PRINCIPES ET METHODE DE LA PROSPECTION A RESONNANCE MAGNETIQUE (MRS)

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1 1 Géologie, géotechnique, risques naturels, hydrogéologie, environnement et services scientifico-techniques PRINCIPES ET METHODE DE LA PROSPECTION A RESONNANCE MAGNETIQUE (MRS) INTRODUCTION ET EQUIPE DE MESURES PRINCIPE PHYSIQUE DE LA METHODE TESTS PRELIMINAIRES A L EXECUTION D UN MRS EXECUTION D UN SONDAGE A RESONNANCE MAGNETIQUE INFORMATION OBTENUE ET QUALITE DE CELLE-CI Dirigé par: Valentí TURU i MICHELS Av. Príncep Benlloch Ed. Interceus, despatx 47 Andorre la Vieille AD Principauté d Andorre Tel et fax: igeotest@myp.ad

2 PROSPECTION A RESONNANCE MAGNETIQUE Traduction de Romain Roger Roch GIL, Ingénieur géologue de l'école nationale supérieure de géologie (Nancy) A.5 Information obtenue et qualité de celle-ci A.5.1 Information obtenue lors d un signal MRS 2 La teneur en eau (porosité) est proportionnelle à l amplitude du signal, ce qui permet de faire une estimation du pourcentage de l eau en profondeur. La constante de temps d abattement du signal permet de calculer la mesure des pores du milieu (perméabilité) Paramètre mesuré Amplitude du signal Eo Temps de décroissance T 2 * Phase du signal φ o Moment d impulsion q Paramètre hydrologique Teneur en eau (porosité) Taille des pores (perméabilité) Résistivité de la roche Profondeur d investigation Figure 14: Fenêtre d acquisition des données d un registre de Numis Lite TM, entre zéro et t 1, registre du bruit entre t 1 et t 2 impulsion d intensité électrique qui est fonction de la profondeur à atteindre, t 2 -t 4 temps mort, t 4 -t 5 signal MRS : La décroissance du signal de relaxation (temps t 4 -t 5 ) de l excitation des protons se produit quand on arrête l injection du courant au niveau de l antenne, selon la relation harmonique suivante : E = E e (-t / T2*) Sen (2πφ t + ϕ )

3 3 Où T 2 * est la constante de temps de décroissance et ϕ le déphasage entre le courant d excitation et la relaxation du voltage mesuré au niveau de l antenne (chute d impulsion). T 2 * est de l ordre de quelques dizaines de millisecondes pour l argile saturée en eau et de l ordre de quelques centaines de millisecondes pour l eau libre. Le sondage à résonnance magnétique peut être effectué avec une impulsion simple ou avec une double impulsion, en obtenant les valeurs respectives de T 2 * et T 1. T 1 correspond à la composante longitudinale du temps de relaxation (Td), tandis que T 2 * est la composante transversale. La valeur la moins influencée par les instabilités magnétiques est T 1 (Plata & Rubio, 27, page 453). D autre part, E correspond à l expression de la relaxation du voltage mesuré en surface, juste après que l excitation du courant ait été fermée. Où: M Est le moment magnétique des molécules d eau f(r) Est la teneur en eau. q Est le moment d impulsion (intensité x durée) H(r) Est la composante d excitation perpendiculaire au champ magnétique terrestre par unité de courant (I = 1A)

4 4 La valeur initiale de E est fonction du volume effectif d investigation (taille et forme de l antenne, moment actuel d impulsion, magnitude et inclinaison du champ magnétique terrestre et conductivité du sous-sol). Donc la valeur initiale de E est directement proportionnelle à la teneur en eau in situ, q MRS, du volume étudié. Les protons plus distants génèrent un signal plus faible, réduit d un facteur 3 S (surface), bien qu en pratique la relation soit plus proche de 1.5 S, en tenant compte d un modèle stratifié. Antena Tx / Rx Figura 15: Le volume de protons impliqués dans le signal est fonction de l influence d un volume trapézoïdal (rectangle ou carré) ou conique tronqué (cercle). La profondeur d investigation dépend fondamentalement de la surface de l antenne et du moment d impulsion (intensité du courant). A partir de données du signal MRS, on peut obtenir les paramètres hydro géologiques suivants: T MRS = C T i=1 (Δz MRsi Θ MRsi T 2 di) Les valeurs du coefficient C T dépendent de la variable de relaxation utilisée. Litologia C T en funció de T 2 * C T en funció de T 1 * Granits 1,1 X 1-8 1,3 X 1-9 Sorres 2, X 1-8 4,9 X 1-9 Carbonats 62 X 1-8 3,5 * 1-8 CONSTANT DE TEMPS T 2 * (ms) 1 MIDA DELS PORUS Comme référence, nous disposons des temps suivants de relâchement du signal pour estimer la perméabilité du terrain (aigua lliure) llac, riu grava Sorra grollera Sorra mitja Sorra fina argile (aigua lligada) PERMEABILITAT FORTA MITJANA FEBLE

