Impact de la solution du sol sur les mesures de résistivité électrique : premiers essais méthodologiques

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1 Impact de la solution du sol sur les mesures de résistivité électrique : premiers essais méthodologiques Arlène BESSON 1,2, Isabelle COUSIN 1, Michel DABAS 2, Dominique KING 1 1 INRA, Unité de Science du Sol, BP 2619, Ardon, France 2 GEOCARTA, 16 rue du Sentier, 752 Paris, France Abstract Electrical geophysical methods as electrical resistivity present many advantages in soil science. Many authors show strong correlations between electrical measurements and different chemical and physical soil properties. However, these relationships are very complex because many soil properties may simultaneously influence electrical resistivity measurements. The electrical application in soil science require more thorough studies. These first methodological trials aim at analysing to analyse relationships between electrical resistivity, physical (temperature, humidity), chemical (nitrate soil solution) parameters. Introduction La résistivité électrique (ρ) est un paramètre bien connu de la communauté scientifique géophysique. Elle représente la capacité du sol à s opposer au passage d un courant injecté. En Science du Sol, les principaux avantages de la résistivité électrique reposent sur sa forte sensibilité aux faibles variations électriques de subsurface, sa rapidité d acquisition de mesures et son caractère non destructif. De nombreux travaux ont montré la forte dépendance entre la mesure de résistivité et différentes variables intrinsèques des sols aussi bien physiques que chimiques. Si l humidité, la salinité et la saturation sont considérées comme les principales sources d influence pour certains auteurs (Rhoades et al., 1976), d autres montrent de fortes corrélations avec la texture (Fukue et al., 1999), la structure (Abu-Hassanein et al., 1996; Besson et al., 24), la teneur en CaCO 3 ( Zaidman et al., 1999) ou encore la profondeur et le type de substrat (Dabas, 1995). La résistivité électrique dépend soit d une variable intrinsèque si elle est prédominante dans le milieu prospecté, soit d un groupe de variables au sein duquel des interactions très complexes existent. Ces paramètres d influence du sol ont tous la particularité d interférer sur le mode de conductivité électrolytique du courant. Ces essais méthodologiques préliminaires, mis en œuvre en laboratoire, visent à quantifier, hiérarchiser les interactions entre des paramètres d influence (chimiques et physiques) de volumes élémentaires de sols calcaires et calciques et la grandeur de résistivité électrique mesurée. La compréhension de ces interactions devrait permettre, en contexte carbonaté, (1) de développer nos connaissances sur la relation résistivité électrique et la qualité chimique de la solution du sol et (2) d affiner l utilisation de la méthode quant à la description de 1

