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Application des techniques de prospection électrique à l’identification des str

Application des techniques de prospection électrique à l’identification des structures de sub-surface N° D’ordre : 08 / 2004 - M / S.T REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE HOUARI BOUMEDIENE (U.S.T.H.B.) Faculté des Sciences de la Terre, de Géographie et de l'Aménagement du Territoire (FSTGAT) MEMOIRE Présenté pour l’obtention du diplôme de MAGISTER EN : SCIENCES DE LA TERRE Spécialité : Géophysique Par : Mlle KHALDAOUI Fatma THEME Soutenu publiquement le 29 / 09 / 2004, devant le jury composé de : Mr. M. HAMOUDI Professeur, (USTHB) Président Mr. M.A. BOUNIF Maître de Conférence, (USTHB) Directeur de Thèse Mr. H.A. BAKER Professeur, (USTHB) Examinateur Mr. Med. DJEDDI Maître de Conférence, (USTHB) Examinateur Mr. A. BOUDELLA Maître de Conférence, (USTHB) Examinateur Mr. A. Ydri Chargé de Cours, (USTHB) Examinateur A mes parents, A tous ceux qui me sont proches. Remerciements Cette partie, est la plus délicate à rédiger tant il est difficile de résumer en quelques mots les sentiments éprouvés pendant des années où j'ai pu apprendre beaucoup auprès de chaque contact scientifique. En premier lieu, je tiens à remercier Dieu, le grand puissant pour la volonté et le courage qu'il m'a donné tout le long de ce travail. Je voudrais adresser mes plus sincères remerciements à Mr Bounif M.A, maître de conférence à l’USTHB pour la proposition et l’encadrement de ce sujet de thèse. Ainsi que pour ses orientations et ses critiques constructives. Ses corrections ont été essentielles pour la progression, l’aboutissement et l’amélioration de ce travail. Ceci m’a permis d'entreprendre de nombreuses expériences, surtout sur terrain, car celles-ci ont grandement contribué à l’enrichissement de cette thèse. Je tiens à remercier le Professeur Hamoudi M. (USTHB ) qui m’a honoré en acceptant de Présider le jury. Qu’il veuille bien trouver ici le témoignage de mon profond respect. J’adresse aussi mes remerciements au Professeur Baker H.A.(USTHB) pour m’avoir aidée et transmis les connaissances appropriées et d’avoir accepté de faire parti du jury. Je tiens à remercier Docteur Djeddi Mohamed, maître de conférence à l’USTHB, qui m’a beaucoup aidé et donné de bons conseils, et surtout pour sa patience, qu’il trouve ici tout mon respect. Je remercie Mr Boudella A. maître de Conférence à l’USTHB pour son soutien et son aide. C’est un honneur pour moi de vous compter parmi les membres du jury. Je tiens à remercier Monsieur Ydri chargé de cours à l’USTHB de me faire l'honneur de s'intéresser à ce travail et de faire partie du jury. Son aide à bien comprendre le phénomène de la polarisation provoquée m’a été très utile. Encore merci. Je tiens, très sincèrement, à remercier tous les enseignants du département de géophysique (FSTGAT-USTHB) pour leur compréhension et le savoir qu’ils m’ont transmis. Je voudrais, plus particulièrement, remercier Le Professeur Benhallou, H., doyen à la faculté des sciences de la terre (USTHB), pour son aide, son soutien et les discussions enrichissantes sur l’état de l’avancement de mes travaux de thèse. Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à Mr Sabri, N., Directeur de la division Sud Ouest de l’ORGM, ainsi qu’a Mr Bousmaha, Tayeb et à tout le personnel de cette division pour leur gentillesse, leurs encouragements et l’aide qu’ils m’ont apporté durant ma mission sur terrain. Qu’ils trouvent ici toute ma gratitude et ma sympathie. Durant cette thèse, J’ai profité des discussions, échanges et conseils scientifiques avec plusieurs chercheurs étrangers. Chacun d’eux mérite un remerciement plus particulier. Je cite : Mr et Mme Tabbagh, chez qui j'ai trouvé l’apport informatique et les conseils précieux à l’exécution des calculs de modélisation. Encore merci Dr Loke M.H. de l’université de Birmingham (Angleterre) pour les discussions sur la tomographie électrique et sur l’utilisation de son logiciel. Je le remercie vivement pour avoir répondu à mes nombreuses questions qui ont donné à cette thèse une forme plus éclaircie. Tout simplement merci pour tout ce que vous avez fait pour moi. Dr Marescot, L. de l’Université de Lausanne (suisse) pour son aide précieuse et les connaissances qu'il m’a transmises. Il m'a aidé dans l’interprétation des résultats, sans oublier la simplicité de ses explications. Un grand merci pour le temps qu’il m’a accordé. Dr Frankcombe.K de " Southern Geoscience Consultants (SGC), pour son aide efficace au début de cette thèse et d’avoir répondu à mes nombreuses questions. Je ne pourrais pas oublier le soutien moral et les conditions de travail agréables qui m’ont été fournis par mes amis El Hadi Oubaich, Rabah Bensalem et Khadidja Abbas du CGS. Je souhaite, vivement, conserver au delà de cette thèse la qualité de leur amitié. Je tiens à exprimer mes sincères remerciements à l’équipe de l’ORGM. Je cite : Mrs Zenia M.S.,Meziani A., Benali. M., Acheraiou, Allilou H., et Daf ainsi que toute l’équipe géophysique de la division Sud Ouest de L’ORGM, sans oublier H. Saada. Leur accueil, avec beaucoup de gentillesse, et leur soutien moral durant mon séjour à Bechar m’ont permis de bénéficier de leur expérience sur terrain. Qu’ils soient assurés de ma profonde reconnaissance. Je voudrais remercier tendrement Anissa, Leila, Karima, Mahdia et Bahia pour tout ce qu’elles ont fait pour moi et pour notre merveilleuse complicité. Vous étiez toujours présentes pour moi en chaque circonstance. Je ne peux oublier de remercier les anciens stagiaires avec qui j'ai partagé une tranche de vie d’équipe, merci et bonne chance donc à Lila, Lamine, Nabila et Moh. J’adresse aussi mes remerciements à Moad, Samir, Ahmed, Karim et Hichem, pour les discussions, l’aide, et tous les bons moments que j’ai eu l’occasion de partager avec eux, aussi bien sur terrain qu’au bureau. Je leur souhaite bonne chance pour faire aboutir leur thèse et toute la suite. Je tiens à exprimer ma reconnaissance et mes remerciements à Benzine S. Allek K., Bellabes S., Boubaya D., Bouchedda A, Kaci H , Bailiche A et Hadoune N., pour l’aide et le soutien qu’ils m’ont apporté. J'aimerais remercier du fond du cœur mes parents, mes frères et sœurs, pour leur soutien moral inconditionnel, et pour leurs encouragements tout au long de mes études. Je ne saurais oublier ma nièce Hanane pour l’aide qu’elle m’a apporté en informatique. Que toute ma famille soit assurée de ma parfaite reconnaissance. Enfin, je voudrais dire un grand merci aux personnes qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de cette thèse. Table des matières Remerciements Introduction Générale......................................................................................................1 Chapitre I - Principes théoriques des méthodes électriques et électromagnétiques I.1 Méthodes électriques...................................................................................................4 I.1.1 Principe de la prospection électrique.................................................................4 I.1.2 Résistivité apparente..........................................................................................4 I.1.3 Potentiel à la surface d’un milieu horizontal stratifié…...................................5 I.1.4 Méthodes électriques utilisées….......................................................................9 I.1.4.1 Profilage électrique…..........................................................................9 I.1.4.2 Imagerie électrique…........................................................................11 I.1.4.3 Polarisation provoquée (PP)….........................................................13 I.2 Méthodes électromagnétiques…...............................................................................17 I.2.1 Rappel sur les équations de Maxwell..............................................................17 I.2.2 Les équations d’ondes......................................................................................18 I.2.3 Principe de la prospection électromagnétique................................................18 I.2.4 Techniques de la prospection électromagnétique utilisées..............................19 I.2.4.1 Technique VLF....................................................................................19 I.2.4.2 Technique VLF-R…...........................................................................20 I.2.5 Paramètres mesurés….....................................................................................21 I.2.6 Profondeur de pénétration...............................................................................22 Chapitre II - Modélisation Tridimensionnelle des structures II.1 Cartographie électrique…............................................................................24 II.1.1 Introduction…....................................................................................24 II.1.2 Etude des cas synthétiques..................................................................25 II.2.3 Présentation et Discussion des résultats…..........................................27 II.2 Transformation des cartes de résistivité électrique en cartes VLF-EM...................32 II.2 .1 Introduction...................................................................................................32 II.2 .2 Relation de la Transformation…..................................................................32 II.2.3 filtre de dérivation........................................................................................33 II.2.4 application a un cas synthétique....................................................................33 Chapitre III : Identification des structures 2D par modélisation et inversion III.1 Introduction…........................................................................................................37 