Polarisation Spontanée (PS)

Introduction La mesure des potentiels électriques dits de polarisation spontanée (PS) est utilisée depuis longtemps (1830 ?) en géophysique minière et pétrolière, depuis quelques dizaines d’années seulement en hydrogéologie et en génie civil En théorie, une ddp apparaîtra entre 2 points du sol soumis à une différence qui peut être: - chimique - de concentration - de température - de pression hydrostatique Tous ces phénomènes peuvent intervenir dans les formations superficielles Focus sur l’électrofiltration, qui intéresse spécialement les milieux poreux au sein desquels se développe en général une circulation hydrique 2

Introduction Ddp mesurée entre un point aval et un point amont de cette circulation liée à la présence d’une double couche électrique au contact de la paroi des canalicules capillaires formés entre les grains du milieu poreux On retiendra la règle simple suivante : en présence d’une eau neutre ou basique, le potentiel aval est positif par rapport au potentiel amont Zone drainante : anomalie négative Remontée de zone imperméable : anomalie positive Le signe s’inverserait pour une eau à pH acide (pas confirmation de ce fait) Cette règle s’applique à une circulation aussi bien en milieu saturé qu’en milieu non saturé Modèle de distribution de charges et de variation du potentiel à l’interface minéral-solution, où ζ représente le potentiel zéta sur le plan de glissement d-Plane (d’après Revil, 2003). 3

Génération des potentiels spontanés Différences naturelles de potentiels électriques à la surface de la Terre liés à des courants continus ou de très basse fréquence d’origine interne, générant des anomalies de longueur d’onde métrique à plurikilométrique suivant les types et la profondeur des sources  Géologie superficielle: mécanismes d’ordre : électrochimique thermoélectrique électrocinétique  En contexte géothermique: Phénomènes électrochimiques faibles (~ dizaine de mV) Couplage thermoélectrique : apparition d’un gradient de potentiel électrique dans une roche lorsque celle-ci est soumise à un gradient de T° (Nourbehecht, 1963 ; Corwin, 1976 ; Corwin et Hoover, 1979 ) 4

Génération des potentiels spontanés Le phénomène d’électrofiltration explique la génération locale de potentiels spontanés en profondeur, mais les mesures de terrain se font en surface Mouvements d’électrofiltration et distribution du potentiel qui en résulte Mesure du PS grâce à la propagation du champ électrique en surface par conductivité électrique Le potentiel électrique V (volt) est relié au champ électrique: 5

Acquisition et traitement des données Facilité de mise en œuvre et légèreté malgré les contraintes de la topographie, de la végétation et du climat & Faible coût Matériel simple pour la mesure de ddp : Voltmètre (résolution du mV ou du dixième de mV et une très haute impédance interne (>1010Ω), afin de s’affranchir des potentiels parasites liés aux possibles fortes impédances de contact électrode/sol) 6

Acquisition et traitement des données Facilité de mise en œuvre et légèreté malgré les contraintes de la topographie, de la végétation et du climat & Faible coût Matériel simple pour la mesure de ddp : Voltmètre (résolution du mV ou du dixième de mV et une très haute impédance interne (>1010Ω), afin de s’affranchir des potentiels parasites liés aux possibles fortes impédances de contact électrode/sol) Paire d’électrodes impolarisables en cuivre et remplies de sel de ce métal (CuSO4); contact avec le sol par le biais d’une membrane poreuse par percolation du liquide au travers d’une céramique poreuse 7

Acquisition et traitement des données Facilité de mise en œuvre et légèreté malgré les contraintes de la topographie, de la végétation et du climat & Faible coût Matériel simple pour la mesure de ddp : Voltmètre (résolution du mV ou du dixième de mV et une très haute impédance interne (>1010Ω), afin de s’affranchir des potentiels parasites liés aux possibles fortes impédances de contact électrode/sol) Paire d’électrodes impolarisables en cuivre et remplies de sel de ce métal (CuSO4); contact avec le sol par le biais d’une membrane poreuse par percolation du liquide au travers d’une céramique poreuse Fils de liaison 8

