Nouvelles approches géophysiques pour l’identification des dolines et des cavités souterraines dans un contexte karstique
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Abstract EN:
The self-potential method has strongly evolved during the last few years. In this Ph-D thesis, We have investigated the usefulness of this method in the context of karstic hydrogeology. Our goals were (1) to test its efficiency to map the pattern of trensient aquifers in the shallow subsurface and (2) to use this method to locate preferential drainage pathways associated with areas of preferential dissolution of the undrlying chalk formation (sinkholes and crypto-sinkholes). The sinkholes are indeed preferential ground water flow pathways that channels the shallow ground waters inside the deep aquifer located in the chalk formation at depth. We suceesfully located sinkholes from their self-potential signature evidencing the localization of preferential drainage pathways. Self-potential maps were obtained during the rainy season (spring) and the dry season (summer). These maps reveal the relationships between the hydrodynamics of the shallow ground water flow on one side and the hydroelectrical parameters of the vadose zone and the seld-potential measurements obtained at the ground surface on the other side. These measurements confirm that the downward percolation of the ground water and the evapotranspiration in the vadose zone yield negative and positive self-potential signatures at the ground surface, respectively. In the field of engineering, we have developed a new application of the self-potential method to the detection of caves. Indeed, in Haute-Normandie (France), there are thousands of abandonned anthropic caves over the chalk plateau The development of a simple method to locate these abandonned caves was a really challenge for the geophysicists. We have demonstrated the usefulness of the self-potential method to detect the roof of the cavities because of the impact of the cavities on the geometry of the flow of the ground water and the electrical resistivity contrast between the cavity and the surrounding sedimentary formations. We have been working also on the inversion of self-potential signals made at the ground surface of the Earth and associated with groundwaer flow at depth (streaming potential). We have developed 3D algorithms to invert the self-potential response in term of geometry of the water table corresponding to the piezometric surface of the nunconfined aquifer. We have also demonstrated that the self-potential method can be combined with other geophysical methods, like low-frequency electromagnetic methods (EM31 and EM34), and jointly inverted.
Abstract FR:
La méthode de potentiel spontané a énormément évolué durant ces dernières années. Dans ce cadre, nous apportons notre contribution à l’utilisation de la méthode de potentiel spontané dans la cas de l’hydrogéologie karstique : (1) son efficacité à cartographier la géométrie des nappes de sub-surface temporaires et (2) l’identification des écoulements préférentiels drainés vers des zones de karstification (les dolines et crypto-dolines). Les dolines sont en effet des points d’engouffrements qui permettent l’introduction rapide des eaux de surface vers l’aquifère profond contenu dans la craie. Dans cette thèse, nous avons réussi à cartographier les dolines grâce à leur signature en potentiel spontané généré par les écoulements préférentiels rapide vers les dolines et le couplage électrocinétique. La prospection en potentiel spontané, réalisée à la fois pendant une période pluvieuse et une période « sèche », révèle une relation entre les propriétés hydroélectriques de la zone vadose et les mesures de potentiel électrique mesuré à la surface du sol ; ces dernières confirment que la percolation de l’eau et l’évapotranspiration au travers des loess vers les dolines se traduisent par des signatures électriques respectivement négatives et positives. Dans le domaine géotechnique, nous avons ouvert un nouveau domaine d’application du potentiel spontané. En Haute-Normandie, dans le contexte crayeux, connu par la présence de milliers de cavités souterraines anthropiques abandonnées appelées marnières. La localisation de ces cavités était un challenge pour les géophysiciens. Nous avons démontré l’efficacité de la méthode de potentiel spontané pour localiser le toit des cavités à partir d’impact des cavités sur la géométrie des circulations hydriques dans le sous-sol et le contraste de résistivité électrique entre la cavité et son encaissant. Concernant l’inversion des signaux associés à l’électrofiltration, nous avons développé deux nouvelles méthodes d’inversion en trois dimensions qui permettent d’obtenir la géométrie des circulations hydriques dans le sous-sol (i. E. , le niveau piézométrique de la nappe superficielle) à partir des mesures de potentiel spontané effectuées à la surface du sol. Nous montrons ainsi que cette méthode peut aussi être combinée avec d’autres méthodes géophysiques y compris des méthodes actives comme c’est le cas des méthodes électromagnétiques à basses fréquences (EM31 et EM34) dont les résultats peuvent être traités avec des algorithmes d’inversion jointe.