FR2684765A1

FR2684765A1 - Device for measuring the apparent resistivity of soil

Info

Publication number: FR2684765A1
Application number: FR9115250A
Authority: FR
Inventors: De La Comble Regis
Original assignee: COMBLE REGIS DE
Current assignee: COMBLE REGIS DE
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1993-06-11
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: FR2684765B1

Abstract

The present invention relates to devices for measuring the apparent resistivity of soil. The device according to the invention is essentially characterised in that it comprises two magnetic loops 3, 23 centered on one and the same axis 40 and located in two parallel planes 41, 42, means 50 for magnetically coupling the two magnetic loops, a detector/demodulator 9 whose inputs 7, 8 are connected to the output terminals 5, 6 of the magnetic loop 3, two electrodes 21, 22 capable of interacting with the soil 2, by contact of their ends 43, 44 with this soil, these two ends and the axis 40 of the two magnetic loops being located in one and the same plane, means 24 for connecting the two electrodes respectively to the output terminals 25, 26 of the magnetic loop 23, and controllable means 30 for short-circuiting the magnetic loop 23. Application, in particular, to mapping for achaeological research, pedology, civil engineering, low-depth mineral prospecting, etc.

Description

Dispositif pour mesurer la résistivité apparente
d'un sol
La présente invention concerne les dispositifs pour mesurer la résistivité apparente d'un sol par la méthode dite "radiomagnéto-tellurique", trouvant une application particulièrement avantageuse pour la prospection géophysique dans les couches supérieures d'un sol.Apparatus for measuring the apparent resistivity
of a floor
The present invention relates to devices for measuring the apparent resistivity of a soil by the so-called "radiomagneto-telluric" method, finding a particularly advantageous application for geophysical prospecting in the upper layers of a soil.

I1 existe déj â des dispositifs qui permettent de mesurer la résistivité apparente des couches supérieures d'un sol par la méthode dite "radio-magnéto-tellurique". Cette méthode utilise essentiellement les champs électro-magnétiques rayonnés par des émetteurs de radiodiffusion à tres basses fréquences, par exemple dans la gamme des quinze à vingt-cinq kilohertz, ou à basses fréquences, dans la gamme des cent cinquante à trois cent cinquante kilohertz. Elle permet de déterminer la résistivité apparente d'un sol par application de la formule
2
R = 0,2 (E / H ) / f
x y dans laquelle : R représente la résistivité apparente en Ohm.mètres,
f représente la fréquence en Hertz,
E représente le champ électrique en mV/km, et
x
H représente le champ magnétique en Teslas.There are already devices which make it possible to measure the apparent resistivity of the upper layers of a soil by the so-called "radio-magneto-telluric" method. This method essentially uses the electromagnetic fields radiated by broadcasting transmitters at very low frequencies, for example in the range of fifteen to twenty-five kilohertz, or at low frequencies, in the range of one hundred fifty to three hundred and fifty kilohertz. It makes it possible to determine the apparent resistivity of a soil by applying the formula
2
R = 0.2 (W / H) / f
xy in which: R represents the apparent resistivity in Ohm.meters,
f represents the frequency in Hertz,
E represents the electric field in mV / km, and
x
H represents the magnetic field in Teslas.

y
La mise en oeuvre de cette méthode nécessite la réalisation de dispositifs comprenant au moins deux capteurs qui mesurent respectivement l'intensité du champ électrique et l'intensité du champ magnétique et l'on constate que les dispositifs connus sont relativement long à mettre en oeuvre, encombrants et d'un poids important qui les rend presque inutilisables dans des terrains d'accès difficile.y
The implementation of this method requires the production of devices comprising at least two sensors which respectively measure the intensity of the electric field and the intensity of the magnetic field and it is noted that the known devices are relatively long to implement, bulky and heavy which makes them almost unusable in difficult access terrain.