2 processus pédologiques conjoncturels de type «transferts des solutés» et plus précisément de lixiviation de nitrates à l échelle intraparcellaire. Cette étude propose, ici, d examiner l évolution des mesures de résistivité électrique prises sur des volumes élémentaires de sol 1) en fonction de l humidité et 2) en fonction de la concentration en nitrates de la solution du sol, concentration pouvant résulter des apports en fertilisants au champs. Des mesures préliminaires sur des solutions de même concentration permettront de fixer les ordres de grandeur de variation de la résistivité. Matériel et méthodes Méthodes de mesures de la résistivité électrique Toutes les mesures de résistivité (sur solutions ou sur échantillons) sont réalisées sur des cylindres en polyéthylène de mêmes dimensions (hauteur 5 mm, diamètre 55,4 mm). A mihauteur de chaque cylindre, 2 électrodes d injection et de réception du courant sont positionnées face à 2 électrodes de mesures de différences de potentiel. En laiton d un, Les électrodes de laiton, de 2 mm de diamètre et insérées de 2 mm dans l échantillon, sont reliées à un résistivimètre RMCA4 (Eurocim-licence CNRS) fournissant un courant de basse fréquence (122 Hz) et d intensité régulée et connue (1 ma). Les données présentées sont exprimées en résistance. Ultérieurement et dès la détermination de la constante de cellule, elles feront l objet d une transformation en résistivité. Mesures sur des échantillons de sol Prélèvement des échantillons L étude concerne l horizon minéral pétrocalcarique (IICk) d un calcisol sur calcaire cryoturbé beige (Petite Beauce, site de Limoron, commune de Villamblain) (AFES, 1995). Le tableau 1 en donne la granulométrie. Douze échantillons cylindriques (hauteur 5 mm, diamètre 55,4 mm), non perturbés, sont prélevés selon un axe vertical et stockés en chambre froide à 5 C pour limiter l activité biologique. Les cylindres sont en polyéthylène pour permettre une mesure de la résistivité électrique dans l état de prélèvement. Protocole de mesure Après avoir été rééquilibrés à température ambiante, les échantillons sont correctement arasés et pesés. On mesure leur résistivité (notée resis1) puis ils sont mis en contact avec une solution de KNO 3 diluée dans de l eau osmosée ; la concentration de cette solution est de mg KNO 3.l -1 correspondant à un apport au champ de 5 kg d azote.ha -1 (estimation pour l horizon de surface d un sol d une humidité volumique de.25 m 3.m -3 et d une densité de 1.4 g.cm -3 ). Pour tous les échantillons, la saturation est faite progressivement (7 jours) par capillarité à pression atmosphérique. Les échantillons ainsi saturés sont de nouveau pesés et l on mesure leur résistivité électrique (notée resis2). Ils sont ensuite placés dans des presses à membranes pendant 7 jours aux potentiels de -1, -33, -1 et 15 kpa (Quétin et Gaillard, 1998). Sortis de presse, ils sont pesés et l on mesure de nouveau leur résistivité électrique (notée resis 3). L humidité pondérale est déterminée par méthode gravimétrique. L humidité volumique et la masse volumique sont calculées à partir de l humidité pondérale ainsi obtenue. Pour chaque échantillon, 2 mesures de résistivité électrique sont enregistrées en continu et moyennées. Un multimètre MX751 (Metrix) relié à une sonde de température PT1 fournit des mesures de température ambiante en continu. L effet de variation de température sur les mesures de résistivité est corrigé par l équation de Keller et Frischknecht (1966). Mesures sur des solutions salines Quinze solutions de KNO 3 diluées dans l eau osmosée et dont les concentrations varient de à 3472 mg KNO 3.l -1 sont placées pendant une semaine en chambre froide. Dès leur sortie, des mesures de résistivité et de température sont enregistrées en continu. Pour un pas de temps de 2