Acquisition et traitement des données Protocole d’acquisition (configuration base fixe) 1 électrode de base (fixe) 1 électrode de référence (mobile) Chaque profil de mesure est constitué par un ou plusieurs segments Chacun des segments d’un même profil est limité par 2 références A chaque référence, même dans la continuité d’un même profil, un relais est effectué Références : référence identifiée sur un réseau antérieur ou point stratégique pouvant être utilisé comme référence de raccordement lors d’une future campagne réseau évolutif et fiable traitement des raccords Recouvrements: fiabiliser des raccords anciens 9

Acquisition et traitement des données Qualité des mesures fermeture des boucles examen visuel de la qualité de chaque mesure contrôle des dérives matérielles éviction des zones urbanisées 10

Acquisition et traitement des données (2) fermeture des boucles Qualité des mesures (2) fermeture des boucles Dérive du potentiel dans le temps et dans l’espace : divers effets « parasites » externes ou internes (variation de la pluviométrie, variation de l’activité éruptive)  Altèrent la qualité d’une cartographie PS qui se veut être une image électrique figée à un instant t  Dérive grande  affectant tout le profil & anomalies parfaitement superposables En rouge, le profil PS levé en 2004, en vert, le même profil levé en 2001 présentés dans ce diagramme PS (mV) vs distance (m) montre une dérive progressive et globale de l’ordre de la PS dans cette zone. Toutefois la position des anomalies est parfaitement identique. 11

Acquisition et traitement des données Qualité des mesures (2) fermeture des boucles Limiter ces effets parasites indésirables  boucles formant un circuit électrique fermé en retournant systématiquement au même point de référence En toute rigueur : potentiel final = potentiel de départ Ddp rencontrée attribuée à la somme de ces effets parasites externes et internes et cette dernière est repartie de manière homogène sur toute la boucle: correction de boucle   « Contrôle de qualité » : vérification systématique de la résistance du circuit électrique  Variation brutale de la résistance du circuit due à des problèmes très superficiels de contact entre l’électrode et le sol  Signal haute fréquence qui altère la qualité générale du signal de plus grande , d’origine plus profonde Déplacer l’électrode d’un ou quelques m  résoudre ces pb de contact superficiel 12

Acquisition et traitement des données Qualité des mesures (3) contrôle des dérives matérielles 2 types de problèmes à contrôler avec l’utilisation des électrodes impolarisables : 2 électrodes n’étant jamais rigoureusement identiques léger offset (ddp) naturel entre 2 électrodes ces dernières peuvent subir de légères dérives dans le temps   Afin de supprimer ces deux effets : les deux électrodes doivent présenter l’offset le plus minime (entre 1 et 2 mV) lors de chaque relais, l’électrode mobile devient l’électrode fixe et vice-versa pour neutraliser l’erreur d’offset et non de la cumuler le long des profils   13

Acquisition et traitement des données Qualité des mesures (4) éviction des zones urbanisées  Accentuation du bruit du signal directement causé par des perturbations dues aux lignes électriques, aux fuites électriques à la terre et à la viabilisation (canalisations, hétérogénéités superficielles, …) Ex: Ile de la Réunion Le profil marqué par les ‘o’ illustre un signal pur dans la Plaine des Sables. Le profil marqué par les ‘+’ illustre un signal bruité dans le village de Plaine des Palmistes Positionnement des mesures Part importante du travail de terrain, qualité essentielle Garmin GPS différentiel 14

Acquisition et traitement des données Traitement des relais, raccords et corrections  Chaque profil de mesures est basé à un point de référence donné par convention à un potentiel égal à zéro  Chaque base intermédiaire doit être égale à 0

Acquisition et traitement des données Traitement des relais, raccords et corrections  Chaque profil de mesures est basé à un point de référence donné par convention à un potentiel égal à zéro  Chaque base intermédiaire doit être égale à 0 Après avoir formé des boucles fermées ou pour chaque segment: Répartir l’offset de fermeture sur chaque point du profil pour ramener le potentiel mesuré en fin de boucle à celui mesuré au même point de référence au début du profil

