TECHNIQUE DE PROSPECTION ELECTRIQUE DU SOUS SOL

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Image par Tomographie Electrique (ITE) ou panneau électrique 2D

La tomographie électrique (TE) est une opération qui consiste à connaître la distribution de résistivités électriques du sous sol en deux dimensions (horizontale et verticale).La réponse obtenue est une image à deux dimensions de la distribution des résistivités du sous sol. Ce document est appelé coupe de résistivité ou coupe géoélectrique.

Principe de la mesure

Le panneau électrique sert à la fois à une investig ation verticale et latérale du sous-sol.
Autrement dit, il permet à une investigation à deux dimensions du sous-sol.
Le principe d’acquisition est basé sur la réalisation d’un grand nombre de sondages électriques le long d’un profil à partir de diverses combinaisons de quatre électrodes spécifiques à un type de dispositif parmi les N électrodes. En écartant la distance inter électrodes, la profondeur de pénétration augmente t ele nombre des points expérimentaux diminue.
Le modèle géoélectrique est obtenu en inversant automatiquement les données expérimentales en modèle 2D, grâce au programme Res2dinv de M.H. Loke, 1996.

Matériel de prospection électrique

Le résistivimètre (Figure 2), de marque SYSCAL R2 quipé de système multi électrodes accompagné de ses matériels annexes, permet l’acquisition des données de terrain.
Figure 2: Les équipements SYSCAL R2 complets

Dispositif

Le dispositif de Wenner est un dispositif classique, utilisant N électrodes, que l’on adopte pour la réalisation du panneau électrique.
Soient « a » la distance entre les deux électrodes consécutives, « na » la distance inter électrodes où n est le nombre de la séquence de mesures qui s’incrémente de 1 à (N-1)/3 si le nombre d’électrode total N est égal à un multiple de 3 plus 1.
Pour la première séquence de mesure, la distance inter électrodes est égale à 1.a. La première série de mesures débute d’abord avec leslectrodesé 1, 2, 3 et 4 dont les électrodes 1 et 4 sont utilisées comme électrodes de courant etles deux autres électrodes 2 et 3 comme électrodes de potentiel. La seconde série de mesure utilise ensuite les électrodes 2, 3, 4 et 5 et ainsi de suite jusqu’à ce que toutes les séries de mesures soient terminées.
Nous passons après à la seconde séquence de mesures dont la distance inter électrodes s’incrémente à 2a. On effectue les autres séries demesures. L’opération continue jusqu’à ce que toutes les mesures possibles soient effectuées . La figure 3 montre la configuration des électrodes pour le panneau électrique du type Wenner
Dans le cas général utilisant N électrodes, le nombre total de mesures m, pour un profil dont la distance entre deux électrodes est égale àna, a pour expression : m =∑ (N-3n) où n =1, 2, 3, 4,…
Le nombre d’électrodes N est choisi suivant la profondeur d’investigation voulue. On a au total 35 mesures à effectuer pour un nombre d’électrodes égal à 16. La profondeur d’investigation est de l’ordre de 0,519.a, pratique ment égale à a/2. On remarque que, le nombre de point de mesure diminue lorsque n augmente

Mode de traitement des données du panneauélectrique

On utilise le programme RES2DINV développé par H. Loke pour inverser automatiquement les données expérimentales en modèle 2D appelé « eudops-section ».
La méthode d’inversion utilisée par le programme est basée sur la méthode des moindres carrées, utilisant la méthode des différences finies pour le calcul de la résistivité.
En tenant compte des points expérimentaux, ce programme subdivise le modèle géoélectrique en des blocs rectangulaires. Ce modèle fournit la résistivité vraie de chaque bloc par la méthode de moindre carrée utilisant la méthode deifférenced finie.
Après traitement, le résultat ou le modèle finalement retenu est représenté sous forme de coupe géoélectrique 2D.
Le document servant à l’interprétation des résultat est donc le document obtenu après inversion. Ce document sera confronté aux contextes géologique et géomorphologique du terrain.

MÉTHODE SISMIQUE REFRACTION

La méthode sismique réfraction permet d’obtenir uneimage précise de la structure du sous sol. Elle est particulièrement bien adaptée à la détermination de la profondeur du substratum et de la rippabilité des roches.

