Composition de l’eau de mer

L’environnement marin, de par sa nature, engendre des contraintes de conception et d’utilisation sur les électromètres et magnétomètres destinés à y fonctionner. Nous commençons par présenter ledit environnement et ses propriétés physiques ayant une influence sur le fonctionnement des capteurs. Il a également une influence sur la formation et la propagation de différents signaux électromagnétiques. La mesure de ces différents signaux permet d’adresser différentes applications, qui seront exposées dans un second temps. Enfin, nous présentons l’état de l’art des électromètres et magnétomètres marins permettant jusqu’à présent de mesurer ces signaux dans le cadre de ces applications.

Environnement marin

L’eau de mer est composée d’un certain nombre d’éléments, qui lui confèrent ses propriétés physiques. Nous présentons dans un premier temps la composition de l’eau de mer, puis ses propriétés physiques. Enfin nous présentons la composition et les propriétés physiques des sous-sols marins.

Composition de l’eau de mer

L’eau de mer est constituée d’eau et de sels. En 1715, Edmond Halley explique leur présence [6] par l’arrachement d’ions dus à l’écoulement des eaux de pluie et des rivières. En se jetant dans la mer, ces eaux apportent avec elles ces sels et minéraux. Ces ions sont ensuite concentrés dans la mer en raison de l’évaporation de l’eau. La salinité des océans étant stable depuis plusieurs milliards d’années, d’autres processus entrent en jeu. Ainsi, les ions sont enlevés par formation d’évaporite [7] et par réactions chimiques avec les basaltes.

La salinité désigne la quantité de sels dissous dans un liquide. Dans les mers ouvertes, la salinité est généralement comprise entre 30 (atlantique Nord) et 42 ?. ?−1 (mer Rouge). Les mers fermées et semi-ouvertes peuvent présenter des salinités très différentes (mer Baltique (6 ?. ?−1) et mer morte (330 ?. ?−1)). Les régions où les apports d’eau douce sont importants présentent une salinité plus faible, tandis que celles où l’évaporation est importante présentent une salinité plus grande.

La concentration en ions dans une eau de salinité 35 ?. ?−1 . L’eau de mer présente la particularité que, quelle que soit sa salinité, la proportion entre les concentrations des différents ions reste identique. Cette loi a été déterminée par W. Dittmar en 1884 [9]. Cela est dû au fait que les eaux circulent librement entre les différents océans.

Permittivité électrique
La permittivité électrique relative de l’eau de mer varie entre 78 et 81 en fonction de la salinité, de la température et de la profondeur. Nous utiliserons une valeur de 80 pour les calculs.

Concentration en dioxygène
La concentration en dioxygène dissous dans l’eau de mer. pour une expérience réalisée en 2007 au sud des îles canaries (27°02′59″N, 16°07′32″W) [14]. Elle peut avoir une influence sur le potentiel pris par une électrode au contact de l’eau de mer en raison des réactions d’oxydo/réduction impliquant de l’oxygène qui pourraient se dérouler à sa surface.

Sous-sols océaniques

Nous verrons par la suite que la conductivité des sols marins est un paramètre à prendre en compte dans l’étude du fonctionnement d’un électromètre posé au fond de l’eau. En effet, un milieu d’une conductivité différente à proximité du capteur peut perturber la répartition des courants et ainsi fausser la mesure. C’est pourquoi nous présentons ici rapidement une vision simplifiée de la structure des sous-sols océaniques. Les sous sols océaniques [15], [16] sont composés de trois couches principales. La première est composée de sédiments très humides, saturés en eau de mer, sur une épaisseur variant entre 0 et 0,5 ?? selon les endroits. A proximité des failles océaniques, l’épaisseur des sédiments est quasiment nulle. Plus on s’en éloigne, plus l’âge de la croûte océanique est importante, plus l’épaisseur de cette couche est grande. La conductivité des sédiments est de l’ordre de 1 − 2 ?. ?−1 . La couche suivante est constituée de basaltes en coussins, avec des fissures contenant de l’eau de mer sur une épaisseur de 1,5 ??. La conductivité de cette couche est très variable, et peut aller entre 0,01 et 1 ?. ?−1. Ensuite se trouvent des dykes sur une épaisseur de 0,5 ?? environ, de conductivité 0,01 ?. ?−1 . Enfin se trouvent des gabbros sur une épaisseur de 5 ?? environ, d’une conductivité de 1 ??. ?−1.

Applications

Les besoins en capteurs de champs électromagnétiques fonctionnant dans cet environnement sont nombreux, et les applications variées. Les domaines d’utilisation de tels capteurs sont la géophysique (mesures de résistivités des sols pour la recherche d’hydrocarbures ou de minerais, ou pour la connaissance de la structure des sols pour la prévention des séismes par exemple), la surveillance et la détection de bâtiments navals, l’océanographie, et d’autres applications telles que mesure de corrosion sur des coques. Nous passons en revue les différentes applications dans cette section.

Applications géophysiques

Méthode magnétotellurique

La méthode magnétotellurique (MT) [17],[18] a pour objectif de déterminer la résistivité des sous-sols par la mesure des variations des champs électromagnétiques naturels à leur surface. Cette méthode a été introduite pour la première fois par Louis Cagniard [19] au début des années 1950. Depuis de nombreux capteurs spécifiques à cette application ont été développés [20]. Des courants circulent continuellement dans les sous-sols terrestres et marins. Ces courants sont produits par des variations temporelles des champs magnétiques. Ces derniers peuvent avoir des origines naturelles : champs de la magnétosphère, champs induits par des variations de courant dans l’ionosphère, éclairs,… ou liées aux activités humaines : perturbations magnétiques liées au passage de bateaux, activités industrielles à proximité des côtes,… Ces variations de champ magnétique provoquent la circulation de courants dans les sols, dont la répartition dépend également des caractéristiques électriques des sols. Les courants circulant dans les sols génèrent ensuite des champs électromagnétiques secondaires, que l’on peut détecter avec des magnétomètres et électromètres placés au fond de l’eau. La mesure de ces champs électromagnétiques permet ainsi de déterminer les caractéristiques électriques des sols, et leur résistivité.

