II.2. ACQUISITION DES DONNEES
II.3.1. Levé
gravimétrique
L'acquisition des données gravimétriques se fait
par le levé gravimétrique qui, comme le levé
géologique, consiste en des
prélèvements des valeurs de gravité sur
quelques stations dans la région à étudier. L'objectif du
levé est d'obtenir une carte d'anomalies gravimétriques de la
région.
Avec des travaux régionaux, la gravimétrie
utilise des échelles de 1/1.000.000 à 1/200.000. Pour le
tracé des cartes à ces échelles, la distance entre les
points d'observation doivent être de 2 à 4Km. Le levé
gravimétrique
s'effectue aux échelles
1/100.000 à 1/25.000
avec une densité plus resserrée des points d'observation. Pour le
dégagement et l'étude détaillée des dômes de
sel, des édifices récifaux ou d'autres formes structurales au
dessin net, on recommande de recourir aux levés gravimétriques
très détaillés. (I. Abrikossov, I. Goutman,
1986)
Nous pouvons insister sur certaines opérations et
précautions à prendre pendant le levé gravimétrique
(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008):
? Numérotation des stations :
Suivant le genre de levé, la numérotation des
stations pose plus ou moins de difficultés. Dans un levé local,
le long de traverses bien définies, les points de mesure portent
habituellement le numéro de la traverse et un numéro indiquant
son ordre sur celle-ci. On aurait par exemple la station 02 + 09 qui serait la
neuvième
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station sur la traverse deux ou, comme indiqué sur la
figure II.4, la station »10N-05W» qui serait la station située
à 5 unités vers l'ouest par rapport à la station de
référence (station 00-00) sur la ligne à 10 unité
par rapport à la ligne de référence (ligne 00).Dans un
levé régional (par exemple pour toute la ville de Matadi), les
points de mesure seraient principalement déterminés par leur
longitude et leur latitude. Habituellement, on utilise de plus une
numérotation arbitraire pour les stations.
? Nivellement : Le nivellement est
extrêmement important en gravimétrie. Comme nous l'avons vu dans
la correction d'altitude, une erreur de quelques cm entraîne une erreur
importante dans la valeur corrigée de la gravité. Si on
considère, la correction d'altitude et la correction de plateau avec une
densité de 2.76 g/cm3, nous avons une correction de 0.1966h. Ainsi, une
erreur d'estimation de h de 10 cm correspond à une erreur 0.02 mgal sur
g, 50 cm correspond à 0.1 mgal et 1 m à 0.2 mgal. Donc, une
erreur de 50 cm dans la mesure des élévations introduit une
erreur dans la valeur corrigée de la gravité qui est de l'ordre
des anomalies recherchées.
C'est pourquoi, il ne faut pas oublier que pour une
précision de 0.01 mgal, il faut connaître
l'élévation à #177;3cm pour la correction d'air libre et
à #177;9cm pour la correction de plateau.
? Manipulation du gravimètre :
le gravimètre est un appareil extrêmement sensible
et ne doit pas subir de chocs. Un soin particulier doit être
apporté lors de son transport et de son utilisation.
? Dérive : il faut repasser
à un point de contrôle à toutes les 34 heures. Le
cheminement employé dépend du terrain sur lequel les mesures sont
prises et le temps requis pour faire ces mesures. Le plus important est
d'établir un bon réseau de stations de base. Sur une grille
traditionnelle d'exploration, on établira les stations de base sur la
ligne de base ou sur une des lignes de rattachement.
? Positionnement des stations : pour
faciliter les corrections de relief, il est mieux d'éviter des
prélèvements des mesures à proximité des accidents
topographiques.
? Personnel : une équipe de
gravimétrie doit être composée d'au moins deux personnes :
l'opérateur du gravimètre, accompagné d'un assistant
(aide) qui, lorsque les conditions de terrain ne sont pas trop difficiles, peut
réaliser des calculs nécessaires à l'obtention de la carte
de Bouguer.
