Méthode de sondage par. la Résonance Magnétique Protonique

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1 Méthde de sndage par la Résnance Magnétique Prtnique LA RESONNANCE MAGNETIQUE PROTONIQUE (RMP) Les méthdes géphysiques traditinnelles d'explratin se fndent sur l'analyse d'anmalies de structures u de paramètres physiques qui ne snt pas nécessairement liés de façn unique à la présence u à l'absence d'eau dans le milieu étudié. Ainsi, par exemple, la cnductivité électrique (inverse de la résistivité) des rches est prprtinnelle à la cnductivité électrique du fluide cntenu et à une certaine puissance de la prsité (Archie, 194), mais elle dépend également largement de la cmpsitin minéralgique et en particulier de la teneur en argile. Cntrairement à ces méthdes géphysiques, l'infrmatin déduite par résnance magnétique prtnique (RMP) est directement liée à l'eau cntenue dans le sus-sl Principe de la méthde Schématiquement le principe physique de la RMP repse sur le fait que les prtns qui cnstituent les nyaux d'hydrgène des mlécules d'eau, placés dans un champ magnétique B (tel que le champ magnétique terrestre), pssèdent des mments magnétiques nn nul qui, à l'équilibre, snt alignés dans la directin de ce champ principal B (Figure 1). L'émissin d'un champ magnétique perturbateur à une fréquence spécifique (dite fréquence de Larmr) mdifie cet état d'équilibre et prvque une précessin de des mments magnétiques autur de la directin du champ magnétique initial. Après cupure du champ excitateur, au curs du retur à l'état d'équilibre, un champ magnétique de relaxatin est émis par les prtns, cnstituant ainsi la répnse RMP. L'amplitude de ce champ est d'autant plus intense que le nmbre de prtns entrés en résnance est grand, et dnc que la teneur en eau est imprtante. La fréquence spécifique à laquelle les prtns snt excités est caractéristique de l'atme d'hydrgène et assure ainsi que la méthde est sélective. La très grande majrité des nyaux d'hydrgène présents dans le prche sus-sl snt ceux des mlécules d'eau. Ceci implique que la méthde RMP renseigne spécifiquement et directement sur la présence u l'absence d'eau dans le milieu étudié ainsi que sur les caractéristiques hydrdynamiques du milieu. 1

2 Figure 1 Principe de mesure RMP Sur le terrain, une bucle (câble électrique) est psée sur le sl et n envie dans le sus-sl des ndes électrmagnétiques. Ces ndes traversent les terrains. Les mlécules d eau présentes dans les terrains absrbent l énergie de la fréquence émise et renvient un signal vers l antenne. Figure 3 Dispsitif RMP sur le site de mesure Les temps de relaxatin du signal RMP snt prprtinnels au rapprt du vlume de pres sur leurs surfaces (V/S). En RMP, il y a tris cnstantes de temps de relaxatin : T 1, T et La cnstante de temps de relaxatin lngitudinale, T 1 caractérise la relatin entre les prtns et leur envirnnement (spin-lattice relaxatin time). Sa valeur reflète cmment l énergie magnétique des prtns est échangée avec sn envirnnement. Des valeurs élevées de T 1 T *.

3 crrespndent à un faible cuplage et un retur lent à l équilibre. Des valeurs faibles de T 1 indiquent un cuplage frt et un rapide retur à l équilibre. La cnstante de temps de relaxatin transversale, T caractérise les échanges d énergie entre les prtns (spin-spin relaxatin time) qui se manifestent dans un plan rthgnal à la directin du champ B alrs que T 1 crrespnd à la relaxatin lngitudinale, le lng du champ B. Dans un champ magnétique nn parfaitement hmgène, les prtns subissent un déphasage qui diminue le temps de relaxatin transversale qui est alrs défini par une cnstante T *.Ces phénmènes de relaxatin snt liés à la taille myenne des pres cntenant les mlécules d eau. Dans différents envirnnements gélgiques impliquant différentes cnditins de susceptibilité magnétique et de champ magnétique rémanent, l effet de l inhmgénéité du champ magnétique est différent. Ainsi, l amplitude su signal RMP mesurée en fnctin de l intensité du champ transmis nus renseigne sur la teneur en eau dans le sus-sl et sur la prfndeur et l épaisseur de la nappe ; les temps de relaxatin nus renseignent sur la taille myenne de pres dans la nappe L équipement «NUMIS» L'équipement NUMIS se cmpse d'un générateur de curant alternatif, une unité réceptrice, un détecteur de signal RMP, une antenne et un micrprcesseur (Figure 4). PC Détecteur Récepteur Micrprcesseur Fréquence de Larmr Générateur Cmmutateur Antenne Figure 4 Schéma fnctinnel du dispsitif instrumental Le micrprcesseur pilte la cmmutatin de l'antenne du mde émissin au mde réceptin. Il cntrôle également la génératin de la fréquence de référence égale à la fréquence de Larmr. Une envelppe du signal prvenant du détecteur synchrne est enregistrée par le 3

