Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques

Transcription

1 Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques BRGM/RP FR mars 2003

2 Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques Méthologie mise au point à partir de divers sites de forages hydrogéologique en Eure-et-Loir, dans le Vaucluse et dans la Vienne BRGM/RP FR mars 2003 J.M. Baltassat, A. Legtchenko

3 Mots clés : Méthodologie Géophysique, Résonance Magnétique Protonique, RMP, Étalonnage, Pompage d'essais, Perméabilité, Transmissivité, Sables, Craie, Calcaire, Eure-et-Loir, Vaucluse, Vienne. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Baltassat J.M., Legtchenko A. (2003) Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques, méthodologie mise au point à partir de divers sites de forages hydrogéologiques en Eure-et-Loir, dans le Vaucluse et dans la Vienne. BRGM/RP FR, 38 p., 14 fig., 4 tabl., 3 ann. (volume séparé). BRGM, 2003, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM. 2 BRGM/RP FR

4 Synthèse D ans le cadre du projet de recherche et développement du BRGM, avec l'aide du conseil général de l'eure-et-loir et d ANTEA, agence Centre différents sites de forages hydrogéologiques ont été étudiés avec pour objectif : - de comparer les résultats RMP et les paramètres hydrodynamiques (transmissivité, perméabilité), résultats des pompages d'essais ; - d'établir des relations entre les paramètres RMP et les paramètres hydrodynamiques. Onze sites de forages hydrogéologiques ont ainsi été reconnus par sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) dans le département de l'eure-et-loir. S'y ajoutent un site sur les alluvions de la Durance et 2 sites dans les calcaires bajociens, au sud de la Vienne. Trois procédures d'interprétation ont été utilisées pour traiter et interpréter les données RMP de ces 14 sondages. Trois jeux de résultats sont obtenus en conséquence. La bonne cohérence observée entre les corrélations obtenues à partir de différents jeux de résultats démontre la robustesse des méthodes d'interprétation et d'étalonnage des sondages RMP utilisées. En particulier l'utilisation du paramètre transmissivité RMP permet de dépasser les indéterminations sur les profondeurs et les problèmes d'équivalences. Les différents résultats d'interprétation obtenus selon différentes procédures d'interprétation donnent une mesure de l'incertitude affectant la détermination de la transmissivité RMP. Sur cette base, une erreur moyenne sur l'évaluation des transmissivités RMP par le logiciel d'interprétation des sondages RMP Samovar, est estimée à plus 100 % et moins 50 %. Cela implique, par exemple, qu'une transmissivité RMP évaluée à 0,002 m²/s puisse varier entre 0,001 à 0,004 m²/s. BRGM/RP FR 3

5 Sommaire 1. Introduction Contexte géologique Méthodes et moyens La Résonance Magnétique Protonique (RMP) Principe de la méthode L équipement «NUMIS» Le sondage RMP Interprétation des données Présentation des résultats d un sondage fournis par le système NUMIS Moyens mis en œuvre Calendrier et personnel Équipement Travaux réalisés Traitement et analyse des données Procédures d'interprétation Étalonnage de la transmissivité RMP Estimation de l'erreur sur la détermination de la transmissivité RMP Conclusion Bibliographie BRGM/RP FR

6 Liste des figures Fig. 1 - Localisation des sondages RMP ayant servi à l étalonnage Fig. 2 - Localisation des sondages d'étalonnage dans le département de l'eure-et-loir Fig. 3 - Principe de mesure RMP Fig. 4 - Schéma fonctionnel du dispositif instrumental Fig. 5 - Équipement de Résonance Magnétique Protonique «NUMIS» sur site Fig. 6 - Schéma en fonction du temps d une séquence émission/réception Fig. 7 - Résultats d inversion des données théoriques Fig. 8 - Exemple de résultats RMP sur deux forages dans la craie Fig. 9 - Exemple de feuille de données et de résultats RMP Fig Ajustements des amplitudes FID1(q) et FID2(q) du sondage de Chuines F1 obtenues par les différentes procédures d'interprétation Fig Résultats d'interprétation du forage de Chuines F1 selon différentes procédures (procédure automatique, par calage 1 re interprétation, par calage 2 e interprétation de droite à gauche) Fig Corrélations obtenues entre les résultats RMP de la deuxième interprétation par calage et les transmissivités des pompages d'essais pour la formulation avec les exposants (4,2) et (1,2), respectivement à gauche et à droite Fig Corrélations entre les résultats RMP des différentes procédures d'interprétation et les transmissivités des pompages d'essais (les résultats d'interprétation pour différentes valeurs de T 1 équivalentes ne sont pas pris en compte dans les ajustements) Fig Détermination de la transmissivité RMP avec une constante Cp = 7E-11 (ligne continue) et marges d'incertitude de % et - 50 % (lignes discontinues) encadrant plus de 70 % des résultats d'interprétation BRGM/RP FR 5

7 Liste des tableaux Tabl. 1 - Localisation des sondages RMP Tabl. 2 - Paramètres du modèle Tabl. 3 - Principales caractéristiques des sondages RMP Tabl. 4 - Écarts de profondeur entre aquifères RMP, résultats de l'interprétation par calage, et aquifères hydrogéologiques Liste des annexes (volume séparé) Ann. 1 - Ann. 2 - Ann. 3 - Localisation et description lithologique des forages. Résultats d interprétation selon la procédure automatique. Résultats d interprétation selon la procédure par calage (2 e interprétation). 6 BRGM/RP FR