Acquisition et traitement des données Traitement des relais, raccords et corrections  Chaque profil de mesures est basé à un point de référence donné par convention à un potentiel égal à zéro  Chaque base intermédiaire doit être égale à 0 Après avoir formé des boucles fermées ou pour chaque segment: Répartir l’offset de fermeture sur chaque point du profil pour ramener le potentiel mesuré en fin de boucle à celui mesuré au même point de référence au début du profil

Interprétation du signal PS  En profil

Interprétation du signal PS  En carte  Carte de PS à l’échelle régionale en conservant l’information de courte longueur d’onde le long des profils (+appliquer un masque externe pour éviter des interpolations mal contraintes à la périphérie des profils) 19

Caractéristiques du signal PS Mise en évidence d’axes d’écoulement Mise en évidence des mouvements de fluides chauds circulant au sein d’un ou plusieurs système(s) hydrothermal(aux)  Les effets électrocinétiques liés aux remontées hydrothermales génèrent des anomalies de Polarisation Spontanée (PS) caractéristiques et identifiables en surface Schéma conceptuel des anomalies de PS en domaine volcanique inspiré de nombreuses observations sur des volcans 20

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même Variation de résistivités liée un milieu hétérogène entre la source et la surface Influence sur le signal observé? 21

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source  Zones hydrogéologiques: distance très variable entre la surface et une source générant un potentiel par électrofiltration Relation inverse et linéaire PS / altitude sur divers volcans dans des zones non affectées par convection hydrothermale ΔV = Ce . h + A ΔV: la ddp (en mV) Ce: est le coefficient directeur de la droite reliant la PS à l’altitude (en mV/m) h: l’altitude (en m) A: une constante Revil et al., 2004 22

Caractéristiques du signal PS (1) Variation de la distance à la source ΔV = Ce . h + A Quelque soit le processus à l’origine de la ddp, un gradient PS/altitude (Ce) régulier traduit la présence d’un milieu simple et homogène avec une nappe d’eau dont la profondeur du toit augmente avec l’altitude A partir d’une cartographie PS, bonne représentation 3D des variations d’épaisseur de la zone non saturée L’étude de la surface représentant la base de la zone non saturée (ou de la surface piézométrique, ou nappe), baptisée surface SPS, permet de mettre en évidence les limites des bassins versants et son modelé renseigne sur la localisation d’écoulements souterrains privilégiés (Aubert et al., 1993) Signal PS attendu, pour un milieu à coefficient PS/altitude constant, dans le cas de variations rapides du niveau piézométrique 23

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même Variations latérales de PS en surface aussi crées par des variations au sein même de la source Le potentiel électrique ΔV généré par le flux d’un fluide est régi par l’équation de Helmholtz-Smoluchowski : Avec : ε la constante diélectrique du fluide ζ le potentiel zéta (potentiel électrique à l’interface solide-liquide) η la viscosité du fluide σf la conductivité électrique du fluide ΔP la différence de pression. 24

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même Relation valable dans les roches saturées où le fluide est très conducteur /à la matrice et la conductivité de surface (qui sont négligeables) Cependant, la conductivité de surface peut être importante dans les roches contenants des argiles ou des zéolites et doit donc être prise en compte  décroissance du ΔV Dans le cas des roches partiellement saturées, des potentiels sont aussi générés  équation de Helmholtz-Smoluchowski modifiée (Revil et al., 1999 ; Guichet et al., 2003) Dans une zone hydrogéologique, les caractéristiques du fluide sont liées aux interactions eau-roche qui se produisent lors de sa circulation Propriétés du fluide influencée par la nature des roches 25

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même En règle générale, la nature du fluide ne change significativement qu’à l’échelle kmétrique ; sauf en cas d’accident géologique majeure Inversement, lors de la présence d’une contribution hydrothermale, une contamination par des fluides minéralisés et chauds entraînent des changements brutaux de la composition des fluides Les études théoriques et expérimentales montrent que ζ dépend de : la minéralisation (Revil, 1999) du pH du fluide (Lorne et al., 1999) de la salinité du fluide (Pride and Morgan, 1991) de la température du milieu (Ishido et Mizutani, 1991) Dans une zone hydrogéologique, les variations du ζ peuvent être attendues seulement si la minéralogie des formations change Dans les zones hydrothermales, les variations du ζ sont directement liées aux conditions hydrothermales 26

