Techniques électriques et électromagnétiques

Les techniques électromagnétiques de reconnaissance sont des méthodes non-intrusives (et donc indirectes) de caractérisation des sols : elles permettent de mesurer des grandeurs intégrantes liées à la distribution des propriétés électromagnétiques dans le volume investigué. Ces propriétés sont principalement la conductivité électrique et la permittivité diélectrique des milieux (la perméabilité magnétique sera ici considérée comme constante). Ces propriétés dépendent des paramètres d'état des sols selon des relations complexes. Depuis plusieurs décennies, les géophysiciens ont cherché à affiner et fiabiliser ces lois afin d'accéder aux paramètres des sols. On trouve ainsi dans la littérature de nombreux modèles, purement empiriques ou plus phénoménologiques, tentant de reproduire le comportement électromagnétique d'un milieu en fonction de sa porosité, de son état hydrique, de sa nature (argilosité, microstructure), de la concentration ionique de l'eau d'imbibition, ou encore des fractions volumiques des trois phases en présence (voire quatre phases, si on distingue eau libre et eau liée).

Les premières apparitions des techniques de résistivité remontent au début du 20ème siècle (prospection pétrolière, géologique, recherche d’eau). Puis les applications se sont considérablement diversifiées et les échelles progressivement réduites.
La résistivité électriqueρ (en Ωm) est une propriété physique des milieux continus qui exprime la faculté de ce milieu à résister au passage dun courant électrique (son inverse est la conductivité électrique s exprimée en S.m-1). Pour un milieu poreux (sol, ciment, béton), cette propriété locale dépend essentiellement de la nature de ses constituants, de sa porosité et de la tortuosité de l’espace poral, de la teneur en eau, de la salinité de l’eau et de la température. Une mesure effective (sur un certain volume) dépendra donc de l’indice des vides, du remplissage de ces vides par les fluides en présence (taux de saturation), de la nature de ces fluides (air, eau, saumure, hydrocarbures) mais également de l’état d’altération du milieu. Dans un sol naturel ou anthropique, la présence d’argiles joue un rôle important dans les phénomènes observés.
Différentes techniques d’acquisition existent : le Sondage Electrique Vertical, le profilage (ou trainé) de résistivité apparente, la Tomographie de Résistivité Electrique 2D (TRE 2D, ou « panneau électrique »), et plus généralement les techniques d’Imagerie de Résistivité Electrique (2D, 3D, ou 4D en suivi temporel).
Grâce à la forte sensibilité des observables à la nature et à l’état des sols, ainsi qu’à la grande adaptabilité de ces techniques à toutes les échelles spatiales et temporelles, les applications couvrent des domaines très variés : reconnaissance géologique, hydrogéologie, prospection minière, risques naturels, environnement (pollution des sols), pédologie, archéologie… Depuis 2005, le laboratoire GeoEND contribue par notamment aux développements liés au diagnostic et à la surveillance des ouvrages hydrauliques et de protection.

La technique « Slingram » fonctionne par induction électromagnétique à l’aide de deux dipôles magnétiques : une boucle émettrice (champ magnétique primaire émis) et une boucle réceptrice (champ magnétique secondaire déduit). Elles permettent de réaliser à grand rendement du profilage et de la cartographie de conductivité apparente. A basse fréquence et sur des milieux pas excessivement conducteurs (approximation « LIN » ou faible nombre d’induction) la profondeur d’investigation ne dépend que de l’écartement entre les deux boucles. Suivant l’orientation de celles-ci (verticales, horizontales), divers modes d’acquisition sont disponibles avec des profondeurs d’investigation différentes. Bien qu’on puisse envisager des traitements quantitatifs sous certaines hypothèses (ex : milieu tabulaire), cette technique est essentiellement qualitative et le laboratoire GeoEND l’utilise comme outil de caractérisation rapide, en complément des autres techniques d’auscultation.

La technique radar (ou ground-penetrating radar, GPR) fait partie des techniques d'auscultation polyvalent pour le génie civil, qui peut être sans contact et à grand rendement, dont la principale application est liée à l'information géométrique, sous la forme de localisation d'hétérogénéités ou de mesures d'épaisseur. Son principe repose sur l'étude de la propagation d'onde électromagnétiques (EM) (généralement sous forme impulsionnelle) et des réflexions successives pouvant apparaissant à chaque interface des matériaux constituant la structure/sol ausculté. Les bandes de fréquences vont de la centaine de MHz pour des applications géophysiques à quelques GHz pour des applications hautes fréquences d'END de structures de génie civil.

La technique radar est actuellement employée en complément dans le cadre d'une recherche plus générale sur l'étude des digues et défenses à la mer par techniques électriques et EM basses fréquences (thèse C. Jodry).

Une étude plus ancienne (thèse F.  Lopez, 2009) a porté sur l'inversion des formes d'ondes de données radar multi-offsets, permettant de reconstruire des images hautes résolution d'anomalies enterrées.