8 1. Introduction L es caractéristiques (amplitude, temps de relaxation) du signal de Résonance Magnétique Protonique (RMP) sont liées aux caractéristiques des aquifères (teneur en eau et taille moyenne des pores) (Legtchenko et al., 1998 ; Legtchenko et al., 2002). Suivant l'exemple des travaux réalisés par les géophysiciens dans le domaine pétrolier (Chang et al., 1997 ; Kenyon et al., 1997) des relations empiriques pourraient être établies entre les résultats des sondages RMP et les caractéristiques hydrodynamiques des aquifères (perméabilité, transmissivité, porosité efficace). Dans le cadre du projet de recherche et développement du BRGM, avec l'aide du conseil général de l'eure-et-loir et d ANTEA, agence Centre différents sites de forages hydrogéologiques (fig. 1) ont été étudiés avec pour objectif : - de comparer les résultats RMP et les paramètres hydrodynamiques (transmissivité, perméabilité), résultats des pompages d'essais ; - d'établir des relations entre les paramètres RMP et les paramètres hydrodynamiques. Onze sites de forages hydrogéologiques ont ainsi été reconnus par sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) dans le département de l'eure-et-loir (fig. 2). Sont ajoutés à cette collection les étalonnages obtenus à d'autres occasions (tabl. 1) : - deux étalonnages réalisés dans la Vienne à l'occasion d'une prestation de service pour ANTEA, agence de Poitiers ; - un étalonnage réalisé dans le Vaucluse, dans le cadre de la thèse de J.M. Vouillamoz d'action Contre la Faim. Ce rapport présente les résultats RMP obtenus sur ces différents sites, la méthodologie d'interprétation des sondages RMP utilisée, les relations établies à partir de ces données. Il entend démontrer la robustesse de cette approche en comparant les résultats obtenus par différents opérateurs. BRGM/RP FR 7

9 0 100 km Sondage de calibration Fig. 1 - Localisation des sondages RMP ayant servi à l étalonnage. 8 BRGM/RP FR

10 0 40 km Fig. 2 - Localisation des sondages d'étalonnage dans le département de l'eure-et-loir. BRGM/RP FR 9

11 Sondage RMP X (m) Lambert 2 étendu Y (m) Lambert 2 étendu Département Commune Environnement Géologique Autheuil_Fe Autheuil craie à silex Autheuil_Fe Autheuil craie à silex Autheuil_S Autheuil craie Bazoch La- sable et craie Bazoche- Gouët Brou Brou craie à silex Chatenay Chatenay sables Chuisnes F Chuisnes marnes sableuses Morain Morainville sables Vove Moutier-en- craie à silex Beauce Ouar Ouarville craie à silex Margon Nogent-Le- Rotrou Cavail 84 Caumont- sur- Durance Avail_F1 87 Availle- Limousine Avail_F0 87 Availle- Limousine sables Galets et sables alluvionnaires Calcaire et marnes Calcaire et marnes Tabl. 1 - Localisation des sondages RMP. 10 BRGM/RP FR

12 2. Contexte géologique Tous les sites concernés par ce rapport sont dans un environnement géologique sédimentaire. Dans le département de l'eure-et-loir, les aquiféres sont ceux de la craie (Autheuil, Brou, Voves, Ouarville) ou des sables sus- (Chatenay, Morainville) ou sous-jacents à la craie (Bazoches-les-Gouët, Margon, Chuisnes). À Availle-Limousine, il s'agit de calcaires et marnes du Bajocien et de l'aalénien. Enfin, Caumont-sur-La-Durance repose sur les alluvions sablo-graveleuses de la Durance. La localisation et les descriptions des forages sont données en annexe 1. BRGM/RP FR 11

13 12 BRGM/RP FR

14 3. Méthodes et moyens 3.1. LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE PROTONIQUE (RMP) Les méthodes géophysiques traditionnelles d'exploration se fondent sur l'analyse d'anomalies de structures ou de paramètres physiques qui sont liés à différents facteurs qui ne sont pas eux-mêmes nécessairement liés de façon unique à la présence ou à l'absence d'eau dans le milieu étudié. Ainsi, par exemple, la conductivité électrique (inverse de la résistivité) des roches est proportionnelle à la conductivité électrique du fluide contenu et à une certaine puissance de la porosité (Archie, 1942), mais elle dépend également largement de la composition minéralogique et en particulier de la teneur en argile. Contrairement à ces méthodes géophysiques, l'information déduite d'un sondage de Résonance Magnétique Protonique (RMP) est directement liée à l'eau contenue dans le sous-sol. Dans le cadre d'un accord de collaboration entre ICKC (Russie) et le BRGM, un équipement, nommé «NUMIS», fondé sur ce principe a été développé par IRIS Instruments et commercialisé début Principe de la méthode Schématiquement le principe physique de la RMP repose sur le fait que les protons qui constituent les noyaux d'hydrogène des molécules d'eau, placés dans un champ magnétique H o (tel que celui de la terre ou artificiel), possèdent des moments magnétiques qui, à l'équilibre, sont alignés dans la direction de ce champ principal H o (cf. fig. 3). L'émission d'un champ magnétique perturbateur à une fréquence spécifique (dite fréquence de Larmor) modifie cet état d'équilibre naturel et provoque une précession de ces moments autour de la direction du champ magnétique naturel. Après coupure du champ excitateur, et en retour à l'état d'équilibre initial, un champ magnétique de relaxation est émis par les protons et mesuré en surface, constituant ainsi la réponse RMP. L'amplitude de ce champ est d'autant plus intense que le nombre de protons entrés en résonance est grand, et donc que la teneur en eau est importante. La fréquence spécifique à laquelle les protons sont excités est caractéristique de l'atome d'hydrogène et assure ainsi que la méthode est sélective. La très grande majorité des noyaux d'hydrogène présents dans le proche sous-sol provenant des molécules d'eau implique ainsi que la méthode RMP renseigne spécifiquement et directement sur la présence ou l'absence d'eau dans le milieu étudié ainsi que sur les caractéristiques hydrodynamiques du milieu. BRGM/RP FR 13

15 L équipement «NUMIS» Fig. 3 - Principe de mesure RMP. L'équipement NUMIS se compose d'un générateur de courant alternatif, une unité réceptrice, un détecteur de signal RMP, une antenne et un microprocesseur (fig. 4). PC Détecteur Récepteur RS-232 Microprocesseur Fréquence de Larmor Antenne Commutateur Générateur Fig. 4 - Schéma fonctionnel du dispositif instrumental. Le microprocesseur pilote la commutation de l'antenne du mode émission au mode réception. Il contrôle également la génération de la fréquence de référence égale à la fréquence de Larmor. Une enveloppe du signal provenant du détecteur synchrone est enregistrée par le microprocesseur sous forme digitale sur une durée programmable de 2 s au maximum. Un PC portable est utilisé pour le stockage sur disque et le traitement des données. Le poids total de l'ensemble est d'environ 100 kg (fig. 5). 14 BRGM/RP FR