La présente invention a pour but de réaliser un dispositif pour mesurer la résistivité apparente d'un sol, qui permette d'effectuer des mesures relativement ponctuelles, dont la mise en oeuvre soit très facile pour n'importe quel manipulateur, qui soit d'un encatibrement et d'un poids très raisonnables le rendant portable et facilement utilisable en tout lieu, et d'un prix de revient relativement faible. The object of the present invention is to provide a device for measuring the apparent resistivity of a soil, which makes it possible to carry out relatively punctual measurements, the implementation of which is very easy for any manipulator, which is of a encatibrement and a very reasonable weight making it portable and easily usable in any place, and a relatively low cost price.

Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour mesurer la résistivité apparente d'un sol, caractérisé par le fait qu'il comporte
une première boucle magnétique,
une seconde boucle magnétique,
les deux dites boucles magnétiques étant centrées sur un meme axe et situées dans deux plans parallèles,
des moyens pour coupler magnétiquement les deux dites boucles magnétiques,
un détecteur-démodulateur dont les entrées sont reliées aux bornes de sortie de ladite première boucle magnétique,
deux électrodes aptes à coopérer avec ledit sol, par contact de leurs extrémités avec cedit sol, les deux dites extrémités et ledit axe des deux dites boucles magnétiques étant situés dans un même plan,
des moyens pour relier les deux dites électrodes, respectivement aux bornes de sortie de ladite seconde boucle 'magnétique, et
des moyens commandables pour court-circuiter ladite seconde boucle magnétique.More specifically, the subject of the present invention is a device for measuring the apparent resistivity of a soil, characterized in that it comprises
a first magnetic loop,
a second magnetic loop,
the two said magnetic loops being centered on the same axis and located in two parallel planes,
means for magnetically coupling the two said magnetic loops,
a detector-demodulator whose inputs are connected to the output terminals of said first magnetic loop,
two electrodes able to cooperate with said ground, by contact of their ends with said ground, the two said ends and said axis of the two said magnetic loops being located in the same plane,
means for connecting the two said electrodes, respectively to the output terminals of said second magnetic loop, and
controllable means for short-circuiting said second magnetic loop.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels
La figure 1 représente, sous forme schématique, un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, pour mesurer la résistivité apparente d'un sol, et
La figure 2 représente un mode de réalisation avantageux d'une partie du dispositif selon la figure 1.Other characteristics and advantages of the present invention will appear during the following description given with reference to the drawings annexed by way of illustration, but in no way limitative, in which
FIG. 1 represents, in schematic form, an embodiment of a device according to the invention, for measuring the apparent resistivity of a soil, and
FIG. 2 represents an advantageous embodiment of a part of the device according to FIG. 1.

En revenant plus particulièrement à la figure 1, celle-ci représente, sous forme schématique, un mode de réalisation d'un dispositif l pour mesurer la résistivité apparente d'un sol 2. Ce dispositif comprend une première boucle magnétique 3 constituée, par exemple, par une spire 4 d'un fil électriquement conducteur, par exemple en cuivre, dont les bornes de sortie 5, 6 sont reliées aux entrees 7, 8 d'un détecteur-démodulateur 9. Ce detecteur-demodulateur peut etre constitué de la meme façon que celui que l'on trouve couramment dans un recepteur d'ondes radio connecté à la sortie de l'antenne de réception. Returning more particularly to FIG. 1, this represents, in schematic form, an embodiment of a device 1 for measuring the apparent resistivity of a soil 2. This device comprises a first magnetic loop 3 constituted, for example , by a turn 4 of an electrically conductive wire, for example copper, whose output terminals 5, 6 are connected to the inputs 7, 8 of a detector-demodulator 9. This detector-demodulator can be made of the same like the one commonly found in a radio wave receiver connected to the output of the receiving antenna.

Les sorties 10, 11 de ce detecteur-demodulateur 9 sont reliées aux entrées 12, 13 d'un transducteur 14 permettant de matérialiser, sous une forme ou une autre, le signal que le détecteur-demodulateur est apte à délivrer sur ses sorties 10, 11. A titre d'exemple, un tel transducteur 14 peut etre constitué par un multimètre ou voltmètre comme illustré en 15 sur la figure, de type numérique ou analogique. The outputs 10, 11 of this detector-demodulator 9 are connected to the inputs 12, 13 of a transducer 14 making it possible to materialize, in one form or another, the signal that the detector-demodulator is capable of delivering on its outputs 10, 11. By way of example, such a transducer 14 may be constituted by a multimeter or voltmeter as illustrated at 15 in the figure, of digital or analog type.

