Wikigeotech:Tomographie de Résistivité Electrique

Principe

Les méthodes de prospection électrique par courant continu consistent à déterminer les propriétés des sols par la mesure de leur résistivité. L'unité de mesure est l'Ohm mètre (Ω.m). La résistivité d'un matériau est l'inverse de la conductivité : plus un matériau est conducteur (respectivement résistant), moins il est résistant (respectivement conducteur).

La résistivité des matériaux, en prospection par courant continu, dépend essentiellement des phénomènes de conduction électrolytique et d'une manière moindre de conduction électronique Les valeurs des résistivités dépendent de la nature du matériau et couvrent un large domaine. Ces valeurs dépendent aussi de la teneur en eau, de la porosité du milieu et du mode de communication entre les vides, la tortuosité.

La nature hétérogène des terrains généralement rencontrés est telle que chaque hétérogénéité contribue à la valeur mesurée de la résistivité. La grandeur mesurée est une résistivité «globale», dite résistivité apparente. Rigoureusement, on peut définir la résistivité apparente comme « le rapport de la différence de potentiel mesurée sur le terrain à celle que l'on mesurerait avec le même dispositif et la même injection de courant sur un terrain homogène de résistivité 1 Ω.m »

Le principe de mesure est le suivant (Figure 22) : un courant continu I est injecté dans le sol par deux électrodes conductrices A et B. La différence de potentiel V est mesurée aux bornes de deux autres électrodes notée M et N. (Illustration 1).

Principe de la prospection électrique par courant continu

La connaissance du courant I et la mesure du potentiel V permettent de déterminer la résistivité apparente du sol selon la formule suivante :

k est déterminé par la position des électrodes, qui varie suivant les dispositifs employés.

La séquence de mesures, dépendant du protocole de mesure choisi, est gérée par une unité centrale. Le résultat est une pseudo-section représentant les résistivités apparentes du sous-sol en fonction d'une pseudo-profondeur (dépendant de l'écartement des électrodes constituant les dipôles), dans un plan vertical à l'aplomb de la ligne d'électrodes en surface. L'inversion de la pseudo-section (Illustration 2) permet d'obtenir une coupe 2D des résistivités du sous-sol (solution non-unique).

Principe du panneau électrique (Loke, 2004)

Exemple d'acquisition de mesures de résistivité

Exemple d'acquisition de mesures de résistivité

Dispositifs d'acquisition

Il existe plusieurs dispositifs d'acquisition, associés à la configuration des dipôles d'injection et de mesure au cours d'une prospection électrique. Les plus couramment utilisés sont les dispositifs Wenner, Schlumberger, et Dipôle-Dipôle (Illustration 3).

Illustration 3 - Géométries classiques des dispositifs de panneau électrique. a correspond à l'espacement entre les électrodes et k au facteur géométrique (Loke, 2004)

Illustration 3 - Géométries classiques des dispositifs de panneau électrique.
a correspond à l'espacement entre les électrodes et k au facteur géométrique (Loke, 2004)

• Le dispositif Wenner : recommandé pour les structures horizontales. Profondeur d'investigation plus faible que celle du Dipôle-Dipôle et du Wenner-Schlumberger. Le nombre de points à l'acquisition est inférieur à celui du Dipôle-Dipôle et du Wenner-Schlumberger; cet effet se fait surtout sentir sur les bords
  

• Le dispositif Wenner-Schlumberger : recommandé à la fois pour les structures horizontales et verticales. profondeur d'investigation est d'environ 10 % plus élevée qu'avec le Wenner. Le nombre de points à l'acquisition est plus grand que pour le Wenner mais inférieur à celui du Dipôle-Dipôle
  

• Le dispositif Dipôle-Dipôle : recommandé surtout pour les structures verticales. Profondeur d'investigation plus grande que pour le Wenner et Wenner-Schlumberger. Le nombre de points à l'acquisition est plus grand que pour le Wenner et le Wenner-Schlumberger nécessite des appareils sensibles et un bon couplage des électrodes avec le sol peut être utilisé pour de la 3D seulement pour des grilles de 12 x 12 électrodes
  

• Le dispositif Pôle-Dipôle : dispositif asymétriques pouvant créer des artéfacts. Profondeur d'investigation intermédiaire entre le Dipôle-Dipôle et le Pôle-Pôle. Sensible au bruit. Nécessité de mettre une électrode à l'infini
• Le dispositif Pôle-Pôle : profondeur d'investigation la plus profonde. Faible résolution. Nécessité de mettre deux électrodes à l'infini. Très sensible au bruit. Surtout utile en 3D, car grand nombre de points à l'acquisition.
  

