Memoire Online - étude de l’invasion saline dans l’aquifère côtier du quaternaire. Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin.

Présenté pour l'obtention du diplôme de Master en Hydrologie Option : Géohydrologie

APPLICATION DE L'ELECTROMAGNETISME EN
DOMAINE TEMPOREL (TDEM) SUR UN SITE TEST
A TOGBIN

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

AVANT-PROPOS

Ce mémoire fait suite au stage académique devant conduire à l'obtention du diplôme de Master Géohydrologie de la Faculté des Sciences et Techniques (FAST) à l'Université d'Abomey-Calavi (UAC). Ledit stage s'est effectué à l'Institut de Recherche pour le Développement (IRD), dans le cadre des activités de l'Unité Mixte de Recherche (UMR) 012 au Bénin qui portent principalement sur l'Hydrogéophysique. Ces activités s'inscrivent dans un double partenariat entre l'IRD et, d'une part la Direction Générale de l'Eau (DG-Eau), d'autre part l'UAC. Le partenariat entre l'IRD et l'UAC s'est fait dans sa phase pratique en partie, entre le Laboratoire d'Etude des Transferts en Hydrologie et Environnement (LTHE) à l'IRD et le Laboratoire d'Hydrologie Appliquée (LHA) à la FAST / UAC où nous étudions. Les matériels et appareillages géophysiques utilisés pour les travaux de terrain ont été mis à notre disposition par le LTHE.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail, j'adresse mes sincères remerciements à tous ceux qui ont contribué d'une manière ou d'une autre à sa réalisation.

pour avoir accepter de m'encadrer encore une fois pour ce mémoire et pour la confiance qu'il a placée en ma modeste personne que je m'engage à honorer.

VOUILLAMOZ Chercheur à l'IRD ma sincère gratitude pour m'avoir accepté en tant que stagiaire à l'IRD et pour l'encadrement irréprochable avec lequel le travail a été suivie et dirigé. Je leur en suis très reconnaissant.

Géohydrologie du LHA, ma reconnaissance pour la dextérité avec laquelle il a conduit ma formation et celle de tous les autres camarades de Géohydrologie malgré ses multiples occupations. Je lui dis à travers ces mots, merci.

Appliquée (LHA) et Responsable de l'option Hydrologie Quantitative, ainsi que M. Le Professeur Mama DAOUDA Responsable de l'option Eco-Hydrologie, ma profonde gratitude pour l'encadrement du LHA depuis la première année de Licence jusqu'ici.

Le LTHE étant installé dans les locaux de la DG-Eau, nous sommes donc restés tout au long du stage à la DG-Eau. Je saisis alors l'occasion pour remercier la

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

DG-EAU à travers Mr. Arnaud ZANNOU qui nous a reçus dans de bonnes conditions.

C'est avec un plaisir non dissimulé que j'exprime mes remerciements aux Docteurs Abdoukarim ALASSANE et Raoul LAIBI pour leurs utiles et nombreux conseils pendant notre formation jusqu'à la réalisation de ce document.

Je dis merci à M. Bio BANGANA pour la prompte sollicitude dont il a fait preuve à mon égard et lui souhaite de faire une très honorable thèse de Doctorat.

J'associe aussi à mes remerciements M. Gédéon Wèré SAMBIENOU et M. Maxime WUBDA pour leur disponibilité et leur collaboration lors des travaux de terrains et de traitement des données.

Je ne saurais terminer sans prouver ma gratitude à mes camarades de promotion pour les travaux de terrains et pour la franche amitié, en particulier Consolas ADIHOU, Fabrice LAWSON et Raoul KPEGLI avec qui j'ai été stagiaire à l'IRD.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

RESUME

L'invasion saline a été constatée au Bénin suite à l'exploitation intense depuis 1956 du système aquifère du Continental terminal du plateau d'Allada. Ce phénomène a également été observé dans l'aquifère du Quaternaire. Notre étude concerne l'invasion saline dans cet aquifère du Quaternaire, et plus précisément dans les cordons de sable externe (brun) de la plaine littorale sur le site pilote du LHA (360 000 m²) à Togbin entre la mer et la lagune côtière. L'objectif de notre étude est de caractériser la lentille d'eau douce. Spécifiquement, il s'agit de déterminer la profondeur du biseau salé, l'épaisseur de la lentille d'eau douce et finalement d'estimer les réserves d'eau douce disponible à la consommation. Notre étude vise également à évaluer les capacités et les limites de la méthode géophysique TDEM (Time Domain Electromagnetic), pour étudier l'invasion saline. Cette méthode est basée sur la mesure de la résistivité électrique des terrains. Nous avons réalisé 115 sondages TDEM constituant 8 profils de 15 sondages en moyenne. Les modèles géoélectriques, obtenus sur la base d'une hypothèse de structuration tabulaire du sous-sol, sont représentés sous forme de cartes de résistivité à différentes profondeurs, et de sections de résistivité. Nous avons ensuite utilisé la loi d'Archie pour, estimer la porosité moyenne des sables (de 32 à 48%), et pour différencier sur la base d'une hypothèse d'homogénéité du sable les terrains correspondant aux sables saturés en eau douce, en eau saumâtre et en eau salée. La profondeur du biseau salé a été ainsi estimée à 8 m en moyenne. En considérant 1000uS/cm pour limite supérieure de conductivité de l'eau douce, nous obtenons une lentille d'eau douce de 5 m d'épaisseur en moyenne qui correspond à une lame d'eau de 1600 mm à 2400 mm. Nous concluons également que la capacité du TDEM à détecter la profondeur du sable saturé en eau salée est très bonne, mais que la zone de transition entre eau douce et eau salée n'est pas définie lorsque cette transition est progressive.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

