Memoire Online - Prospection par la méthode hélio magnétotellurique le long d'un profil dans le bassin sédimentaire de Mamfe

PROSPECTION PAR LA METHODE HELIO MAGNETOTELLURIQUE LE LONG D'UN PROFIL DANS LE BASSIN SEDIMENTAIRE DE MAMFE

Mémoire
Présenté en vue de l'obtention du
Diplôme d'Etudes Approfondies (D.E.A) de Physique
Option : Géophysique Interne
Par
WAMBO Thierry Oscar
Maître ès Sciences
Devant le Jury constitué comme suit :
Président : Pr MANGUELLE-DICOUM Eliezer, UYI

Examinateur : Dr TABOD Charles TABOD, UYI Rapporteur : Dr NOUAYOU Robert, UYI

Je dédie ce travail - à ma petite sceur liotho Védrine Françoise
et
aux regretés Tagne Joseph et Fowouo Takal -l -a Laurent Pierre.

-Au TOUT-PUISSANT pour l'intelligence dont il m'a doté depuis ma naissance ; c'est surtout grâce à lui que j 'ai pu surmonter toutes les difficultés rencontrées lors de la rédaction de ce travail.

- Au Professeur MANGUELLE-DICOUM Eliézer, responsable du laboratoire de Géophysique Interne pour ses critiques et pour les enseignements reçus depuis mes premiers pas à l'Université.

- Au Docteur NOUAYOU Robert, pour les enseignements reçus et pour avoir accepté de diriger ce travail ; il a toujours su trouver du temps à m'accorder.

- Au Docteur TABOD Charles TABOD, pour m'avoir initié dans le domaine de la sismique et aussi pour ses multiples encouragements.

- Au Docteur NDOUGSA MBARGA Théophile, pour ses conseils et pour sa disponibilité à nous dispenser les cours, malgré ses multiples occupations académiques et ministérielles.

- Au Docteur MBOM Abane, pour sa rigueur dans le travail et aussi pour m'avoir donné les bases nécessaires en gravimétrie.

- Au Docteur MOUNDI Amidou du Département des Sciences de la Terre pour les bases reçues en géologie.

- A mes parents NENKAM Victor et MOGUEU Hélène pour l'éducation, les conseils et le soutien qu'ils m'ont toujours accordés malgré et les difficultés qu'ils n'ont cessé de rencontrer. Que ce document soit l'expression de ma profonde gratitude.

- A mes chers oncles TALLAK Victor, TALLA Léopold, TAGA Michel et NEKAM Dieudonné, pour les encouragements, leurs prières et leur soutien.

- A Monsieur TAGASINE Chrizantus, pour ses conseils et les enseignements reçus.

- A MOUAFO DJOUGUE Eugène, de sa France d'accueil pour son soutien et ses encouragements.

- A Mademoiselle TALLA Christelle Flore, pour son soutien sans faille et pour ses prières.

- A TIENTCHEU Thomas pour sa disponibilité, pour ses conseils et pour la documentation.

- A tous mes camarades du Laboratoire de Géophysique Interne, FEUMOE, GUEKIE, BAYA, EKORO, DJIMELI, NGATCHOU, SHANDINI.

- A tous ceux qui de près ou de loin ont contribué à la réalisation de ce travail.

Résumé

Suivant un profil mesurant 37 Km de long et constitué de 5 stations, des mesures Hélio magnétotelluriques (HMT) ont été éffectuées dans le but de déterminer la structure géologique du sol.

L'interprétation et l'analyse des données obtenues nous a permis de mettre en évidence d'une part la présence d'un fossé géologique entre les stations Ndwap et Esagem2, et la présence de quatre failles intra-sédimentaires d'autre part. Ces observations illustrent les mouvements tectoniques qui ont eu lieu dans cette partie du bassin sédimentaire.

Les courbes de sondage nous ont permis d'observer en certaines stations, des intrusions de matériaux résistants, des amas très conducteurs coincés entre des couches résistantes. Elles mettent aussi en évidence la présence d'une station (Esagem2) constituée de roches de résistivités assez faibles.

Mots clés : hélio magnétotellurique, profil, faille, sondage, bassin sédimentaire.

Abstract

Helio magnetotelluric (HMT) soundings were made on one profile of 37 Km which is made of 5 stations. The soundings were made to determine the geological structure of the earth along this profile.

The interpretation of HMT data reveals the presence of one ditch between Ndwap and Esagem2 and the presence of four faults along the profile.

The interpretation of sounding curves enables us to observe firstly, the intrusion of resistive materials at some stations and secondly, the presence of conductive rocks trapped between resistive layers. These curves also enable us to identify the presence of conductive layers at Esagem2.

j :

E :

~~~

H :

B :

~~~~

Vecteur densité de courant Vecteur champ électrique Vecteur champ magnétique Vecteur induction magnétique

Courant de déplacement

(A / m²) (mV/Km) (Tesla) (Tesla)

(C/m²)

Figure I-1 : Interaction du vent solaire avec le champ magnétique terrestre ..4

inférieure à 1 Hz 4
Figure I-3 : Spectre type de la fluctuation de l'amplitude du champ électromagnétique

naturel ..5
Figure I-4 : Géométrie du système d'axe utilisé pour décrire l'effet de peau dans un

demi-espace homogène 6
Figure I-5 : Profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques en fonction de

Figure II-1 : Carte géologique du Bassin de Mamfé 14
Figure II-2: Diagramme schématique de l'équipement de détection en

