Radar électromagnétique haute-fréquences

II.2 Propagation d’ondes en milieux poreux

10⁰ 10⁵ 10¹⁰ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10⁰ 10⁵ 10¹⁰ 10^-2 10⁰ 10² 10⁴

II.2 Propagation d’ondes en milieux poreux

III.1.3 Radar électromagnétique haute-fréquences

✓ 2016 : ProjetRELAX« Couplage expérimental multi-méthodesRadarElectromagnétique

/ LAser / Rayons X autour de la caractérisation physique d’un réservoir

géolo-gique », appel d’offre ISIFoR (Institute for the sustainable engineering of fossil resources,

institut Carnot).

L’objectif, comme énoncé en préambule de cette partie Perspectives, est de recréer en laboratoire

sur des échantillons naturels une approche multi-physique classiquement utilisée en imagerie

géo-physique de proche surface (Snieder et coll.,2007). Dans cette partie, nous traitons de l’approche

en laboratoire de la technique radar GPR (Ground Penetrative Radar) multi-fréquence au sein

d’un échantillon qui devrait nous permettre de mieux contraindre et comprendre la sensibilité et

les caractéristiques (notamment dispersives) des propriétés électromagnétiques très souvent mal

comprises dans les mesures de terrain. Ces mesures électromagnétiques non-intrusives ont des

ap-plications qui dépassent la seule caractérisation statique des réservoirs, mais concernent également

d’autres thématiques telles que les risques naturels, l’hydrologie, la géotechnique, etc. Ces avancées

en laboratoire pourront potentiellement fournir d’importants jeux de données contrôlés,

permet-tant de mieux évaluer les limites des approches de traitement du signal classiques et de tester des

méthodes innovantes, développées par ailleurs, notamment pour la modélisation directe et inverse

des champs d’ondes complets (Ernst et coll.,2007;Lavoué et coll.,2014;Keskinen et coll.,2017;

Pinard,2017), de l’utilisation des amplitudes (tomographie d’atténuation), pour la caractérisation

de couches fines (fractures) (Deparis & Garambois,2008) et pour la prise en compte de l’anisotropie.

Il s’agit ici en particulier de développer à court terme un système radar haute-fréquences (ondes

électromagnétiques EM) adapté à nos échelles (décimétrique à métrique), et dont la sensibilité et

la résolution viendront compléter les mesures acoustiques/sismiques.

Dans cette approche de prospection géophysique par ondes EM, les trois paramètres importants

des milieux traversés sont les suivants :

✓ la conductivité électrique σ ;

✓ la perméabilité magnétique µ,

✓ la permittivité diélectrique ϵ.

Afin d’avoir une idée précise des échelles spatiales et fréquentielles accessibles en laboratoire, nous

calculons sur la Figure III.8 les longueurs d’ondes et les vitesses de phase des ondes

électroma-gnétiques en fonction de la fréquence dans un milieu homogène typique utilisé en laboratoire où

σ = 1.5×10

S/m, µ = µ

(où µ

est la perméabilité du vide) et ϵ = 14ϵ

(où ϵ

est la permittivité

diélectrique du vide). Sur la FigureIII.8a) nous superposons également les vitesses d’ondes EM

pré-dites par l’approche milieux poreux développée parPride & Haartsen(1996). Nous observons deux

régimes : un régime dans lequel les ondes EM sont diffusives et un autre à plus haute fréquence,

au delà de la fréquence de transition f

= σ/2πϵ, où les ondes sont propagatives. On constate sur

la Figure III.8b) que si l’on veut travailler avec des propagations de plusieurs longueurs d’ondes,

il faut nécessairement se placer autour de quelques GHz en fréquence afin de se ramener à des

longueurs d’ondes inférieures à 10 cm. Les antennes radar que l’on va acquérir dans le cadre du

projet RELAX seront certainement autour d’une fréquence de l’ordre de 2 à 6 GHz (traits tiretés

violet sur la Figure III.8; nous sommes en pourparlers actuellement pour acquérir des antennes

émettrices-réceptrices 3 GHz de la société Georeva/IDS). On en conclut que l’on serait amené en

laboratoire à travailler avec des échantillons dont la taille minimale serait d’environ 20 à 30 cm.

L’objectif est, comme dans les expériences de sismique décrites dans les partieIII.1.1 etIII.1.2, de

travailler avec une antenne radar émettrice et une autre antenne réceptrice et d’échantillonner les

III.1. Mise en place d’un laboratoire expérimental multi-physique

haute-résolution 150/173

Figure III.8 : Vitesse V

et longueur d’onde λ

dans un milieu homogène avec σ = 1.5× 10

S/m, µ = µ

et ϵ = 14ϵ

.

milieux avec des ondes EM en transmission. Dans un premier temps, il s’agira de mettre en place

en laboratoire un protocole expérimental efficace permettant des mesures électromagnétiques sans

interférence extérieure. Il faudra ensuite calibrer précisément le rayonnement des antennes radars

(Pérez-Gracia et coll.,2009) avant de travailler en propagation (Martínez-Sala et coll.,2013). Ces

deux premières étapes réalisées, nous travaillerons ensuite avec le couple d’antennes radar,

émet-teur et récepémet-teur, qui sera déplacé à la périphérie des échantillons. Nous travaillerons avec des

échantillons pluri-décimétrique à métrique, d’abord homogènes puis de plus en plus hétérogènes

/ fracturés. Des mesures de temps de propagations et d’amplitudes des premières arrivées seront

réalisées pour chaque expérience. Enfin, dans un dernier temps, nous pourrons faire varier certains

paramètres contrôlables des expériences comme par exemple le taux de saturation, le type de fluide

saturant ou encore une éventuelle pression uniaxiale exercée sur les échantillons, et caractériser

leurs impacts respectifs sur les mesures. Cette approche GPR en laboratoire se fera en

collabora-tion avec G. Sénechal et D. Rousset membres de l’équipe CRG du LFCR, ces derniers possédant

une grande expertise dans les mesures GPR de terrain.

Nous souhaitons accompagner ces expériences de modélisations numériques directes. L’équipe

Ma-gique 3D (H. Barucq et J. Diaz, LMAP, INRIA) possède une grande expertise dans la modélisation

numérique des phénomènes de propagation d’ondes. Elle a développé Hou10ni, un code d’éléments

finis basé sur la méthode de Galerkine discontinue pour la simulation de propagation d’ondes

acous-tiques et élasacous-tiques, en domaines temporel et harmonique et en dimension deux et trois. Ce code

_{S/m, µ = µ}

_{(où µ}

_{est la perméabilité du vide) et ϵ = 14ϵ}

_{(où ϵ}

_{est la permittivité}