16 Fig. 5 - Équipement de Résonance Magnétique Protonique «NUMIS» sur site Le sondage RMP Pour réaliser un sondage RMP, une antenne est déployée sur le sol, généralement selon un cercle ayant un diamètre compris entre 20 et 120 m, selon la profondeur des couches aquifères que l'on désire investiguer. Différentes géométries d'antennes sont prévues dans le logiciel d'acquisition de NUMIS, en particulier, l'antenne peut être déployée sous la forme d'un chiffre «huit» afin d'améliorer le rapport signal/bruit (Trushkin et al., 1994). Une impulsion i(t) d'un courant alternatif est émise dans la boucle it () = I 0cos( ω 0 t), 0< t τ, () 1 Io et τ caractérisent respectivement l'amplitude et la durée de l'impulsion. La pulsation du courant émis ω0 correspond à la fréquence de Larmor, caractéristique des protons placés dans le champ géomagnétique ƒ 0 = H 0 / 2π avec H 0 l'amplitude du champ géomagnétique et γ le facteur gyromagnétique des protons (constante physique caractéristique). La valeur de cette fréquence est déduite de l'amplitude du champ géomagnétique du lieu considéré. L'impulsion de courant entraîne une précession des protons autour du champ géomagnétique, qui crée à son tour un champ magnétique alternatif qui est détecté, après coupure de l'injection de courant, par la même antenne que celle qui est utilisée pour l'émission. En pratique, l'enregistrement de la réponse RMP n'est possible qu'après un délai instrumental (dit «temps mort») de 40 ms dans le cas de la version BRGM/RP FR 15

17 actuelle de NUMIS. Le processus d'acquisition d'une mesure est schématisé sur la figure 6. pulse i ( t )= I cos( ω t ) 0 0 "dead time" PMR signal e(t) = E exp(- t / T * ) cos( ω t + ϕ ) t(ms) Fig. 6 - Schéma en fonction du temps d une séquence émission/réception. En oscillant à la fréquence de Larmor, le signal RMP e(, tq) décrit une enveloppe de forme exponentielle décroissante qui dépend du paramètre d'excitation q = I 0 τ etq (, ) = e ( q) exp( t/ T* ) cos( ω t + ϕ ), ( ) avec E o (q) l'amplitude initiale RMP, T * 2 le temps de relaxation spin-spin, et ϕ 0 la phase du signal RMP. En injectant deux pulsations consécutives au lieu d une seule et mesurant la réponse RMP après chaque pulsation, il est possible de mesurer la constante de relaxation T. E(q), T * 2 ( q), T ( ) et ϕ ( ) sont les paramètres mesurés par l'antenne de 1 1 q 0 q réception en faisant varier le paramètre d'excitation q ; ce dernier paramètre agissant sur la profondeur d'investigation du sondage. Ces quatre paramètres sont ceux qui sont ensuite interprétés et qui renseignent sur l'eau contenue dans le sous-sol. Les valeurs d'amplitudes peuvent varier de quelques dizaines de nanovolts à quelques microvolts suivant la teneur en eau du milieu considéré ; le seuil de détectabilité de NUMIS se situant à environ 4 nv. Différents facteurs peuvent influencer l'amplitude des signaux RMP tels que par exemple, la magnitude et l'inclinaison du champ géomagnétique, la conductivité électrique des terrains, la taille et la géométrie de l'antenne utilisée (Legchenko et al., 1997). Un signal RMP provenant de l'eau contenue dans des argiles a un temps de décroissance ou de relaxation inférieur au délai instrumental et n'est ainsi pas détectable. 16 BRGM/RP FR

18 Le volume investigué lors d'un sondage est défini comme un cylindre vertical de diamètre égal à environ 1,5 fois le diamètre de la boucle, centré sur celle-ci et de hauteur égale à ce diamètre. La profondeur d'investigation maximale actuelle, en l'absence de terrains conducteurs, est de l'ordre de 120 m. La profondeur d'investigation est sensiblement diminuée lorsque la conductivité des terrains augmente et de manière significative pour des résistivités inférieures à 10 ohm.m. La durée de réalisation d'un sondage RMP est d'environ 2 h dans des conditions favorables de bruits électromagnétiques parasites d'origine naturelle ou anthropique Interprétation des données Les algorithmes d'inversion des paramètres RMP sont décrits dans Legchenko et al. (1998). Ainsi un signal RMP non nul est directement lié à la présence d'eau dans le sous-sol. De plus, des informations complémentaires peuvent être obtenues à partir des courbes brutes enregistrées : - l'inversion des données E 0 ( q)fournit la profondeur, l'épaisseur et la teneur en eau de chaque couche saturée en eau. La teneur en eau fournie par RMP peut être définie telle que ci-après. Pour un volume d'investigation V, soit V W le volume rempli d'eau et V R le volume de roche (V = V W+ V R). Le volume Vw peut être divisé en deux parties : l'eau soumise à un champ magnétique homogène et appelée eau librev et l'eau soumise à un champ magnétique inhomogène, free appelée eau liée ; ainsi V W = V free + V bound. Comme les très courts signaux correspondant à l'eau liée ne peuvent pas être mesurés par les équipements RMP disponibles aujourd'hui, la teneur en eau RMP, n est la part du volume investigué occupé par l'eau libre telle que n= V free / V. Les deux cas limites sont n = 0 pour une roche sèche et n =100 % pour l'eau d'un lac ; - les constantes de temps de relaxation T * 2 ( q) et T ( ) sont reliées à la taille moyenne des pores des formations aquifères (Shirov et al., 1991 ; Chang, et al., 1997 ; Kenyon, 1997) ; - la phase ϕ 0( q ) renseigne sur la distribution des conductivités électriques du soussol. Pour une estimation précise des profondeurs des différents aquifères, cette information doit être prise en compte lors de l'étape d'inversion des données RMP, quand les résistivités sont inférieures à 10 ohm-m. Le problème inverse des sondages RMP est mal conditionné. Il n'a pas de solution unique. La capacité de résolution de la méthode est discutée par Legchenko et Shushakov (1998). Un exemple d inversion des données théoriques est présenté sur la figure 7. 1 q BRGM/RP FR 17

