Soutenance mémoire
Le sol, ou couverture pédologique, résulte de l’évolution au cours du temps d’un matériau minéral sous l’action combinée du climat et de l’activité biologique (Baize et Jabiol 1995). Il est non seulement le milieu de vie de nombreux organismes mais constitue également une ressource pour les besoins alimentaires, pour la production de matières premières végétales et désormais de biocarburants. Il tient aussi un rôle important dans la dégradation des déchets, dans le stockage de gaz à effet de serre ou encore dans le filtrage, l’épuration de l’eau et la régulation des nappes. Il est par conséquent utile à tous : aux particuliers qui subissent les conséquences de sa détérioration (inondations, dégradation de la qualité de l’eau et des aliments), aux agriculteurs pour améliorer la production, aux forestiers pour la production de bois, aux hydrologues pour la gestion des ressources en eau, aux archéologues, pour qui le sol est la principale archive de l’histoire.
Cependant, les sols, soumis à divers aléas, contamination par les polluants atmosphériques, érosion, compaction, surfertilisation, artificialisation, … (Auerswald et Kutilek 1998) voient leurs propriétés physiques, chimiques ou biologiques évoluer de manière significative. Ceci est notamment vrai pour les sols agricoles, qui, depuis quelques décennies, connaissent le développement d’une agriculture intensive adoptée comme remède à l’insécurité alimentaire. Cependant, les pratiques de ce type d’agriculture – monoculture, utilisation d’intrants chimiques, mécanisation poussée, mise en place de vastes surfaces – ont de nombreux impacts : pollution, érosion, appauvrissement des sols en matières organiques, pollution des nappes et rivières par les apports azotés et phosphatés (prolifération d’algues par eutrophisation), atteinte à la biodiversité (suppression des haies causant la disparition des insectes utiles mais également homogénéisation du paysage), développement d’espèces végétales ou animales devenant particulièrement résistantes voire insensibles aux produits phytosanitaires, etc. Ce modèle d’agriculture intensive, qui artificialise, uniformise et standardise toujours plus et qui force le système biologique (Cirad 2008) montre actuellement ses limites : la production stagne voire diminue.
Principe de la méthode électrique
Définition de la résistivité
La grandeur mesurée par la méthode électrique est la résistivité électrique. La résistance R , mieux connue, mesure l’opposition d’un matériau au passage d’un courant électrique et peut permettre ainsi de le caractériser.
Avantage de la mesure de résistivité
La profondeur d’investigation d’une prospection électrique s’étend de quelques centimètres à plusieurs kilomètres de profondeur ce qui en fait une méthode utilisée dans divers domaines des sciences de la Terre : en recherche minière, en construction de bâtiment, en hydrogéologie, etc.
Cette grandeur physique est d’une part très liée à la teneur en argile qui présente un intérêt tout particulier pour les pédologues et montre d’autre part une gamme de variation extrêmement étendue (plusieurs décades) selon les matériaux géologiques. La méthode électrique est en outre une méthode fiable, robuste, non destructive et peu, voire non influencée, par les éléments extérieurs lors de la prospection (contrairement à la méthode électromagnétique). Sa mise en œuvre s’appuie sur un large choix de dispositifs dont les configurations et parfois même la mécanisation permettent de prospecter des surfaces importantes rapidement ou encore d’investiguer plusieurs profondeurs (investigation par commutation d’électrode par exemple).
Mesure de la résistivité électrique des sols
Notion de profondeur d’investigation
La profondeur d’investigation qualifie l’épaisseur de terrain prise en compte dans la mesure. Pour un quadripôle donné, elle dépend de l’écart existant entre l’électrode de mesure de potentiel et l’électrode d’injection les plus proches. Ainsi, un écartement inter-électrode important permettra d’investiguer un volume de sol plus conséquent qu’un dispositif avec un faible espacement entre les électrodes. Cependant, la profondeur d’investigation est conditionnée par le terrain prospecté. Si celui-ci comporte des zones conductrices, notamment en surface, les lignes de courant vont être concentrées dans ces régions conductrices et ne pourront investir celles plus profondes. Généralement, les profondeurs d’investigation théoriques sont considérées, suivant la répartition verticale des résistivités, égales à l’écartement ou au demi écartement entre l’électrode de potentiel et l’électrode de mesure les plus proches ; si cette indication est couramment valable, car basée sur un panel de sites prospectés « moyens », il convient de garder en mémoire qu’elle n’est qu’une estimation grossière.
Dispositif de mesure de la résistivité
Il existe de nombreux dispositifs de mesure de résistivité électrique dont les configurations permettent d’intégrer des volumes de sol variables, qui sont plus ou moins sensibles aux contrastes verticaux ou latéraux ou encore aux irrégularités de surfaces et dont les rapports signal sur bruit diffèrent de l’un à l’autre (Dahlin et Loke 1998).
Multipôles fixes
a) Exploration verticale : le sondage électrique
Le sondage part de l’observation selon laquelle l’épaisseur du terrain où circule la part significative du courant dépend de l’écartement des électrodes. Le principe consiste, à l’aide de 4 électrodes, à accroître le volume investigué en augmentant progressivement l’écartement, le dispositif restant de même configuration et de même centre. Le résultat du sondage caractérise la variation de la résistivité apparente en fonction de l’écartement des électrodes, variation ensuite interprétée en fonction de la profondeur en un point donné.
b) Exploration horizontale
Pour restituer les variations latérales de résistivité apparente, il suffit de déplacer, selon un pas régulier, un quadripôle AMNB de géométrie fixe sur le site à explorer. Si le déplacementse fait le long d’une ligne, il s’agit de profilage ou trainé électrique (1D horizontal). Si ledéplacement se fait le long de plusieurs lignes – avec toujours le même écartement interélectrodes –, la technique permet de réaliser des cartesde résistivité apparente (2Dhorizontal).
c) Exploration verticale et latérale par tomographie électrique
❖ Panneau électrique 2D
Le panneau électrique combine les techniques de profilage et de sondage pour décrire les distributions latérale et verticale des résistivités. Une rangée de N (N=72, 96…) électrodes équidistantes est pré-implantée le long d’un profil. Par permutation des couples d’électrodes, le centre du dispositif est déplacé et l’écartement augmenté, en respectant ou non la configuration adoptée. Le résultat obtenu est une pseudo-section de résistivité apparente, interprétée ensuite en coupe géoélectrique.
