Techniques de prospection hydrogéologique

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Notions hyydrogéologiques

Cycle de l’eau

Le cycle de l’eau se traduit comme suit : s’il y a une précipitation, unne partie se ruisselle jusqu’à la rivière au niveau coontinental et tombe d irectement à l’océan auu niveau océanique, s’infiltre si la formation traversée est perméableou semi-perméable ett si l’infiltration est efficace, elle assure l’alimentation de la réserve d’eau souterraine. Autre paartie s’évapore et se forme des nuages, sous une condition de températureet pression, les nuages se transforment en précipitation et le cycle est fermé. On peut dire alors que le moteur du cycle del’eau est le soleil. Voilà une formule récaapitulative :P=E+R+I avec P : la précipitation, E : l’évaporation, R : le ruissellement, I : l’infiltrration.

Différents types d’aquifère

Un aquifère est une formation géologique poreuse oufracturée susceptible de contenir ou contenant une nappe d’eau (masse d’eau continue et mobile contenue dans une formation géologique).
Afin de caractériser un aquifère, nous devons connaître sa géométrie, sa superficie, sa profondeur, ainsi que les caractéristiques intrinsèques de la roche dont il est formé, tel que la lithologie du terrain, la porosité, la perméabilité et l’homogénéité du milieu, etc.
• Porosité :Rapport du Volume des vides du matériau sur le Volume total
• Perméabilité K :Capacité du milieu à laisser passer un fluide (ici l’eau)
• Homogénéité :Les aquifères peuvent être hétérogènes, dans la ectiondir verticale ou bien horizontale
Suite à la caractérisation de l’aquifère, il faut quantifier sa capacité de stockage, son importance et sa durée, notamment en relation avec l’infiltration de l’eau en provenance de la surface. Une fois que l’eau a atteint l’aquifère, lle peut transiter de quelques heures à quelques milliers d’année avant d’atteindre l’exutoire de la nappe. Il sera très difficile pour nous de quantifier ce temps de transit, par manque d’information sur la recharge et la circulation de l’eau dans l’aquifère étudié.
On parle de nappe d’eau souterraine lorsque la zone est saturée en eau en permanence. On distingue deux grands types de nappe : les nappes libres et les nappes dites captives.
Figure 6 : Système d’aquifère (Wikipédia 2012)
Selon la formation de l’aquifère encaissante, on peut distinguer deux (02) types de nappe différents:
• Nappe libre
• Nappe captive
Et suivant leur profondeur, on peut la caractériseren trois types : Nappe phréatique (nappe peu profonde : atteinte par les puits de particuliers : 0 à 50m), Nappe de suubsurface (50 à 100 m de profondeur), Nappe profonde (au-delà de 100 m).

Napppe libre

Une nappe libre se localiise dans des formations poreuses qui peuvent être en contact direct avec l’atmosphère. La limite supérieure estune surface libre, pour laquelle la pression de l’eau est égale à la pressiion atmosphérique. Leremplissage, et donc la recharge de ces nappes, est immédiate lorsqu e les précipitations atteignent la surface supéérieure de la nappe. Suivant ce critère, l’exploitatiion des nappes libres parait avantageuse pourr ne pas impacter le volume de la ressource. Cepenndant, ces nappes sont en contact plus ou mooins direct avec l’air et les horizons supérieurs du sol, elles sont ainsi exposées à une pollution organique de surface.
Figure 7 : Système d’aquifère à nappe libre (Wikipédia 2012)

Napppe captive

Une nappe captive est unee zone saturée en eau située entre deux forrmations géologiques imperméables. Ces impermééabilités empêchent l’eau’atteindre son proofil de pression. La surface de l’aquifère est alors fictive et elle corespond à la surface piézométrique de la nppe, située au-dessus du toit de la nappe. L’alimentation d’une telle nappe peut se faire latéralement à travers une surface de captagge, zone présentant une surface libre. De pluus, la recharge peut s’effectuer verticalement si un faible flux traverse les terrains peu permméables recouvrant l’aquifère. Cependant, il faut noter que la recharg d’une telle nappe est beaucoup plus longue que pour une nappe libre. Un forage dans une nappe captive demandera plus de précautions et d’étude quant à l’évolution de la ressource au cours du pompage. Contrairement aux nappes libres, l’eau des nappes captives est plus abritéedes pollutions de surface et nécessite donc moins de traitement avant d’être rendue potable.