19 Amplitude (nv) data inv.fit noise Pulse parameter (A-ms) Frequency (Hz) Pulse parameter (A-ms) Depth (m) model inversion Water content (%) Relaxation time T2* (ms) Pulse parameter (A-ms) Phase (degr.) Pulse parameter (A-ms) Depth (m) model inversion Relaxation time T2* (ms) Fig. 7 - Résultats d inversion des données théoriques. Le signal théorique a été calculé à partir du modèle (tabl. 2) : Profondeur Teneur en eau T* 2 Larmor frequency de (m) à (m) (%) (ms) (Hz) Tabl. 2 - Paramètres du modèle. 18 BRGM/RP FR

20 La mesure des caractéristiques de relaxation du signal RMP ( T * 2 ( q) et T ( ) ), rend possible l'estimation des paramètres hydrodynamiques des aquifères. 1 q En référence à l'expérience acquise en diagraphies de Résonance Magnétique Nucléaire (Chang et al., 1997 ; Kenyon et al., 1997), la perméabilité pourrait être liée aux paramètres RMP en utilisant la relation empirique : a b k = C W ( T ), (3) k 1 où k est la perméabilité, W est la teneur en eau, T est la constante du temps de 1 décroissance, C et a, b sont des constantes définies empiriquement. k En diagraphies RMN, différentes valeurs a, b sont utilisées. Sur la base de mesures réalisées avec l'équipement NUMIS au droit de forages de caractéristiques hydrogéologiques connues, les valeurs a = 1, b = 2 ont été retenues. Pour des roches différentes, les constantes empiriques doivent être modifiées et des relations mieux adaptées peuvent être définies. La qualité de la relation empirique dépend alors de la qualité de la calibration. La définition des paramètres empiriques adaptés aux différents environnements est un travail de longue haleine mais déjà dans cette phase initiale de développement, NUMIS peut être utilisé efficacement pour définir les perméabilités des aquifères au moins en valeurs relatives. L'inversion des données RMP mesurées avec l'équipement NUMIS produit les résultats suivants : 1) distribution verticale de la teneur en eau ; 2) distribution verticale du temps de décroissance 3) distribution verticale du temps de décroissance 4) distribution verticale de la perméabilité. T * 2 ; T ; 1 Un exemple de la comparaison des résultats RMP avec des données de forage et d'essais de pompage est présenté sur la figure 8. BRGM/RP FR 19

21 RMP : rc_8 France, BH FRC8, 3 Debit<10m /h Teneur en eau (%) T1 (ms) permeabilité (m/s) 0.0E+0 5.0E-5 1.0E Argile Sable fin 0 Niveau statique Argile Crépine Craie E+0 5.0E-5 1.0E-4 RMP : rc_10 0 France, FRC 10, 3 Debit=145m /h Teneur en eau (%) T1 (ms) permeabilité (m/s) 0.0E+0 1.0E-3 2.0E-3 3.0E Argile -10 Niveau statique -20 Crépine Depth (m) Craie fracturée E+0 1.0E-3 2.0E-3 3.0E-3 Fig. 8 - Exemple de résultats RMP sur deux forages dans la craie. 20 BRGM/RP FR

22 Présentation des résultats d un sondage fournis par le système NUMIS Les données et les résultats des sondages RMP sont présentés en annexe 2. En tête de la feuille, on trouve des informations générales sur le sondage et les paramètres d'interprétation. Les graphiques sont tels que décrits sur la figure 9 : 1) les signaux RMP e(, tq) enregistrés pour chaque valeur du paramètre d'excitation, q (croissant de bas en haut du graphique) en fonction du temps t ; 2) l amplitude initiale du signal RMP (FID1) et l amplitude moyenne du bruit après traitement en fonction du paramètre d'excitation (the pulse parameter en anglais) ; 3) les amplitudes initiales des signaux RMP (FID1 et FID2) et l amplitude moyenne du bruit après traitement, en fonction du paramètre d'excitation ; 4) les amplitudes moyennes des signaux RMP (FID1 et FID2) et du bruit en fonction du paramètre d'excitation ; 5) le temps de relaxation, T ( q ) en fonction du paramètre d'excitation ; 1 6) le temps de relaxation T * 2 ( q) en fonction du paramètre d'excitation ; 7) la fréquence du signal RMP en fonction du paramètre d'excitation ; 8) la phase du signal RMP en fonction du paramètre d'excitation ; 9) le bruit ambiant avant traitement mesuré pour les différents paramètres d'excitation ; 10) la distribution verticale de la teneur en eau w (z) et du temps de relaxation T 1 *(z), en couleur : 11) la distribution verticale du temps de relaxation T ( z ) 1 ; 12) la distribution verticale du temps de relaxation T * 2 ( z) ; 13) la distribution verticale de la perméabilité k (z). rmp 3.2. MOYENS MIS EN ŒUVRE Calendrier et personnel Le jeu de données de cette étude rassemble des sondages de différentes campagnes de mesures réalisées entre août 2000 et avril L'équipe sur le terrain était généralement composée d'un ingénieur accompagné d'un technicien ou d'un manoeuvre. J.M. Baltassat, A. Legtchenko, J.M. Miehé, G. Richalet et J.M. Vouillamoz ont participé à ces campagnes d'acquisition. BRGM/RP FR 21

23 Site: MONTREUIL ME10 Date: ; Time: 09:10 NUMIS data set: C:\MONTREUIL\DEBUT2001\DATA\Me10.inp matrix: C:\MONTREUIL\DEBUT2001\MATRIX\Ms75_55.mrm loop: square, side = 75.0 m geomagnetic field: inclination= 55 degr, magnitude= nt filtering window = ms time constant = ms average S/N = fitting error = % parameter of regularization = permeability constant Cpx = 7.00e Fig. 9 - Exemple de feuille de données et de résultats RMP. 22 BRGM/RP FR

24 Équipement - un système RMP IRIS-instrument NUMIS +. - un magnétomètre à proton m de câble d injection et de mesure. - 2 micro-ordinateurs portables. - 2 véhicules. BRGM/RP FR 23

