METHODES GEOPHYSIQUES .1 Aspect des méthodes géophysiques

A la différence des terrains sédimentaires où l’eau souterraine se trouve d’une façon typique dans les vides des couches horizontales de roches telles que les grès ou dans les espaces intersticiels de dépôts tels que des lentilles de sable, dans les roches du socle l’eau souterraine se tient dans les fractures, les fissures, les zones broyées et les joints. Le but de l’exploration géophysique est de localiser ces phénomènes. Généralement, les recouvrements qui peuvent être représentés par du matériel transporté ou par le produit d’altération in situ des roches sous-jacentes, sont de faible épaisseur, de telle sorte que le système aquifère des zones de roches dures est situé à faible profondeur par opposition aux aquifères de terrains sédimentaires qui peuvent se trouver à des profondeurs de l’ordre de cent mètres ou plus. Si ce recouvrement meuble possède une épaisseur anormale, des méthodes géophysiques peuvent être nécessaires pour reconnaître cette épaisseur en dehors de la nécessité de localiser des fractures, des joints, etc. dans le bed-rock.

Les propriétés géophysiques des zones aquifères (résistivité électrique, vitesse sismique,

densité moyenne, etc.) dépendent, entre autres facteurs, du degré de fracturation, du mode de gisement de l’eau souterraine et des sels dissous. Dans de nombreux cas, les fractures aquifères peuvent être localisées indirectement par la détection de phénomènes tels que des dikes de diabase par exemple, associés à ces fractures. Les méthodes géophysiques à employer pour la prospection des eaux souterraines dans les zones de roches du socle peuvent être choisies en gardant à l’esprit ces divers aspects (Shiftan, 1967).

Bien qu’il existe de nombreux ouvrages sur les méthodes géophysiques en général, seul un petit nombre traite cette question en se référant plus spécialement aux zones à roches dures du socles et aux conditions de leur gisement. Une information considérable peut être obtenue par exemple, à partir de publications relatant l’exploration géophysique des minerais et l’exploitation minière dans les régions à roches dures (par exemple Parasnis, 1966).

Les expériences entreprises dans les applications de la géophysique dans des conditions hydrogéologiques allant de la zone altérée et des vallées enterrées jusqu’à des roches cristallines affleurantes, sont présentées dans les travaux faisant l’objet des références suivantes pour servir d’appui supplémentaire aux opérations géophysiques sur le terrain: Barham, 1973; Birch, 1976;

Blankennagel, 1968; Carpenter et Bassarab, 1964; Frischknecht et Ekren, 1961; Kelly, 1977; Leaman, 1973; Patra et Sanyal, 1973; Schwartz et McClymont, 1977; Stewart, 1980; Verma et autres, 1980; Wachs et autres, 1979; Weibelger et autres, 1956; Strange, 1967; Keller, 1967; Brown, 1967; Joiner et

autres, 1968.

3.2.2.2 Méthodes géophysiques aéroportées Généralités

Ainsi que nous l’avons déjà examiné dans cet ouvrage, on peut dresser la carte des tracés linéaires dans les zones de roches du socle par des procédés de télédétection comprenant l’étude de

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photographies de satellite ou de haute altitude d’un secteur déterminé (voir chapitre 3.2.1). Ce

n’est qu’une question sémantique de savoir si les méthodes géophysiques aéroportées doivent également être considérées comme des méthodes de télédétection ou non. Mais comme elles sont beaucoup plus anciennes que la photo-géologie, il est préférable de placer les méthodes géophysiques aéroportées à part. De plus, ces méthodes ont pour objectif -comme c’est le cas des autres méthodes géophysiques - d’étudier quantitativement une propriété physique définie par opposition aux méthodes de télédétection décrites précédemment dans cet ouvrage, dans lesquelles aucune propriété physique définie n’est concernée et où il n’est pas question de rechercher une détermination quantitative pour autant que ce soit possible.