❖ Panneau électrique 3D
Il correspond à une série de panneaux 2D parallèles utilisés simultanément. Les électrodes sont pré-implantées selon une grille régulière et le quadripôle de mesure peut alors prendre diverses configurations (carré, en ligne parallèle, …). Le résultat obtenu est un pseudo-bloc diagramme de résistivité apparente, interprété ensuite en bloc diagramme géoélectrique.
Cartographie multi-profondeur à l’aide de dispositifs tractés
L’emploi de multipôles électriques mobiles remonte aux années 30 avec des dispositifs pour lesquels des brevets ont été déposés aux Etat-Unis et au Canada (Panissod 1997). Différents outils ont également été envisagés au Centre de Recherche (CNRS) de Garchy des années 60 au années 90 (Hesse et al. 1986 ; Panissod et al. 1997b, 1998). Le développement de dispositifs de mesure tractés répond à deux préoccupations majeures de la géophysique de subsurface :
– un pas d’échantillonnage suffisamment petit pour décrire les variations latérales brutales de résistivité,
– l’amélioration de rapport temps de prospection / surface couverte.
Ainsi, les dispositifs actuels permettent de prospecter rapidement des surfaces étendues avec une maille de mesure fine. Ils sont donc particulièrement intéressants pour l’étude de parcelles agricoles, de plus en plus vastes et dont la couverture végétale non pérenne ou limitée en hauteur permet le passage de ces appareils.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I Prospection électrique : principe et application en science du sol
1. Principe de la méthode électrique
1.1. Introduction
1.1.1. Définition de la résistivité
1.1.2. Avantage de la mesure de résistivité
1.2. Des équations de Maxwell à l’équation de Laplace
1.2.1. Equations de Maxwell
1.2.2. Approximation sur la perméabilité magnétique
1.2.3. Régime continu ou approximation des régimes statiques
1.2.4. Equation de conservation de la charge
1.2.5. Equations de Maxwell réduites
1.2.6. Equation de Laplace
1.3. Distribution du potentiel électrique dans les sols
1.4. Mesure du potentiel créé par deux électrodes de courant
1.5. Notion de résistivité apparente
2. Mesure de la résistivité électrique des sols
2.1. Notion de profondeur d’investigation
2.2. Dispositif de mesure de la résistivité
2.2.1. Multipôles fixes
2.2.2. Cartographie multi-profondeur à l’aide de dispositifs tractés
3. Paramètres pédologiques influençant la résistivité électrique d’un sol
3.1. Variables pédologiques pérennes
3.1.1. Profondeur d’apparition du substrat
3.1.2. Texture et minéraux argileux
3.1.3. Pierrosité
3.2. Variables pédologiques dynamiques
3.2.1. Teneur en eau
3.2.2. Tassement et structure du sol
3.2.3. Salinité de la phase liquide
3.2.4. Température
3.2.5. Végétation et matière organique
4. Recherche bibliographique sur les valeurs de résistivité observées sur les matériaux géologiques du Bassin Parisien
CHAPITRE II Présentation des sites d’étude et des données géophysiques et pédologiques acquises sur les parcelles expérimentales
1. Site de Ouarville
1.1. Contexte régional : la Beauce
1.1.1. Localisation géographique
1.1.2. Contexte géologique
1.1.3. Hydrogéologie
1.1.4. Contexte pédologique
1.1.5. Climat
1.2. Présentation de la parcelle expérimentale et données disponibles
1.2.1. Situation géographique et géologie locale
1.2.2. Données de prospection géophysique et pédologique conduites sur la parcelle
2. Site d’Orgeval
2.1. Contexte régional : le bassin de l’Orgeval
2.1.1. Localisation géographique
2.1.2. Contexte géologique
2.1.3. Hydrogéologie
2.1.4. Pédologie
2.1.5. Climat
2.2. Présentation de la parcelle expérimentale et données disponibles
CHAPITRE III Problème direct
1. Matériels et méthode
1.1. Modélisation directe de mesures ARP®
1.1.1. Principe de la méthode des moments
1.1.2. Formulation du problème physique
1.1.3. Présentation de l’outil de calcul PELEC3D
1.2. Evaluation de la qualité de la détection d’un corps
1.2.1. Cartographie de résistivité apparente
1.2.2. Tracé du profil de résistivité à l’aplomb du corps
1.3. Paramètres testés
1.3.1. Espacement inter-profils
1.3.2. Profondeur et épaisseur du corps
1.3.3. Contraste de résistivité avec le milieu encaissant
2. Résultats
2.1. Evaluation des dimensions minimales détectables
2.2. Impact de l’espacement inter-profils sur la détection
2.3. Impact de la profondeur d’une structure sur sa détection
2.4. Impact de l’épaisseur d’une structure sur sa détection
2.5. Influence du contraste de résistivité entre le corps et l’encaissant
3. Synthèse sur la modélisation
CHAPITRE IV Etude de la différenciation d’horizons pédologiques à partir de mesures de résistivité électrique
CONCLUSION
