Procédé et dispositif pour la prospection électrique du sous-sol.
Les procédés couramment employés pour la prospection électrique du sous-sol comportent des mesures de résistivité de terrains, soit par envoi intentionnel d'un courant dans le sol, soit par étude des courants telluriques.
Les mesures de résistivité par envoi intentionnel d'un courant dans le sol se font de la façon suivante :
On fait passer entre deux électrodes reliées au sol situées à une distance plus ou moins grande (variant entre quelques mètres et plusieurs kilomètres), un courant, soit continu, soit alternatif, et on mesure la diffé- rence de potentiel créée par ce courant entre deux autres électrodes plongées également dans le sol et disposées en des points appropriés.
La différence de potentiel ainsi mesurée dépend des propriétés électriques moyennes du sous-sol, dans une tranche dont l'épaisseur, comptée depuis la surface est d'autant plus grande que la distance entre les électrodes d'envoi de courant est elle-même plus grande.
Lorsqu'on veut atteindre par ce procédé la structure de la partie du sous-sol située à grande profondeur, par exemple à plusieurs kilomètres, il faut donc utiliser des électrodes d'émission situées à très grande distance les unes des autres : une dizaine de kilomètres, par exemple. On se heurte alors, dans la mesure de la différence de potentiel créée entre les électrodes de mesure, à des difficultés dues, d'une part, à l'existence constante des courants telluriques ou vagabonds, d'autre part, à la lenteur de l'établissement du régime permanent du courant, conséquence du "skin effect".
Les courants telluriques déterminent en effet entre les électrodes de mesure une différence de potentiel a V1 qui varie d'instant en instant, à laquelle la différence de potentiel artificiellement créée par 1'envoi de courant JV2, ne fait que se superposer.
Lorsque les électrodes d'émission sont loin taines, et comme l'intensité du courant total émis est limitée à une valeur qu'on ne peut pratiquement dépasser, XV2 arrivé à être du même ordre de grandeur que J ou meme beaucoup plus petit.
Cet inconvénient serait peu grave si JU2 pouvait s'etablir instantanément à une valeur bien définie au moment où on ferme le circuit d'émission ; il suffirait de noter la discontinuité créée par cette fermeture ; mais il n'en est pas ainsi : on sait que du fait du"slin effect", dT-2 ne prend sa valeur de régime qu'au bout d'un temps d'au- tant plus grand que le dispositif d'émission est plus grand, et que le terrain est plus conducteur. La discontinuité "2 est remplacée par une variation plus ou moins amollie qui ne se distingue pas aisément des variations fortuites dues a. u tellurique J ', lorsque la distance des électrodes atteint une certaine valeur.
On a proposé, pour éliminer le masque da au courant tellurique, d'effectuer les mesures en courant alternatif : les appareils de mesure ne sont alors plus sensibles à 1 et ne mesurent que J r2. WIais c'est remplacer une difficulté par une impossibilité : le même "skin effect"concentre le courant de retour dans une zone de terrain voisine du câble d'émission, et d'autant plus voisine que la fréquence est plus grande et le terrain plus conducteur. On peut éloigner les électrodes d'émission autant que l'on veut, le courant n'atteint pas, pratiquement avec une fré- quence de 50 oscillations par seconde et un terrain de 10 ohms/metres une profondeur supérieure à 1000 mètres, les 9/10 restant même à moins de 350 mètres.
On a proposé également de renoncer a surmonter la difficulté, en se servant d'elle pour suppléer à l'étude qu'elle empêche : les diverses méthodes d'étude des courants telluriques, notamment celles qui ont fait l'objet des brevets français No 766744 déposé le 8 janvier 1934, ayant pour titre perfectionne- ments aux méthodes de prospection éleetrique du sous-sol", No 855301 déposé le 23 janvier 1939, ayant pour titre :,, Méthode de prospection électrique du sous-sol", et
Na 855719 déposé le 3 février 1939 ayant pour titre :
"Méthodes et appareils pour la prospection électrique du sous-sol", tous trois au nom de la Compagnie Générale de Géo physique. suppriment toute émission de courant artificiel, et comparent les résistivités électriques des différents terrains en étudiant leurs effets sur le potentiel al Irl, dont il a été question plus haut. On peut ainsi tirer des conclusions sur la constitution moyenne des terrains sédimentaires jusqu'à une très grande profondeur.