Le but des travaux aéroportés est de couvrir de vastes régions dans un laps de temps relativement court afin de faire la distinction entre les zones d’intérêt primordial et celles qui semblent non prometteuses, tout au moins en ce qui concerne la présence d’eaux souterraines. A ce propos, il faut prendre plusieurs facteurs en considération: tout d’abord, l’équipement destiné aux travaux

aéroportés est hautement sophistiqué (l’avion lui-même, les instruments de mesure, d’enregistrement et de traitement de données, l’assistance pour la navigation, etc.). Ensuite, le personnel destiné à ce genre de travail doit être spécialement formé et expérimenté. On ne peut louer les services d’un tel personnel qu’en traitant avec des firmes ou des agences spécialisées. Enfin, le traitement et l’analyse des données de travaux aéroportés demandent énormément d’expérience.

Tous ces facteurs et bien d’autres tels que la disponibilité de pistes d’atterrissage bien situées, le coût de la mise en oeuvre, etc. tendent à faire de ces techniques de travaux aéroportés des opérations à gros investissement de capital, qui ne seront rentables que si les régions à couvrir sont suffisamment étendues. Dans ces circonstances favorables, cependant, les travaux aéroportés sont incomparablement meilleur marché par kilomètre linéaire ou par kilomètre carré étudié que le travail de terrain. Les méthodes aéroportées sont ainsi à leur meilleur avantage dans de vastes territoires inexplorés. Par contre, là où des territoires de superficie relativement petite doivent être

explorés, ou bien où des problèmes d’intérêts locaux sont en cause, le travail de terrain peut être préférable.

Un avantage des travaux aéroportés qui ne devrait pas être perdu de vue est que ces mesures peuvent être réalisées au dessus de régions pouvant être inaccessibles à des activités de terrain, ou tout au moins qui sont d’accès très difficile. Néanmoins, en ce qui concerne la prospection des eaux souterraines, cet avantage pourrait n’être, en général, que seulement théorique, de telles régions étant en général probablement inhabitées.

Les méthodes géophysiques aéroportées comprennent des mesures magnétiques, éle.ctro-magnétiques et des mesures de radio-activité. Etant donné que les radiations radio-actives sont complètement

absorbées par n’importe quel recouvrement d’épaisseur appréciable, et que la radio-activité n’est pas un phénomène caractéristique des systèmes aquifères des roches du socle, les méthodes de

radio-activité en tant que telles effectuées dans les airs ou sur le terrain, ne sont pas utiles pour ce qui nous intéresse. Ceci ne veut pas dire que les phénomènes de radio-activité ne peuvent pas être étudiés d’autres façons dans les recherches sur les eaux souterraines, comme par exemple pour repérer le mouvement des nappes. Bien qu’on puisse utiliser les hélicoptères - et parfois on ne peut travailler que par ce moyen dans certaines régions - l’hélicoptère est moins utilisé que l’avion

classique. Ceci est dû au fait que la rentabilité d’un hélicoptère est moindre que celle d’un avion classique, que son rayon d’action est plus faible et qu’il en résulte ainsi que la rapidité globale de l’étude est également plus lente.

Dans une opération aéroportée typique, l’appareil avec son instrumentation pourra survoler le terrain à une altitude de 70 à 150 mètres selon sa configuration. Un profil de mesures standard

pourra avoir 30 à 50 km de longueur avec un espacement entre les profils de 400 mètres à 1 km pour une mission de reconnaissance, et de 100 à 400 mètres si un relevé détaillé est nécessaire. La navigation peut s’effectuer à l’aide de bandes de photographies aériennes sur lesquelles les lignes

d’enregistrement ont été tracées au préalable. Cela est possible si les photographies aériennes sont disponibles et les accidents de terrain sont suffisamment nombreux et faciles à reconnaître. Sinon, il faudra installer une caméra dans l’avion et veiller à ce que l’exposition des films soit

synchronisée avec les enregistrements géophysiques. Si le terrain n’a pas de points de repère, ce qui est souvent le cas dans les régions tropicales à jungle dense, il peut être nécessaire d’utiliser

d’autres systèmes de navigation tels que le Doppler, les systèmes Omega ou Decca, basés sur des transmissions radio ou d’autres systèmes radio spécialement montés à cet effet. La navigation à l’aide de satellites n’est guère possible pour une étude géophysique aéroportée, comme elle l’est pour des études par bateaux.