Variantes et méthodes connexes : acquisition 3D, monitoring, traîné électrique, sondage électrique

• Option d'inversion des mesures réalisées en « 3D »

Illustration 4 - exemple de résultat d'inversion 3D de résistivités apparentes

• Monitoring : panneaux électriques réalisés sur la même ligne d'électrodes à plusieurs temps de mesure. La comparaison des pseudo-sections de résistivités apparentes ou des inversions permet d'évaluer les variations temporelles de résistivités et leur localisation, associées par exemple à un écoulement souterrain.
• Traîné électrique
• Sondage électrique
  

Applications

Géologie et Hydrogéologie

• Étude des variations de l'épaisseur de terrain de recouvrement, de zones d'altération
• Détermination de la position de contacts lithologiques ou tectoniques
• Localisation de zones d'écoulement préférentiel, interface zone non-saturée/zone saturée, nappes perchées...
  

Localisation d'anomalies

• Mise en évidence de zones faillées, fracturées ou fissurées en site calcaire ou cristallin.
• Recherche de karsts, failles, vides
  

Avantages

• Méthode adaptée pour la reconnaissance de terrains de couverture et formations d'altération, ainsi que pour toute reconnaissance hydrogéologique (nappes, écoulements préférentiels, cavités ennoyées, …) L'association des résistivités électriques avec des valeurs types de résistivités des roches permet de proposer une interprétation lithologique d'une coupe de résistivité.

Principales limites de la méthode

• Efficacité maximale : hétérogénéités se traduisant par des résistivités plus faibles que l'encaissant (par exemple si les cavités sont noyées)

La méthode est moins efficace si l'hétérogénéité " cible " a une résistivité plus forte que l'encaissant.

• Les terrains à reconnaître doivent être suffisamment contrastés, en terme électrique, pour pouvoir être différenciés.

• Les sites ne doivent pas être trop " bruyants " (présence de canalisations ou des réseaux en profondeur, lignes à haute tension, forts courants telluriques, …), ceci limite l'utilisation de cette méthode en contexte fortement urbanisé ou industrialisé.
  

Interprétations/Précautions d'interprétation

• Deux types d'interprétation peuvent être effectuées : une première interprétation qualitative, et une interprétation complémentaire quantitative.

- Interprétation qualitative :

cette interprétation se fait sur le profil de résistivité apparente ou sur les résultats de l'inversion : identification des anomalies électriques, des zones plus ou moins homogènes, … Les résultats sont à comparer avec les résultats d'autres reconnaissances (géophysiques, sondages, données géologiques, …). Cette interprétation permettra de positionner des sondages mécaniques complémentaires éventuels.

- Interprétation quantitative (généralement sur les résultats de l'inversion de la pseudo-section de résistivité apparente)

étude de la coupe 2D des résistivités électriques obtenue par inversion de la pseudo-section de résistivités apparente : interprétation lithologique de la coupe (comparaison des résistivités électriques avec des valeurs de la littérature sur la résistivités des roches)

Attention !! : Inversion : panneau 2D, hypothèse que la résistivité ne varie que dans le plan vertical à l'aplomb de la ligne de mesure, et non dans la direction perpendiculaire ? les panneaux doivent être regardés avec un regard critique ! Sans considérer qu'elles représentent effectivement bien le sous-sol, elles peuvent servir à affiner l'interprétation.

• Une ré-interprétation des panneaux électriques sera éventuellement effectuée après réalisation de sondages mécaniques complémentaires au droit des anomalies détectées sur les panneaux (à condition de disposer de reconnaissance dans les parties sans anomalies = résistivités de référence).