Alais, tout en étant très souples et très utiles dans la pratique, ces dernières mé thodes ne permettent que de comparer les résistivités. et non de faire des mesures ab solues. Elles ne permettent que très malaisément. aussi, de suivre les variations des pro priétes des terrains avec la profondeur.
On est donc revenu au problème de la mesure de d T'. et on a propose de bien utiliser le courant continu, après compensation préalable des courants telluriques. Mais cette compensation est dans la pratique assez délicate à réaliser exactement.
La présente invention a pour but de permettre d'une façon très simple d'effectuer des mesures de résistivité même avec les électrodes d'envoi de courant distantes de plusieurs kilomètres, tout en permettant, en outre, l'étude des terrains par les courants tel luriques.
A cet effet, le procédé qui fait partie de la présente invention est caractérisé en ce ; qu'on fait passer dans le sol du moyen de deux électrodes d'envoi un courant périodi- quement-inversé dont la période est égale à plusieurs secondes au moins, en ce qu'on enregistre simultanément pendant plusieurs minutes au moins les différences de potentiel produites entre au moins un couple d'élec- trodes de mesure disposées dans le sol dans des endroits appropriés, et en ce qu'on analyse les enregistrements ainsi obtenus.
Les diagrammes ainsi enregistrés mon trent qu'aux effets des courants telluriques enregistrés se superposent dans chaque demipériode les effets dus au passage du courant émis entre les électrodes d'envoi de courant dans un sens ou dans l'autre. L'étude de ces diagrammes permet d'analyser et de séparer ces différents effets et d'en tirer des confusions sur la contexture du sous-sol. Suivant que le"skin effet"aura une durée plus ou moins longue, on utilisera avantageusement des périodes plus ou moins grandes pouvant aller de quelques secondes à 20 et 30 secondes et davantage.
Il est, d'autre part, avantageux que l'enregistrement soit poursuivi pendant un temps assez long, pouvant atteindre une demi-heure et même davantage, et cela pour la raison suivante :
Les courants telluriques varient constamment, comme on le sait, en grandeur et en direction. Par moments, ces variations sont lentes, par moments, au contraire, elles sont rapides. En enregistrant pendant un temps suffisamment long, on a toutes chances pour coiffer au moins un espace de temps au cours duquel ces variations auront été faibles et lentes. Cet ou ces espaces de temps sont facilement reconnaissables sur les diagrammes par la régularité des courbes enregistrées.
Ce sont eux qui seront spécialement analysés, comme cela sera indiqué ci-après, pour permettre la détermination de la résistivité apparente du sol, l'ensemble du diagramme étant par la suite utilisé pour l'étude des courants telluriques.
Le dispositif pour la mise en pratique du procédé suivant l'invention, comportera, d'une part, une source de courant continu reliée à deux électrodes d'envoi de courant et un commutateur inverseur, inversant périodiquement le courant dans la ligne suivant une période déterminée à l'avance, et, d'autre part, un ou plusieurs appareils enregistreurs reliés à des couples d'électrodes de mesure convenablement placées.
Ces appareils enregistreurs pourront comporter des instruments mesureurs, galvanomètres, etc. du type dit à résonance, et dont la période sera choisie égale à la période des inversions de courant.
Etant donné la longue période (plusieurs secondes) que lesdits instruments devront avoir, ce sera d'ailleurs de préférence par des moyens mécaniques (pendule de torsion ou autre, par exemple) que cette période sera réalisée, plutôt que par des moyens électri- ques (circuit oscillant).
On pourra également prévoir que des instruments de ce type à résonance seront disposés en parallèle avec des instruments à très faible constante de temps, type oscillographe, de façon qu'on puisse comparer les enregistrements obtenus avec ces divers instruments.
Une forme d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'inven- tion est représentée, à titre d'exemple et sché matiquement, au dessin annexé.
La fig. 1 montre le schéma d'ensemble du dispositif comportant une ligne d'envoi de courant et une ligne de mesure.
La fig. 2 montre un exemple d'enregistrement obtenu avec le dispositif suivant la fig. 1.
