Georadar

Chapitre 5 Méthodes électromagnétiques (le géoradar) GGL-10347 Géophysique appliquée Richard Fortier, ing., Ph.D. Automne 2004

Plan I

Introduction I

Principes de base I

Applicabilité du géoradar I

Types de levé de géoradar I

Interprétation I

Exemples

I

I

I

Objectifs généraux connaître les principes fondamentaux de l’électromagnétisme: – propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu connaître les lois d’Ampère et de Faraday connaître le principe de fonctionnement de quelques méthodes électromagnétiques: – méthode électromagnétique très haute fréquence (géoradar)

I

I

I

I

I

Objectifs spécifiques connaître les différents appareillages pour réaliser les levés électromagnétiques: – géoradar faire la distinction entre les différents modes (réflexion, point milieu commun et transillumination) pour réaliser les levés de géoradar et connaître leur utilité propre être en mesure de concevoir (direction du levé, distance de séparation entre les stations, fréquence d’émission, …) et réaliser un levé électromagnétique (géoradar) être en mesure de traiter (différents filtres pour le géoradar) et d’interpréter un levé électromagnétique (vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu et identification des réflecteurs pour le géoradar) connaître les limitations des méthodes électromagnétiques et leurs domaines d’application

Introduction Le géoradar (Ground Penetrating Radar - GPR) est un terme général appliqué aux techniques qui utilisent des ondes radio courtes de l’ordre de 10 à 1000 MHz pour cartographier les structures du sous-sol I

Il s’agit d’une méthode géophysique qui fournit des profils à très haute résolution, de façon économique et rapide, du sous-sol près de la surface I

I

Le géoradar est aussi utilisé comme une méthode non-destructive de la caractérisation de structures non-métalliques ou peu conductrices

I

Introduction Les applications potentielles du géoradar sont abondantes: – exploration minérale – hydrogéologie – géotechnique – archéologie – cartographie de l’épaisseur des dépôts meubles et du contact au roc – changements de type de dépôts et de roches – localisation des fractures dans la roche en place – étude de la stratigraphie des dépôts – détection de la nappe phréatique – localisation de conduites, barils et murs enfouis

Principes de base Une très courte impulsion électromagnétique à haute fréquence de 10 à 1000 MHz est transmise dans le sol à partir d’une antenne émettrice TX I

I

La fréquence de transmission de l’impulsion électromagnétique dépend de l’antenne émettrice TX

Figure 23

Principes de base La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques transmises dans le sol dépend des propriétés électriques à haute fréquence du sol I

I

Cette vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le sol est de l’ordre de 1/2 à 1/10 celle de la vitesse de la lumière (3 x 108 m/s)

Figure 23

I

Principes de base La profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques est contrôlée par les pertes d’atténuation dans le sol qui sont une fonction de la conductivité électrique du sol

Figure 23

Principes de base Des contrastes de propriétés électriques associés à des changements de matériaux, de masse volumique, de porosité et de teneur en eau produisent une réflexion d’une partie de l’énergie électromagnétique vers la surface I

I

Cette énergie réfléchie est alors détectée par une antenne réceptrice RX

Figure 23

I

Principes de base Trois types d’ondes électromagnétiques se propagent de l’antenne émettrice TX à l’antenne réceptrice RX: – ondes directes dans l’air (1 – air wave) – ondes directes dans le sol près de la surface (2 – ground wave) – ondes réfléchies dans le sol (3 – reflector)

Figure 23

Principes de base

Figure 24a

Levé en réflexion de géoradar

Figure 24b

Profil de géoradar

I

Principes de base Les principaux paramètres à considérer pour comprendre le principe de fonctionnement du géoradar sont: – la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques – l’atténuation des ondes électromagnétiques – la profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques – les coefficients de réflexion des ondes électromagnétiques – la résolution des ondes électromagnétiques

Vitesse de propagation des ondes électromagnétiques La connaissance de la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le sol est requise pour transformer les temps de propagation mesurés en des profondeurs I

I

La vitesse de propagation V est donnée par:

V=

où

c = 0,3 m/ns K

c K

est la vitesse de la lumière dans l’air, et est la constante diélectrique (ou permittivité relative) du matériau étudié qui est l’habilité d’un matériau à se polariser électriquement

Les vitesses de propagation sont plus grandes dans des matériaux de faible constante diélectrique

