Systèmes de mesure de la réponse transitoire

Les systèmes électromagnétiques peuvent être subdivisés en deux groupes suivant que les mesures sont faites au sol ou en vol.

Lorsque les systèmes sont au sol, on parle de TDEM (Time-Domain ElectroMagnetic) et en vol, suivant qu'on utilise un avion ou un hélicoptère, on parle de ATEM (Airborne Time-Domain ElectroMagnetic) ou HTEM (Heliborne Time-Domain ElectroMagnetic). Dans cette partie, nous présentons quelques systèmes au sol et héliportés couramment rencontrés.

2.4.1 Systèmes au sol

Le PROTEM Digital est un système développé par la compagnie Geonics Ltd. Le PROTEM utilise trois transmetteurs interchangeables TEM47, TEM57-MK2 et TEM67. Utilisé avec le transmetteur TEM47, le récepteur PROTEM est appelé PROTEM47. Le TEM47 est le plus petit et le plus léger transmetteur (5.3 kg), avec un très rapide temps de coupure ou turn-off-time typique de 2.5 µs pour une traille de boucle de 40 m x 40 m. Cela permet de mesurer la réponse de proche surface. L'injection d'un courant de 3 A dans une boucle de 100 m x 100 m donne une réponse et une résolution allant jusqu'à 150 m de profondeur. La courbe de décroissance du champ secondaire est mesurée en utilisant trois fréquences de répétition 285, 75, 30 Hz dans une zone avec des lignes haute tension à 60 Hz. Suivant la fréquence de répétition, on a trois portions de la courbe nommées U, V, H (Ultra, Very et High frequency). Chaque portion de courbe est mesurée sur 20 fenêtres de temps organisées sous formes logarithmiques avec un temps d'enregistrement total avoisinant 10 ms. Généralement, pour une taille de boucle émettrice de 40 m × 40 m, le moment magnétique varie entre 1600-4800 A.m2. Ce système au sol a beaucoup été utilisé au Danemark dans des études hydrogéologiques. En revanche, pour certaines applications, la profondeur de pénétration a été jugée insatisfaisante ce qui a favorisé la conception du high moment TEM system (HiTEM) (Danielsen et al., 2002). Le HiTEM est capable d'injecter jusqu'à 75 A dans une boucle de 30 m x 30 m. Cela offre un moment magnétique 67500 A.m2, soit quatorze fois plus grand que celui du PROTEM47 pour une boucle de 40 m x 40 m (Auken et al., 2003). La profondeur de pénétration peut aller jusqu'à 300 m soit deux fois le PROTEM47. Le système HiTEM opère soit en dispositif central ou avec déport. Les premières fenêtres de temps, 10 à 500 µs sont obtenues en boucle centrale avec un courant 2.4 A, un turn-off time de 3 µs et une fréquence de répétition de 237.5 Hz. Les fenêtres de temps de 200 µs à 9 ms sont enregistrées en utilisant un dispositif avec déport pour un courant de 75 A et une fréquence de répétition de 25 Hz.

En plus des deux systèmes précédents, on peut citer le NanoTEM conçu par la compagnie Zonge International (Fig. 2.3). Le NanoTEM utilise deux récepteurs soit le GDP16 soit le GDP32 avec le transmetteur NT-20. En fonction de la taille de la boucle émettrice, le NT-20 peut assurer un turn-off time de 1.5 µs plus rapide que celui du PROTEM47 et du HiTEM. Ce rapide turn-off time et la grande vitesse de conversion analogique-numérique dans le GDP16 et le GDP32, permet de

recueillir des données pour des profondeurs de moins de 2 mètres et dans des zones avec une résistivité‎électrique‎de‎plus‎de‎20000‎Ω.m.‎

Figure ‎2.3: Système NanoTEM présenté en dispositif d'acquisition en boucle centrale.

