LOCALIATION D UNE COUCHE ARGILO-ABLEUE UR UN ITE À TAOLAGNARO, MADAGACAR, PAR LA MÉTHODE D ANALYE EN MULTICANAUX DE ONDE DE URFACE (MAW) RAMANOTOLO R.TEKA. 1, RAKOTOZAFY CLAUDINE 1, RAOLOMANANA EDDY HARILALA 1.2 1 Institut et Observatoire de Géophysique d Antananarivo Université d Antananarivo 2 Département Mines, EPA Université d Antananarivo Résumé : Les données sismiques obtenues sur une partie de gisement de minerais métallifères contenant de l argile sableuse, sur un site à Taolagnaro, Madagascar, ont été traitées par la méthode d analyse en multi-canaux des ondes de surface. Nous avons utilisé les coupes 2D relatives à la vitesse de cisaillement, au module de cisaillement et au module d Young pour obtenir des modèles 3D. Les résultats montrent que la couche l argile sableuse est présente sur la presque totalité de la zone étudiée, à partir de deux mètres de profondeur. Mots clés : argile sableuse, vitesse de cisaillement, module de cisaillement, module d Young, Taolagnaro, Madagascar. Abstract : eismic data obtained on a part of ore deposit containing sandy clay, over a site in Taolagnaro, Madagascar, have been treated by multi-channel analysis surface waves, MAW. We have used 2D cuts corresponding to shear wave velocity, shear modulus and Young modulus for getting 3D models. Results show that the argilloarenaceous layer is present on quasi-totality of the studied area, from two meters depth. Key words : sandy clay, shear velocity, shear modulus, Young modulus, Taolagnaro, Madagascar. augmente par cimentation de ses éléments Introduction constitutifs modifie les valeurs de la vitesse de cisaillement, du module de cisaillement et du module d Young du milieu. La méthode d analyse en multicanaux des ondes de surface, MAW, utilisant les ondes de Rayleigh a été mise au point en 1996 par l équipe du Dr Park C. B. au Kansas Geological urvey [1]. Les ondes de Rayleigh provoquent le mouvement des particules dans le sens vertical et leur vitesse de phase V R dépend de la vitesse Vs de l onde de cisaillement. On suppose généralement que cette vitesse de phase est d'environ 0,92 Vs [2]. Les équations des ondes élastiques sont résolues en utilisant un modèle en couches [3]. En MAW, des coupes 2D de paramètres sismiques peuvent être obtenus à partir des sismogrammes. Le site prospecté (figure 1), près de Taolagnaro dans la partie ud-est de Madagascar, est sableux et contient en profondeur un gisement de minerais métallifères incluant de l argile organique. La dureté de la couche argilo-sableuse qui La couche de sable du secteur s est accumulée sur une épaisseur moyenne de 18 m et repose soit sur une épaisse couche d argile marine, soit sur un substrat rocheux latéritique ; elle a été classée en divisions stratigraphiques [4] : d abord, une couche supérieure formée de sable de granulométrie fine à moyenne et dont l épaisseur varie entre 3 et 5 m ; puis une couche constituée de sable plus grossier, faiblement minéralisé, contenant de l argile d une épaisseur de 3 à 6 m ; enfin une dernière couche composée de sable fin à moyen et de fines laminations de minéraux lourds. Notre objectif est de localiser dans des représentations en 3D une couche argilosableuse dans un milieu largement dominé par du sable. Matériels et Méthodes 12
L appareil utilisé pour la méthode MAW comprend une source de vibrations formée d une masse pesante de 100 kg faisant une chute libre sur 2 m de hauteur, de 24 géophones de 4,5 Hz de fréquence de coupure et distants au sol l un du suivant de 1,5 m sur une rangée linéaire et un système d enregistrement. Les géophones disposés sur une rangée linéaire sont reliés à un sismographe Daqlink II par l intermédiaire de flûtes. Les logiciels Vibrascope et eisimagers permettent d enregistrer les ondes et de traiter les données par la technique de corrélation croisée des points milieux communs (CMPCC) pour générer la courbe de dispersion des vitesses de phase des ondes de surface en fonction de la fréquence [5]. La profondeur d investigation augmente avec : la puissance de la source utilisée, la distance inter-géophones (longueur de ligne) et la longueur d onde et varie d une trentaine à une quarantaine de mètres [1, 6]. Nous avons implanté deux séries perpendiculaires de profils sismiques qui mesurent en moyenne 230 m ; l une des séries de profils est de direction N340. La distance entre deux profils consécutifs a été de 15 m, ce qui correspond à une surface couverte d environ 230 m x 100 m (figure 1). Les courbes de dispersion des ondes (que nous n avons pas présenté ici) permettent d obtenir les coupes 2D de la vitesse de