHLMIU PRCOUENCC (Mil FBEOUD(CE (Ki) MIL B 3° 0S .° ° ?o o-* • • IbO O^ * --^l oo o <>•• ° o • V* •/ • *• O RHOA-MILS • PHI-UIU NEB 7 -C QS"*^ f' ""SL ' 50 C Rbo /o / \ H IVI s S O 3 M 100 " - 30 a Cf * • • zzanti 4 eitel»: Input nosel pi.In line: 3L-St«imi 100000 10000 rHEQtTEHCÏ IH'l D NEB7 , zonede , Lt»in«r - 05 ¦ 35 I 1 100000 LOODO TREQUINCY [Hl] D 4 MIL4 l calcaire I calcaire marne marne Fig. 5.9 Modélisation ID du sondage RMT au point MIL4, site du Maira, secteur B18. (A) Valeurs d'entrée (lues sur la courbe lissée de la fig. 5.6) et courbe ajustée pour 3 couches. (B) Modèle géophysique calculé. (C) Modèle géologique simplifié, dérivé des résultais de forage au point MIL4 (cf. annexe A.8.2.D). (D) Schéma du contexte géologique local autour de MIL4 (ce point de sondage est situé à proximité immédiate de la zone de faille). Notons que, contrairement aux deux modèles précédents, la couche conductrice de base est réelle et sa cote est correctement approchée bien que la station soit située à proximité d'une zone de fracture. L'absence d'effets latéraux est expliquée par le schéma de la figure 5.9. 5.2.2.4. Sondage NEB9 Le dernier cas traité est celui du NEB 9, forage carotté peu profond (40.40 m), mais que l'on peut situer, par corrélation lithologique proche avec le forage MIL8, sur un bloc Modèle Géologique - 91 - surabaissé où le toit des marnes oxfordierines est profond. Le modèle géophysique à 3 couches présenté à la figure 5.10 indique un conducteur de 80 ohm.m et de 2 mètre de puissance surmontant un résistant de 1400 ohm.m (résistivité surévaluée) d'environ 90 m de puissance, puis un conducteur basai de 50 ohm.m. Ce modèle correspond au levé du forage ou Ton a 2 m de terrain de couverture, environ 85 à 90 m de calcaires rauraciens surmontant les marnes basales de l'Oxfordien. Bien que la profondeur de pénétration soit grande, les effets dus aux influences latérales apparaissent faibles sur ce sondage. L'absence de zone conductrice latérale dans un rayon correspondant à la profondeur du toit de Toxfordien est illustrée par le schéma structural de la figure 5.10. B Résistivité (ohm.m) Géologie du NEB9 76 1400 40 sol et épikarst calcaire calcaire marneux î .S 1000 B-NEB9 0 o - 60 rhcKïi * circle: input oudal O yS**^ pl»in tin*: Jt.-st»ln»r S . r y / O RESISTIVITY (OHM As / /o / / O ^ « ___9---- • 50 ¦ 40 - 30 I 1 100000 rREOOEBCY (Hi) 10000 D NEB9 L>s ^ \ s 1 1 calcaire calcaire marne marne Fig. 5.10 Modélisation ID du sondage RMT au point NEB9, site du Maira, secteur B18. (A) Valeurs d'entrée (lues sur la courbe lissée de la ftg. 5.6) et courbe ajustée pour 3 couches. (B) Modèle géophysique calculé. (C) Modèle géologique simplifié, dérivé des résultats de forage au points NEB9 (cf. annexe A.8.2.a) el MIL8. (D) Schéma du contexte géologique local autour de NEB9, avec s: épaisseur de peau et L: distance aux "effets géophysiques latéraux" les plus proches. En résumé, la modélisation ID des sondages de fréquence RMT-R est possible pour autant que les valeurs de phase ou de résistivité ne soient pas trop dispersées et que l'on - 92 - Modèle Géologique ait une connaissance préalable suffisante du contexte géologique pour déterminer la présence possible d'effets latéraux. Ces effets latéraux sont significatifs dans le cas des points FNl et NEB7 et ne permettent pas une interprétation correcte. Par opposition, les solutions acceptables pour les sondages MIL4 et NEB9 montrent que, dans certains cas, le traitement ID fournit une information stratigraphique simplifiée mais utilisable lors de l'implantation de forages. 5.3. MODELE RMT 2D Les constatations précédentes conjuguées aux observations effectuées sur l'hétérogénéité locale (chapitre 4) montrent que les effets latéraux doivent être pris en compte pour une analyse locale du milieu en question. De fait, nous utilisons un modèle 2D à éléments finis (Steiner, 1993) pour la construction d'une coupe géophysique basée sur un profil de mesures RMT-R unidirectionnelles. Ce profil d'environ 300 mètres, calé en 6 points par forage» fut effectué sur le site du Maira (Bure) et les forages furent implantés sur des critères RMT. Les valeurs mesurées et les critères d'implantation de ces forages sont présentés à l'annexe A.8.1. 5.3.1. Modèle géophysique Plusieurs simplifications furent effectuées pour réaliser cette modélisation: - on admet la continuité de toutes les structures (dans la direction perpendiculaire à la coupe) de ce profil (situation 2D); les valeurs RMT mesurées sont acquises à 16.0, 60.0 et 198.0 kHz en direction N140°. Cette direction est proche des conditions de polarisation E; les variations topographiques le long du profil sont négligées; l'ensemble du profil est projeté perpendiculairement à la structure conductrice principale d'orientation Nord-Sud (centre de la structure = dist. zéro = forage MIL2). Le calage se fait sur les déphasages, considérés comme le paramètre le plus représentatif d'après nos observations sur l'ensemble du site de Bure. Ce calage des déphasages a tenu compte de l'interprétation semi-qualitativ e du profil RMT-R, du levé géologique de surface et des données des forages MIL9, MILl, MIL2, MIL3, FN2 et FNl (cf. A.8.2). La modélisation du déphasage en basse fréquence (16 kHz) permet de caler le contexte général du profil, notamment le toit de la couche conductrice de base et les résistivités du résistant intermédiaire. Le modèle de résistivité utilisé est présenté à l'annexe 9.1. Les courbes mesurées en 16 kHz, et les courbes calculées sont présentées à la figure 5.11. On observe que les résistivités mesurées sont très variables et ne reflètent manifestement pas des conditions de polarisation E. Modèle Géologique - 93 - La modélisation des phases à 60 kHz est effectuée à partir de la structure, modifiée, des resistivités du modèle initial à 16 kHz. La structure des résistivités et la comparaison des courbes mesurées et calculées figurent respectivement aux annexes A.9.2 et A.9.3. "7 fi i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 65 ^ 'S 60 -h : Jri : H W : h : ^ 101 PHI 16 kHz i^; ^_-..-'*' JSi?^ *x x PHE16 meas 10 *^^ .......... PHHIb cale i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 20 -240 -160 -80 0 80 160 240 DISTANCE (m) 3; RHO 16 kHz x RHEl6 meas. 'A' :.' .......... RHH16 cale. -3 i i i i i i i J i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 20 -240 -160 -80 0 80 160 240 DISTANCE (m) i 3: 10 Fig. 5.11 Modélisation 2D du profil 1, site de Bure, Maira, calé sur les valeurs de phase assumées en polE. Courbe mesurée et calculée pour la phase en polE à 16 kHz (PHE) et courbe calculée correspondante pour la phase en polH (PHH). Courbe mesurée et calculée pour la résistivité apparente en polE à 16 kHz (RHE) et courbe calculée correspondante pour Ia résistivité en polH (RHH). La modélisation des phases à 198 kHz est effectuée à partir de la structure, modifiée, des résistivités du modèle à 60 kHz. Les paramètres de modélisation et la comparaison des courbes mesurées et calculées figurent respectivement aux annexes A.9.4 et A.9.5. Les résistivités calculées sont très sensibles à de très faibles variations de la résistivité de surface. Elles apparaissent pour cette raison très différentes des valeurs mesurées. Ces 94 - Modèle Géologique variations superficielles dans la structure des résistivités n'ont cependant qu'un poids mineur dans la construction du modèle synthétique réunissant les modèles des trois fréquences. Ce modèle géophysique synthétique est présenté à la figure 5.12. Il permet de vérifier théoriquement les hypothèses géophysiques fondées sur l'interprétation qualitative des valeurs mesurées. Pour pouvoir éliminer une partie des nombreuses solutions possibles, surtout en certaines zones très variables du profil mesuré, il s'est avéré indispensable d'avoir des observations indépendantes (forages, cartographie géologique). Malgré les simplifications de départ, les trois hypothèses géophysiques majeures, effectuées sur les profils bruts, ont pu être vérifiées: la zone de faille principale présente un rejet vertical et subdivise le domaine en deux compartiments nettement différenciés. Sur les valeurs RMT mesurées cette différence se marque par un changement brutal des relations entre les trois courbes de résistivité (et entre les trois courbes de phase) de part et d'autre de la zone centrale du profil (cf.annexe A.8.1, échelle des distances différentes de celle du modèle); en conservant autant que possible les mêmes résistivités pour les mêmes formations, la structure géologique en "touches de piano" est une réalisation possible; certains volumes de roche calcaire (blocs) présentent des résistivités manifestement anormales. Cette hypothèse est vérifiée dans le cas du volume central plus conducteur (250 ohm.m) calé par les forages MILl et MIL2 et dans le cas du volume le plus surélevé, plus résistant (>1000 ohm.m) et calé par le forage FN2. 5.3.2. MODÈLEGÉOLOGIQUE Un modèle géologique directement traduit du modèle géophysique et des données géologiques est présenté à la figure 5.13. Nous y différencions trois unités géologiques principales: les marnes oxfordiennes considérées comme conductrices (env. 20 ohm.m) et homogènes; les calcaires rauraciens (incluant les couches de Liesberg) considérés comme globalement résistants (900 ohm.m) mais reconnus hétérogènes. Les traits principaux de cette hétérogénéité consistent en des blocs plus conducteurs (700 ohm.m sur l'ensemble du bloc) assimilés à des calcaires plus fracturés ou des blocs plus résistants (> l'OOO ohm.m sur l'ensemble du bloc) assimilés à des calcaires peu Modèle Géologique - 95 - NW S- f¦¦'¦ " -.....i -25Om -200 -150 -100 •50 50 100 Résrstivrté (ohrrun) > 1000 250 900 150 700 50-80 m 500 20 SE 150 200 25Om Fig. 5.12 Modèle géophysique 2D synthétique du profil 1 regroupant les informations des trois modèles géophysiques calculés à 16, 60 et 198 kHz (cf. annexe 9). Bure, site du Maira. M1*|2M3 F2 £0^ Z=C=? Fl i—\ L -z_ SE -250 m -200 -150 -100 -50 50 100 150 200 Lithologie: calcare I I. calcaire marneux -rr»ïi-, I colluvions. matériel '—--------•' de remplissage 25Om sol, loess, argrfes. Structure: A A f facturation supposée faible ou fractures supposées ouvertes facturation supposée forte altération globale supposée forte Fig. 5.13. Modèle géologique 2D interprété à partir du modèle géophysique synthétique de la figure 5.12, des données de forage (flèches) et des levés géologiques de surface. Bure, site du Maira. - 96 - Modèle Géologique fracturés (ou fracturés et non colmatés); les calcaires à Astartes et Natices (uniquement présents dans le compartiment de gauche) considérés comme nettement moins résistants que les calcaires rauraciens ( 150 et 250 ohm.m) et de nature hétérogène selon leur état d'altération. Deux types de dépots meubles sont aussi individualisés: un matériel de remplissage hétérogène (env. 100 à 250 ohm.m) reconnu en forage sous forme de blocs calcaires englobés dans une matrice limoneuse (FNl) ou de colmatage gravelo-limono-argileux de zones fracturées et karstifiées (MILl, MIL3). un matériel conducteur (env. 10 à 80 ohm.m) constitué de dépôts de surface sablo- argilo-limoneux (sols, loess, argiles). 5.4. RESUME Ce chapitre consacré à la transformation de l'information radiomagnétotellurique en information géologique permet de montrer la possibilité de cartographier des structures géologiques locales. Il est également montré que le mode de mesure utilisé et la densité de stations par rapport à l'hétérogénéité du milieu sont des paramètres déterminants pour la localisation des structure fai liées. L'étude du secteur B17 montre que la variabilité RMT locale est aussi forte que la variabilité semi-régionale, donc que la continuité des structures RMT est particulièrement réduite. Elle met également en évidence le fait qu'une cartographie géophysique peut être inutilisable, si elle est effectuée avec un émetteur unique, non adapté à la direction des structures du milieu. La cartographie multidirectionnelle conduit à la délimitation de zones, à l'intérieur desquelles certains effets EM directionnels (p.ex. direction de la phase minimum, de la résistivité maximum, etc..) sont préférentiellement représentés. Ces zones "isodirectionnelles" sont organisées et corrélables pour Ie moins à la présence de structures faillées majeures et peut être, plus généralement, à celle d'une direction préférentielle de fracturation locale. Les tests effectués à l'échelle locale montrent aussi qu'il n'y a pas de relation directe entre le degré d'anisotropie RMT et l'état de fracturation d'un massif rocheux: les fortes anisotropics sont généralement associées à des milieux globalement fracturés mais de faibles anisotropics peuvent se situer au droit de milieux très fracturés. Les effets dus aux variations de puissance des formations conductrices de surface ne sont pas pris en compte. Modèle Géologique • 97 - En milieu hétérogène, le traitement unidimensionnel des données est généralement incorrect. Il est cependant montré que sous certaines conditions structurales (effets latéraux peu importants) les résultats de ce traitement sont intéressants pour la mise en évidence des changements de contexte strati graphique. Enfin, la modélisation bidimensionnelle basée sur les profils RMT, et pour une part non négligeable sur les indications de forage, permet une approche quantitative de la structure géologique locale et permet d'envisager la possibilité de mieux prévoir la structure locale du champ des perméabilités. Au chapitre suivant, cette possibilité de prévision sera évaluée sur la base de tests hydrauliques effectués sur le modèle géophysico-géologique de la figure 5.13 (profil 1, site du Maira). Chapitre 6 HYDROGEOLOGIE L'applicabilité de la géophysique RMT à l'hydrogéologie implique une "certaine" correspondance entre le champ des paramètres électromagnétiques et le champ des perméabilités. Sur la base des résultats acquis sur le site du Maira (Bure), nous traitons trois aspects de cette correspondance: la détectabilité des zones karstifiées, la possibilité de prévoir la distribution spatiale des perméabilités à l'échelle locale et l'implantation de forages productifs lors de prospections hydrogéologiques. Trois points compliquent notablement l'approche empirique de cette correspondance: - une observation hydraulique effectuée dans un forage peut être fortement conditionnée par les caractéristiques physiques de ce dernier et pourrait exclure toute comparaison avec une observation géophysique (RMT ou EMB) effectuée au droit de ce même forage, mais englobant un volume de roche au moins 10E5fois plus important; - en présence de fractures, les comportements hydrauliques que nous observons sont aussi influencés par l'organisation tridimensionnelle des vides autour du point de mesure: cette organisation est toujours imparfaitement connue, d'autant plus dans Ie cas d'une analyse bidimensionnelle; - en milieu à porosité de fracture, des discontinuités (connectées) de faible volume et/ou faiblement contrastés géophysiquement peuvent jouer un rôle hydraulique important. De fait, lors d'applications hydrogéologiques, l'attention portée au pouvoir de résolution d'une méthode géophysique, à l'hétérogénéité locale du milieu et à la réalisation de vérifications hydrauliques paraît justifiée. 