1 Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006 Comment ça marche? Principe de la prospection par...

1Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

Comment ça marche? Comment ça marche? Principe de la prospection par injection de courant continu (DC)Principe de la prospection par injection de courant continu (DC)Principe de la prospection par polarisation spontanée (PS)Principe de la prospection par polarisation spontanée (PS)Conductivité électrique et eaux dans les milieux poreuxConductivité électrique et eaux dans les milieux poreux

Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique (DC)Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique (DC)Choix des cycles d’injectionChoix des cycles d’injection Choix des dispositifsChoix des dispositifsCalcul directs et abaques Calcul directs et abaques

Méthode : dispositifs de mesure PSMéthode : dispositifs de mesure PSImagerie et InterprétationImagerie et InterprétationPseudo-section (DC)Pseudo-section (DC)Inversion de la conductivité électrique (via DC)Inversion de la conductivité électrique (via DC)Inversion de la conductivité hydraulique (via PS)Inversion de la conductivité hydraulique (via PS)Inversion du contenu en eauInversion du contenu en eau

Présentation de casPrésentation de casCaractérisation d’un système karstique (Szalai et al.)Caractérisation d’un système karstique (Szalai et al.)Suivi de contaminants (Dhu & Heinson)Suivi de contaminants (Dhu & Heinson)Suivi d’infiltration/irrigation (al Hagrey et al.)Suivi d’infiltration/irrigation (al Hagrey et al.)Suivi d’essais de pompage (Darnet et al)...Suivi d’essais de pompage (Darnet et al)...Suivi du bassin versant de la Soutte (Béhaegel et al)...Suivi du bassin versant de la Soutte (Béhaegel et al)...

Prospections électriques DC et PS(Pascal Sailhac - IPGS, équipe “Proche Surface”)


Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (loi d’Ohm)Principe (loi d’Ohm)

Loi d’Ohm :

, soitOn utilise la résistivité ( ), d’où :

• R est la résistance d’un circuit équivalent au volume du sous-sol traversé par le courant• [.m-1] est celle d’un élément de circuit de longueur et de section

Prospection DC


Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy

Flux

Loi de Conservation

Modélisation Hydro Modélisation Elec

hSq .

Kq Vj

eSj.

Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (diffusion)Principe (diffusion)

Milieu poreux

Q

1

Prospection DC


Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)

Conductivité du fluide très grande devant celle de la matrice poreuse

Loi d’Archie (1942)

(al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge)

S est la teneur volumique en eau,ou la saturation effective

rs

reS

Prospection DC


Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)

nmwt Loi d’Archie (1942)

Waxman-Smits (1968)

Prospection DC


Comment ça marche?Comment ça marche?Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)

Keller & Frischknecht (1966)

+ Rôle de la température, des ions, …

(LaBrecque et al., 1996 / Meas. Sci. Techno.)

Prospection DC


Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (ordres de Principe (ordres de grandeur)grandeur)

Prospection DC


Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (Mesure passive)Principe (Mesure passive)Prospection PS

x

V

Données de potentielspontané (PS)Mesurés près de la Surface

Modèles de Circulation en profondeur


Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy

Flux

Loi de Conservation

Modélisation Hydro Modélisation Elec

hSq .

Kq Vj

eSj.

Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (Couplage EK)Principe (Couplage EK)

Milieu poreux

Q

1

Prospection PS

Couplage électrocinétique (EK / electrokinetic) : conservation du courant total

C.(V.()VCK(jT

0 Tj.


Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner

Potentiel produit par chaque électrode d’injection :

Potentiel produit par en P par un courant entre C1 et C2 :

Prospection DC



Prospection DC



Calcul de lignes de courant :

Prospection DC



Prospection DC



Mesures entre P1 et P2 du courant en C1 et C2 :

Wenner = inter-électrodes constant (P1P2=a et C1C2=3a) :

=> Resistivité apparente en config. Wenner :

Prospection DC



Prospection DC


Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électriqueMéthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique

Prospection DC


Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-ArraysNull-Arrays

(Szalai et al., 2002, Geophysics)

Prospection DC


Méthode : dispositifs de mesures PSMéthode : dispositifs de mesures PSProspection PS

10 cm

80 cm

time-lapse mapping

0 2 415

20

25

30Limit = 25.5mV

min

mV

Mar05 Apr05 May05-20

-15

-10

-5

0

5

10Potentiel Spontané

PS

(m

V)


-5

0

5

10

15

20Température

T (

°C)

T°C profondeur (40cm)T°C sol

Mar05 Apr05 May050

5

10

15

20

25

30

préc

ipita

tions

(m

m)