I1 peut aussi etre constitué par un haut-parleur, seul ou adapté à un casque, représente en pointillés en 16 sur la figure 1, ou par une source lumineuse d'accord, comme représenté plus spécifiquement en 17 sur la figure 2, ou meme par un enregistreur à mémoire permanente. I1 can also be constituted by a loudspeaker, alone or adapted to a helmet, represented by dotted lines in 16 in FIG. 1, or by a light source of agreement, as shown more specifically in 17 in FIG. 2, or even by a permanent memory recorder.

Le dispositif peut ne comporter qu'un seul type de transducteurs parmi ceux mentionnés ci-dessus, ou plusieurs montés en parallèle, en sortie 10, 11 du détecteur-démodulateur 9. The device can comprise only one type of transducer among those mentioned above, or several mounted in parallel, at output 10, 11 of detector-demodulator 9.

Le dispositif comporte en outre deux électrodes 21, 22 aptes à coopérer avec le sol 2, cette coopération pouvant se faire par enfoncement des électrodes dans ce sol. The device further comprises two electrodes 21, 22 able to cooperate with the ground 2, this cooperation being able to take place by driving the electrodes into this ground.

Le dispositif comporte une seconde boucle magnétique 23 constituee avantageusement de la meme façon que la boucle 3 mentionnée ci-avant. Des moyens 24 sont prévus pour relier les bornes de sortie 25, 26 de la seconde boucle magnétique 23, respectivement aux électrodes 21, 22. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, ces moyens 24 sont simplement constitués par deux conducteurs électriques 27, 28 reliant électriquement les sorties 25, 26, respectivement aux électrodes 21, 22. The device comprises a second magnetic loop 23 advantageously constituted in the same way as the loop 3 mentioned above. Means 24 are provided for connecting the output terminals 25, 26 of the second magnetic loop 23, respectively to the electrodes 21, 22. In the embodiment illustrated in FIG. 1, these means 24 are simply constituted by two electrical conductors 27 , 28 electrically connecting the outputs 25, 26, respectively to the electrodes 21, 22.

I1 est en outre prévu des moyens ccmsandables 30 pour court-circuiter la seconde boucle magnétique 23. Ces moyens sont schématiquement illustrés sur la figure 1 par un commutateur 31 dont les deux bornes de sortie 32, 33 sont respectivement reliées aux deux bornes de sortie 25, 26 de la seconde boucle magnétique 23. I1 is furthermore provided with cmsandable means 30 for short-circuiting the second magnetic loop 23. These means are schematically illustrated in FIG. 1 by a switch 31, the two output terminals 32, 33 of which are respectively connected to the two output terminals 25 , 26 of the second magnetic loop 23.

Selon une caractéristique structurelle avantageuse du dispositif, les deux boucles magnétiques 3 et 23 sont centrées sur un mème axe 40 et sont disposées dans deux plans 41, 42 sensiblement parallèles entre eux. According to an advantageous structural characteristic of the device, the two magnetic loops 3 and 23 are centered on the same axis 40 and are arranged in two planes 41, 42 substantially parallel to one another.

Le dispositif comporte en outre des moyens 50 pour coupler magnétiquement les deux boucles 3, 23, ces moyens 50 pouvant avantageusement etre constitués par un barreau de ferrite 51 dont l'axe est confondu avec l'axe 40 et disposé dans les deux boucles magnétiques 3, 23 de façon que ses extrémités 52, 53 dépassent de part et d'autre des deux plans 41, 42. The device further comprises means 50 for magnetically coupling the two loops 3, 23, these means 50 which can advantageously be constituted by a ferrite bar 51 whose axis is coincident with the axis 40 and disposed in the two magnetic loops 3 , 23 so that its ends 52, 53 project on either side of the two planes 41, 42.