III.2 Théorie d'inversion…...............................................................................................37 III.2.1 Introduction.................................................................................................37 III.2.2 Formulation du problème inverse et du problème direct.............................38 III.2.3 Solution du problème inverse......................................................................38 III.2.4 Non linéarité…............................................................................................38 III.3 Tomographie électrique…........................................................................................40 III.3.1 Introduction…..............................................................................................40 III.3.2 Représentation graphique….......................................................................40 III.4 Application à des cas synthétiques…......................................................................42 III .4.1 Présentation des modèles.............................................................................42 III .4.2 Résultats et discussions..............................................................................42 III .4.2.1 Résultats électriques…................................................................43 III .4.2.2 Résultats électromagnétiques…...................................................54 III.4.2.3 Conclusion…................................................................................54 III. 5 Application de l’indice DOI (Depth Of Investigation) à l’imagerie…..................58 électrique 2D pour les sous-sols à forts contrastes de résistivité III.5.1 Introduction...............................................................................................58 III.5.1 Exemple d’application…............................................................................58 III. 5. 2 .1 Cas synthétique…......................................................................58 III. 5. 2 .2 Cas réel…...................................................................................61 Chapitre IV – Etude d’un cas réel IV.1 Situation géographique….....................................................................................64 IV.2 Contexte géologique..............................................................................................65 IV.3 Objectif et méthodologie d’acquisition des travaux des données sur terrain........66 IV.4 Exploitation des données........................................................................................70 IV.5 Résultats et discussions….....................................................................................71 IV.5.1 Résultats obtenus par la méthode électrique…........................................71 IV.5.2 Résultats obtenus par la méthode électromagnétique...............................73 IV.5.3 Discussions des modèles….......................................................................75 IV.5.3.1 Profil électrique 2D N°1600 E….............................................75 IV.5.3.2 profil électrique 2d N° 00….....................................................77 IV.5.3.3 profil 2d n° 800 W..................................................................80 IV.5.4 Transformation des cartes de résistivité électrique…...............................80 en cartes VLF-EM IV.5.5 Conclusion….............................................................................................81 Conclusion Générale…...................................................................................................82 Références Bibliographiques…........................................................................................85 Liste des notations et abréviations…................................................................................89 Liste des figures…............................................................................................................90 Liste des tableaux..............................................................................................................92 Introduction générale 1 Application des techniques de prospection électrique à l’identification des structures de sub-surface F. Khaldaoui Introduction générale La détection des structures de sub-surface, caractérisées par leur résistivité, s’effectue principalement par la mise en œuvre des méthodes géophysiques en générale et les techniques électriques en particulier. Ces dernières, qui par leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût, sont souvent plus utilisées que d'autres méthodes. A partir des mesures de la résistivité électrique, il est possible d'identifier les différents faciès géologiques présents où leurs limites. Ces techniques, adaptées à l’identification de structures de différentes formes ont été également comparées aux résultats obtenus par uploads/Geographie/ th4007.pdf