Optimisation des méthodes à induction électromagnétique pour l'ingénierie des sols

Optimization of electromagnetic induction methods for soil engineering

• Auteur / Autrice : Mathias Pareilh-Peyrou
• Direction : Karim Kelfoun, Philippe Labazuy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique appliquée
• Date : Soutenance le 19/12/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Lénat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Kelfoun, François-Xavier Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Myriam Schmutz, Alain Tabbagh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction électromagnétique

Prospection géophysique

Mots clés libres

Méthodes électromagnétiques

EM-31

Prospection à grande échelle

Acquisition grand rendement

Traitements et modélisation

Electromagnetic methods

EM-31

Large scale prospecting

High performance acquisition

Data processing and visualization

Résumé

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse, qui s’est déroulée dans le cadre d’un dispositif CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la Recherche) en collaboration avec le pôle géophysique du CEBTP à clermont-ferrand et le laboratoire Magmas et Volcans de l’UCA. Ce travail porte sur l’amélioration du rendement de la méthode géophysique électromagnétique de sub-surface. L’idée est de parvenir à extraire plus d’informations à partir des données électromagnétiques en gardant une méthode de prospection proche des méthodes classiques actuelles. Les techniques électromagnétiques (EM) sont des méthodes géophysiques fondées sur la mesure des variations de champs magnétiques et sont utilisé pour réaliser des mesures des caractéristiques électriques des sols. Ces appareils EM sont dits inductifs et ne nécessitent donc pas de contact avec le sol. Ils peuvent donc être mis en œuvre avec une vitesse d’acquisition plus importante que la plupart des autres méthodes géophysiques (profils électriques, gravimétrie, sismique...).Dans le cadre de ce travail, différents développements ont été effectués pour répondre à la problématique de l’amélioration des outils de prospection EM. La prospection sur le terrain a été améliorée grâce au développement d’un prototype de système d’acquisition automatisé. Celui ci est composé d’un conductivimètre (EM-31), d’un chariot support en fibre de verre, d’un GPS et d’un ordinateur assurant un enregistrement continu et géo-référencé des données à l’aide d’un programme spécialement conçu en Python.Ce mémoire présente également une procédure de correction des valeurs du conductivimètre EM-31, notamment la correction des effets de la hauteur de l’appareil par rapport au sol.Un programme Matlab a également spécifiquement été conçu pour le traitement automatisé de données EM. Ce programme permet de disposer rapidement des outils de base pour le traitement et la bonne visualisation des données.Deux études de cas ont été réalisées dans le cadre de ce travail doctoral.La première concerne une prospection linéaire d’une centaine de kilomètres sur des digues de protection contre les crues le long du fleuve Loire. Cette étude met en évidence les difficultés rencontrées lors d’une prospection de grande envergure et permet d’identifier les problématiques d’une étude géophysique à grande échelle, notamment la gestion du grand nombre de données. Cela contraint le choix de la méthodologie de prospection et permet de mettre en place les procédures d’automatisation des traitements.La seconde étude concerne la mise en œuvre des outils EM sur des terrains de nature volcanique. La prospection EM a su s’avérer très efficace pour la cartographie de nombreux sites archéologiques. Cependant les sols et les roches en région volcaniques sont connus pour avoir des effets magnétiques forts. Il s’agit ici dans le cadre d’une prospection archéologique, de déterminer plus précisément les effets magnétiques du sous-sol sur la mesure EM.

This study has been conducted in the framework of the CIFRE doctoral contract, in collaboration with the Ginger CEBTP Geophysics pole and the “Laboratoire Magmas et Volcans”. The main objective of this work is to improve the performance of the sub-surface electromagnetic induction method.The principle is to retrieve more information from electromagnetic data keeping a prospecting method close to current field methods. Electromagnetic (EM) methods are based upon magnetic fields variations in order to to measure electrical characteristics of soils. EM devices are inductive and so don’t need contact with the ground. Thus they can be implemented faster than most of others geophysical methods (seismic, electrical profiles, gravimetry). In this framework, several developments have been performed to respond to the improvement of EM prospecting methods. The field survey was improved by the development of an automated acquisition system including a conductivimeter (EM-31) mounted on a fibreglass cart with a GPS receiver and a computer running a special Python program which ensure continuous data recording and geo-reference. In this thesis we present a correction procedure for the EM-31 conductivimeter values, in particular the device height above the ground. A Matlab program was also specifically conceived for automated EM data processing. It combines basic data processing and visualization tools. Two case studies was conducted during this doctoral work. The first one is about a hundred kilometers of linear prospecting along the Loire protection dykes (France). This study highlights the difficulties of large scale geophysical prospecting and allows to identify specific issues such as management of large data number. This influence the prospecting methodology and allows implementation of adapted automatized data processing. The second case study is about the implementation of EM devices on volcanic fields. Several archaeological sites has been mapped using EM methods. However in volcanic regions, soils and rocks are known to have strong magnetic effects. In this specific case of an archaeological study the purpose is to determine precisely the magnetic effects of soils on EM measures.