5 A.5.2 Qualité du signal MRS 5 D après Legchenko (27), le signal MRS détecte normalement l eau des aquifères contenus dans des roches non magnétiques, ce qui est majoritairement le cas en Andorre. Le signal de résonnance magnétique peut varier de à 4nV. Sous les latitudes européennes, il varie entre à nv, mais dans le cas des roches ignées il ne s étale qu entre et 15nV. La limite de détection de l appareil NUMIS LITE TM en utilisant le processus de stacking peut atteindre les 5nV. Ceci laisse à penser qu une limite raisonnable pour la détection d eau est de 1nV. Ce même auteur propose que, pour estimer la qualité d un signal MRS, on peut tenir compte des paramètres suivants: 1) Le bruit externe EM, après avoir effectué le processus de stacking et celui de filtrage, est comparé avec ce threshold instrumental de 5nV. Quand le signal du MRS est plus bas alors le processus de stacking doit être effectué jusqu à ce que : EN (external noise) / IN (internal noise) 1 Si EN / IN 1 llavors el sondatge pot ser considerat com de bona qualitat, encara què no s hagi detectat cap senyal. 2) La relation signal / bruit (S/N) est acceptable quand: S / N > 2 On peut alors effectuer une interprétation quantitative du signal MRS moyennant le processus d inversion, et on obtient une information valide des aquifères prospectés. Quand la relation S/N > 2, alors il n est pas nécessaire que EN /IN 1, puisqu on considère que l amplitude du signal est supérieure à celle du bruit et que l on a détecté de l eau. 3) Quand EN/IN > 1 et S/N 1 le sondage MRS ne peut être considéré comme de bonne qualité. Dans ce cas on peut uniquement obtenir des conclusions qualitatives des données de l amplitude, celle-ci étant inférieure au bruit EM détecté. Néanmoins, l inversion des signaux MRS avec S/N 1 peut donner une information qualitative sur le maximum d eau possible. Ces conclusions qualitatives nous permettent de déterminer la limite supérieure d eau, mais ne peut garantir l existence d eau.

6 6 Une fois que les données MRS sont obtenues et validées, il faut tenir compte des considérations suivantes: 1) Après avoir effectué le stacking, il faut que la courbe soit au-dessus du niveau du bruit et observer la présence d une décroissance pour chaque impulsion (q) Cabal = 7 m 3 /h Pou sec Senyal 35 Amplitut (nv) Soroll senyal i soroll Temps (ms) Temps (ms) Figure 16: Deux signaux MRS, l un avec présence d eau et l autre sans. 2) La fréquence de Larmor doit avoir une variation minimale, de peu d Hertz et doit ressortir du bruit. Figure 17: On observe clairement un signal MRS (en bleu) au-dessus du bruit (en noir)

7 7 3) La chute de tension des moments d impulsion ne doit pas être inférieure à 2% Si, lorsqu on a effectué le processus de stacking, on ne détecte pas de signal MRS cela peut être dû à: a) La fréquence d excitation qui s éloigne de plus de 5Hz de celle de Larmor. b) Le bruit EM est très élevé, par rapport à l amplitude du MRS par nombre de stacks utilisés (nombre bas de stacks). Il faut tenir compte que la meilleure partie du signal par rapport au bruit conserve une relation de type puissance au cours du stacking ( n ), pour laquelle dans certains cas il faudra de nombreuses heures pour atteindre un bon contrôle nv AMPLITUD MRS AMPLITUD DEL SOROLL MITJA DESPRÈS DE 4 ACUMULACIONS temps nv MITJA DESPRÈS DE 16 ACUMULACIONS temps nv MITJA DESPRÈS DE 64 ACUMULACIONS temps 1ms 2ms Figure 18: Effet de l amplification du signal avec la technique de stacking

8 8 c) La détection MRS ne permet pas de mettre en évidence un signal d eau. Etant donné que le signal MRS oscille avec la fréquence de Larmor, laquelle est fonction de la magnitude du champ magnétique, le signal doit avoir la même fréquence que celle de l impulsion (q). Etant donné que le bruit électromagnétique (naturel et/ou artificiel) oscille avec une fréquence aléatoire, si on n a pas détecté d eau, la fréquence mesurée (celle du bruit) sera elle aussi aléatoire.