BAZIN Arthur CANDY Fabien ROBINET Julien CORMIER Nicolas Philippe LESAGE Bureau d’étude FUGRO STAGE TERRAIN DE GEOPHYSIQUE APPLIQUEE DRUMETTAZ-‐CLARAFOND (73) Master 1 Equipement, Protection et Gestion des milieux de Montagne 2011 TABLE DES MATIERES 1. OBJECTIFS ET METHODES 3 2. CONTEXTE DE LA ZONE D’ETUDE 3 A. B. 3 4 LOCALISATION GEOGRAPHIQUE CONTEXTE GEOLOGIQUE ET GEOMORPHOLOGIQUE 3. MESURES GEOPHYSIQUES 4 A. B. C. D. 4 5 5 7 TOPOMETRIE : MESURE ELECTROMAGNETIQUE : METHODE ELECTRIQUE SISMIQUE REFRACTION : 4. RESULTATS ET INTERPRETATION : A. B. C. 8 8 9 11 ELECTROMAGNETISME : SISMIQUE : METHODE ELECTRIQUE 15 CONCLUSION 1. Objectifs et méthodes L’objectif de ce stage est d’étudier le terrain et d’obtenir le plus d’informations possibles sur la structure du sol pour un projet d’implantation d’un Centre de Stockage des Déchets Ultimes (CSDU). Notre étude consiste en la prospection du sous-‐sol d’une zone située sur la commune de Drumettaz-‐Clarafond et utilise des méthodes de prospection géophysique : -‐ -‐ -‐ -‐ Etude topographique pour la localisation des mesures effectuées. Une prospection électromagnétique (EM31) pour établir la conductivité des sols. Une prospection électrique pour déterminer la résistivité des sols, et leur structure (strates). Une prospection sismique par réfraction pour connaître l’épaisseur des ces couches. Le matériel est en partie mis à disposition par le bureau d’étude Fugro basé sur Technolac. 2. Contexte de la zone d’étude a. Localisation géographique Sur la commune de Drumettaz-‐Clarafond aux abords de la salle polyvalente du village. Cf Fig 1 et 2 Fig 2 : Localisation de la zone d’étude sur la commune de Drumettaz-‐Clarafond. (F. Candy d’après IGN) Fig 1 : Localisation de Drumettaz-‐ Clarafond dans le bassin chambérien. (F. Candy d’après IGN) Cette zone d’étude d’une surface approximative de 0,72 ha est divisée en 3 sous-‐unités : cf Fig 3 Fig 3 : Délimitation des 3 sous-‐unités de la zone. (J. Robinet d’après IGN) b. Contexte géologique et géomorphologique D’après nos connaissances et nos recherches sur le bassin chambérien, la zone d’étude se situe dans de la molasse du miocène au pied des escarpements rocheux calcaires de l’anticlinal Nivollet-‐Revard. Notre terrain est situé en majeure partie sur des vallums morainiques du Würm. Il faut noter la présence d’une moraine latérale sur la partie Ouest de la zone d’étude. Fig 4 : Localisation géologique de la zone d’étude sur le scan de la carte géol. de Chambery. (F. Candy d’après IGN) 3. Mesures géophysiques a. Topométrie : La mesure de topométrie permet des réaliser un mini « MNT » avec des coordonnées X,Y,Z. On effectue les mesures à l’aide d’un tachéomètre. On pourra à l’aide de cette carte placer chacune de nos mesures. On utilise un tachéomètre placé en hauteur (sur talus du remblai) pour pouvoir viser la plus grande partie du terrain possible. le Avant d’effectuer les mesures on effectue les réglages de base du tachéomètre (horizontalité, définition de la direction d’origine). Les points sont établis selon un quadrillage de maille 10m. Sur chaque point on effectue une mesure électromagnétique. Fig 5 : MNT du terrain étudié (A. Bazin) b. Mesure électromagnétique : Principe : On a appliqué la méthode électromagnétique à l’aide de l’EM31. Cet outil permet l'acquisition données de conductivité électrique dont les variations traduisent les hétérogénéités et les variations du sous-‐sol. L’EM31 s’apparente donc a un conductivimètre constitué de deux electrodes. Un dipôle génère un champ magnétique primaire à une fréquence donnée. Lorsque le champ primaire rencontre dans le sol (milieu conducteur), un champ secondaire est généré et détecté par le système de mesure. La profondeur d'investigation dépend de la distance entre les bobines, de l'orientation des bobines, qui peuvent être positionnées suivant un axe vertical ou un axe horizontal, et de la fréquence du champ primaire. La profondeur d’investigation dépend de la conductivité du terrain. On estime une profondeur d’investigation entre 3 à 4 m pour les mesures horizontales (axe de la bobine) et une profondeur