Les applications de la méthode magnétotellurique sont les suivantes :
– Exploration pétrolière : la méthode magnétotellurique est un complément à la méthode sismique utilisée pour la prospection pétrolière. La mesure des ondes mécaniques se propageant dans les sols permet de connaître la position des frontières entre les différentes couches géologiques. La magnétotellurique permet ensuite de déterminer la nature de ces couches.
– Exploration minière : la magnétotellurique est utilisée pour la prospection de différents minerais et gisements : métaux, diamants,…
– Exploration géothermique [22] : recherche de zones permettant la construction de centrales géothermiques (centrales utilisant la chaleur du sol pour produire de l’électricité). Ces zones comprennent une source de chaleur, un réservoir à partir duquel la chaleur est extraite, un fluide géothermique (gaz ou eau présents dans le réservoir), et une zone de recharge permettant d’alimenter la zone en fluide. La mesure de la résistivité des sols, qui dépend également de la température, peut donc permettre de trouver de telles zones.
– Géophysique : la méthode magnétotellurique est utilisée pour la géologie, afin de mieux connaître la composition des couches terrestres et la tectonique des plaques.
– Prédiction des tremblements de terre [23] : des recherches sont actuellement en cours pour utiliser les signaux électromagnétiques magnétotelluriques comme signes précurseurs des tremblements de terre.

Les profondeurs d’investigations typiques sont comprises entre 300 ? et 10 000 ? environ. Plus la fréquence de mesure des champs électromagnétiques est basse, plus la profondeur d’investigation est grande. La résolution latérale de la mesure dépend de l’espacement entre les capteurs.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Environnement marin
I.1. Composition de l’eau de mer
I.2. Propriétés physiques
I.2.1. Conductivité électrique
I.2.2. Permittivité électrique
I.2.3. Concentration en dioxygène
I.3. Sous-sols océaniques
II. Applications
II.1. Applications géophysiques
II.1.1. Méthode magnétotellurique
II.1.2. CSEM
II.2. Applications militaires
II.3. Autres applications
II.3.1. Océanographie
II.3.2. Diagnostic de structures sous-marines par mesure de corrosion
II.3.3. Détection d’objets
III. Etat de l’art
III.1. Capteurs à mesure de courant
III.1.1. Principe de fonctionnement
III.1.2. Etat de l’art
III.1.3. Matériaux d’électrodes
III.1.4. Influence de l’environnement
III.1.5. Magnétomètres
III.2. Capteurs à mesure de tension
III.2.1. Principe de fonctionnement
III.2.2. Etat de l’art
III.2.3. Influence de l’environnement
III.3. Avantages/inconvénients
III.3.1. Niveau de bruit
III.3.2. Précision
III.3.3. Encombrement
IV. Objectifs
IV.1. Problèmes à résoudre
IV.2. Stratégie
Chapitre 2 : Etude du fonctionnement
I. Principe de fonctionnement
II. Transducteur E-I
II.1. Fonction de transfert en milieu infini
II.1.1. Modélisation du capteur
II.1.2. Validation expérimentale
II.1.3. Mesure vectorielle
II.2. Fonction de transfert au fond
III. Transducteur I-B
III.1. Objectifs et contraintes de conception
III.2. Fonction de transfert
III.3. Homogénéité
IV. Magnétomètre
IV.1. Choix du magnétomètre
IV.2. Magnétomètre scalaire à hélium
IV.2.1. Principe de fonctionnement
IV.2.2. Magnétomètre Bell-Bloom
IV.3. Magnétomètre champ nul à hélium
Chapitre 3 : Conception globale
I. Architectures
I.1. Architectures 1D
I.1.1. Avec magnétomètre vectoriel
I.1.2. Avec magnétomètre scalaire
I.1.3. Traitement des données
I.2. Architectures 3D
I.3. Comparaison des architectures
II. Conception globale
II.1. Influence des paramètres de conception
II.1.1. Géométrie du capteur
II.1.2. Paramètres de bobine
II.2. Démarche
II.3. Résultats
II.3.1. Architecture avec magnétomètre vectoriel
II.3.2. Architecture avec magnétomètre scalaire
II.4. Etude des bobines
II.4.1. Inductance
II.4.2. Influence des erreurs de fabrication
III. Calibration
III.1. Calibration par variation d’une grandeur caractéristique
III.2. Calibration par mesure alternée courant-tension
IV. Bilan
Chapitre 4 : Réalisation et tests
I. Fabrication et caractérisation des éléments de base
I.1. Electrodes
I.1.1. Dépôt d’AgCl
I.1.2. Influence de l’épaisseur et de la vitesse de dépôt
I.1.3. Observation des dépôts d’AgCl
I.1.4. Caractérisation des électrodes finales
I.1.5. Fonction de transfert
I.2. Dispositif expérimental de mesure du courant
I.2.1. Interrupteur
I.2.2. Bobine
I.2.3. Magnétomètre
I.3. Electronique
I.4. Bilan
II. Tests
II.1. Linéarité
II.2. Réponse fréquentielle
II.3. Niveau de bruit
III. Conclusion
Conclusion
Annexes

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