Mesure simultanée aux fréquences moyennes et cartographie de la permittivité diélectrique et de la conductivité électrique du sol

Simultaneous measurement in the medium frequency range and mapping of soil's dielectric permittivity and electrical conductivity

• Auteur / Autrice : Pauline Kessouri
• Direction : Alain Tabbagh, Fayçal Rejiba
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique appliquée
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en eau

Électromagnétisme

Sols

Conduction électrique

Mots clés libres

Permittivité diélectrique

Cartographie électromagnétique

Résumé

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse porte sur l’étude de la conductivité électrique et de la permittivité diélectrique du sol dans le domaine des fréquences moyennes (100 kHz ; 10 MHz), l’objectif étant de développer une nouvelle méthode de cartographie simultanée de ces paramètres électriques. La conductivité électrique et la permittivité diélectrique étant sensibles aux paramètres d’état du sol, et notamment à sa teneur en eau, le couplage des informations apportées par ces deux paramètres doit permettre d’estimer la valeur de la teneur en eau en chaque point de mesure. Une étude de la variation des paramètres électriques en fonction de la teneur en eau, en argile, de la minéralogie des argiles impliquées ainsi que de la salinité de l’électrolyte pour des fréquences comprises entre 1 kHz et 10 MHz a été entreprise en laboratoire. Dans le cas des échantillons de sable, les lois de comportement existantes prédisent correctement la réponse des paramètres électriques pour des fréquences supérieures à 2 MHz. Pour des fréquences inférieures et une teneur en argile supérieure, des effets de polarisation d’interface apparaissent. Nous proposons de déterminer une relation empirique permettant de retrouver la permittivité diélectrique liée à la polarisation dipolaire à partir des mesures de conductivité électrique. En parallèle a été développé un prototype d’appareil électromagnétique de mesure in situ, de type Slingram, composé de deux bobines perpendiculaires (PERP), qui fonctionne à 1,56 MHz. Les conclusions obtenues au cours des essais en laboratoire ont été testées avec succès sur deux sites expérimentaux de nature différente.

The research work submitted in this PhD dissertation deals with the study of soil electrical conductivity and dielectric permittivity in the medium frequency range (100 kHz – 10 MHz). The aim of the study is to develop a new mapping method where these two electrical parameters are simultaneously determined. The electrical conductivity and the dielectric permittivity are sensitive to the soil state parameters, and particularly to its water content. Coupling the information brought by the two electrical parameters leads to the estimation of soil water content at each measurement point. A study of the electrical parameters’ variation with water content, clay content, clay mineralogy and water salinity, using frequencies between 1 kHz and 10 MHz, was undertaken under controlled conditions. For clay free samples and frequencies higher than 2 MHz, existing theoretical models are well predicting the response of the studied material as a function of water content. In the case of lower frequencies or higher clay content, interfacial polarization arises. We propose to determine an empirical relation allowing to find the part of the dielectric permittivity linked to dipolar polarization, using electrical conductivity measurements. An in situ electromagnetic prototype was developed in parallel. It is composed of two fixed perpendicular coils (Slingram geometry) and works at 1. 56 MHz. The conclusions extracted from the laboratory measurements were successfully applied to two different experimental sites.