Figure III-8: Profil de résistivité Ndwap-Eshobi (45 Hz - 183 Hz)	. 29
Figure III-9: Profil de résistivité Ndwap-Eshobi (10 Hz - 34 Hz)	30
Figure III-10 : Profil de résistivité Ndwap-Eshobi (1 Hz - 8 Hz)	..31
Figure III-11 : Pseudo section	33
Figure III-12 : Section géoélectrique	.34
Figure III-13 : Modèle géologique du sous-sol étudié	48
Introduction	1
Chapitre I La méthode magnétotellurique	3
I-1 - Fondements et bases théoriques	3
1) Bases théoriques	3	2) Fondements
4
I-2- Equations de propagation des ondes EM	5
1) Equations de Maxwell	5		2) Equation de diffusion
6
I-3- Solution de l'équation de diffusion de l'onde électrique	7
I-4- Relation de Cagniard	9
I-5- Pourquoi la méthode magnétotellurique	10

Chapitre II Présentation du site et technique d'acquisition des données en MT 14

III-2 Exploitation des données HMT	...21
1) Profil d'étude	.21	2) Analyse des courbes de sondage
23	3) Analyse des profils de résistivité
28	4) Analyse de la pseudo section
32	5) Analyse de la section géoélectrique
..34	6) Modèle géologique
38

INTRODUCTION GENERALE

L'Homme et plus particulièrement le scientifique a, pendant longtemps été intéressé par la conquête de l'espace.

Pour comprendre la soudaine importance accordée à l'étude des structures superficielles et profondes du globe terrestre, il faut se rapporter au dix neuvième siècle où les richesses naturelles du sous-sol tels que, les minerais et le pétrole n'étaient plus perceptibles en surface et où la consommation en énergie avait beaucoup augmenté dans les pays développés de cette époque. Pour palier à ce problème, il a fallu dans un premier temps faire des forages de quelques douzaines de mètres et ensuite, il était question d'aller un peu plus en profondeur c'est-à-dire à des centaines de mètres ( www.seg.org). Pour aller plus en profondeur, cela demande beaucoup plus d'investissements et coûte donc plus cher ; afin que ces investissements ne soient pas vains, il est nécessaire de mener des études de prospection pour s'assurer de la qualité de l'information requise.

De nos jours, il existe plusieurs méthodes pour étudier la structure interne du globe terrestre, chacune des méthodes utilisant une propriété bien définie des roches.

- La méthode gravimétrique, la plus ancienne des méthodes géophysiques se sert de la densité pour déterminer le contraste de densité entre l'encaissant et la roche perturbatrice, responsable d'une anomalie détectable en surface.

- La méthode sismique, exploite les vitesses de propagation des ondes sismiques (ondes P et ondes S) dans les roches.

Toutes ces méthodes se servent des mesures éffectuées en surface pour déterminer la résistivité des roches. C'est cette technique de prospection qui sera utilisée tout au long de notre travail.

La présente étude menée dans le bassin sédimentaire de Mamfé, consiste à effectuer des sondages hélio magnétotelluriques le long d'un profil choisi dans ce bassin dans le but de déterminer la structure géologique du sous-sol suivant ce dernier.

Dans le premier chapitre, nous ferrons un rappel sur la théorie de la méthode magnétotellurique. La présentation géographique et géologique du site ainsi que la technique d'acquisition des données en magnétotellurique fera l'objet du deuxième chapitre. Le troisième chapitre traitera de l'interprétation et de l'analyse des données hélio magnétotelluriques ; dans ce chapitre, nous allons après différentes formes de représentation des données proposer un modèle géologique du sous-sol étudié. Nous aurons enfin une conclusion générale puis des perspectives.

CHAPITRE I

La méthode magnétotellurique (MT) est une technique géophysique qui fournit des informations sur la distribution des conductivités électriques des roches souterraines. La méthode magnétotellurique a été développée parallèlement par Tikhonov (1950) et Cagniard (1953). Elle est la seule méthode géophysique d'imagerie à partir des sources naturelles, autre que la sismologie et consiste en l'utilisation des variations temporelles des champs électrique et magnétique naturels pour en déduire la distribution de la résistivité électrique (ñ) dans le sous-sol.

I-1- FONDEMENTS ET BASES THEORIQUES

La prospection magnétotellurique (MT) consiste à mesurer à la surface du sol, en un même lieu et à plusieurs fréquences les composantes horizontales des champs électrique et magnétique. Ces mesures permettent de déterminer la résistivité apparente du sous-sol étudié et à la comparer à des valeurs calculées à partir des modèles 2D d'un terrain stratifié et isotrope. La structure réelle du sous-sol est établie lorsqu'il y a similitude entre les courbes expérimentales et celles correspondants au modèle tabulaire.

La détermination de la structure réelle d'un sol à l'aide de la méthode magnétotellurique est conditionnée par le respect de certaines hypothèses appelées hypothèses de Cagniard. Ces hypothèses s'énoncent comme suit (Cagniard, 1953) :

> Le courant de déplacement doit être négligeable par rapport au courant de conduction.

> La nappe tellurique doit être uniforme, ce qui suppose que la source d'excitation électromagnétique est très lointaine.

La première hypothèse est toujours vérifiée car le courant de déplacement ne devient important que pour de très hautes fréquences (> 10⁵ Hz) non utilisées en magnétotellurique.

La deuxième hypothèse est aussi généralement vérifiée car les sources naturelles sont soit d'origine ionosphérique (< 1 Hz) (fig. I-1), soit des orages atmosphériques (>1 Hz) (fig. I-2).

Figure I 1: Interaction du vent solaire avec 2: Orage atmosphérique, source de champ magnétique

le champ magnétique terrestre. de fréquence supérieure à 1 Hz. (Karen, 1999).

La méthode magnétotellurique est fondée sur l'existence du champ électromagnétique naturel qui se propage dans le sol. Les sources principales du champ électromagnétique sont les fluctuations naturelles du champ magnétique terrestre, qui s'étalent sur un large spectre de fréquence (fig. I-3). En effet, un champ magnétique variable dans le temps induit dans les roches terrestres naturellement

conductrices un champ électrique conformément à la première équation de Maxwell.

Ce champ électrique crée à son tour en vertu de la loi de Coulomb ( j courants électriques appelés courants telluriques qui se propagent dans le sol.

