Cartographie géophysique pour déterminer la perturbation ionique 

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La méthode géophysique

Généralités

La géophysique appliquée fait partie des sciences de la Terre. La géophysique appliquée se présente comme une étude physique du sous sol.
Elle peut se définir comme une science qui utilise les propriétés physiques de la Terre pour détecter les substances qui s’y trouvent. L’opération correspondante qui s’appelle prospection géophysique utilise quatre méthodes principales : les méthodes gravimétrique, magnétique, sismique et électrique. C’est la méthode électrique qui est la plus utilisée en hydrogéologie. Cette technique consiste à faire des mesures de résistivité en surface, et d’en déduire la distribution des résistivités du sous-sol, pour essayer d’obtenir des informations (emplacement, profondeur du toit, géométrie, volume…) sur les formations ou nappes aquifères .
Dans cette étude, nous appliquerons la méthode de prospection électrique, où seront précisées les techniques de sondage électrique, de profilage ou traîné électrique et surtout de tomographie électrique (ou par abus de langage « panneau électrique »).

La prospection électrique

Le géophysicien s’intéresse aux propriétés électriques de sous-sol car elle permette, comme toute les autre méthodes géophysique, de caractériser et d’imager le sous-sol. Les propriétés électriques peuvent être mesurées de plusieurs façons. Les deux propriétés fondamentales sont la résistivité et la chargeabilité.

Sondage électrique

C’est une investigation verticale de sous-sol suivant une direction

Profilage ou traîné électrique

C’est une investigation latérale de sous-sol suivant une direction

Panneau électrique 2D

Le p Panneau électrique est une investigation verticale et horizontale (H-V) du sous-sol elle permet donc d’obtenir une image à 2 dimensions du sous-sol.

La Polarisation Provoquée

Jusqu’ici on a supposé que lorsqu’on injectait un courant dans le sol, le potentiel mesurés en surface était obtenu instantanément et que, d’une façon similaire, lorsque le courant est coupé, le potentiel tombe instantanément à zéro. Dans la pratique, il n’en est rien. Il existe un délai entre le temps où le voltage atteint son maximum et aussi pour qu’il tombe à zéro. Ces délais tombent dans deux catégories : instrumentale et effet du sol. En général, les délais instrumentaux sont très faibles. Cependant, le délai du sous-sol, lui, est souvent significatif. Il varie de place en place et le temps de délai et la forme de la courbe de décharge constituent des paramètres utiles pour l’investigation du sol.

Origine de la polarisation provoquée

Le passage d’un courant électrique dans un sol s’accompagne de processus électrochimiques dont le caractère et l’intensité dépendent directement des propriétés chimiques et physiques du sol.
Le passage du courant peut se faire de deux façons :
(1) par conductibilité électrique pour laquelle il y a déplacement d’électrons libres dans les particules métalliques (pyrite, chalcopyrite, …) ;
(2) par conductibilité ionique pour laquelle il y a déplacement d’ions dans les solutions contenues dans les pores et les fractures des roches.
La polarisation provoquée origine des processus électrochimiques qui se produisent lorsque le courant passe : (a) d’un milieu à conductibilité ionique (eau) à un milieu à conductibilité électronique ; et (b) d’un milieu à conductibilité ionique à un milieu peu conducteur ou au contact d’un milieu de conductibilité ionique différente.
Quelques minéraux donnant des effets PP
· la plupart des sulfures
· quelques oxydes (la magnétite)
· graphite
· certaines argiles (bentonite).
L’effet PP pour la polarisation de membrane est un phénomène plus faible que celui de la polarisation d’électrode. Les deux effets sont semblables et rien ne permet de les distinguer dans les mesures.

Utilisation du SIG pour l’étude de vulnérabilité à la pollution

Définition de vulnerabilité

Une analyse bibliographique des travaux les plus récents en matière de cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines nous a permis de définir :
•les notions générales de vulnérabilité des eaux souterraines
•les critères couramment retenus pour la décrire
•les méthodes employées actuellement pour la représenter
On définit la carte de vulnérabilité comme la carte qui détermine la sensibilité des aquifères à la pollution, c’est-à-dire qu’elle matérialise la facilité avec laquelle cette carte peut être atteinte par une pollution. Cette pollution peut être engendrée par une source ponctuelle (ex. décharge, cimetière, rejet d’eau usée brute domestique ou industrielle, etc.), linéaire (pipeline, réseau d’eau usée, réseau de drainage agricole, ….) ou diffuse (engrais chimiques, pesticides, herbicides, épandage des eaux usées domestiques, etc…)
La méthode d’estimation de la vulnérabilité des eaux souterraines à la pollution sont très nombreuses (on dénombre actuellement plus de 24), chacun élaborant sa méthode selon ses besoins. La multiplicité des méthodes provient aussi bien des objectifs recherchés (la réglementation, les activités humaines, les polluants etc.), que du nombre d’organismes qui développent leur propre méthode pour une utilisation spécifique à leur pays, province ou état. On distingue deux types de vulnérabilité; la vulnérabilité intrinsèque et la vulnérabilité spécifique (Schnebelen et al., 2002) :
· la vulnérabilité intrinsèque est le terme utilisé pour représenter les caractéristiques du milieu naturel qui déterminent la sensibilité des eaux souterraines à la pollution par les activités humaines;
· la vulnérabilité spécifique (zone à risque) est le terme utilisé pour définir la vulnérabilité d’une eau souterraine à un polluant particulier ou à un groupe de polluants. Elle prend en compte les propriétés des polluants et leurs relations avec les divers composants de la vulnérabilité intrinsèque.