25 24 BRGM/RP FR

26 4. Travaux réalisés Les sites de sondages du département de l'eure-et-loir ont été proposés par M. Schmidt hydrogéologue au conseil général de ce département et MM. Chigot et Sabatier, hydrogéologues à l'agence ANTEA Centre. Le site d'availles-limouzine a été reconnu à l'occasion d'une opération commerciale pour l'agence ANTEA Poitiers et celui de Caumont-sur-Durance l a été dans le cadre de la thèse de J.M. Vouillamoz. Plusieurs sites du département de l'eure-et-loir (dans la région de Dreux et dans la région de Bonneval) ont été exclus de cette analyse bien qu'ils aient fait l'objet de sondages RMP. Ce fut soit parce que les données hydrogéologiques ont été jugées insuffisamment complètes ou précises, soit que les structures reconnues montrent un caractère 2D évident et ne se prêtent pas à l'interprétation 1D utilisée ici. Le tableau 3 présente un récapitulatif des principales caractéristiques des 13 sondages RMP. Les sondages ont été réalisés dans le but d'obtenir le meilleur rapport signal/bruit, tenant compte des conditions ambiantes, afin de réduire au mieux l'indétermination sur les résultats. Les différentes configurations d'antenne sont adaptées aux profondeurs des objectifs et aux conditions de rapport signal sur bruit. La profondeur d'investigation maximale est grossièrement égale au côté du carré unitaire. Les dispositifs en huit permettent de réduire le bruit électromagnétique de manière à réaliser des sondages dans les conditions les plus difficiles. Avec un rapport signal sur bruit supérieur ou égal à 2, l'ensemble de ces sondages se prête à une interprétation quantitative. BRGM/RP FR 25

27 Sondage RMP Autheuil_Fe1 Autheuil_Fe2 Autheuil_S1 Bazoch Brou Chatenay Chuisnes F1 Morain Vove1 Ouar5 Margon Cavail Avail_F1 Avail_F0 Configuration d'antenne 8 carré de 56 m de côté 8 carré de 56 m de côté carré de 75 m de côté 8 carré de 37,5 m de côté carré de 75 m de côté carré de 75 m de côté 8 carré de 56 m de côté carré de 75 m de côté carré de 75 m de côté carré de 75 m de côté 8 carré de 37,5 m de côté 8 carré de 20 m de côté 8 carré de 37,5 m de côté 8 carré de 37,5 m de côté Bruit ambiant avant stack (nv) Rapport signal/bruit après stacks Exploitabilité des mesures Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Interprétation quantitative Tabl. 3 - Principales caractéristiques des sondages RMP. 26 BRGM/RP FR

28 5. Traitement et analyse des données 5.1. PROCÉDURES D'INTERPRÉTATION Comme pour la plupart des méthodes géophysiques de sondage depuis la surface, il n'existe pas de solution unique au problème de l'interprétation d'un sondage RMP. Autrement dit, plusieurs modèles de terrain caractérisés par des paramètres RMP (teneur en eau, W(z) ; temps de relaxation T ( ) ) différents peuvent rendre compte d'un même sondage mesuré. 1 z L'ensemble des résultats d'interprétation obtenus par des procédures d'interprétation différentes et qui lissent bien les mesures de terrain constitue l'espace des solutions. Des modèles appartenant au même espace de solution peuvent présenter des variations notables alors qu'ils satisfont aux mêmes jeux de données. Ce sont des résultats ou modèles équivalents. La procédure d'interprétation la plus simple et la plus objective consiste à inverser les données selon la procédure automatique offerte par le logiciel SAMOVAR. Dans cette configuration aucune contrainte n'est apportée au modèle si ce n'est celle du formalisme mathématique. Le sous-sol est divisé en un grand nombre de couches (40 ici) introduisant un minimum d'a priori sur la structure du sous-sol et bien que leurs épaisseurs ne soient pas en rapport avec la résolution verticale. L'opérateur utilise les paramètres de régularisation (pour l'inversion de la teneur en eau et pour l'inversion du temps de décroissance T1) de façon à obtenir le modèle le plus simple et le plus lissé en cohérence avec la précision des mesures : plus les mesures sont bruitées plus la solution est lissée. Les modèles obtenus sont appelés modèles continus car les paramètres RMP varient sans discontinuités marquées le long de l'axe z. Une autre façon de choisir une solution singulière dans l'espace des solutions est d'utiliser les connaissances hydrogéologiques obtenues par d'autres méthodes (forage, carte géologique, autres mesures géophysiques,...). C'est l'interprétation utilisant une procédure par calage. Les sondages sont tout d'abord interprétés en suivant la procédure automatique décrite ci-dessus avec, dans ce cas, un modèle au nombre de couches limité cohérent avec la résolution verticale de la méthode (nombre de couches égal au nombre de pulses du sondage). Les modèles issus de cette première inversion sont modifiés de manière à caler autant que possible la géométrie des aquifères RMP sur la géométrie des aquifères issue des forages. Enfin, la valeur de T1 a été choisie de manière à produire la meilleure corrélation possible entre paramètres RMP et paramètres hydrodynamiques sur l'ensemble des sites. Les résultats obtenus sont des modèles en couches, caractérisés par des paramètres RMP relativement constants à l'intérieur de chaque couche. D'une couche à l'autre, les paramètres RMP peuvent présenter des discontinuités marquées. Deux modèles différents ont respectivement été obtenus en résultat de l'interprétation par calage par deux opérateurs différents. Les deux modèles satisfont également bien aux mesures et les différences entre eux sont attribuables à différentes manières d'utiliser les données des forages. Les courbes d'amplitude FID1 et FID2 calculées, BRGM/RP FR 27