6.1. DETECTION DE ZONES KARSTIFIEES Le modèle conceptuel de base utilisé généralement en milieu à porosité de fracture, et plus particulièrement en milieu karstique, est un modèle à double perméabilité. Ce modèle consiste en un milieu très perméable à écoulement rapide jouant généralement le rôle de Hydrogéologie - 9 9 volume drainant et d'un milieu àfaible perméabilité (capacitif) jouant généralement le rôle de volume drainé. Transcrit géologiquement, ce modèle implique donc un milieu discontinu constitué de blocs peu fracturés limités par des zones fracturées; préférentiellement karstifiées dans le cas de roches carbonatées. Transcrit électriquement, ce modèle consiste à admettre des volumes résistants représentant les blocs peu fracturés et des volumes moins résistants représentant les volumes fracturés drainants. Ce type de relation incite à la simplification suivante: anomalie négative de résistivité b drain karstique La motivation géophysique la plus fréquente en milieu calcaire est certainement la localisation des zones karstifiées majeures. Les problèmes les plus discutés sont alors liés à la taille du drain ciblé, à sa profondeur d'enfouissement, au contraste entre la cavité karstique et son encaissant et à l'hétérogénéité géologique locale. Sur un modèle géophysique 2D inspiré du profil 1 (cf. figure 5.12) et simplifié (constitué de trois couches planes parallèles dont les épaisseurs et les résistivités vraies sont respectivementei= 3m, rhoi= 50 ohm.m, tq= 67m, rho2= 900 ohm.m et e3= infini, rho3= 20 ohm.m) nous avons calculé l'intensité théorique d'une anomalie produite aux fréquences RMT de 16,60 et 198 kHz par: un volume infiniment résistant (vide karstique) de 10 m de largeur sur 20 mètres de hauteur. Ce volume produit une anomalie théorique maximale de 120 ohm.m et de 4° de phase lorsque son toit atteint la cote de -5 m par rapport à la surface du terrain. Pour des conditions identiques, mais avec son toit à -25 m, ce volume ne produit plus qu'une anomalie maximale de 40 ohm.m et de 2° de phase. un volume conducteur (hypothèse: 100 ohm.m) de dimensions identiques. Ce volume produit une anomalie maximale de 320 ohm.m et de 8° de phase, lorsque son toit atteint la cote de -5 m par rapport au terrain. Pour des conditions identiques mais avec son toit à -25 m, ce même volume conducteur ne produit plus qu'une anomalie maximale de 80 ohm.m et de 3° de phase. Ce calcul indicatif amène, dans notre cas, aux conclusions suivantes: - pour pouvoir être détectés par RMT-R, les vides karstiques doivent être de grande dimension et relativement proches de la surface (jusqu'à environ -25 m); - si les drains karstiques se comportent effectivement comme des volumes infiniment - 100 - Hydrogéologie résistants, leur détection est plus difficile. - la présence d'autres anomalies géologiques (faille, décalage stratigraphique, hétérogénéité locale du milieu) est probablement l'une des raisons principales empêchant la localisation directe des drains karstiques. Sur le site de Bure, la variabilité lithologique et structurale, la taille relativement faible des réseaux actifs et à leur enfouissement généralement supérieur à 25m rendent donc difficile, d'un point de vue pratique, la détection directe des drains karstiques. Cependant, les observations de terrain laissent à penser que la méthode RMT n'est pas inutilisable en prospection de karsts. En effet, la cartographie géophysique du site du B-17 outphase i6kHz -4 Fig. 6.1 Profils VLF-EM bruts (outphase, 16 kHz, N1350) recoupant une zone de faille d'orientation Nord-Sud et un réseau karstique, site de Bure, secteur B17. Le réseau karstique (r) est associé à des structures conductrices (zones de faille) mises en évidence sur les profils d'oulphase. Notons que ce réseau est formé d'une seule branche où l'anomalie d'outphase est unique (B) et se subdivise à partir de la zone où les anomalies d'oulphase se multiplient (C, D). Maira montre que l'essentiel des zones karstifiées touchées par forage est situé, soit sur ou à proximité immédiate des minima locaux de résistivité (NEB7, MILl, MIL3), soit sur ou à proximité des contacts géologiques discordants (NEBlO, MIL7, MIL5). Il s'agit Hydrogéologie -101 - donc plus, en terme prospectif, de localiser des zones à forte probabilité de karstification. Pour illustrer ce fait, trois profils VLF-EM (mesure en continu de l'outphase), effectués sur Ie secteur B17 et recoupant le réseau karstique de Milandre, sont présentés à Ia figure 6.1. Ils montrent qualitativement l'association entre le tracé de ce réseau et la présence de zones faillées conductrices (zones d'outphase négative). On observe notamment qu'en présence d'une anomalie conductrice unique (profil B), le réseau karstique ne présente qu'une seule galerie et qu'il commence à se diversifiera partir de la zone où les structures géophysiques apparaissent elles-mêmes plus diversifiées. 6.2. ETUDE HYDROGÉOLOGIQUE DU PROFIL 1 L'intérêt du RMT ne se limite pas à la localisation précise de zones faillées. Cette méthode fournit une image indirecte qui, associée aux autres méthodes d'observation, pourrait permettre de mieux prévoir le champ des perméabilités. 6.2.1. MODÈLEHYDROGÉOLOGIQUE Pour tester cette possibilité prévisionnelle, nous présentons à la figure 6.2 un profil hydrogéologique établi sur la base du profil géophysico-géologique de la figure 5.13. Ce profil nous sert de modèle de travail pour positionner différents tests hydrauliques en fonction de la structure présumée des perméabilités. Sur ce profil, cinq unités sont différenciées par leur perméabilités (évaluées): Unité de l'oxfordien: elle est constituée des marnes oxfordiennes. Cet ensemble est considéré comme imperméable. Unité des couches de Liesberg: elle est constituée de calcaires marneux d'une puissance d'environ 3 à 5 m. Sa perméabilité est considérée comme faible. Cette unité est déterminée par forage (FN2, FNl, M1L2, MIL3), mais n'a pas de réalité géophysique. Unité du Rauracien: cette unité est essentiellement calcaire et constitue Ia formation aquifère régionale. Elle se compose de calcaires à coraux, de calcaires crayeux et de calcaires biodétritiques à niveaux silicifiés. Sa karstification est généralement développée (réseau de Milandre). La puissance de cette unité avoisine les 70 mètres. Sa perméabilité est hétérogène. Unité du Séquanien: cette unité du Séquanien inférieur est constituée de calcaires marneux, micritiques et sublithographiques (ensemble des calcaires à Astartes et Natices). Cette unité d'environ 30m est affleurante sur la partie occidentale profil mais n'est jamais - 102 - Hydrogéologie présente dans son intégralité. Des relations'hydrauliques directes entre cette unité et celle du Rauracien sont probables. Sa perméabilité est jugée hétérogène. Dépôts meubles: cette unité est constituée par des sols, des dépôts éoliens limoneux (loess, lehm), des colluvions, des remplissages argilo-limoneux (argiles de colmatage) et des blocs calcaires englobés dans une matrice limoneuse. Cette unité est très variable en épaisseur. Son rôle hydrogéologique (rétention, infiltration) est peu connu et sa perméabilité probablement hétérogène. Fig. 6.2 Modèle hydrogéologique 2D du profit 1, établi sur la base des modèles géophysique el géologique des figures 5.12 el 5.13, Bure, site du Matra (avec correction de la variation topographique le long du profil). Les lignes en irai ni Ic indiquent les marges d'incertitude de pari et d'autre des limites lithostrali graphiques. 6.2.2. HAUTEURS D'EAU - FORAGE - CONTEXTE GÉOPHYSIQUE Les chroniques des hauteurs d'eau et les données des essais d'infiltration en forage furent acquises dans le cadre de différents projets de recherche (Meury et al. 1991, Turberg ce projet, Jeannin 1993) et font l'objet du travail de synthèse de Pantillon (1993). Ces données correspondent à la période du 4 juillet 92 au 10 janvier 93. Sur quatre des six forages du profil 1, la variation des hauteurs d'eau fut enregistrée par sonde de pression Hydrogéologie -103 avec un pas de temps moyen de 30 minutes. En outre, le niveau d'eau de chaque forage est mesuré manuellement chaque semaine. 6.2.2.1. Forage FNl Le forage FNl (levé de forage à l'annexe A.8.2.a) présente un niveau d'étiage entre 476 et 477m. Cette cote représente un niveau bas du profil, parfois minimal. La variation maximale du niveau d'eau dans ce forage est de 10.4 m, soit la plus élevée du profil. Le niveau d'eau atteint alors la cote de 486.5 m. Les chroniques en continu montrent lors des périodes de hautes eaux un palier entre 484 et 485m. A cette cote, la carotte de forage n'est pas particulièrement fissurée mais présente de petites fractures subverticales. La réponse type du FNl à un épisode pluvieux est présentée à la figure 6.3. On observe une augmentation rapide du niveau d'eau, une première décrue jusqu'à la cote du palier, le palier puis une seconde décrue rapide jusqu'au niveau de base. Le temps de réponse est plus long lors d'une crue en période d'étiage et l'amplitude de la réaction plus faible. Un essai d'infiltration dans le FNl à 2.51/s présente une montée maximale du niveau à lacote 5003 m. La courbe de descente est rapide. Géophysiquement, FNl est implanté sur une anomalie conductrice interprétée comme un milieu fracturé. Schématiquement, ce forage présente 25m de remplissage karstique et de calcaire très fracturé (en haut), puis 40m de calcaire rauracien peu fracturé. Le toit des marnes oxfordiennes est coté à environ 457m d'altitude. Période de hiutes étui au FN 1, 22.10 - 3.11.92 486 1 465 T nr??îîtK?îî?ît?r.n;H:;iH^.:^;ï;;:M 22.10 23.10 24.10 0.-00 0*0 OAO IS.10 36.10 27.10 26.10 29.10 30.10 31.10 040 040 040 040 040 040 040 Oau at twurt Fig. 6.3 Chronique des hauteurs d'eau du forage FNl, sile du Maira, (situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 22.10.92 au 3.11.92. Tiré de Pantillon (1993). Acquisition des mesures avec un pas de temps de 30 min. Chronique pluviométhque acquise à la station du Maira. . 104 - Hydrogéologie 6.2.2.2. Forage FN2 Le forage FN2 (cf. annexe A.8.2.a) présente un niveau d'étiage stable à environ 484.7m. Ce niveau est le niveau d'étiage maximal du profil. Il correspond à une zone karstifiée ouverte située à quelques décimètres au dessus du toit des couches de Liesberg. Ce forage est donc désaturé en étiage. Les variations du niveau d'eau sont d'amplitude moyenne (maximum - 6.6 m), très rapides (<, 1 h) et sensibles même lors de petites pluies. Sa réponse piézométrique à un événement pluvieux est indiquée à la figure 6.4. Un essai d'infiltration à 5 1/s montre une montée maximale du niveau à la cote de 502 m. La descente est relativement rapide (deux heures). Géophysiquement, FN2 est implanté sur l'anomalie positive majeure de résistivité du profil. La modélisation de cette zone laisse à penser qu'elle serait constituée d'un calcaire peu fracturé ou, plus vraisemblablement (cf. essai d'infiltration), d'un calcaire à fractures ouvertes. Schématiquement, ce forage présente 2 mètres de calcaire très altéré, puis 38 m de calcaire localement fracturé (fractures subverticales) et karstifié, notamment au toit des couches de Liesberg. A cet endroit, le toit de l'oxfordien atteint, à 480m, sa cote maximale du profit. '94 >- 4S< «90 4BS Période de hautes eaux «u FN 2, 22.10 - 3.11.92 22.10 23.10 24.10 2S10 26.10 27.10 21.10 26.10 30.10 31.10 1.11 2.11 3.11 4.11 0:00 0:00 0:00 OdO 0:00 0A0 0:00 0*0 CAO 040 040 0:00 0:00 0:00 Os» •( haut« Fig. 6.4 Chronique des hauteurs d'eau du forage FN2, site du Maira, (Situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 22.10.92 au 3.11.92. Tiré de Panulion(1993). Acquisition des données avec un pas de temps de 30 min. Chronique pluviomélrique acquise à la station du Maira. 6.2.2.3. Forage MIL3 Le forage MIL3 (cf. A.8.2.b) présente un niveau d'étiage compris entre 479.5 et 482m. Hydrogéologie -105 La variation maximale observée est de 6m et le niveau d'eau atteint la cote maximale de 488m. Le temps de réponse à la suite de pluies est très court (environ 3/4 h à lhl/2 heure). On observe sur l'enregistrement de la figure 6.5 que la courbe de décrue est lente. Deux essais d'infiltration à 51/s furent effectués en étiage. La mise en charge maximale fut relativement faible, puisqu'elle atteint la cote 487-488 m, soit environ la cote maximale en hautes eaux. La courbe de descente est très rapide jusqu'à la cote 485 m, puis relativement lente jusqu'à un second palier à environ 482 m. Le retour au niveau d'avant l'essai est relativement lent. Géophysiquement, MIL3 est implanté à quelques mètres d'une anomalie négative de résistivité considérée comme le contact entre la zone de faille principale et sa marge orientale. Schématiquement, il présente 4 mètres de calcaire très altéré, puis 43 m de calcaire globalement très fracturé et karstifié. Le toit de l'oxfordien est coté à environ 473m. Fig. 6.5 Chronique des hauteurs d'eau du forage MIL3, site du Maira, (situation à la fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 26.11.92 au 2.12.92. Tiré de Pantillon (1993). Acquisition des données avec un pas de temps de 30 min. Chronique pluvioméirique acquise à la station du Maira. 6.2.2.4. Forage MIL2 Le forage MIL2 (cf.fig. A.8.2.b) présente un niveau d'étiage compris entre 477.5 et 478.2 m. Ce niveau d'eau est inférieur aux niveaux mesurés dans les forages adjacents MILl et MIL3. Les variations du niveau d'eau sont relativement élevées (maximum: 7.70 m) mais très lentes (temps de réponse = 3hl/2 à 4hl/2). La réponse du NP de ce forage à un événement pluvieux est indiqué à la figure 6.6. En période de hautes eaux, un palier de décrue se marque aussi aux environs de la cote 485-486 m. • 106 - Hydrogéologie Un essai d'infiltration à 51/s montre en premier une niveau maximal de charge à 51 Im, puis une influence sur le niveau du M1L3 accompagnée d'une chute de la stabilisation à la cote 497 m (hypothèse d'un décolmatage). La courbe de descente montre une stabilisation très rapide à la cote 485.4 m (idem pour le MIL3) puis une descente relativement lente et conjuguée entre ces deux forages (en 17 h) jusqu'à la cote 480.7 m. Notons que le forage adjacent MILl réagit faiblement à la mise en charge du MIL2. Géophysiquement. ce forage est implanté au centre de la zone de faille globalement conductrice, sur une légère anomalie positive de résistivité. Il est situé dans un milieu globalement fracturé. Schématiquement, ce forage présente 11 mètres de calcaire très altéré, puis 47 mètres de calcaire globalement fracturé et colmaté. Le toit de l'oxfordien est coté à environ 463m. Fig. 6.6 Chronique des hauteurs d'eau du forage MIL2, site du Maira, (situation à Ia fig. 6.2) pour la période de hautes eaux du 26.11.92 au 2.12.92. Tiré de Pantillon (1993).Acquisition des données avec un pas de temps de 30 min. Chronique pluviomélrique acquise à la station du Maira. 