Procédé de prospection électromagnétique du sous-sol
Il est connu de prospecter le sous-sol au moyen d'ondes électromagnétiques, dont les fréquences se situent, généralement dans le domaine des fréquences acoustiques.
Le principe du procédé selon l'invention consiste à créer, de préférence dans l'air, à proximité du sol, un champ tournant à fréquence audible; ce champ pénètre dans le sol, les parties isolantes de celui-ci n'apportent aucune perturbation sensible à ce champ, par contre, les parties conductrices provenant, comme l'on sait, de minéralisation subissent l'effet du champ qui y induit des courants de Foucault créant un champ secondaire dont on peut déceler l'existence à la surface du sol.
On a déjà proposé d'appliquer ce procédé de la façon suivante:
Un cadre placé dans un plan vertical à la surface du sol et fixe par rapport au sol est alimenté par une source de courant alternatif de fréquence convenable.
Un observateur situé dans une direction normale au plan du cadre dispose d'un appareil de réception qui lui permet de mesurer l'intensité de la composante verticale du champ reçu, ce champ résultant étant la somme du champ direct rayonné ou champ primaire et du champ secondaire créé par les dépôts minéralisés.
Un calcul simple montre que si la normale au plan du cadre est dirigée vers l'observateur, la composante verticale du champ magnétique créé au point d'observation par le courant alternatif circulant dans le cadre émetteur s'annule quand le sol est homogène.
L'existence de dépôts conducteurs minéralisés provoque des courants de Foucault créant un champ secondaire généralement déphasé par rapport au champ principal et présentant pratiquement toujours une composante verticale, quel que soit l'endroit où est situé l'observateur.
On voit donc que l'existence d'une composante verticale du champ reçu permet de conclure à l'existence d'une minéralisation.
Par suite, une minéralisation du sol se traduit par un courant dans un cadre placé dans un plan horizontal, c'est ce cadre qui alimente l'appareil de réception utilisé par l'observateur.
Mais, ce résultat n'est valable que si, comme déjà indiqué, la normale au plan du cadre est dirigée vers l'observateur.
En effet, s'il n'en est pas ainsi, il existe au point de réception une composante verticale du champ reçu, même en l'absence de toute minéralisation.
Or, l'expérience montre que cette obligation d'avoir à orienter la normale au plan du cadre émetteur dans la direction de l'observateur, constitue une lourde sujétion pour des travaux de prospection sur le terrain.
Certes, si l'observateur se trouve dans le plan horizontal contenant le centre du cadre, la composante verticale du champ est nulle, en l'absence de minéralisation, même quand le cadre émetteur n'a pas sa normale dirigée vers l'observateur, mais cette circonstance se présente rarement et il n'est pas permis de tabler sur cette éventualité dans la pratique.
Pour écarter cet inconvénient, on a déjà proposé d'effectuer la prospection au moyen d'un cadre ali menté par un courant d'intensité fixe indépendante du temps, ce cadre tournant autour d'un axe horizontal situé dans son plan, ce qui crée un champ tournant à une fréquence se situant également dans le domaine des fréquences acoustiques.
Dans ce cas, c'est la rotation du cadre qui induit dans les minéralisations des courants de Foucault variables que l'on peut déceler d'une façon analogue à celle indiquée ci-dessus.
Mais, les calculs montrent que cette méthode ne donne des résultats sûrs, qu'à la condition que l'axe horizontal autour duquel tourne le cadre soit dirigé vers l'observateur.
En effet, dans le cas contraire, il n'est pas possible de déduire des composantes du champ au point de réception, l'existence de minéralisations.
On retrouve donc l'inconvénient signalé ci-dessus.
La présente invention a pour objet un procédé de prospection évitant l'inconvénient ci-dessus et procurant, en outre, comme on le verra ci-après, d'autres avantages.
Ce procédé est caractérisé par le fait, que l'on crée à un poste d'émission, à proximité du sol un champ tournant à fréquence audible autour d'un axe vertical et mesure à un poste de réception la composante en quadrature de la composante verticale ou de rune ou l'autre de deux composantes horizontales du champ reçu.
L'invention comprend également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend, pour la réalisation du champ tournant au poste d'émission, un cadre tournant alimenté par un courant continu ou un aimant permanent tournant ou un système de deux cadres fixes perpendiculaires entre eux et alimentés par un générateur à fréquence audible, l'un directement, l'autre à travers un déphaseur.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, plusieurs mises en oeuvre particulières du procédé selon l'invention et représente des formes d'exécution particulières de l'appareil permettant ces mises en oeuvre.
