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Qu’est-ce que la géophysique d’exploration ?

 Définition rapide

 La géophysique regroupe différentes méthodes mesurant les paramètres physiques des roches (vitesses de propagation d’ondes élastiques, densité, résistivité…). Les mesures peuvent se faire depuis la surface (au contact du sol ou de l’eau) , dans les airs  ou dans les forages. Traités, interprétés et combinés, les résultats de ces mesures permettent d’identifier la nature des roches et de leur contenu ainsi que la géométrie du sous-sol.

 Historique

 Conrad Schlumberger, s’est intéressé très tôt aux Sciences de la Terre et particulièrement à la prospection des minerais métalliques. Il conçut l’idée que la présence de gisements de minerais dans le sous-sol devait modifier les courbes équipotentielles du champ électrique à la surface du sol. En 1912, il enregistra la première carte d’équipotentielles, d’abord dans sa propriété près de Caen, avant d’étendre ses essais aux mines de fer des environs, puis aux champs de pétrole en Alsace. Il montra que ses cartes pouvaient non seulement détecter la présence de substances utiles, mais aussi révéler la structure géologique de la subsurface.

 De son côté, Ludger Mintrop en 1915 localisait des canons ennemis en utilisant leur recul comme source sismique. A partir de quelques récepteurs, d’une mesure des temps de propagation et d’une simple triangulation, il a pu orienter les tirs de l’artillerie allemande.

 Ces deux fondateurs ont par la suite créé des entreprises multinationales principalement consacrées à l’exploration minière et pétrolière du sous-sol (Schlumberger et Prakla Seismos). La géophysique d’exploration était née. Depuis, ces techniques se sont multipliées et complexifiées. Les images du sous-sol sont de plus en plus précises. Les domaines d’application se sont extrêmement diversifiés pour différentes échelles d’observation, depuis des glissements de terrain dans les Alpes jusqu’à des mesures sur la Lune et sur Mars.

 

1870-1910

Conrad Schlumberger en 1912 réalisant la première carte d’équipotentielles près de Caen (doc. Fondation-Musée Schlumberger).

Mesures sismiques en 1924 avec l’appareillage « L. Mintrop ». A droite le pendule et à gauche, sous l’œil de l’opérateur, l’enregistreur sur papier photo (doc.  Musée de la sismologie – Université de Strasbourg)

 Applications

 En dehors de l’exploration pétrolière et de la physique du globe, une branche de la géophysique se consacre à présent aux applications de proche surface pour l’environnement, le génie-civil, ou l’hydrogéologie. Les objectifs de reconnaissance y sont très nombreux, ils visent à décrire suivant les cas : la nature des matériaux du sous-sol ; leur état ; leur composition, leur texture, leur organisation spatiale ; la présence de fluides, de polluants, d’objets ou de cibles particulières… pour une évaluation des risques, des ressources, et une optimisation des projets. C’est à cette partie de la géophysique que se consacre notre association AGAP-Qualité.

 Dans ces domaines, les investigations géophysiques ne sont pas isolées, elles s’insèrent dans la campagne de reconnaissance entre :

  • l'analyse des informations a priori (enquêtes, archives, géologie, ...) qui permet de constituer un premier modèle géologique de terrain ;
  • et une campagne de forages (ou d'essais géotechniques) dont les implantations en nombre réduit sont déduites du modèle géophysique et qui conduit au modèle géotechnique ou géologique final.

Les investigations géophysiques sont, dans la plupart des cas, non intrusives et en règle générale constituent des mesures indirectes du besoin réel exprimé (cf. Tab. 1). Elles consistent à cartographier un paramètre géophysique donné (caractéristique géophysique du ou des matériaux) à partir d’observables en surface liés aux champs physiques mobilisés (cf. Tab. 1). Cette cartographie géophysique (modèle géophysique) identifie généralement des zones de comportement homogène (zonage), et/ou des anomalies localisées au sein d’ensembles homogènes. Les cibles réelles seront d’autant plus détectables qu’elles sont reliées à des contrastes importants des paramètres géophysiques concernés.

 Pour répondre à un besoin donné, la tâche du géophysicien se subdivise en quatre phases principales :

  1. à partir de l’analyse des besoins exprimés par le client (ou le partenaire suivant les cas), du modèle géologique local et du contexte environnemental, il doit définir le ou les paramètres géophysiques propices à la mise en évidence des cibles visées ainsi que les méthodes géophysiques et programmes de mesure et d’interprétations associés (voir Tab. 1) ;
  2. il procède alors aux mesures sur le terrain en mettant en œuvre les protocoles géophysiques de manière conforme à l’état de l’Art ;
  3. à partir des mesures collectées débute alors une phase d’interprétation géophysique qui consiste, souvent à présent, au moyen de calculs et logiciels complexes, à construire le modèle géophysique (ex : la répartition du ou des paramètres géophysiques dans le sous-sol qui produirait des mesures ‘virtuelles’ identiques à celles observées réellement) ;
  4.  enfin, ce modèle géophysique est mis en relation avec  toutes les informations connues par ailleurs (dont, par exemple, une campagne de forages ou d’essais postérieure à la géophysique) pour établir un modèle géo-interprété mettant en évidence et décrivant les cibles visées.

Tab. 1

Champs physiques supports

Méthodes géophysiques (*)

Principaux paramètres géophysiques  imagés

Cibles potentielles principales

(besoin réel)

Propagation des ondes mécaniques

Sismique réflexion, réfraction

Ondes de surface

Tomographies, PSV, Cross-Hole…

Vitesses des ondes sismiques de compression et/ou de cisaillement

Nature du matériau ou de la roche

Etat de fissuration ou d’altération

Géométries, épaisseurs, …

Champ de pesanteur

Gravimétrie, microgravimétrie

Masse volumique

Nature, épaisseur, géométrie d’ensembles géologiques homogènes

Cavités, décompressions, …

Propagation des ondes électromagnétiques (hautes fréquences)

Radar (GPR)

Permittivité diélectrique, accessoirement la conductivité électrique

Géométries, épaisseurs de couches,

Présence de vides,  teneur en eau.

Electromagnétisme Basse fréquence

Electrique Courant Continu

Conductivimétrie

Résistivité ou conductivité électrique, accessoirement la perméabilité magnétique et la permittivité électrique

Nature du matériau ou de la roche,

présence d’argiles.

Géométries, épaisseurs, …

Teneur en eau, salinité

Magnétisme

Magnétique

Perméabilité magnétique

Nature du matériau ou de la roche (généralement concentration en magnétite)

Présence de minéraux ou d’objets magnétiques (matériaux ferreux, terres cuites,…)

 * Voir : https://www.agapqualite.org/publications/fiches-de-bonne-pratique.html

 

 

 

 AGAP-Qualité : Association pour la qualité en Géophysique Appliquée 

www.agapqualite.org

 

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