29 correspondant à l'interprétation automatique et aux deux interprétations par calage du sondage CHUINES1 sont présentées sur la figure 10a. Les trois modèles RMP corrrespondants sont présentés sur la figure 11. Une autre partie de l'espace des solutions a été explorée en évaluant les différentes valeurs de T 1 équivalentes, caractérisant l'aquifère principal de chaque sondage pour une même distribution W(z) (la distribution W(z) de la 2 e interprétation par calage dans ce cas). Les courbes d'amplitudes FID2 calculées, correspondant aux valeurs maximales et minimales de T 1 de l'aquifère RMP principal (entre 28 et 42 m de profondeur) du sondage CHUISNE1 sont présentées sur la figure 10b. 500 a) b) 500 Amplitude, E 0 (nv) Signal FID1 mesuré Signal FID2 mesuré FID1, interprétation automatique FID2, interprétation automatique FID1, 2 ème interprétation par calage FID2, 2 ème interprétation par calage FID1, 1 ère interprétation par calage FID2, 1 ère interprétation par calage Moment du pulse (A.ms) Amplitude, E 0 (nv) Signal FID1 mesuré Signal FID2 mesuré FID1, interprétation par calage FID2, interprétation par calage, T 1 moyen FID2, interprétation par calage, T 1 maximal FID2, interprétation par calage, T 1 minimal Moment du pulse (A.ms) Fig Ajustements des amplitudes FID1(q) et FID2(q) du sondage de Chuines F1 obtenues par les différentes procédures d'interprétation. Forage Chuines F1 Niveau piézométrique Teneur en eau (%) Teneur en eau (%) Teneur en eau (%) argile Profondeur (m) craie sable craie Temps de relaxation, T1 (ms) Fig Résultats d'interprétation du forage de Chuines F1 selon différentes procédures (procédure automatique, par calage 1 re interprétation, par calage 2 e interprétation de droite à gauche). 28 BRGM/RP FR

30 Ces différents modèles indiquent une dispersion possible des résultats d'interprétation et donnent une mesure de l'incertitude affectant les résultats RMP. Par ailleurs, l'incertitude sur les données de forages et autres données utilisées dans l'interprétation par calage influencent également l'incertitude sur les résultats RMP. Les résultats d'interprétation de tous les sondages obtenus selon la procédure automatique et selon la procédure par calage (2 e interprétation) sont présentés en annexe 2 et 3, respectivement ÉTALONNAGE DE LA TRANSMISSIVITÉ RMP a b Si la perméabilité peut être évaluée selon la formule k = C W ( T ) en accord k 1 avec le paragraphe , la transmissivité RMP peut être calculée selon une formule a b du type: T RMP = C ( W ( z)) ( T ( z)) z T 1 CT, a et b étant des paramètres définis empiriquement. Les transmissivités sont préférées aux perméabilités dans l'exercice de comparaison des paramètres RMP avec les paramètres hydrodynamiques pour les deux raisons suivantes : - les pompages d'essais fournissent une transmissivité, T correspondant à une tranche d'aquifère testée z qu'il est parfois difficile d'évaluer précisément ; la perméabilité, K étant calculée telle que K = T/ z ; - le produit W(z) z qui rentre dans la formule de la transmissivité RMP est mieux déterminé que W(z) seul de la formule de la perméabilité RMP. Il n'est, en effet, pas possible pour une couche RMP donnée de déterminer à la fois sa teneur en eau et son épaisseur. Deux couches RMP (W 1, z 1 ) et (W 2, z 2 ) de même profondeur, telles que W 1. z 1= W 2. z 2 sont équivalentes. Pour permettre des comparaisons significatives, la cohérence des profondeurs de l'aquifère RMP et de l'aquifère défini en forage doit être assurée. Le tableau 4 donne les écarts entre les profondeurs résultats de la procédure d'interprétation RMP par calage et les profondeurs des aquifères reconnus par forage. Sur le site de Margon où le sondage RMP est situé à l'écart et en contrebas du forage, il a été tenu compte d'un dénivelé de 20 m en considérant les couches aquifères comme horizontales (cf. ann. 3). Les corrélations sont tentées entre le produit (W(z)) a (T 1 (z)) b z et les transmissivités hydrodynamiques issues des pompages d'essais. Suivant l'exemple des géophysiciens du domaine pétrolier les couples (1, 2) et (4, 2) ont été testés pour (a, b). L'ajustement est réalisé par régression linéaire selon un critère de moindre carré. Les corrélations obtenues entre les résultats de la deuxième interprétation par calage et les transmissivités hydrodynamiques issues des pompages d'essais sont présentées sur la figure 12. Considérant la bien meilleure corrélation obtenue avec le couple (1, 2), le produit (W(z)) 1 (T 1 (z)) 2 paraît mieux convenir et est retenu pour les ajustements suivants. Les raisons pouvant expliquer ce résultat sont discutées dans Legtchenko et al., BRGM/RP FR 29

31 Sondage RMP Forages Procédure par calage (2 e interprétation) toit épaisseur toit épaisseur écart sur le toit écart sur l'epaisseur Procédure par calage (1ère interprétation) toit épaisseur écart sur le toit écart sur l'epaisseur Autheuil_Fe , ,0 3, ,6 Autheuil_Fe ,0 4,0 21,7 18,3 10,3 1,7 Autheuil_S ,0 4, ,7 4 4,3 Bazoch ,0 1,0 21,8 6,4 0,2 0,6 Brou ,0 4,5 17,9 24,6 4,1 6,6 Chatenay ,0 1, Chuisnes F ,0 3, Morain ,5 28 0,5 4, Vove ,0 7,0 53,8 26,2 5,2 7,2 Ouar ,0 2,0 Cavail ,0 0, Avail_F , ,6 0,5 16,9 11,3 0,5 0,2 Avail_F ,0 1,5 17,2 15,2 1,2 1,2 Moyenne 2,7 2,9 3,1 4,2 Tabl. 4 - Écarts de profondeur entre aquifères RMP, résultats de l'interprétation par calage, et aquifères hydrogéologiques. 1E+013 1E+009 1E+012 1E+008 W 4 *T 1 2 1E+011 1E+010 Y = E+013 * X coefficient de corrélation=0.189 W*T1² 1E+007 Y = E+010 * X coefficient de corrélation= E Transmissivités issues de pompage d'essais (m2/s) 1E Transmissivités issues de pompage d'essais (m2/s) Fig Corrélations obtenues entre les résultats RMP de la deuxième interprétation par calage et les transmissivités des pompages d'essais pour la formulation avec les exposants (4,2) et (1,2), respectivement à gauche et à droite. 30 BRGM/RP FR

