Caractérisation hydrogéophysique d un aquifère poreux complexe à l aide des méthodes électriques et des diagraphies. Cas du site test de Kappelen

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1 Caractérisation hydrogéophysique d un aquifère poreux complexe à l aide des méthodes électriques et des diagraphies. Cas du site test de Kappelen Youcef HACINI, Laurent MARESCOT et Dominique-Marie CHAPELLIER Institut de géophysique, Université de Lausanne, CP 1, 1015 Lausanne, Suisse Abstract In this work, electric methods and logging were used at the site test of Kappelen. The purpose was to identify the various geolelectrical facies and to determine petrophysic and hydraulic characteristics of the aquifer. Using an optimized procedure of acquisition, 2D electrical tomography allows us to characterize structure of the aquifer. Introduction À l aide des méthodes électriques de surface et des diagraphies appliquées au site test de Kappelen, nous avons identifié les différents faciès géoélectriques, la structure de l aquifère et déterminé ses caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques. Site test de Kappelen Le site se trouve dans le Canton de Berne, près du village suisse de Kappelen. 16 forages se trouvent dans un secteur plat et boisé d environ 240 m 2. Epais de 15 m, l aquifère est constitué de graviers sableux reposant sur des limons argileux. Figure 1 : Situation du site test de Kappelen et emplacement des mesures 1

2 Mesures effectuées Sondage électrique L interprétation du sondage électrique, situé à proximité du forage K6.1 (Fig. 1), donne la succession de faciès géoélectriques suivante (Fig. 2) : 0.5 m de sol à 74 Ω.m ; 3.5 m de graviers sableux secs à 2450 Ω.m ; 11 m de graviers et sables saturés à 350 Ω.m ; 65 m de limons argileux à 100 Ω.m ; enfin, un terrain conducteur à 22 Ω.m. Figure 2 : Interprétation du sondage électrique et lithologies (Forages K3.1) Traîné électrique La carte de traîné AB 60 m (Fig. 3) montre que la résistivité de la zone prospectée varie de 350 à 650 Ω.m pour cette profondeur d investigation. Au sud est, les faibles valeurs semblent indiquer une remontée du toit du substratum limoneux. Par ailleurs, nous avons également mesuré la profondeur du niveau de la nappe (Tab. 1), et calculé son altitude (Fig. 3), ce qui nous donne les directions d écoulement. Forage NP (m) Forage NP (m) Forage NP (m) Forage NP (m) K K K K K K K K K K K K K K K K Tableau 1: Niveau de la nappe dans les forages du site test de Kappelen Figure 3 : Piézométrie et carte de résistivité apparente AB 60 m 2

3 Tomographie électrique 2D A l aide du logiciel Res2Dmod (Loke & Barker, 1996), nous avons simulé une acquisition en tomographie électrique 2D sur le modèle fourni par sondage électrique avec un dispositif Wenner-Schlumberger de 48 électrodes espacées de 3 m. Le logiciel Res2Dinv a été utilisé pour inverser les données synthétiques ainsi générées avec 5% de bruit aléatoire (Fig. 4). Figure 4 : Résultats de la modélisation 2D Le résultat présente un décalage vers le bas des deux interfaces, décalage plus prononcé pour le niveau de la nappe. Ce décalage est dû à la faible résolution en surface et à l équivalence ce qui peut poser un problème lors de l interprétation. Suite à cette modélisation, l emplacement du profil 2D (Fig.1) a été choisi en fonction des forages du site qui donnent des informations sur les profondeurs des interfaces à imager, à savoir la profondeur de la nappe et le toit des limons argileux. Afin d améliorer la résolution des mesures en surface, une série de petits profils, avec une interélectrode de 1 m, ont été ajoutés sur le grand profil de 3 m d inter-électrode. Avec cette nouvelle procédure d acquisition, la profondeur médiane d investigation minimale est réduite à 0.52 m (Edwards, 1977) avec 2 fois plus de points de mesures dans la zone vadose comparativement au dispositif à 3 m d inter-électrode. Caractéristiques Procédure classique Nombre de blocs du modèle Nombre de couches du modèle Nombre de points de mesures minimale Procédure optimisée Profondeur médiane d investigation maximale Tableau 2: Comparaison des procédures d acquisitions Le maillage du modèle et le nombre de cellules varient peu entre les deux procédures (Tab. 2) Les données de tomographie électriques 2D acquises avec les deux procédures d acquisitions ont été inversées à l aide du logiciel Res2Dinv selon les trois modes d inversion suivants : Smooth : Il s agit d avoir d une part, le minium de la somme des carrés (norme L2) des différences entre les résistivités apparentes mesurées et celles calculées et d autre part, le minimum de la somme des carrés (norme L2) des différences entre les résistivités de deux modèles successifs (entre l itération i et l itération i +1). Robuste uniquement sur le modèle : Il s agit d avoir le minimum de la somme des carrés (norme L2) des différences entre les résistivités apparentes mesurées et celles calculées d une part, et d autre part, un minimum de la somme des valeurs absolues (norme L1) des différences entre les résistivités de deux modèles issus d itérations successives (i et i+1). Robuste sur le modèle et les données : Ici, la norme L1 est utilisée à la fois pour les données et le modèle. Les résultats obtenus par la procédure d acquisition mélangeant les deux inter-électrodes sont, indépendamment du mode d inversion (Fig. 5), plus représentatifs de la réalité 3