Figure I-3: Spectre type de la fluctuation de l'amplitude du champ électromagnétique naturel (Pierik Falco, 2006).

Considérons le repère de Cagniard (fig. I-4) constitué de trois axes (ox), (oy), (oz) tel que l'axe (oz) soit orienté vers le bas. Les équations de Maxwell pour une onde plane se propageant dans un milieu homogène, isotrope, linéaire et non chargé,

Figure I-4 : Géométrie du système d'axe utilisé pour décrire l'effet de peau dans un demi-espace homogène (Cara ,1989).

~~~~

rot

? B

(1) div B

= 0 (3)

å et jt sont respectivement la constante diélectrique et la perméabilité magnétique du milieu dans lequel se propagent les ondes électrique et magnétique.

Maxwell et partant du fait que rot ( rot E ) = grad (div E ) - ? E , nous obtenons finalement l'équation suivante :

En appliquant un procédé de calcul analogue à partir de la deuxième équation de Maxwell on obtient :

Le couple d'équations formés par les équations (5) et (6) est appelé équation de diffusion de l'onde électromagnétique.

Pour une onde sinusoïdale polarisée suivant l'axe (ox) (fig. I-4), la solution de l'équation (5) est donnée par :

L'équation (7) met en évidence la décroissance exponentielle de l'amplitude du champ électrique avec la profondeur z, autrement dit la concentration de ce champ au voisinage de la surface : c'est l'effet de peau.

On peut ainsi définir une profondeur dite " profondeur de pénétration" p du champ électromagnétique ; en considérant que c'est la profondeur pour laquelle l'amplitude de l'onde est réduite du facteur 1/ e, soit de 37% par rapport à l'amplitude de surface.

La profondeur de pénétration p ne représente pas la profondeur d'investigation qui, elle dépend en plus de la structure du sous-sol. A partir de l'équation (8), on peut remarquer que, plus la fréquence de l'onde est petite, plus l'onde pénètre d'avantage dans le sol. La figure I-5 montre quelques exemples de

propagation des ondes électromagnétiques dans un sol de résistivité ñ = 100 ~m.

Figure I-5 : Profondeur de pénétration des ondes électromagnétiques en fonction de la fréquence (Martyn, 2002).

I-4- RELATION DE CAGNIARD

On entend par relation de Cagniard, l'expression donnant la résistivité ñ du sol étudié en fonction des composantes orthogonales des champs électriques et magnétiques. Cette relation s'écrit

* Pour une structure tabulaire c'est-à-dire formée d'un empilement de couches horizontales électriquement homogènes, l'hétérogénéité est unidimensionnelle ; l'expression (9) ne donnera plus la résistivité vraie mais une résistivité apparente désignée par ñ_a telle que :

plus uniquement fonction de la composante magnétique orthogonale Hy, mais aussi fonction de la composante tangentielle Hx comme l'indique la relation ci-dessous.

Les coefficients de la relation ci-dessus sont les composantes du tenseur Z défini comme suit :

En magnétotellurique, Z est appelée impédance de Cagniard ; elle est égale à une constante pour une structure tabulaire à cause de sa symétrie et à un tenseur pour une structure hétérogène.

Les composantes _zij du tenseur Z sont appelées impédances tensorielles ; leurs calculs nécessitent obligatoirement l'enregistrement simultané sur le terrain de deux composantes telluriques et de deux composantes magnétiques.

Pour simplifier la relation (11) dans la pratique, l'un des axes de mesure, par exemple (oy), doit être parallèle à la structure étudiée. Dès lors, les composantes de la diagonale principale du tenseur Z sont nulles et on en déduit les relations ci- dessous:

On obtient ainsi deux impédances différentes l'une _zyx correspondant au champ tellurique parallèle à la structure, l'autre _zxy correspondant au champ magnétique parallèle à la structure.

A partir de _zxy et de_zyx on peut calculer deux résistivités apparentes ñax ^et ñay appelées respectivement résistivité apparente transversale et résistivité apparente longitudinale, se référant aux directions transversale et longitudinale de la nappe des courants telluriques.

I-5- POURQUOI LA METHODE MAGNETOTELLURIQUE

La plupart des roches cristallines présentent des résistivités caractéristiques de leur contenu minéralogique et de leur porosité. Ces valeurs évoluent de plusieurs ordres de grandeurs (fig. I-6). La méthode MT permet ainsi d'identifier la nature des roches et des structures en profondeur grâce à une étude de la fréquence í des signaux des ondes magnétiques et des courants telluriques en fonction de la résistivité ñ des roches du sol. La présence de fluides tel que l'eau dans l'espace poreux inter-granulaire ou dans des fractures diminue sensiblement la résistivité des

roches. La méthode MT est donc la méthode privilégiée si on souhaite mettre en évidence la présence de fluides dans le sous-sol comme à de grandes profondeurs. La présence d'autres conducteurs comme le graphite, résultant souvent de circulation du dioxyde carbone (CO2) dans le passé, réduit également de façon dramatique ñ. On pense ici par exemple à de grandes zones de cisaillement ou aux cratons. Ici encore, seule la méthode MT peut documenter ces paléo circulations de CO2.

Enfin, la méthode magnétotellurique de par sa nature tensorielle, intègre tout naturellement le problème de l'anisotropie et de l'hétérogénéité du milieu à étudier. Cette problématique a d'ailleurs été abordée par les magnétotelluriciens bien avant que la sismologie ne s'y intéresse.

Plus loin, nous allons présenter le cadre de notre étude, nous parlerons ensuite de la technique d'acquisition des données en magnétotellurique et enfin de l'interprétation et de l'exploitation des mesures obtenues.

CHAPITRE II

II-1- BASSINS SEDIMENTAIRES AU CAMEROUN

Il existe deux principaux types de bassins sédimentaires au Cameroun (Société Nationale des Hydrocarbures), qui appartiennent à trois systèmes pétroliers actifs de l'Afrique que sont le Delta du Niger, les bassins salifères Ouest Africain et les rifts de l'Afrique Centrale et Australe.

