La prospection électrique par courant continu en mer

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1 La prospection électrique par courant continu en mer Richard LAGABRIELLE Ingénieur civil des Mines Service de physique Laboratoire central des Ponts et Chaussées La prospection électrique par courant continu n'est pas très souvent utilisée en site aquatique et particulièrement en mer. On peut trouver à ce fait plusieurs explications : RÉSUMÉ La prospection électrique par courant continu n'est pas souvent utilisée en mer. On montre que la méthode est efficace lorsque l'objet de la reconnaissance est la première couche sousmarine d'alluvions meubles. L'article aborde des aspects théoriques et pratiques du problème qui conduisent à conclure qu'il est préférable de traîner le dispositif au fond de l'eau. Deux exemples de reconnaissance sont présentés, ainsi qu'une technique originale d'interprétation. Les limites de la méthode sont discutées. MOTS CLÉS : Prospection - Électricité - Continu - Mer - Alluvion - Sédiment - Vase - Port - Granulat Sous l'eau - Résistivité (électr.). La première réside dans la qualité remarquable des résultats obtenus par la sismique réflexion en prospection pétrolière. Cependant, à y regarder de près, on s'aperçoit que les bons résultats sont presque toujours obtenus lorsque la profondeur est supérieure à plusieurs dizaines de mètres. Ils ne concernent pas en général la couche de sédiments meubles. Une autre raison provient du fait qu'on a le sentiment, en mer, que la masse d'eau salée peut agir comme un shunt pour le courant électrique et empêcher la pénétration de celui-ci dans le sous-sol marin. Or, le contraste entre les propriétés électriques du sous-sol intervient par l'intermédiaire du rapport des résistivités des différents matériaux. Les matériaux de la couche de sédiments meubles, au fond de la mer, ont une résistivité généralement inférieure à 10 fois celle de l'eau (typiquement 1,5 fois celle de l'eau pour des vases, 6 fois celle de l'eau pour les sables de Loire, etc.). Ce contraste permet une résolution acceptable. Lorsque se pose le problème de la reconnaissance de la couche de sédiments meubles qui forme le fond marin, une méthode de prospection électrique par courant continu peut être bien indiquée. 5 Bull, liaison Labo P. et Ch juil.-août Réf. 2922

2 Après des considérations théoriques, nous décrirons le matériel utilisé. Nous verrons quelles peuvent être les limites de la méthode. Nous rendrons compte d'une campagne de mesures en zone côtière au large de l'estuaire de la Gironde en montrant les résultats et en soulignant les problèmes d'interprétation rencontrés dans cette circonstance particulière. Puis nous décrirons une autre campagne en site portuaire en Bretagne en proposant une technique d'interprétation originale. tenir compte de ce fait. Cette définition a l'avantage de la simplicité; elle conduit, à la limite, aux mêmes valeurs de résistivité apparente que celles obtenues avec un dispositif de surface : si la profondeur de l'eau tend vers zéro (ou, ce qui est équivalent, si la longueur du dispositif tend vers l'infini), ou bien si la résistivité de l'eau tend vers l'infini, les résistivités apparentes calculées pour les deux configurations (dispositif en surface et dispositif au fond de l'eau) tendent vers les mêmes limites. Résistivité apparente pour un milieu tabulaire e THÉORIE Pour des raisons pratiques exposées dans le paragraphe suivant, aussi bien que théoriques que nous allons justifier ici, nous plaçons le dispositif de mesure au fond de l'eau (et non pas en surface). Le dispositif est à quatre électrodes : A et B par lesquelles on injecte et on récupère le courant /, M et JV entre lesquelles on mesure la différence de potentiel, V M V N, résultant de l'injection (fig. 1). Définition de la résistivité apparente Lorsque le dispositif est placé en surface, la définition de la résistivité apparente conduit à la formule : où k est le facteur géométrique. Lorsque le dispositif est placé au fond de l'eau, nous prendrons la formule (1) comme définition, k ayant la même valeur que si le dispositif était en surface. Pour un dispositif Wenner par exemple, k = 2na si a est le tiers de la longueur de ligne. Cette définition est moins banale qu'elle pourrait le paraître. Nous injectons en effet ici le courant à l'interface entre deux milieux conducteurs et là où apparaît le terme 2 n, dans le facteur géométrique du dispositif en surface, devrait apparaître 4TT. pour le dispositif immergé. Mais cela conduit à des complications inutiles et il vaut mieux conserver le même facteur géométrique. Naturellement, les modèles théoriques nécessaires à l'interprétation des résultats de mesures devront i T I 1 T Alluvions meubles_ I. I,Po _l, I, I i I i I I I i I I i I i I i I i I i I I bubstratum rocheux W. ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i ' i i i ; i ; i ; i i i i Fig. 1 Schéma du dispositif de mesure en mer. Pour un milieu tabulaire quelconque avec dispositif au fond de l'eau, nous avons donné ailleurs (Lagabrielle et Teilhaud, 1981) la formule permettant de calculer la résistivité apparente à partir de la résolution de l'équation de Laplace et de ses conditions aux limites qui sont légèrement différentes de celles qui existent lorsque le dispositif est en surface. Nous avons montré d'autre part (Lagabrielle, 1983), à partir de la considération de la résistivité apparente transformée, que le dispositif placé au fond de l'eau permettait une meilleure résolution pour les faibles longueurs de lignes lorsque l'on s'intéressait aux premières couches du sous-sol subaquatique et que les deux configurations étaient équivalentes pour les grandes longueurs de lignes, et cela quel que soit le type de dispositif utilisé (Wenner, Schlumberger, dipôledipôle, etc.). Si l'on travaille en mer et que la première couche est constituée de sédiments meubles de résistivité faible reposant sur un substratum isolant, ces remarques sont faciles à illustrer (la signification des notations est précisée fig. 1). Avec un dispositif Wenner, lorsque la longueur du dispositif est faible, la résistivité apparente tend vers : Pw+Pv Si la longueur du dispositif est grande, elle devient : 2Ln2 Pa=~ a a e (3) + Pw Pv C'est l'équation d'une droite de pente 1 en coordonnées bilogarithmiques. Elle coupe l'axe p = 1 au point d'abscisse : 1 r d e 1 a= + (4) 2Ln2 _p w p v _ Comme on le voit sur la formule (3), la résistivité apparente est la même, que le dispositif soit au fond ou en surface pour les grandes longueurs de lignes. D'autre part, si la profondeur d de l'eau tend vers zéro, la formule est équivalente à celle que l'on obtiendrait en absence d'eau. La formule (2) montre que les mesures obtenues avec de faibles longueurs de lignes contiennent de l'information sur la résistivité des sédiments meubles, ce qui ne serait pas le cas avec un dispositif en surface. 6

3 La figure 2 représente des courbes de sondage électrique théorique dans le cas d'un substratum moyennement résistant, les deux configurations étant comparées. Actuellement, nous employons donc du courant alternatif sinusoïdal de période 10 s, la mesure de la différence de potentiel se faisant au travers d'un filtre accordé en fréquence. Cette fréquence de 0,1 Hz est un compromis : il est nécessaire d'utiliser du courant alternatif, mais il faut qu'il soit de fréquence suffisamment basse pour que l'approximation du courant continu soit raisonnable, c'est-à-dire que la profondeur de peau I M i l l I I. i l i n i I I L 1 10 a Fig. 2 Comparaison des courbes de sondage électrique pour la configuration Wenner du fond de l'eau et en surface Équivalence pour les grandes longueurs de lignes. Meilleure résolution pour la configuration au fond de l'eau pour les courtes longueurs de lignes. MATÉRIEL DE PROSPECTION Type de dispositif Bien que cela ne soit pas absolument nécessaire, nous utilisons un dispositif de type Wenner pour plusieurs raisons pratiques. D'abord le dispositif comporte quatre électrodes à distance finie car le déplacement de l'ensemble en site aquatique est plus simple que si l'une des électrodes était rejetée à l'infini. Nous excluons ensuite le dispositif du type Schlumberger ou les différents dipôle-dipôle, car la différence de potentiel décroît rapidement avec la longueur de lignes, ce qui rend la mesure délicate. soit grande devant la taille du dispositif. A 0,1 Hz, p vaut 790 m dans de l'eau de mer de résistivité 0,25 Qm, ce qui exclut pratiquement les dispositifs Wenner de plus de 200 m de long. Cela constitue une importante limitation pratique de la