Précipitations au Welschbruch

période de fonte

des neiges

continuous monitoring

Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006

pendant des jours ou des mois


courant

La magnétosphère

vent solaire

cornet polaire

champ magnétique

interplanétaire

courant coté nuit

lobe

manteau

courant coté jour

magnétopause

courant

courant

courants alignés

zone aurorale

ionosphère

plasmasphère

couche de

plasma

Méthode : attention !Méthode : attention !Bruits EMBruits EM

Prospections DC et PS


Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)

Modèle = résistivités :

Données = résistivités apparentes :

« Misfit » des données :

)()()( obsd

Td

Tobsobsdd ddWWddddW

Fonction « objective » :

)()( 00 mmWWWWWWmm zTzzx

Txxs

Tss

Tm

)()( 00 mmWWmm mTm

T

Prospection DC



Model synthétique Données avec bruit 5%

1140

,1

,1

0

mzx

s

1.

Prospection DC




1140

,0

,1

0

mzx

s

2.

Prospection DC




1140

,0

,1

0

mzs

x

3.

Prospection DC




1140

,0

,1

0

mxs

z

4.

Prospection DC




100 200

,1

,1

mm

zx

s

5.

Prospection DC




100 8000

,1

,1

mm

zx

s

6.

Prospection DC


Q/K = 80 ± 10 m²Z = 22 ± 0.5 mC = -1.5 mV/m

W = 1

W = 0.5

W = 0

Genetic algorithm and pumping test application

Use full inverse modelling including pumping and soil parameters C, Q/K,…

(Darnet et al 2003 / GRL)

Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation inversioninversionProspection PS


Principe & application to Hydrothermal circulation at Etna volcano

STUDIEDAREA

)(~ 022 zaa

K

mCWc

Inversion by adjusting a power law(linear least-squares in log-log)

SP wavelet transform

0

5

10

15

20

Sca

les

a (

in m

)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-50

0

50

100

150

PS (in mV)

Mea

sure

s (i

n m

V)

Position x (in m)

depth = 3 to 18 mintensity = 2400 mV/mflux ~ 0.1 m3/h

log(|Wc2|/a2)

BestDepth

z0

=-3Deviation

log(a+z0) with z0=6.5 m

Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion par ondelettesInversion par ondelettes

(Sailhac & Marquis 2001 / GRL)

Prospection PS


Suivi d’infiltration/irrigation Suivi d’infiltration/irrigation Oliveraie en ItalieOliveraie en Italie



b

rs

rsKK

23

Corey-Brooks

Target parameters:

Van Genuchten

hSKK eGardner

m

h

e hS

2

2

2

12

1

1e Russo

Target Processes: Infiltration, Aquifer recharge, capillary fingering, etc.

z

KhK

z

KD

dt

d

).().( Infiltration = Diffusion of water (Richard’s Equation):

cc

brs

re

v

h

hS

1

Champ électrique Champ électrique ↔ ↔ Paramètres du Paramètres du sol non saturésol non saturé


Continuous & time-lapse Measurement at La Soutte

Weather Station + SP & Temperature

thèse de M. Béhaegel, IPGSExperimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains)

Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges


Ehn river source

small sources

+ +

+

F06F08

F07

+

++

thèse de M. Béhaegel, IPGSExperimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains)



BaseRef

B6

B5

C6

C5

C4

C3

D4

D3

D2

E6

E5

E4

E3

F4

F3

G4

G3

B4

D6

D5

BaseRef

B6

B5

C6

C5

C4

C3

D4

D3

D2

E6

E5

E4

E3

F4

F3

G4

G3

B4

D6

D5

at 2 m depth at 12 m depth

0 50 100 m

B4 C4 D4 E4 F4 G4 H4

Electric Resistivity Tomography at La Souttethèse de M. Béhaegel, IPGS



Self-Potential and ERT along a profile: joint flow model

ERT and SP profile at La Soutte

7 55 400 3000

(mS/m)

thèse de M. Béhaegel, IPGS



SP gradient, in mV/m (Darcy velocity)SP map, in mV

0 50 100m

10 cm

SP Map at La Soutte

0 2 415

20

25

30Limit = 25.5mV

min

mV

thèse de M. Béhaegel, IPGS




-15

-10

-5

0

5

10Potentiel Spontané

PS

(m

V)


-5

0

5

10

15

20Température

T (

°C)

T°C profondeur (40cm)T°C sol

Mar05 Apr05 May050

5

10

15

20

25

30

préc

ipita

tions

(m

m)

Précipitations au Welschbruch

période de fonte

des neiges

Self-Potential

Temperature

Rainfall

thawsnow

Continuous Measurement at La Souttethèse de M. Béhaegel, IPGS


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