Ce sont les seuls bassins actuellement producteurs de pétrole brut au Cameroun. On y trouve le bassin de Rio Del Rey (7000 Km² onshore) qui représente l'extension Sud- Est du Delta du Niger ; le bassin de Douala/Kribi-Campo qui mesure 19000 Km² dont 7000 Km² en onshore et qui appartient au système des bassins salifères Ouest Africain.

Il s'agit des fossés intracratoniques issus de la fracturation du Gondwana (ancien super continent que formaient l'Australie, l'Antarctique, l'Afrique du Sud et une partie de l'Inde). En Afrique australe et centrale, ces fossés ont individualisé un système de rifts qui a donné naissance à l'ensemble des bassins sédimentaires couvrant l'Algérie, le Niger, le Tchad, le Nigeria, la Centrafrique et le Cameroun. Les bassins du Niger (27000 Km²), de Yola (6000 Km²) et de Mamfé (3000 Km²) appartiennent à ce système.

II-2- PRESENTATION DE LA ZONE D'ETUDE

Le bassin de Mamfé tire son nom du chef-lieu du département de la Manyu, province du Sud-Ouest Cameroun. C'est une région à faible altitude située entre 5°30' et 6°00' de latitude Nord et entre 8°45'et 10°00' de longitude Est (fig. II-1). Le réseau hydrographique est principalement représenté par la Manyu ou Cross River qui traverse la région. La végétation qui doit son existence à la présence des hautes montagnes telles le mont Cameroun, le mont Manengouba, le mont Bamboutos est caractérisée par la présence d'une forêt dense équatoriale humide. La présence de ces hautes montagnes est aussi à l'origine de la longue saison des pluies qui s'étend du mois d'Avril au mois de Novembre de chaque année, avec des précipitations qui atteignent 10000 millimètres par an (Encarta, 2005). La saison sèche est courte et ne dure que quatre mois ; elle s'étend de Décembre à Mars.

Au Cameroun, on distingue trois types de formations géologiques (ManguelléDicoum et al., 1993) :

Le bassin de Mamfé qui fait l'objet de notre étude, est une extension de la cuvette de la Benoué (Ngando et al., 2004). Il est constitué d'une partie sédimentaire et d'une partie non sédimentaire (Ndougsa, 2004).

C'est une fosse allongée WNW- ESE qui s'étend depuis le Nigeria jusqu'au niveau de sa jonction avec la cuvette de la Benoué (Nord-Ouest Cameroun) orientée NE-SW jusqu'au niveau de la Cross River.

La pile sédimentaire est constituée de bas en haut des grès grossiers brechiques et conglomératiques, des argilites (boues et argiles siliteuses) et des grès microlitiques mélangés aux conglomérats polygéniques. L'ensemble de ces formations reposent sur un socle granito-gneissique (figure II-1).

Extrait de la carte géologique de reconnaissance de la République Fédérale du Cameroun Feuille Douala-Ouest au 1/500000 (Dumort, 1968).

Cette partie non sédimentaire du bassin couvre les bordures est, nord et sud du bassin sédimentaire. Elle est constituée d'un ensemble de roches métamorphiques qui datent du précambrien (0 à 4 milliards d'années), telles le gneiss, les micaschistes et les migmatites associés aux granites. Il est aussi constitué des formations effusives (volcaniques) datant du tertiaire : ce sont les basaltes porphyriques et aphyriques de la ligne volcanique du Cameroun.

Les études menées par Dumort en1 965, Eben en 1984, Hell et al. en 2000, et Ejong en 2001, montrent des couches sédimentaires présentant une structure

anticlinale et synclinale dissymétrique à axes respectivement orientés NW- SE et E-W.

Dumort en 1968 a établi la carte géologique de la feuille Douala-Ouest. Il a montré que la pile sédimentaire qui repose sur un socle granito-gneissique, est constituée du bas vers le haut des grès grossiers brechiques et conglomératiques, des argilites et des grès microglomératiques mélangés aux conglomérats polygéniques.

Fairhead et al., (1991) ont décrit à l'aide de la méthode gravimétrique la structure des couches supérieures du bassin. Ils ont conclu que l'épaisseur des sédiments à la frontière Cameroun- Nigéria avoisine les 3000 m.

En 2004, Ndougsa Mbarga à l'aide de la gravimétrie, a mis en évidence la présence de nombreuses failles dans le bassin ; il a en outre évalué la largeur du bassin à environ 40 Km.

En 2005, Nouayou à l'aide des méthodes Audio et Hélio- magnétotelluriques, a mené une étude géophysique dans bassin de Mamfé. Il en ressort que le bassin sédimentaire de Mamfé a un pouvoir économique assez important en ce sens qu'il contient des structures propices à une exploitation d'hydrocarbures telles que les fossés géologiques, les failles et les dômes.

II-4- APPAREILLAGE ET TECHNIQUES D'ACQUISITION DES DONNEES EN MAGNETOTELLURIQUE

Partant du fait que les données en notre possession sont des données Hélio magnétotelluriques (HMT), nous allons dans cette partie décrire de façon générale les dispositifs utilisés pour l'acquisition des données Hélio magnétotelluriques.

Les appareils de mesures HMT (fig. II-3), sont des dispositifs transportables constitués de 4 grands ensembles :

> Un ensemble contenant 5 électrodes impolarisables et constituée chacune d'un alliage ciment-plâtre ; elles sont placées respectivement suivant les direction N, S, E et W et permettent de mesurer les composantes horizontales du champ électriques. Pour des raisons pratiques, la composante verticale du champ électrique n'est pas mesurée (Pierik Falco, 2006). La cinquième électrode est reliée à la masse. Chacune des électrodes est entourée d'une éponge préalablement imbibée d'eau salée afin d'assurer un bon contact électrique avec le sol. On améliore ainsi le rapport signal/bruit.

> Un circuit d'amplification constitué d'un préamplificateur et d'un amplificateur. Le préamplificateur a pour rôle d'amplifier le signal brut enregistré sur le terrain ; l'amplificateur joue un double rôle, il amplifie le signal déjà pré amplifié et augmente son gain par filtrage.

> un magnétophone TEAC à quatre pistes, permettant un enregistrement analogique des quatre composantes horizontales du champ électromagnétique.

Figure II-2: Diagramme schématique de l'équipement de détection en Magnétotellurique (Strangway, 1973) amélioré.