Techniques de prospection hydrogéologique

Photo interprétation

La photo-interprétation est l’action d’examiner des images photographiques d’objet dans le but d’identifier ces objets et d’en déduire leur signification.On applique la photo-interprétation en hydrogéologie pour chercher des enseignementsr sur:
• la morphologie : forme extérieure des reliefs ;
• la nature pétrographique des formations observées ;
• les structuraux : linéament/fracture, schistosité, alignement devégétaux qui sont représentés par d es bandes étroites et rectilignesparfois alignéées parallèlement ou disposées en rése au ;
• l’hydrographie de surface : allure, densité, forme, largeur.
Figure 9 : Positionnement d’un forage par photo-interprétation

Inventairre de point d’eau

C’est un diagnostic donnaant une idée sur les caractéristiquesphysiques et chimiques de l’eau et l’on procède à toutes les observations susceptib les de servir à ladééfinition du système aquifère.
Les renseignements à acquérir sont :
• la localisation géograpphique du point d’eau à l’aide d’un GPS ;
• le sens d’écoulement des rivières/fleuve ;
• la profondeur totale du puits/forage (à l’aide des informations recueillies auprès des villageois et/ou par vé rification manuelle à l’aide d’un fil lesté) ;
• le niveau statique de l’eau dans le puits/forage ;
• le gout, la couleur et l’odeur.

Méthode sismique

Généralités

La sismique s’emploie pour designer d’une manière générale les vibrations et les secousses et d’une manière particulière aux tremblements de terre ou séismes. C’est une méthode géophysique, sa théorie est construite à partir des connaissances de l’élasticité, de l’optique géométrique, de la physique vibratoire, ud traitement du signal, et enfin de la géologie.
Pour connaître la constitution géologique d’une région,les géophysiciens procèdent à diverses mesures de surface. Pour préciser en particulier les courbes de niveau des couches géologiques,ils emploient les méthodes de la prospection sismique :Une explosion est provoquée au voisinage des couches superficielles du terrain étudié.L’onde de choc,provoque artificiellement se propage dans le sous-sol.
Les couches géologiques étant de densité et de nature différente,lorsque le front d’onde franchit la frontière séparant deux couches,une partie de l’énergie transportée est :réfléchie et réfractée vers la surface du fait de la discontinuité des constants élastiques des couches.
En surface des sismographes enregistrent les arrivées de l’énergie libérée par l’explosion durant les 4 ou 5 secondes qui la suivent. En pointant ces arrivées sur les sismogrammes (section temps) et en recoupant leurs indications avec celles procurées par d’autres mesures, le sismicien précise sa connaissance du sous-sol : position des discontinuités,vitesse de propagation, parfois coeficient d’absorption
On constate depuis quelques années que les méthodessismiques sont de plus en plus utilisées à des fins de reconnaissance. Il y a à ce tte évolution des raisons techniques liée aux conditions géologiques et aussi des raisons économiques. On distingue deux méthodes de prospection sismique :la sismique réflexion et la ismique réfraction.Elles ont toutes deux pour but de déterminer la profondeur et la forme des discontinuités géologiques, qui constituent le sous-sol.

Sismique réfraction

La sismique réfraction n’est pas en mesure de détailler la morphoologie de toutes les formations profondes. Elle permet de déterminer les vitesses de proppagation des ondes sismiques, ainsi que la profonddeur des différentesinterfaces.

