Méthodes Géophysiques

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Le principe des prospections géophysique

Le principe d’une prospection géophysique doit permettre, au-delà de la détection, d’assurer une représentation compréhensible à base d’une cartographie et d’une interprétation.

• Choisir une méthode adaptée à la problématique

Il existe deux types de méthodes : les méthodes passives qui mesurent un champ naturel et les méthodes actives qui génèrent un champ dont on mesure les perturbations dues aux propriétés physiques et à l’hétérogénéité du milieu.

• La prospection sur le terrain : les choix stratégiques

La maille de la mesure est un choix important : si l’anomalie recherchée est de taille X, la maille d’échantillonnage doit être au maximum tous les X/2, afin d’éviter des anomalies de détermination (phénomène d’aliasing).
Notons que la recherche s’effectue en trois dimensions et que plus la structure sera profonde, plus on pourra prendre une maille large (diffusion de l’onde).

Une des tactiques d’orientation de la prospection est de se placer dans une direction faisant un angle de 45° avec les structures connues. Cette méthode permet d’optimiser le temps de recherche.

• L’exploitation des données à l’aide de diagrammes ou de cartes

Un premier type de diagramme est appelé wire diagram ; c’est un diagramme mono-directionnel, obtenu par une prospection selon des lignes dirigées dans la même direction. Il est essentiellement utilisé avec les méthodes magnétiques.

Une deuxième méthode de représentation consiste à discrétiser les valeurs sous forme de classes et à les représenter par des symboles ou des couleurs différentes.

Enfin, il est possible d’utiliser une représentation en trois dimensions, l’altitude représentant l’amplitude de la mesure.

Enfin, la réalisation de cartographie à base de courbes de niveaux (courbes iso) associées aux amplitudes des champs est la forme la plus efficace mais aussi la plus complexe à réaliser.

• Traitement du signal

Le signal doit être filtré pour éliminer le bruit résiduel provoqué par des phénomènes naturels parasites. Le type de filtre choisi doit être adapté à la méthode employée et à la source perturbatrice.

Le principe de la méthode de mesure de résistivité

Elle consiste à mesurer la résistivité électrique du sol. Il s’agit donc de quantifier la “difficulté” avec laquelle un courant traverse un volume donné, fonction de la composition de ce volume. La résistivité est mesurée en Ohmmètre. Un sol très sec ou pierreux à une résistivité haute ; humide ou salé, il verra sa résistivité baisser. Cette méthode fonctionne assez bien en prospection archéologique.

La mesure de la résistivité se fait par injection d’un courant dans le sol, qui crée un potentiel électrique mesuré. On sait que U = RI par la loi d’Ohm. On fait donc circuler un courant entre deux électrodes, dont on mesure les variations de potentiel. Cependant, les électrodes branchées au niveau du sol possèdent une résistance dite de contact qui apparaît à l’interface électrode-sol et qui est très supérieure à la résistance du sol. On utilise donc quatre électrodes, qui permettent de réaliser une mesure différentielle et de mettre en évidence un potentiel apparent et ses variations.

Cependant cette mesure est fonction de la position relative des électrodes ; on introduit un coefficient géométrique qui rend compte de la configuration et qui permet de s’affranchir de sa prise en compte. On obtient alors une résistivité (au lieu d’une résistance), indépendante de la position relative des électrodes.

On utilise un courant alternatif, qui permet de se débarrasser de la polarisation naturelle du sol (on mesure V + Vnature puis – V + Vnature d’où par différence, on obtient 2V).

En général, les deux électrodes de référence sont placées assez loin pour éviter les courants parasites et les deux électrodes de mesure sont séparées de 50 cm à 2 m. Plus l’écartement est important, plus le courant pénètre profondément dans le sol ; il est donc important d’avoir une stratégie d’étude en fonction des vestiges recherchés. Il est également important d’avoir une idée de la géomorphologie du sous-sol qui peut introduire des parasitages.

Dans cette logique, le sondage électrique est possible : il consiste à obtenir une coupe de terrain verticale en éloignant de plus en plus les électrodes. Mais les résultats doivent tenir compte de la participation à la résistivité des couches supérieures (qui n’est pas simplement additionnelle) et doivent être traités a posteriori.

La méthode électrostatique

La méthode est la même mais la mesure se fait par l’utilisation de condensateurs à la place d’électrodes. Ainsi, une plaque de métal placée entre deux lames d’isolant est approchée du sol ; la mesure du potentiel est réalisée par un autre condensateur qui se charge et se décharge. La méthode est ensuite identique à celle de la résistivité électrique.