cisaillement V, du module de cisaillement G et du module d Young E. Ces coupes ont été ensuite utilisées pour obtenir trois modèles 3D de la constitution du sous-sol, soit un pour chaque paramètre. Le tableau I présente des valeurs des vitesses V P, V et des masses volumiques ρ pour certains types de terrain pouvant être présents sur le site étudié à Taolagnaro. Plus le module de cisaillement G est grand plus le corps est rigide. Un module d Young E élevé traduit un corps moins élastique. G et E peuvent être calculés en utilisant les relations : 2 G = ρv 2 2 3V P 4V et E = ρ VP 2 2 V V P 2 Figure 1 : Image de la zone d étude, directions des profils sismiques Tableau I : paramètres physico-mécaniques de certaines roches [7] 13
Tableau II : Gammes de valeurs de G, module de cisaillement et de E, module d Young correspondant aux types de terrains du tableau I. Tableau III : couche, épaisseur de couche, gamme des valeurs de Vs, G et E Nature des terrains G (MPa) E (MPa) Eboulis, terre 17 216 49 599 végétale ables secs 15-425 44-1186 ables humides 304-756 889-2193 Argiles saturées 80-1536 237-4433 Marnes 1181-5850 3350-15600 érie argilogréseuse saturée 525-1350 1509-3872 Couche ubstratum argileux Epaisseur (m) Vs (m/s) G (MPa) E (MPa) <10 <340 <200 <300 20 340-600 uperficielle Intermédiaire 200-900 300-1500 - >600 >900 >1500 Discussions Résultats Les coupes 2D relatives à Vs, G et E ont mis en évidence deux couches principales et le substratum. Les gammes de valeurs correspondant à V, G et E. sont représentées sur le tableau III. D après les modèles 3D représentés sur les figures 2-a, -b et -c, l argile sableuse est présente dans les deux premières couches, mais surtout dans la deuxième. La couche argilo-sableuse, qui apparaît à partir de 2 m de profondeur, est représentée en rose ou rouge sur les figures où trois à cinq profils par série ont été représentés. Le tableau III montre que vitesse de cisaillement, module de cisaillement et module d Young augmentent avec la profondeur, ce qui correspond à une rigidité croissante et une élasticité décroissante. Ce tableau comparé au tableau II et tenant compte de la géologie du site fait apparaître successivement de la surface en profondeur : - de la terre végétale ou des sables secs d une épaisseur inférieure à 10 m ; - des sables humides et/ou argiles saturées sur une épaisseur d une vingtaine de mètres, cette couche comprendrait de l argile sableuse plus ou moins cimentée ; - le substratum argileux. 14
Figure 2-a : représentation de la couche d argile organique dans le modèle 3D déterminée à partir des coupes 2D de la vitesse V Figure 2-b : représentation de la couche d argile organique dans le modèle 3D déterminée à partir des coupes 2D du module de cisaillement G 15
Figure 2-c : représentation de la couche d argile organique dans le modèle 3D déterminée à partir des coupes 2D du module d Young E Les première et deuxième couches correspondent respectivement aux types de terrain mentionnés par Watts et al. [4] : - sables de granulométries fine moyenne et grossière d épaisseurs inférieures à 6 m ; - sable fin à moyen avec des laminations de minéraux lourds. Les figures 2-a, 2-b et 2-c montrent, à partir de 2m la couche argilo-sableuse qui correspond aux gammes de valeurs de la couche intermédiaire présentées dans le tableau III. La présence de cette couche sur la presque totalité du site prospecté, voire au-delà, s explique par le contexte géologique général de la région ainsi que l abondance relative de précipitations, propre à la région ud-est de Madagascar. La percolation pouvant être accompagnée de capillarité explique la cimentation de l argile située en profondeur et donc les propriétés physiques et mécaniques du sol. Références [1] Park C.B., Miller R.D., Xia J., 1999, Multichannel analysis of surface waves: Geophysics, 64: 800 808 [2] tokoe and al., 1994. Characterization of geotechnical sites by MAW method in Geophysical characterization of sites, IMFE Technical Committee [3] Haskell N.A., 1953. The dispersion of surface waves on multilayered media: A Bull., 43: 17-34 [4] Watts, Griffis, McQuat, 1988. Evaluation of heavy mineral deposits of Fort-Dauphin exploration area. oumis à QIT-Fer et Titane Inc., Madagascar Minerals Project, 79 pp. [5] Koichi Hayachi, uzuki H., 2004. CMP cross-correlation analysis of multi-channel surface-wave data, Exploration Geophysics, 35: 7 13 [6] eisimager/2dtm Manual Version 3.3 Pickwin v. 4.0.1.5 Plotrefa v. 2.9.1.6, October 2009 [7] Mari J., Arens G., Chappellier D. and al., Géophysique de Gisement et de Génie Civil, Paris : Edition TECHNIP, 1998. 16