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> Véhicule : selon
les terrains étudiés, il devrait avoir les
qualités suivantes :
V' être tout terrain et avec treuil ;
V' être fiable ;
V' être ni trop gros, ni trop pesant ;
V' posséder une bonne manoeuvrabilité.
II.3.2. Appareillage
a. Valeurs absolues et valeurs relatives de la
gravité
Selon l'appareil utilisé, les mesures de
gravité peuvent être absolues ou relatives. Les mesures absolues
donnent des valeurs de l'accélération gravitationnelle
directement dans les unités du système International (SI) ; Par
exemple 9,817002652#177;0,000000048 m/s2. Sa
précision dépend de l'appareil utilisé.
Les mesures relatives quant à elles, donnent des
différences de gravité et leur unité ainsi que leur
échelle sont arbitraires. Elles représentent donc des
différences de gravité d'une station à l'autre ; sa
précision dépend également des appareils
utilisés.
b. Appareillage pour les mesures absolues de la
gravité (Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008)
> Pendule : La mesure est obtenue par la
relation (2.20)
où I est le moment d'inertie, T la période
d'oscillation, m la masse et h la distance du pivot au centre de masse du
pendule (figure II.6). Cette équation est remplacée par la
formule pour le pendule idéal (la connexion entre le pivot et la masse
est parfaitement rigide et sans poids) pour devenir
(2.21). Ici, la précision n'est pas assez
élevée.
> Corde vibrante : Le principe de la corde
vibrante (voir fig. II.7) est de déterminer la fréquence de
résonnance entre d'une part la corde soutenant la masse m et le circuit
(solénoïdes) électronique, cette fréquence
étant proportionnelle à g. Les appareils reposant sur ce principe
sont encore au stade expérimental.
> Chute libre : Le principe de la chute
libre étant (2.22)
pour un corps de vitesse initiale connue tombant d'une
distance x1 et x2 dans des temps t1 et t2,
on aura :
(2.23).
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Pour une précision de 1 mgal sur une chute de 1 à 2
m, le
temps doit être connu à et la distance à
0.5 mm. On a
réussi à construire des appareils reposant sur ce
principe grâce à l'emploi de lasers (voir fig. II.8).
c. Appareillage pour les mesures absolues de la
gravité
? Pendule : conformément au principe
exposé précédemment,
nous avons : ; d'où (2.24);
alors (2.25)
? Balance à torsion : La balance de
torsion est l'ancêtre du gravimètre. L'appareil est formé
par deux masses égales séparées par une barre rigide de
longueur 2l (horizontale) et une d'une hauteur h (verticale). Le
système est suspendu en son centre par une fibre de torsion à
laquelle est attaché un petit miroir afin de mesurer la rotation d'un
rayon lumineux fourni par une lampe (voir Fig.II.9). A partir des variations du
faisceau lumineux lues sur l''ecran, mesurera le gradient
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(variation) horizontal de la gravité. On ne mesure pas
gz car le mouvement n'est que rotationnel et causé par de petites
différences dans la composante horizontale de g agissant sur deux
masses. Les mesures sont données en Eötvös, égales
à
mgal/cm (Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008).
? Les gravimètres :
Développés pour mesurer Agz sur le terrain
(1930), ce système correspond essentiellement à une balance
extrêmement sensible dans laquelle une masse est reliée à
un ressort. Les variations de la gravité se traduisent alors par une
élongation du ressort amplifiée
mécaniquement ou
électriquement. Les
gravimètres modernes utilisent deux ressorts : un dont
la tension correspond à une valeur moyenne pour la région et un
autre plus sensible relié à une vis micrométrique qui sert
à faire la lecture. Il existe deux types de gravimètre, les
gravimètres stables et les gravimètres instables.
? Gravimètres stables : Ces gravimètres
sont établis suivant le principe de la loi de Hooke. La variation de la
gravité est égale à la variation de la force
exercée par le
ressort (voir fig. II.10) : (2.23) où k est la
constante
du ressort, m la masse et Äx
l'élongation du ressort. Pour un
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ressort ayant une période d'oscillation T, nous
obtenons : (2.24) où la période d'oscillation est donnée
par :
(2.25). Pour détecter g de 0.1 mgal, Ax doit être
de
l'ordre de cm. Il faut donc des ressorts extrêmement
sensibles. Exemple, le Gravimètre Gulf
(sensibilité>0,1ugal).