de 5 à 6m pour les mesures verticales. Application : L’utilisation de l’EM31 est assez simple, avec un affichage en continu, numérique ou analogique, des valeurs de conductivité électrique sur un boitier intégré à l’appareil. La perche, de 3,60m de long, doit etre tenue parallelement au sol et pour chaque point de mesure deux relevés (inclinaisons) sont effectués. On a réalisé des mesures selon un maillage de 10m. Fig 6 : Délimitation du maillage (J. Robinet d’après Google) c. Méthode électrique Le calcul de la résistivité électrique ( ρ ) permet de classifier les matériels selon leurs propriétés conductrices (isolant ou conducteur). La différence de potentiel entre deux points où passe un courant d'intensité I est proportionnelle à la résistance du milieu traversé. (Loi d’ohm ; U = R x I ). Ainsi chaque composition du sous sol à une résistivité qui lui est propre, en fonction de la porosité, de la teneur en eau… (cf tableau ci dessous) Les matériaux du sous-‐sol sont peu conducteurs. La conduction du courant est déterminée par les flux ioniques du fluide qui le traverse. Ainsi, la conductivité du sous-‐sol nous donne l'expression de la circulation des fluides (ici l'eau). Il peut craindre que la météo des jours précédant l’étude puisse biaiser les résultats. Dispositif expérimental Ont été utilisés pour mesurer la résistivité des sols : un résistivimètre Syscal 4 électrodes (deux d’émission (A et B) et deux de réception (M et N)) une batterie Les mesures consistent à faire varier l’écartement des électrodes A et B d’une part, et de M et N d’autre part. Le résistivimètre affiche la différence de potentiel (ΔV), la résistivité (ρ en ohm.m-‐1), l’intensité (I) et un coefficient de qualité (Q). La profondeur d’investigation dépend de la distance AB (de 2 à 60m). Au plus les électrodes sont écartées, au plus la prospection est profonde. La distance MN varie aussi entre 0,6 et 5m. Soit un milieu homogène. Le schéma ci-‐dessus représente les surfaces équipotentielles du courant émis par l’électrode A. On peut ainsi calculer la résistivité du sous-‐sol ρ = [2Π(r1+r2)*dV]/[(r1*r2)*I = KdV/I . Plan de sondage -‐ Cinq points de mesure ont été effectués : 2 dans la prairie - 2 sur le remblai - 1 sur la moraine d. Sismique réfraction : Les méthodes sismiques utilisent les principes de la propagation des ondes sismiques dans le sous-‐ sol. Les ondes sismiques sont générées en surface du sol et mesurées le long du profil par des géophones. Le dispositif se compose d’une série de capteurs (géophones) reliés à une flute puis à un ordinateur. L’onde de choc est émise grâce à une masse avec laquelle on frappe une plaque métallique posée au sol. Le principe de base est de mesurer le temps de trajet dans le sol d'une impulsion mécanique générée en surface. Nous avons effectué 5 profils répartis sur toute la zone d’étude (moraine, remblai et zone centrale). Chaque profil mesurant 60m et étant constitué de 12 géophones. Fig 8: Délimitation des transect (J. Robinet d’après Google) Légende : 1-> onde directe 2-> onde réfléchie 3-> onde réfractée Fig 9 : Schéma explicatif de la méthode sismique. (d’après www.lis.inpg.fr) Les données sont enregistrées par un Stratavisor fonctionnant sur batterie et équipé d’un disque dur. On peut a partir des courbes obtenues tracer les hodochrones pour chaque profil. Ces hodochrones nous permettent de déduire les vitesses de propagation des ondes dans les différentes couches, l’épaisseur et la profondeur de chaque couche. 4. Résultats et interprétation : a. Electromagnétisme : La carte présentant les résultats obtenus est réalisée à partir d’une table avec les coordonnées des points de mesures et les valeurs de conductivité associées. Le logiciel Surfer permet de créer une carte d’iso-‐valeurs, représentant en rouge les plus fortes valeurs de conductivité. Conductivité (en mS/m) BuƩe 80 80 60 60 40 40 20 20 0 0 -20 -20 -40 -40 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Zone de remblai N -80 Point de mesure -60 -40 -20 0 - 2,70 m 0 0 m -80 -60 -40 -20 0 - 5,40 m Fig 13 Cartes de conductivités. J.ROBINET avec Surfer 10. 