La courbe de décroissance du champ magnétique secondaire (dbz/dt) est enregistrée sur 31 fenêtres de temps reparties de façon logarithmique de 1.01 µs jusqu'à environ 2 ms après la coupure du courant. Les valeurs des courbes dbz/dt mesurées présentent une forte dynamique, et la répartition logarithmique des fenêtres d'enregistrement permet une décroissance de t-1/2 du bruit ambiant si celui-ci est blanc i.e. stochastique (Christiansen & Christensen, 2003). Cela a pour conséquence que le bruit ambiant domine dans les dernières fenêtres d'enregistrement.

Le courant injecté est généralement de l'ordre de 3 A pour une boucle émettrice de 40 m x 40 m, assurant ainsi un moment magnétique de 4800 A.m2. La boucle réceptrice a une surface effective de 250 m2. En raison de la souplesse de l'évolution de l'émetteur et du récepteur, le NanoTEM peut utiliser différentes tailles de boucle pour une variété de cibles différentes (Carlson & Zonge, 2002; MacInnes et al., 2002; Telfer et al., 2005). Dans le cadre de cette thèse, le NanoTEM est le système utilisé pour acquérir les données au sol.

2.4.2 Systèmes héliportés

Depuis 1950, les systèmes ATEM sont utilisés dans l'exploration minière au Canada. Par la suite, on les a adaptés pour des problèmes hydrogéologiques ou environnementaux (Boudour, 2011).

Les années 2000, ont vu le développement de plusieurs systèmes HTEM. Une liste exhaustive de ces systèmes peut être consultée dans Sattel (2009) et Reninger (2012). Les systèmes les plus utilisés actuellement pour des projets hydrogéologiques sont le SkyTEM et le VTEM-plus.

Le SkyTEM est un système héliporté développé spécialement pour l'hydrogéologie (Sørensen & Auken, 2004). Le transmetteur est une boucle octogonale de quatre tours (314 m2) divisée en segments et montée sur un cadre en bois. La subdivision de l'émetteur permet la transmission d'un moment magnétique soit faible soit fort avec des courants respectifs d'environ 7 A et 100 A, et des turn-off-time de quelques µs et 38 µs (Auken, Christiansen, et al., 2009). Le moment magnétique faible est utilisé pour l'investigation de proche surface tandis que le plus élevé pour les cibles plus en profondeur (Viezzoli et al., 2013). La bobine réceptrice de dimension 0.5 x 0.5 m2 est située à 1.5 m au-dessus de l'extrémité de l'émetteur. Le SkyTEM utilise une configuration en boucle centrale avec un décalage vertical entre Tx et Rx. Cette configuration assure une grande sensibilité à la variation de la résistivité dans les zones de proche surface contrairement au dispositif avec déport (Danielsen et al., 2003).

Le VTEM-plus (Fig. 2.4), basé sur le full waveform technology, est le résultat de l'amélioration en 2011 du VTEM. Le turn-off-time de ce nouveau système est plus petit que celui de l'ancien système (100 µs) ce qui permet une bonne caractérisation de proche surface. Cette amélioration a favorisé son utilisation fréquente en hydrogéologie (Legault et al., 2012). Les deux systèmes sont opérés par la compagnie Geotech Ltd.

L'utilisation commerciale du VTEM a débuté en 2002 (Witherly et al., 2004). L'émetteur est une bobine de forme octogonale de 26 m de diamètre avec un moment magnétique de l'ordre de 600.000 A.m2. La fréquence de répétition est de 30 Hz ou 25 Hz dépendant de la fréquence des lignes de haute tension présente dans la zone d'acquisition. La forme d'onde trapézoïdale a une largeur de 4.5 ms à 7.5 ms. Le récepteur est une bobine d'axe vertical de 1.1 m de diamètre. Le dispositif d'acquisition est en boucle centrale. Initialement, le système était conçu pour des applications minières (Witherly & Irvine, 2007; Combrinck et al., 2008)

À l'instar des systèmes au sol, les décroissances dbz/dt mesurées avec les systèmes héliportés présentent une forte dynamique. De manière générale, à cause de la hauteur au-dessus du sol à laquelle se situe le dispositif de mesure, les systèmes aéroportés donnent des réponses dbz/dt plus faibles en intensité que ceux au sol.

Figure ‎2.4: Système VTEM-plus présenté en dispositif d'acquisition en boucle centrale (d’après Luo et al., 2015).