1Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe de la prospection par injection de courant continu (DC)Principe de la prospection par injection de courant continu (DC)Principe de la prospection par polarisation spontanée (PS)Principe de la prospection par polarisation spontanée (PS)Conductivité électrique et eaux dans les milieux poreuxConductivité électrique et eaux dans les milieux poreux
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique (DC)Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique (DC)Choix des cycles d’injectionChoix des cycles d’injection Choix des dispositifsChoix des dispositifsCalcul directs et abaques Calcul directs et abaques
Méthode : dispositifs de mesure PSMéthode : dispositifs de mesure PSImagerie et InterprétationImagerie et InterprétationPseudo-section (DC)Pseudo-section (DC)Inversion de la conductivité électrique (via DC)Inversion de la conductivité électrique (via DC)Inversion de la conductivité hydraulique (via PS)Inversion de la conductivité hydraulique (via PS)Inversion du contenu en eauInversion du contenu en eau
Présentation de casPrésentation de casCaractérisation d’un système karstique (Szalai et al.)Caractérisation d’un système karstique (Szalai et al.)Suivi de contaminants (Dhu & Heinson)Suivi de contaminants (Dhu & Heinson)Suivi d’infiltration/irrigation (al Hagrey et al.)Suivi d’infiltration/irrigation (al Hagrey et al.)Suivi d’essais de pompage (Darnet et al)...Suivi d’essais de pompage (Darnet et al)...Suivi du bassin versant de la Soutte (Béhaegel et al)...Suivi du bassin versant de la Soutte (Béhaegel et al)...
Prospections électriques DC et PS(Pascal Sailhac - IPGS, équipe “Proche Surface”)
2Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (loi d’Ohm)Principe (loi d’Ohm)
Loi d’Ohm :
, soitOn utilise la résistivité ( ), d’où :
• R est la résistance d’un circuit équivalent au volume du sous-sol traversé par le courant• [.m-1] est celle d’un élément de circuit de longueur et de section
Prospection DC
3Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy
Flux
Loi de Conservation
Modélisation Hydro Modélisation Elec
hSq .
Kq Vj
eSj.
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (diffusion)Principe (diffusion)
Milieu poreux
Q
1
Prospection DC
4Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)
Conductivité du fluide très grande devant celle de la matrice poreuse
Loi d’Archie (1942)
(al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge)
S est la teneur volumique en eau,ou la saturation effective
rs
reS
Prospection DC
5Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)
nmwt Loi d’Archie (1942)
Waxman-Smits (1968)
Prospection DC
6Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche?Comment ça marche?Principe (valeurs de résistivité)Principe (valeurs de résistivité)
Keller & Frischknecht (1966)
+ Rôle de la température, des ions, …
(LaBrecque et al., 1996 / Meas. Sci. Techno.)
Prospection DC
7Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (ordres de Principe (ordres de grandeur)grandeur)
Prospection DC
8Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (Mesure passive)Principe (Mesure passive)Prospection PS
x
V
Données de potentielspontané (PS)Mesurés près de la Surface
Modèles de Circulation en profondeur
9Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Similitude des principes physiques : loi d’Ohm - loi de Darcy
Flux
Loi de Conservation
Modélisation Hydro Modélisation Elec
hSq .
Kq Vj
eSj.
Comment ça marche? Comment ça marche? Principe (Couplage EK)Principe (Couplage EK)
Milieu poreux
Q
1
Prospection PS
Couplage électrocinétique (EK / electrokinetic) : conservation du courant total
C.(V.()VCK(jT
0 Tj.
10Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Potentiel produit par chaque électrode d’injection :
Potentiel produit par en P par un courant entre C1 et C2 :
Prospection DC
11Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Prospection DC
12Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Calcul de lignes de courant :
Prospection DC
13Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Prospection DC
14Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Mesures entre P1 et P2 du courant en C1 et C2 :
Wenner = inter-électrodes constant (P1P2=a et C1C2=3a) :
=> Resistivité apparente en config. Wenner :
Prospection DC
15Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique WennerWenner
Prospection DC
16Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électriqueMéthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique
Prospection DC
17Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-ArraysNull-Arrays
(Szalai et al., 2002, Geophysics)
Prospection DC
18Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Méthode : dispositifs utilisés en tomographie électrique Null-ArraysNull-Arrays
(Szalai et al., 2002, Geophysics)
Prospection DC
19Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Méthode : dispositifs de mesures PSMéthode : dispositifs de mesures PSProspection PS
10 cm
80 cm
time-lapse mapping
0 2 415
20
25
30Limit = 25.5mV
min
mV
Mar05 Apr05 May05-20
-15
-10
-5
0
5
10Potentiel Spontané
PS
(m
V)
Mar05 Apr05 May05-10
-5
0
5
10
15
20Température
T (
°C)
T°C profondeur (40cm)T°C sol
Mar05 Apr05 May050
5
10
15
20
25
30
préc
ipita
tions
(m
m)
Précipitations au Welschbruch
période de fonte
des neiges
continuous monitoring
Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
pendant des jours ou des mois
20Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
courant
La magnétosphère
vent solaire
cornet polaire
champ magnétique
interplanétaire
courant coté nuit
lobe
manteau
courant coté jour
magnétopause
courant
courant
courants alignés
zone aurorale
ionosphère
plasmasphère
couche de
plasma
Méthode : attention !Méthode : attention !Bruits EMBruits EM
Prospections DC et PS
21Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Modèle = résistivités :
Données = résistivités apparentes :
« Misfit » des données :
)()()( obsd
Td
Tobsobsdd ddWWddddW
Fonction « objective » :
)()( 00 mmWWWWWWmm zTzzx
Txxs
Tss
Tm
)()( 00 mmWWmm mTm
T
Prospection DC
22Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
1140
,1
,1
0
mzx
s
1.