La fig. 1 est un schéma théorique.
Les fig. 2 et 3 représentent une première forme d'exécution.
La fig. 4 illustre une seconde forme d'exécution.
Comme on va le voir, le fait que l'axe du cadre est vertical fournit un moyen simple de déceler les minéralisations, par l'étude des composantes du champ résultant au point d'observation.
Soit, fig. 1, un cadre vertical schématisé par une spire circulaire S de centre C, soit CN la direction de la normale au plan du cadre; l'observateur se trouve en P, la droite CP faisant un angle e avec CN.
Par raison de symétrie, le champ magnétique créé en P par le courant circulant dans la spire S n'a pas de composante normale au plan méridien
CPN: le vecteur champ est donc situé dans ce plan et, comme l'on sait, sa composante Hr suivant la droite CP et sa composante H* suivant la droite normale à CP et située dans le plan méridien ont respectivement pour valeurs:
H 2k cos µ H3 k sin e
r3 k étant un coefficient proportionnel au courant passant dans le cadre et r la distance CP (électrostatique et magnétostatique, E. Durand, Masson & Cie 1953, p. 52 à 53); on suppose, bien entendu, que le milieu est homogène (absence de minéralisation) et que le diamètre du cadre est négligeable devant la distance r.
A partir de ces expressions, on peut calculer les trois composantes du champ magnétique au point P en l'absence de minéralisation.
Le calcul à partir des formules de la trigonométrie sphérique montre que la composante verticale
Hz a pour valeur: k.
Hz 73 sin cos cos (p k et r étant définis ci-dessus, a étant l'angle que fait avec la verticale au point P la droite CP et tp étant l'angle entre la droite horizontale A contenue dans le plan vertical passant par PC et la droite PR menée par P parallèlement à la normale au plan du cadre CN, le cadre se trouvant, comme déjà indiqué, dans un plan vertical.
Le coefficient k est constant puisque le courant traversant le cadre ne varie pas en fonction du temps, par contre le cadre tournant d'un mouvement régulier autour d'un axe vertical passant par son centre, l'angle (p a pour valeur (p = out, o) étant égal à 2xn, la vitesse de rotation du cadre étant de n tours par seconde, t désignant le temps.
On prend comme origine des temps celui où la normale au plan du cadre se trouve dans le plan vertical contenant P.
I1 ressort de ces formules que la composante verticale Hz est, en l'absence de minéralisations, une fonction sinusoïdale du temps et qu'elle est en phase avec cos (p = cos oust.
Par contre, les minéralisations créent une composante verticale du champ qui est en quadrature avec cos cot.
On notera que cette conclusion est indépendante de la valeur c'est-à-dire de la dénivellation possible pouvant exister entre les points P et C.
On met à profit cette propriété et on décèle les minéralisations en isolant la composante en quadrature de la composante verticale du champ.
Il suffit, pour mesurer cette composante en quadrature, de connaître l'instant où la normale au plan du cadre traverse le plan vertical contenant le point d'observation P et le point C.
Un premier moyen pour arriver à ce résultat consiste à monter coaxialement sur l'axe de rotation du cadre S, un second cadran rayonnant un faisceau radioélectrique dirigé.
On sait qu'un champ radioélectrique à haute fréquence se localisant dans l'air n'est pas affecté par les minéralisations, il suffit donc au poste d'observation P de disposer d'un récepteur radio qui, après détection, fournit un courant sinusoïdal, le maximum de courant détecté se produisant, grâce à un calage convenable, quand la normale au plan du cadre rencontre ledit plan vertical contenant le point P.
Il suffit donc, au poste de réception de disposer une bobine ou un cadre à axe vertical, c'est-à-dire dans un plan horizontal, d'amplifier la tension détectée et de l'envoyer dans un détecteur équilibré recevant également à son entrée, la tension en cos t fournie par le récepteur radio.
En l'absence de minéralisation, ce détecteur équilibré fournit une tension de sortie pratiquement nulle, une minéralisation se traduisant par une tension de sortie notable, d'où le résultat désiré.
La fig. 2 représente schématiquement le montage utilisé au poste d'observation P.
On y voit, en 1, le cadre situé dans un plan horizontal et recueillant la composante verticale du champ, la tension à ses bornes est amplifiée en 2 et est amenée à l'une des entrées du détecteur équilibré 3.