Figure II-3 : Dispositif d'acquisition des données HMT sur le terrain (Nouayou, 2005).

1- Préamplificateur 2- Amplificateur 3- Magnétophone 4- boîte de contrôle 5- Magnétomètre 6- Electrodes 7- Câbles de connexion

Le dispositif de mesure utilisé dans le cadre de cette étude comporte quatre bandes

de fréquences réparties ainsi que suit. 1ère Gamme : 12 Hz - 180 Hz 2ème Gamme : 1 Hz - 20 Hz 3ème Gamme : 0,1 Hz - 1,6 Hz 4ème Gamme : 0,008 Hz - 0,125 Hz

Avant d'effectuer toute prise de mesure sur le terrain, certaines précautions doivent être prises :

Il faut tout d'abord s'assurer que la station de mesure est éloignée le plus loin possible de toute source de bruit tels les voies de communication, les zones industrielles, les lignes de haute tension.

Si pendant la prise des mesures il y a perturbation d'origine naturelle tel que les orages ou les vents violents, il est préférable de stopper toute opération pour éviter la dispersion des résultats.

A chaque station, on mesure simultanément les composantes horizontales du champ électromagnétique selon la procédure suivante.

meilleur contraste au passage des discontinuités électriques (Pham Van Ngoc et al., 1975).

Dans le cas où la direction de la structure n'est pas déterminée, il est important de déterminer les directions principales suivant lesquelles seront éffectuées les mesures ; la méthode de rotation (Manguellé-Dicoum, 1988) est dans ce cas un puissant moyen pour déterminer ces directions.

Compte tenu du fait que les fluctuations du champ électromagnétique naturel deviennent importantes dans l'après-midi (Garcia et Jones, 2005), il serait alors judicieux d'effectuer les campagnes de prospection pendant cette période.

Une fois que les mesures ont été effectuées, il faut maintenant les traiter, les interpréter et les exploiter afin de déterminer la structure géologique du sol étudié. C'est l'objet du chapitre suivant.

CHAPITRE III

Le but de l'interprétation et de l'exploitation de ces données est de déterminer le modèle géologique correspondant au sous-sol étudié. Pour y parvenir plusieurs représentations graphiques de ces données sont nécessaires.

III-1- INTERPRETATION DES DONNEES HMT Elle consiste à tracer les différentes courbes suivantes.

La courbe de sondage caractérise les variations des résistivités apparentes à la verticale d'une station de mesure. Son interprétation permet de déterminer le nombre de couches, la résistivité de chacune d'elles et ainsi que les épaisseurs correspondantes. La courbe de sondage est à la base des interprétations en MT, on l'obtient à l'aide des logiciels d'inversion 1-D. Nous aurons suivant le logiciel utilisé en abscisse les fréquences ou les racines carrées des périodes tandis que en ordonnées seront placées les résistivités apparentes correspondantes.

Le profil de résistivité représente les mesures effectuées à une même fréquence le long d'un profil et caractérise la variation latérale de la résistivité à la fréquence étudiée. On l'obtient en plaçant en abscisse les projections des stations et en ordonnée les valeurs moyennes des résistivités apparentes obtenues après le traitement manuel des mesures brutes.

Le profil de résistivité permet d'observer les zones de discontinuité et les accidents tectoniques.

Elle est réalisée à partir de la courbe de sondage et montre la disposition des différentes couches suivant le profil étudié. Lorsque le rapprochement est fait avec la géologie au point d'assimiler chaque terrain à une couche géologique, on obtient alors la section géologique suivant le profil étudié.

III-2- EXPLOITATION DES DONNEES HMT

Elle consiste à analyser les différentes courbes obtenues à l'interprétation et à déduire ensuite le modèle géologique correspondant. Avant d'y arriver, présentons d'abord notre profil d'étude.

Le profil (fig. III-1) suivant lequel ont été éffectués les sondages HMT a une longueur de 37 Km et est constitué de 5 stations : Ndwap (A1), Esagem2 (A2), Kesham (A3), Baku (A4) et Eshobi (A5). Il est orienté sensiblement suivant la direction N120°E et se trouve d'après la carte géologique de la région sur des formations sédimentaires.

Les mesures HMT ont été effectuées le long de ce profil suivant deux directions orthogonales N-S et E-W, mais seules les mesures prises suivant la direction N-S seront interprétées dans le cadre de ce travail parce que les mesures dans la direction E-W sont dispersées (Nouayou, 2005). La dispersion des mesures trouve souvent son

origine dans la mesure des composantes horizontales du champ électrique (Jones, 1998) ; en effet, la différence de potentiel (d.d.p) mesurée entre les électrodes ne représente pas la valeur exacte de la composante du champ électrique mesuré à cause de la présence des charges au voisinage de la surface de la terre ou à cause de l'inhomogénéité latérale des couches. Ces charges qui sont sans conséquence sur la phase de l'onde EM, ont néanmoins des conséquences plus élevées dans le mode transverse magnétique (TM) que dans le mode transverse électrique (TE) (Jones, 1988). Par contre, la contamination des roches par des matières d'origine organique a une influence sur la phase de l'onde EM aux basses fréquences (Olhoeft, 1985).

Sites	Ndwap	Esagem2	Kesham	Baku	Eshobi
Latitudes (°N)	5,935	5,876	5,85	5,800	5,785
Longitudes (°E)	9,063	9,197	9,291	9,306	9,359
Altitudes (m)	100	50	80	89	124
Distances inter- stations (Km)	0	16,2	26,2	31	37

Les courbes de sondage ont été tracées à l'aide du logiciel d'inversion 1-D AMTINV version 1.4 créé en 2006 par le finlandais Markku Pirttijärvi, du Département de Géoscience de l'Université de Oulu (Finlande). Ce logiciel prend en entrée trois types de fichiers.

- Le premier fichier est un fichier d'extension *.DAT ; c'est un fichier qui contient le nom de la station et ainsi que les données à interpréter (fréquences, résistivités et phases correspondantes). Il peut prendre jusqu'à trente fréquences.