Facteur de la vulnérabilité

La vulnérabilité d’une nappe dépend de multiples facteurs intervenant soit sur la nature et/ou la concentration de la contamination, soit sur son temps de transfert. Elle est évaluée en prenant en compte les caractéristiques du sol, de la zone non saturée et de la zone saturée qui contrôlent le comportement des polluants. L’ensemble des critères de vulnérabilité rencontrés dans la littérature sont exposés ci dessous.
 Critères relatifs au sol
– Ruissellement–Infiltration : le ruissellement et l’infiltration efficace (quantité d’eau s’infiltrant jusqu’à la nappe) sont représentatifs de la recharge de la nappe. Ils sont
étroitement liés à la topographie et à la nature des formations superficielles et peuvent être représentés dans l’espace grâce à la méthode dite des « indices de persistance des réseaux ». Cette méthode permet la représentation de zones de recharge préférentielle de la nappe. Elle se base sur la comparaison de la topographie traduite en zones potentiellement favorables au ruissellement ou à l’infiltration (à partir du traitement du MNT) avec le réseau hydrographique pris comme représentatif de la réalité de la répartition du ruissellement et de l’infiltration.
-Couverture pédologique : la nature, la texture, la teneur en argiles et en matière organique, ainsi que la puissance (ou épaisseur) et la perméabilité verticale des sols régulent la nature et la quantité d’échanges entre la surface et la zone non saturée.
 Critères relatifs à la zone non saturée
· Profondeur de la nappe libre (ou épaisseur de la Zone Non Saturée) : l’épaisseur de la ZNS conditionne de temps de transfert d’un polluant jusqu’à la nappe (rétention, stockage, interactions physico-chimiques avec l’encaissant) et donc sa possible dégradation en cours de transfert.
· Amplitude de battement de nappe : l’amplitude de battement de la nappe, dans la mesure où elle est significative, conditionne l’épaisseur du recouvrement de la nappe (sol + ZNS). De ce fait elle peut devenir un critère de vulnérabilité.
· Perméabilité verticale de la ZNS : elle dicte le temps de transfert vertical d’un polluant vers la nappe.
· Structure de la ZNS : les variations de faciès, l’épaisseur des discontinuités de faciès et leur position dans le profil vertical, la texture, la teneur en m.o. (matières organiques) et en argile des formations, sont autant de facteurs qui conditionnent la migration de fluides vers la nappe.
 Critères relatifs à la zone saturée
· Type de nappe (libre ou captive) : l’absence d’horizon imperméable entre la surface et le toit d’une nappe libre lui confère un caractère plus vulnérable qu’une nappe captive protégée par des formations imperméables.
· Paramètres hydrodynamiques des formations aquifères (transmissivité (T),
perméabilité (K), coefficient d’emmagasinement (s), gradient hydraulique (i)) : ils déterminent la vitesse de migration des polluants dans la nappe et les temps de résidence de ceux-ci dans la zone saturée.
· Piézométrie : elle rend compte de la géométrie de la nappe et de son fonctionnement hydrodynamique qui peuvent évoluer au cours d’un cycle hydrologique complet. Entre les périodes de hautes eaux et de basses eaux par exemple, les directions d’écoulement et/ou les relations eaux superficielles/eaux souterraines peuvent s’inverser.
· Direction et sens d’écoulement : ils déterminent les espaces susceptibles d’être atteint par un polluant une fois que celui-ci a atteint la nappe.
· Type de système hydrogéologique : la vulnérabilité d’un système hydrogéologique peut être appréhendée à partir de la connaissance de sa réactivité aux impulsions pluviométriques. Un système au caractère transmissif fort se caractérise par des temps de transfert rapides des eaux depuis la surface vers la zone saturée et par de faibles temps de séjour. Il s’agit par exemple des systèmes carbonatés fortement karstifiés. Un système au caractère inertiel et/ou capacitif fort se caractérise par des temps de transfert et des temps de séjours longs.
· Relations nappe/cours d’eau : les relations entre les eaux superficielles et les eaux souterraines peuvent être de deux types, drainage ou alimentation, et conditionnent la possibilité de contamination des eaux souterraines à partir des eaux superficielles.
· Epaisseur de l’aquifère (quantité de réserve) : la quantité d’eau stockée dans l’aquifère détermine les conditions de dilution d’un polluant ayant atteint la nappe.
· Présence ou non d’un horizon moins perméable et position de celui-ci. Cet horizon va déterminer le caractère libre ou captif de la nappe.