4 micrprcesseur sus frme digitale sur une durée prgrammable de secndes au maximum. Un PC prtable est utilisé pur le stckage sur disque et le traitement des dnnées. Le pids ttal de l'ensemble est d'envirn 150 kg (Figure 5). Figure 5 Equipement de Résnance Magnétique Prtnique NUMIS PLUS sur le site Le sndage RMP Pur réaliser un sndage RMP, une antenne est déplyée sur le sl, généralement seln un cercle u un carré ayant un diamètre cmpris entre 0 et 10 m, seln la prfndeur des cuches aquifères que l'n désire investiguer. Différentes gémétries d'antennes snt prévues dans le lgiciel d'acquisitin de NUMIS, en particulier, l'antenne peut être déplyée sus la frme d'un chiffre «huit» afin d'amélirer le rapprt signal/bruit (Trushkin et al., 1994). Une impulsin i(t) d'un curant alternatif est émise dans la bucle i( t) = I cs( ω t), < t τ Équatin 1 0 I et τ caractérisent respectivement l'amplitude et la durée de l'impulsin. La fréquence du curant émis ω dit être aussi prche que pssible de la fréquence de Larmr, caractéristique des prtns placés dans le champ gémagnétique f = γ π avec H 0 H l'amplitude du champ gémagnétique et γ le facteur gyrmagnétique des prtns (cnstante 4

5 physique caractéristique). La valeur de cette fréquence est déduite de l'amplitude du champ gémagnétique mesuré avec un magnétmètre à prtn. Le champ magnétique scillant généré par l impulsin de curant entraîne une précessin des prtns autur du champ gémagnétique. Cette précessin crée à sn tur un champ magnétique alternatif qui est détecté après cupure de l'injectin de curant. En pratique, l'enregistrement de la répnse RMP n'est pssible qu'après un délai instrumental (dit «temps mrt») de 40 ms dans le cas de la versin actuelle de NUMIS. Le prcessus d'acquisitin d'une mesure est schématisé sur la 6. pulse i ( t )= I cs(ω t ) bruit signal R M P * ( t / T ) ( ω t + ϕ ) e( t) = e exp sin "temps mrt" Figure 6 Schéma en fnctin du temps d une séquence émissin/réceptin En scillant à la fréquence de Larmr, le signal RMP e(, tq) décrit une envelppe de frme expnentielle décrissante qui dépend du paramètre d'excitatin (aussi appelé pulse) q = I τ e t, q) = e ( q) exp( t / T * ) cs( ω t + ϕ ) Équatin ( avec e (q) l'amplitude initiale RMP, T * le temps de relaxatin spin-spin, et ϕ la phase du signal RMP. L augmentatin du paramètre q permet d augmenter le vlume investigué et un ensemble de mesure e ( t, q) pur des q crissants cnstitue un sndage RMP en prfndeur. Pur la mesure de T une adaptatin technique d «inversin recvery» (Farrar et al., 1971) 1 a été dévelppée. En injectant deux impulsins cnsécutives au lieu d une seule et en 5