20 m 40 m 0 Ici les valeurs varient entre 10 et 60 mS.m-‐1, à titre indicatif puisqu’on dépend de l’étalonnage. Plusieurs observations : -‐ -‐ -‐ -‐ Le terrain est plus homogène en surface, jusqu’à 2m70 on observe des conductivités plus faibles. La moraine d’une altitude plus élevée, présente des terrains de faible conductivité jusqu’à 5m40. Ces terrains semblent être homogène en profondeur puisque les mesures s’échelonnent entre 10 et 20 mS.m-‐1. La présence de 2 réverbères peut expliquer les deux anomalies ponctuelles sur la carte de faible profondeur. Le métal des câbles et des poteaux augmentent la conductivité. La conductivité de la pelouse est différente pour les 2 types de mesures réalisées : Ceci peut s’expliquer : -‐ -‐ -‐ -‐ Par une teneur en eau importante qui favorise la conductivité. On peut faire l’hypothèse d’une nappe d’eau pour expliquer la différence de conductivité. Situé à plus de 2m70 un niveau argileux peut expliquer l’augmentation de conductivité. On expliquera alors l’anomalie par la présence d’eau dans cette couche ou son hétérogénéité. La présence de bouches d’égout sur le terrain peut engendrer une perturbation des mesures. La conductivité du remblai et de la forêt obtient des valeurs moyenne ( 10-‐30 en surface et 30-‐35 en profondeur). La topographie et les mesures sont souvent corrélées. Les terrains ayant une altitude plus élevée ont une faible conductivité. La conductivité est toutefois liée à la nature du sol et du substratum. La présence d’eau dans les sols épais ou argileux sous la pelouse, la composition minérale spécifique de la moraine, et la composition variée du remblai. b. Sismique : Les sismogrammes nous permettent de déterminer les temps d’arrivées des premières ondes le long de chaque profil étudié (cf. fig. 11 : Sismogramme le long d’un profil). Il est ainsi possible de reconstituer les hodochrones nécessaire à la détermination des profondeurs des couches ainsi que des pendages de celles-‐ci comme sur la figure 10. 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0 10 20 30 40 50 60 Fig. 10 : Hodochrones du tir direct du profil n°4 (A. Bazin) Grace à la courbe on peut déterminer qu’il y a deux couches et qu’une troisième, en surface, est également présente. Il est également possible de calculer les vitesses d’ondes dans les couches 2 et 3 ainsi que leurs profondeurs et leurs pendages. Fig. 11 : sismogramme du profil n°4 (A. Bazin) Le tableau suivant résume les différentes vitesses trouvées ainsi que les différentes valeurs obtenues pour les profondeurs et pendages. Terrain Profil Couche Remblai 1 1 2 3 1 2 2 3 1 3 2 3 Esplanade 1 4 2 3 1 5 2 3 Moraine 1 6 2 3 Vdirect 217 2500 416 645 3333,3 400 476 2000 297,9 1562 2941,2 297,9 1315,8 2500 1470 2777,7 Vinverse 750 2500 847,5 2631,6 1250 2500 2000 5000 1250 2500 T0direct 0 0,0212 0 0,0177 0,027 0 0,01 0,0275 0 0,0128 0,019 0 0,012 0,01925 0 0,0092 0,0162 T0inverse ϴc 0 0 0,0125 17,19 0,0282 0 0,00825 14,58 0,0262 0 0,004 6,99 0,014 0 0,0212 4,40 0,0292 0 0,0042 0,018 α h ϴc2 ϴ1 h -‐16,49 3,85 11,16 7,17 5,66 -‐13,58 2,07 13,77 11,54 8,52 -‐6,80 1,92 32,08 5,81 11,37 -‐4,17 1,79 31,76 6,84 11,30 On observe donc trois couches dans chacun des terrains. Pour le remblai : • • Une couche au voisinage de 3 m de profondeur qui possède un pendage d’environ 14° vers le Sud-‐Ouest (d’où la différence de profondeur selon les profils). Une couche entre 5,66 m sur le profil n°2 et 8,52 m sur le profil n°3, qui correspond au substratum dont le pendage explique la différence de profondeur. Pour l’esplanade : • • Une couche à 1m 80 de profondeur dont le pendage est de 5° vers le Sud-‐Est. Une couche autour de 11 m 30 qui correspond au substratum. Ici, il n’apparaît aucune différence significative de profondeur entre les deux profils, ceci peut s’expliquer par l’imprécision des mesures, le fait les profils soient proches, l’absence de pendage de la couche en cette zone. Pour la moraine : le manque de données sur la première couche empêche le calcul des profondeurs des autres couches. Le remblai correspond à l’ajout de matériaux sur le terrain de l’esplanade, les couches