Actualités des développements en Résonance Magnétique Protonique (RMP) Legchenko 1 A., J-F. Girard 2, J.M. Vouillamoz 1 et N. Mazzilli 3 1 IRD / LTHE,

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1 Actualités des développements en Résonance Magnétique Protonique (RMP) Legchenko 1 A., J-F. Girard 2, J.M. Vouillamoz 1 et N. Mazzilli 3 1 IRD / LTHE, Grenoble; 2 IPGS – UMR7516 CNRS/UdS, Strasbourg; 3 UMR 1114 EMMAH (UAPV/INRA), Avignon. References Girard JF, Penz S., Texier A., Baltassat JM, Legchenko A., Noise removal in MRS applications: field cases and filtering strategies, International workshop on Magnetic Resonance MRS2015,8-10 june, Aahrus, Denmark. Legchenko A., 2013, Magnetic resonance imaging for groundwater, Wiley-ISTE, ISBN: 978-1-84821-568-9, 158 p. Legchenko A. and G. Pierrat, 2014, Glimpse into the design of MRS instrument, Near Surface Geophysics, 12, 2, 297 – 308, DOI: 10.3997/1873-0604.2014006. Legchenko A., J.M. Vouillamoz, F.M.A. Lawson, C. Alle, M. Descloitres and M. Boucher, 2016, Interpretation of magnetic resonance measurements in the varying Earth's magnetic field, Geophysics, accepted. Mazzilli N., M. Boucher, K. Chalikakis, A. Legchenko, H. Jourdez and C. Champollion, 2016, Contribution of Magnetic Resonance Soundings for characterizing water storage in the unsaturated zone of karst aquifers, Geophysics, accepted. Penz S., JF. Girard, Powerline harmonic noise in MRS data cancellation by sinusoidal subtraction, Workshop Geofcan (October 2014), Orsay. Introduction La méthode de sondage par résonance magnétique des protons (RMP) est une des méthode géophysiques récentes qui a déjà démontré sa performance dans différents contextes géologiques. La méthode RMP s’appuie sur le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN). Le principe est de créer un champ magnétique oscillant qui va perturber les spins des atomes d’hydrogène dans la molécule d’eau. Ces sondages ont pour objectifs de déterminer la teneur en eau et la porosité du milieu afin de cartographier les stocks d’eau et les propriétés hydrodynamiques de l’aquifère en 3D (Legchenko et al., 2013). Cette technique encore peu répandue est développée en France au LTHE, BRGM et IRIS Instruments. Dans le cadre du projet CRITEX les développements récents de la méthode RMP et de la méthodologie correspondante ont été effectués suivant les axes suivants : 1) utilisation de l’appareil RMP commercial NUMISpoly (fabriqué par IRIS Instruments) sur les chantiers de CRITEX; 2) formation des utilisateurs (Bénin, Avignon) ; 3) amélioration de la performance de la méthode RMP (logiciels de traitement du signal et d’interprétation des mesures) ; 4) développement et vérification d’une sonde RMP en forage ; 5) développement d’un appareil RMP pour la quantification de la teneur en eau dans la zone non saturée et à différentes échelles. Nos résultats ont été valorisés par 3 articles (Legchenko et al., 2014; Mazzilly et al., 2016; Legchenko et al., 2016). Utilisation de l’appareillage commercial L’appareil RMP NUMISpoly (acheté avec le financement CRITEX en 2014 est disponible pour la communauté) a été utilisé pour les études du BV du Strengbach (Vosges, Alsace) et du système karstique du Durzon en France (plateau du Larzac). Toute la chaine méthodologique a été appliquée en Alsace (mesures RMP, traitement du signal et interprétation améliorée de mesures RMP, analyse conjointe des résultats RMP et hydrologiques et géochimiques). Ce travail est présenté dans un autre poster dédié a cette étude. Sur le plateau du Larzac, l’ensemble des mesures RMP effectuées auparavant dans le cadre du projet ANR HYDROKARST G2 (2008) ont été réinterprétées avec les logiciels améliorés (fig. 1). L’objectif de ces mesures était la localisation et la quantification des variations saisonnières du stock d’eau dans la zone non saturée dans le cadre de l’étude des processus de recharge de l’aquifère karstique avec la perspective d’une modélisation hydrodynamique distribuée. Les résultats RMP (fig. 2) montrent des différences dans les valeurs et dans la répartition verticale de teneur en eau RMP suivant les sites. D’après des mesures RMP spatialisées, un lien entre la teneur en eau RMP et le contexte géologique semble exister : les terrains calcaires ont des teneurs en eau < 2% et les terrains dolomitiques ont des teneurs en eau variant de 3 à 5% (fig. 3). Aucune influence flagrante de la végétation et de la morphologie sur les résultats RMP n’a pas été identifiée. Toutefois le nombre de sites échantillonnés reste limité pour une étude statistique. Développements instrumentaux Une nouvelle sonde RMP en forage a été développée par l’IRD-LTHE en collaboration avec IRIS Instruments et le BRGM (fig. 4). La sonde a été testée en France et au Bénin. Au Bénin les tests de l’appareillage RMP ont été effectués sur les sites expérimentaux du projet GRIBA (http://projet-griba.com) dans l’aquifère Continental Terminal (sables