Dans tous les travaux aéroportés les données mesurées doivent être enregistrées de façon continue durant le vol. Avec l’équipement moderne les données sont enregistrées sur bande magnétique mais il est d’usage de les enregistrer en même temps pour des opérations de contrôle. Après le traitement des données, les résultats définitifs sont souvent présentés sur des cartes à courbes

équipotentielles, comme par exemple celle d’intensité magnétique ou sous forme de ‘cartes indicatives’

sur lesquelles sont reportées uniquement les données intéressantes. Un client éventuel devrait insister pour l’obtention du premier type de carte, car les données primaires y sont reportées et leur interprétation (sur les cartes indicatives) peut être sujette à discussions.

Bien que des estimations quantitatives de la profondeur du pendage, de l’épaisseur et d’autres paramètres géométriques des masses rocheuses puissent être faites à partir des résultats des études aéroportées, ifn’est pas toujours indispensable de consacrer de gros efforts à de tels calculs car la tâche primordiale de mesures aériennes est la localisation rapide de zones d’intérêt. Il n’est pas souhaitable de baser un programme de forages sur une prospection d’eaux souterraines réalisée uniquement sur la base d’études aériennes ou de calculs, par suite d’incertitudes de l’ordre d’une dizaine de mètres ou même d’une centaine de mètres sur la position exacte de ce qui a été recélé, ou par suite des imperfections des cartes ou d’erreurs de navigation. Les informations recueillies par études aéroportées devraient toujours être contrôlées sur le terrain avant que les opérations de forages ne soient entreprises.

Mesures magnétiques

Le globe terrestre est entouré d’un champ magnétique que l’on peut concevoir comme un flux. La densité du flux ou l’intensité du champ n’est pas la même partout sur la terre. Certains phénomènes, comme les dikes de diabase, provoquent quelquefois une augmentation ou une diminution très fortes de la densité du flux géo-magnétique normal. Ce sujet sera examiné plus en détail à propos des méthodes de terrain. II suffira de noter ici que la méthode magnétique est basée sur la détection des

variations de la densité de flux du champ magnétique terrestre.

Les mesures magnétiques, pour les travaux géophysiques, sont faites à partir d’instruments appelés magnétomètres. L’élément de mesure d’un magnétomètre est habituellement installé à l’arrière d’un appareil ou sur un ‘dard’ qui dépasse de la queue de l’avion. Le magnétomètre le plus communément employé dans les travaux aéroportés modernes est le magnétomètre à libre précession de protons, souvent appelé en raccourci le magnétomètre à protons. Cet instrument s’appuie sur le phénomène qui veut que les moments magnétiques des protons (nuclei d’hydrogène) dans, par exemple, une bouteille d’eau ou de kérosène, peuvent tournoyer autour du vecteur densité de flux magnétique de la terre sous certaines conditions, et la vitesse de leur rotation procure une mesure de la densité de flux du

terrain au dessus duquel ils tournent. Il est important de se rendre compte que le magnétomètre à protons mesure uniquement la magnitude de la densité de flux magnétique total de la terre mais ne donne pas sa direction. De telles mesures sont par conséquent appelées mesures de l’intensité totale. Bien que le magnétomètre à protons soit le plus communément utilisé actuellement dans les travaux aéroportés géomagnétiques, quelques études sont réalisées avec l’utilisation de ce que l’on

appelle le magnétomètre à vanne de flux. Contrairement au magnétomètre à protons, celui-ci ne mesure pas la vraie magnitude de la densité de flux total terrestre, mais uniquement ses variations par

rapport à un ensemble de valeurs qui constituent la densité de flux non perturbé au sein de la zone de mesures.