D'autre part, une antenne 4 est sensible au champ haute fréquence du faisceau radioélectrique tournant, la tension reçue est amplifiée en 5 et détectée en 6 d'où elle est conduite à la seconde entrée du détecteur équilibré 3.
Ce détecteur d'un type bien connu, en lui-même, isole la composante en quadrature de la composante verticale du champ, composante qui constitue la tension de sortie du détecteur et qui est amenée à l'instrument de mesure 7.
Une déviation notable de cet instrument indique donc l'existence d'une minéralisation.
La fig. 3 montre schématiquement l'organisation du poste émetteur.
On y voit, calés sur un même axe vertical, deux cadres 8 et 9, cet axe tourne sur lui-même et est entraîné en rotation par un moteur 19 qui le fait tourner à une fréquence audible. Le cadre 9 est alimenté par un courant continu fourni par la source 10.
Le cadre 8 est alimenté par une tension radioélectrique d'amplitude constante fournie par le générateur 11. De préférence, les deux cadres sont situés dans le même plan.
On peut remplacer le cadre tournant 9 par un système de deux cadres croisés fixes alimentés par un générateur à fréquence audible, le courant traversant l'un des cadres étant déphasé de #/2.
La fig. 4 montre cette réalisation. On y retrouve le cadre tournant radioélectrique 8 entraîné par le moteur 19 et alimenté par le générateur fréquence 11.
Le cadre 9 est remplacé par un système de deux cadres fixes 12 et 13 disposés dans des plans verticaux perpendiculaires l'un à l'autre.
Ces cadres sont alimentés par un générateur 14 de tension alternative à fréquence audible, l'un des cadres étant alimenté directement, l'autre à travers un déphaseur 15 introduisant un déphasage de #/2.
On sait qu'une telle disposition rayonne le même champ tournant que le cadre rotatif 9 de la fig. 3.
Dans cette réalisation, il convient que la rotation du moteur 19 soit synchronisée sur celle du champ tournant engendré par les courants traversant les ca
dres 12 et 13. Dans ce but, le moteur 19 est asservi de toute façon appropriée au générateur 14, ce qui est symbolisé par la liaison 16.
On peut de même remplacer le cadre tournant 8 par un système de deux cadres croisés fixes alimentés par un générateur radioélectrique fournissant une onde modulée à la fréquence de rotation, l'un directement, l'autre à travers un déphaseur introduisant un déphasage de #/2.
Dans une autre variante, le cadre 9 de la fig. 3 est purement et simplement remplacé par un aimant permanent de dimension convenable tournant autour d'un axe vertical perpendiculaire à son axe propre d'aimantation.
On notera enfin que les considérations développées ci-dessus concernant la composante verticale, peuvent également s'appliquer à la composante horizontale Hl, suivant l'horizontale A mais dans ce cas, il est nécessaire d'orienter le cadre vertical recevant cette composante de manière que sa normale se situe, suivant l'horizontale A de la fig. 1 (horizontale contenue dans le plan vertical contenant CP).
Pour connaître cette orientation, on peut sur le terrain utiliser toute méthode topographique appropriée ou encore une méthode radioélectrique bien connue en elle-même, consistant à faire entraîner par l'axe tournant du cadre 8 des fig. 3 ou 4, un alternateur dont la tension sert à moduler une onde radioélectrique auxiliaire qui est reçue et détectée au poste récepteur, la différence de phase entre l'onde basse fréquence ainsi reçue, et l'onde à la sortie du détecteur 6 fig. 2, constituant, comme l'on salit, une mesure de l'orientation, par rapport à une direction fixe (par exemple le Nord) du plan vertical contenant CP.
I1 est même possible de se servir de la composante horizontale H2 selon l'horizontale perpendiculaire à #, à condition que l'angle α soit voisin de #/@, 2 ce qui est généralement le cas (dénivellation peu importante entre les points P et C).
En effet, dans ces cas α est très voisin de #/2, et on a très approximativement, en l'absence de minéralisation
H2 ¯ HE = sin ç
r3
I1 suffit d'utiliser un cadre vertical convenablement orienté (c'est-à-dire situé dans le plan vertical contenant CP) et un détecteur équilibré alimenté par ce cadre et par la tension aux bornes de 6, mais après passage de celle-ci dans un déphaseur qui transforme la tension cos ot en une tension sin t.
Les dispositifs décrits offrent le gros avantage de permettre à plusieurs observateurs d'opérer simultanément à partir du champ rayonné par un seul poste émetteur.