6.2.2.5. Forage MILl Le forage MILl (cf. A.8.2.b) n'est pas assez profond pour que l'on puisse mesurer son niveau d'éttage minimal, mais celui-ci est estimé aux environs de la cote 481 m, soit environ 3 m au-dessus du niveau d'étiage du forage MIL2 distant de 7 m. Les variations du niveau d'eau sont d'amplitude relativement faible avec environ 5.5 mètres de battement (cote maximale à environ 486.5 m). L'absence de chronique en continu ne permet pas une analyse précise de ses fluctuations de hauteur d'eau. Un essai d'infiltration à 51/s montre une mise en charge maximale faible jusqu'à environ Hydrogéologie -107 498 m (soit environ 17 m), une descente quasi instantanée jusqu'à 496 m, puis rapide (environ 1 h) jusqu'à 487 m. A partir de 487m, la descente est lente. Cette mise en charge produit une faible augmentation de niveau (15 cm au maximum) dans le MIL2 adjacent. Géophysiquement, ce forage est situé sur le minimum absolu de résistivité (à 16 kHz) du profil, à proximité de la bordure Ouest de la faille centrale. Schématiquement, il est constitué de 5m de limons argileux puis de 35m de calcaire fracturé à très fracturé. A 41m de profondeur, ce forage dut être arrêté en raison d'un important remplissage karstique argileux. Forage MIL9 Le forage M1L9 (cf. A.8.2.b) montre un niveau d'étiage (mesures hebdomadaires manuelles) à environ 476 m, soit le niveau le plus bas du profil 1. La variation maximale mesurée manuellement est de 7 m (483 m). Notons qu'un second piézomètre installé dans ce forage indique la présence d'un aquifère supérieur constitué par les calcaires à Astartes du Séquanien inférieur. Un essai d'infiltration à 5 1/s montre que MIL9 est globalement le forage le moins perméable du profil (débordement après injection de 1501), puis injection à 301/min. Géophysiquement, ce forage est situé sur une anomalie positive de résistivité dans un milieu globalement résistant. Schématiquement il est constitué de calcaire peu fissuré sans passage fracturé important. Le toit de l'oxfordien (non reconnu par forage) est le plus bas du profil, il est estimé à une altitude d'environ 450m. En résumé: l'observation des niveaux d'eau en fonction des données géophysiques et lithologiques suscite les constatations suivantes: le long d'un profil de quelques 300 mètres, les variations locales de niveau d'eau sont importantes. Cette variabilité horizontale s'accompagne probablement d'une variabilité verticale importante qui ne peut être prise en compte lors de la mesure d'un seul niveau d'eau par forage. Ia possibilité d'une relation entre le champ des paramètres géophysiques et ces niveaux d'eau implique que ces derniers soient influencés par leur environnement (p.ex. l'état de fracturation environnant le forage) à l'échelle de la mesure RMT. Dans notre cas, les forages implantés sur des anomalies conductrices ou à proximité d'elles présentent tous des fractures perméables. C'est le cas du MILl et du MIL2 (milieu fracturé et colmaté mais globalement perméable), du FNl (moyennement fracturé mais globalement perméable) et du MIL3 (milieu très fracturé et très perméable). Les - 108 - Hydrogéologie forages implantés sur des anomalies résistantes ont présentés soit des zones peu fissurées et peu perméables (p.ex. MIL9) soit des zones fracturées ouvertes, karstifiées et perméables (p.ex. FN2). la variabilité locale de la piézométrie observée le long de ce profil met en évidence l'importance du positionnement des points d'observation lors d'une étude hydrogéologique. De fait, l'apport du RMT consisterait à implanter des points d'observation susceptibles de caractériser différentes parties de l'aquifère: les zones de drainage sur ou à proximité de zone faillées (p.ex. MILl, FNl), les zones d'infiltration préférentielle en bordure des failles (p.ex. MIL3, FN2) et les zones peu perméables (p.ex. MIL9). 6.2.3. Essais de traçage sur Pl La valeur de notre modèle hydrogéologique 2D est testée par la réalisation d'essais de traçage. Ces essais de traçage, entrepris en collaboration sur différents projets de recherche (Meury et al 1991, Jeannin 1993, Turberg ce projet) permettent de tester, en fonction du point d'injection, d'une part la vitesse de transfert du traceur et d'autre part sa restitution au point de mesure. Sur Ia carte de la figure 6.7, les sites d'injection sont superposés aux structures de résistivité apparente. Cette carte est effectuée sur Ie secteur B19 à 65.8 kHz en direction EW (plus ou moins polarisation H). Les 6 points (forages) et les deux carrés (fosses d'injection creusées en surface) représentent les 8 endroits testés par traçage sur ce profil. On constate sur cette carte, le prolongement de la structure résistante sur laquelle est implanté le forage FN2. On retrouve également les deux structures conductrices hypothétiquement plus perméables sur lesquelles sont implantés les forages MILl, MIL2 et MIL3 (faille centrale) et FNl (faille orientale). Le forage MIL9 est située hors carte mais il correspond à des résistivités d'environ 300 ohm.m (2.50). Les deux traçages de surface sont situés de part et d'autre de la zone de faille centrale. La continuité acceptable des structures vers le Nord (direction régionale des écoulements souterrains) est mise en évidence par la résistivité (en pol H). Le changement de contexte lithostratigraphique entre les compartiments Ouest et Est est mis en évidence par le déphasage. Des huit traceurs injectés sept d'entre eux sont retrouvés au point de contrôle (venue amont de la Malandrine, cf. annexe A3.4). Le mode opératoire de chacun de ces essais est décrit à l'annexe A.10 (Jeannin 1993). Les courbes de restitution de ces essais sont synthétisées à la figure 6.8. Les points d'injection fournissant les 3 meilleures restitutions sont Ie FNl (100%), le MILl (90 %) et le MIL3 (83%). Ces trois points sont situés dans des zones Hydrogeologie -109 - électriquement conductrices, fracturées et bien connectées au réseau karstique. Le MIL2 et les traçages de surface A et B donnent des restitutions d'environ 30 %, ce qui apparaît relativement faible pour Ie MÌL2. Ce dernier présente par contre la vitesse la plus rapide de transfert confirmant la perméabilité globalement élevée de la zone faillée centrale. Les traçages A et B correspondent, sur le profil 1, aux zones de bordures de cette faille (zone entre MIL3 et FN2). Malgré la dispersion possible dans la zone non saturée et l'injection lente du traceur lors de l'essai, ces zones de contact se comportent commedes zones efficaces d'infiltration. Le FN2 est le traçage positif en forage dont la restitution (10%) et la vitesse (56 m/h) sont les plus faibles. Ce point d'injection est situé dans une zone rehaussée et désaturée où le drainage apparaît peu efficace (pour les conditions hydrauliques du traçage). Enfin, l'essai de traçage négatif au MIL9 n'est pas surprenant. Ce forage est situé dans Ie bloc le moins perméable et, sans pouvoir excepter la possibilité d'un drainage hors de la zone de contrôle, il apparaît plus probable que la perméabilité du lieu d'injection soit très faible et ne s'accorde pas avec la procédure de traçage employée (traçage au sel). En résumé, la comparaison entre les résultats de traçage et les prévisions effectuées sur Ia distribution probable des perméabilités du profil 2D est satisfaisante. Elle montre en premier lieu que notre modèle permet d'émettre des hypothèses plausibles sur la situation des zones principales de drainage. La localisation de ces zones sans cartographie géophysique est peu concevable du fait de l'hétérogénéité locale du milieu et de l'absence pour certaines structures d'indices de surface. Notons par exemple que les résultats de traçage sont plus proches entre Ie FNl et le MIL3, (points distants de plus de 100m) qu'entre ce dernier et le MIL2 (points distants de seulement 9m). Plus globalement, il est intéressant de remarquer que sur huit traçages effectués à l'échelle locale, les six traçages significativement positifs (vitesse, restitution) sont ceux qui furent injectés, sur critères géophysiques, dans des volumes conducteurs (FNl, MlLl, MIL2, MIL3) ou à l'interface de ceux-ci (A et B). Par opposition, les traçages implantés sur des anomalies positives de résistivité présentent des réponses atténuées (FN2) ou nulles (MÏL9). Ces correspondances tendent à montrer que le milieu en question est composé de volumes dont les caractéristiques électriques ayant une influence sur la perméabilité (p.ex. l'état de fracturation de la roche, Ie taux de matériel argileux) sont suffisamment différenciées spatialement pour en permettre la cartographie locale par géophysique radi omagnétotel 1 uri que. 256.925 256.850 256.775 256.700 256.625 256.550 256.475 J____L B19 log RHOa ¦ ABOVE 3J0 3.50- 3J0 ¦ 3.40- 3J0 3J0- 3.40 ¦ 3J0- 3J0 3.10- 3J0 3.00- 3.10 2.90- 3.00 2J0- 2.90 Z70- 2JO 2.60- 2.70 Z50- 2JO 2.40- 2JD ¦ 2J0- 2.40 2J0- 2J0 ¦ 2.10- 2JO ¦ 2.00- 2.10 ¦ 1.90- 2JO IJO- 1.90 ¦ BELOW IJO T----1----1----1----1----1----1----1----1----1----r 256.925 256.850 256.775 256.700 256.625 256.550 256.475 566.925 567.000 567.075 567.150 567.225 567.300 567.375 -1------1------1------1------1------1------1------1------1------1------1------1------1------1______I______I------L_ B19 PHASE m ABOVE 64.0 61.0- 64J SJO- 61.0 H 55.0- 58.0 ! S2J- 55J 49.0- 52.0 46.0- 49.0 43J- 46.0 i 40.0- 43.0 37J- 40.0 im 34.0- 37J 31J- 34.0 2».0- 31.0 H 25.0- 28.0 22.0- 25J ¦ BELOW 22J 1 T 566.925 567.000 567.075 567.150 567.225 567.300 567.375 Hydrogéologie -111- . 31% 26 m/h h in / *. 7 ° \ :.-90 :" 103 32 ¦_¦¦ : « ft 63% ;¦;. 63mih A 100 ¦'' ¦' ¦¦¦•/¦ 10 tO 10 56 -y-'>-7r-v-, Fig. 6.8 Situalion et courbes de restitutions des 8 essais de traçage au sel effectués sur le profil 1, Bure, site du Maira La partie grisée des forages indique la mise en charge maximale lors de l'injection du traceur dans le forage. Les traçages A et B furent effectués en surface. Les huit courbes de restitution sont acquises a l'amont du réseau karstique de Milandre, quelques 500 m au Nord du profil 1 (situation à l'annexe A.3.4). Pour chaque courbe sont indiqués: le taux de restitution du traceur (%), la vitesse correspondant à la première arrivée du traceur (m/h) et le débit moyen de la rivière souterraine à l'amont du réseau karstique lors de l'essai (1/s). Pour toutes les courbes l'échelle de temps est identique. Fig. 6.7 Carte interpolée (interpol, bilinéaire) des valeurs RMT-unidirectionnelles (résistivilé et déphasage) mesurées en direction Est-Ouest à 65.8 kHz sur un terrain dominé par la présence d'une faille régionale d'orientation Nord-Sud. Site du Maira, secteur B19. Situation des forages (points) du profil 1 (cf. fig. 6.2) et du profil 2 (non abordé ici) et emplacement des deux essais de traçage effectués en surface (carrés) aux bordures de cette faille. On remarque que, pour cette direction de mesure, la carte des résistivité met particulièrement en évidence la géométrie des linéaments structuraux méridiens alors que celle des déphasages montre préférentiellement le contraste lithostratigraphique entre les compartiments Est et Ouest de ce secteur. - 112 ¦ Hydrogéologie 6.3. L'IMPLANTATION DE FORAGES HYDROGÉOLOGIQUES L'implantation de forages productifs en milieu fracturé reste la préoccupation majeure des hydrogéologues et la possibilité d'améliorer, notablement le taux de réussite d'une campagne d'implantation par la cartographie géophysique (au sens large) peut dans certains cas être mise en doute. L'implantation de forages par cartographie EM est discutée sur la base de deux cas très différents: le premier est le cas détaillé du profil 1 sur Ie site karstique du Maira (Bure), le second, plus proche de la prospection d'eau classique, est celui de la prospection en milieu aride de Tominian . 63.1. Implantation RMT en milieu karstique Les corrélations entre les variations RMT mesurées sur le profil 1 et les changements géologiques confirmés par les forages sont satisfaisantes. Cependant, les observations hydrogéologiques décrites au point 6.2 montrent que l'implantation hydrogéologique recquiert en outre une prévision sur le potentiel aquifère en un point du milieu, donc sur son environnement. Dans le cas du profil 1, l'implantation de 6 forages fut effectuée sur la combinaison des trois critères radiomagnétotelluriques suivants: Ia résistivité apparente au point d'implantation, son évolution avec le changement de fréquence et sa variation de part et d'autre de ce point. Elle permet l'interprétation en terme de "degré de ffacturation". la phase au point d'implantation, son évolution avec le changement de fréquence et sa variation de part et d'autre de ce point. Elle permet l'interprétation en terme de "contexte strati graphique et structural". la continuité des structures géophysiques (observée sur cartes) et l'interconnection potentielle de ces dernières. Elle permet l'interprétation en terme de "continuité apparente des structures". Deux exemples illustrant la combinaison de ces trois critères pour évaluer le potentiel aquifère d'un point sont décrits dans le cadre de l'implantation des forages FNl et MIL9. Implantation du forage FNl zone large (50 à 60 m) d'anomalie négative globale de résistivité. Implantation sur le minimum de résistivité à 16 kHz. Ce minimum est interprété comme la bordure orientale fracturée de cette zone (cf. annexe A.7.1). zone marquée par une anomalie négative du déphasage à 16 kHz indiquant un abaissement relatif et bien délimité du toit de l'oxfordien (cf. annexe A.7.1) Hydrogéologie -113 - structure conductrice continue, très bien marquée sur la carte des résistivités apparentes de la figure 6.7 (cas de polH). Connection de cette structure vers le Nord (direction du gradient hydraulique régional) à la structure conductrice principale. Prévision: implantation dans une zone fracturée (prévue perméable), surabaissée et limitée latéralement par les marnes oxfordiennes (prévue partiellement saturée) et connectée à la structure drainante principale. Realisation: le forage FNl est globalement perméable et fortement karstifié dans sa partie supérieure. Il est situé dans un bloc surabaissé et aquifère (cf. fig.6.2); il est en relation directe avec le réseau karstique de Milandre (cf. traçage, figure 6.8). Implantation du forage MIL9 zone résistante. Implantation sur un maximum de rèsiti vite apparente à 16 kHz dans un environnement relativement stable, censé correspondre à un milieu peu fracturé (cf. annexe A.7.1). zone marquée par une légère diminution du déphasage à 16 kHz, déphasage par ailleurs toujours inférieur à 45° indiquant un bloc surabaissé où le toit de l'oxfordien n'est pas atteint à la fréquence la plus basse (cf. annexe A.7.1) zone sans continuité apparente sur la carte des résistivités de la figure 6.7. Prévision: implantation dans une zone peu fracturée (prévue peu perméable), surabaissée (prévue partiellement saturée) et sans connection apparente à la structure drainante principale. Réalisation: le forage MIL9 est peu perméable. Il est situé dans un bloc surabaissé et aquifère; il ne présente pas de relation directe avec le réseau karstique de Milandre (cf. figure 6.8). Ces deux exemples d'implantation illustrent la méthodologie que nous avons utilisée au cours de cette campagne d'implantation. Ils représentent deux cas favorables où la structure du champ RMT intégrée à une connaissance géologique locale permet une implantation hydrogéologique plus sûre. L'applicabilité d'une méthode de cartographie géophysique à la prospection hydrogéologique est fréquemment évaluée par la rapidité de l'acquisition des mesures. La figure 6.9 présente deux profils de sondages de résistivité effectués approximativement sur la même période de temps (env. 2 à 3 heures). L'un est effectué à l'aide d'un dispositif géoélectrique usuel (dispositif schlumberger), l'autre par RMT. Outre le fait que le RMT ne recquiert qu'une emprise au sol de 5 mètres et permet la -114- Hydrogéologie mesure d'un déphasage (indicateur structural), on en constate également l'efficacité. Dans ce cas, il est probable que l'obtention de critères d'implantation aussi précis par méthodes géoélectriques aurait nécessité un temps de cartographie signifïcativement plus long. 1000 -- £3 100 -- '¦'¦¦'¦ W Profil 1 - traînés électriques e—AB/2 = 30 m o—AB/2 i 45 m *«—AB/2 - 70 m 1000 S ë Î3 100 ------------- 100 200 DISTANCE (M) 500 Fig. 6.9. Données de deux séries de mesures de resisti vite effectuées avec 2 méthodes différentes le long du profil 1, site du Maira. Le profil du haut est effectué en géoélectrique classique (type schlumberger) pour 3 séparations AB/2. Le profil du bas est effectué en RMT unidirectionnel en N140°. 