Polarisation provoquée et chargeabilité électrique

Tel que mentionné précédemment (Section 1.3.2), la polarisation provoquée est un phénomène électrique caractérisé par un délai de réponse des potentiels induits par le passage d’un courant électrique dans le sol entre deux électrodes de courant (Figure 2.29). En effet, la différence de potentiel mesurée en surface entre deux électrodes de potentiel ne s’établit pas instantanément au début de la circulation du courant entre deux autres électrodes et, d’une façon similaire, lorsque le courant est coupé, le potentiel ne chute pas instantanément à zéro. Il existe un délai ou un retard entre l’instant où le voltage atteint son maximum ou celui qui correspond à un retour à l’équilibre après l’arrêt de la circulation du courant. Ce retard est causé par soit les instruments de mesure ou soit un effet du sous-sol. En général, le retard de nature instrumentale est corrigé. L’effet du sous-sol correspond à sa polarisation (Okay, 2008).

La mesure de la polarisation provoquée est faite soit dans le domaine des temps ou soit dans le domaine des fréquences. Dans le domaine des temps, la décroissance des potentiels induits suite à la coupure du courant est mesurée. La comparaison du potentiel résiduel V(t) à un certain temps t après l’interruption du courant avec le voltage primaire Vp mesuré juste avant l’interruption du courant donne la chargeabilité électrique qui caractérise le phénomène de polarisation provoquée. Le rapport V(t)/Vp est exprimé en millivolt par volt (mV/V) ou en millisecondes (ms). Il s’agit de l’intégrale du voltage secondaire V(t) en fonction du temps de décroissance t normalisée par le voltage primaire. Dans le domaine des fréquences, le phénomène de la polarisation provoquée est caractérisé par les variations de la résistivité électrique à différentes fréquences entre 1 et 10 Hz. Les unités de la chargeabilité sont alors un pourcentage de l’effet de fréquence. Une autre mesure de ce phénomène dans le domaine des fréquences est le déphasage entre le potentiel induit et le courant. Les unités de la chargeabilité sont alors le milliradian.

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Figure 2.29: Injection d’un courant électrique dans le sol dont la variation suit une onde carrée en fonction du temps (schéma du haut). Variations du potentiel électrique induit par la circulation du courant électrique en fonction du temps (schéma du bas). Un cycle complet est illustré dans ces deux graphiques. La chargeabilité électrique est déterminée à partir de la décroissance du potentiel électrique entre deux temps t1 et t2 en l’absence de la circulation du courant électrique. Elle correspond à l’intégrale sous la courbe de décroissance entre les temps t1 et t2 qui est représentée par la surface rouge. (modifiée de Parasnis, 1997; Sumner, 1976)

La polarisation provoquée est causée par deux phénomènes principaux:

1) la polarisation dite d’électrodes où la conductibilité électrique intervient et 2) la polarisation dite de membrane qui dépend de la conductibilité ionique.

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La polarisation d’électrodes se produit lorsqu’il y a une accumulation de charges électriques autour de corps métalliques plongés dans un électrolyte au passage d’un courant. Il s’agit d’un phénomène de survoltage. La polarisation d’électrodes se produit dans la nature autour des sulfures massifs qui sont à l’origine d’une anomalie importante de polarisation provoquée. C’est ce phénomène qui est d’intérêt pour l’exploration minérale. Pour mesurer le phénomène de polarisation d’électrodes, l’utilisation d’électrodes métalliques pour la mesure des différences de potentiel électrique induit est à proscrire. En effet, ces électrodes se polarisent aussi au passage d’un courant et se dépolarisent lorsque le courant est coupé. Cette polarisation s’ajoute à celle du sol et induit un bruit sur les mesures de potentiel. Pour éviter ce bruit, il est nécessaire d’utiliser des électrodes dites impolarisables. Ce sont des pots poreux composés d’une électrode de cuivre qui baigne dans une solution de sulfate de cuivre. Le fond du pot est poreux. Il peut être composé d’un carton d’amiante qui laisse écouler lentement la solution pour un bon contact électrique avec le sol. Aucune charge électrique ne peut s’accumuler sur l’électrode de cuivre dans la solution et aucun effet de pile électrique n’est généré dans cette électrode impolarisable.

La polarisation de membrane dépend de l’électrolyte dans les pores d’un sol. L’interconnexion entre les pores est aussi nécessaire pour permettre la circulation d’un courant électrique. La surface chargée négativement des grains de sol dont notamment l’argile favorise l’accumulation préférentielle des cations de l’électrolyte dans des régions précises. Ils sont en partie liés aux grains de sol sous la forme d’un nuage diffus. Lorsqu’un courant électrique circule dans le sol, le déplacement des ions libres dans l’électrolyte est empêché à cause de l’accumulation des cations près des grains de sol. Cela provoque l’effet de polarisation de membrane qui empêche l’écoulement du courant. La coupure brusque du courant et du champ électrique induit provoque alors le retour des ions libres à leur position d’origine. Ce courant résiduel prend un certain temps à s’estomper. Il est à l’origine des potentiels électriques mesurés et de leur décroissance après l’interruption du courant. La polarisation de membrane dépend de la taille des grains polarisables

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(texture) et de leur surface spécifique, de la conductivité hydraulique, de la composition de l’électrolyte (salinité), de la présence de minéraux (minéralogie du sédiment) et de la présence d’argile. La glace interstitielle et les films d’eau non gelée autour des grains de sol peuvent aussi affecter la polarisation de membrane (Fortier et Allard, 1998).

2.2.2.3 Tomographie bidimensionnelle de polarisation provoquée de la