Le principe des méthodes électromagnétiques

Elles permettent de mesurer des variations de la conductivité électrique, la susceptibilité magnétique et la permittivité diélectrique ou électromagnétique.

Les appareils utilisés sont assez complexes en général.

• Détecteur à métaux

Les formes les plus simples sont constituées de deux bobines, l’une émettrice, l’autre réceptrice. La bobine réceptrice mesure une force électromotrice fonction des éléments métalliques rencontrés.

• Mesure de la susceptibilité magnétique

Elle mesure la capacité d’aimantation d’un corps. Il s’agit en particulier des éléments contenant des oxydes de fer ou de manganèse. L’action du feu augmente la proportion des oxydes les plus aimantables. Ainsi, toute partie chauffée et rubéfiée peut ainsi être mise en évidence. Il en va de même pour les fossés néolithiques, mais aucune explication n’en a encore été donnée !

• Mesure de la conductivité électrique

Il s’agit de la mesure inverse de celle d’un détecteur à métaux. Une bobine émettrice génère un champ magnétique alternatif qui induit des courants dans le sous-sol notamment dans les parties métalliques (il fonctionne donc aussi en détecteur de métaux). Ce mouvement de courant génère un champ retour, capté par la bobine réceptrice. La principale limitation vient de la profondeur possible d’investigation qui dépend de l’éloignement latéral des deux bobines.

• Mesures radar

Elle s’appuie sur la mesure d’une constante diélectrique. On mesure ainsi la capacité d’un matériau à se polariser sous l’action d’un champ. La méthode radar permet d’effectuer des mesures à une profondeur voulue. Elle consiste à émettre une onde électromagnétique de haute fréquence et à recevoir les échos à l’aide d’une antenne réceptrice, fonctions des matériaux rencontrés. La réponse est en partie provoquée par une variation de la constante diélectrique. Lorsque l’onde rencontre une interface, elle est en partie réfléchie et donne un signal. Le reste de l’onde continue à se propager mais elle est aussi en partie absorbée. L’adaptation du radar au sol tient compte de la dispersion beaucoup plus importante que dans l’air.

Les données obtenues sont des temps de propagation (il faut connaître la vitesse dans le milieu pour obtenir une stratigraphie à l’échelle).

Les hautes fréquences, plus riches en énergie, pénètrent mieux dans le sol, mais ne détectent que de grandes structures. Les ondes de faibles fréquences pénètrent peu mais permettent de mettre en évidence de petite structure (la fréquence T est en effet liée à la longueur d’onde Lambda par Lambda = cT, c vitesse de la lumière dans le milieu).

Des phénomènes de diffraction interviennent surtout dans les ruptures brutales et font apparaître des anomalies localisées.

• La prospection magnétique passive

Le champ mesuré est celui de la terre, qui varie dans le temps et dans l’espace. La méthode consiste à mesurer l’amplitude de ce champ (en nanoteslas). Les anomalies observées sont en théorie dues aux structures archéologiques. Cette méthode est en effet sensible aux constructions en terre cuite, briques et tuiles qui possèdent une aimantation rémanente (principe utilisé en archéomagnétisme).

Les appareils de mesure utilisés sont :
– les magnétomètres à protons ;
– les magnétomètres à pompage optique.

Parallèlement, les variations journalières du champ terrestre sont enregistrées dans des observatoires : il faudra alors les retrancher aux mesures effectuées. Cependant, les variations sont également fonction de la situation topographique… Il faudra donc en permanence effectuer les mesures d’un point de référence pour connaître ces variations. Ce type de prospection est très sensible aux éléments ferreux qu’il conviendra d’éliminer du terrain et des poches du prospecteur…

• Une autre méthode : la gravimétrie

La mesure du champ de pesanteur permet de mettre en évidence des anomalies dues à des variations de densité. Elle permet également de repérer des cavités souterraines. Cependant son emploi est assez lourd et elle fait appel à une topométrie millimétrique.

• La thermographie

On utilise des caméras InfraRouge qui mettent en évidence des variations de température en surface dues à des structures enterrées. Les cameras captent l’IR lointain. Cette méthode permet de repérer les microreliefs.

• Les méthodes sismiques

Elles consistent à mesurer des variations de densités se traduisant par des réflexions d’ondes de basse fréquence, sur le même principe que les sonars bien connus du grand public.