Caractéristiques du signal PS Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même Dans une zone hydrogéologique la variation de PS est rattachée au niveau piézométrique des nappes qui conditionne le paramètre de pression Des variations brutales du signal se produisent donc au niveau des transitions entre une nappe aquifère de base et un aquifère perché Dans le cas des zones hydrothermales, le paramètre de pression subit (entre autre) l’influence de la force des cellules de convection et les changements de la perméabilité du milieu Signal PS attendu, pour un milieu à coefficient PS/altitude constant, dans le cas de variations rapides du niveau piézométrique 27

Caractéristiques du signal PS En surface, variations latérales de la PS générées par trois phénomènes : Variation de la distance à la source Variation de la source elle-même Variation de résistivités liée un milieu hétérogène entre la source et la surface Hétérogénéités du milieu entre la source et la surface à l’origine de variations de résistivités Conductivité électrique du milieu conditionne les champs électriques de grande  Faibles résistivités réduisent l’amplitude des anomalies mesurées en surface tandis que les hétérogénéités du milieu distordent le signal Forme et amplitude des anomalies mesurées en surface influencées par la distribution des résistivités en sub-surface et en profondeur  Fortes variations PS avec des changements latéraux de résistivité Anomalie PS d'origine hydrothermale à l'aplomb du cône central du Piton de la Fournaise. La coupe de résistivité montre la présence de faibles résistivités associées au système hydrothermal (Levieux, 2004) 28

Pourquoi a-t-on des relations PS-Altitude dans des zones? Interprétation L’interprétation des données PS doit répondre aux questions soulevées par l’existence d’une relation entre la PS et l’altitude : Pourquoi a-t-on des relations PS-Altitude dans des zones? - Pourquoi a-t-on des variations de gradient PS-Altitude selon des zones? Distinguer l’origine des anomalies :géothermale ? hydrogéologique (i.e. aquifère perché) ? Les informations à l’échelle régionale sur le niveau de la nappe phréatique et sur l’épaisseur de la zone vadose apportées par les données géoélectriques sont donc essentielles La PS apporte une information sur la dynamique des fluides superficiels  pas de relation directe entre structures profondes et activité hydrothermale superficielle Sur chacun de ces profils, calcul des gradients PS/Altitude et PS/Epaisseur zone Vadose 29

 interprétation surtout qualitative L'interprétation se fait par contours ou par profils L'anomalie est située directement au dessus du corps la générant mais peut être déplacée par effet topographique  interprétation surtout qualitative 30

 interprétation surtout qualitative L'interprétation se fait par contours ou par profils L'anomalie est située directement au dessus du corps la générant mais peut être déplacée par effet topographique  interprétation surtout qualitative Idée du pendage avec le gradient des courbes de contours  forme du corps anomal indiquée par la forme des contours 31

 interprétation surtout qualitative L'interprétation se fait par contours ou par profils L'anomalie est située directement au dessus du corps la générant mais peut être déplacée par effet topographique  interprétation surtout qualitative Courbes types pour des corps de géométries simples (Corwin, 1990)  représentent simplement ce qu'on mesurerait en surface, au dessus des corps en question Source ponctuelle, ligne horizontale, sphère, cylindre, «feuille » verticale Courbes types à comparer aux mesures et déterminer approximativement la forme et la profondeur du corps générateur de notre anomalie 32

Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Approche de modélisation expérimentale qui ne prend pas en compte les mécanismes sources générant des ddp ni leur lieu de génération (car méconnaissance partielle des phénomènes d'électrofiltration)  Variation de la distance à la source Contexte géologique où la méthode PS a été appliquée avec succès : 33 33

Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Approche de modélisation expérimentale qui ne prend pas en compte les mécanismes sources générant des ddp ni leur lieu de génération (car méconnaissance partielle des phénomènes d'électrofiltration)  Variation de la distance à la source Contexte géologique où la méthode PS a été appliquée avec succès : (i) les circulations des eaux souterraines à la base de formations volcaniques reposant sur un substratum granitique (ii) le rapport de résistivité électrique entre la zone non saturée d'une part et la zone saturée et le substratum d'autre part est très élevé (> ou = 10; Aubert et al., 1983) Contact granite / basalte dans le secteur de Royat 34 34

Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Approche de modélisation expérimentale qui ne prend pas en compte les mécanismes sources générant des ddp ni leur lieu de génération (car méconnaissance partielle des phénomènes d'électrofiltration)  Variation de la distance à la source Contexte géologique où la méthode PS a été appliquée avec succès : Carte géologique du secteur de Royat (iii) la morphologie du paléo-relief formant l'interface entre les deux terrains est très contrastée car encaissement des vallées qui ont été comblées par les produits volcaniques (iiii) la perméabilité des terrains volcaniques est essentiellement une perméabilité de porosité, favorable à la génération des potentiels PS 35 35

Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Des données de forages ont permis d'établir une relation linéaire entre les variations des amplitudes PS mesurées en surface et les variations d'épaisseur de la zone non saturée, comparable aux observations de Jackson et Kauahikaua (1987) En généralisant cette relation, Aubert et al., (1993) ont calculé une surface géophysique appelée SPS assimilée à la base du premier terrain résistant Le calcul de la régression linéaire entre l'amplitude V (mV) de l'anomalie PS et l'épaisseur de la zone non saturée (m), déduites des mesures des niveaux piézométriques, a permis d'établir la relation suivante : avec K = -2 mV.m-1 V0 et K = constantes, V0 en mV, K en (mV/m) E = épaisseur de la zone non saturée au point (x, y) en (m) 36 36

Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Approche basée uniquement sur le mode de distribution des courants de conduction circulant dans la zone non saturée, associés à des équipotentielles PS Dans le cas d'un rapport élevé de résistivité, l'interface de séparation de la zone non saturée et la zone saturée et/ou imperméable est une surface équipotentielle (Aubert et al., 1993) Modèle théorique de distribution des équipotentielles PS au sein du milieu non saturé (ZNS) dont la résistivité 1 est supérieure à 2 du milieu saturé (ZS) et à celle 3 de l'encaissant imperméable. En haut, la courbe PS théorique correspondante (unités arbitraires) 37 37

Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al., 1991) Les cotes H de la surface SPS se calculent à partir de la relation en prenant à chaque point (x, y) l'amplitude PS (V) et l'altitude (h) : H(x, y) = h(x, y)-E(x, y) H(x, y) = h(x, y) - V(x, y)/K + V0/K En (x, y), la cote SPS (H) est calculée à partir de la relation suivante : où H est l'altitude de la surface géophysique SPS (m) h est la cote altimétrique (m) V(x, y) est la différence de potentiel mesurée entre un point donné (x, y) et le point de référence (mV), K : un coefficient exprimé en mV/m E0 (V0 / k) est l'épaisseur (m) de la zone non saturée à la verticale du point de référence des mesures PS où V = 0 par convention. 38 38

Interprétation Approche de modélisation de la surface SPS (Aubert et al.,1991)  Modélisation des mesures PS (h : altitude topographique ; H : altitude de la SPS ; E : épaisseur de la zone non saturée ; E0: épaisseur de la zone non saturée au point de référence ; R : station de référence L'interprétation hydrogéologique de la surface SPS est : (i) Les talwegs SPS illustrent les axes privilégiés d'écoulements souterrains (ii) Les lignes de crêtes SPS représentent les lignes de partages des eaux 39 39

Exemple: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) Interprétation Exemple: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) Carte de PS du Piton de la Fournaise (Levieux, 2004) 40

Exemple: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) Interprétation Exemple: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) (Levieux, 2004) 41

Apport des données électriques Exemple: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion) (Levieux, 2004) 42