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Détection de cavités par géophysique Bilan des expériences 1990-2002 Rapport fi

Détection de cavités par géophysique Bilan des expériences 1990-2002 Rapport final BRGM/RP-52898-FR mai 2004 Détection de cavités par géophysique Bilan des expériences 1990-2002 Rapport final BRGM/RP-52898-FR mai 2004 Étude réalisée dans le cadre des projets de Recherche du BRGM 2003-ARN-10 et 2004-ARN-80 N. Debeglia, F. Lebert Avec la collaboration de A. Bitri, B. Bourgeois, L. Closset Mots clés : Géophysique, Cavités souterraines, En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Debeglia N., Lebert F., avec la collaboration de Bitri A., Bourgeois B., Closset B. (2003) – Détection des cavités par géophysique. Bilan des expériences 1990-2002. BRGM/RP-52898- FR, 165 p., 50 ill., 2 ann. © BRGM, 2004, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM. Détection des cavités par géophysique : bilan 1990-2002 BRGM/RP-52898-FR – Rapport final 3 Synthèse e 1990 à 2002, le BRGM a réalisé plus d’une centaine d’opérations géophysiques visant à la détection de cavités ou à la mise en évidence de désordres induits par la présence de vides. Ces interventions ont été effectuées dans un objectif méthodologique de recherche ou de Service public ou dans le cadre de prestations de services. L’un des objectifs du module « cavités et désordres » des projets de recherche PDR03ARN10 et PDR04ARN80 était l’analyse des méthodes géophysiques mises en œuvre dans le cadre de cette problématique et de leurs résultats, dans le but de contribuer à l’orientation des travaux de recherche ultérieurs et à l'optimisation des réponses géophysiques. Les opérations géophysiques ont été réexaminées tant du point de vue des objectifs de détection et du contexte géographique, environnemental et géologique des études que de la méthodologie géophysique utilisée. Les cibles étudiées ont ainsi pu être classées dans une typologie générale de cavités, soit a priori s’il s’agissait de tests méthodologiques sur des vides de nature connue, soit a posteriori, grâce aux reconnaissances par sondages réalisées à l’issue des campagnes géophysiques en vue de contrôler leur interprétation. L’exploitation synthétique des résultats géophysiques et de ceux des études de contrôle, si on en disposait, a permis de décrire les réponses géophysiques observées pour les principaux types de cavités investigués. Les résultats de cette analyse ont été regroupés dans une base de données intégrant, pour chaque étude, les informations suivantes : contexte et objectifs, méthodologie géophysique, résultats et recommandations, contrôles ultérieurs, cibles détectées et signatures géophysiques correspondantes. Cette base, qui pourra être ultérieurement complétée, est considérée comme un outil de travail interne au BRGM, car s’appuyant sur certains résultats confidentiels. Elle constitue une valorisation des expériences acquises sur plus de 100 exemples d’interventions géophysiques réalisées dans des contextes très variés, en permettant de s’y référer pour la spécification et le dimensionnement de nouvelles études ou lors de travaux d’expertise. Ce rapport présente le bilan général des méthodologies géophysiques mises en œuvre et fait ressortir leurs points forts et leurs points faibles pour la détection des principales typologies de cavités examinées, karsts, cavités salifères, exploitations souterraines abandonnées, marnières, galeries et cavités maçonnées. Une synthèse bibliographique, menée parallèlement à ce bilan, a permis de le confronter aux expériences menées à l’extérieur du BRGM dans des contextes similaires. Cette analyse est illustrée par des exemples extraits de la base de données des études BRGM ou de travaux publiés. Ces résultats sont examinés sous deux angles : celui de la détectabilité et de la signature géophysique de chaque type de cavité examiné et celui des conditions générales d’applicabilité des méthodes géophysiques à la problématique détection de cavité. D Détection des cavités par géophysique : bilan 1990-2002 4 BRGM/RP-52898-FR – Rapport final • Principaux résultats concernant la détectabilité des cavités Pour de nombreux types de cavités les signatures géophysiques indirectes sont plus marquées que les effets directs des vides. De nombreuses méthodes géophysiques, gravimétrie, électromagnétisme, électrique et sismique, par exemple, détectent aisément les zones altérées, décomprimées ou humides, qui sont les manifestations superficielles des phénomènes karstiques. La détection directe de conduits étroits et profonds est par contre souvent à la limite des possibilités des méthodes qui s’avèrent alors trop peu pénétrantes ou pas assez sensibles. À l’inverse des cavités naturelles, dont l’organisation est imprévisible, la mise en évidence des cavités anthropiques (mines, carrières, tunnels, caves, etc.) est généralement facilitée par la connaissance que l’on a de leur géométrie initiale et de leur structure. Des modélisations prédictives précises permettent en effet de s’assurer de la faisabilité de la détection par les méthodes envisagées et d’optimiser le dimensionnement de l’étude et les paramètres d’investigations. Les ambiguïtés d’interprétation peuvent être également réduites puisque les signatures recherchées sont partiellement définies. Dans le cas de structures allongées et d’orientation connue, la mise en œuvre des méthodes selon un dispositif par profilage