Illustration 5 - exemple de résultat d'inversion d'une pseudo-section de résistivité apparente

Illustration 5: exemple de résultat d'inversion d'une pseudo-section de résistivité apparente. a) pseudo-section de résistivité apparente mesurée. b) pseudo-section de résistivité apparente modélisée. c) coupe 2D des résistivités électrique.

Pénétration

La pénétration dépend du dispositif de mesures utilisé (Wenner, Schlumberger, dipôle-dipôle, …) et de l'écartement d'électrode. A compléter Résolution verticale attendue : ½ a (a : espacement inter-électrode)

Précision

précisions sur ?V ? i ?

Mise en Œuvre

Organisation et déroulement d'une campagne

• Avant tout, il est nécessaire avant de dimensionner la campagne de connaître :

- la finalité de l'étude,

- la cible : nature, taille et profondeur

- le contexte géologique (il doit être pris en compte au-delà de la profondeur d'investigation souhaitée) et hydrogéologique (présence d'une ou plusieurs nappes à partir d'un certaine profondeur)

- d'éventuelles archives de sondages effectués dans la zone étudiée (permet notamment de positionner les premiers panneaux électriques de la campagne)

- l'environnement au sens large : accessibilité (pour panneaux électriques et sondages mécaniques), occupation des sols (prairies, cultures, bois, …), infrastructures pénalisantes (lignes HT, canalisations, …)

- la topographie

- les délais demandés

• La conception et la préparation d'une campagne commence par la vérification du fait que la technique est bien indiquée pour le problème posé. En particulier, les contrastes de résistivités sont-ils suffisants pour que les cibles visées soient distinguées ?

• Il s'agit ensuite de choisir le type de dispositif à utiliser (en fonction de la structure supposée des cibles auscultées), et ses dimensions (une modélisation préalable peut être utile).
  

Conseils pratiques :

• en présence d'un terrain bruité et sans aucune connaissance préalable de la géométrie du corps à étudier, utiliser de préférence un dispositif Wenner-Schlumberger. Ce dispositif peut à la fois être utilisé en recherche géologique à grande échelle, en hydrogéologie, en génie-civil, en archéologie et pour des problèmes d'environnement.

• si l'on recherche des structures verticales dans une zone qui n'est pas trop bruitée, avec un résistivimètre assez sensible et un bon contact avec le sol, il est recommandé d'utiliser un dispositif Dipôle-Dipôle.

• lorsqu'il s'agit de mettre en évidence des structures horizontales, si le terrain n'est pas trop bruité et qu'on dispose de peu de temps, utiliser un dispositif Wenner.

• en 3D, utiliser un dispositif pôle-pôle ou Dipôle-Dipôle

Personnel

La mise en œuvre sur le terrain nécessite au minimum un géophysicien qualifié, pour les choix de protocole, de géométrie du dispositif, intervenir en cas de problème lors de l'acquisition, et pour superviser l'ensemble des mesures. Il est assisté d'un ou plusieurs manœuvres (cf AGAP).

Matériel (système ABEM)

Généralement, il comprend 64 tiges métalliques ou électrodes avec leur bretelle de connection, des flûtes électriques (2 flûtes de 32, ou 4 flûtes de 16 en général) enroulées sur leur enrouleur une fois les mesures terminées, un boîtier LUND (système de mesure multi-électrodes), un résistivimètre (Terrameter SAS1000 ou Terrameter SAS4000), une batterie d'alimentation (12 V)

Le dispositif classique comprend 64 électrodes régulièrement espacées. L'espacement inter-électrodes est choisi en fonction de la profondeur d'investigation souhaitée. L'espacement maximal est dépendant des flûtes électriques. Classiquement, cet espacement maximal est de 5 m.

Illustration 6 - matériel de mesure de panneau électrique (ABEM)

Illustration 6: matériel de mesure de panneau électrique (ABEM)

Traitement/inversion des résistivités apparentes

Logiciels spécifiques d'inversion des pseudo-sections de résistivités apparentes.