Principe de la méthode

La technique fondamentale utilisée en méthode sismique, c’est de produire des ondes sismiques et de mesurer le temps mis par ses ondes pour aller depuis les sources jusqu’à une série de géophone, habituellement disposée sur unedroite passant par la source. Connaissant les temps de parcours jusqu’au géophone et la vitesse de propagation de ses ondes, on tente de reconstruire leurs trajets. Les informations structurales résultent surtout des trajets que l’on décompose en deux catégories principales : les trajets réfractés dont la partie principale s’effectue le long de l’interface séparant deux couches de terrain, à peu près horizontales et les trajets réfléchis pour les quelles les ondes sepropagent d’abord vers le bas et, en un point, sont réfléchies vers la surface, les trajets sont lorsa à peu près verticaux. Dans les deux cas, les temps des trajets dépendent essentiellement des propriétés physiques des roches et de la disposition des couches. Voici l’intervalle de vitesses des ondes de quelques types de roches.
Appareils utilisésElle fait partie de la phase de mesure. On enregistre l’onde de vibration résultant du tir effectué à la source et qui est capté par les géophones disposées linéairement le long d’un profil. Les signaux seront envoyés vers l’appareil DAQLINK et stockés immédiatement dans l’ordinateur portable de terrain. Pour faciliter les traitements numériques et aussi pour minimiser les erreurs, les tirs effectués sont disposés symétriquement par rapport au centre de du profil.
Le pointage :
C’est un procédé de traitement numérique des signaux enregistrés à l’aide d’un logiciel Vibrascope.
La technique consiste à détecter et à pointer le pr emier temps d’arrivée du signal au niveau de chaque capteur (Figure 14). Le signal provoqué est de basse fréquence donc à forte amplitude ce qui le diffère des bruits naturels (signaux de haute fréquence).
Figure 14: Exemple de pointage d’un signal (point de tir entre 14e et 15e géophone)
Création des hodochrones:
Chaque tir correspond à un hodochrone. Dans un prof il, on effectue plusieurs tirs et on recommence le même procédé. Ainsi, pour un seul profil, on a plusieurs hodochrones qui sont spécifiques pour chaque point de tir. On a alors unmodèle d’hodochrone (Figure 15).

PRINCIPE TOPOGRAPHIQUE

La plupart des topographes utilisent encore des théodolites manuels avec une mire verticale.

Acquisition des données topographiques

Trois personnes assurent l’acquisition des données de terrains pour un levé topographique. La première qui est le topographe responsable du levé s’occupe de la manipulation et de la lecture des valeurs données par le théodolite. La deuxième joue à la fois le rôle de croquiseur et de secrétaire qui enregistre sur une feuille de mesure préétablie les valeurs lues sur le théodolite et dessine les détails observés sur terrain. Et la troisième et dernière personne tient verticalement la mire à un emplacement désigné par le topographe.
Les données récoltées seront ensuite saisies sur dinateuror pour être traité par des logiciels qui par la suite nous permet d’accéder à la détermination des différentes côtes spécifiques de chaque gisement.

Traitement des données topographiques

Lors du traitement, on utilise les logiciels suivants:
– Microsoft Excel ;
– Covadis ;
– Autocad.
Le Microsoft Excel facilite la saisie des données brutes obtenues lors du levé sur terrain ; on peut enregistrer ces données dans un fichier «.txt». Ensuite, on importe ce fichier à partir du logiciel Covadis 2D, où le module de calcul topomètrique permet de convertir les fichiers bruts «.txt» en un fichier au format «.gis». A l’issus des calculs, la fonction chargement de semis du menu Covadis 2D permet d’afficher tous les points relevés sur terrain, et de relier ceux qui forment un même profil. Après avoir établi le plan d’un profil, on peut paser à Covadis 3D pour déterminer la côte de chaque point.
A partir de la géobase contenant les points calculés, on importe directement les résultats sur Autocad afin de tracer tous les détails rencontrés en surface (route, rizière, rivière étang, etc…).

Présentation du logiciel Covadis

Le logiciel Covadis est fourni par Géomédia s.aqui est une société spécialisée en topographie et infrastructure. Covadis est un logiciel complet et performant pour les calculs topométriques et géocodification de levés. On peutl’exploiter pour la production de plans topographiques et la conception de projet d’aménagement. C’est également un applicatif de modélisation, de calcul de projet et d’intégrationdans le site.

Différentes fonctionnalités du covadis

Covadis comporte cinq menus qui lui sont propre :
• Covadis calculs (Covcal);
• Covadis 2D (Cov 2D);
• Covadis 3D (Cov 3 D);
• Covadis Edition (CovEd);
• Covadis Echanges (CovEc).

Domaines d’utilisation de Covadis

Covadis est un logiciel complet et performant pour la réalisation des projets 3D et modélisation, il est également un puissant outil detopographie, de cartographie. En voici quelques exemples de ce que peut faire le logiciel :
– calcul des cubatures
– modélisation du terrain en 3D
– dessin des courbes de niveaux
– conception de projet des routes et de voiries
– réseaux d’assainissement.