méthode. On peut aussi envisager d'utiliser du courant continu alternativement positif et négatif en créneaux d'une durée d'environ cinq secondes chacun (fig. 3). Alors, la demi-somme des mesures obtenues à la fin de chaque alternance représente la valeur de la polarisation spontanée (PS), et la demi-différence représente la différence de potentiel (ddp) cherchée. Cette manière de faire est technologiquement plus simple que la précédente et se trouve bien adaptée à un appareillage utilisant un système d'acquisition numérique des données. Le prototype correspondant est actuellement en construction. + l 10 s t Avantage pratique du dispositif au fond de Peau On peut employer des électrodes et des câbles de connection de densité supérieure à 1 et s'affranchir de tout appareillage flottant. On répartit sur un câble multiconducteur les électrodes constituées de tubes de cuivre aux emplacements correspondant à la géométrie choisie. Cette «flûte» peut être traînée sur le fond, ce qui la maintient droite et assure la permanence de la géométrie. Le couplage électrique est assuré par l'eau, ce qui permet de traîner l'ensemble en continu et donne à l'enregistrement de la résistivité apparente le caractère de continuité qui est un avantage déterminant des méthodes géophysiques marines, alliant à la rapidité de la mise en œuvre la bonne résolution latérale de la méthode. Nature du courant électrique injecté Pour éviter la polarisation des électrodes et s'affranchir de la polarisation spontanée (PS), il est exclu d'injecter du courant continu. V + PS PS V+PS 10s Fig. 3 Allures du courant et potentiel lorsque l'on utilise, en mer, du courant continu alternativement positif et négatif. Sondage et traîné. Pratique de la mesure Avec le matériel existant pour lequel l'acquisition est analogique, nous employons donc un générateur de courant, un module de mesure de différence de potentiel et un module diviseur analogique qui réalise le rapport (V u V N )/I; ce signal est enregistré sur un enregistreur papier (fig. 4) qui se déroule pendant que le bateau se déplace. Simultanément, on mesure la profondeur de l'eau (avec un écho-sondeur) et sa t ' 7

4 résistivité (avec un dispositif Wenner de 32 cm de long immergé totalement). La position du bateau est aussi contrôlée en permanence. La flûte permet de réaliser des mesures simultanément sur deux longueurs de lignes qui sont dans un rapport 3. Pour cela, on applique le théorème de réciprocité : la flûte comporte six électrodes; les électrodes M' et N' sont les plus éloignées, les électrodes d'injection A et B sont telles que AB = M' N'/3 et les électrodes M et N telles que MN AB/3. Le courant est injecté entre A et B et on mesure simultanément V M. V N. et V M V N (fig. 1). Les deux résistivités apparentes correspondantes apparaissent sous forme graphique sur l'enregistreur. Si l'on désirait utiliser un plus grand nombre de longueurs de lignes de manière à réaliser des sondages électriques, il faudrait injecter le courant successivement dans plusieurs couples d'électrodes; cela n'est pas possible avec le courant sinusoïdal de fréquence 0,1 Hz, car il faut compter avec un temps de montée de l'électronique d'environ une minute. Cependant, lorsque nous utiliserons un courant en créneaux, en jouant toujours sur le théorème de réciprocité, nous pourrons aisément réaliser les mesures correspondant à sept ou huit longueurs de lignes en une minute en tout, ce qui ne représente un déplacement que d'environ 150 m pour un bateau qui file 5 nœuds. Limites de la méthode Cette méthode, nous l'avons dit, est indiquée lorsque l'objet de la reconnaissance est la couche de sédiments meubles du fond marin ou qu'il se trouve à l'intérieur de cette couche. Il est nécessaire qu'il existe des contrastes de résistivité, mais ici le contraste doit se trouver au niveau du contact sédiment-substratum et la méthode s'applique d'autant mieux que le contraste entre l'eau de mer et le sédiment est faible. Les longueurs de lignes peuvent être limitées dans les deux sens : pas de longueur supérieure à 200 m à cause du problème de la faible profondeur de pénétration du courant alternatif dans l'eau de mer. Pour utiliser des lignes plus longues, il faudrait employer des fréquences encore plus basses. Les longueurs de dispositifs ne doivent pas non