Quelques méthode de vulnérabilité

Méthodes DRASTIC

La méthode DRASTIC a été conçue dans les années 1980 par la National Water Well Association suite à une demande de l’EPA. L’objectif était de réaliser une méthode d’estimation de la vulnérabilité intrinsèque applicable aux conditions hydrogéologiques. Il s’agit d’une des méthodes les plus utilisées pour l’estimation de la vulnérabilité Il s’agit d’une méthode des systèmes paramétriques. Ce sont les caractéristiques du milieu assigné d’une valeur numérique qui est utilisées comme paramètres dans ce type de méthode. Différentes étapes sont nécessaires à la mise en place de ce type de méthode :
1- Déterminer la disponibilité des informations pour quantifier les facteurs de la méthode;
2- Déterminer une cote spécifique à chacun des secteurs de la zone d’étude et ce pour chaque facteur du modèle;
3- Attribuer un poids et différents indices à chaque facteur;
4- Combiner les cotes de chaque paramètre pour produire un indice de sensibilité et ce pour tous les secteurs de la zone d’étude.
L’introduction d’un système de cotation numérique pour chaque classe de paramètre et d’un poids d’importance pour chaque paramètre permet d’évaluer les variations de la vulnérabilité. Une des limitations de ce type de méthode réside dans le fait qu’elle n’inclut pas de facteurs particuliers déterminant la sensibilité spécifique d’un aquifère à un polluant. Elle considère sept paramètres, chaque première lettre d’un paramètre constituant le nom de la méthode. À chaque paramètre est attribué une échelle comprenant des intervalles où une cote est attribuée selon la particularité du milieu. Par exemple, plus la profondeur à la nappe est grande plus la côte est faible. Chacun des sept paramètres est ensuite affecté d’un facteur multiplicatif (Dp) fixe de 1 à 5 qui augmente selon l’importance du paramètre dans l’estimation de la vulnérabilité
Les paramètres utilisés sont:
(D) est coté comme un des deux plus importants paramètres dans DRASTIC avec une pondération de 5. Les valeurs de référence sont 0 et 30mètres.
(R) présente une pondération de 4 dans DRASTIC et les valeurs de référence se situent entre 0 et 25 cm.
(A) présente une pondération de 3.
(S) présente une pondération de 2. DRASTIC donne un inventaire des différents types de sols selon la classification de Chart (Soil Conservation Service, 1951) avec les caractéristiques au niveau de l’augmentation du potentiel de contamination pour chacun.
(T) est l’un des paramètres le moins important avec une pondération de 1, l’indice est à spécifier en fonction du pourcentage de pente dont les valeurs de référence vont de 0 à 18%.
(I) est l’autre paramètre le plus important pour le modèle DRASTIC. En effet, une pondération de 5 lui est attribuée.
(C) a une pondération de 3, les valeurs de référence sont de 1 et 24837 litres par jour /mètre

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE 
PROBLÉMATIQUE
CHAPITRE I : MÉTHODOLOGIE MISE EN OEUVRE
I. Définition de la pollution
1.1 Définition
2.2 Paramètres indicateurs de pollution
II. La méthode géophysique
2.1 Généralités
2.2. Prospection électrique – Mesures de résistivité
2.3. La Polarisation Provoquée
III. Utilisation du SIG pour l’étude de vulnérabilité à la pollution
3.1 Définition de la vulnérabilité
3.2 Facteurs de vulnérabilité
3.4 Quelques méthodes de vulnérabilité
CHAPITRE II : PRÉSENTATION DU CADRE D’ÉTUDE
I. Cadre géographique
1.1 Localisation de la zone d’étude
1.2. Paramètre socio-économiques
II. Cadre géologique
III. Géomorphologie
IV. Cadre hydrogéologique
4.1 Caractéristique hydrogéologique d’Antananarivo
4.2 Les eaux souterraines
V. Climat
IV. L’entreprise SAMAF
CHAPITRE III: APPLICATION DU PANNEAU ÉLECTRIQUE A L’ÉTUDE DE LA POLLUTION
I. Les travaux antérieurs
II. Acquisition des données
III. Traitement des données
CHAPITRE IV RESULTATS ET INTERPRETATION
I. Vulnérabilité des eaux souterraines
II. Résultats et interprétation géophysique
2.1 Coupes panneaux électriques
2.2 Cartographie géophysique pour déterminer la perturbation ionique
III. Résultat et interprétation hydrochimique
CONCLUSION GENERALE 
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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