et argiles) sur le site de Ouédo (nouveau champ captant de la ville de Cotonou, sud du Bénin). Une série de 6 mesures a été réalisée pour 6 profondeurs de la sonde : de 20 mètres de profondeur (soit quelques mètres sous le niveau statique mesuré à 14.16m le jour de l'expérimentation) jusqu'à une profondeur de 45m (pas de mesure de 5 mètres). Pour chacune des profondeurs de la sonde le signal a clairement été identifié (fig. 5). Les résultats préliminaires montrent une résolution supérieure par rapport à la méthode RMP appliquée à partir de la surface. Cependant toute la chaine d’interprétation et la méthodologie de mesure reste à développer. Un prototype d’appareil RMP pour l’étude de la zone non saturée a été testé en France et sur des échantillons de différentes roches. On a confirmé la faisabilité de ces mesures (fig. 6) mais il reste le travail de développement de la méthodologie d’application et d’interprétation à réaliser. Logiciels de traitement du signal Une nouvelle approche de filtrage utilisant un dispositif multi-capteurs a été développée dans le cadre du post-doctorat cofinancé par CRITEX de S. Penz au BRGM en 2014. Elle a été appliquée dans diverses conditions de bruits anthropiques et naturels. Les résultats sont très probants sur les bruits anthropiques et les développements se poursuivent pour améliorer l’efficacité sur les bruits transitoires naturels (Girard, 2015, Penz, 2014). Nous avons travaillé en particulier sur les stratégies de filtrage notch adaptatif publiées ces dernières année, et développé une approche nouvelle pour utiliser plusieurs capteurs de bruit synchrones avec la mesure RMP. Les perturbations les plus gênantes sont les variations temporelles brusques d’amplitude (« pics », par exemple, les pics de clôtures électriques) qui affectent l’ensemble du spectre de mesure. On les traite efficacement en domaine temporel (fig 7). Les harmoniques du courant industriel (harmoniques du 50 Hz autour de 2kHz qui est la fréquence de Larmor en France métropolitaine) peuvent être filtrées par un filtre notch adaptatif (fig. 8) ou par filtrage multi-voies(fig. 9). Ce dernier se montre rapide à calculer (utilisation en temps réel) et très efficace sur les bruit anthropiques même lorsque le signal RMP est très proche d’une harmonique du 50 Hz. Figure 1. La zone d’étude avec la méthode RMP sur le plateau du Larzac. Figure 2. Exemple de résultats RMP : a) un log de forage; b) profil de la teneur en eau RMP (ligne jaune) et la teneur en eau mesurée sur les carottes; c) le temps de relaxation RMP; d) estimation de résolution verticale de la méthode RMP. Figure 5. Les signaux des signaux RMP observés avec la nouvelle sonde ne forage sont supérieur aux bruits de 2 nV environ. Figure 4. La nouvelle sonde en forage sur le site de mesure au Bénin. Figure 3. Liens entre les paramètres RMP et le type de roche : dolomite (jaune), calcaire à silex (rouge) et calcaire marneux (bleu). Conclusions et perspectives Nous avons mis en évidence l’utilité des données RMP acquises avec le matériel disponible pour la caractérisation des aquifères à l’échelle d’un bassin versant. Les travaux vont se poursuivre, tant au niveau instrumental, de la méthodologie d’acquisition, du traitement du signal, qu’au niveau de l’interprétation sur les bassins versants étudiés par les équipes de CRITEX, en particulier avec les laboratoires de l’EOST sur le bassin versant du Strengbach. Les nouvelles techniques de mesure et d’interprétation développées améliorent la performance de la méthode RMP et mais des avancées significatives sont encore envisagées. En particulier, il reste à développer de nouvelles approches de mesures (en forage et dans la ZNS, en monitoring) au niveau du matériel autant que des logiciels (traitement du signal, inversion). Nous pensons que dans l’état actuel de développement, la technique est suffisamment mature pour envisager l’utilisation de la méthode RMP comme input pour la modélisation hydrodynamique. L’expérience de ces dernières années a montré combien est efficace une collaboration étroite entre les géophysiciens et les hydrogéologues sur un site donné, les apports étant réciproques, pour mieux quantifier et prendre en compte la complexité des sites étudiés. Figure 6. Exemple de corrélation entre le signal RMP et la teneur en eau massique mesurées sur échantillons : relation teneur en eau – amplitude initiale du signal RMP : sable d’Hostun en bleu et mélange de sable et de kaolinite en rose. Figure 7. En haut, série temporelle avant et après despiking (gauche/droit), et leurs contenu spectral respectifs (en-dessous). Figure 8. En haut, série temporelle et en bas contenu spectral avant filtrage notch (bleu foncé) et après filtrage (clair) Figure 9. En haut, série temporelle après stacking et application du filtrage multi-channel (à gauche) et utilisation d’un notch adaptatif (à droite), et leurs contenus spectraux respectifs (en- dessous).