Prospection DC
23Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
1140
,0
,1
0
mzx
s
2.
Prospection DC
24Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
1140
,0
,1
0
mzs
x
3.
Prospection DC
25Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
1140
,0
,1
0
mxs
z
4.
Prospection DC
26Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
100 200
,1
,1
mm
zx
s
5.
Prospection DC
27Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion (GIF)Inversion (GIF)
Model synthétique Données avec bruit 5%
100 8000
,1
,1
mm
zx
s
6.
Prospection DC
28Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
29Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Q/K = 80 ± 10 m²Z = 22 ± 0.5 mC = -1.5 mV/m
W = 1
W = 0.5
W = 0
Genetic algorithm and pumping test application
Use full inverse modelling including pumping and soil parameters C, Q/K,…
(Darnet et al 2003 / GRL)
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation inversioninversionProspection PS
30Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Principe & application to Hydrothermal circulation at Etna volcano
STUDIEDAREA
)(~ 022 zaa
K
mCWc
Inversion by adjusting a power law(linear least-squares in log-log)
SP wavelet transform
0
5
10
15
20
Sca
les
a (
in m
)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-50
0
50
100
150
PS (in mV)
Mea
sure
s (i
n m
V)
Position x (in m)
depth = 3 to 18 mintensity = 2400 mV/mflux ~ 0.1 m3/h
log(|Wc2|/a2)
BestDepth
z0
=-3Deviation
log(a+z0) with z0=6.5 m
Imagerie et interprétation Imagerie et interprétation Inversion par ondelettesInversion par ondelettes
(Sailhac & Marquis 2001 / GRL)
Prospection PS
31Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Suivi d’infiltration/irrigation Suivi d’infiltration/irrigation Oliveraie en ItalieOliveraie en Italie
(al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge)
32Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Suivi d’infiltration/irrigation Suivi d’infiltration/irrigation Oliveraie en ItalieOliveraie en Italie
(al Hagrey et al., 2002 / The Leading Edge)
33Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
b
rs
rsKK
23
Corey-Brooks
Target parameters:
Van Genuchten
hSKK eGardner
m
h
e hS
2
2
2
12
1
1e Russo
Target Processes: Infiltration, Aquifer recharge, capillary fingering, etc.
z
KhK
z
KD
dt
d
).().( Infiltration = Diffusion of water (Richard’s Equation):
cc
brs
re
v
h
hS
1
Champ électrique Champ électrique ↔ ↔ Paramètres du Paramètres du sol non saturésol non saturé
34Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Continuous & time-lapse Measurement at La Soutte
Weather Station + SP & Temperature
thèse de M. Béhaegel, IPGSExperimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains)
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
35Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Ehn river source
small sources
+ +
+
F06F08
F07
+
++
thèse de M. Béhaegel, IPGSExperimental site of La Soutte (Les Vosges Mountains)
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
36Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
BaseRef
B6
B5
C6
C5
C4
C3
D4
D3
D2
E6
E5
E4
E3
F4
F3
G4
G3
B4
D6
D5
BaseRef
B6
B5
C6
C5
C4
C3
D4
D3
D2
E6
E5
E4
E3
F4
F3
G4
G3
B4
D6
D5
at 2 m depth at 12 m depth
0 50 100 m
B4 C4 D4 E4 F4 G4 H4
Electric Resistivity Tomography at La Souttethèse de M. Béhaegel, IPGS
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
37Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Self-Potential and ERT along a profile: joint flow model
ERT and SP profile at La Soutte
7 55 400 3000
(mS/m)
thèse de M. Béhaegel, IPGS
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
38Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
SP gradient, in mV/m (Darcy velocity)SP map, in mV
0 50 100m
10 cm
SP Map at La Soutte
0 2 415
20
25
30Limit = 25.5mV
min
mV
thèse de M. Béhaegel, IPGS
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
39Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006
Mar05 Apr05 May05-20
-15
-10
-5
0
5
10Potentiel Spontané
PS
(m
V)
Mar05 Apr05 May05-10
-5
0
5
10
15
20Température
T (
°C)
T°C profondeur (40cm)T°C sol
Mar05 Apr05 May050
5
10
15
20
25
30
préc
ipita
tions
(m
m)
Précipitations au Welschbruch
période de fonte
des neiges
Self-Potential
Temperature
Rainfall
thawsnow
Continuous Measurement at La Souttethèse de M. Béhaegel, IPGS
Suivi d’un bassin versant Suivi d’un bassin versant La Soutte - VosgesLa Soutte - Vosges
40Master 2 - Hydrogéophysique - 9 Novembre 2006