GML6201A –
Techniques g´ eophysiques de haute r´ esolution –
Introduction
Bernard Giroux
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
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)
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
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
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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●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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●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.
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.
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).
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
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.
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
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.
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
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´etiteConductivit´e ´electrique Permittivit´e di´electrique Vitesse sismique R´ef´erences
Susceptibilit´ e magn´ etique
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´etiteConductivit´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.
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´etiteConductivit´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.]
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´etiteConductivit´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.
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´etiteConductivit´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.
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´etiteConductivit´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.
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´etiteConductivit´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
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´etiteConductivit´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 )
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
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.
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
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.
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
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.
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
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
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
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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 ∗ (σ 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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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.
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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
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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
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.
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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
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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●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.
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●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.
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●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
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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
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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 – 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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●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
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●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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●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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●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.
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●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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R´ef´erences
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Article ` a r´ esumer
■ Knoll, M. D., Knight, R., and Brown, E. (1995). Can accurate estimates of permeability be obtained from measurements of dielectric properties ? In Bell, R. S., editor, Proceedings of the Eight Symposium on the application of geophysics to engineering and environmental problems, pages 25–35, Englewood, CO, USA.
Environmental and Engineering Geophysical Society ;
■ disponible sur le site du cours.
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