3 1 minute (soit l équivalent de 4 mesures de températures et 2 mesures de résistivités), les températures et résistivités correspondantes sont moyennées. Résultats et discussion Echantillons de sol Les valeurs de résistances prises avant saturation (Figure 1, resis1) sont élevées (minimum=32 Ω) et montrent une forte variabilité entre échantillons (de 32 Ω pour l échantillon 9 à 77 Ω pour l échantillon 11). Ceci peut s expliquer par la forte teneur en CaCO 3 (de l ordre de 54%), par la présence plus ou moins abondante de graviers calcaires et de pseudomycéliums de calcaire secondaire et par la structure désagrégée du matériau (Michot, 23). La saturation par la solution diminue fortement les résistances et restreint l écart de résistances entre échantillons (Figure 1, resis2). Cette chute de résistances peut atteindre 7% (Figure 1, resis2-resis1, échantillon 12). La forte humidité volumique obtenue à saturation facilite le déplacement des charges mais aussi la solubilité de certains ions (notamment Ca 2+ ). Les résultats concernant les humidités volumiques (Figure 2) ne montrent pas de différence significative. De ce fait, pour les mesures de résistances des échantillons sortis de presse (resis3, résultats non montrés), aucune distinction n est apparue entre groupes d échantillons soumis aux différentes dépressions. Pour pouvoir évaluer correctement l impact de la variation d humidité sur les mesures de résistances, le mode opératoire doit être repris; en particulier, les temps d équilibre de saturation et de mise en presse devraient être significativement allongés. Solutions L ensemble des courbes résistance = f(température) suivent un modèle de type exponentiel, de la forme R=a.e -bt où R est la résistance, T la température, a un paramètre corrélé à la concentration en solutés et b un paramètre empirique proche de,2 (Figure 3). Pour une température donnée, plus la concentration du milieu est faible, plus la résistance est importante. Cette évolution des résistances en fonction de la concentration en solutés n est pas linéaire (Figure 4). La viscosité du milieu s accroît avec la diminution de la température limitant ainsi le déplacement des charges. Cette évolution des résistances en fonction de la température est d autant moins marquée que le milieu est riche en solutés, la densité de charges palliant et limitant avec plus d efficacité aux effets des forces de frottement du milieu induites par la variation de température. En accord avec Mc Neal et al (197), la forme exponentielle retenue permet d une part une modélisation de la résistance en fonction de la température et de la concentration pour le type de solution considérée et d autre part précise que des relations linéaires ne sont envisageables que dans une gamme de variation restreinte des paramètres étudiés. Références bibliographiques Abu-Hassanein S., Benson H. & Blotz R., Electrical resistivity of compacted clays. Journal of geotechnical engineering, 122, AFES, Référentiel Pédologique. Techniques et Pratiques, Paris, 332 p. Besson A., Cousin I., Samouëlian A., Boizard H. & Richard G., 24. Structural heterogeneity of the soil tilled layer as characterized by 2D electrical resistivity surveying. Soil and Tillage Research, 79, Dabas M., Duval O., Bruand A. & Verbèque B., Cartographie électrique en continu : Apport à la connaissance d une couverture de sol développée sur matériaux deltaïques. Etude et gestion des sols, 2 (4), Fukue M., Minato T., Horibe H. & Taya N., The micro-structures of clay given by resistivity measurements. Engineering geology, 54, Keller G.V. & Frischknecht F.C, Electrical methods in geophysical prospecting. Oxford, Pergamon Press, 517 p. 3

4 Michot D., 23. Intérêt de la géophysique de subsurface et de la télédétection multispectrale pour la cartographie des sols et le suivi de leur fonctionnement hydrique à l échelle intraparcellaire. Thèse de doctorat en Pédologie-Géophysique, Paris VI, Paris, 394 p. Mc Neal S.L., Oster I.D. & Hatcher I.T., 197. Calculation of electrical conductivity from solution composition data as an aid to in-situ estimation of soil salinity. Soil Sci., 11, Quétin P. & Gaillard H., Mesure des propriétés de rétention en eau sur des mottes. Fiche de protocole, INRA Science du Sol, Orléans, 2 p. Rhoades J.D., Raats P.A.C. & Prather R.J., Effect of liquid phase electrical conductivity, water content and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity. Soil Science Society American Journal, 4 (5), Zaidman M.D., Middleton R.T., West L.J. & Binley A.M., Geophysical investigation of unsaturated zone transport in the Chalk in Yorkshire. The Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 32 (2), Résistances en ohms Resis1 Resis2 Resis2-Resis Echantillons Figure 1 : Résistances en ohms des différents échantillons prises avant saturation (resis1), après saturation (resis2) et variation de résistances (resis2- resis1) en % de l état d origine resis1 Ohms T5 C T1 C T15 C % de variation Humidité volumique m 3.m -3,3,25,2,15,1,5, kPa -33kPa -1kPa -15kPa Echantillons Figure 2 : Humidités volumiques des échantillons sortis de presse KNO 3 g.l -1 3,47 3,12 2,78 2,43 2,8 1,74 1 Ohms 15 1,39 1,22 5 1,4,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, Concentration KNO 3 g.l -1 Figure 4 : Evolution des résistances en fonction de la concentration pour 3 températures 5, 1 et 15 C Figure 3 : Evolution des résistances en fonction de la température pour différentes concentrations en KNO T C,87,69,52,35,17 Horizon Prof. cm A % LF % LG % SF % SG % CaCO3 % IICk A: argile, LF: limon fin, LG: limon grosssier, SF: sable fin, SG: sable grossier (AFNOR X31-17) 4 Tableau 1 : Granulométrie obtenue après décarbonatation

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