Prospections électriques DC et PS (Pascal Sailhac - IPGS, équipe “Proche Surface”) Comment ça marche? Principe de la prospection par injection de courant continu (DC) Principe de la prospection par polarisation spontanée (PS) Conductivité électrique et eaux dans les milieux poreux Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique (DC) Choix des cycles d’injection Choix des dispositifs Calcul directs et abaques Méthode : dispositifs de mesure PS Imagerie et Interprétation Pseudo-section (DC) Inversion de la conductivité électrique (via DC) Inversion de la conductivité hydraulique (via PS) Inversion du contenu en eau Présentation de cas Caractérisation d’un système karstique (Szalai et al.) Suivi de contaminants (Dhu & Heinson) Suivi d’infiltration/irrigation (al Hagrey et al.) Suivi d’essais de pompage (Darnet et al)... Suivi du bassin versant de la Soutte (Béhaegel et al)... Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (loi d’Ohm) Prospection DC Comment ça marche? Principe (loi d’Ohm) Loi d’Ohm : On utilise la résistivité ( ), d’où : , soit R [W] est la résistance d’un circuit équivalent au volume du sous-sol traversé par le courant r [W.m-1] est celle d’un élément de circuit de longueur et de section Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (diffusion) Prospection DC Comment ça marche? Principe (diffusion) Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy Modélisation Hydro Modélisation Elec Flux Loi de Conservation Milieu poreux Q1 Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité) Prospection DC Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité) Conductivité du fluide très grande devant celle de la matrice poreuse Loi d’Archie (1942) S est la teneur volumique en eau, ou la saturation effective (al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité) Prospection DC Loi d’Archie (1942) Waxman-Smits (1968) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche?Principe (valeurs de résistivité) Prospection DC Keller & Frischknecht (1966) + Rôle de la température, des ions, … Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006 (LaBrecque et al., 1996 / Meas. Sci. Techno.)

Comment ça marche? Principe (ordres de grandeur) Prospection DC Comment ça marche? Principe (ordres de grandeur) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (Mesure passive) Prospection PS Comment ça marche? Principe (Mesure passive) x DV Données de potentiel spontané (PS) Mesurés près de la Surface Modèles de Circulation en profondeur Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Principe (Couplage EK) Prospection PS Comment ça marche? Principe (Couplage EK) Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy Modélisation Hydro Modélisation Elec Flux Loi de Conservation Milieu poreux Q1 Couplage électrocinétique (EK / electrokinetic) : conservation du courant total Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Potentiel produit par chaque électrode d’injection : Potentiel produit par en P par un courant entre C1 et C2 : Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Calcul de lignes de courant : Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Mesures entre P1 et P2 du courant en C1 et C2 : Wenner = inter-électrodes constant (P1P2=a et C1C2=3a) : => Resistivité apparente en config. Wenner : Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Wenner Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-Arrays Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-Arrays (Szalai et al., 2002, Geophysics) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-Arrays Prospection DC Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-Arrays (Szalai et al., 2002, Geophysics) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Méthode : dispositifs de mesures PS Prospection PS Méthode : dispositifs de mesures PS 10 cm 80 cm 2 4 15 20 25 30 Limit = 25.5mV min mV pendant des jours ou des mois time-lapse mapping continuous monitoring Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006 Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

champ magnétique interplanétaire courant La magnétosphère vent solaire cornet polaire champ magnétique interplanétaire courant coté nuit lobe manteau courant coté jour magnétopause courants alignés zone aurorale ionosphère plasmasphère couche de plasma Prospections DC et PS Méthode : attention ! Bruits EM Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Données = résistivités apparentes : « Misfit » des données : Modèle = résistivités : Fonction « objective » : Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 1. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 2. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 3. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 4. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 5. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Prospection DC Imagerie et interprétation Inversion (GIF) Model synthétique Données avec bruit 5% 6. Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