plus être plus courtes que la longueur d'onde des variations de profondeur du fond marin, sinon l'hypothèse de tabularité n'est plus valable et aucune interprétation quantitative n'est plus possible pour les dispositifs très courts. RECONNAISSANCE D'UN GISEMENT DE GRAVES AU LARGE DE L'EMBOUCHURE DE LA GIRONDE Il s'agit de déterminer la limite d'un gisement de graves en mer au large de la Gironde entre la Pointe de Grave et l'île de Cordouan. Les graves reposent sur un substratum calcaire entre 10 et 25 m de profondeur. Environ 32 milles de profils de résistivité apparente ont été réalisés en continu dans la journée. Deux longueurs de lignes ont été utilisées simultanément avec une configuration Wenner : 207 m (a = 69 m) et 69 m (a = 23 m). La profondeur était mesurée en permanence et un système de navigation électromagnétique donnait la position du bateau en temps réel. Il s'agissait de notre première prospection réelle en mer, et si les mesures ont pu être réalisées sans difficulté, un certain nombre de problèmes non prévus ont empêché qu'une bonne interprétation quantitative puisse être obtenue. La mesure de la résistivité de l'eau de mer n'a pas été faite en continu, mais à intervalles réguliers et uniquement en surface; sa valeur a varié au cours du temps et dans l'espace entre 0,25 Qm (valeur habituelle) et 0,4 Qm, ce qui est très fort. Nous n'avons pas fait de profils verticaux de résistivité de l'eau de mer, alors que l'interprétation des enregistrements indique qu'on ne peut pas expliquer certains phénomènes sans supposer une variation locale importante de la résistivité de l'eau en profondeur. L'amplitude des variations de la résistivité apparente va de quelques ohm-mètres à 12fim. Les contrastes latéraux sont donc importants. Interprétation Les enregistrements peuvent être divisés en deux types, suivant leur allure (fig. 4) : ou bien les résistivités apparentes correspondant 8

5 aux deux longueurs de lignes varient lentement et dans le même sens, tandis que la profondeur d'eau ne présente pas de variations brutales, ou bien elles varient beaucoup, de manière plus ou moins indépendante. La profondeur d'eau varie ou non. Dans le premier cas, nous avons tenté une interprétation quantitative grossière en extrayant de l'ensemble des mesures la valeur de la conductance longitudinale (e/p v ) des alluvions (nous verrons le détail des calculs dans le paragraphe suivant). Le report sur la carte des résultats quantitatifs n'est pas possible partout. Cependant, deux zones très différentes apparaissent nettement séparées par une ligne E W (fig. 5); au nord de cette ligne, les valeurs de e/p v sont supérieures à 20 Q~ 1, au sud, elles sont inférieures à 20Q~ K Nous interprétons ces deux zones de la manière suivante : au nord, les alluvions sont suffisamment épaisses pour que les mesures électriques soient affectées, au sud, elles sont peu épaisses ou absentes. Dans le cas où l'allure des profils est très complexe, nous renonçons à toute interprétation quantitative et ne reportons aucune valeur sur la carte. (On serait amené à reporter des valeurs de e/p v négatives, ce qui n'a aucun sens.) Les anomalies restent cependant localisées. On ne peut les expliquer qu'en invoquant des hétérogénéités locales dans les graves ou dans la masse d'eau. Cependant, on en retrouve dans les deux zones ci-dessus délimitées. Une explication commune est à rechercher dans la masse d'eau, laquelle peut avoir deux causes d'hétérogénéité : la proximité de la Gironde et les battements de marées impliquent des mélanges d'eau douce à l'eau salée; cela donne des hétérogénéités de grande extension qui perturbent l'interprétation quantitative des mesures mais ne donnent pas d'anomalies locales dans les enregistrements. D'autre part, le substratum calcaire est le réservoir d'une nappe d'eau douce dont les points bas se trouvent en mer : il y a donc vraisemblablement d'importantes sources d'eau douce (dont la résistivité vaut typiquement une trentaine de ohm-mètres) qui rendent l'eau profils non interprétés elp v < 10 fi" 1 10 < e/p v < 20 tt' 20 < elp v < 30 il' 1 e/p > 30 sr 1 V limite présumée des graves Prélèvements à la benne O ayant rencontré le substratum ayant trouvé des alluvions 1 km Fig. 5 Interprétation des profils de résistivités sur le Platin-de-Grave.