6.3.2. Implantation par EMB sur le site de Tovcnian Il s'agit dans ce cas d'une implantation de forages hydrogéologiques en milieu aride. Cet exemple est pris en compte pour 3 raisons: - il se situe dans un milieu où l'implantation de forages productifs (débit > lm3/h) est jugée a priori difficile: une première campagne de prospection sur cette zone a fourni Hydrogéologie -115 - un taux de réussite inférieur à 15%. la cartographie RMT y est impossible (réception insuffisante, résistivité du milieu trop faible) et a été remplacée par la cartographie EMB. Cette méthode est plus lourde et moins rapide que la géoélectrique utilisée précédemment sur ce site lors de la première campagne d'implantation. toutes les opérations de cette étude (cartographie géophysique, travaux de reconnaissance, forages) ont été soumises à la contrainte d'un rendement optimal. La première campagne de prospection comprend 13 sites, 27 jours de prospection géoélectrique (traînés) et 38 forages dont 14 furent implantés sur critère géophysique, 23 sur critère pratique (implantation villageoise) et 1 sur photo aérienne seule. La productivité de ces forages est indiquée au tableau 6.10. Sur l'ensemble de ces forages, 5 seulement sont productifs (13%). Sur les 14 forages implantés par la géoélectrique et sur le forage implanté sur photo aérienne aucun n'est productif. Les 5 forages productifs sont donc implantés sur des critères uniquement pratiques (taux de réussite: 22%). La seconde phase d'implantation est effectué par cartographie EMB. Elle comprend 19 sites, 52 jours de prospection géophysique et 17 forages implantés sur critères EMB. La productivité de ces forages est également indiquée au tableau 7.1. Sur ces 17 forages, 10 sont productifs (59%). Il est hors de question de tirer des comparaisons quantitatives sur cette étude et encore moins d'en généraliser les résultats. Nous attirons simplement l'attention sur les points suivants: Bien qu'étant une méthode de cartographie plus lourde et plus onéreuse que la géoélectrique (cf. Bieler 1992), la méthode EMB est utile en prospection hydrogéologique. L'exemple deTominian montre qu'elle se révèle particulièrement adaptée en milieu plat, à faible couvert végétal et à sol induré ou désaturé. Fréquemment, les anomalies.géoélectriques sur lesquelles furent implantées les forages non productifs de la première campagne ne furent pas confirmées par les mesures EMB. Cette constatation, liée au fait que l'implantation villageoise a fourni de meilleurs résultats que la prospection géoélectrique, montre la difficulté de ce dernier type de prospection en milieu aride aussi faiblement contrasté électriquement. enfin, malgré la réussite de la campagne EMB de Tominian, il faut signaler la difficulté d'extraire sur la base des valeurs d'inphase et d'outphase des informations quantitatives sur le milieu fracturé. Cette difficulté fut encore plus manifeste pour - 116 - Hydrogéologie les mesures réalisées sur les sites très hétérogènes de PHortus, de Bure et de Lindau. Débits (m3lh) des forages implantés selon critères: SITES Géoélec. VUUir. Photo. EMB MA 0.0 2.7 ZF 0.4 1.0 MN 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.7 BA 0.0 BO 0.1 0.1 0.1 0.5 0.5 0.6 0.3 0.6 TT 0.0 0.4 0.2 0.4 3.0 KO 0.4 suite SITES Géoélec. Viilag. Photo. ZK 0.3 0.3 0.1 0.6 MD 0.5 0.0 0.0 MP 0.2 DI 0.3 SO 0.5 1.6 KA 2.6 2.4 FG IJt MK 0.1 1.1 KK TO Ensemble 14F 23F IF EMB 0.3 0.0 2.0 0.0 10.6 6.0 0.0 4.2 1.6 14.0 17 F Tab. 6.1. Productivité des forages obtenue lors de deux campagnes de prospection sur le site de Tominian.; Premier loi (38 forages): implantation villageoise, géoélectrique ou sur pholo aérienne. Second lot (17 forages): implantation EMB seule. Les forages productifs (>lm3/h) sont indiqués en gras. En résumé: sur le site du Maira, l'ensemble des forages implantés dans la formation calcaire du rauracien sur des anomalies négatives de résistivité et atteignant le toit des marnes de Poxfordien se montrent aquifères et plusieurs d'entre eux sont proches de zones karstifiées drainantes (NEB7, FNl, MIL3, MIL2). Par opposition, les forages implantés sur des anomalies résistantes apparaissent soit peu perméable (p.ex. MIL9), soit perméable mais non productif (p.ex. FN2). La contiguïté de ces zones productives et non productives montre que la méthode RMT est particulièrement efficace sur ce type de milieu hétérogène. Lors de telles implantations, il est en effet observé qu'un déplacement métrique peut avoir des répercussion déterminantes sur la productivité d'un forage. Le second exemple montre l'efficacité de la méthode EMB dans le cas d'une prospection Hydrogeologie -117 - d'eau en milieu aride et peu contrasté électriquement. 6.4. RESUME Ce chapitre consacré aux relations entre le champ des paramètres géophysiques et le champ des perméabilités permet de mieux cerner l'intérêt hydrogéologique des méthodes électromagnétiques utilisées. Dans le cadre de campagnes d'implantations, la localisation des structures aquifères par méthode EM s'est avérée globalement positive. En milieu calcaire, la détection des cavités karstiques par RMT apparaît dans notre cas (et probablement dans beaucoup d'autres) délicate si l'on compare la magnitude de l'anomalie théorique produite par une cavité-type à celle de l'ensemble des effets susceptibles de la masquer. L'un des effets majeurs est l'hétérogénéité locale du milieu et notamment l'association fréquente des cavités karstiques à des zones faillées produisant de fortes anomalies négatives de résistivité. Il apparaît par contre envisageable de localiser précisément des zones faillées (voire des sous-structures à l'intérieur de ces zones faillées) comportant une plus forte probabilité de karstifîcation. En milieu gréseux, dans des formations où le contraste électrique entre la matrice et les zones fracturées est faible, l'implantation de forages par cartographie EMB s'est avérée satisfaisante et montre clairement l'importance du choix de la méthode (ou des méthodes) de prospection en fonction du contexte hydrogéologique. L'intérêt de la cartographie électromagnétique ne se limite pas à l'implantation de forages. Il est montré que l'utilisation du radiomagnétotellurisme permet de prévoir plus précisément la distribution spatiale des perméabilités, Dans l'exemple traité, la variation locale des paramètres hydrauliques mesurés (hauteurs d'eau, taux d'infiltration, connection au réseau principal) est complexe et l'on peut considérer, a posteriori, que la cartographie RMT ne permet qu'une évaluation globale du champ probable des perméabilités. Cette évaluation apparaît néanmoins indispensable car elle est permet une meilleure intercorrélation des données hydrauliques ponctuelles et parce qu'elle fournit un modèle du milieu sur la base duquel une infrastructure d'observation hydraulique peut être plus rigoureusement établie. SYNTHESE La cartographie électromagnétique de surface (RMT et EMB) menée au cours de cette recherche fut effectuée à l'aide d'appareils prototypes développés spécifiquement pour la prospection hydro geologi que. Ce type de cartographie s'avère globalement satisfaisant et susceptible d'apporter une méthodologie de prospection hydrogéologique mieux adaptée aux milieux hétérogènes. Plus précisément, l'apport d'une méthode de cartographie n'a de signification que si l'on définit préalablement les modalités d'utilisation de cette méthode, son domaine d'application, l'échelle des observations que l'on désire effectuer et le but de son utilisation. Les modalités d'utilisation nous renseignent sur la "praticabilité" de la méthode, elle- même fonction de l'instrumentation, du mode de mesure, de la reproductibilité de la mesure et des diverses sources potentielles de parasitage. La praticabilité est certainement l'un des apports majeurs du RMT. Sur la base des quelques millliers de mesures effectuées au cours de cette recherche, les instruments prototypes utilisés (RMT, VLF-R, VLF-EM) se sont révélés fiables et faciles d'emploi. L'acquisition des données est rapide et permet, en conditions normales, d'effectuer environ 150 sondages RMT unidirectionnels par jour (mesure de la résistivité et de la phase pour 3 à 4 fréquences). L'acquisition en continu et sans contact au sol de la composante d'outphase (VLF-EM) est plus rapide et permet la réalisation de plusieurs dizaines de kilomètres de profilage par jour. Le mode de mesure varie selon le but poursuivi. En milieu très hétérogène, la combinaison d'une cartographie rapide par VLF-EM (p. ex. mesure de l'outphase) suivie de séries de sondages unidirectionnels et de mesures piuridirectionnelles est souhaitable. Il est en effet démontré à plusieurs reprises qu'une mauvaise distribution spatiale des Synthèse - 119 - stations de mesures ainsi que la non prise en compte des effets EM directionnels amènent à des interprétations géophysiques incorrectes. La reproductibilité de la mesure est satisfaisante et quasiment indépendante de l'opérateur. Pour la grande majorité des mesures effectuées, l'erreur expérimentale apparaît négligeable. Enfin, le parasitage EM est un inconvénient parfois majeur lors de campagnes de mesure effectuées à proximité des zones urbanisées. Il est essentiellement dû, dans des proportions diverses, aux lignes électriques aériennes, aux éléments métalliques enterrés et aux diverses installations métalliques de surface. La méthode EMB est utilisée différemment. Méthode plus lourde, plus volumineuse et plus sensible à Terreur expérimentale que Ie RMT, elle s'avère difficilement applicable en milieu à relief accidenté ou sur des terrains à fort couvert végétal. Du fait de la mobilité relative de l'émetteur et du récepteur et de l'affranchissement de tout contact au sol, l'EMB est particulièrement adapté aux terrains dégagés, plats et indurés en surface. Le mode d'utilisation de cette méthode est variable en fonction du but poursuivi et du milieu. La mesure standard en traine permet la réalisation de 40 à 60 stations de mesures par jour. * * * Le domaine d'application du RMT est en grande partie régi par la res isti vi té des couches de surface et par les contrastes de résistivité du milieu. En présence d'une couche conductrice de surface (< 100 ohm.m) de plus de 15 m, la profondeur de pénétration est faible. Le contexte optimal pour le RMT étant une couche résistante affleurante ou subaffleurante. Dans ce contexte, la profondeur de pénétration est suffisante pour une grande partie des études hydrogéologiques courantes. La méthode RMT dépend des contrastes de résistivité du sous-sol. Elle est sensible aux faibles contrastes de résistivité comme le montrent des cartographies effectuées en milieu à porosité d'interstices (De carvalho-Dill 1993, Turberg et al. 1994, Rossi et al., 1994). En milieu à porosité de fracture, la présence de zones fissurées, aquifères ou colmatées d'argiles se traduit par des diminutions de résistivité, d'autant plus localisables qu'elles sont proches de la surface. Sur l'ensemble des sites cartographies, la méthode RMT s'est montrée relativement sensible à ces contrastes et a permis une localisation précise des zones fracturées. - 120 ¦ Synthèse Le domaine d'application de l'EMB est complémentaire de celui du RMT car cette première méthode permet de sonder le milieu en présence d'une formation conductrice de surface. Cette possibilité liée aux conditions pratiques décrites ci-dessus rendent la méthode particulièrement adaptée à la localisation de zones fracturées sous fort recouvrement. Le contexte géologique type est la détection de granites fracturés sous couverture d'altérites. L'exemple de la prospection de Tominian (§ 6.3.2) montre que cette méthode est sensible à de faibles contrastes de résistivité entre la matrice des formations gréseuses et les zones fracturées de celles-ci. * * * L'échelle d'observation est un élément important en géophysique car elle conditionne fortement le déroulement des campagnes de cartographie et l'interprétation des données. Il est montré que la variabilité locale du champ RlVTT peut être aussi élevée que la variabilité RMT régionale. Si l'on cartographie par RMT une formation hétérogène (p.ex. calcaires fracturés), l'on obtient une distribution de fréquence dont la valeur modale représente la valeur de matrice et dont la dispersion représente l'hétérogénéité géophysique globale. Ce type d'observation est par exemple représenté pour le plateau de Bure à la figure 4.1. En fait, cette échelle d'observation "régionale" correspond à celle que l'on utilise en modélisation unidimensionnelle où l'on attribue à chaque formation une résistivité modale type ou résistivité de matrice. Si l'échelle d'observation est celle des zones fracturées, des contacts discordants ou de toute autre discontinuité, la variabilité RMT locale du milieu et l'anisotropie RMT doivent être prises en compte. C'est dans ce secteur que Ie RMT s'avère le plus intéressant car sa rapidité et sa maniabilité rendent possible, en un temps raisonnable, la réalisation d'une cartographie locale détaillée. Cette cartographie locale peut recquérir des stations de mesures rapprochées (cf. figure 4.9) et des mesures pluridirectionnelles (cf. figure 5.4) qui, dans notre cas, ont mis en évidence des variations géophysiques importantes mais plus cohérentes avec la variabilité structurale observée sur affleurement. Logiquement, la cartographie locale se justifie pour toute opération locale qu'il s'agisse par exemple de la détection de zones fracturées, de l'implantation d'un forage ou de celle d'un site d'injection lors d'un essai de traçage. La méthode EMB peut être utilisée pour localiser les zones fracturées par traine, pour déterminer le contexte stratigraphique par sondage ou pour évaluer l'anisotropie du milieu Synthèse - 121 - par sondage pluridirectionnel. En milieu à forte hétérogénéité locale (p.ex. site de Bure, Hortus) elle ne permet pas une interprétation aussi détaillée des structures que le RMT. * * * L'objectif d'une étude devrait en principe conditionner en grande partie les méthodes à utiliser. En milieu fracturé, il est constaté que la conception du milieu est souvent trop simplifiée du fait du manque de connaissance de la structure locale. Cependant, malgré une cartographie détaillée de certains milieux fracturés par RMT, l'intégration d'observations indépendantes s'est toujours avéré primordiale pour l'interprétation des données électromagnétiques. L'apport du RMT s'évalue donc surtout par son apport à chacune des autres méthodes d'observation utilisées. Dans le cadre d'une étude hydrogéologique, nous situons la méthode RMT (ou toute autre méthode de cartographie géophysique) entre les observations de base (cartographie géologique et structurale, levé de linéaments) et les observations ponctuelles (levé de fissuration, forages et tests hydrauliques). Lié à Ia cartographie géologique classique, le RMT permet de préciser les contacts entre différentes formations et de valider l'interpolation géologique entre les différents points d'affleurement relevés. Elle permet également d'établir la relation entre la formation géologique et la formation géophysique. La correspondance entre les levés de linéaments sur photos aériennes ou satellites et les éléments structuraux cartographies par RMT est un sujet complexe, surtout lorsque l'on veut appliquer ensuite cette correspondance aux écoulements souterrains. Sur la base de nos données il est néanmoins observé que cette correspondance peut être bonne sur certaines structures faillées et quasiment inexistante sur d'autres. Lorsque les terrains se prêtent à l'analyse de linéaments, les résultats de cette dernière sont avant tout utilisés pour détecter les zones plus fracturées et l'orientation préférentielle des fractures afin d'orienter au mieux le dispositif de mesure RMT. Sur des sites à couvert végétal, il est observé que l'analyse photographique même liée à une cartographie géologique détaillée est insuffisante pour l'étude des structures locales. L'image du milieu fournie par les relevés de fissuration permet en principe de prévoir les directions préférentielles des écoulements souterrains. Sur les sites de Bure et de l'Hortus, les systèmes de fissuration les plus développés ne représentent pourtant pas nécessairement ces directions préférentielles. Celles ci sont influencées par d'autres facteurs tels la direction générale du gradient hydraulique, la perméabilité géométrique de - 122 - Synthèse chaque groupe de fissure, la géométrie des strates, la paléo-karstification, l'histoire tectonique du lieu et l'état hydrologique de l'aquifère. En acceptant que les anisotropics RMT mesurées soient liées à la fissuration de la roche, on doit admettre que celle-ci varie localement et que les résultats obtenus sur un affleurement ne représentent, a priori, que l'état de fracturation de cet affleurement. D'après nos observations, les variations d'anisotropie RMT pourraient représenter