Propriétés électriques des matériaux Matériau

Constante diélectrique K

Conductivité σ (mhos/m)

Vitesse de propagation V (m/ns)

Atténuation α (dB/m)

Air

1

0

0,30

0

Eau distillée

80

0,01

0,033

2 x 10-3

Eau douce

80

0,5

0,033

0,1

Eau salée

80

3 x 103

0,01

103

Sable sec

3-5

0,01

0,15

0,01

20-30

0,1-1,0

0,06

0,03-0,3

Calcaire

4-8

0,5-2

0,12

0,4-1

Schiste

5-15

1-100

0,09

1-100

Silt

5-30

1-100

0,07

1-100

Argile

5-40

2-1000

0,06

1-300

Granite

4-6

0,01-1

0,13

0,01-1

Sel sec

5-6

0,01-1

0,13

0,01-1

Glace

3-4

0,01

0,16

0,01

Sable saturé

Atténuation des ondes électromagnétiques L’amplitude initiale du signal Ao diminue de façon exponentielle en fonction de la profondeur z et du taux d’atténuation α: I

I

A  z  = A o e − αz   Le taux d’atténuation α du matériau pénétré dépend directement de sa conductivité électrique

Profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques La profondeur de pénétration du signal est donc contrôlée par le taux d’atténuation du matériau pénétré I

L’amplitude des ondes électromagnétiques diminue avec la profondeur en un point tel que les ondes électromagnétiques ne pourront plus être distinguées du bruit électromagnétique I

I

C’est la profondeur de pénétration

Pour un matériau très conducteur tel qu’une argile saturée, la profondeur de pénétration est très faible

Coefficients de réflexion des ondes électromagnétiques La réflexion de l’énergie électromagnétique transmise dans le sol se produit lorsqu’un contraste de constante diélectrique suffisant est présent à l’interface entre deux matériaux I

I

Le niveau de la nappe phréatique est un exemple d’interface I

Le coefficient de réflexion R est donné par:

R= où

K1 et K2

K1 − K 2 K1 + K 2

sont les constantes diélectriques des matériaux à l’interface où se produit la réflexion

Une onde électromagnétique d’amplitude A qui se propage dans le matériau 1 sera réfléchie à l’interface avec le matériau 2 avec une amplitude de R A

Résolution des ondes électromagnétiques La résolution du géoradar est son habileté à distinguer deux signaux (deux réflecteurs) qui sont près l’un de l’autre dans le temps I

I

Des antennes à plus grande fréquence, et donc de plus courte longueur d’onde, vont permettre une plus grande résolution de réflecteurs minces mais au détriment de la profondeur de pénétration (les ondes électromagnétiques à grande fréquence sont atténuées plus rapidement que celles à plus faible fréquence)

I

Applicabilité du géoradar Les conditions qui affectent la pénétration des ondes électromagnétiques dans un milieu sont: – la conductivité électrique – le bruit électromagnétique – la structure des matériaux étudiés – la teneur en eau – l’état gelé ou non des matériaux – le potentiel de réflexion des contrastes de constante diélectrique entre deux milieux

De façon générale, un sable gelé de faible conductivité dont la teneur en eau est faible dans une région où il n’y pas de bruit électromagnétique représente les conditions idéales pour une profondeur de pénétration maximum à une fréquence d’émission donnée

Types de levé de géoradar I

Levé en réflexion I

Levé du point milieu commun I

Levé en transillumination

Levé en réflexion

Figure 25a

Le levé en réflexion est le plus commun des modes d’utilisation du géoradar I

I

La distance de séparation entre les antennes et l’espacement entre deux stations de mesure sont deux paramètres importants lors de la conception d’un levé qui dépendent de la fréquence d’émission des ondes électromagnétiques

Levé du point milieu commun

I

Figure 25b

Le levé du point milieu commun (Common Mid-Point ou CMP) est la méthode normalement utilisée pour évaluer la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le sol

Levé du point milieu commun

I

Figure 26a

Quatre types d’ondes électromagnétiques se propagent de l’antenne émettrice TX à l’antenne réceptrice RX: – l’onde directe dans l’air (1) – l’onde directe dans le sol (3) – l’onde dans l’air réfractée critiquement – l’onde réfléchie (4)

Levé du point milieu commun

I

Figure 26b

Quatre types d’ondes électromagnétiques se propagent de l’antenne émettrice TX à l’antenne réceptrice RX: – l’onde directe dans l’air (1) – l’onde directe dans le sol (3) – l’onde dans l’air réfractée critiquement – l’onde réfléchie (4)