4 hydrogéologique du terrain. Ce qui permet de rendre compte de la structure relativement horizontale et tabulaire de l aquifère sur le site de Kappelen (Fig. 6). Figure 5 : Résultats des tomographies électriques 2D sur le site de Kappelen Figure 6 : Interprétation du profil inversé de tomographie électrique 2D L interruption en profondeur au milieu du profil du substratum conducteur est un artéfact d inversion (perte de résolution en profondeur). Le sondage et les diagraphies électriques, montrent que les graviers et sables aquifères ont une résistivité électrique de l ordre de 350 Ω.m. Sur le profil inversé (Fig. 6), on considère cette formation comprise entre 150 et 1500 Ω.m en raison des contraintes d inversion qui imposent un lissage des résistivités (Loke & Barker, 1996). Diagraphies Les forages K1, K3, K6 et K9 sont alignés selon une direction nord ouest (Fig. 1), ce qui permet la comparaison des résultats entre ces forages. Les diagraphies électriques indiquent que les valeurs de résistivité, pour les sables et graviers aquifères, varient de 250 à 400 Ω.m (Fig. 7). Connaissant la résistivité moyenne ρ w de l eau d imbibition par diagraphies (28 Ω.m) et en utilisant la loi d Archie avec la formule d Humble, on obtient des valeurs de porosité totale qui varient de 22 à 29 % pour une telle variation de résistivité. Les outils nucléaires calibrés Gamma-gamma et Neutron-neutron (Baron et Chapellier, 2000) fournissent des valeurs de porosité totale et de densité globale (Fig. 8). La porosité varie entre 18 et 30 % pour des densités variant entre 2.20 et 2.40 g/cm 3. Les faibles valeurs fournies par le Gamma Ray (20 à 40 coups par seconde) sont représentatives des graviers et des sables dans cette région. 4

5 Figure 7 : Résultats des diagraphies électriques Figure 8 : Caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques à partir des diagraphies 5

6 À l aide des diagraphies du fluide, débitmètre thermique et technique de dilution (Hacini & Chapellier, 2004), nous avons calculé les vitesses de filtration horizontales dans les zones crépinées (Fig. 8). Les vitesses de filtration obtenues varient de à m/s. Les méthodes hydrogéologiques (essais de traçage) fournissent des valeurs de 1.6 à m/s pour les forages longs, et de 3.5 à m/s pour les forages courts (Kennedy et al., 2001). Les vitesses de filtration élevées au forage K 3.1 s expliquent par la convergence de l écoulement (Fig. 2). Conclusions La structure horizontale et tabulaire de l aquifère a été mise en évidence par la tomographie électrique 2D. L optimisation de la procédure d acquisition par addition de point de mesures en surface a permis d améliorer les résultats d inversion en terme de profondeur d interface. Les graviers et sables saturés présentent des résistivités électriques comparables entre sondage électrique (350 Ω.m) et diagraphies électriques (250 à 400 Ω.m) pour des porosités respectives de 28 et 22 à 29 %. Les porosités obtenues par diagraphies nucléaires leurs sont comparables, de 18 à 30 %, avec des densités de 2.20 à 2.40 g/cm 3 représentatives de ce type de lithologie. Les vitesses de filtration élevées au niveau du forage K 3.1 s expliquent par la convergence de l écoulement souterrain vers ce forage. Références Baron L. & Chapellier D., Calibration of environmental nuclear tools based on core sample analysis: root mean square and neural network approaches. European Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 4 (2), Edwards L.S., A modified pseudosection for resistivity and induced-polarization. Geophysics, 42, Hacini Y. & Chapellier D., Détermination des paramètres hydrauliques en forage à l aide des diagraphies du fluide. Cas du site test de Kappelen (BE), Suisse. Proceeding of 2 nd Swiss Geosciences Meeting. Lausanne, Suisse. Loke M.H & Barker R.D., Rapid left-squares inversion of apparent resistivity pseudosection by a quasi Newton method. Geophysical Prospecting, 44, Kennedy K., Müller I., Schnegg P.A., Rossi P. & Kozel R., Characterization of the Kappelen ground water site (BE), Switzerland, and preliminary bacteriophage and solute tracer component responses. Beiträge zur hydrogeologie, 52,