les changements de fissuration préférentielle du milieu et permettraient alors d'évaluer la représentativité locale des relevés effectués sur des affleurements isolés. L'implantation des forages en milieu fracturé reste une opération délicate si l'on cible des structures décimétriques à métriques. L'implantation sans cartographie géophysique est encore coutumière et basée sur des critères morpho-géologiques, donc sur une sous- estimation potentielle de l'hétérogénéité locale du milieu. Nos résultats montrent d'une part que certaines structures hydrogéologiques principales ne comportent pas d'indices de surface et que des déplacements d'implantation de quelques mètres peuvent aboutir à des milieux à productivité en eau très différente. Les observations hydrauliques (piézométrie, essais d'infiltration, traçages) effectuées en forage peuvent être notamment conditionnées par les caractéristiques du forage et par la position structurale de celui-ci (son environnement). Si la cartographie RMT ne permet pas de déterminer les premières elle permet de caractériser l'environnement structural d'un forage et ainsi, d'en mieux comprendre les réponses hydrauliques. Enfin, les essais de traçage avec injection en surface sont implantés soit sur la base d'indices morphologiques locaux, soit sur celle de considérations structurales régionales (failles régionales). Il est toutefois démontré sur le site expérimental de Bure que le transit du traceur vers les structures drainantes est significativement inflencé par les structures locales. Cet effet rend complexe la délimitation de zones d'infiltration préférentielle à l'échelle d'un bassin versant et met en question l'information hydrogéologique que l'on peut extraire d'un essai de traçage négatif. L'influence de l'hétérogénéité locale sur le fonctionnement hydrodynamique du système karstique est actuellement étudiée sur le site expérimental de Bure (Jeannin, non publié). En résumé, la cartographie radiomagnétotellurique ne constitue pas un objectif en soi et son intérêt réside surtout dans la confrontation du champ des paramètres RMT et des résultats des autres méthodes d'observation. Idéalement, la cartographie RMT doit être conditionnée par les cartographies géologiques et morpho-géologiques, puis doit elle- même conditionner l'implantation des observations hydrogéologiques ponctuelles en fonction de la structure et de l'hétérogénéité locale du milieu. Synthèse - 123 • RÉSULTATS GÉNÉRAUX L'ensemble des mesures radiomagnétotelluriques de cette recherche amènent à divers résultats sur la méthode et sur le milieu d'application: l'hétérogénéité RMT locale du milieu fracturé est généralement élevée. Elle est attribuée aux variations intrinsèques de la résistivité du milieu, mais aussi à la sensibilité de la méthode RMT aux contrastes de résistivité (effets EM directionnels). Ces effets directionnels doivent être pris en compte pour une interprétation correcte du champ radi omagnétotell uri que. la valeur de déphasage, souvent considérée comme un paramètre accessoire, est un indicateur géologique (statigraphique et structural) aussi déterminant que la valeur de résistivité. Sa non mesure fait perdre à la méthode une partie importante de son intérêt. l'interprétation des coefficients d'anisotropie RMT (résistivité ou phase) en termes de fracturation n'est pas confirmée car l'on n'observe pas de relation directe entre l'anisotropie RMT et le degré de fracturation. On observe notamment que certaines zones très fracturées présentent de faibles coefficients d'anisotropie. Par contre, l'individualisation de volumes de roche présentant des directions identiques d'anisotropie RMT (zones isodirectionnelles) est démontrée et peut se révéler un nouveau critère pour décrire structuralement le milieu. la modélisation est soumise à des conditions de base, parfois difficilement appréciables en situation réelle (situation ID, 2D, type de polarisation). Calée par des informations géologiques directes, elle permet toutefois de vérifier les hypothèses géologiques qualitatives effectuées à partir des profils de valeurs RMT brutes. D'une manière générale, tout traitement des données RMT en milieu fracturé et à l'échelle locale est complexe car il doit tenir compte des variations lithologiques, des structures tectoniques, de la direction de la mesure RMT et des équivalences électriques. Pour cette raison, la quantification des données géophysiques permet surtout de vérifier la pertinence d'un modèle géologique établi sur la base de l'interprétation qualitative des réponses géophysiques. Cette démarche implique que plus approfondie sera Ia connaissance géologique et structurale du milieu et plus approprié sera le traitement géophysique des données. - 124 ¦ Synthèse APPORT GÉNÉRAL À !/HYDROGEOLOGIE APPLIQUEE Trois termes peuvent caractériser l'apport du radiomagnétotellurisme à l'hydrogéologie: simplicité d'application, hétérogénéité locale et perspectives cartographiques. La simplicité évoque l'aspect méthodologique et ses possibilités d'application. Il faut en effet qu'une méthode de cartographie appliquée à l'hydrogéologie des milieux fracturés puisse permettre la réalisation de réseaux de mesures parfois très denses. Il faut donc que la méthode utilisée soit aussi souple et efficace que possible. De fait, la réalisation d'un sondage géoélectrique permet une interprétation plus fine du contexte strati graphique que celle d'un sondage RMT, mais l'expérience montre qu'en milieux hétérogènes, il est souvent préférable d'avoir d'abord une approche simplifiée en de nombreux points qu'une approche détaillée en peu de points. La méthodologie VLF-RMT est probablement la manière actuellement la plus efficace pour cartographier les milieux fracturés de subsurface sous couverture conductrice inférieure à une quinzaine de mètres. Elle devrait être axée sur le couplage d'une cartographie extensive (en continu) de la structure du milieu (VLF-EM), puis d'un affinage local, par RMT, des zones d'intérêt. L'hétérogénéité locale nous rappelle qu'il faut sans cesse impliquer l'échelle d'observation pour éviter les effets "d'homogénéisation du milieu". Dans cette acception, le RMT offre une possibilité convaincante de mettre en évidence Ia structure hétérogène du milieu fracturé, donc de mieux appréhender l'étude hydrogéologique du milieu local. La forte hétérogénéité locale du milieu montre que la cartographie géophysique en générale et le RMT en particulier ne permettent jamais la détermination du champ des perméabilité mais fournissent une image (une prévision) de la distribution probable des perméabilités. Cependant, la cartographie RMT ajoute un élément de plus en faveur de la complexité locale des milieux fracturés étudiés, donc de l'attention à porter sur la corrélation et l'interprétation de données géologiques ou hydrogéologiques ponctuelles. Dans ce cadre, le terme particulier "hydrogéophysique" (géophysique appliquée à l'hydrogéologie) se justifie particulièrement dans la mesure où la méthode géophysique peut servir de lien (de "fonction d'interpolation") entre les observations hydrogéologiques. Enfin, les perspectives cartographiques liées à la méthode RMT convergent vers l'objectif de pouvoir étudier chaque milieu fracturé en fonction de ce qu'il est spécifiquement. Dans cette optique, Ia cartographie RMT est un outil dont l'application pourrait apporter une plus grande rigueur méthodologique à l'étude hydrogéologique appliquée. Synthèse - 125 - Son apport, ses avantages et surtout ses limites devront être définis sur d'autres milieux fracturés faisant l'objet d'études hydrogéologiques. Il serait notamment intéressant de cartographier des milieux sur lesquels les observations hydrogéologiques n'apparaissent pas particulièrement liées à la structure locale ou des milieux considérés a priori comme homogènes. Enfin, la signification physique des zones "isodirectionnelles", de leur variation en fonction de la structure et de leur implication en termes hydrogéologiques sont des sujets dont l'étude devrait être poursuivie. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Archie, G. E. 1942. 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ANNEXES ANNEXE 1.................................................................Al THÉORIE ÉLÉMENTAIRE CONCERNANT LA MÉTHODE MAGNÉTO- TELLURIQUE ET LA MÉTHODE EMB (SLINGRAM). ANNEXE 2.................................................................A2 SPÉCIFICATIONS TECHNIQUES DES PROTOTYPES EM UTILISÉS. ANNEXE 3.................................................................A3 SITUATION ET BASE DE DONNÉES DU SITE DE BURE. ANNEXE 4.................................................................A4 SITUATION ET BASE DE DONNÉES DU SITE DE L'HORTUS. ANNEXE 5.................................................................A5 Situation et base de données du site de Lindau. ANNEXE 6.................................................................A6 Situation et base de données du site de tominian. ANNEXE 7.................................................................A7 FORAGES DU SECTEUR B17, SITE DE BURE. ANNEXE 8.................................................................A8 CRITÈRES D'IMPLANTATION ET LEVÉS DES FORAGES DU SECTEUR B19, PROFIL N°l, SITE DU MAIRA. ANNEXE 9.................................................................A9 PARAMÈTRES DE MODELISATION 2D, SITE DU MAIRA. ANNEXE 10..............................................................AlO DONNÉES DE TRAÇAGE, SITE DU MAIRA. ANNEXE 1 THÉORIE ÉLÉMENTAIRE CONCERNANT LA MÉTHODE MAGNÉTO- TELLURIQUE ET LA MÉTHODE EMB (SLINGRAM).........................Al-I A.l.l. PROPRIETES PHYSIQUES......................................................................................3 A.l.1.1. Les propriétés électriques du milieu.............................................................3 A.1.1.2. Les propriétés magnétiques du milieu,..........................................................6 A.1.2. LOIS GENERALES.................................................................................................6 A. 1.2.1.Principe général........................................................................................6 A.l.2.2. Loi de Neumann......................................................................................7 A.1.2.3.LoideBiot-Savart....................................................................................7 A.l.2.4. Equations de Maxwell...............................................................................8 A.l.2.5. Atténuation du champ EM.........................................................................9 A.1.2.6. Conditions aux limites............................................................................10 A.1.3. MAGNETOTELLURISME......................................................................................11 A.1,3.1. Paramètres mesures................................................................................11 A.l.3.2. Milieu ID............................................................................................11 A.l.3.3. Interpretationen milieu 2D......................................................................13 A.l.3.4. Interprétation en milieu 3D......................................................................16 A.1.4. CHAMP EM PROCHES - METHODE EMB..............................................................16 A. 1.4.1. Champs proches - cas d'un dipole magnétique oscillant..................................16 A.l.4.2. Champ EM d'une bobine circulaire............................................................18 A. 1.4.3. Combinaison de champs -déphasages........................................................19 A.1.4.4. Profondeur de pénétration et d'investigation.................................................22 A.l.4.5. Interprétation.........................................................................................24 - ANNEXES - Al 3 THÉORIE ÉLÉMENTAIRE CONCERNANT LA MÉTHODE MAGNÉTOTELLURIQUE ET LA MÉTHODE EMB (SLINGRAM). Cette annexe est subdivisée en deux parties: La première partie est consacrée aux propriétés physiques qui conditionnent les variations des champs électromagnétiques. en seconde partie, nous rappelons les différentes lois physiques permettant l'approche théorique de la propagation et de l'atténuation des ondes électromagnétiques dans le milieu souterrain. Les sources de cet aperçu théorique sont les ouvrages de géophysique appliquée de Keller & Frischknecht 1979 [1], de Parasnis 1986 [2] de Telford 1990 [3] et les publications plus spécifiquement liées au domaine du magnétotellurisme (Fischer 1983, 1985, discussions) ou à celui des méthodes à champs proches (Mc Neill, 1980). A.l.l. PROPRIETES PHYSIQUES Trois propriétés physiques gouvernent les comportements électromagnétiques du milieu: la résistivité électrique, la constante diélectrique et la perméabilité magnétique. De ces trois propriétés, la résistivité électrique p (ou son inverse la conductivité électrique o) est la plus importante. A.l.l.1. LES PROPRIÉTÉS ÉLECTRIQUES DU MILIEU Le transport du courant dans un matériau est dû à l'association de trois modes de conduction: électronique, électrolytique et diélectrique. La conduction électronique où le courant électrique est assuré par les électrons libres du matériau. Ce type de conduction est important dans le cas des substances possédant un fort pourcentage d'électrons libres. C'est le cas, par exemple, des métaux (argent, cuivre, fer, etc.) et des semiconducteurs (carbone, silicium, germanium, etc.). ANNEXE 1 Al 4 - ANNEXES - Mesure de la résistivitê en laboratoire La résistivitê d'un matériau est mesurée en appliquant une différence de potentiel aux deux extrémités d'un cylindre du matériau considéré et en calculant la résistance R par la loi d'Ohm (R=V/I). La résistivitê du matériau est : p=M [om] (1.1) p: résistivitê (ohm.m); R: résistance (ohm); S: surface de la section transverse (m2); L: longueur du cylindre (m). Son inverse, la conductivité a, est: g=i= L =a/s)=j p R.S (V/L) E (12) s: Conductivité électrique (S/m), I: Intensité électrique (A), V: Potentiel électrique (V), J: Densité de courant (A/m2), E: Champ électrique (V/m). La conductivité électrique exprime la proportionnalité entre l'intensité du champ électrique en un point et la densité de courant en ce même point. Cette résistivitê est donc une mesure effectuée sur des cylindres de roche cohérente et désaturée. Si cette valeur est utilisée comme résistivitê vraie pour le calage d'un modèle géophysique, elle représente une valeur de matrice souvent trop élevée par rapport à l'ensemble de la formation géologique. A l'état désaluré, la plupart des roches sont très peu conductrices car leur minéraux majeurs présentent des résistivités élevées. La conduction ionique (ou électrolytique) où le courant est assuré par les ions. La conduction du courant est assurée par les electrolytes saturant tout ou partiellement les pores du matériau. Il est admis que les différences de conductivité électrique entre les matériaux terrestres sont dues en grande partie à la conduction électrolytique. Cela implique que la porosité, la texture de la porosité (connexion et géométrie des vides) et la minéralisation de l'eau des pores influencent davantage la résistivitê que la nature des minéraux constituant la roche. La variation de la conduction électrolytique en fonction de la porosité est exprimée par la relation expérimentale d'Archie (1942): p = a~m snpw [Q.m\ (lt3) f: porosité, s: fraction des pores remplie de fluides, rw: résistivitê de l'eau (ohm.m), n = 2, a et m étant des constantes propres au milieu 0.5 < a < 2.5; 1.3 < m < 2.5 . - ANNEXES - Al 5 En pratique géophysique, cette loi est d'emploi très difficile. Elle est quasiment impossible à exploiter dans les milieux à porosité de fracture où ¢, s et pw sont par définition très variables et généralement inconnus. La texture de la porosité est généralement considérée comme moins importante que sa valeur volumique. En milieu Fissuré (et karstifié), il est pourtant possible que l'effet dû à l'organisation très structurée des vides ne soit pas négligeable et produise un effet d'anisotropie sur la résistivité. La conduction diélectrique est une propriété considérée comme secondaire. Le courant est assuré par le déplacement très local de charges électriques qui restent liées au matériau et provoquent sa polarisation électrique. Ce phénomène peut être dominant dans le cas de substances normalement isolantes. L'eau, l'air, les argiles, la paraffine, le pétrole et les micas sont des diélectriques types. La polarisation P (= moment électrique dipolaire par unité de volume) est proportionnelle au champ électrique E et la constante de proportionnalité est la susceptibilité électrique r\: P = TiE (14) P: polarisation électrique (As/m2); E: champ électrique en (V/m); i\: susceptibilité électrique en (As/Vm). Le courant de déplacement D représente le flux électrique par unité de surface dû à la conduction diélectrique. Il est proportionnel au champ électrique par la constante diélectrique er selon (en unités mks): D = £nE + P = E(E0H-Ti) =eE = ereoE (1.5) D: Déplacement électrique (As/m2), eo: permittivité du vide (As/Vm), e: permiltivité du milieu (As/Vm), er permittivité relative ou constante diélectrique (s.d.). La constante diélectrique relative d'une roche Er permet d'exprimer la capacité de celle-ci à stocker les charges électriques ou, autrement dit, d'exprimer sa "polarisabilité". Elle peut conditionner en partie la réponse d'une roche aux courants alternatifs de haute fréquence. Cc courant de déplacement n'est pas significatif dans les matériaux conducteurs et aux basses fréquences et la constante diélectrique est généralement indépendante des fréquences inférieures à 100Hz. Le tableau de la figure 1.1 montre la variation de la constante diélectrique en fonction de la fréquence pour plusieurs formations rocheuses. On observe que dans le domaine de notre étude, les différences maximales à attendre (entre 10 Hz et 250 kHz) sont de l'ordre de 15 % pour les calcaires, 11 % pour les grès et 17 % pour les granites. En géophysique, les courants de déplacement sont souvent considérés comme négligeables car les fréquences utilisées sont basses. ANNEXE 1 Al 6 - ANNEXES - Rock Dolomite (rock) Kaolinite (rock) Limestone Sandstone (arkose) Sandstone (greywacke) Sandstone (quartzite) Diabase Diorite Dirai te Gabbro Granite Argillite Sillimanite schist Honiblend schist Talc schist Serpentine (rock) Dielectric constant in pF/m at a frequency of: 100 c/s 105 67-7 91-8 52-5 103 50-0 119 63-9 88-7 133 750 105 86-0 91-5 279 89-8 lkc/s 85-6 56-0 82-9 51-5 77-8 47-2 99-5 58-5 75-0 102 66-9 92-0 80-8 87-8 201 69-0 10 kc/s 77-0 48-0 79-8 49-5 65-3 45-9 88-1 55-5 69-3 90-8 63-4 81-7 77-7 84-3 139 61-2 100 kc/s 71-8 43-0 78-5 47-7 58-4 444 80-7 53-5 67-3 85-5 62-1 76-6 75-2 81-9 96-0 58-5 1 Mc/s 70-0 40-3 77-0 47-2 54-2 43-2 73-6 65-3 80-8 60-8 73-5 72-9 80-6 75-0 56-7 10 Mc/s 68-3 39-8 75-8 47-0 52-0 418 68-8 63-5 77-8 59-1 70-6 71-5 78-7 67-0 55-3 Fig. A.l.l. Constantes diélectriques de diverses roches sèches en fonction de la fréquence. Tiré de Keller and Frischknecht (1979). A. 1.1.2. LES PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DU MILIEU L'équation de Maxwell (cf équation 1.8) montre que la tension induit dans un conducteur dépend de la variation de l'induction magnétique B donc aussi de la perméabilité magnétique u du milieu puisque (en unités mks): B = \iT. uo H (1.6) B: induction magnétique (T); H: intensité du champ magnétique (A/m); U1-: perméabilité magnétique relative du milieu (H/m). \iq: perméabilité magnétique du vide (H/m) En l'absence de fortes concentrations de minéraux magnétiques, la perméabilité n'est pas significativement supérieure à l'unité (égale à la perméabilité du vide \Iq) et l'influence de sa variation peut en général être négligée. A.1.2. LOIS GENERALES La cartographie électromagnétique est conditionnée par les lois de l'induction électromagnétique développées notamment par Faraday, Neumann, Biot et Savart, Ampère et Maxwell. A.1.2.1.PRINCIPE GENERAL Si un champ électromagnétique, variable dans le temps, est produit à la surface du sol, des courants parcourront les conducteurs de subsurface en accord avec les lois - ANNEXES - Al 7 d'induction électromagnétique. Ces courants donnent lieu à des champs électromagnétiques secondaires qui modifient le champ total observé en surface. Ces champs résultants sont généralement différents des champs primaires par leur intensité, leur déphasage et leur direction. Dans cette étude, le champ primaire est généré par des émetteurs artificiels soit fixes (VLF) soit mobiles (EMB). Les conducteurs sont les formations géologiques, globalement conductrices par rapport à l'air, mais plus précisément les formations à forte composante argileuse, saturées d'eau ou magnétiques. L'effet inductif permet de s'affranchir des problèmes de contact au sol (cas des roches affleurantes, des carapaces latéritique et des permafrosts) ou d'injection de courant dans des formations géologique très résistantes (roches désaturées, roches compactes). A. 1.2.2. Loi de neumann La loi de Neumann établit que si un flux magnétique normal à un circuit plan change avec le temps, une force électromotrice égale en magnitude à ce taux temporel de changement de flux est induite dans le circuit et que, si ce circuit est fermé, un courant électrique s'écoulera dans une direction telle que le champ magnétique associé tendra à s'opposer au changement de flux. En prospection géophysique, le dispositif électromagnétique de mesure, et notamment la source du champ primaire, est toujours orienté spécifiquement par rapport à la structure recherchée pour obtenir une induction maximale. CeUe condition implique donc que les structures ciblées sont a priori connues et qu'elles ont une orientation nettement préférentielle. A.l.2.3. LOI DE BlOT-SAVART Le champ primaire "P" d'une source électromagnétique peut être calculé par la loi de Biot- Savart . Cette loi montre notamment qu'un élément de fil conducteur de longueur dl transportant un courant I crée en un quelconque point M de l'espace libre une densité de flux magnétique valant: dB= ^s1nG [Wbm-2] 4îtr2 (1.7) r: distance entre M et l'élément conducteur, 9: angle entre l'élément et la ligne joignant celui-ci à M, u.o: perméabilité du vide = 4tïE-7 Rm-L Le champ est perpendiculaire au plan contenant dl et la ligne de liaison à M; sa direction est donnée par la règle de l'observateur d'Ampère. La loi de Biot-Savart est applicable aux champs EM statiques mais peut être appliquée aux courants alternatifs de basse fréquence si (co£r£o)/c7 « 1 (conditions quasi-statiques) En prenant er = 100 et p = 1000 ohm.m, on devrait avoir f « (l/(2rc£renp)) = 190 kHz. Le domaine de fréquence du radio-magnétotellurisme étant compris entre 12 et 240 kHz, les conditions quasi- statiques ne sont donc pas toujours réalisées. ANNEXE 1 Al 8 - ANNEXES - 1.2.4. EQUATIONS DE MAXWELL La propagation et l'atténuation des champs magnétotelluriques sont décrites à partir des équations de Maxwell. VxE = -^5- (1.8) ot VxH = J+^ (1.9) ot E: intensité du champ électrique (V/m); B: densité de flux magnétique (T); H: intensité du champ magnétique (A/m); J: densité de courant (A/m2); D: Déplacement électrique (C/m2). La loi (1.8) montre qu'en présence d'un champ magnétique variable il existe un champ électrique dont l'intensité est proportionnelle et opposée à la variation du flux magnétique. La loi (1.9) exprime le fait qu'un champ magnétique est généré par un courant électrique et que ce champ est proportionnel au courant total (courants de conduction + courants de déplacement). La troisième loi de Maxwell exprime qu'il n'existe pas de charges magnétiques libres: VB=0 (1.10) La dernière équation exprime que la source du déplacement électrique est à chercher dans la distribution des charges Q: V-D = Q (1.11) Admettant que les équations constitutives (1.2), (1.5) et (1.6) sont valables, on peut transformer les équations de Maxwell (1.8) et (1.9) pour en déduire: VxE = -^L^ (1.12a) ot ot (1.12b) Après combinaison, en postulant une variation temporelle harmonique exp (iwt), ces équations deviennent [Telford, 1990]: V2E=Jw^aE - CO2^e E (1.13a) V2 H = )(û\iaH - «Ve H (1.13b) Avec (û: pulsation - 2jtf (Hz) - ANNEXES - Al 9 Ces équations décrivent la propagation des vecteurs du champ électrique et magnétique dans un milieu isotrope, homogène, de conductivité o, de perméabilité magnétique relative |i et de constante diélectrique er. Les premiers termes de droite sont liés aux courants de conduction (partie imaginaire), les seconds (partie réelle) aux courants de déplacement. A.l.2.5. Atténuation du champ EM Dans l'air, g = 0, e = E0 = (4TtC2)'1 *107 = 8.854 E-12 et u. = u.0 = 4icE-7. Dans le sous sol, nous avons vu que £ est généralement inférieur à 100 (cf. Fig. A.1.1) et que (i (souvent inférieur à 3) est généralement pris comme égal à 1. Par contre, la conductivité du milieu et la fréquence utilisée (f = (ù/2te) peuvent être très variables et conditionnent l'atténuation du champ EM. Dans le cas d'un milieu très résistant on aura: V2E =-W2HeE V2 H - -O)2UeH ^ 14) et pour un milieu conducteur [Telford]: V2E = ua^ = jû)^cE (1.15a) ot V2 H = UO^L = jcö^io H (1.15b) ot Cas d'une onde plane Dans le cas d'une onde plane se propageant selon z et polarisée dans le plan xy (cas du magnétotellurisme), la solution de l'équation de diffusion 1.15b est [Telford]: Hy - Hoe-az cos (cot - az) (1.16) avec: a = ((ûjia/2)1/2 ; z: distance en profondeur (m). la seconde partie du membre de droite de (1.16) représente une ondulation harmonique simple avec un déphasage. La première partie représente l'atténuation de l'onde avec la distance de propagation en fonction du paramètre "a" Ce paramètre est l'inverse de la profondeur de pénétration (= inverse de la profondeur de peau). ANNEXE 1 Al 10 - ANNEXES - Cette profondeur de peau s'exprime par: 1_ J ^P~_cv,./P = 503 a/T a V cono V f (J-17) La profondeur de peau ö (skin depth) est la distance à laquelle le signal est réduit de 1/e (soit 37%) par rapport à sa valeur initiale Ho. Dans le cas d'une onde plane polarisée on a pour le courant: J = GE = VxH (U8) d'où, en résolvant [Telford]: Jx=Y(O)HG) H0 e-zV ("^) x cos (cot - zV (œjia/2) + j) avec iilA: déphasage entre les composantes électrique et magnétique à la surface d'un milieu homogène. L'équation (1.19) montre qu'à la surface l'amplitude du courant est ((û|ic)1/2 fois celle du champ magnétique et que le courant présente un effet de peau semblable à celui du champ magnétique. En résumé: En présence d'un milieu plutôt résistant, où (coua/2)1^2 est faible, on voit que l'onde EM se propage avec une faible atténuation, qu'elle induit une faible densité de courant dans le milieu, mais que ce courant est réparti sur une grande épaisseur. En présence d'un milieu plus conducteur, l'onde EM est plus fortement atténuée, elle produit une densité de courant plus grande dans le milieu mais réparti sur une profondeur beaucoup plus faible. A.l.2.6. CONDITIONS AUX LIMITES Ces conditions sont utilisées lorsque l'on traite de la propagation du champ EM en milieu non homogène. Comme le montre Ia figure A. 1.2, à toute interface comportant un changement de conductivité a, où l'on admet qu'il n'existe ni charge libre ni courant, les 4 conditions suivantes doivent être satisfaites pour tout champ électromagnétique: nxfEi -E2) = 0 Ie champ électrique tangent à l'interface est continu. Hx(H1 -H2) = 0 - ANNEXES - Al_ll le champ magnétique tangent à l'interface est continu. n . (01E1 - C2E2) = 0 0U) plus généralement : O1E1 - O2E2 = O la densité de courant est toujours continue. n . (Ji1Hi -H2H2J = O le flux magnétique normal à l'interface est continu. Fig. A.1.2. Conditions aux limites des champs électromagnétiques à une interface. Tiré de Telford et al. (1990). A.1.3. MAGNETOTELLURISME Cette partie correspond au premier type de méthode EM utilisé dans cette étude. A.i.3.1. Paramètres mesures Les méthodes magnétotelluriques (MT) permettent de décrire la nature électrique du milieu et sa structure à partir de la mesure des composantes magnétique et électrique du champ électromagnétique. Pour ce faire, les simplifications suivantes sont effectuées: - les fréquences utilisées sont suffisament basses pour pouvoir négliger les courants de déplacement (seconds termes à droite des équations 1.12b); - seules les variations périodiques temporelles des champs EM horizontaux sont considérées. A.l.3.2. MILIEUlD En milieu ID, les composantes du champ horizontal électrique et magnétique sont latéralement constantes (Ô/Ôx = ô/Ôy = O) et les composantes verticales Ez et Hz sont nulles. ANNEXE 1 Al 12 - ANNEXES - En considérant l'onde plane polarisée dans le plan xy, la propagation selon z positif (vers le bas), le vecteur magnétique faisant un angle 6 avec l'axe des x (d'où les grandeurs des composantes magnétiques sont: Hx0 = H0 cos9 et Hy0 = H0 sinO on a [Telford]: ly Des équations (1.18) et (1.20) on obtient pour Ex et Ey: Hx = (H0COS 8) e"az cos (û)t - az) (1.20a) Hy = (Hnsin G) e~az cos (û)t - az) (1.2Ob) -az Ex = fiHH0Sm 6) e cos (cot - az +¾ (1.21a) o 4 -az Ey = VI-^(HoCOS 0) e cos (cot - az + ¾ (1.21b) J G 4 En surface z = 0, le rapport des champs électrique et magnétique est l'impédance Z qui pour un conducteur de résistivité p se réduit à: ^- =|^ = Zo=V^p exp(i7r/4) H*o Hyo (1.22) L'impédance Zxy = Ex/Hy est indépendante de la direction de mesure et est identique à Zy x = Ey/Hx. En assumant que G est la conductivité correspondant à la profondeur P, il est possible de de déterminer une valeur approximative de Pp et de p en remplaçant d/dz par 1/P et co par 2ti/T. les équations 1.20, 1.21, 1.22 nous donnent: (1-23) P -l p g Hy Ex = Y(cou.p) .. T Ex COU, 27t|i. Py apparente pa: P 1 *~ T 27C(i Ex Hy 2 (1-24) Cette relation entre le champ magnétotellurique et la résisistivité est due à Cagniard (1953). Il est donc possible en mesurant l'amplitude des deux composantes horizontales et orthogonales des champs électrique et magnétique, pour différentes fréquences, de déterminer la variation de résistivité en fonction de la profondeur (sondages de fréquences). Il faut toutefois remarquer que Ie calcul de la résistivité est lié à la définition de l'épaisseur de peau (cf. 1.2.2). - ANNEXES - Al 13 La possibilité d'effectuer des sondages en variant la fréquence mais pas la configuration du dispositif est probablement un avantage déterminant de l'électromagnétisme sur la géoélectrique, surtout en milieu hétérogène latéralement. Il faut pourtant noter que le fait de diminuer la fréquence provoque une augmentation de la distance de pénétration verticalement mais, bien entendu, aussi latéralement. L'expression de la résistivité apparente pa mesuré sur un terrain bicouche de résistivité vraie pi, p2 et d'épaisseurs respectives z et <*> est [Telford]: Pa = a2e2ï+2aeïcosY+l Pi a2e2Y-2aeïcosy+1 avec: a-(^TpT]/(VpT?T) et y^zj^p = 0.004z [^ ^ L'angle de déphasage de H par rapport à E est: a2e2Y-2cceYsiny-1 tan <(» = —-----------------!