Méthodes de calcul par cubatures

Pour estimer les volumes, cette méthode permet de calculer les cubatures (déblais, remblais), à partir d’un modèle numérique de terrain (cf. [5]).

PRESENTATION DES ZONES D’ETUDE

CONTEXTE GENERAL

Suite à la demande accrue des besoins en roches mas sives sur la partie orientale de Madagascar, deux études ont été effectuées aux abords de la RN 2 reliant Antananarivo à Toamasina.
Présentation des carrières
Ces études ont été réalisées sur deux sites AnalabeetSahavakake, où le premier est une carrière abandonnée et le second formé par quatre collines accompagnées d’affleurements de roches basaltiques.
Localisation des zones
ANALABE
Le gisement étudié se trouve au Sud Ouest de la ville de Toamasina, à environ une douzaine de kilomètres. Le terrain appartient administrativement au village d’Analabe, au Quartier de Tanandava, de la Commune Rurale Suburbaine de Toamasina, du District de Toamasina II, dans la Région Atsinanana.
Il est localisée géographiquement (cf Figure 16) entre les latitudes Sud 7 990 000 m et 7 990 300 m et les longitudes Est 318 800 m et 319 200 m, selon le système de coordonnée UTM.
Un front de taille y est déjà ouvert.
Le site étudié se trouve au Sud de la ville de Toamasina, à environ une quinzaine de kilomètres, aux abords de la route nationale numéro2 reliant Antananarivo Toamasina au PK 336. Le terrain appartient administrativement au Village d’Ambodikininina, du Quartier d’Antananambo de la Commune Rurale de Fanandrana du District de Toamasina II, dans la Région Atsinanana.
Il est localisé géographiquement (cf. Figure 16) entre les latitudes Sud 321 800m et 222 300 et les longitudes Est 7 986 000m et 7 986 600m, selon le système de coordonnées UTM. L’accès sur le site est relativement facile.
Figure 16: Carte de localisation des gisements d’Analabe et de Sahavakake (Extrait de la carte 1/100 000 du FTM, 1990)

GEOLOGIE REGIONALE

Ces deux zones se trouvent dans la ceinture de Maevatanana de la série d’Ambodirina. Le socle est formé de micaschistes, de gneiss et demigmatites à graphite, de quartzites et de khondalites. Les roches éruptives se classent en deux catégories selon leur âge. La première catégorie regroupe les intrusions ultrabasiques de forte densité. Ce sont des roches éruptives anciennes telles que les harzburgites, ultrabasites et amphibolites dérivées. La seconde plus récente, d’âge crétacé, est formée de basaltes à texture doléritique et de microgranites. Cette catégorie constitue d’excellent matériau d’empierrement et de construction (cf. Figure 17).
Figure 17: Géologie des deux zones d’études (Extrai de la carte 1/200 000 du service géographique de Madagascar, 1962)
La tectonique de la région est assez simple malgréla grande différence de direction des couches qui varient d’une direction Nord Sud à Est Ouest.
Les fractures récentes du socle ont des directionsqui vont de N°35 à Nord Sud. Le fait essentiel dans cette région est la limite bien définie des différentes séries, celle de Maevatanana et les autres suivant une direction généralement Est Ouest.

PRESENTATION DU GISEMENT ANALABE:

Le gisement d’Analabe se trouve sur une colline où un front de taille de 25m est déjà ouvert. C’était une carrière exploitée pour l’empierrement de la RN2. La coupe géologique, réalisée au niveau du front existant, a permis d’établir de haut en bas les successions lithologiques suivantes
– Couverture latérites de puissance inférieure à 3m
– L’intrusion basaltique fissurée
Figure 18: Photo de la carrière ouverte
Le gisement de Sahavakake est constitué de quatre ecteurs formés chacun par une colline.
Le premier se trouve sur la colline située à l’Est de la zone où une carrière artisanale ouverte a un front de taille de 5m (cf. Figure 19). La coupe géologique, réalisée au niveau du front existant, a permis d’établir depuis la surface les successions lithologiques suivantes ; une couverture latéritique de puissance inférieure à 2m et les roches altérées très décomposées, Le deuxième, au Sud, est une colline, limité à l’Est par la route nationale, au Sud par la ligne Haute tension de la Jirama, au Nord et à l ’Ouest par un bas fond aménagé en rizière. Il présente des blocs rocheux de dimensions décimétriques (cf. Figure 20) affleurants le long de la ligne de crête, suivant une direction N40°. Ce sont des roches utrabasites d’origines volcaniques, Le troisième à l’Ouest est une colline qui prend un e direction globalement Est Ouest. A son extrémité Est, on observe un talus de 7m de auteurh et une terrasse aménagée pour la construction d’une cabane (cf. Figure 21). La coupe lithologique effectuée au niveau de ce front nous donne la succession de terrain suivante : la couverture latéritique très épaisse et les roches intrusives en altération avancée.
Figure 21: Photo du front et de la terrasse
Le quatrième et dernier secteur étudié culmine au ordN de la zone. Il se trouve sur une bute recouverte d’une dense végétation (cf. Figure22). Il est séparé du troisième secteur par le bas fond principal de direction Ouest Est et du premier secteur par un bas fond adjacent. Des blocs rocheux, de dimensions décimétriques (cf. Figure 23), sont observés sur la partie Ouest et l’extrême Sud du secteur. Ils sont denses sur leversant Ouest et prennent une direction N40°.

IMPLANTATION DES TRAVAUX GEOPHYSIQUES ANALABE

Les deux méthodes de prospection électrique et sismique ont été utilisées lors de l’étude de ce gisement.
Les panneaux électriques ont été implantés sur 5 ofilspr et les lignes sismiques sur 5 profils (cf. figure 24). Le choix de la direction du profil a été réalisé à partir de la morphologie du terrain et du sens probable d’extension de façon à nous donner le maximum d’informations sur l’évolution des roches dures sous-jacentes.
Figure 24: Implantation des profils géophysiques à Analabe
Seule, la méthode sismique a été utilisée sur le sementgi de Sahavakake. Les lignes sismiques ont été implantées sur 18 profils (cf. gureFi 25).
Comme le cas d’Analabe, le choix de la direction du profil a été réalisé à partir de la morphologie du terrain et du sens probable d’extension de la roche dure de façon à nous donner le maximum d’informations sur son évolution.
Comme le gisement est recouvert en partie par une dense végétation, l’ouverture des layons pour étaler le dispositif a été nécessaireEn. conséquence, pour éviter que les profils partent en zigzagant, on a utilisé le théodolite pour le tracé de ces profils. Seulement, l’existence de gros arbres en plein milieu d’une li gne nous a contraint de les dévier légèrement.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I: RAPPEL THEORIQUE
I.1 GEOPHYSIQUE APPLIQUEE
I.1.1 GENERALITES
I.1.2 LA METHODE GEOPHYSIQUE DE PROSPECTION ELECTRIQUE
I.1.2.1 Principe
I.1.2.2 Résistivité des roches
I.1.2.3. Notion de résistivité vraie et de résistivité apparente du sol.
I.1.3. TECHNIQUE DE PROSPECTION ELECTRIQUE DU SOUS SOL
I.1.3.1. Image par Tomographie Electrique (ITE) ou panneau électrique 2D
I.1.3.2. Principe de la mesure
I.1.3.3. Matériel de prospection électrique
I.1.3.4. Dispositif
I.1.3.5. Mode de traitement des données du panneau électrique
I.2. MÉTHODE SISMIQUE REFRACTION
I.2.1. DESCRIPTION DE MODE DE CALCUL ET INTERPRETATION
I.2.1.1 Cas du modèle tabulaire 2 terrains
I.2.1.2. Cas du modèle tabulaire à 3 terrains
I.2.1.3 Cas du modèle incliné à 2 terrains
I.2.1.4 “Delay time”
I.2.2. PRINCIPE DE LA METHODE
I.2.2.1. Appareils utilisés
I.2.2.2. Processus du traitement de données
L’acquisition des données
I.3 PRINCIPE TOPOGRAPHIQUE
I.3.1 ACQUISITION DES DONNEES TOPOGRAPHIQUES
I.3.2 TRAITEMENT DES DONNEES TOPOGRAPHIQUES
I.3.3 PRESENTATION DU LOGICIEL COVADIS
I.3.3.1 Différentes fonctionnalités du covadis
I.3.3.2 Domaines d’utilisation de Covadis
I.3.3.3 Méthodes de calcul par cubatures
PARTIE II: PRESENTATION DES ZONES D’ETUDE
II.1. CONTEXTE GENERAL
PRESENTATION DES CARRIERES
Localisation des zones
II.2. GEOLOGIE REGIONALE
II.3. PRESENTATION DU GISEMENT
II.4. IMPLANTATION DES TRAVAUX GEOPHYSIQUES
PARTIE III: EVALUATION DE ROCHES MASSIVES EXPLOITABLES SUR LES DEUX CARRIERES, ANALABE ET SAHAVAKAKE
III.1. INTERPRETATION DES PROFILS GEOPHYSIQUES
III.2. CUBAGE ESTIMATIF
III.2.1. ESTIMATION DE LA TENEUR
III.2.2. VARIOGRAMME EXPERIMENTAL
III.2.3. ERREUR D’ESTIMATION
III.2.4. EVALUATION DES VOLUMES DE CES SITES
CONCLUSION