? Les gravimètres instables (Bernard Giroux, Michel
Chouteau, 2008)
Les Gravimètres instables sont plus précis que
les gravimètres stables.
o La Coste - Romberg : développé en 1934 par
J.B. LaCoste, il est basé sur le principe du ressort de longueur
zéro : la tension u longueur du ressort. Son degré de
précision est de -0.01 mgal, voire mieux. Ils sont fabriqués en
métal avec faible extension thermique et sont isolés et
thermostatés #177;0.002°C. Les premiers pesaient environ 80 lbs
(1940), maintenant, seulement 6 lbs.
o Worden (Sodin) : développé en 1948, il
possède un mécanisme en quartz (très léger, le
mécanisme est gros comme un poing). Sa sensibilité aux DT et DP
est réduite parce que le mécanisme est sous vide. Il
possède également un système de compensation thermique.
o Le mouvement est similaire au LaCoste - Romberg. Ses
caractéristiques techniques sont : #177;10» de haut, 5»de
diamètre, et environ 6 lbs. Le prospector de Sodin a une
précision de #177;10 mgals ; Coût #177;29,000 Can $ (1998).
o Scintrex CG-3 : gravimètre électronique : les
mesures sont automatiques et multiples (nivellement automatique, correction de
marées, interface avec ordinateur) Sensibilité #177;1mgal ;
Précision #177;3mgals ; Coût #177;45,000 Canada $ (1998). Version
autonivellante héliportée pour les régions d'accès
difficiles : l'Héligare de Scintrex.
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II.3.3. Traitement des données
(Bernard Giroux, Michel Chouteau, 2008)
L'anomalie de Bouguer peut provenir de plusieurs niveaux :
1°. grande profondeur : ex. : variations du socle
métamorphique ;
2°. profondeur moyenne : ex. : lentille de sel à
l'intérieur d'une colonne sédimentaire ;
3°. faible profondeur : variations de l''epaisseur du
mort-terrain.
Plus la source est profonde, plus l'anomalie est
évasée.
Une fois toutes les corrections appliquées, on obtient
une carte de l'anomalie de Bouguer qui démontre en général
deux caractéristiques (l'anomalie de Bouguer représente la somme
de tous les corps sous la surface) :
1°. Des variations du champ gravitationnel
régulières et continues sur de grande distance appelées
variations régionales. Elles sont produites par les
hétérogénéités à grandes
profondeurs.
Composante qui varie lentement en (x, y).
2°. Superposées à ces variations
régionales, et souvent masquées par celles-ci, on observe de
petites perturbations locales du champ gravitationnel qui sont secondaires en
dimensions, mais d'intérêts potentiellement primordiales selon
l'application.
Selon le but du levé, il faut :
1°. Lisser et enlever les effets de surface pour ne retenir
que les effets de profondeur (régionale).
2°. Lisser les effets de sources profondes et les
soustraire pour obtenir les anomalies de surface (résiduelle).
Les anomalies dites résiduelles sont surtout produites
par des hétérogénéités situées dans
la partie supérieure de l''ecorce terrestre. Ce sont souvent le
résultat de minéralisation ou de réservoirs. Afin de
pouvoir interpréter ces anomalies de façon quantitative, il est
nécessaire de soustraire l'anomalie régionale de nos
données. Pour séparer la régionale et la
résiduelle, plusieurs possibilités s'offrent au
géophysicien :
o faire un lissage graphique sur le profil ;
o faire un lissage graphique sur les cartes de contours ;
o calculer la régionale analytiquement ou appliquer un
filtre (effectué sur ordinateur) ;
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o calculer l'effet de la source à éliminer si sa
géométrie et sa densité sont connues afin de le soustraire
à l'anomalie de Bouguer
(modélisation).
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