Hydrogéophysique : Introduction

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1 Hydrogéophysique : Introduction
(Pascal Sailhac - IPGS, équipe “Proche Surface”) Qu’est-ce que l’hydrogéophysique? Propriétés physiques pertinentes pour l’hydrogéologue et le géophysicien Méthodes de prospections utilisées Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

2 Hydrogéologie et Physique du sol
Mesures locales de contenu en eau, ex.: Sondes capacitives  Contenu en eau, ~ effectif dans petit volume (1 cm3 à 1 dm3) Mesures intégrative liée à une conductivité hydraulique effective, ex.: Niveaux piézométriques et tests de pompage  Transmissivité d’un aquifère, ~ effectif sur grand volume (10 m3 à 10 km3) Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

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

4 Exemple d’objectif en hydrogéologie
Tomographie de diffusivité et de vitesse d’écoulement dans les nappes... Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 Hubbard et al., Water Resources Research, 37(10), 2001

5 Quelques paramètres Hydrogéologiques :
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 s’agit de la perméabilité si on l’exprime en gradient de pression hydrique.) La transmissivité T [m2/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 s’agit d’une intégrale si la zone saturée est de conductivité non constante.) + Coefficient d’emmagasinement S, diffusivité T/S, etc. Carte des transmissivités en Aquitaine (Ref.: J. MANIA, Cours d'hydrogéologie, Univ. Besançon). Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

6 Quelques paramètres en Physique du sol :
Teneur en eau q, saturations partielle S et effective Se : La conductivité hydraulique K [m/s] est fonction de la saturation effective Se (Korey-Brooks) : En fait la pression de fluide y [m] est fonction de la saturation effective Se (Van Genuchten) : Courbes de saturation-rétention (en milieu non saturé) Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

7 Quelques paramètres en Physique du sol :
Teneur en eau q, saturations partielle S et effective Se : 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 y (Gardner) : On obtient ainsi une autre relation entre la pression y de fluide et la saturation effective Se (Russo) : Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

8 Inventaire de méthodes par l’USEPA en 1993 (United State Environmental Protection Agency)
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9 Inventaire de méthodes par l’USEPA en 1993 (United State Environmental Protection Agency)
Magnetic Resonnace Soundings (MRS/NMR)+ yes yes no no M not in USEPA list Ref.: USE OF AIRBORNE, SURFACE, AND BOREHOLE. GEOPHYSICAL TECHNIQUES AT CONTAMINATED SITES:. A REFERENCE GUIDE Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

10 Méthodes de caractérisation hydrogéophysique d’un milieu poreux :
1. Utilisation de processus diffusifs (Similitude des lois physiques : loi de Darcy – loi d’Ohm – loi de Fourier) Hydraulique Electrique Thermique Flux Loi de Conservation Milieu poreux Q1 2. Utilisation de processus propagatifs, pour améliorer la résolution (avec phénomènes couplés thermo-mécano-élecromagnétiques en milieux poreux) Méthodes : Electromagnétique, Sismique, Sismo-électrique, ... Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

11 Méthodes Electromagnétiques
Domaine fréquentiel en prospection Amplitude du champ magnétique naturel (/f) Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

12 Quelques ordres de grandeurs des propriétés électromagnétiques :
Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

13 Méthodes EM Diffusif (f<100kHz)
remontées de lixiviats en surface Réponse EM (partie imaginaire, ie  conductivité) sur la décharge de Hoc Mon (Sud du Viet-Nam) : Notez l’existence de panaches plus conducteurs (en tireté) indiquant des directions privilégiées d’écoulement, probablement entre des lentilles d’argile. Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 (Ref.: Marquis et al.)

14 Méthodes EM Propagation (f>10MHz)
!! Conversion des vitesses de propagation des ondes EM en contenu en eau Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

15 Méthodes EM Propagation (f>10MHz)
Exemple de données GPR utilisées pour l’estimation du contenu en eau via les vitesses de propagation q=0.33, q= q=0.30 S=q/qs= S=q/qs= S=q/qs=0.30 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 (Ref: Sailhac et al. Comptes Rendus Geosciences 2009)

16 Méthodes Thermiques Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008
Quelques ordres de grandeurs de la conductivité thermique : Et Comme précédemment !! Problème de conversion des propriétés thermiques d’un milieux poreux hétérogènes en contenu en eau… Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

17 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 n porosité  contenu en eau Csolide, Cw capacités thermiques de la fraction solide et de l’eau Relation linéaire Dans la suite : Csolide= 210-6 J.m-3.K-1 Conductivité thermique Plusieurs relations Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

18 Suivi temporel de la température du sous-sol
Relations conductivité thermique – teneur en eau Woodside et Mesmer (1961) i et xi sont les conductivités thermiques et les fractions volumiques Ne convient pas McCumber and Pielke (1981) avec et est le potentiel hydrique Valeurs trop élevées Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 Béhaegel et al. (accepté)

19 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) Sr =  / 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) Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

20 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) Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

21 Suivi temporel de la température du sous-sol
Résolution de l’équation de la chaleur (1/2) On néglige l’advection Nombre de Péclet < 1 L distance caractéristique (110-1 m) v vitesse d’infiltration (110-8 à 1.16 10-7 m.s-1 ≈ 1 à 10 mm/jour)  diffusivité thermique (110-7 m2.s-1) On considère et et Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

22 Suivi temporel de la température du sous-sol
Résolution de l’équation de chaleur (2/2) Solution pour un demi-espace homogène (Carslaw et Jaeger, 1959) Inversion des données Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008 Résolution analytique Résolution différences finies

23 Suivi temporel de la température du sous-sol
Estimation de l’épaisseur de la zone non-saturée Résolution de l’équation de la chaleur pour un milieu à 2 couches h 1, k1 2, k2 Non-saturée saturée z T1 T2 1=0.35 W.m-1.K-1 ; 1=1.310-7 m2.s-1 2=0.35 W.m-1.K-1 ; 2=1.310-7 m2.s-1 (Carslaw et Jaeger, 1959) Résolution analytique Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

24 Suivi temporel de la température du sous-sol
Estimation de l’épaisseur de la zone non-saturée (2/2) Résultats Analyse de sensibilité Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

25 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 profondeurs 20 cm 35 cm 50 cm 65 cm Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008

26 Autres Méthodes Présentées dans le Cours
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 Master 2 - Hydrogéophysique - Décembre 2008