- Le deuxième fichier est un fichier d'extension *.INP et contient le modèle proposé pour l'interprétation de la courbe de sondage. Le modèle proposé doit avoir un maximum de six couches.

- Le troisième fichier est un fichier d'extension * .DIS ; il permet de paramétrer l'affichage de la courbe à l'écran. Afin d'avoir une bonne forme de la courbe, les valeurs introduites dans ce fichier doivent tenir compte d'une part, de la gamme des valeurs des résistivités et de la gamme des fréquences utilisées d'autre part.

- Les courbes de sondage obtenues peuvent selon les utilisations ultérieures, être directement sauvegardées sous cinq formes de fichier : les fichiers de type PS, EPS, PDF, WMF et GIF. Dans le cadre de ce travail nous avons choisi de sauvegarder nos courbes en fichier GIF.

A la fin de l'interprétation, le modèle retenu est sauvegardé dans un fichier d'extension *.INP tandis que les données peuvent être sauvegardées dans un fichier d'extension *.OUT.

Ce logiciel comporte une option d'optimisation qui permet d'améliorer la superposition de la courbe théorique à la courbe expérimentale et affiche de ce fait l'erreur correspondant à cette superposition. Il donne aussi en la station étudiée une représentation verticale de la variation de la résistivité avec la profondeur.

Il faut noter ici que, malgré le fait qu'il est important d'avoir la plus petite erreur de superposition possible, ce paramètre n'est guère suffisant pour retenir le modèle affiché à l'écran. Il faut par exemple vérifier que l'allure de la courbe obtenue en utilisant les résultats affichés à l'écran est la même que celle obtenue après le traitement manuel.

Ndwap (fig. III-3), située à l'extrémité Nord-Ouest du profil présente un `LHLH' avec un terrain à 5 couches et une deuxième couche très résistante (274 Lm) et d'une épaisseur de 434 m.

La troisième couche est la plus conductrice (19 Lm) et a une épaisseur d'environ 337 m ; cette couche pourrait de part sa faible résistivité, regorger des ressources naturelles telle que l'eau. La fin de la courbe de sondage est marquée par une légère remontée des valeurs de la résistivité et laisse ainsi croire que l'on avoisine le socle. La profondeur explorée est d'environ 2383 m.

La station Esagem 2 (Fig. III-4) présente un terrain à 5 couches. Elle est caractérisée par un sous-sol assez conducteur (résistivités inférieures à 45 Lm) avec une particularité pour la première couche d'être la moins épaisse et la plus conductrice. On observe entre la quatrième et la cinquième couche, un contraste de résistivité d'environ 25 Lm. Ce contraste de résistivité peut paraître insignifiant, mais en remarquant que cette station se trouve sur des formations sédimentaires et

proche en plus de la Cross River, on croire que nous avoisinons déjà les formations plus résistantes.

Kesham (Fig. III-5) présente des sédiments d'une épaisseur de l'ordre de 1710 m, pour une profondeur d'investigation d'environ 2580 mètres. La quatrième couche est la plus conductrice (171 Lm) avec une épaisseur de 892 m.

On observe au voisinage de la surface et à environ 800 mètres, la présence d'un matériau très résistant (1456 Lm). On peut dès lors déjà penser à une remontée vers la surface des matériaux venant des profondeurs de la terre.

Le fort contraste de résistivité d'environ 1600 m observé entre la quatrième et la cinquième couche, montre que les effets du socle granito-gneissique se font ressentir. On peut penser que le socle a été atteint en cette station.

La station Baku (Fig. III-6), a sa troisième couche plus conductrice (31 Lm) et moins épaisse que les autres ; la représentation verticale de la structure du sol proposée par le logiciel pour cette station nous permet de bien observer cela. Cette troisième couche pourrait elle aussi regorger des ressources naturelles.

La représentation verticale de la structure nous permet aussi de constater que la deuxième et la dernière couches ont des résistivités très voisines et seraient alors constituées du même matériau. On peut ainsi penser à une remontée vers la surface du matériau venant de la dernière couche.

La profondeur d'investigation est d'environ 2812m. Le fort contraste de résistivité observé entre les deux dernières couches nous fait penser que nous avoisinons le socle.

La courbe de sondage de cette station est un `HLH'. Les résistivités des différentes couches ont des valeurs supérieures ou égales à 100 m et montrent ainsi que la station Eshobi est située sur un sol résistant.

La fin de la courbe, marquée par une pente avoisinant les 40% montre que le socle a été atteint. La profondeur d'investigation est d'environ 6000 m.

Afin de mieux apprécier les variations latérales des résistivités suivant notre profil, nous avons subdivisé les fréquences en trois gammes:

- Les hautes fréquences, comprises entre 45 Hz et 183 Hz (fig. III-8) et correspondant aux couches superficielles.

- Les moyennes fréquences, comprises entre 10 Hz et 34 Hz (fig. III-9) et correspondant aux couches moyennement profondes.

- Les petites fréquences, comprises entre 1 Hz et 8 Hz (fig. III-10) et correspondant aux couches profondes.

Pour cette première gamme, nous remarquons entre les stations A1 et A2, une chute progressive des valeurs de la résistivité ; ces valeurs passent de 145 m à pratiquement 5 m. Cette chute progressive est suivie d'une remontée brusque lorsqu'on passe de A2 à A3 (où les résistivités atteignent 700 Lm) puis, d'une deuxième chute brusque entre A3 et A4. Ces observations présagent des discontinuités entre chacune de ces stations.

Entre les stations A4 et A5, les résistivités sont constantes sauf pour la fréquence de 182 Hz où l'on observe une légère augmentation qui se manifeste par le fait que la courbe de profilage correspondant à la fréquence de 182 Hz coupe les autres. On peut penser à une faille entre ces deux stations. Cette représentation ne peut pas pour l'instant nous permettre de conclure avec exactitude sur le type d'anomalie existant entre ces stations.