doivent donc coïncider entre ces deux terrains. On peut donc en déduire une structure du sol. Le schéma suivant montre la disposition des 3 couches dans le sol. Fig. 12 : Représentation en 3D du terrain ainsi que des 3 toits des couches. c. Méthode électrique La résistivité, la différence de potentiel électrique ainsi que l’intensité ont été relevés à partir de l’écran du résistivimètre. C’est grâce au logiciel QWSLEN que l’on obtient les graphes suivants. Après ajustement du modèle, ils représentent la résistivité en fonction de la distance AB Pelouse Sondage 1 Sondage 5 Profondeur (m) Résistivité (ohm.m-‐1) Sondage Sondage E-‐ Sondage Sondage E-‐ N-‐S W N-‐S W Couche superficielle 1.53 0.93 76.51 57.49 Couche intermédiaire 3.38 6.44 41.5 22.94 Couche profonde / / 68.69 58.55 Les deux sondages nous permettent d’identifier 3 couches : - La plus superficielle, d’une épaisseur de 1 à 1,5 mètres décrit une résistivité d’environ 60-‐80 ohm.m-‐1. - Celle intermédiaire, d’une épaisseur variant entre 2 et 5 mètres, est bien moins résistive (de 20 à 40 ohm.m-‐1). - Enfin, la couche profonde (d’épaisseur inconnue), à une résistivité de 60 à 70 ohm.m-‐1. Ces résistivités sont faibles, autrement dit, les sols sont plutôt de bons conducteurs. Si l’on compare les valeurs obtenues à celles théoriques du tableau de résistivité, on comprend que notre sous-‐sol est de texture assez fine, de type limon. Ceci n’est pas aberrant compte tenu de la situation en cuvette de la pelouse. En effet, au plus la texture du sol est fine, au plus ils retiennent l’eau (et sont donc peu résistifs). Ceci paraît logique, surtout si l’on s’intéresse à la végétation sus-‐jacente, à dominante hygrophile (prêles). De l’eau est même visible en bordure Est de la pelouse (ruisseau). C’est la couche intermédiaire qui est la plus conductrice, elle doit certainement être plus argileuse. Zone remblayée Sondage 2 Sondage 3 Couche superficielle Couche intermédiaire Couche profonde Profondeur (m) Sondage Sondage E-‐ N-‐S W 3,18 2,05 9,42 9,17 / / Résistivité (ohm.m-‐1) Sondage Sondage E-‐ N-‐S W 80,96 68,18 44,05 35,77 45,23 69,45 Les deux sondages nous permettent ici aussi d’identifier 3 couches : - La plus superficielle, d’une épaisseur de à 2-‐3 mètres décrit une résistivité d’environ 70-‐80 ohm.m-‐1. - Celle intermédiaire, d’une épaisseur de 6 à 7 mètres, a une résistivité d’environ 40 ohm.m-‐1. - La couche profonde (d’épaisseur inconnue), à une résistivité de 50 – 70 ohm.m-‐1. On peut globalement tirer les mêmes conclusions pour la zone remblayée que pour la prairie concernant les faibles résistivités. Les différences les plus significatives concernent l’épaisseur des couches. La première est épaisse d’environ 2-‐3 mètres. Si l’on considère le sol avant remblaiement faiblement pentu, On peut en déduire que l’interface entre la première et la seconde couche n’est que la surface de contact entre la terre rapportée et le sol initial. Ceci est cohérent, le remblai étant 3m plus haut que la prairie à l’aplomb. La seconde couche serait donc la même couche que la plus superficielle de la prairie. Cependant, les résistivités ne sont pas tout à fait les mêmes (60 à 70 ohm.m-‐1 en prairie contre 35 à 40 ohm.m-‐1 sous la terre remblayée). L’écart n’est pas gigantesque et on peut supposer que seule la quantité d’eau dans l couche peut expliquer cette différence. La couche la plus profonde, à environ 9 mètres de profondeur, pourrait être la même couche profonde que pour la prairie (6mètres de profondeur + 3mètres de remblai). De plus, la résistivité de cette couche observée sous le remblai et en prairie est similaire, de l’ordre de 50 à 70 ohm.m -‐1 . Il serait aberrant de dire que le sous sol de la prairie comporte le même nombre de couche que celui de la zone remblayée, étant donné que le remblai en lui même est une couche. On s’attendait à avoir une couche de plus dans cette zone. L’hypothèse la plus juste serait de dire qu’il existe une interface (dans la couche intermédiaire) complètement transparent et non détecté par la méthode électrique. Moraine : Couche superficielle Couche intermédiaire