Les zones de fractures dues à des processus tectoniques peuvent être repérées sur des cartes aéromagnétiques sous forme de distorsions dans ce qui, autrement, pourrait sembler être un réseau d’anomalies plus ou moins régulier. Le plus souvent, cependant, ces zones de fractures apparaissent

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sous forme de longues anamalies bien distinctes. Il est très important de se souvenir que les zones de roches broyées peuvent montrer un minimum d’intensité magnétique plutôt qu’un maximum, c’est-à-dire des anomalies négatives par rapport à celles des roches avoisinantes. La raison en est que les processus tectoniques détruisent parfois les propriétés magnétiques de ce qui était auparavant une roche magnétique saine (voir figure 3.2.2.1). Dans cette figure une longue zone orientée

Nord-Est-Sud-Ouest de minimum magnétiques est marquée par deux flèches. Une autre zone orientée également Nord-Est-Sud-Ouest semble aussi pouvoir être repérée et elle est marquée à l’une de ses extrémités par une flèche dans le coin droit supérieur de la figure.

Même si les roches ,d’un secteur sunt faiblement magnétiques, il peut être possible de délimiter avec suffisamment de netteté des zones à larges fractures à partir de petites anomalies magnétiques.

Ceci demande, cependant, des mesures très précises et relèverait davantage d’un travail de terrain.

Méthodes électro-magnétiques à onde continue

Quand des ondes électro-magnétiques, par exemple des ondes radio, se heurtent à une couche conductrice de sub-surface, comme par exemple une fissure aquifère, elles induisent dans cet élément des courants électriques. Les méthodes électro-magnétiques dépendent de la mesure du champ électro-magnétique secondaire produit par les courants induits dans la couche conductrice de sub-surface.

L’installation standard de mesures électro-magnétiques est donc un émetteur d’ondes et un récepteur.

Les ondes électro-magnétiques ont une longueur liée à la fréquence f des ondes et à leur vitesse c par la simple relation fX = c. Dans l’air la valeur de c est approximativement de 300.000 km/s de telle sorte

qu’une onde de fréquence, disons de 3.000 cycles par seconde (ou 3.000 Hertz - Hz) aura une longueur de 100 km dans l’air. Une onde de 15 kHz de fréquence aura une longueur de 20 km.

Il existe deux principaux types de méthodes de prospection électro-magnétique, c’est-à-dire la méthode à champ proche et la méthode à champ éloigné. Dans les méthodes à champs proche, la distance entre l’émetteur et le récepteur est beaucoup plus petite que la longueur d’onde. Dans les méthodes à champ éloigné le récepteur est séparé de l’émetteur par une distance bien plus grande que la longueur d’onde, quelquefois même 100 ou 200 fois plus grande.

Dans les méthodes aéroportées à champs proche l’émetteur.et le récepteur seront tous deux normalement transportés par l’avion, ou bien l’émetteur se trouve dans l’avion et le récepteur (‘l’oiseau’) est tiré à

l’arrière par un câble. II existe actuellement plusieurs systèmes différents de prospection

électro-magnétique aéroportée, c’est-à-dire autant d’arrangements différents de l’émetteur et du récepteur.

Quelques-uns seront décrits brièvement ci-après.

Dans le système d’aile, l’émetteur consiste en une bobine fixée sur un des bords de l’aile de l’avion avec son axe dans la direction du vol. Le récepteur est une bobine identique montée sur le bord de l’autre aile. Ce système doit voler de façon à peu près perpendiculaire à l’orientation présumée des systèmes géologiques conducteurs. Si le champ primaire de l’émetteur est soustrait du champ mesuré au récepteur, on obtient le champ secondaire produit par la couche conductrice du sol. Les systèmes utilisés sur les hélicoptères où l’émetteur et le récepteur sont montés coaxialement sur une barre suspendue sous l’appareil sont similaires. Sur le système du bord de l’aile et sur celui de l’hélicoptère, il est courant de mesurer la composante du champ secondaire dite ‘en phase’ (ou réelle) aussi bien que la composante imaginaire (ou quadrature). Ces deux composantes peuvent être considérées respectivement - quoique non senso-strictu - comme des mesures de la puissance du champ et comme le décalage de la mesure du champ secondaire derrière le champ primaire. On exprime d’ordinaire la magnitude de chaque composante en parts pour million (p.p.m.) de la magnitude du champ primaire au niveau du récepteur.