Tout comme pour la gamme des hautes fréquences, nous remarquons une décroissance des valeurs de la résistivité entre les stations A1 et A2. Cette décroissance est suivie d'une remontée brusque entre A2 et A3 avec des résistivités qui avoisinent les 550 m. Une chute des résistivités est également observée entre les stations A3 et A4 où les résistivités passent de 550 m à environ 140 m. La différence avec la gamme des hautes fréquences se situe entre les stations A4 et A5 où la variation latérale de type faille est plus visible.

Une observation analogue des variations latérales de résistivité est faite pour cette gamme de fréquence lorsqu'on passe de A1 à A2 puis de A2 et A3.

Entre A3 et A4, la chute des valeurs de la résistivité est accompagnée d'un brassage des différentes courbes de profilage au voisinage de la station A4. La remontée des courbes de profilage entre les stations A4 et A5 est plus significative que pour toutes les autres gammes de fréquences. Elle est accompagnée du croisement des courbes de profilage que l'on peut observer au voisinage de la station A4. Cette observation vient corroborer les prévisions faites pour les autres gammes de fréquences.

Conclusion

Pour ce profil, deux compartiments sont mis en évidence : un premier compartiment allant de la station A1 à la station A2 et constitué par des roches de résistivités inférieures à 150 m et un deuxième compartiment allant de la station A3 à la station A5 et constitué des roches plus ou moins résistantes.

L'analyse des courbes de profilage pour les différentes gammes de fréquences nous permet de distinguer quatre zones de discontinuités : la première entre A2 et A3, la deuxième entre les stations A3 et A4 et la dernière entre A4 et A5.

Les variations de la résistivité entre les stations A1 et A2 ne nous permettent pas pour l'instant de donner un aperçu de la géologie de cette région.

Les discontinuités observées entre les stations A2 et A3 pour toutes les gammes de fréquences pourraient matérialiser la présence d'une faille entre ces stations.

Les croisements des courbes de profilage que l'on peut voir de part et d'autre de la station A4 pourraient matérialiser la présence de deux failles dont l'une se trouverait entre A3 et A4 et l'autre entre A4 et A5.

L'analyse des différentes courbes de profilage nous amène à constater que, les formations sédimentaires situées le long de ce profil ont été fortement influencées par les structures profondes. L'exception est faite pour les couches situées entre les stations A1 et A2.

La pseudo section (Fig. III-11), met en évidence une zone très conductrice située entre les stations A1 et A2 et caractérisée par des résistivités de très faibles valeurs au voisinage de Esagem2 (A2). La forme des courbes d'isorésistivités, la disposition de celles-ci nous permet de conclure que, entre les stations A1 et A2, il existe un fossé géologique.

L'allure verticale des courbes d'isorésistivités au voisinage de la station Esagem2 (A2), permet de conclure que l'une des frontières de ce fossé se trouve à cette station.

De plus, nous remarquons aussi une allure verticale des isorésistivités au voisinage de la station A1. Nous pouvons de ce fait conclure que l'autre frontière du fossé géologique se trouve près de cette station.

La pseudo section nous révèle que la station A2 est située sur un sol assez conducteur et dont la résistivité moyenne des matériaux est de l'ordre de 50 m.

La transition entre les stations A2 et A3 est caractérisée par des isorésistivités verticales traduisant ainsi la présence d'une faille entre ces deux stations.

La station A3 située sur un sol résistant, est caractérisée par la présence au voisinage de la surface des matériaux se trouvant dans les profondeurs.

La transition entre les stations A3 et A4 est également marquée par des isorésistivités verticales qui traduisent l'existence d'une faille entre ces deux stations.

La station A5 est caractérisée par la présence des matériaux résistants près de la surface. En effet, en dessous de cette station, on observe un matériau résistant (750 Ohm.m) piégé dans un milieu conducteur. Cette remontée s'expliquerait par la présence en profondeur d'une faille située entre les stations A4 et A5.

La section géoélectrique présente 5 colonnes correspondant aux cinq stations de mesure. On note en dessous de la première station une intrusion de matériau de

faible résistivité. Le passage de la station A1 à la station A2 est caractérisé par la dénivellation observée au niveau des couches situées en dessous de ces deux stations.

Cette remarque fait penser qu'un accident tectonique se serait produit entre dans cette zone.

Une observation analogue à celle de A1 est faite pour les stations A3 et A4 il y a des intrusions résistantes au voisinage de la surface.

La section géoélectrique met en évidence quatre zones d'anomalies caractérisées soit par des intrusions sédimentaires (cas de A1), ou par la présence des matériaux résistant au voisinage de la surface (cas des stations A3, A4 et A5).

Après les différentes analyses effectuées ci-dessus, certaines questions méritent d'être posées.

> Pourquoi tout au long de ce travail nous a-t-il été difficile d'atteindre des grandes profondeurs malgré les petites fréquences utilisées ?

> Comment expliquer la présence des matériaux résistants au voisinage de la surface ?

La plupart des courbes de sondage ont une fin difficilement ascendante ; l'exception est faite pour les stations Kesham et Eshobi où il y a une nette remontée de la branche finissante. Tout se passe pour ces stations comme si la gamme de fréquences utilisée n'est pas appropriée pour effectuer des sondages profonds en ces lieux. En effet, la méthode hélio magnétotellurique est caractérisée par l'utilisation des fréquences inférieures à 1 Hz ; mais tout au long de ce travail, nous avons utilisé des fréquences supérieures à 1 Hz en d'autres termes des fréquences comprises entre 1 Hz et 183 Hz. Cette gamme de fréquences appartient à celle des fréquences audibles c'est-à-dire à la gamme des fréquences correspondant à l'audio magnétotellurique (1 Hz - 2500 Hz). Tout se passe alors comme si nous étions en audio magnétotellurique.