32 Les ajustements obtenus par régression linéaire selon un critère de moindre carré pour les différentes interprétations sont présentés sur la figure 13. Il apparaît que les résultats des différentes interprétations sont ajustés par des fonctions assez semblables. Le meilleur résultat est obtenu pour la 1ère interprétation par calage (coefficient de corrélation de 0.98). C'est attendu dans le sens que cet exercice avait été réalisé dans l'optique du meilleur ajustement. C'est inattendu dans le sens où il était raisonnable d'attendre la meilleure corrélation en résultat du meilleur calage en profondeur c'est-à-dire pour la deuxième interprétation par calage (cf. tabl. 4). La ressemblance entre les corrélations obtenues par interprétation automatique et par calage peut être expliquée : - par l'imperfection du modèle mathématique qui ne permet pas de résoudre parfaitement la géométrie des couches en particulier dans le cas de plusieurs couches superposées ; - par l'incomplète connaissance de la géométrie exacte des aquifères contributifs à la transmissivité hydrodynamique. Elle met en évidence la robustesse du procédé de calcul de la transmissivité RMP qui permet de dépasser ces indéterminations : peu importe de connaître parfaitement la géométrie de l'aquifère RMP et d'affiner sa correspondance avec l'aquifère contribuant aux essais hydrodynamiques car la transmissivité RMP intègre l'ensemble de la tranche d'intérêt. Les différentes relations établies sont assez semblables les unes aux autres et sont proches de la loi utilisée par le logiciel d'inversion SAMOVAR depuis septembre 2000 (constante CT = 7E-11, fig. 13). La relation entre transmissivités RMP calculées pour une contante CT de 7E-11 et transmissivités hydrodynamiques est donnée sur la figure ESTIMATION DE L'ERREUR SUR LA DÉTERMINATION DE LA TRANSMISSIVITÉ RMP Les différents résultats d'interprétation obtenus selon différentes procédures d'interprétation donnent une mesure de l'incertitude affectant la détermination de la transmissivité RMP. Les écarts maximaux observés entre les résultats des différentes interprétations et la détermination de la transmissivité selon la constante CT de 7E-11 (utilisée dans le logiciel Samovar) dépassent % et -100% (fig. 14). Mais la plupart (plus de 70 %) des transmissivités RMP obtenues en résultat des différentes interprétations sont comprises dans une fourchette de plus 100 % et moins 50 % (lignes pointillées sur la figure 14). Une erreur moyenne sur l évaluation des transmissivités par le logiciel Samovar peut être définie par l intervalle à l intérieur duquel sont compris plus de 70 % des résultats. Sur cette base, cette erreur est estimée à plus 100 % et moins 50 %. Cela implique par exemple qu'une transmissivité RMP évaluée à 0,002 m²/s puisse varier entre 0,001 à 0,004 m²/s. BRGM/RP FR 31

33 Interprétation automatique Y = * X 1 ère interprétation par calage Y = E+010 * X 2 ème interprétation par calage Y = E+010 * X Interprétations pour différentes valeurs de T1 équivalentes Y=X/(7E-11)=X*1.428E W*T1² Autheil Fe1 Ouarville Cavaillon Autheil Fe Voves Availles-Limouzine F0 la Bazoche-Gouët Fe1 Brou Availles-Limouzine F1 Chatenay F1 Chuisnes F1 Margon Morainville F Transmissivité des pompages d'essais (m²/s) Fig Corrélations entre les résultats RMP des différentes procédures d'interprétation et les transmissivités des pompages d'essais (les résultats d'interprétation pour différentes valeurs de T 1 équivalentes ne sont pas pris en compte dans les ajustements). 32 BRGM/RP FR

34 0.01 Transmissivité RMP (m²/s) sable sable sable craie craie sable craie gravier craie calcaire sable craie calcaire interprétation automatique 1 ère interprétation par calage 2 ème interprétation par calage interprétations pour différentes valeurs de T 1 équivalentes Transmissivité des pompages d'essais (m²/s) Fig Détermination de la transmissivité RMP avec une constante Cp= 7E-11 (ligne continue) et marges d'incertitude de % et - 50 % (lignes discontinues) encadrant plus de 70 % des résultats d'interprétation. BRGM/RP FR 33

35 34 BRGM/RP FR

36 7. Conclusion D es corrélations ont été tentées entre paramètres RMP et paramètres hyrodynamiques issus des essais de pompages sur quatorze sites de forages hydrogéologiques en Eure-et-Loir, dans la Vienne et dans le Vaucluse. La bonne cohérence observée entre les corrélations obtenues par différentes procédures d'interprétation démontre la robustesse des méthodes d'interprétation et d'étalonnage des sondages RMP. En particulier l'utilisation du paramètre transmissivité RMP permet de dépasser les indéterminations sur les profondeurs et les problèmes d'équivalences. Les différents résultats d'interprétation obtenus selon différentes procédures d'interprétation donnent une mesure de l'incertitude affectant la détermination de la transmissivité RMP. Sur cette base, une erreur moyenne sur l'évaluation des transmissivités RMP par le logiciel d'interprétation des sondages RMP Samovar, est estimée à plus 100 % et moins 50 %. Cela implique, par exemple, qu'une transmissivité RMP évaluée à 0,002 m²/s puisse varier entre 0,001 à 0,004 m²/s. BRGM/RP FR 35

37 36 BRGM/RP FR

38 Bibliographie Archie G.E. (1942) - The electrical conductivity log as an aid in determining some reservoir characteristics, Transaction of the Society of Petroleum Engineers of the American Institute of Mining, Metallurgical and Petroleum Engineers, vol. 146, p Chang D., Vinegar H., Morriss C., and Straley C., (1997) - Effective porosity, producible fluid and permeability from NMR logging, The Log Analyst, March-April, p Dunn K.-J., Bergman D.J., and Latorraca G.A. (2002), Nuclear magnetic resonance petrophysical and logging applications : Elsevier Science Ltd, UK, 293 p. Kenyon W.,E., (1997) - Petrophysical Principles of Applications of NMR Logging, The Log Analyst, March-April, p Legchenko A.V., Baltassat J.M., Beauce A., Makki M.A., and Al-Gaydi B.A. (1998), Application of the surface proton magnetic resonance method for the detection of fractured granite aquifers : Proceedings of the IV Meeting of the Environmental and Engineering Geophysical Society (European Section), September 14-17, 1998, Barcelona (Spain), p Legchenko A., Baltassat J-M., Martin C., Robain H., and Vouillamoz J-M. (2002) - Magnetic resonance method applied to characterization of aquifers. Groundwater, à paraître. Legchenko A.V., Beauce A., Guillen A., Valla P., Bernard J. (1997) - Natural variations in the magnetic resonance signal used in PMR grounwater prospecting from the surface, European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, vol. 2, n 2, p Legchenko A.V., and Shushakov O.A. (1998) - Inversion of surface NMR data: Geophysics, vol. 63, n 1, p Schirov M., Legchenko A., and Creer G. (1991) - New direct non-invasive ground water detection technology for Australia: Expl.Geophys., n 22, p Trushkin D.V., Shushakov O.A., and Legchenko A.V. (1995) - Surface NMR applied to an electroconductive medium: Geophys.Prosp., n 43, p BRGM/RP FR 37

