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Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 1 Quest-ce que lhydrogéophysique? Propriétés physiques pertinentes pour lhydrogéologue et le géophysicien Méthodes.

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1 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quest-ce que lhydrogéophysique? Propriétés physiques pertinentes pour lhydrogéologue et le géophysicien Méthodes de prospections utilisées Hydrogéophysique : Introduction (Pascal Sailhac - IPGS, équipe Proche Surface)

2 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Hydrogéologie et Physique du sol Mesures locales de contenu en eau, ex.: Sondes capacitives Contenu en eau, ~ effectif dans petit volume (1 cm 3 à 1 dm 3 ) Mesures intégrative liée à une conductivité hydraulique effective, ex.: Niveaux piézométriques et tests de pompage Transmissivité dun aquifère, ~ effectif sur grand volume (10 m 3 à 10 km 3 )

3 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Exemple dobjectif en hydrogéologie Cartographie de zones de recharge et estimation de contamination en sel... (Ref.: Ken Lawrie et al., Dept. Agricult, Fish. and Forests - Australian Government, Présenté à AEM Meeting, Finland, 28th-30th May 2008).

4 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Exemple dobjectif en hydrogéologie Tomographie de diffusivité et de vitesse découlement dans les nappes... Hubbard et al., Water Resources Research, 37(10), 2001

5 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quelques paramètres Hydrogéologiques : Carte des transmissivités en Aquitaine (Ref.: J. MANIA, Cours d'hydrogéologie, Univ. Besançon). La conductivité hydraulique K [m/s] est l'aptitude d'un réservoir à se laisser traverser par l'eau sous l'effet d'un gradient hydraulique exprimé en gradient de hauteur piézométrique. (Il sagit de la perméabilité si on lexprime en gradient de pression hydrique.) La transmissivité T [m 2 /s] caractérise la productivité d'un captage. C'est le produit de la conductivité hydraulique K par l'épaisseur de la zone saturée [m]. (Il sagit dune intégrale si la zone saturée est de conductivité non constante.) + Coefficient demmagasinement S, diffusivité T/S, etc.

6 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quelques paramètres en Physique du sol : Teneur en eau, saturations partielle S et effective S e : La conductivité hydraulique K [m/s] est fonction de la saturation effective S e (Korey-Brooks) : En fait la pression de fluide [m] est fonction de la saturation effective S e (Van Genuchten) : Courbes de saturation-rétention (en milieu non saturé) = -

7 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quelques paramètres en Physique du sol : Teneur en eau, saturations partielle S et effective S e : Pour des solutions analytiques (équation de Richards) et des analyses statistiques, on peut préfère exprimer la conductivité hydraulique K en fonction de la pression de fluide (Gardner) : On obtient ainsi une autre relation entre la pression de fluide et la saturation effective S e (Russo) : = -

8 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Inventaire de méthodes par lUSEPA en 1993 (United State Environmental Protection Agency)

9 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Inventaire de méthodes par lUSEPA en 1993 (United State Environmental Protection Agency) Ref.: USE OF AIRBORNE, SURFACE, AND BOREHOLE. GEOPHYSICAL TECHNIQUES AT CONTAMINATED SITES:. A REFERENCE GUIDE Magnetic Resonnace Soundings (MRS/NMR)+ yes yes no no 1-50 M not in USEPA list

10 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Utilisation de processus diffusifs (Similitude des lois physiques : loi de Darcy – loi dOhm – loi de Fourier) Flux Loi de Conservation Hydraulique Electrique Méthodes de caractérisation hydrogéophysique dun milieu poreux : Milieu poreux Q1Q1 Thermique 2. Utilisation de processus propagatifs, pour améliorer la résolution (avec phénomènes couplés thermo-mécano-élecromagnétiques en milieux poreux) Méthodes : Electromagnétique, Sismique, Sismo-électrique,...