En outre, les deux électrodes 21, 22 sont montées en association avec, notamment, les deux boucles magnétiques 3 et 23 de façon que leurs extrémités 43, 44, au moins lorsqu'elles sont plantées dans le sol 2, et l'axe 40 des deux boucles magnétiques soient sensiblement contenus dans un meme plan. In addition, the two electrodes 21, 22 are mounted in association with, in particular, the two magnetic loops 3 and 23 so that their ends 43, 44, at least when they are planted in the ground 2, and the axis 40 of the two magnetic loops are substantially contained in the same plane.

Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne et s'utilise de la façon suivante
On suppose tout d'abord qu'un émetteur de basses fréquences émet ses ondes à partir d'un point donné qui, avantageusement, est situé à une assez grande distance de la région du sol dont on veut déterminer la résistivité apparente. Une solution avantageuse est d'utiliser les ondes électromagnétiques émises par des émetteurs de radiodiffusion dans la gamme des basses fréquences comprises entre 150 et 350 kHz, car ces émissions ont l'avantage d'etre temporellement sensiblement constantes et facilement reçues en de nombreux points d'un territoire donné.The device described above works and is used in the following way
It is first assumed that a low frequency transmitter transmits its waves from a given point which, advantageously, is located at a fairly large distance from the region of the ground whose apparent resistivity is to be determined. An advantageous solution is to use the electromagnetic waves emitted by broadcasting transmitters in the low frequency range between 150 and 350 kHz, since these emissions have the advantage of being temporally substantially constant and easily received at numerous points of 'a given territory.

Dans un premier temps, on court-circuite la seconde boucle magnétique 23 au moyen, par exemple, du commutateur 31. Puis on oriente la première boucle de façon que le détecteur-démodulateur 9 ne delivre aucun signal, sinon un signal très faible, sur ses sorties 10, 11. Cette détermination peut etre faite de manière auditive en écoutant le haut-parleur 16 ou visuelle en observant la déviation de l'aiguille du multimètre 15. Firstly, the second magnetic loop 23 is short-circuited by means, for example, of the switch 31. Then the first loop is oriented so that the detector-demodulator 9 does not deliver any signal, except a very weak signal, on its outputs 10, 11. This determination can be made aural by listening to the loudspeaker 16 or visual by observing the deviation of the needle of the multimeter 15.

Quand a été déterminé ce minimum de signal, on est certain que l'axe 40 de la boucle 3 est dirigé vers l'émetteur, le plan de la boucle étant alors sensiblement confondu avec une ligne de gradient du champ magnétique des ondes emises par l'émetteur radio. When this minimum signal has been determined, it is certain that the axis 40 of loop 3 is directed towards the transmitter, the plane of the loop then being substantially coincident with a gradient line of the magnetic field of the waves emitted by l radio transmitter.

Quand cette position de l'axe 40 commun aux deux boucles magnétiques 3, 23 est déterminée, on plante les deux électrodes 21, 22 dans le sol 2, par exemple à une distance l'une de l'autre de un mètre, et surtout de façon que leurs extrémités 43, 44 et l'axe 40 des deux boucles soient sensiblement dans un méme plan qui, en fait, est un plan passant par 1 'émetteur radio. When this position of the axis 40 common to the two magnetic loops 3, 23 is determined, the two electrodes 21, 22 are planted in the ground 2, for example at a distance from one another of one meter, and above all so that their ends 43, 44 and the axis 40 of the two loops are substantially in the same plane which, in fact, is a plane passing through one radio transmitter.

Par une rotation de quatre-vingt-dix degrés, par exemple du dispositif, on amène le plan de la boucle 3 perpendiculaire aux lignes de gradient du champ magnétique des ondes émises par l'émetteur radio, qui induisent dans cette boucle un courant électrique qui est analysé et démodulé par le détecteur-démodulateur 9 qui délivre, sur ses sorties 10, 11, un signal dont l'amplitude peut être mesurée par le multimètre 15. By a rotation of ninety degrees, for example of the device, the plane of loop 3 is brought perpendicular to the gradient lines of the magnetic field of the waves emitted by the radio transmitter, which induce in this loop an electric current which is analyzed and demodulated by the detector-demodulator 9 which delivers, on its outputs 10, 11, a signal whose amplitude can be measured by the multimeter 15.