La comparaison des profondeurs d'explorations obtenues en chacune des stations de notre profil nous permet de relever un constat : la profondeur d'investigation

diminue du tiers lorsqu'on passe de A1 à A2, double lorsqu'on passe de A2 à A3, puis croit progressivement jusqu'à A5. On peut ainsi penser à un phénomène d'absorption des ondes électromagnétiques en la station A2 (entièrement constituée de roches sédimentaires) en particulier et par les roches sédimentaires en général.

Les résultats des différents travaux effectués par Manguellé-Dicoum et al., 1992 et 1993, sur les formations métamorphiques de la région de Mbalmayo et dans le bassin sédimentaire de Douala respectivement viennent confirmer l'absorption des ondes électromagnétiques par les formations sédimentaires. En effet, la profondeur maximale d'exploration atteinte dans le bassin sédimentaire ne dépasse pas 2 Km tandis que à l'aide de la même méthode (AMT) on a pu dépasser les 10 Km sur les formations métamorphiques.

Il nous reste maintenant à apporter les réponses aux deux dernières questions. Ces réponses sont essentielles à la proposition d'un modèle géologique du sous-sol étudié.

L'analyse des profils de résistivité nous permet de distinguer trois zones d'anomalies conductrices. La première se situe entre les stations A2 et A3, la deuxième entre A3 et A4 et la dernière entre A4 et A5. Chacune de ces anomalies est matérialisée par une variation latérale rapide des valeurs de la résistivité lorsqu'on passe d'une station à une autre.

La pseudo section met en évidence un fossé géologique situé entre les stations A1 et A2, et deux failles dont l'une est située entre A2 et A3 et l'autre entre A3 et A4. Le fossé géologique se matérialise au niveau de la section géoélectrique par l'anomalie observée en dessous de la station A1. En effet la présence des sédiments en dessous de cette station peut s'expliquer par une ouverture qui se serait produite en ce lieu pendant la phase d'extension du bassin et qui avec le temps, a été comblée par les sédiments en provenance de la station A2.

La disposition des différentes couches situées en dessous des trois dernières stations permet de constater qu'il y a eu un soulèvement de la station A4. Ce soulèvement a provoqué deux ouvertures situées de part et d'autre de la station A4 et

a ainsi facilité les remontées vers la surface des matériaux provenant des profondeurs de la terre.

Après les différentes interprétations et analyses effectuées ci-dessus, il nous reste à proposer un modèle géologique du profil étudié. Ce modèle va nous permettre d'observer la disposition des différentes couches, de connaître la nature de chacune d'elles et de localiser les accidents tectoniques qui existent le long du profil NdwapEshobi.

Ce modèle prend d'une part en compte les valeurs des résistivités de la figure I-6, les résultats des analyses des courbes de sondage, de la pseudo section, des profils de résistivité, de la section géoélectrique et d'autre part la carte géologique de la région. Selon les travaux de Fairhead et al., 1991, la sédimentation du bassin de Mamfé s'est effectuée en deux phases :

La première phase s'est accompagnée d'un dépôt progressif de conglomérats tandis que à la deuxième phase il y a eu un dépôt de grès argileux ; toutes ces formations reposent sur un socle constitué de roches métamorphiques. Ces phases de dépôt ont été ensuite suivies par la phase d'extension du bassin qui s'est accompagnée de plusieurs accidents tels que les failles, les fossés et les plissements.

En nous appuyant sur les résultats des analyses des différentes courbes effectuées dans le cadre de ce travail et aussi sur les différentes phases de formation du bassin de Mamfé tel que décrites par Fairhead, nous proposons le modèle géologique suivant :

Ce modèle géologique est constitué quatre formations parmi lesquelles : les grès, les grès argileux, les conglomérats et les formations du socle.

- Les stations A1 et A2 reposent entièrement sur des grès. Ces grès correspondent d'après la carte géologique de la région, à la série argilo gréseuse de la Manyu (Cg²) et à la série gréseuse de la cross, arkosique et conglomératique (Cg⁵).

- La station A3 est celle qui a été la plus affectée par les formations du socle. En cette station le socle remonte jusqu'à mois de 3 Km de la surface.

CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

L'objectif de notre travail a été de déterminer le modèle géologique du sous-sol à partir des données hélio magnétotelluriques éffectuées le long du profil NdwapEshobi.

Nous avons après interprétations et exploitations des données obtenues les résultats ci-après :

V' La station Esagem2 est située sur un terrain assez conducteur. Les sédiments de cette station sont responsables de la faible pénétration des ondes électromagnétiques en cette station.

V' La gamme de fréquences utilisées dans le cadre de ce travail ne nous a pas permis d'atteindre des grandes profondeurs dans la plupart des stations. Cette gamme de fréquences s'avère ne pas être appropriée pour atteindre les structures profondes et ne nous permet pas de proposer un modèle géologique tout à fait exact du profil.

- De varier la technique d'acquisition et d'interprétation des données. On pourrait par exemple utiliser la méthode des grilles pour effectuer les mesures sur le terrain ou encore tenir compte des phases du champ électromagnétique lors de l'interprétation. On pourra aussi utiliser les méthodes d'interprétations des données MT prenant en compte les effets des charges accumulées au voisinage de la surface de la terre. Nous pouvons citer comme l'une de ces méthodes, la méthode de Cokrigeage (Tournerie et al., 2007).

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