correctement implanté permet d’accroître les performances des investigations géophysiques. Des particularités concernant la structure ou le remplissage des cavités peuvent également faciliter leur détection par une méthode adaptée : détection de structures métalliques par magnétisme, mise en évidence de difractions sur une maçonnerie par sismique en onde de surface, détection de cavités salifères par imagerie électrique. En archéologie, la faible profondeur des objectifs, rend éligibles de nombreuses méthodes, y compris les moins coûteuses mais contraint généralement à une forte densification des mesures. Les cavités naturelles (karsts) ou anthropiques (marnières, carrières) creusées dans les calcaires ou dans la craie sont particulièrement difficiles à détecter du fait de la complexité morphologique et de la variabilité lithologique de leurs recouvrements qui peuvent être à l’origine de perturbations et d’effets de masquage. Dans le cas des marnières, ces problèmes se cumulent avec les difficultés de détection de vides profonds et relativement petits. Lorsque les volumes des exploitations sont suffisants au regard de leur profondeur et dans des contextes géologiques favorables, la gravimétrie a cependant pu donner des réponses satisfaisantes. Elle est, pour cet objectif, la méthode de détection directe la plus opérationnelle dans l’état actuel des expérimentations, l’emploi des méthodes électriques, électromagnétiques et sismiques restant encore à développer dans ce contexte. En sismique réflexion haute résolution, des perturbations des réflecteurs géologiques ont été observées sur plusieurs sites à l’aplomb de marnières abandonnées. De tels phénomènes peuvent donc contribuer de manière indirecte à la détection des zones exploitées. Détection des cavités par géophysique : bilan 1990-2002 BRGM/RP-52898-FR – Rapport final 5 • Principaux résultats concernant l’applicabilité des méthodes Toutes les méthodes géophysiques présentent des limitations qu’il est important de connaître car elles peuvent les rendre inapplicables dans certains contextes : - Les profondeurs d’investigations maximales dépendent du contraste cible- encaissant, des caractéristiques du milieu, de la méthode et de sa mise en œuvre. La faible pénétration du géoradar en milieu argileux, le manque de sensibilité de la gravimétrie aux effets de certains vides trop profonds, trop petits ou en partie comblés sont des limitations fréquemment observées. - La résolution des méthodes est fonction de l’espacement des stations de mesures, qui doit être autant que possible adaptée à la taille et à la profondeur des vides. - Les interprétations ne sont pas uniques et nécessitent des forages de calage et de contrôle des anomalies. Par ailleurs, les signatures géophysiques peuvent varier fortement en fonction du remplissage de la cavité. - Toutes les méthodes sont affectées par des bruits instrumentaux, géologiques et environnementaux. La connaissance de l’incertitude de mesure permet de définir un seuil de confiance à partir duquel les anomalies pourront être considérées comme significatives et interprétées. Les principaux effets perturbant les mesures géophysiques, leur influence probable sur les différentes méthodes et les corrections possibles ont été recensés. De nombreuses études ayant été réalisées en milieu urbain ou suburbain, des perturbations anthropiques augmentent généralement les difficultés de mise en œuvre et d'interprétation. À l’issue de cette synthèse et pour les méthodes les plus employées ou les plus récemment développées, des fiches méthodologiques explicitant la mise en œuvre et l’exploitation des mesures ont été regroupées en annexe. La suite logique de ce bilan s’inscrit dans différentes actions de recherche et de développement dont certaines sont déjà programmées pour les années à venir : - amélioration des méthodes, par l’adaptation des dispositifs de mesure (méthodes électriques), par la mise en œuvre d’outils de simulation prédictive, grâce à de meilleures corrections des perturbations indésirables et à une plus grande efficacité des traitements destinés à extraire le signal représentatif des cavités (plus particulièrement en microgravimétrie) ; - développement de nouveaux axes de recherche (sismique en ondes de surface et électromagnétisme) ; - amélioration de la connaissance des paramètres physiques et de leur variabilité temporelle par la multiplication d’expérimentations sur des sites sensibles ; - couplage des méthodes pour une meilleure résolution des ambiguïtés d’interprétation ; - développement des méthodologies de surveillance des cavités (dite « time lapse » ou 4-D monitoring). Détection des cavités par géophysique : bilan 1990-2002 6 BRGM/RP-52898-FR – Rapport final Détection des cavités par géophysique : bilan 1990-2002 BRGM/RP-52898-FR – Rapport final 7 Sommaire 1. Introduction .............................................................................................................13 2. Méthodologie ...........................................................................................................15 2.1. LA BASE DE DONNÉES « CAVITE-GPH » ......................................................15 2.2. ÉLÉMENTS STATISTIQUES.............................................................................17 2.3. CONTEXTE GÉNÉRAL DES ÉTUDES ET TYPOLOGIE DES CAVITÉS.........20 3. Bilans concernant la détection des cavités uploads/Geographie/ rp-52898-fr.pdf