----- (1.26) a2e2Y + 2oce? siny - 1 En milieu ID, le déphasage Ex/Hy est un bon indicateur du contexte stratigraphique des formations électriques. Qualitativement on utilise les 3 règles de base suivantes (Fischer, 1983, 1985): a. phase ~ 45°: le volume sondé est électriquement homogène. La résistivité apparente mesurée correspond à la résistivité vraie du volume. b. phase < 45°: le volume sondé est constitué de deux formations électriquement différentes et la formation supérieure est plus conductrice que la formation inférieure. La résistivité mesurée est une résistivité apparente. c. phase > 45°: le volume sondé est constitué de deux formations électriquement différentes et la formation supérieure est plus résistante que la formation inférieure. La résistivité mesurée est une résistivité apparente. Originellement les mesures en milieu ID étaient interprétées par des abaques bi-couches de courbes [phase] vs [log (fréquence] ou [log rhoa] vs [log (fréquence] (Cagniard, 1953, Keller and Frischknecht, 1979). Actuellement différents exemples de traitement des milieux à n-couches par modélisation inverse ou directe existent (p.ex.Fi scher, 1981a, 1981b). A.l.3.3. INTERPRÉTATION EN MILIEU 2D En milieu 2D, l'impédance Z n'est plus scalaire et dépend de la position du point de mesure par rapport à la structure et de l'orientation du dispositif de mesure. L'impédance ANNEXE 1 Al 14 - ANNEXES - scalaire Z sur une structure ID devient donc une impédance tensorielle sur une structure 2D avec la relation tensorielle [Telford]: Ex = ZxxHx+ ZxyHy (1.27a) Ey = ZyxHx^-Zj7Hy (1.27b) L'impédance simple du milieu ID devient un tenseur dont les 4 composantes doivent être déterminées. Le comportement du champ radio-magnétotellurique very low frequency (VLF) est décrit par Fischer et al. (1983) sur une structure 2D idéale de type "filon conducteur" présentée à la figure A. 1.3. La modélisation MT par éléments finis sur cette structure 2D montre qu'en polarisation électrique (pol E), c'est-à dire lorsque E est parallèle à la direction de la structure, la résistivité apparente paE diminue légèrement et la phase NKaE diminue. En polarisation magnétique (pol H), c'est-à dire lorsque E est perpendiculaire à la direction de la structure, la résistivité apparente paH marque une chute importante et discontinue et la phase ^an augmente. La figure A. 1.4 montre que l'on a effectivement dans ce cas: PaE »PaH (1.28a) \|/E<\j/H (1.28b) 10 m Fig. A.1.3. Structure bidimensionnelleavec filon conducteur englobé dans une matrice résistante et couche basale conductrice. Tiré de Fischer, LeQuang et Müller (1983). - ANNEXES - Al 15 if) Q. 70T 60-- 50" 10 T ü_ < O 10 + J-*. -20 -^-------*-------,— 0 20 DISTANCE CM) 40 Fig. A. 1.4. Résislivité apparente el phase calculées le long d'un profil recoupant le filon de la figure 1.3. Les croix représentent la polarisation E, les étoiles Ia polarisation H. Tiré de Fischer et al. (1983). Si la résistivité apparente et la phase sont connues pour les principales directions, la résistivité et la phase peuvent être calculées pour toute autre direction faisant un angle a avec la direction de la structure selon: Pa(Ot) = paE COS4Ci + paH sin4ct + ±- Vp3EPaH sin2(2ot) cos (ve - Vh) (1.29) tan\}/(a) = V paE COs2Ct simj/E + VpaH sin2ct sin\|/H V paE COS2Ot cosyE + Vp3H sin2a cosyH (1.30) La figure A. 1.5 représente un diagramme polaire de la réponse vif dans le cas du même filon conducteur et pour plusieurs distances à son interface de gauche. Ce diagramme ANNEXE 1 Al 16 - ANNEXES - démontre d'une part l'anisotropie électromagnétique, maximale au mur du filon (interface filon-matrice) et la décroissance rapide de cette anisotropie avec l'éloignement à la structure. Y - S. 0 M Y - IB. 0 M Y - 20. 0 M il il il \ s im Hm il flm 1 ' \ J'" 1000 Rm. 1001ÌV JO ftm v / » / / X 5,0*'' \ ' îoo*. y I . I , I . Fig. A.1.5. Diagrammes polaires de la réponse VXF sur le filon de la figure 1.3. La ligne continue représente le comportement de la résistivité apparente, Ia ligne discontinue représente la phase, toutes deux en fonction de l'angle polaire. L'échelle de résistivité est logarithmique (10,100,1000 ohm.m) et celle de la phase est linéaire (50,100°). Tiré de Fischer, LeQuang et Müller (1983). A. 1.3.4. INTERPRÉTATION EN MILIEU 3D A part dans le cas de structures simples (sphère, ellipsoïde), les procédures d'interprétation 3D ne sont pas encore suffisamment développées. Elles ne sont pas abordées dans cette étude. A.1.4. CHAMP EM PROCHES - METHODE EMB Cette deuxième partie correspond au second type de méthode EM utilisé dans cette étude. Il s'agit de la méthode EM-BIPOLE (EMB) ou SLINGRAM. A.1.4.1. Champs proches - cas d'un dipole magnétique oscillant La notion de champs proches ou lointains permet de caractériser le champ magnétique et accessoirement de classifier les méthodes électromagnétiques. Cette notion repose sur la valeur du produit |k| r où k représente le milieu (constante diélectrique, résistivité, - ANNEXES - Al 17 perméabilité magnétique) et la fréquence, et où r exprime la distance de séparation à la source électromagnétique. Cette définition est discutée par Parasnis (1986) dans le cas d'un dipôle magnétique oscillant, de moment magnétique: mo (cos (Ot - i sin cot), en milieu homogène, isotrope, de résistivité p, de constante diélectrique e et de perméabilité magnétique (i. Dans ce cas, la composante radiale "Br" faisant un angle G avec l'axe de la bobine et sa perpendiculaire "B6" (dans la direction d'acroissement de 6) peuvent être exprimées en tout point de l'espace par les équations de Maxwell : Limo_ M^e-Kcot-krJcose 2îir3 (1.31a) Be = V^2- (1- ikr - k2 r2) e-«* - W sin 0 0 47cr3 (1.31b) ou , i 2~ ÎCÛflW2 k = arm + —H = a + ib et après le calcul de a et b (Parasnis) on obtient: U/4 |ld = (a2 + b2)1/2 = (^p (p2 e2 U)^+I)1 pour une distance r suffisamment petite, |k| r tend vers 0 et on a : B1-Ui!*-e*" cos e 27cr3 (1.32a) B6.Ü5ÜL essine (1.32b) Le champ magnétique peut être calculé par ces deux équations. Il s'agit d'un "champ proche" (région d'induction) dans laquelle l'amplitude du champ varie comme 1/r3 et où le champ est considéré en phase avec le dipôle. si |k| r tend au contraire vers l'infini, Br décroît comme l/r2 et B9 comme 1/r. Il s'agit dans ce cas de champs éloignés (régions de radiation). Pour des très grandes distances, le champ total se résume à Be. la limite entre ces deux régions est floue et une limite pratique pour les champs proches ANNEXE 1 Al 18 - ANNEXES - est fixée à |k)r < 0.1 et, selon certains auteurs, à < 1. Dans le cas des champs proches, les lois de Neumann et Biot-Savart peuvent être utilisées pour le calcul de B. Dans notre cas, la méthode EMB est une méthode à champ proche et les méthodes VLF ou RMT sont des méthodes à champs lointains. A.l.4.2. Champ EM d'une bobine circulaire Le champ électromagnétique créé en un point A par une bobine circulaire d'axe vertical (cf.fig.A.1.6) peut être déterminé en approximant la composante vectorielle A<|> du vecteur de potentiel magnétique A selon [Telford]: A0 = u,Ia2p 4p2 + *fn (1.33) I: intensité du courant (A); a: rayon de la bobine (m); z: composante verticale de la distance r du centre de la bobine au point A (m); p: composante horizontale de r (m). Fig. A. 1.6. Champ créé par une petite bobine circulaire en un point A situé hors du plan de la bobine. Tiré de Telford et al. (1990). puis en déduisant de A les composantes Hp et Hz (coordonnées cylindriques) du champ - ANNEXES - Al 19 magnétique et sa composante électrique E représente le déphasage du champ magnétique ANNEXE 1 Al 22 - ANNEXES - secondaire. Ce déphasage ty est fonction de la fréquence (co = 2rcf) de l'inductance L de la bobine et de sa résistance R selon: 4» = tan"1 (O)UR) (1.38) L: inductance de la bobine (en Henry). ou, si l'on tient compte du couplage d'induction entre la source et le conducteur, on a pour le déphasage entre les champs primaire et secondaire: Gp - es = (n/2 + tan-l (coL/R)) = (ïï/2 + ¢) (1.39) Dans ce cas (figure A.1.9), l'inphase est -S sin<)> et l'outphase est -Scos i - ANNEXES - A3 5 A.3.2.a. RELEVES DE FISSURATION ET LINEAMENTS Direction des axes rectilìgnes des vallées latérales et situation des stations de mesure de la fissuration. Les 9 stations situées au Nord-Ouest de la carte font l'objet d'une étude antérieure et sont représentées à la page suivante. Figure extraite de Siméoni et Jamier, 1975. limnr drill 5JV Hïiion (Jf. ffifju'mrii hiiurumn "> *l dirtclion mov»nn» du fiiiurrs ANNEXE 3 A3 6 - ANNEXES A.3.2.b. RELEVES DE FISSURATION Relevés de fissuration dans la région de la grotte de Milandre. Figure extraite de Kiralyetal. 1971. Les relevés N°6 et 7 sont situés sur le site expérimental du Maira. - ANNEXES - A3 7 A.3.3.a, DESCRIPTION DES SECTEURS VLF-R PLURI- DIRECTIONNELS. Secteur 1 Lieu dit: Altitude: Géologie: Karsli fication: Hydrogéologie: Morphologie: Végétation: Emetteurs vif: Mesures vif: Les Charbonnières. 480 à 501 m. Calcaires du Séquanien inférieur et/ou du Rauracien. Couverture éventuelle de loess. Alignement N-S de dolines sur partie W du secteur. Bassin versant du Saivu, vérifié par traçage dans l'une des dolines. plateau à proximité immédiate de deux vallées sèches d'orientation N45° (vallée principale, falaises) et N75° (vallée latérale, pâturages). forêt et lisières. 15.1,24.0, 16.OkHz 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 2 Lieu dit: Les Grands Bois Altitude: 465 à 482 m. Géologie: Calcaires du Kimméridgien inf. et/ou du Séquanien sup. Karsli fication: Dolines. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu ou de La Font Morphologie: plateau. Surface en creux et bosses (dolines?) dans la partie NE du secteur. Végétation: forêt et lisières. Emetteurs vif: 15.1, 24.0, 16.Ü kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 3 Lieu dit: Altitude: Géologie: Kar sti fication: Hydrogéologie: Morphologie: Végétation: Emetteurs vif: Mesures vif: Le Rond Bois. 452 à 496 m. Calcaires du Séquanien inf. et/ou du Rauracien. Couverture de loess. Bassin versant du Saivu. surface en pente douce vers le Nord. forêt et lisières. 24.0, 16.9, 19.6 kHz. 36 stations, maillage de 50 x 50 m. ANNEXE 3 A3 8 - ANNEXES - Secteur 4 Lieu dit: Altitude: Géologie: Karsli fication: Hydrogéologie: Morphologie: Végélation: Emetteurs vif: Mesures vif: Le Champ du Noyer 402 à 421 m. Calcaires du Scqu. inf. (selon Chauve et al, 1985) ou du Rauracien (selon Grétillat, 1992). Couverture éventuelle de loess ou marnes à Astartes. Zone déprimée au NE du secteur avec ouverture de la roche calcaire (doline?) Bassin versant de la Batte. surface en pente douce vers le Nord avec légère dépression allongée traversant le secteur en NNE-SSW. champs cultivés. 12.1, 15.1,24.0, 16.9, 16.OkHz 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 5 Lieu dit: Lc Bois de Mont Michel Altitude: 439 à 486 m. Géologie: Calcaires du Rauracien. Faille supposée liée à la vallée sèche d'orientation N45c Karsti fication: Zone karstifiées en surface dans la partie SW du secteur. Hydrogéologie: Bassin versant de la Font. Morphologie: vallée sèche d'orientation N45° avec pente du flanc NW plus accentuée. Végétation: forêt. Emetteurs vif: 12.1, 15.1, 24.0, 16.9, 16.0 kHz. Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 6 Lieu dit: Altitude: Géologie: Karsti fication: Hydrogéologie: Morphologie: Végétation: Emetteurs vif: Mesures vif: Lai Varoille 502 à 543 m. Calcaires du Kimméridgien inf. et/ou Séquanien sup. Faille régionale supposée liée à Ia vallée sèche d'orientation méridienne Doline à l'extrémité W du secteur liée à une dépression allongée, d'orientation méridienne. Bassin versant de la Beuchire. Surface à pente vers le Sud, avec vallon d'orientation NS dans la partie Est du secteur. Pâturage et forêt. 12.1,24.0, 16.9, 16.OkHz. 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 7 Lieu dit: Altitude: La Terre au Chaud 570 à 582 m. - ANNEXES - A3 9 Geologie: Karsli fication: Hydrogeologie: Morphologie: Végétation: Emetteurs vif: Mesures vif: Calcaires du Séquanien sup. et/ou du Séqu. inf. marneux (couches à Natica). Faille méridienne supposée en bordure Est du secteur. Alignement NS de dolines dans la partie centrale du secteur. Bassin versant de la Beuchire. Surface à léger pendage vers le Sud-Ouest, avec une dépression allongée centrale d'orientation NS (à l'endroit des dolines) et une dépression allongée d'orientation EW. Prairie et forêt (terrain militaire). 12.1, 15.1,24.0, 16.9, 16.OkHz. 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 8 Lieu dit: Combe du Thion Altitude: 563 à 574 m. Géologie: Calcaires du Kimméridgien sup. Faille méridienne dans la partie Ouest du secteur. Karsti fication: Alignement NS de dolines dans la partie Ouest du secteur. Hydrogéologie: Bassin versant de la Beuchire. Morphologie: Surface à léger pendage vers le NW, avec une dépression allongée centrale d'orientation NS (à l'endroit des dolines). Végétation: Prairie et forêt (terrain militaire). Emetteurs vif: 12.1, 15.1, 24.0, 16.9, 16.0 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 9 Lieu dit: Tchu le rang Altitude: 518 à 542 m. Géologie: Calcaires du Séqu. inf. et/ou du Rauracien. Karsti fication: Réseau de Milandre au droit du secteur. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu. Morphologie: Butte d'orientation EW avec de nombreux petits affaissements de terrain. Végétation: Forêt. Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 16.0 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 10 Lieu dit: Altitude: Géologie: Karsti fication: Hydrogéologie: Morphologie: LaiTenire 560 à 585 m. Marnes du Séquanien, calcaires du Séqu. inf. et/ou du Rauracien. Couverture de loess possible. Faille NS à l'W du secteur. Bassin versant du Saivu. Surface à léger pendage vers le NW. Accentuation de ce pendage vers le NW du secteur.. ANNEXE 3 A3 10 - ANNEXES - Végétation: Champs cultivés et pâturages. Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 19.6 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 11 Lieu dit: Le Creux Altitude: 498 à 550 m. Géologie: Calcaires du Séqu. sup., marnes du Séquanien moyen, calcaires du Séqu. inf. et/ou du Rauracien. Karstification: vallée sèche d'orientation N60° Hydrogeologie: Bassin versant de la Fontaine. Morphologie: Surface à pendage vers le NE. Vallon d'orientation N60° dans la partie Nord du secteur. Végétation: Forêt et pâturages. Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 19.6 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 12 Lieu dit: Lai Rotte Altitude: 470 à 586 m. Géologie: Calcaires du Kimméridgien. sup. Karstification: Nombreuses dolines à proximité du secteur. Hydrogéologie: Bassin versant de la Beuchire. Morphologie: Surface à très léger pendage vers le Nord. Végétation: Forêt et prairie (terrain militaire). Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 19.6 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 13 Lieu dit: A pilaie Altitude: 605 à 627 m. Géologie: Calcaires du Kimméridgien. sup et/ou du Kimm. inf. Karstification: Doline importante au NE du secteur. Hydrogeologie: Bassin versant de la Beuchire. Morphologie: Surface à léger pendage vers l'Ouest. Végétation: Prairie (terrain militaire). Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 19.6. 19.0 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 14 Lieu dit: Altitude: Géologie: Es Vies di Maira 522 à 535 m. Calcaires du Séquanien inf. et/ou du Rauracien. Faille méridienne dans la partie W - ANNEXES - A3 11 du secteur. Karstification: vallée sèche d'orientation env. N45 à N60°. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu, la Font Morphologie: Dans dépression d'orientation env. N40°, à flancs peu pentus. Végétation: Pâturages. Emetteurs vif: 16.4, 15.1, 24.0, 16.9, 19.6, 19.0 kHz Mesures vif: 36 stations, maîllage de 50 x 50 m. Secteur 15 Lieu dit: Les Combalats Altitude: 516 à 532 m. Géologie: Calcaires du Séquanien inf. et/ou du Rauracien. Faille méridienne dans la partie centrale du secteur. Karstification: doline allongée N-S, partie amont du réseau supposé de Milandre. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu, la Font Morphologie: Dépression allongée d'orientation env. NS, avec pente du flanc Ouest plus accentuée. Végétation: Champs cultivés et pâturages. Emetteurs vif: 16.4, 24.0, 16.9, 16.0, 19.0 kHz Mesures vif: 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 16 Lieu dit: Altitude: Géologie: Karstification: Hydrogéologie: Morphologie: Végétation: Emetteurs vif: Mesures vif: Dô les Oeutches 558 à 565 m. Calcaires du Kimméridgien inf. et/ou du Séqu. sup. Couverture éventuelle de loess. Faille méridienne dans la partie Est du secteur. Bassin versant du Saivu, la Font Surface à très léger pendage vers l'Ouest, avec légère dépression NS dans la partie W du secteur. Champs cultivés et pâturages. 