Comme cela sera exposé ci-après, les dispositifs utilisés en pratique pourront compor- ter deux, ou mieux plusieurs lignes de mesure, donnant simultanément plusieurs diagrammes que l'on pourra comparer suivant les méthodes usuelles.
Sur la fig. 1, la ligne d'envoi de courant comporte un conducteur 1 aboutissant à deux électrodes 2 et 3 destinées à être mises à la terre et dont la distance doit être comprise entre quelques centaines de mètres et plusieurs kilomètres. 4 désigne une source de courant continu à f. e. m. constante et 5 un commutateur inverseur permettant de faire passer alternativement le courant dans le sens 2-3 et dans le sens 3-2 à une cadence comprise entre quelques secondes et 30 à 40 secondes par exemple, 6 désigne enfin un ampèremètre destiné à mesurer l'intensité i du courant parcourant la ligne.
La ligne de mesure formée des deux électrodes 7 et 8 constitue une ligne exploratrice destinée à être déplacée après chaque série de mesures.
Sur cette ligne est monté un appareil enregistreur des différences de potentiel 9, appareil qui pourra être soit du type à réso- nance"dont la période propre de l'équipage mobile sera égale à la période d'inversion du courant d'envoi, soit au contraire à faible constante de temps.
Ainsi qu'il a été dit ci-dessus, la, fig. 2 représenté, à titre d'exemple, un enregistrement obtenu à l'aide du dispositif ci-dessus indiqué. Sur cette figure, la courbe 10 représente les variations des différences de poten triel du effectivement enregistrées, en fonction du temps.
La courbe 11 représente les variations des différences de potentiel Jet-, qui seraient enregistrées si l'on n'envoyait pas de courant par les électrodes 1 et 2, autrement dit les variations des différences de potentiel dues uniquement aux courants telluriques.
Enfin, la courbe 12 représente ce que se- raient les variations des différences de potentiel provoquées par le passage du courant entre les électrodes 1 et 2, si les courants telluriques n'existaient pas.
Les différents décrochements indiqués en a, b, c, d, etc. de la courbe 10 se produisent lors du renversement du commutateur automatique, les distances de déroulement de la bande comprise entre les décrochements successifs correspondent donc à la cadence de commutation.
Cette courbe 10 se compose ainsi de différents tronçons A, B, C, D, séparés par les décrochements a, b c. d indiqués ei-dessus.
AV, étant les différences de potentiel enregistrées qui sont dues aux courants telluri- ques, et Z) T celles qui sont dues au passage du courant émis entre les électrodes 1 et 99 les tronçons A, C, etc. de la courbe enregistrée donnent sensiblement la mesure des variations des quantités Ji- !- JI"2 les tron- ¯ons X, D, etc. représentent sensiblement. au contraire, les variations de la quantité z) Fi-F2.
En fait, dans chaque cas il y a une erreur qui est due ainsi qu'on l'a dit ci-dessus an ,, sliin effect". Ce"skin effect"se manifeste immédiatement après la commutation, c'est à-dire sur le diagramme après chaque décrochement. En examinant néanmoins l'allure de la courbe, on peut toutefois se rendre compte très facilement des effets de ce"skin effect"et rétablir ce que serait la courbe enregistrée si cc > "skin effect"n'existait pas. On peut en particulier chercher de combien il faut déplacer vers le haut l'ensemble des tronçons B, D, etc. pour former avec les troneons supérieurs une courbe d'ensemble aussi régulière que possible.
Ce travail sera d'aillenrs rendu beaucoup plus facile et plus précis, si, comme il a été dit ci-dessus, on a choisi, pour le faire, les parties du diagramme correspondant à des variations faibles et lentes des courants telluriques, et qui sont reconnaissables par leur allure en cet endroit (qui se rapproche de celle d'une courbe périodique régulière). Ceci fait, et étant donné que les effets des inversions de courants et du"skin effect"restent les mêmes à chaque inversion de courant, on peut étendre le travail graphique (déplacement des tronçons B, D, etc.) à l'ensemble du diagramme enregistré.
Dans les cas, d'ailleurs très rares, où les variations du courant tellurique pendant la durée totale de l'enregistrement des diagrammes resteraient trop rapides et irrégulières pour qu'on puisse y reconnaître des périodes de rémission permettant de les analyser d'une manière simple, il sera possible néan- moins d'utiliser le diagramme pour obtenir I < résultat cherché, a condition que les inversions de courant aient été effectuées à des intervalles de temps absolument réguliers.