Couche profonde Profondeur (m) Sondage N-‐S 0,57 2,71 / Résistivité (ohm.m) Sondage N-‐S 110,5 345,1 93,33 Un seul sondage a été effectué sur la moraine. Il donne lui aussi 3 couches : - La plus superficielle, très fine (moins d’un mètre) décrit une résistivité de 110 ohm.m-‐1. - Celle intermédiaire, d’une épaisseur de 2 mètres, a une résistivité d’environ 350 ohm.m-‐1. - La couche profonde (d’épaisseur inconnue), à une résistivité de 50 – 70 ohm.m-‐1. En comparant les résistivités des différentes couches, on s’aperçoit qu’il y a une variabilité bien plus importante que pour la prairie ou le remblai. Celle superficielle a une résistivité de 110 ohm.m-‐1. Elle est donc bien moins conductrice que les terrains précédents. La topographie (butte) et la nature géologique (moraine) expliquent cette faible conductivité électrique. En effet, le matériau de base de la moraine est assez grossier, et la topographie de butte permet un ressuyage bien plus important (moins d’eau). La couche intermédiaire est encore plus résistive que celle du dessus, pour les raisons précédemment décrites. La différence entre les deux couches pour s’expliquer par la pédogénèse qui aurait affiné la texture du sol et par la présence d’un humus en surface. Aussi l’eau de pluie (tombée la veille) pourrait ne pas avoir encore percolé en profondeur dans le profil. Enfin, la couche la plus profonde (en dessous de 3mètres environ) est bien moins résistive que les horizons sus jacents. Il est peu probable que l’on ait changé de géologie (la moraine est certainement bien plus épaisse que cela. Par contre, il se peut que la matrice morainique soit de texture plus fine (limons) et que la rétention en eau accrue. Le sous-‐sol de la zone étudiée est résumé par la coupe ci après. 5. Conclusion Certaines données obtenues sont assez bien corrélées : Les résultats des méthodes électromagnétique et électrique se recoupent bien. • • Elles s’accordent à donner une zone très humide ou très argileuse ou les deux au niveau de la pelouse centrale. Malgré les couches décelées en résistivité, on peut considérer grâce à la conductivité que la moraine n’est bien qu’un seul ensemble composé de petites strates (tassement, grano-‐ classement) Les méthodes électrique et sismique permettent de définir le nombre de couches et leur épaisseur. • • On obtient 2 couches, puis le substratum globalement sur tout le terrain en méthode sismique. Tandis que la méthode électrique nous permet de détecter une strate de faible profondeur (difficile à mesurer au niveau du remblai) que l’on aura pas déceler avec les tirs sismiques à cause d’une trop grande échelle de vision. L’implantation d’un centre de stockage de déchets ultimes (CSDU) nécessite des caractéristiques du sol limitant la propagation des lixiviats jusqu’à la nappe en cas de défaillance même si la réglementation nécessite la pose de géo-‐membranes autour des déchets pour protéger la nappe et le sol. Deux propriétés du sol sont à prendre en compte : • • La proximité de la nappe. Les eaux de percolation ne pourront pas être naturellement dépolluées par le sol si la nappe est proche de la surface. La perméabilité des terrains : Une couche argileuse peut limiter la percolation des eaux. Le remblai ne peut être utilisé pour le stockage de déchets, puisque les matériaux sont de nature très variée, donc la porosité est plus forte. Il en est de même pour la moraine, sachant qu’il serait aberrant de vouloir poser une infrastructure sur une butte alors que le terrain d’à coté est déjà nivelé. Une mesure supplémentaire sur la pelouse, à l’aide d’un carottage/forage permettrait de connaître précisément la nature des terrains responsables des valeurs observées : • • Si cette méthode prouve que la conductivité est élevée par la présence d’une couche très riche en argile, la pelouse serait bien adaptée à l’implantation du CSDU, qui plus est, présente une concavité intéressante pour la maîtrise d’œuvre. Si, au contraire, c’est uniquement la présence d’eau qui en est responsable, l’implantation ne serait pas à conseiller.
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