Principe

La méthode consiste la mesure des temps de trajets dans les matériaux, d’une impulsion mécanique de compression entre une source sismique (explosif, chute de poids, dameuse…) et des récepteurs (géophones) placés au sol, pour des distances croissantes entre impulsion et récepteur. L’onde sismique se réfractesur l’interface et revient aux géophones qui sont situés à la surface du sol. Le temps de parcours de l’onde réfractée permet de déterminer la profondeur des interfaces.
En sismique réfraction, la mesure des temps d’arrivées des ondes qui arrivent en premier (ondes directes et réfractées) est la plusessentielle pour avoir le modèle géologique du sous-sol.
Le logiciel utilisé pour le traitement est le Seisimager/2DTM d’OYO Corporation. Il est un puissant programme permettant de : lire les données sismiques, contrôler l’affichage des données, faire des corrections et d’enregistrer, pointer les premières arrivées et de les sauvegarder, faire l’inversion des données en coupe de vitesses, obtenir les hodochrones, les coupes de vitesse et d’autres graphes.
Le logiciel comporte deux modules PickwinTMet PlotrefaTM. Le premier, comme son nom l’indique, est utilisé aux pointages des premières arrivées et le second, se rapporte sur l’analyse et l’inversion des données en coupes de vitesses.
Figure 14: Pickwin ver.3.14 et Plotrefa_ee ver. 2.73 (OYO Corporation 2004)
Les détails concernant le programme Seisimager/2D sont présentés dans le manuel d’utilisation.

Acquisition des données

Pour acquérir des données sismiques, une source smique, un sismographe et des géophones sont nécessaires. La synchronisation destrois composantes est assurée par un déclencheur à impact. Les ondes sismiques sont obtenues par un ébranlement à la surface du sol, choc ou explosion, va dégénérer une déformation qui va seropager de proche en proche en s’éloignant du point d’impact et en s’amortissant.
L’enregistreur sismique (sismographe) fournit les temps de propagation des ondes sismiques entre le point d’impact et les divers capteurs (géophones) du profil.
Après avoir enregistrées les ondes sismiques, il faut les imager à l’aide d’un séismographe pour que l’ordinateur puisse les lire.
Notons que la réalisation de plusieurs tirs sur un même profil est recommandée pour que la totalité du sous-sol soit bien traversée parles ondes.
Figure 15: Matériels et mode d’acquisition des données en sismique réfraction

