Artefacts liés au site d’instrumentation

Nous nous intéresserons dans cette section aux effets des bâtiments de mesure sur le signal gravimétrique. Différentes approches ont été réalisées en ce sens aux observatoires géodésiques du Larzac (France) et de Wettzell (Allemagne). Il est montré que les bâtiments de mesure agissent comme un parapluie, protégeant les gravimètres de la pluie et des variations de masse les plus superficielles (Creutzfeldt et al., 2008 ; Deville et al., 2011). La présence de bâtiments peut ainsi diminuer significativement le signal gravimétrique du aux variations d’humidité dans les premiers mètres de sol.

A Wankama, les sites de mesures gravimétriques sont instrumentés par des piliers en béton de dimensions variables. Les piliers affectés aux mesures de gravimétrie absolue (type FG5) sont coulés dans une fosse de 1 m 1 m 1 m et dominés par un socle de 1.1 m 1.1 m 0.15 m au dessus de la surface du sol. Les piliers affectés aux mesures de gravimétrie relative (type CG5) mesurent 0.3 m 0.3 m 0.5 m. Il ne peut y avoir de variation d’humidité dans la zone bétonnée occupée par le pilier. Les variations de la gravité causées par les variations d’humidité superficielle en seront donc atténuées. Une quantification des ces effets est proposée dans la figure 4.10 pour différentes configurations de mesure et des variations d’humidité de plus en plus profondes.

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Figure 4.10 Réduction du signal gravimétrique due à la présence d’un pilier de mesure. La réduction du signal gravimétrique est exprimée en pourcentage de l’effet de plateau. Le terme FG5 désigne le gravimètre absolu de type FG5 et le terme CG5 le gravimètre relatif de type CG5.

La réduction du signal gravimétrique dépend de la distance du capteur de mesure par rapport à la charge et de la taille du pilier. Lorsque la mesure est réalisée avec un gravimètre de type CG5, le signal gravimétrique dû aux variations d’humidité superficielles est fortement masqué par la présence d’un pilier de grande dimension type FG5: 10 à 50 % du signal est perdu. Cet effet est amoindri lorsque la mesure est réalisée avec un gravimètre de type FG5 car le capteur de l’instrument est situé plus haut. La mesure gravimétrique englobe alors un rayon plus large et moins de 10 % du signal est perdu. Une mesure réalisée avec un CG5 sur un pilier adapté sera sensible { plus de 90 % du signal gravimétrique généré par les variations d’humidité dans les trois premiers mètres de sol. Ce modèle simple indique une réduction systématique du signal gravimétrique causé par les variations de masses superficielles du fait de la présence d’un pilier. Cet effet devient significatif lorsque des mesures de gravimétrie relatives sont réalisées sur un pilier de grande dimension (1 m 1 m 1 m).

En plus du pilier de mesure, chaque station de gravimétrie absolue est protégée du vent et de la pluie par une case de 3 m de diamètre, représentée dans les figures 4.11a et b. L’infiltration d’eau au niveau du site de mesure peut être atténuée du fait de la présence de la case, jouant le rôle d’un parapluie pour le gravimètre (Creutzfeldt et al., 2008). La figure 4.11c nous indique la réduction du signal gravimétrique causée par la case, si celle si éclipsait totalement les variations d’humidité sous la surface protégée par le toit. Dans ce cas, 80 { 30 % du signal causé par les variations d’humidité dans les 3 premiers mètres de sol serait perdu lors de mesures CG5, et 45 à 20 % du signal serait perdu lors de mesures FG5. Nous pouvons noter sur la figure

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4.11c, que plus les variations de teneur en eau sont profondes, plus le masque imposé par la case de mesure sera faible. Le modèle présenté maximise l’effet de la case : la teneur en eau à l’aplomb de la case peut bien sûr varier grâce { des processus de transferts d’eau dans le sol.

Figure 4.11 Effet de la case de mesure sur le signal gravimétrique enregistré. a) Photographie de la case gravimétrique aval (juillet 2008). b) Vue schématique de la case gravimétrique. c) Diminution du signal gravimétrique liée { la présence de la case pour une lame d’eau d’épaisseur croissante. Nous supposons qu’il n’y a pas de variation d’humidité sous la case (création d’un masque de 3 m de diamètre et d’épaisseur croissante). La réduction du signal gravimétrique est exprimée en pourcentage de l’effet de plateau. Le terme FG5 désigne le gravimètre absolu de type FG5 et le terme CG5 le gravimètre relatif de type CG5.

Il est important de mentionner les effets liés à l’instrumentation des stations gravimétriques pour mieux comprendre les processus influençant la variabilité du signal au voisinage des sites de mesure. Toutefois, les modèles présentés dans cette section ne permettent pas d’estimer les

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phénomènes de percolation et de transfert d’eau au voisinage du pilier et de la case, bien plus complexes { quantifier. La modélisation du signal gravimétrique dû aux variations de stock d’eau dans la zone non saturée (section 4.2.2) tient compte d’une gamme d’humidité variable entre un sol sec et un sol dont la teneur en eau est mesurée aux stations de flux. La réduction des variations de gravité liées aux bâtiments de mesure peut alors être considérée comme une source d’incertitude supplémentaire, intégrée à la gamme de fluctuation du modèle.

4.2.3.2. Enfoncement du pilier de mesure

Les piliers de mesure ont été construits afin que les mesures gravimétriques soient toujours réalisées à la même position et à la même altitude. Une variation de l’altitude du capteur de mesure entraîne une variation de la gravité d’environ 30 nm s-2 par cm. Ce rapport est connu sous le nom de gradient { l’air libre. Il permet de calculer la variation de gravité liée à un déplacement vertical ne s’accompagnant d’aucune variation de masse.

Une modélisation simple a été entreprise par A. Spickermann de l’équipe de Géophysique Expérimentale de l’IPGS, afin de déterminer l’enfoncement du pilier de mesure sous son propre poids. Le pilier est supposé rigide, de comportement linéaire élastique. Le sol sableux est supposé parfaitement plastique et complètement sec. Le critère de plasticité de Mohr-Coulomb est appliqué pour évaluer la déformation du sable sous l’action du pilier. Selon ces hypothèses, le tassement dû à la compression des couches de sable sous le poids du pilier est de l’ordre de quelques mm (Figure 4.12). Béton Sable Densité ρ [kg/m3] ^{2406,8 1500} Module de Young E [kN/m²] 2,9E+07 1,4E+04 Rapport de Poisson ν [-] ^{0,15 0,25} Angle de friction [°] ^{- 30} Angle de dilatation [°] ^{- 0} Cohésion [kN/m²] ^{- 0}

Tableau 4.2 Paramètres des matériaux utilisés

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La variation de gravité associée à ce tassement sera inférieure à 30 nm s-2. Cette valeur ne peut être considérée que comme un ordre de grandeur au vu des hypothèses faites concernant les propriétés des matériaux et le type de déformation considérée (déformation élasto-plastique). Le tassement du sol s’effectue généralement peu après la construction du pilier. Les premières mesures ont eu lieu plus de 3 mois après la construction. L’effet de l’enfoncement du pilier sous son propre poids peut donc vraisemblablement être négligé.