6 mesurant la répnse RMP après chaque impulsin, il est pssible de déduire la cnstante de relaxatin T à partir de la différence de répnse entre FID1 et FID (Figure 7) tel que : 1 e FID e FID1 t = 1 exp T1 Équatin 3 avec e FID1 et e FID l amplitude à l rigine des signaux FID1 et FID et t le délai séparant les deux pulses. Les paramètres e (q), T * ( q) et ϕ (q) snt les paramètres significatifs qui renseignent sur l eau cntenue dans le sus-sl. Pulse P1 Pulse P bruit Signal FID1 Signal FID Délai t Figure 7 Schéma en fnctin du temps d une séquence émissin/réceptin à deux pulses pur la mesure de T 1 Les valeurs d'amplitudes peuvent varier de quelques dizaines de nanvlts à quelques micrvlts suivant la teneur en eau du milieu cnsidéré. Le seuil de détectabilité de NUMIS se situe à envirn 4 nv. Différents facteurs peuvent influencer l'amplitude des signaux RMP tels que par exemple, la magnitude et l'inclinaisn du champ gémagnétique, la cnductivité électrique des terrains, la taille et la gémétrie de l'antenne utilisée (Legchenk et al., 1997). Le vlume investigué lrs d'un sndage est défini cmme un cylindre vertical de diamètre égal à envirn 1,5 fis le diamètre de la bucle, centré sur celle-ci et de hauteur égale à ce diamètre. La prfndeur d'investigatin maximale de l appareil NUMIS PLUS, en l'absence de terrains cnducteurs, est de l'rdre de 10 m. La prfndeur d'investigatin est sensiblement diminuée lrsque la cnductivité des terrains augmente et de manière significative pur des 6

7 résistivités inférieures à 10 hm.m. La durée de réalisatin d'un sndage RMP est d'envirn deux heures dans des cnditins favrables de bruits électrmagnétiques parasites d'rigine naturelle u anthrpique Interprétatin des dnnées Les algrithmes d'inversin des paramètres RMP snt décrits dans Legchenk et al. (1998). Ainsi un signal RMP nn-nul est directement lié à la présence d'eau dans le sus-sl. De plus, des infrmatins cmplémentaires peuvent être btenues à partir des curbes brutes enregistrées : - l'inversin des dnnées e (q) furnit la prfndeur, l'épaisseur et la teneur en eau de chaque cuche saturée en eau. La teneur en eau furnie par RMP peut être définie telle que ci-après. Pur un vlume d'investigatin V, sit V W le vlume rempli d'eau et V R le vlume de rche (V = V + V ). Le vlume Vw peut être divisé en deux parties : l'eau sumise à un champ W R magnétique hmgène et appelée eau librev free et l'eau sumise à un champ magnétique inhmgène, appelée eau liée ; ainsi V W = V free + V bund. Cmme les très curts signaux crrespndant à l'eau liée ne peuvent pas être mesurés par les équipements RMP dispnibles aujurd'hui, la teneur en eau RMP, w RMP est la part du vlume investigué ccupé par l'eau libre telle que w = V V. Les deux cas limites snt w = 0 pur une rche sèche RMP free / RMP et w =100 % pur l'eau d'un lac ; RMP - les cnstantes de temps de relaxatin T * ( q) et T ( ) snt reliées à la distance myenne entre une mlécule d eau et la phase slide (Shirv et al., 1991 ; Chang, et al., 1997 ; Kenyn, 1997). Dans la zne saturée, ces cnstantes dépendent dnc de la taille myenne des pres des frmatins aquifères. Dans la zne nn saturée, elles snt liées à la saturatin. - la phase ϕ (q ) est liée à la distributin des cnductivités électriques du sus-sl, les harmniques du pulse, et le décalage en fréquence. Pur une estimatin précise des prfndeurs des différents aquifères, cette infrmatin dit être prise en cmpte lrs de l'étape d'inversin des dnnées RMP, quand les résistivités snt inférieures à 50 hm-m. Le prblème inverse des sndages RMP est mal cnditinné. Il n'a pas de slutin unique. La capacité de réslutin de la méthde est discutée par Legchenk et Shushakv (1998). 1 q 7

8 La mesure des caractéristiques de relaxatin du signal RMP ( T * ( q) et T ( ) ), rend pssible l'estimatin les paramètres hydrdynamiques des aquifères. 1 q En référence à l'expérience acquise en diagraphies de Résnance Magnétique Nucléaire (Chang et al., 1997; Kenyn et al., 1997), la perméabilité peut être reliée aux paramètres RMP en utilisant la relatin empirique : a b K RMP = C wrmp T1 Équatin 4 ù K RMP est la perméabilité, w RMP est la teneur en eau, T 1 est la cnstante de temps de décrissance, C et a, b snt des cnstantes définies empiriquement. En diagraphies RMN, différentes valeurs a, b snt utilisées. Sur la base de mesures réalisées avec l'équipement NUMIS au drit de frages de caractéristiques hydrgélgiques cnnues, les valeurs a=1, b= nt été retenues. Pur des rches différentes, les cnstantes empiriques divent être mdifiées et des relatins mieux adaptées peuvent être définies. La qualité de la relatin empirique dépend alrs de la qualité de la calibratin. La définitin des paramètres empiriques adaptés aux différents envirnnements est un travail de lngue haleine. Sans calibratin, NUMIS peut être utilisé efficacement pur définir les perméabilités des aquifères en valeurs relatives. Sus l hypthèse d une distributin tabulaire de l eau dans le sus-sl, l'inversin des dnnées RMP mesurées avec l'équipement NUMIS prduit les résultats suivants : 1) distributin verticale de la teneur en eau, ) distributin verticale du temps de décrissance * T, 3) distributin verticale du temps de décrissance T 1, 4) distributin verticale de la perméabilité K, Un exemple de la cmparaisn des résultats RMP avec des dnnées de frage et d'essais de pmpage est présenté sur la Figure. 8