Quand ces opérations sont terminées, on commande le commutateur 31 afin que la seconde boucle magnétique 23 ne soit plus en court-circuit, mais reliée électriquement aux deux électrodes 21,
22 plantées dans le sol 3 comme décrit ci-avant, les deux boucles magnétiques 3, 23 étant repositionnées de façon que leur axe commun 40 soit dirigé vers l'émetteur.When these operations are finished, the switch 31 is controlled so that the second magnetic loop 23 is no longer short-circuited, but electrically connected to the two electrodes 21,
22 planted in the ground 3 as described above, the two magnetic loops 3, 23 being repositioned so that their common axis 40 is directed towards the transmitter.

Le champ électrique émis par les ondes radio et qui pénètre dans les couches supérieures du sol 2 crée, du fait de la disposition des electrodes particulière décrite ci-dessus, une différence de potentiel entre les extrémités 43, 44 de ces deux électrodes, et donc un courant électrique qui parcourt la boucle 23. Ce courant électrique produit, au centre de la bobine et perpendiculairement à son plan 42, un champ magnétique concentré dans le barreau de ferrite 51. Ce champ magnétique, guidé par le barreau 51 traverse à son tour la boucle 3
suivant l'axe 40 et induit dans cette boucle un courant électrique qui est donc une fonction du champ électrique régnant dans le sol entre
les deux extrémités des deux électrodes. L'intensité du courant électrique induit dans la boucle magnétique 3 est affichée, notamment,
sur le multimètre 15.The electric field emitted by radio waves and which penetrates into the upper layers of the ground 2 creates, due to the particular arrangement of the electrodes described above, a potential difference between the ends 43, 44 of these two electrodes, and therefore an electric current which flows through the loop 23. This electric current produces, at the center of the coil and perpendicular to its plane 42, a magnetic field concentrated in the ferrite bar 51. This magnetic field, guided by the bar 51 in turn crosses loop 3
along axis 40 and induces in this loop an electric current which is therefore a function of the electric field prevailing in the ground between
the two ends of the two electrodes. The intensity of the electric current induced in the magnetic loop 3 is displayed, in particular,
on the multimeter 15.

De plus, dans les conditions d'utilisation du dispositif, la
fréquence et l'intensité du champ magnétique relatifs aux ondes
électromagnétiques utilisées sont constantes. Donc, d'après la formule
donnée dans le préambule de la présente description, la résistivité
apparente du sol est proportionnelle au carré de l'intensité du champ électrique. In addition, under the conditions of use of the device, the
frequency and intensity of the magnetic field relative to the waves
electromagnetic are constant. So according to the formula
given in the preamble to this description, the resistivity
apparent of the ground is proportional to the square of the intensity of the electric field.

L'intensité du courant électrique affichée sur le multimètre 15 est donc une bonne image de la résistivité apparente de la partie du sol entre les extrémités 43, 44 des deux électrodes. The intensity of the electric current displayed on the multimeter 15 is therefore a good image of the apparent resistivity of the part of the ground between the ends 43, 44 of the two electrodes.

On peut ainsi effectuer des mesures successives en déplaçant les électrodes pas-à-pas, mais en conservant leur orientation, pour obtenir une image de la variation de la résistivité apparente d'un sol dans un espace donné de ce sol. It is thus possible to carry out successive measurements by moving the electrodes step by step, but maintaining their orientation, to obtain an image of the variation of the apparent resistivity of a soil in a given space of this soil.

C'est en effectuant de telles mesures que le Demandeur a pu très facilement réaliser des cartographies de structures enterrées pour la recherche archéologique, des profils d'épaisseur de terre végétale pour la pédologie, des cartographies de karst, dolines, souterrains, fractures, conduites enterrées, etc., pour le génie civil, rechercher des fractures et des réseaux hydrauliques pour 1 'hydrogéologie, des pièges tectoniques, filons, etc., pour la recherche minière à faible profondeur. It is by carrying out such measurements that the Applicant could very easily carry out maps of buried structures for archaeological research, profiles of topsoil thickness for pedology, maps of karst, sinkholes, underground, fractures, pipes buried, etc., for civil engineering, search for fractures and hydraulic networks for hydrogeology, tectonic traps, veins, etc., for shallow mining research.