Levé en transillumination I

Figure 25c

Le mode de levé en transillumination peut être utilisé sur des sites où les antennes émettrice TX et réceptrice RX peuvent être placées de façon à illuminer au travers du milieu étudié

Interprétation (exemple d’un levé du point milieu commun)

Figure 26b

Figure 27a

Figure 26a

Interprétation (exemple d’un levé du point milieu commun)

m=

b=

Figure 27

4 h2

V2 V to h= 2

= t o2

1 V2

Exemples de levé de géoradar I

Détection de fractures I

Étude de la stratigraphie de dépôts I

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq

Détection de fractures (Davis et Annan, 1990)

Profil en réflexion de géoradar réalisé dans une galerie percée dans un granite (antennes de 50 MHz)

Figure 28

Coupe géologique au droit du levé

(Davis et Annan, 1990)

Figure 28

Étude de la stratigraphie de dépôts (esker près du lac Contwoyto dans les territoires du Nord-Ouest) (Robinson et Michaud, 1997)

Profil en réflexion de géoradar réalisé sur un esker (antennes de 50 MHz)

Figure 29

(Robinson et Michaud, 1997)

Coupe stratigraphique au droit du levé

Figure 29

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq 80° Ivujivik

75° Salluit

65°

70° Kangiqsujuaq

Baie d’Ungava

Quaqtaq

Akulivik 60° Povungnituk

60°

Kangirsuk Aupaluk Tasiujaq

Inukjuak

Kangiqsualujjuaq Kuujjuaq

Baie d’Hudson ?

Umiujaq

Kuujjuarapik 55°

Baie James

Légende (selon Allard et Seguin, 1987) Pergélisol sporadique

Pergélisol discontinu et répandu

Pergélisol discontinu et dispersé

Pergélisol continu

Limite des arbres

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq Profilage de résistivité électrique (OhmMapper) Profil de géoradar (pulseEKKO 100, 50 MHz) (axe central de la piste)

cs d d

cs

Coupe stratigraphique

Dépression

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq Distance le long de la piste d’atterrissage X (m) 200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0,0

4,0 80

8,0 160 12,0 240 16,0

pulseEKKO 100, antennes de 50 MHz

Profondeur Z (m) Vitesse de propagation de 0,118 m/ns

Temps de propagation aller-retour t (ns)

100

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq Distance le long de la piste d’atterrissage X (m) 200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0,0

4,0 80

8,0 160 12,0 240 16,0

épaisseur du remblai pulseEKKO 100, antennes de 50 MHz

Profondeur Z (m) Vitesse de propagation de 0,118 m/ns

Temps de propagation aller-retour t (ns)

100

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq Distance le long de la piste d’atterrissage X (m) 200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0

remblai

0,0

fluviatile

4,0

80

sables gris (intertidal, glaciel) sables grossiers

8,0

160

sables grossiers, graviers et blocs (coquillages) très pauvre en glace

240

12,0

argile marine 16,0

coupe stratigraphique le long de la rivière Bérard pulseEKKO 100, antennes de 50 MHz

Profondeur Z (m) Vitesse de propagation de 0,118 m/ns

Temps de propagation aller-retour t (ns)

100

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq La dépression occupe un volume d’environ 44 m3 Dépression

Profil type

245

245

240

240

N X

235

31.50

X

235

31.45

Axe longitudinal (m)

225

220

230

31.35 31.30

225

31.25 31.20

220

Topographie (m)

Axe longitudinal (m)

31.40

230

31.15 31.10

215

31.05

215

31.00 210

210

Station de référence Feu de position à 5+230 m

-20

-15

-10

-5

0

Axe transversal (m)

5

10

15

-20

-15

-10

-5

0

Axe transversal (m)

5

10

15

X

Excavation (550 mm de 0-3/4")

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq 245

N 240

0.10

X

235

0.05

230 -0.05 225

-0.10

Topographie (m)

Axe longitudinal (m)

-0.00

-0.15

220

-0.20 215 -0.25 210

Station de référence Feu de position à 5+230 m -20

-15

-10

-5

0

Axe transversal (m)

5

10

15

X

Excavation (550 mm de 0-3/4")

Étude du pergélisol sous la piste d’atterrissage de Tasiujaq

01/09/2004

05/07/2004