Dans les systèmes à ‘oiseau’ tracté il est uniquement possible de mesurer le délai de réception du

champ reçu par rapport au champ primaire. Ce retard est souvent exprimé en degrés, la convention étant que 360 degrés correspondent au retard d’une période d’onde (la période en secondes de l’onde étant l’inverse de la fréquence). On notera que les degrés, selon cette mesure, ne se rapportent pas à l’orientation ou à l’inclinaison du champ mais à un retard. Les systèmes de prospection électro-magnétique au sol ou aéroportée utilisant les champs proches opèrent d’habitude sur des fréquences qui se situent entre 500 et

1000 Hertz.

Les méthodes à champ éloigné mesurent le champ d’émetteurs lointains. Des émetteurs puissants destinés à des communications à longue distance ont été installés dans différentes parties du monde.

Ceux-ci opèrent dans la bande de fréquences de 15-30 kHz qui sont très basses en comparaison des fréquences des transmissions radio ordinaires (par exemple les grandes ondes radio sont environ à 200 kHz). Les

émetteurs sont en conséquence appelés émetteurs à très basse fréquence (en anglais VLF). Il est évident, néanmoinsque leurs fréquences sont, en fait, bien plus élevées que celles utilisées normalement dans les méthodes de prospection électro-magnétiques à champ proche. Une des méthodes VLF aéroportées, la Radiophase, est basée sur la détection du champ électrique des ondes VLF, mais le champ magnétique peut également être mesuré. Bien que les systèmes commerciaux de prospection en VLF utilisent les émetteurs installés sur le globe comme mentionné plus haut, des émetteurs locaux de puissance relativement faible pour la prospection à longue distance commencent aussi à être en usage.

Une prospection aérienne en VLF sur 16 kc/s de la zone décrite dans la figure 3.2.2.1 est reportée dans la figure 3.2.2.2. Les plages en pointillés montrent les maxima du champ VLF total. La zone magnétique Nord Ouest-Sud Est ne se voit pas de façon très claire sur l’image en VLF. D’autre part, la zone d’orientation Nord Est-Sud Ouest (marquée maintenant de deux flèches à chaque extrémité) montre par contre une très forte anomalie en VLF. Cette différence est probablement due aux différences de

102

0 100 200km I I I I ,

Figure 3.2.2.2 Carte électro-magnétique en VLF montrant une zone aquifère conductrice dans la région représentée dans la figure 3.2.2.1. Mesures aéroportées (altitude

du vol 35 m). Emetteur GBR (16 kHz) (reproduit avec l’aimable autorisation du Service Géologique de Suède)

conductivité électrique entre les deux zones. Comme la conductivité dépend à son tour de la teneur en eau du terrain, nous pouvons supposer que cette dernière zone contient beaucoup plus d’eau que la première, ce qui fait de celle-ci un bien meilleur conducteur électrique. Une combinaison de deux méthodes géophysiques nous permet de faire la distinction entre les propriétés de deux différentes zones de fractures présumées.

Méthode dite d’impulsions induites transitoires

Les méthodes décrites dans les sections précédentes opèrent sur des ondes continues. Une méthode aéroportée connue sous le nom de Impulsions Induites Transitoires (INPUT en anglais) utilise, par contre, une succession d’impulsions ‘intermittentes’ dans l’émetteur comme source d’excitation. Une impulsion transitoire crée des courants transitoires dans des terrains conducteurs de sub-surface. Ceux-ci

s’affaiblissent progressivement selon, entre-autres facteurs, la qualité du conducteur. L’affaiblissement est d’autant plus lent que le conducteur est meilleur. Le champ reçu par le récepteur est mesuré entre la transmission de deux impulsions. Il s’agit, bien entendu, d’un champ s’affaiblissant progressivement et sa puissance est testée à plusieurs moments différents (circuits) durant cet affaiblissement.

Les indications provenant des études par la méthode INPUT sont souvent matérialisées sur des cartes par de petits cercles hachurés de façon appropriée pour montrer le circuit jusqu’auquel le signal a persisté à l’endroit en question.

Un avantage de la méthode INPUT réside dans la possibilité de créer des impulsions transitoires très

Un avantage de la méthode INPUT réside dans la possibilité de créer des impulsions transitoires très