6 de mer localement plus résistante et donnent aux enregistrements cette allure complexe avec des résistivités apparentes anormalement fortes (jusqu'à 12 Qm). Prélèvement d'échantillons A la suite de cette campagne de mesures et de son interprétation, 35 échantillons répartis sur l'ensemble du territoire prospecté ont été prélevés à la benne. Les résultats ci-dessus ont ainsi été confirmés et affinés. Les sept premiers échantillons prélevés dans la partie sud ont tous montré que le substratum calcaire était affleurant et que les graves étaient pratiquement inexistantes. Ensuite, les échantillons 8 à 14, alignés sur un profil E W à 400 m au sud de la limite définie par l'interprétation des mesures de résistivité, donnent des sables, des galets calcaires et un peu de graves. Les échantillons suivants, tous dans la zone au nord de la limite, donnent tous des sables ou de belles graves. Comparaison avec la sismique réflexion Dans cette région, deux campagnes de sismique réflexion avaient été effectuées auparavant. Elles donnaient des résultats différents. Aucune des deux n'avait permis de trouver la limite déterminée par la prospection électrique, et l'interprétation des coupetemps donnait des alluvions meubles avec leur épaisseur sur l'ensemble du territoire prospecté. Cet échec est, à notre avis, dû à deux causes; la faible profondeur de l'eau implique des réflexions multiples de forte amplitude qui masquent les réflexions sur le substratum; les hautes fréquences sismiques nécessaires à une bonne résolution ne pénètrent pas les sables ou les graves qui sont des matériaux sans cohésion et à granularité grossière. RECONNAISSANCE DU FOND VASEUX DANS UNE ZONE PORTUAIRE Interprétation quantitative La formule (3) peut se réécrire : e h. a + =2Ln2 (5) P Pw Pa soit : e^=p w -2Ln2-fr (6) Pu Pa et en posant : h t = e ^ = -; a=^ (7) P «Pw h e = p w -2Ln2-h (8) Pa Dans cette formule, le deuxième membre est entièrement connu; nous appelons donc h e l'épaisseur équivalente des alluvions; c'est une grandeur objective que l'on peut extraire des mesures, dès lors que la longueur de ligne est grande et que la tabulante est assurée. C'est l'épaisseur qu'aurait la couche conductrice si sa résistivité était égale à celle de l'eau; elle s'exprime en mètres d'eau. Lorsqu'on l'a calculée, on peut éventuellement en tirer l'épaisseur vraie e de la couche conductrice si l'on connaît le rapport a de sa résistivité à celle de l'eau. Pour connaître a, trois moyens au moins sont à notre disposition; la mesure directe de p à partir d'un dispositif court et en appliquant la formule (2), la réalisation de sondages électriques complets que l'on interprète, l'interprétation des résultats de sondages mécaniques. Ceux-ci fournissent en effet e aux endroits où l'on connaît h e ; le report sur un graphique de e en fonction de h e doit donner une droite dont la pente est la valeur a recherchée (formule 7). C'est cette dernière technique que nous avons appliquée à Loctudy, mettant à profit les forages réalisés à l'aplomb du futur quai pour l'étude de ses fondations (fig. 6). Dans le port de pêche de Loctudy en Bretagne, une zone est découverte à marée basse, tandis que l'autre est navigable à toute heure. Les travaux d'agrandissement du port en eau profonde nécessitent soit le dragage du sable ou de la vase, soit du déroctage. Il s'agit