11 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Méthodes Electromagnétiques Amplitude du champ magnétique naturel (/ f) Domaine fréquentiel en prospection

12 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quelques ordres de grandeurs des propriétés électromagnétiques :

13 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Réponse EM (partie imaginaire, ie conductivité) sur la décharge de Hoc Mon (Sud du Viet-Nam) : Notez lexistence de panaches plus conducteurs (en tireté) indiquant des directions privilégiées découlement, probablement entre des lentilles dargile. remontées de lixiviats en surface (Ref.: Marquis et al.) Méthodes EM Diffusif (f<100kHz)

14 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Méthodes EM Propagation (f>10MHz) !! Conversion des vitesses de propagation des ondes EM en contenu en eau

15 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Méthodes EM Propagation (f>10MHz) Exemple de données GPR utilisées pour lestimation du contenu en eau via les vitesses de propagation =0.33, =0.36 =0.30 S= / s =0.92 S= / s =1.00 S= / s =0.30 (Ref: Sailhac et al. Comptes Rendus Geosciences 2009)

16 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Quelques ordres de grandeurs de la conductivité thermique : Méthodes Thermiques Et Comme précédemment !! Problème de conversion des propriétés thermiques dun milieux poreux hétérogènes en contenu en eau…

17 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Relation entre diffusivité thermique et contenu en eau conductivité thermique (W.m -1.K -1 ) C capacité thermique (J.m -3.K -1 ) diffusivité thermique (m.s -2 ) Capacité thermique Relation linéaire n porosité contenu en eau C solide, C w capacités thermiques de la fraction solide et de leau Conductivité thermique Plusieurs relations Dans la suite : C solide = J.m -3.K -1

18 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Relations conductivité thermique – teneur en eau Woodside et Mesmer (1961) i et x i sont les conductivités thermiques et les fractions volumiques McCumber and Pielke (1981) avec et est le potentiel hydrique Ne convient pas Valeurs trop élevées Béhaegel et al. (accepté)

19 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Relations conductivité thermique – teneur en eau Johansen (1975) Combinaison de la diffusivité thermique sèche ( d ) et saturé ( s ) pondéré par Ke (Kersten number) S r = / n 2 cas différents: cas A : monotone (n=0.3 ; d =0.14 W.m -1.K -1 ; s =0.93 W.m -1.K -1 ) cas B : croissant puis décroissant (n=0.3 ; d =0.18 W.m -1.K -1 ; s =0.8 W.m -1.K -1 ) Béhaegel et al. (accepté)

20 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Données 2 thermistances ( T(surface) + T(60 cm) ) zone humide et argileuse Béhaegel et al. (accepté) 2 approches : diffusivité thermique ( ) effective (demi-espace homogène) milieu à 2 couches (épaisseur de la zone non-saturée)

21 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Résolution de léquation de la chaleur (1/2) On néglige ladvection Nombre de Péclet < 1 L distance caractéristique ( m) v vitesse dinfiltration ( à m.s -1 1 à 10 mm/jour) diffusivité thermique ( m 2.s -1 ) On considère et

22 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Résolution de léquation de chaleur (2/2) Solution pour un demi-espace homogène (Carslaw et Jaeger, 1959) Inversion des données Résolution analytiqueRésolution différences finies

23 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Estimation de lépaisseur de la zone non-saturée h 1, 1 2, 2 Non-saturée saturée z T1T1 T2T2 Résolution de léquation de la chaleur pour un milieu à 2 couches (Carslaw et Jaeger, 1959) Résolution analytique 1 =0.35 W.m -1.K -1 ; 1 = m 2.s -1 2 =0.35 W.m -1.K -1 ; 2 = m 2.s -1

24 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Estimation de lépaisseur de la zone non-saturée (2/2) Résultats Analyse de sensibilité

25 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Suivi temporel de la température du sous-sol Perspectives Mesures de la conductivité et de la diffusivité thermiques sur échantillons Mesures à plusieurs profondeurs pour une caractérisation plus fine Installation de tensiomètres à proximité des thermistances 20 cm 35 cm 50 cm 65 cm profondeurs

26 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre Potentiel Spontané – Laurence Jouniaux Electrique et Electromagnétique – Pascal Sailhac Géoradar – Maksim Bano Sismique – Matthias Zillmer et Jean-Luc Mari Diagraphie – Arnaud Levannier Résonance magnétique protonique – Jean-François Girard Autres Méthodes Présentées dans le Cours


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