Dans le mode de réalisation du dispositif 1 décrit en regard de la figure 1, les boucles magnétiques 3 et 23 ont été décrites et illustrées carme constituées par une spire d'un fil électriquement conducteur. Cependant, afin d'augmenter la sensibilité du dispositif, au moins 1' une des deux boucles magnétiques sera avantageusement constituee par une pluralité de spires contenues dans des plans sensiblement parallèles entre eux formant une bobine entourant le barreau de ferrite 51. Dans le mode de réalisation selon la figure 2, les deux boucles magnétiques sont conformées en bobines schématiquement illustrées en 63 et 73. In the embodiment of the device 1 described with reference to FIG. 1, the magnetic loops 3 and 23 have been described and illustrated as being formed by a turn of an electrically conductive wire. However, in order to increase the sensitivity of the device, at least one of the two magnetic loops will advantageously be constituted by a plurality of turns contained in substantially parallel planes between them forming a coil surrounding the ferrite bar 51. In the mode of embodiment according to FIG. 2, the two magnetic loops are shaped into coils schematically illustrated in 63 and 73.

De même, il est avantageux de pouvoir adapter l'impedance du circuit comprenant les électrodes 21, 22 et la seconde boucle magnétique 23 à celle de la partie du sol dont on veut mesurer la résistivité apparente. Pour ce faire, il est avantageux que les moyens
24 pour relier les électrodes 21, 22 à la seconde boucle magnétique 23 comportent un amplificateur operationnel 80 monté en série dans le circuit défini ci-avant. I1 est de plus avantageux de prévoir un pont de résistances variables 81 reliant les deux électrodes 21, 22, en parallèle sur la seconde boucle magnétique 23. Similarly, it is advantageous to be able to adapt the impedance of the circuit comprising the electrodes 21, 22 and the second magnetic loop 23 to that of the part of the ground whose apparent resistivity is to be measured. To do this, it is advantageous that the means
24 for connecting the electrodes 21, 22 to the second magnetic loop 23 comprise an operational amplifier 80 mounted in series in the circuit defined above. It is more advantageous to provide a bridge of variable resistors 81 connecting the two electrodes 21, 22, in parallel on the second magnetic loop 23.

Claims

1. Device for measuring the apparent resistivity of a soil (2), characterized in that it comprises

a first magnetic loop (3),

a second magnetic loop (23),

the two said magnetic loops being centered on the same axis (40) and located in two parallel planes (41,42),

means (50) for magnetically coupling the two said magnetic loops,

a demodulator detector (9) whose inputs (7,8) are connected to the output terminals (5,6) of said first magnetic loop (3),

two electrodes (21,22) able to cooperate with said ground, by contact of their ends (43,44) with said ground, the two said ends and said axis (40) of the two said magnetic loops being located in the same plane ,

means (24) for connecting the two said electrodes, respectively to the output terminals (25, 26) of said second magnetic loop (23), and

controllable means (30) for short-circuiting said second magnetic loop.

2. Device according to claim 1, characterized in that said means (50) for magnetically coupling the two said magnetic loops (3,23) consist of a ferrite bar (51).

3. Device according to one of claims 1 and 2, c acterise in that at least one of the two said magnetic loops (3,23) is constituted by a plurality of turns of an electrical conductor, forming a coil (63.73).

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means (24) for connecting the two said electrodes (21,22), respectively to the output terminals (25,26) of said second magnetic loop (23) include an operational amplifier (80).

5. Device according to claim 4, characterized in that it further comprises a bridge of variable resistances (81) connecting the two said electrodes (21,22).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a chord detection transducer (14) connected to the outputs (10,11) of said detector-demodulator

(9).

7. Device according to claim 6, characterized in that said transducer (14) consists of at least one of the following elements: light source (17), sound source (16), multimeter (15), memory recorder permed.

8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the controllable means (30) for short-circuiting said second magnetic loop (23) are constituted by a catinutator (31) whose outputs (32,33) are connected to the two output terminals (25,26) of the second loop (23).