39 38 BRGM/RP FR

40 Centre scientifique et technique Service aménagement et risques naturels 3, avenue Claude-Guillemin BP Orléans Cedex 2 France Tél. :

41 Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques Méthologie mise au point à partir de divers sites de forages hydrogéologique en Eure-et-Loir, dans le Vaucluse et dans la Vienne ANNEXES BRGM/RP FR mars 2003

42 Étalonnage des résultats des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP) avec des données hydrodynamiques Méthologie mise au point à partir de divers sites de forages hydrogéologique en Eure-et-Loir, dans le Vaucluse et dans la Vienne ANNEXES BRGM/RP FR mars 2003 J.M. Baltassat, A. Legtchenko

43 2 BRGM/RP FR

44 Liste des annexes Ann. 1 - Localisation et description lithologique des forages... 5 Ann. 2 - Résultats d interprétation selon la procédure automatique Ann. 3 - Résultats d interprétation selon la procédure par calage (2 e interprétation) BRGM/RP FR 3

45 4 BRGM/RP FR

46 ANNEXE 1 Localisation et description lithologique des forages BRGM/RP FR 5

47 6 BRGM/RP FR

48 S Plan de localisation de forages dans le secteur d Autheuil BRGM/RP FR 7

49 Autheuil : forage Fe1 8 BRGM/RP FR

50 Autheuil : forage Fe2 BRGM/RP FR 9

51 Autheuil : forage S1 10 BRGM/RP FR

52 forage F0 Plan de localisation de forages dans le secteur d Availles-Limouzine BRGM/RP FR 11

53 Availles-Limouzine (Vienne) forage F argiles de placage tertiaires niveau piézomètrique 12 Profondeur (m) calcaire roux à passées argileuses, fracture large de 10cm à 26.4m crépines calcaire marneux marnes Availles-Limouzine : forage F0 12 BRGM/RP FR

54 Availles-Limouzine : forage F1 BRGM/RP FR 13

55 Plan de localisation de forages dans le secteur de la Bazoche-Gouët 14 BRGM/RP FR

56 Commune de Bazoche-Gouët : forage Fe1 BRGM/RP FR 15

57 Plan de localisation de forages dans la commune de Brou 16 BRGM/RP FR

58 Commune de Brou le captage de Poméans Profondeur (m) limon argileux argile à silex craie à silex craie sans silex niveau piézomètrique crépines Commune de Brou : le captage de Poméans BRGM/RP FR 17

59 Plan de localisation de forages dans le secteur de Cavaillon 18 BRGM/RP FR

60 Cavaillon forage AEP 0 2 argile niveau piézomètrique 4 6 Profondeur (m) galets (15 cm max.) et sable crépines sable Cavaillon : forage AEP BRGM/RP FR 19

61 Plan de localisation de forages dans la commune de Chatenay 20 BRGM/RP FR

62 Commune de Chatenay : forage F1 BRGM/RP FR 21

63 Plan de localisation de forages dans le secteur de Chuisnes 22 BRGM/RP FR

64 Chuisnes : forage F1 BRGM/RP FR 23

65 Plan de localisation de forages dans la commune de Morainville 24 BRGM/RP FR

66 Morainville : forage F1 BRGM/RP FR 25

67 Morainville : forage F1 (diagraphie micro-moulinet) 26 BRGM/RP FR

68 Plan de localisation de forages dans la commune de Nogent-le-Rotrou BRGM/RP FR 27

69 Nogent-le-Rotrou : forage de Margon 28 BRGM/RP FR

70 Plan de localisation de forages dans la zone de Voves BRGM/RP FR 29

71 Voves : forage de Moutiers-en-Beauce. 30 BRGM/RP FR

72 Plan de localisation du forage de M. Chaussier à Ouarville BRGM/RP FR 31

73 Log du forage de M. Chaussier à Ouarville 32 BRGM/RP FR

74 Log lithologique du forage de M. Chaussier à Ouarville BRGM/RP FR 33

75 34 BRGM/RP FR

76 ANNEXE 2 Résultats d'interprétation selon la procédure automatique BRGM/RP FR 35

77 36 BRGM/RP FR

78 Site: autheuil Fe1 Loop: Date: Time: 09:24 NUMIS data set: C:\moi\REPORTS\reg_centre_2001\INTERPR\auto\auth_f1.inp matrix: C:\moi\REPORTS\reg_centre_2001\MATRIX\MS856_55.MRM loop: eight square, side = 56.0 m geomagnetic field: inclination= 55 degr, magnitude= nt filtering window = ms time constant = ms average S/N = fitting error: FID1 = 4.28%; FID2 = 7.75 % param. of regular.: E,T2* = 427.2; T1* = permeability constant Cp = 7.00e-09 BRGM/RP FR 37

79 Site: autheuil Fe2 Loop: Date: Time: 15:57 NUMIS data set: C:\moi\REPORTS\reg_centre_2001\INTERPR\auto\auth_f2.inp matrix: C:\moi\REPORTS\reg_centre_2001\MATRIX\MS856_55.MRM loop: eight square, side = 56.0 m geomagnetic field: inclination= 55 degr, magnitude= nt filtering window = ms time constant = ms average S/N = 5.51 fitting error: FID1 = 5.26%; FID2 = 8.33 % param. of regular.: E,T2* = 595.1; T1* = permeability constant Cp = 7.00e BRGM/RP FR