Traitement des données

Pour la sismique réfraction, les données ont été aitéestr avec le logiciel Seisimager/2DTM d’OYO Corporation. Le logiciel comporte deux modules PickwinTM et PlotrefaTM.
Le premier, comme soon nom l’indique, est utilisé pour les pointages des premières arrivées tandis que le second se rapporte sur l’analyse et la modélisation d e coupe de vitesses. Mais avant les pointages, on doit d’abord introduire les configurations géoométriques (abscisse des points de tir et des géophoones, distance inte-géophones, etc.) de chaquue profil
Le diagramme suivant résume les étapes à suivre dans le module Pckwin :
Figure 16: Diaggramme du processus du pointage : entrée *.sg2et sortie *.vs
L’emploi d’un gain d’’égalisation approprié ainsi que l’applicationn d’un filtre passe – bande adéquat ont permis d’identifier les premières arrivées. Le filtre a été défini suite l’analyse du spectre des signaaux. Malgré cela, certains bruits n’ont pas pu être enlevés ca leurs fréquences sont plus ou moins proches des signaux voulus. Une fois tous les tirs pointés sont enregistrés, on passe auu module d’inversion PlotrefaTM pour effectuer l’inversion des pointages et obtenir par la suitte la coupe de vitesses.
Figure 17: Interfaace du module Pickwin (version 3.14), avec pointage (tir G1G2)
Le logiciel Seisimager2/D, module PlotrefaTM, est un outil puissant pour le traitement de la sismique réfraction ; il offre trois (03) techniques d’interprétation : « time-termmethod », « reciprocalmethod » et la tomographie. A part cela, le logiciel tient com pte de la correction topographique après introducttion des côtes de chaque géophone dans le prrogramme. Les deux premières techniques se basennt sur les méthodes dedélai, elles se différenncient, par contre, sur la méthode avec laquelle le délai est calculé : automatique pour la première (via la technique d’inversion linéaire de moindres carrées), et manuelle pour la seconde.
• Tomographie de sismique réfraction
La méthode par tomographie a étéadoptée tout au long du traitement pour l’inversion des données, car elle est la mieux adaptée aux situations rencontrées sur terrains : gain de temps, variation verticale de vitesse de manière progressive et aléatoire, variation latérale probable de vitesse. Voici un diagramme montrant le processus à suivre pour la méthode par tomographie avec le module Plotrefa après les pointages effectués avec le module Pickwin :
Figure 18: Diagramme du processus de tomographie : entrée *.vs et sortie *.vs
Les vitesses minimale et maximale du modèle par défaut pour la tomographie sont respectivement 0.3km/s et 3km/s. Ces valeurs sont obtenues à partir des analyses préliminaires des dromochroniques. Le nombre d’itérations et le nombre de couches sont fixés à 10 et 15 respectivement, valeurs par défautdans le module.
Les paramètres les plus importants à introduire dans cette méthode sont les vitesses minimale et maximale. Si celles-ci ne définissent pas les vitesses réelles, l’inversion ne va pas converger. En faisant introduire manuellement les vitesses, la vitesse maximale pourrait être 20-30% supérieure à la vitesse réelle maximale et ne devrait pas être inférieure à cette dernière. De façon similaire, la vitesse minimale peut être inférieure à la vitesse minimale réelle et ne doit pas la dépasser. En utilisant lemodèle du « time-term inversion », les vitesses de ce modèle seront introduites automatiquement comme paramètre d’inversion dans la tomographie.
Figure 19: Interface du module Plotrefa (version 2.73), avec temps des trajets après inversion
• Inversion sur la méthode tomographique par la méthode des moindres carrés
La méthode tomographie, implique la création d’un modèle de la vitesse initiale, et alors qui trace des rayons de façon itérative à travers l e modèle, comparer les temps de propagation calculés aux mesurés, modifier le modèle, et répétece processus jusqu’à ce que la différence entre temps calculés et mesurés est minimisé. Lesmaths sont assez complexes; ce qui est présenté ici assume une compréhension active de calcul haute performance et d’algèbre linéaire.
Le but essentiel est de trouver le temps de propagation minimum entre la source et le récepteur pour chaque paire du source-récepteur pour pouvoir l’inverser en coupe de vitesses. Cela est accompli en résolvant pour l (ligne) et s (vélocité inverse ou “lenteur”). Depuis que nous savons ni l’un ni l’autre, le problème est sou gêné, et nous devons utiliserde façon itérative, l’approche des moindres carrés.

Table des matières

INTRODUCTION
CONTEXTE DE LA ZONE D’ETUDE
I.1. Historique
I.2. Contexte géographique et administrative
I.3. Contexte topographique, géomorphologique et hydrologique
I.4. Contexte climatique
I.5. Contexte géologique
RAPPELS METHODOLOGIQUES
II.1. Approche hydrogeologique
II.1.1. Notions hydrogeologiques
II.1.1.1. Cycle de l’eau
II.1.1.2. Différents types d’aquifère
II.1.1.2.1.Nappelibre
II.1.1.2.2.Nappecaptive
II.1.2. Techniques de prospection hydrogéologique
II.1.2.1. Photo interpretation
II.1.2.2. Inventaire de point d’eau
II.2. METHODE SISMIQUE
II.2.1. Generalites
II.2.2. Sismique réfraction
II.2.2.1. Principe
II.2.2.2. Acquisition des données
II.2.2.3. Traitement des données
II.2.3. Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW)
II.2.3.1. Principe
II.2.3.2. Acquisition des données
II.2.3.3. Traitement des données
II.3. Méthode électrique-Imagerie par tomographie électrique
II.3.1. Principe
II.3.2. Acquisition des données
II.3.3. Traitement des données
RESULTATS ET INTERPRETATION
III.1. Résultats de la prospection hydrogéologique
II.1.1. Photo-interprétation
II.1.2. Inventaire de puits
III.2. Coupes géophysiques
II.2.1. Profil 1
II.2.2. Profil 2
III.4. Choix de l’implantation du puits
III.5. Résultats puits
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE