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Techniques g´ eophysiques de haute r´ esolution –

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Academic year: 2022

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(1)

GML6201A –

Techniques g´ eophysiques de haute r´ esolution –

Introduction

Bernard Giroux

(2)

Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Introduction g´ en´ erale

(3)

Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

G´ en´ eralit´ es

■ La g´eophysique appliqu´ee met en relation

◆ les propri´et´es physiques du sous-sol et leur distribution spatiale avec

◆ un mod`ele (hydrog´eologique, g´eotechnique) de ce sous-sol.

■ La r´eponse (mesure) g´eophysique est fonction

◆ du contraste de propri´et´e physique et

◆ la position dans l’espace de ces variations.

R´eponse g´eoφ ∝ (∆Prop. physique) · (G´eom´etrie)

(4)

Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Quelques notions

■ R´esolution :

◆ aptitude `a mesurer une petite valeur, ici ∆Prop. physique ;

◆ capacit´e de distinguer deux objets.

■ Illustration de pr´ecision, exactitude et biais

◆ Pour qu’une mesure soit exacte : il faut qu’elle soit pr´ecise et sans biais.

Imprécis, sans biais, inexact

Imprécis, biaisé, inexact

Précis, sans biais, exact

Précis, biaisé,

inexact

(5)

Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Distribution spatiale des propri´ et´ es

■ Domaine de recherche : int´egration des outils g´eostatistiques

◆ tomographie radar ;

◆ en hydrog´eophysique ;

◆ tomographie ´electrique ;

◆ gravim´etrie.

Exemple : simulation d’un champ de porosit´e pour la mod´elisation g´eophysique

Distance [m]

Profondeur [m]

0. 5 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5

0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 5

0.14 0.16 0.18 0. 2 0.22 0.24

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Enum´ ´ eration des propri´ et´ es

■ k, susceptibilit´e magn´etique

■ ρ, densit´e

■ σ, conductivit´e ´electrique

◆ et son inverse la r´esistivit´e ´electrique (aussi not´e ρ)

■ ǫ, permittivit´e di´electrique

■ v, vitesse sismique

◆ ondes P

◆ ondes S

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Relation avec les techniques

■ P : Effet principal sur la r´eponse g´eophysique ;

■ S : Effet secondaire sur la r´eponse g´eophysique ;

■ – : Pas d’effet.

Propri´ et´ e Mag. Gravi. EM, ´ electr. Radar Sismique

Susceptibilit´ e k P – – – –

Densit´ e ρ – P – – S

Conductivit´ e σ – – P S –

Permittivit´ e ǫ – – S P –

Vitesse v – – – – P

∗ En sismique r´ eflexion, l’imp´ edance acoustique z = ρv et la r´ eflectivit´ e (ou coefficient de r´ eflexion) s’exprime comme R = ρ ρ 2 v 2 ρ 1 v 1

2 v 2 + ρ 1 v 1 .

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Exemples d’application

■ Profondeur du bedrock ;

■ Caract´erisation de la ripabilit´e ;

■ Estimation des modules dynamiques ;

■ Recherche de cavit´es ;

■ Fondations ;

■ Contribution aux ´etudes environnementales ;

■ Niveau de la nappe phr´eatique ;

■ Porosit´e/perm´eabilit´e d’aquif`eres.

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Composition des roches & des sols

■ Les roches sont un assemblage de min´eraux (niveau microscopique) ;

■ les roches & sols sont poreux ;

■ les pores sont remplis :

◆ air ;

◆ eau ;

◆ contaminants.

■ Les propri´et´es physiques (niveau macroscopique) d´ependent des propri´et´es des composantes (niveau microscopique) ;

◆ la combinaison peut ˆetre lin´eraire : densit´e ;

◆ ou tr`es complexe : permittivit´e di´electrique.

(10)

Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Echelle des h´ ´ et´ erog´ en´ eit´ es

■ G´eophysique

◆ En g´en´eral : r´esolution macroscopique ;

◆ au mieux : r´esolution m´esoscopique (radar GHz).

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Relation propri´ et´ e – composantes

Composante

Propri´ et´ e Fluide dans les pores Solides Eau Huile Air Argile M´ etal Susceptibilit´ e k n/a n/a n/a n/a +

Densit´ e ρ - - - - +

Conductivit´ e σ + - - + +

Permittivit´ e ǫ + + - + +

Vitesse v - - - - +

■ (+) augmentation ou (-) diminution des valeurs des propri´et´es

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Introduction g´en´erale

●G´en´eralit´es

●Quelques notions

●Distribution spatiale des propri´et´es

●Enum´´ eration des propri´et´es

●Relation avec les techniques

●Exemples d’application

●Composition des roches & des sols

●Echelle des h´´ et´erog´en´eit´es

●Relation propri´et´e – composantes

●Porosit´e

φ

Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Porosit´ e φ

■ Soit V le volume total d’un ´echantillon et

■ V s le volume de solide,

■ alors la porosit´e φ vaut

φ = volume de pores

volume total = V − V s V .

■ φ ne donne aucune information sur :

◆ les dimensions des pores ;

◆ leur distribution ;

◆ leur degr´e de connexion.

(13)

Introduction g´en´erale

Densit´e

●Densit´e

ρ

●Densit´es de diff´erents mat´eriaux

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Densit´ e

(14)

Introduction g´en´erale Densit´e

●Densit´e

ρ

●Densit´es de diff´erents mat´eriaux

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Densit´ e ρ

■ C’est la masse par unit´e de volume ;

■ Unit´e habituelle : g/cm 3 ;

■ Strictement parlant : masse volumique.

■ Pour un milieu poreux satur´e, la densit´e du m´elange est ρ m = (1 − φ) ρ h + φρ f

◆ φ est la porosit´e ;

◆ ρ h la densit´e de la matrice hˆ ote ;

◆ ρ f est la densit´e du fluide.

(15)

Introduction g´en´erale Densit´e

●Densit´e

ρ

●Densit´es de diff´erents mat´eriaux

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Densit´ es de diff´ erents mat´ eriaux

Type Intervalle Moyenne Type Intervalle Moyenne

Neige - 0.125 Gypse 2.20-2.60 2.35

P´ etrole 0.60-0.90 - Glace 0.88-0.92 -

Eau de mer 1.01-1.05 - Tourbe - 1.05

Sel gemme 2.10-2.60 2.22 Quartz 2.50-2.70 2.65

Asphalte 1.10-1.20 - Calcite 2.60-2.70 -

Graphite 1.90-2.30 2.15 Talc 2.70-2.80 2.71

Houille grasse 1.20-1.50 1.32 Anhydrite 2.90-3.00 2.93

Anthracite 1.34-1.80 1.50 Soufre 1.90-2.10 -

Brique - 1.50 Magn´ esite 2.90-3.12 3.03

Craie 1.53-2.60 2.01 Diamant - 3.52

(16)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Susceptibilit´ e magn´ etique

(17)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Susceptibilit´ e magn´ etique k

■ D´etermine l’intensit´e de magn´etisation I ~ d’un corps soumis `a un champ magn´etique H ~ :

I ~ = k ~ H.

■ H ~ est le champ intrins`eque (champ terrestre).

■ Un corps magn´etisable plac´e dans H ~ produit un champ induit H ~

■ Unit´es S.I. : H ~ = I ~

■ Unit´es c.g.s. : H ~ = 4π~ I (syst`eme courant en mag)

■ L’induction magn´etique B ~ (param`etre mesurable) est H ~ + H ~

■ En c.g.s. : B ~ = (1 + 4πk) H ~ = µ ~ H .

■ µ est la perm´eabilit´e magn´etique.

(18)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Unit´ es en magn´ etisme

Variable c.g.s. S.I. conversion

H ~ Oersted (Oe) A/m 1 Oe = 10 3 /4π A/m = 79.6 A/m

B ~ Gauss Tesla (T) 1 Gauss = 10 4 T

µ – H/m 1 + 4πk [c.g.s.] = 1 + k [S.I.] = µ µ

0 [S.I.]

k emu – k [c.g.s.] = (4π) 1 k [S.I.]

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Origine de l’aimantation

■ Chaque atome a un moment magn´etique dˆ u au spin des ´electrons ;

■ Induction magn´etique : alignement des moments ;

■ Augmentation de la temp´erature : effet inverse ;

■ Certains min´eraux : interaction d’´ echange qui ordonne les moments ;

■ Ces ph´enom`enes sont en comp´etition.

■ Trois groupes non mutuellement exclusifs :

◆ Diamagn´etisme ;

◆ Paramagn´etisme ;

◆ Ferromagn´etisme.

(20)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Groupes

■ Diamagn´etisme :

◆ Alignement dans le sens contraire du champ (k < 0) ;

◆ Faible amplitude.

◆ Graphite, gypse, marbre, quartz, sel.

■ Paramagn´etisme :

◆ Alignement dans le sens du champ (k > 0) ;

◆ Faible amplitude.

■ Ferromagn´etisme :

◆ Magn´etisation spontan´ee (ph´enom`ene quantique) ;

◆ Forte amplitude ;

◆ Pr´esents dans les cristaux.

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Ferromagn´ etisme

■ Cristal divis´e en domaines ;

■ Dans chaque domaine, alignement dans une direction donn´ee ;

■ Ferrimagn´etisme :

◆ Moment net non nul ;

◆ Magn´etite est le min´eral le plus courant.

■ Antiferromagn´etiques :

◆ Moment net nul (k de l’ordre des paramagn´etiques) ;

H´ematite.

(22)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Susceptibilit´ e de certains min´ eraux

k × 10 6 emu k × 10 6 emu

Type Intervalle Moyenne Type Intervalle Moyenne

Graphite – − 8 Quartz – − 1

Sel – − 1 Gypse – − 1

Calcite − 0.6 – − 1 – Charbon – 2

Argiles – 20 Ilm´ enite 2.5 × 10 4 –3 × 10 5 1.5 × 10 5 H´ ematite 40–3000 550 Pyrrhotite 10 2 –5 × 10 5 125000 Pyrite 4–420 130 Magn´ etite 10 5 –1.6 × 10 6 5 × 10 5

■ Mat´eriaux contenant du fer : k ´elev´e

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

●Susceptibilit´e magn´etique

k

●Unit´es en magn´etisme

●Origine de l’aimantation

●Groupes

●Ferromagn´etisme

●Susceptibilit´e de certains min´eraux

●Relation

k

contenu en magn´etite

Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

Relation k contenu en magn´ etite

■ k = aV n

◆ 0.11 < a < 0.26

◆ 1.11 < n < 1.4

◆ V : fraction volumique de magn´etite

10

1

0.1

.01

.001

.0001 k

(emu/cm 3 )

(24)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique

Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e ´ electrique

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e ´ electrique σ

■ Loi d’Ohm : J ~ = σ ~ E = 1 ρ E ~

◆ J ~ densit´e de courant ´electrique, E ~ champ ´electrique statique ;

◆ Unit´es de σ : S/m, unit´es de ρ : Ωm.

■ σ domine les r´eponses des

◆ m´ethodes ´electriques DC ;

◆ m´ethodes EM ;

■ et affecte la r´eponse du radar.

■ Tr`es grandes variations : de 10 4 `a 10 14 S/m.

■ Pour un agr´egat : σ est tr`es sensible `a la microstructure.

(26)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e de mat´ eriaux terrestes

Résistivité (Ωm)

100000 10000

1000 100

10 1

0.1 0.01 Sulfures

Graphite

Roches éruptives

Roches métamorphiques

Argiles Sables

Eau salée Eau douce Shales

Lignite, charbon

Permafrost Grès conglomérats

Roches éruptives et métamorphiques

Dolomite, calcaire

BOUCLIER

ROCHES NON ALTÉRÉES COUCHE ALTÉRÉE

SÉDIMENTS GLACIAIRES

ROCHES SÉDIMENTAIRES

EAU, AQUIFÈRES

(27)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Processus de conduction

■ Conduction ´electronique :

◆ significative en pr´esence de m´etaux.

■ Conduction ionique :

◆ en pr´esence d’une solution ´electrolytique dans les pores ;

◆ d´eplacement des ions par diffusion ;

■ Conduction de surface :

◆ solide + fluide conducteur = pr´esence d’une double couche ;

◆ proportionnelle `a la surface sp´ecifique ;

◆ devient significative dans les silts et argiles.

(28)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Min´ eraux conducteurs

Min´ eral R´ esistivit´ e (Ωm)

Graphite (parall` ele au clivage) 3.6 × 10 7 – 1 × 10 6 Graphite (perpendiculaire au clivage) 2.8 × 10 7 – 2.9 × 10 4

Gal` ene (PbS) 6.8 × 10 6 – 9 × 10 2

Pyrite (FeS 2 ) 1.2 × 10 3 – 0.6

Magn´ etite (Fe 3 O 4 ) 5.2 × 10 5

(29)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conduction ionique

■ Conductivit´e d’une solution σ w = nq 2

6πηr

◆ n : densit´e de porteurs ;

◆ q : charge ;

◆ η : viscosit´e du fluide ;

◆ r : rayon effectif de l’ion.

(30)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e de l’eau

■ De fa¸con g´en´erale

σ w = 1.6 × 10 4 T DS

1 + (T − 25) 50

[S/m]

◆ T DS : solides dissous en mg/l (indice de la salinit´e)

◆ T : temp´erature en C

(31)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e effective σ e

■ Conductivit´e des silicates : ≈ 10 12 S/m ;

■ Conductivit´e de l’eau : ≈ 10 2 `a 1 S/m.

■ Le courant passe par les pores satur´es.

■ Le syst`eme de pores dans un volume V conditionne le courant total qui circule dans V .

■ Le facteur de formation F est d´efini pour caract´eriser le syst`eme de pores.

F = σ w

σ e

(32)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Formule d’Archie

■ F = aφ m S n

■ D´etermin´ee de fa¸con empirique ;

■ a : tortuosit´e, en g´en´eral proche de 1 (0.6< a <1.5) ;

■ m est le facteur de forme (ou de cimentation)

◆ reli´e `a la forme des pores et leur degr´e de connection

◆ varie de 1.4 (grains ronds – sable) `a 1.9 (grains plats – argile)

◆ roche fractur´ee : m ≈ 2.5

■ S : saturation

■ n : d´epend du fluide

◆ eau : 2

◆ huile : 2.08

◆ gaz : 1.62

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Param` etres – Formule d’Archie

Description de la roche a m

Roche d´ etritique faiblement ciment´ ee, pr´ esentant une porosit´ e entre 25 et 45%

0.88 1.37

Roche s´ edimentaire mod´ er´ ement ciment´ ee, pr´ esentant une porosit´ e entre 18 et 35%

0.62 1.72

Roche s´ edimentaire bien ciment´ ee, pr´ esentant une porosit´ e entre 5 et 25% 0.62 1.95

Roche volcanique ` a porosit´ e ´ elev´ ee, de 20 ` a 80% 3.5 1.44

Roches ` a tr` es faible porosit´ e, moins de 4 % 1.4 1.58

(34)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Facteur de formation

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

●Conductivit´e ´electrique

σ

●Conductivit´e de mat´eriaux terrestes

●Processus de conduction

●Min´eraux conducteurs

●Conduction ionique

●Conductivit´e de l’eau

●Conductivit´e effective

σe

●Formule d’Archie

●Param`etres – Formule d’Archie

●Facteur de formation

●Conductivit´e de surface

σs

Permittivit´e di´electrique

Conductivit´ e de surface σ s

■ S’ajoute `a la conduction ionique σ e = 1

F

σ w + 2 σ s Λ

= 1

F w + BQ v )

◆ Λ

2 : volume de pores surface de pores ;

◆ B : mobilit´e des ions de la couche diffuse ;

◆ Q v : densit´e volumique de charge des ions de la double couche.

F

+

d'

a

r

g

i

l

e

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique

Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Permittivit´ e di´ electrique

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Permittivit´ e di´ electrique ǫ

■ Si on applique un courant AC, il y a polarisation des charges li´ees ;

■ Ces charges sont :

◆ ´electrons ;

◆ ions ;

◆ mol´ecules dipolaires (eau) ;

◆ charges d’espace.

■ Le temps de relaxation varie selon le type de charge.

■ Influence sur les mesures

◆ radar ;

◆ ´electrique.

(38)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Spectre de relaxation

(39)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Param` etres effectifs

■ Loi d’Ohm et ´equation de Maxwell :

J ~ T = (σ + iωǫ ) E ~

■ σ et ǫ sont complexes et fonction de la fr´equence ω :

◆ σ = σ + iσ ′′ ; ǫ = ǫ − iǫ ′′ .

■ En d´eveloppant l’´equation pr´ec´edente :

J ~ T = (σ + ωǫ ′′ + iωǫ + iσ ′′ ) E ~ = (σ e + iωǫ e ) E ~

◆ σ e = σ + ωǫ ′′ ; ǫ e = ǫ + σ ′′ /ω.

■ σ e et ǫ e sont r´eels, ce que l’on mesure en labo.

■ En g´en´eral, σ ′′ et ǫ ′′ sont n´egligeables, sauf dans les argiles.

(40)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Radar – Vitesse de propagation

■ La vitesse de propagation d’une onde radar vaut

v =

 ǫ e µ

2

 s

1 +

σ e ωǫ e

2

+ 1

− 1/2

[m/s],

■ mais si σ e /ω ≪ ǫ e , ce qui est g´en´eralement le cas, v = 0.3

√ κ [m/ns]

■ o` u la constante di´electrique est d´efinie κ = ǫ/ǫ 0 .

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Permittivit´ e des agr´ egats

■ Dans la bande de fr´equence radar (20 MHz – 1.5 GHz)

◆ κ eau = 80.1 (v=0.03 m/ns, d´epend de la temp´erature)

◆ κ air = 1 (v=0.3 m/ns)

◆ κ quartz = 4.7 (v=0.14 m/ns)

◆ κ huile = 2.2 (v=0.2 m/ns)

■ La valeur ´elev´ee de κ eau fait que κ agregat est principalement fonction de la teneur en eau θ.