16.4, 15.1, 16.9, 16.0, 19.OkHz 36 stations, maillage de 50 x 50 m. Secteur 17 Lieu dit: Les Grands Champs Altitude: 512 à 532 m. Géologie: Calcaires du Rauracien. Couverture éventuelle de loess. Failles ± méridiennes dans la partie W du secteur. Karstification: Au droit du réseau de Milandre. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu. Morphologie: Dépression allongée d'orientation N30° avec flanc SE à pendage moyen et flanc NE à pendage localement fort (petites falaises). Végétation: Champs cultivés et forêt. ANNEXE 3 A3 12 - ANNEXES - Emetteurs vif: 12.1, 24.0, 16.9, 16.0, 19.0 kHz Mesures vif: 121 stations, maillage de 25 x 25 m. Secteur 18 Lieu dit: Le Puits du Maira Altitude: 503 à 533 m. Géologie: Calcaires du Séquanien inf. et/ou du Rauracien. Faille méridienne dans la partie centrale du secteur. Faille N60° dans la partie SW du secteur. Karstification: Au droit de la partie amont (cartographiée) du réseau de Milandre. Doline d'env. 150 m. de diamètre. Hydrogéologie: Bassin versant du Saivu. Morphologie: Dépression ovale de grand axe NS0 avec flanc SE à pendage moyen et flanc NE à pendage localement fort (petites falaises). Végétation: Pâturages et forêt. Emetteurs vif: 16.4, 16.9, 16.0 kHz Mesures vif: 147 stations, maillage de 10 x 10 m. A.3.3.b. DISTRIBUTION DE FREQUENCE DES RESISTIVITES MESUREES SUR LES SECTEURS Bl A B18. Pour chaque histogramme, l'ensemble des valeurs mesurées est pris en compte, toutes directions des mesures confondues. o - ANNEXES - A3 13 s s a a s = 2 - S - 3 - ? il ^™- b—H H—î I —-_ I ¦ ¦ ¦ ¦ h— h— 3 s o A3 14 - ANNEXES - . s . s ¦ ? k ni . \ 1 H ¦I — r—i—t—i- a s ¦!¦¦¦.|..„|. ¦ ? ST-- • I ¦ ¦ ¦ ¦ 1 ¦ ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ ¦ ¦ 1 ¦ ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ ¦ ¦ I ¦ ¦ SSRaS = S" I -+—+ ¦ ? ^- ^ lL. -4 -' ¦ïJJ r iY i la * ¦ i ¦ ..1----1. r a a - ANNEXES - A3 15 —1,,1 «1 I4 1—H (-~H K^^ I ¦ ¦ ¦ I—-H H—i h-^^J . S . ? U 5 8 8 A3 16 - ANNEXES - A.3.4. SITUATION DES MESURES VLF, RMT, EMB ET GEO- ELECTRIQUES EFFECTUEES SUR LE SITE DU MAIRA (SECTEURS B15, B19, B18 & B17) - B17: situation des 2 profils RMT-R : Pl et PZ B17: situation des 6 profils VLF-EM, outphase: profils AàF. B17: situation du secteur VLF-R pluridirectionnel, du réseau de Milandre (MI), des forages carottés (cercles) NEB6, NEB7, NEBlO, NEBl 1. - B19: situation du profil RMT-R, VLF-EM, EMB et Géoélectrique: Pl - B19: situation du profil RMT-R, VLF-EM: P2 B19: situation des forages carottés FNl et FN2 (cercle) et des forages destructifs (points noirs) MILl à MIL9. B18 et B19: situation des deux levés de fissuration (étoile) de Kiraly et al. (1971). Sur l'ensemble: situation des 7 sondages RMT-R détaillés (flèches). La projection en surface du point d'acquisition des données (courbes de restitution) lors des essais de traçage au NaCl est indiqué, à l'amont du réseau karstique de Milandre (carré). o - ANNEXES - A3 17 257 Duchesse ANNEXE 3 ANNEXE 4 Situation et base de données du site de l'Hortus................A4 A.4.1. Situation et lilhostratigraphie du Causse de l'Hortus (Durand, 1992)...................................2 A.4.2. Géologie et hydrogéologie du Causse de l'Hortus (Durand, 1992).......................................4 A.4.3. Analyse de fissuration et de linéaments sur le Causse de l'Hortus (Durand, 1992)..................6 A.4.4. Situation du site expérimental du Lamalou et du secteur géophysique Hl (Durand, 1992, modifié)...................................................................................................................8 A.4.5. Levés de fissuration sur le site du Lamalou (Durand, 1992)...............................................9 A.4.6. Stations de mesure VLF sur le secteur Hl (site du Lamalou)...........................................10 A4 2 - ANNEXES - Situation et base de données du site de l'Hortus A.4.1.a. SITUATION GEOGRAPHIQUE DU CAUSSE DE L'HORTHUS (D'APRES DURAND, 1992) - ANNEXES - A4 3 l.b. LITHOSTRATIGRAPHIE DU CAUSSE DE L'HORTUS (D'APRES DURAND, 1992) Bordure Sud-Ouest du causse Centre du causse ANNEXE 4 A4 4 - ANNEXES - A.4.2. CARTE HYDROGEOLOGIQUE DU CAUSSE DE LHORTUS (D'APRES DURAND, 1992). GEOLOGIE Aquifères m Imperméables Age et lithologie HiL ^W H H HYDROLOGIE /~- KARSTOLOGIE Quaternaire Quatematro Ofigocène a : Alluvioni et co*uv»ns IndiflerenciMi b : ABuvtonî récent« EbpidB récents Conglomérats. miim et grès contnenteux Eocène moy. et sup. Argtos h Intercalations brécriique* Eocene moyen Paleocène Heuterhien int. Vaiano mien InI. Vatanginten w. Bernasien SLf). Berriasien in). Portlandien ¦ : CaJeakas é »Sei e : Calcaires crayem c : Calcaires massili Arglci M marrai roses Calcares i huarfti memein a i Calcaires 6 enirociuas drts °iiàruesrrl3* b : Calcaires mameux Marnes at memo-ceicalrej Calcaires arglein CalCsirM messes loogenw Fractures ( synthèse des ptioe» aériennes, etat ¦nages utrtKilrei SPOT et des levés de terrait ) Cours d'eau perenno Cous d'eau temporaire Pfcrvîog raphe N* tflnvenifltre : vob Anne» 1 Avens Grottes Cavités impénétrables Sources pérennes I • • Sources temporaires ? n O Pertes 7 O Circulation souterraine prouvée par traçage _ . _ >000m SOO - ANNEXES - A4 5 LH v»j«^î (**n* Kl. ï>- A V * A /1 / ht v W / ( i \ / . I * 'n 'I IrV V ' i 1^ •' I' kl IjN /^r-'n v I * I O >'.*y.'s ^. ¦jT*Ta ' s Sg »pi ::ä, I I k¥ T1" ¦1 *> I a « I ^ S; m - \ -M R R Ls NEB 514.68 m 10 Q Ë'ifu|ï! / *l • \ /I o |,\ /^ N 's y I *l '. ' W / ' \ VJ /" x y X , ' v / \r s v JKA/ s K \ V* n y ,ZLl-V- y s i y t\ s y A ' f " isT"^—T v * -1V \\r s s' X V's :'W\ cn> ^*: W /M«'. ."I I ', s' * I 's <$$*> \ N V I * I A i. -----L. S .' I Y\ m< s.' * I ^N \t*i > * i ^ NV^ S I N ¦ I—^ y" V N 1 y M # I A - ! ' V11A s J—r—1- n v-t-Va V J-I-1-A "'-H-T'* V I J S V-V5Bf^ A ** Lr I y" * s t 's vlZ v V ' I 'A , \ n \ y s 11. s ft?- O H ^gT~^ Si R Ls Ox NEB 6 534.84 m M-S-V :¾ *. it I yvJ—i—u J- fc-T- -- + > U-LAJ/ * "T------s f ' •• -1—i—*- s /ni y % —!-----'-----T" S / /s / « -1 . J- s s \ * * -i—'—t- s ' 1 \ ' > _1—,—<- s y n \ / \ ~t----1----1- S s l ' V J____L S y -i—¦—r / \ - s y J__.—L y ¦> Ti v / I y V-I——T- v f \ \ ' \ J-----1----*- S '&¦ S: R R NEB 11 521.67 m I N y \ ' s ' s r ' S S ' s yjatoo *'3 *^' -y y s y s y s / s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s / s y s y N y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y s y V y N y V y s y V y s y y s y s y s y s y V / s s y y y s y s y V s; y s y ». VNt ï.c T * I -I s O I O 0 ^l 's /y>\'' |*» N I ^l '.SjZ-V |*?\ N I* I N r S y \s/\f\ s *X-\ s \y\ N y \/ J#-u y 1*1 y *^v *s s s N J N -1¾^ IH ^^i> S ^l '. sy l-y-x N l*rl N * i~ N kvl N N ipnCia^ ' v î*ï ' I-I N O i O N S ^i4 y s 1°, s I N 1-4- r s y s r N ' N ' S _1 [^1 I I *l« "Ti" " i* i i Q: Quaternaire, Si: Séquanien inf., R: Rauracien, Ls: Couches de Liesberg, Ox: Oxfordien ANNEXE 8 Critères d'implantation et levés des forages du secteur b19, site du maira........................................................a8 A.8.1. Valeurs RMT brutes sur le profil 1 et indication des critères géophysiques choisis pour l'emplacement des forages FNl, FN2.MIL3, MIL2, MILl et MTL9 (flèches).........................2 A.8.2. Levé détaillé des forages carottés FNl, FN2, NEB9 et des forages destructifs MIL3, M1L2, MILl, MIL9 et MIL4................................................................................................4 A8 2 - ANNEXES - Critères d'implantation et levés des forages DU SECTEUR B19, SITE DU MaIRA A.8.1. MESURES RMT-R SUR LE PROFIL 1 ET INDICATION DES CRITERES GEOPHYSIQUES D'IMPLANTATION POUR LES FORAGES FNl, FN2, MIL3, MIL2, MILl ET MIL9 (FLECHES). MIL9 MILl MIL2 MIL3: FN2: FNl: hors faille. Implantation sur un maximum local de résistivité. zone de faille. Implantation sur un minimum de résistivité (16 kHz). zone de faille. Implantation au centre de l'anomalie, sur maximum local de résistivité. zone de faille. Implantation dans la zone de transition des résistivités. marge de faille. Implantation sur un maximum de résistivité (16 kHz). zone de faille. Implantation sur un minimum de résistivité (16 kHz). o - ANNEXES - A8 3 CÛ (IAIIAlHO) AXIAIXSIS3ÌI d\ 7 * k'I ¦<-yvf^v Kj /^u? "=?! *v Lffl ^l'/v ^l *->y| A Iv*- 4-iy|V\> -JcJ'Ij J Il-Ar* I <3>\ - , ca ¦ :±- R 523.71 m *- # Si Ls NEB 9 523.04 m M-I >=H^ '^ L AY \ 'SU ':\X %c\\ / I °L / » \° y 1 1 * e I o '>lrl '- I- ^^_ K^ /« ft 'ft O -1 M y M sx y I «3?i ' I 'I I' y i?L ./L ->Wh AlA MA > "W/ y.r\/r i ^ Îïï Ji JjAV y/ JTf > Al /^k ^YlA Q: Quaternaire, Qk: remplissage karstique, Si: Séquanien inf., R: Rauracien, Ls: Couches de Liesberg, Ox: Oxfordien. - ANNEXES - LEVE DETAILLE DES FORAGES DESTRUCTIFS MIL4, MILl, MIL2, MIL3 ET MIL9. MIL 4 523.68 m MIL 1 521.02 m Ls .%, b sitfyu^lV»! \ / wW4* y h 'Jj il 'ni' . \ • HWH y * J!ïBtt3ff y • è44gç# /J y y y y y y y y y y . ' y y y y y y y y y y y \ y y k ' V y y t * \ y y y y , ¦ \ y / y / y y y y y y . ' \ y y y y y i * y y . ¦ \ y y » ¦ y \ \ y y » ¦ \ y \ y \ y y y y y , * y ^ y y y , ^ y y s s ,' ,, y y y \ S y \. \ y » » \ » » / /1 y y \ ' y \ y y y y s y ¦ 'Till iimmj l-JI!f*L4J "*" * T T ¦ E UifMcf 'A H> 1A £8¾¾¾ 'î' £ fc&sas t Si '/ ? /S 'A s . \ y y s , s y y s . \ y y \. ' ,VJrW . \ • axiwuj y \. tfW'M \ y KIW. J? v viflBügi? y y \ y y y y y y \ y \ \ y y \ . \ y R y y y \ y y \ ¦ \ y y \ \ y y . \ y y \ \ y \ y \ y \ y y . \ y y y y y y \ \ y y \ , \ y V . \ y y , s • y y \ ¦ y <> y • \ \ \ . s \ s ^ y / y \ y \ V y / V \ y y y y Qk rA ¦s' •S y \ y y Ti rï V. A X Uk ::< ï tï & MIL 2 520.99 m MIL 3 520.94 m MIL 9 530.71 m Q: Quaternaire, Qk: remplissage karstique, Si: Séquanien inf., R: Rauracien, Ls: Couches de Liesberg. ANNEXE 9 Paramètres de modélisation 2D, site du Maira, B19-P1.........A9 A.9.1. Slructiire des résistivités pour le modèle 2D de Pl à 16.OkHz...........................................3 A.9.2. Slructure des résistivités pour le modèle 2D de Pl à 60.0 kHz...........................................4 A.9.3. Courbe mesurée et calculée pour la phase en poi E à 60 kHz (PHE) et courbe calculée correspondante pour la phase en pol H.........................................................................5 A.9.4. Structure des résistivités pour Ie modèle 2D de Pl à 198.0 kHz.........................................6 A.9.5. Courbe mesurée et calculée pour la phase en poi E à 198 kHz (PHE) et courbe calculée correspondante pour ta phase en pol H.........................................................................7 - ANNEXES - A9 3 Paramètres de modélisation 2D. Profil 1 A.9.1. STRUCTURE DE RESISTIVITE POUR LE MODELE 2D À 16.0 KHZ. PROFIL 1 VTÏÏTTs??, 7777, m$% mmwmm mm»»m y/////// VM'JWMèrjT.9. ¦e-ÄWjrM.rsrA+A-A'A -250 m -200 -150 -100 -50 0 ^^10-000^^900 £23700 %gg]500 PH 250 classes de resistività (ohm.m) 50 100 150 Il 50 80 200 250 20 ANNEXE 9 A9 4 - ANNEXES - A.9.2. STRUCTURE DE RESISTIVITE POUR LE MODELE 2D A 60.0 KHZ. PROFIL 1 r******** ********* ********* ********* ********* ********* ********* '********************m***Ar*AT*.r*r*4T*A'AKn.m*\*\r*.00év////.'srirÀTA T*********d-*******r*éWé-A'*Ar***.r****AA'A*.H***\f.t>ëâé r,r.*A r*********A'*********Am'A'Ar*AT*.r******A'A'AVWuit* k*.*a r*********A'**********mAur**r*******-*A'Ar.v*ii*\ *********** ******** *AAM'a rA r*. **. ** ATA *A A'ir.tfWhk) *********** ******** *A'AU'Ar*r*. ** ** ** -*a '** K K ********** ******** -*a 'AWIKK ** ** ** *a •** '*. r. *. êr*********.*******A'*A*,m*.*.**tr***-*A'*A**.r* '.*. 1*04 AA'A 'TA**.**.** W**** f.*. Y.é>é*A'A'A 1 Kr*** ***.¦>¦**** f* SeAA-AWA'. K****** A V:*A'A'A*A**'i*.**.***AA v*A'A*A"*r.-;*.****-*A'A V******ArA -250 m -200 -150 -100 -50 0 ^^10-000^^900 E23700 HI 500 Hl 250 50 100 150 1150 200 250 |20 classes de resistività (ohm.m) - ANNEXES - A9 5 A.9.3. COURBE MESUREE ET SOLUTIONS À 60 KHZ. PROFIL 1 Courbes mesurée et calculée pour la phase en poi E (PHE) et courbe calculée correspondante pour la phase en pol H (PHH). 60 kHz. Courbe mesurée et calculée pour la résistivité apparente en poi E (RHE) et courbe calculée correspondante pour la résistivité en pol H (RHH). 60 kHz. 65 - 55 - 45 < 35 25 15 J______I______I—1__1______I______I______I______I______I______1______I______I______I______I______l______I______I______I______I______I______I______I---------1______1---------1______I---------!---------1---------1----------L. PHI 60 kHz x PHE60 meas. ------ PHE60 cale. ...... PHH60 cale. T-H i I i P-I I i i i ] i i i I i I i I I i I I I I I ] i i r -320 -240 -160 -80 0 80 160 240 320 DISTANCE (m) J----1----1----1__I__I___I__L_J__I___I__I__I__I__l__I__1__I__I__I__I__I__I__I__I__I__I__l__I__I----L g 105 - RHO 60 kHz uiq io4-i x RHE60 meas. U .......... RHH60 cale. > S. io2^ H en S 10i i—i—i—[—i—i—i—i—i—i—i—i—t—i—i—J—i—i—i—I—i—i—i—l—i—i—i—J—i—i—r 320 -240 -160 -80 0 80 160 240 320 DISTANCE (m) ANNEXE 9 A9_6 - ANNEXES - A.9.4. STRUCTURE DE RESLSTIVITE POUR LE MODELE 2D A 198.0 KHZ. PROFIL 1 -250 m -200 -150 -100 -50 0 11110-0001222900 E23700 ÌU500 III 250 50 100 150 200 150 250 10 classes de résistivité (ohm.m) ANNEXE 10 Données de traçage, site du Maira..................................AIO A.10. Description des essais de traçage au NaCl effectués sur le site du Maira (d'après Jeannin, non publié)...........................................................................................................2 A10_2 • ANNEXES - Données de traçage, site du Maira A.10. DESCRIPTION DES ESSAIS DE TRAÇAGE AU NACL EFFECTUES SUR LE SITE DU MAIRA (D'APRES JEANNIN, NON PUBLIE). t> ection in in O) r> CO CO c-i O O m r-v t^ O) m M ¦o co T- O U) O O tn CM IO m- T-* u> T- - en n CJ to ' 1 M- ¦M M- M CO T- tn T— CD liï CM M- -,— ¦»—- 1—« "i™* a LL ¦m D) m v> ai O m O O CO ^o (M (ft CO 1— O U) 00 <û W U) O CJ o n T- O tn *t ¦<* T- Tj T- T- O M- O Q. M- cm CM CM M- m M- T" CM T— U) T- M- tn CM ¦M ¦ y— -,— *— ^- *i O •CI) O t O ect LO m OO O O O (D CO tn T— h- ö CO tD cm (O CO (O C3 *f tn CD m m M^ CO C4 m CM lu CO Vl) T- CO CJ u> O tn ** ^ T- CO T- CO m- O M- U) Fin in CO CJ T"" CM CM CO O N- m T- O <0 M- CO "* T- CJ m *** CO Ul CM CO ection O O o> <0 in M" O) m rt CO CM U) CM U) U) « CM *- *- « CJ CM O N tn T* O w> CO <0 ¦•* T- T- -" ¦m T- O ¦«* tw *-; O Date O) cô CM O) ai ci CJ C4 O) T- ci T- ci T-CO O) AÏ T— ai O) evi O Ol CM co CM O) + OJ O) CM cm CJ CM CD O) ai CM O) ci tn T- cvî O ci CM O) Ö r* CM O) CM cm CM O) evi co CJ CO o> IS.* O) O) CO O) evi O CO O) •*' ïs! CM CO O) ui CD CO Ol (D O) O T. ÏT. r réact JZ r JT r .r .C, ,C JZ, r: .C JZ IT n JZ JZ JZ e e E ' O) 1 CM m in n ^n 1 m >. N «y N. CJ k ¦ CVt JZ n n H ¦fi ft a * » « a 41 H -G ui s *•> ,r r Q) T- T- CO T- (D r r .¦c J= JZ JZ r- •r1; JZ XT C r; r JZ JZ I JZ JZ -**. -K^. ¦*v^, •-^. 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O O sa fis U) SS RS jï: CJ K O «* W *— O CO CD X L CM O • O) O Res CO CO V *» to ¦¥- OJ CM t-* V CO t* CO O) **• fv ^- •* tn (/> ^ ¦w «) U) U) O) *> «) U en ife S m ^r CvI m CO f\I (Vi V) CM O tT> ,_ 0) IS- W O m O CO ¦* O) CD ¦m CO -(U Q " CM W CM (M CM CO PJ en (A W E tn to ébit J3 "m CO 1 O J3 1« ,2 tn D J3 OI tn tn U) tn lu i£) Ul CM tn U) s* tn U) U) O CO CT ssa _* r\ **+ -T t ^ n O O rt O O ^ 8 O O n O o O 3 ft O n O O t O 1 » + j » O 1O O O O O O O ¦o O Eau de C) O -O C5 J^ CM en O m O O O O r» O CO CO -Hf CM W IM CVl CVt M- CO CO M- O T VM M- dilution O O O O Ci n C* O <*> rt C> O Cî O O O O O O O Ö O O O O Eau de O O + 1 O O O O O O O O O O O O r> O Cî <ï C5 t ) < > to O O O O O O C) m O Ct ri O Uï O tn O CO CM CO CO iN CO tn CM O CJ U) CM U) T-" O CM O U) T- tn 0) t£> r- Ï-- CO -*ï ts, CM -(P -J _j U3 tu •S _f .J _j -J ™I P _l -J ¦y :_j 7 _l _J m -J _1 Z (B >, s S 2 s S S S U. s 3S LL. 2 LL. 2 s Ui I *£ ^ ¦^ LL ÖS (O (0 » C ta ¦o I tu I a> «1 I (D I S1 1 to en g1 CQ 0) S1 1 "S (B I (D Dl J) CD OI CO O TO CD * i 1 1 O LL E H CJ ï? ? e N. *7 e ¦O T- T"i M- CO O) O CJ H tS CM CJ CJ h- CM M CJ U) CVJ h- Z S :> S 2 :¾ ^ S s s S S S s s S 5 S S s it S S S S