9 Figure Exemple de résultats RMP Présentatin des résultats d un sndage après inversin Il n y a pas actuellement de frme fixe pur afficher les résultats RMP et le lgiciel d inversin permet de cnfigurer le cntenu des feuilles de résultats seln chaque pérateur. En annexe de ce rapprt les résultats snt présentés cmme sur la Figure 3. En tête de la feuille, n truve des infrmatins utiles sur le sndage (site, date, paramètres d inversin etc.). Les résultats graphiques snt : 1) les signaux RMP e(, tq) enregistrés pur chaque valeur du paramètre d'excitatin («pulse parameter» en anglais) en fnctin du temps ; ) l amplitude initiale du signal RMP FID1 et FID en fnctin du paramètre d'excitatin ; 3) les amplitudes myennes du signal RMP (FID1 et FID) et du bruit en fnctin du paramètre d'excitatin ; 4) le temps de relaxatin T * ( q) en fnctin du paramètre d'excitatin ; 5) le temps de relaxatin T ( ) en fnctin du paramètre d'excitatin ; 1 q 9

10 6) la fréquence du signal RMP en fnctin du paramètre d'excitatin ; 7) la phase du signal RMP en fnctin du paramètre d'excitatin ; 8) distributin verticale de la teneur en eau w RMP et du temps de relaxatin T 1 ; 9) distributin verticale du temps de relaxatin * T. 10

11 Site: yulua Lp: Date: Time: 15:4 NUMIS data set: C:\RMP\Niger\Interprétatin\inversin_aut40\Yulua\YOULOUA.inp matrix: C:\RMP\Niger\Matrix\Nuvelles\yulua.mrm lp: eight square, side = 75.0 m gemagnetic field: inclinatin= 5 degr, magnitude= nt filtering windw = ms time cnstant = ms average S/N = 8.0; EN/IN =.4 fitting errr: FID1 = 4.93%; FID = % param. f regular.: E,T* = 100.0; T1* = permeability cnstant Cp = 5.00e-09 Figure 3 - Exemple de résultats d inversin autmatique 11

12 Bibligraphie Archie G. E. (194) - The electrical cnductivity lg as an aid in determining sme reservir characteristics. Transactin f the Sciety f Petrleum Engineers f the American Institute f Mining. Metallurgical and Petrleum Engineers. 146 : p Chang D., Vienegar H., Mrriss C. (1997) - Effective prsity, prducible fluid and permeability frm NMR lgging. The lg Analyst, March-April, p Farrar T.C., Becker E. D. (1971) - Pulse and Furier transfrm NMR: Academic Press, New Yrk. Kenyn W. E. (1997) - Petrphysical principles f applicatins f NMR lgging. The Lg Analist, March-April : p Legchenk A., Beauce A., Guillen A., Valla P., Bernard J. (1997) - Natural variatins in the magnetic resnance signal used in PMR grundwater prspecting frm the surface. Eurpean Jurnal f Envirnmental and Engineering Gephysics. : p Legchenk A., Shushakv O. (1998) - Inversin f surface NMR data. Gephysics. Vl. 63, n 1 : p Legchenk A., Valla P. (00) A review f basic principles fr magnetic resnance sunding measurements. Jurnal f Applied Gephysics. 50 : p Schirv M., Legchenk A., Creer G. (1991) - New direct nn-invasive grund water detectin technlgy fr Australia: Expl.Gephys.,, pp Trushkin D. V., Shushakv O. A., and Legchenk A. V. (1994) - The ptential f a nisereducing antenna fr surface NMR grund water surveys in the earth's magnetic field: Gephys. Prsp., vl. 4, pp