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Imagerie et interprétation inversion Prospection PS Imagerie et interprétation inversion Genetic algorithm and pumping test application W = 1 W = 0.5 W = 0 Q/K = 80 ± 10 m² Z = 22 ± 0.5 m C = -1.5 mV/m (Darnet et al 2003 / GRL) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006 Use full inverse modelling including pumping and soil parameters C, Q/K,…

 Imagerie et interprétation Inversion par ondelettes   Prospection PS Imagerie et interprétation Inversion par ondelettes Principe & application to Hydrothermal circulation at Etna volcano STUDIED AREA SP wavelet transform 5 10 15 20 Scales a (in m) 25 30 35 40 45 -50 50 100 150 PS (in mV) Measures (in mV) Position x (in m)  Inversion by adjusting a power law (linear least-squares in log-log) log(|Wc2|/a2)  Best Depth z0 b=-3 Deviation log(a+z0) with z0=6.5 m Voici d’abord le principe de l’interprétation. Partant d’une source et d’un puits placés à une profondeur z0, on peut traiter analytiquement le potentiel hydraulique pour le relier aux coefficients d’ondelette du potentiel électrique. On obtient des lois d’échelles avec une puissance de l’échelle a + la profondeur z0. Ainsi l’ajustement d’une droite dans un diagramme loglog du coefficients d’ondelette normalisé à l’échelle en fonction de a+z0 permet de retrouver la profondeur et aussi un exposant géométrique Beta, qui vaut ici –3 par ce qu’on a pris un couple source-puits. # Et ceci reste vérifié lorsque les objets sont à des profondeurs différentes : z0 est alors une profondeur moyenne. # Voici la première application de ce principe sur un profil perpendiculaire à une fissure de l’Etna. L’interprétation par ondelette a permis de proposer une géométrie d’écoulement en un couple source-puits dont on caractérise les profondeurs et l’intensité. #Ce travail est présenté dans un GRL sous presse. Il s’agit pour le moment d’un premier schéma que nous voulons améliorer avec la prise en compte de gradients thermiques et de conductivité.# depth = 3 to 18 m intensity = 2400 mV/m flux ~ 0.1 m3/h  Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006 (Sailhac & Marquis 2001 / GRL)

Suivi d’infiltration/irrigation Oliveraie en Italie (al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Suivi d’infiltration/irrigation Oliveraie en Italie (al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge) Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Champ électrique ↔ Paramètres du sol non saturé Target Processes: Infiltration, Aquifer recharge, capillary fingering, etc. Infiltration = Diffusion of water q (Richard’s Equation): Target parameters: Corey-Brooks Van Genuchten Gardner Russo Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS Experimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains) Continuous & time-lapse Measurement at La Soutte Weather Station + SP & Temperature Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS Experimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains) + small sources F06 + + F08 + F07 Ehn river source Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS Electric Resistivity Tomography at La Soutte r at 12 m depth r at 2 m depth D2 D2 G3 G3 F3 F3 E3 E3 D3 G4 D3 G4 C3 C3 F4 F4 E4 E4 BaseRef D4 BaseRef D4 C4 C4 B4 B4 E5 E5 D5 D5 C5 C5 B5 E6 B5 E6 D6 D6 C6 C6 B6 B6 B4 C4 D4 E4 F4 G4 H4 50 100 m Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

thèse de M. Béhaegel, IPGS ERT and SP profile at La Soutte Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS ERT and SP profile at La Soutte Self-Potential and ERT along a profile: joint flow model (mS/m) 7 55 400 3000 Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

thèse de M. Béhaegel, IPGS Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS SP Map at La Soutte SP gradient, in mV/m (Darcy velocity) SP map, in mV 10 cm 50 100 m 2 4 15 20 25 30 Limit = 25.5mV min mV Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

thèse de M. Béhaegel, IPGS Continuous Measurement at La Soutte Suivi d’un bassin versant La Soutte - Vosges thèse de M. Béhaegel, IPGS Continuous Measurement at La Soutte Self-Potential snow thaw Temperature Rainfall Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

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