donc de déterminer l'épaisseur des alluvions meubles conductrices qui reposent sur un substratum cristallin isolant. Fig. 6 Graphique permettant de calculer le rapport <x = p v /p { Les croix représentent les résultats de sondage mécanique. Pour cela, nous avons travaillé à marée haute (la profondeur a varié entre 1 et 5 m) avec une flûte comportant deux longueurs de lignes en configuration Wenner : 72 m (a = 24 m) et 24 m (a = 8 m). La profondeur d'eau a été mesurée grâce à l'échelle des marées et à une carte topographique très précise du fond. Le contrôle de la position du bateau a été obtenu par des repères fichés dans le fond et à des alignements à terre. La mesure de la résistivité de l'eau a donné un résultat remarquablement constant en surface et en profondeur : 0,25 Qm partout. 10

7 g m de tabulante est donc légitime. Nous avons alors utilisé la technique du paragraphe précédent pour tracer la carte des épaisseurs équivalentes (fig. 7) et calculer le rapport a (fig. 6). La pente de la droite définie sur ce graphique vaut 1,63, ce qui signifie que les vases ont une résistivité moyenne d'environ 0,4 Qm, valeur très faible, favorable à cette technique de prospection. La dispersion des points autour de la droite s'explique par l'hétérogénéité relative des alluvions qui sont plus ou moins vaseuses ou sableuses. CONCLUSION La méthode de prospection électrique par courant continu en mer est donc efficace pour reconnaître ou prospecter la première couche d'alluvions meubles sur le fond marin. La profondeur de l'eau doit être inférieure à 20 m, la résistivité des alluvions aussi peu éloignée que possible de celle de l'eau. HHl h e>4m 1,5he<2m WMK 3<h e<4m [23 1<h e<1.5m WÏÏA 2<h e<3m YZH M l - La réalisation d'un nouveau matériel, permettant d'effectuer des mesures avec sept ou huit longueurs de lignes simultanément tout en mesurant la PS, devrait conduire à un développement de cette méthode. L'acquisition numérique des données et l'utilisation d'un micro-ordinateur devraient rendre possible l'interprétation immédiate en termes d'épaisseur équivalente telle qu'elle a été définie dans cet article. Fig. 7 Port de Loctudy. Carte des épaisseurs équivalentes he. Pour passer aux épaisseurs vraies, il suffit de multiplier he par a = 1,63. La structure en traits fins représente l'emplacement du futur quai. Résultats Environ 6 ha ont été couverts en 1 h 20 au moyen de huit profils parallèles. Les résistivités apparentes pour a=8m varient entre 0,4 et 2fim et entre 1 et 4fim pour a = 24 m. Presque partout, le rapport entre les résistivités apparentes pour les deux longueurs de lignes est égal ou légèrement inférieur à 3. L'hypothèse RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES LAGABRIELLE R., TEILHAUD S., Prospection de gisements alluvionnaires en site aquatique par profils continus de résistivité au fond de l'eau, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 114, juil.-août 1981, p LAGABRIELLE R., The effect of water on direct current resistivity measurement from the sea, river or lake floor, Geoexploration, 21, 1983, p Cet article reproduit le texte de la communication présentée par l'auteur au 2' séminaire international sur les ressources sous-marines, organisé par l'association GERMINAL (Groupe d'étude et de recherche sur les minéralisations au large) à Brest du 19 au 23 mars