Logiciels très répandus chez les prestataires : Res2Dinv et Res3Dinv (Loke, 2004 ; geoelectrical.com), algorithme d'inversion selon les éléments finis, version semi-démo gratuite autorisant 3 itérations dans le processus d'inversion (en général suffisant pour contrôler la validité des traitements effectués par un prestataire).

Précautions de mise en œuvre sur le terrain

• Assurer un alignement à +/- 1 m / ligne médiane
• Bon couplage terrain / électrodes (éventuellement améliorer ce contact par mouillage de l'électrode).
• Éviter les mesures à proximité de matériaux conducteurs en sous-sols (canalisations métalliques, réseaux, …). Pour les mesures en site urbain notamment, le rapport signal/bruit est très défavorable.
• Préparer la mission (plans adaptés, orthophotos,..) pour faciliter le repérage sur site.
• Éviter les GPS « de poche » trop peu précis surtout en montagne ou en forêt.
• Penser à prendre une batterie supplémentaire, pour suppléer la batterie principal.

Rendement

Terrain

Le rendement dépend de nombreux facteurs (accessibilité, terrain dégagé, écartement des panneaux, type de dispositif, saison, ..).

Dispositif de mesure	Nombre de cycles de mesure	Temps moyen indicatif (mesure sur un seul canal)
Wenner	526?	2h00
Schlumberger	475?	1h45
Dipôle-dipôle	xxx	xxx

En site dégagé, avec deux opérateurs (dispositif de 64 électrodes espacées de 2 m) : 3 à 4 profils par jour, soit 375 à 500 m (Méthodologie pour la reconnaissance géophysique de digues de voies navigables, G. Bièvre, 2005)

Accès difficile, difficulté d'implantation des électrodes... : 1 à 2 profils par jour (dispositif de 64 électrodes espacées de 2 m)

Interprétation géophysique
Contexte simple (topographie plane, contexte géologique simple) => 2 profils / ½ journée Contexte complexe => 1 profil / ½ journée

Étude complète

Donner des exemples d'études type (préparation, mesures, interprétation) pour donner des ordres de grandeur indicatif en terme de délai:

• une étude type en contexte simple (par ex. : 3 panneaux, topo plane)
• une étude type 'complexe' (une dizaine de panneaux, topographie 'chahutée...)

Commande

Avant tout, il est nécessaire avant d'organiser la campagne de connaître :

• la finalité de l'étude,
• la cible : nature, taille et profondeur
• le contexte géologique (il doit être pris en compte au-delà de la profondeur d'investigation souhaitée) et hydrogéologique (présence d'une ou plusieurs nappes à partir d'un certaine profondeur)
• l'environnement au sens large : accessibilité, occupation des sols (prairies, cultures, bois, …), infrastructures pénalisantes (lignes HT, canalisations, …)
• la topographie
  

Adaptation du dispositif à la cible et au problème posé :

• quel type de panneau est proposé ? (cf dispositifs d'acquisition)
• Les conditions sont-elles conformes aux exigences (environnement, contraste de résistivités attendu, ..)
• écartement des électrodes (et donc profondeur d'investigation et résolution verticale et horizontale)

Présentation du (des) logiciel(s) utilisés pour l'interprétation

Contrôle des prestations

Terrain

• Implantation réelle et récolement, relevé sommaire du profil en long
• Qualification des intervenants (notamment du (des) géophysicien(s) chargé(s) de superviser les mesures et de réaliser l'interprétation)
  

Interprétation

• Nombre d'itérations du processus d'inversion, et erreur RMS
• Sondages, reconnaissances géologiques... utilisés pour réaliser l'interprétation
  

Référentiels techniques

• AGAP Code de bonne pratique de la géophysique appliquée fiche ELE 31
• Bièvre G. (2005) Méthodologie pour la reconnaissance géophysique des digues de voies navigables. LRPC Autun, 68 p. + annexes

Resistivities of some common rocks, minerals and chemicals

Résistivités de différentes roches en fonction de la teneur en eau

Résistivités de différentes roches

Subdivision of the surface into rectangular blocks to interpret the data from a 2-D imaging survey using different algorithms