■ Connaissant κ agregat (`a partir de v), on peut estimer θ.

(42)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau Vitesse sismique

R´ef´erences

Relations κ – θ

■ Topp et al. (1980) ont ´etabli une relation empirique :

θ = − 5.3 × 10 2 + 2.92 × 10 2 κ − 5.5 × 10 4 κ 2 + 4.3 × 10 6 κ 3

■ Mod`ele semi-empirique CRIM (Wharton et al., 1980)

√ κ = φS √

κ w + (1 − φ) √

κ h + φ(1 − S ) √ κ a ,

◆ S : saturation, θ = Sφ ;

◆ κ w : fluide d’imbibition ;

◆ κ h : matrice poreuse (ex. : quartz) ;

◆ κ a : air.

■ Mod`eles th´eoriques : Hanai-Bruggeman, Maxwell-Garnett.

(43)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

●Permittivit´e di´electrique

ǫ

●Spectre de relaxation

●Param`etres effectifs

●Radar – Vitesse de propagation

●Permittivit´e des agr´egats

●Relations

κ

θ

●Influence de l’argile et de l’eau

Vitesse sismique R´ef´erences

Influence de l’argile et de l’eau

Conductivité [S/m]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10-7 10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Fraction volumique d'argile Sec (100 kHz) Sec (10 MHz) Sec (1 MHz)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 10 20 30 40

Sec (100 kHz) Sec (10 MHz) Sec (1 MHz)

Constante Diélectrique

Mélange Sable-Montmorillonite

Conductivité [S/m]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10-7 10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Saturation en eau (100 kHz)

(10 MHz) (1 MHz)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 10 20 30 40

Constante Diélectrique

Mélange Sable-Kaolinite

Porosité 0.36

(44)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique

Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Vitesse sismique

(45)

Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Vitesse sismique – ondes P

■ Mat´eriau homog`ene, isotrope et ´elastique

◆ µ : module de cisaillement ou rigidit´e [Pa] ;

◆ λ : 2 e constante de Lam´e [Pa] ;

◆ E : module d’Young dymanique E = µ(3λ+2µ) λ+µ [Pa] ;

◆ ν : coefficient de Poisson ν = 2(λ+µ) λ [-] ;

◆ K : module d’incompressibilit´e K = λ + 2 3 µ [Pa] ;

◆ ρ : densit´e [kg/m 3 ].

■ Vitesse des ondes P v p =

s λ + 2µ

ρ =

s E (1 − ν )

ρ(1 − 2ν )(1 + ν ) = s

K + 4 3 µ

ρ [m/s].

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Introduction g´en´erale Densit´e

Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Vitesse sismique – ondes S

■ Vitesse des ondes S v s =

r µ ρ =

s E

2ρ(1 + ν ) [m/s].

■ Ondes P : mouvement de compression/dilatation.

■ Ondes S : mouvement de cisaillement :

◆ absent dans les fuides (µ=0).

Ondes S ou transverses Direction de propagation

Compression Dilatation

Ondes P ou longitudinales Une longueur d'onde

(47)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Relation vitesse–densit´ e

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Milieux visco´ elastique et poreux

■ Onde sismique : d´eformation m´ecanique qui se propage ;

■ Milieu r´eel (visco´elastique) : “friction” entre les particules :

◆ Module d’´elasticit´e est fonction du temps ;

◆ Cause une att´enuation des amplitudes ;

◆ Cause la dispersion de la vitesse : v = f (ω).

■ Milieu poreux :

◆ Th´eorie de Biot : fluide et solide sont individualis´es ;

◆ D´eplacements relatifs fluide p/r solide → perm´eabilit´e.

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Effet de la porosit´ e

■ Relation de Wyllie pour un milieu satur´e

v p 1 = φv f 1 + (1 − φ)v m 1 ; o` u

◆ v f : vitesse dans le fluide ;

◆ v m : vitesse dans la matrice rocheuse.

(50)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

●Vitesse sismique – ondes P

●Vitesse sismique – ondes S

●Relation vitesse–densit´e

●Milieux visco´elastique et poreux

●Effet de la porosit´e

●Influence d’hydrocarbures sur

vp

R´ef´erences

Influence d’hydrocarbures sur v p

50 Hz

5 kHz 100 kHz

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique

R´ef´erences

●Article `a r´esumer

●R´ef´erences

R´ ef´ erences

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

●Article `a r´esumer

●R´ef´erences

Article ` a r´ esumer

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■ disponible sur le site du cours.

(53)

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Susceptibilit´e magn´etique Conductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences

●Article `a r´esumer

●R´ef´erences

R´ ef´ erences

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