Il suffira à cet effet d'établir simplement les caractéristiques moyennes des alternances, positives ou négatives, en se basant sur la moyenne des caractéristiques des alternances enregistrées. On pourra ainsi en particulier déterminer le Juta, moyen qui représentera la quantité cherchée.
Quoi qu'il en soit, et pour en revenir aux méthodes d'utilisation et d'interprétation des diagrammes dans les cas plus courants, ayant en mains la courbe enregistrée 10, on tracera par tâtonnements la courbe 11 en même temps que la courbe 12, ces deux courbes devant redonner par addition la courbe primitive 10 ; on tiendra compte pour ce travail de ce que sur la courbe 12 le, sldn effect"produit les irrégularités i, ut, etc. foutes égales, alternativement positives et négatives.
La mesure de la hauteur du déplacement x (courbe 12) subi par les tronçons B, D, etc. donne le double de la valeur de la quantité z) Tz lue l'on cherche à mesurer. On en tire, d'après les formules connues la valeur de la résistivité apparente du terrain en fonction des distances respectives entre électrodes 2, 3, 7 et 8.
Tout en mesurant XV2, on a, du même coup, rétabli dans son intégralité la courbe de courant tellurique JV, (courbe 11). On peut donc en profiter pour étudier ces courants suivant les méthodes connues. Il suffira, à cet effet, de disposer non d'un seul dispositif de mesures, mais de deux, un mobile et un fixe, et de comparer les enregistrements des différences de potentiel mesurées entre les électrodes 7 et 8, d'une part, et entre d'autres électrodes (7'et 8') d'une autre ligne, convenablement disposées, d'autre part.
Pour cela, il suffit de restituer, comme on l'a montré plus haut, ce qu'auraient été ces enregistrements si on n'avait pas envoyé un courant périodiquement inversé entre les électrodes 2 et 3.
C'est la comparaison de ces courbes qui permet d'obtenir d'une manière en soi connue des renseignements sur la constitution du sous-sol.
La comparaison des résistivités ainsi calculées à partir des courants,, telluriques" à celle des résistivités obtenues en utilisant 1'envoi de courant, permet de déceler la nature du sous-sol à des profondeurs variables.
On pourra, bien entendu, appliquer de nombreuses modifications au procédé décrit sans sortir du domaine de l'invention.
Ainsi après avoir fait des mesures enre gistrées comme il a été indiqué ci-dessus, on peut arrêter un certain temps 1'envoi de courant dans la ligne A-B et continuer à mesurer pendant un certain temps les effets des courants telluriques seuls entre les électrodes i et 8 et 7'et 8', ce qui permettra de compa rer les courbes telluriques débarrassées des irrégularités restantes dues au"skin effect".
En ce qui concerne la disposition relative de diverses électrodes à la surface du sol, elle peut être absolument quelconque.
Dans le cas où les électrodes de mesure seraient disposées entre les électrodes d'envoi de courant, il poura y avoir intérêt en outre à couper périodiquement le circuit de mesure pendant un certain temps, au moment de chaque commutation du circuit d'envoi afin de supprimer sur les diagrammes les, pointes" d'amplitude excessives qui se produisent à ce moment et qui sont imputables au"skin effect".
On peut également se servir de la comparaison des courbes 7-8 et 7'-8'pour dé- terminer avec précision les instants des commutations, dans le cas où la position des électrodes 7'-8', par exemple par rapport aux électrodes d'envoi de courant rendrait la dé- termination directe de ces instants, sur le diagramme fourni par la ligne 7'-8'moins nette que sur le diagramme fourni par la ligne 7-8.
REVENDICATIONS :
I. Procédé pour la prospection électrique du sous-sol, caractérisé en ce qu'on fait passer dans le sol, entre deux électrodes convenablement distantes l'une de l'autre, un courant périodiquement inversé, dont la période est de plusieurs secondes au moins, en ce qu'on enregistre pendant plusieurs minutes au moins la différence de potentiel existant entre au moins une paire d'électrodes de mesure disposées dans le sol, en des endroits appropriés, et en ce qu'on analyse ensuite les diagrammes ainsi enregistrés.