ABSTRACT

Salty water intrusion is observed in Benin since intensive pumping of groundwater in the Continental terminal aquifer occurred in 1956 at the Allada plateau. Salty water intrusion has also been observed in the Quaternary aquifer. Our study concerns the salty water intrusion in the quaternary aquifer. We focused our work at the LHA's test site at Togbin (360 000 m²) which is located on a sandy coastal barrier between the sea and the backwaters. The main objective of our study was to characterize the fresh water lens. More specifically, we aimed at quantifying the depth to the salty water, the thickness of the fresh water lens and the fresh water reserve which is available for human consumption. We also evaluated the capabilities of the geophysical method TDEM (Time Domain ElectroMagnetic) for studying fresh water lens. The output of the TDEM method is the depth distribution of ground electrical resistivity. We carried out 115 TDEM soundings (8 profiles of 15 soundings each). Then we used the TDEM results (i.e. 1D geoelectrical models) to draw resistivity maps at different depths, and resistivity sections. Considering the sand to be homogeneous at the site scale, we used Archie's law for estimating the aquifer porosity (ranging in-between 32 and 48%) and for differencing fresh, brackish and salty water layers. We estimated the depth to the salty water layer to 8m below ground level on average. Using a threshold value of 1000uS/cm for drinking water, we also estimated the thickness of the fresh water lens to 5m on average, which results in a fresh water reserve ranging from 1600 to 2400mm. We demonstrated that the TDEM method is able to well define the depth to the salty water layer, but TDEM failed to characterize the brackish water layer when the transition zone in-between fresh and salty water is smooth.

Key words: salty water intrusion, salty water interface, TDEM, quaternary aquifer.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

TABLE DES MATIERES

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

LISTE DES FIGURES

Fig. 1: Situation du littoral béninois dans le Golfe du Bénin (C) en Afrique de

l'Ouest (B) (Laibi, 2011) 4
Fig. 2 : Coupe transversale montrant les différentes unités spatiales constitutives

1987 in Boukari et al. 2009) 8
Fig. 5 : Bordure Sud-est du plateau d'Allada et des cordons littoraux, Essai de

corrélation lithologique des logs de forage (source : Maliki, 1993 9
Fig. 6 : Hydrogéologie des cordons sableux littoraux illustrant le biseau salé :

21
Fig. 11 : Courbe de voltage normalisée par rapport au courant injecté en fonction

Fig. 13 : Modèle géoélectrique issu de la courbe de résistivité apparente en

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Fig. 18 : Modèles géoélectriques représentant la plupart des interprétations 1D

des sondages TDEM 36
Fig. 19 : Exemple de carte de résistivité calculée en fonction de la profondeur

(TEM-RES) sans interpolation 38
Fig. 20 : Cartes de résistivité calculée et « krigée » en fonction de la profondeur

38
Fig. 21 : Variogrammes utilisés pour l'interpolation par krigging pour le tracé

des cartes à 8m et 9m de profondeur (Surfer) 39
Fig. 22 : Présentation des 8 profils choisis pour la réalisation des sections de

résistivités 40
Fig. 23 : Section de résistivité calculée en fonction de la profondeur (TEM-RES)

Fig. 25 : Délimitation des interfaces entre les différentes eaux à partir des cartes

de résistivités par profondeur 46
Fig. 26 : Délimitation des interfaces entre les différentes eaux à partir des

fonction de la structuration du sous-sol 55
Fig. 31 : Carte de résistivité TDEM à 20m de profondeur localisant la zone de

Fig. 32 : Modèle géoélectrique considéré pour la modélisation synthétique 57

Fig. 33 : Détectabilité du terrain sable + eau-saumâtre par le TDEM sur le site

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

LISTE DES TABLEAUX

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

INTRODUCTION

L'approvisionnement en eau de la ville de Cotonou est assuré principalement à partir des ressources du système aquifère du Continental terminal du plateau d'Allada, et accessoirement à partir de la nappe phréatique de l'aquifère du Quaternaire dans les cordons de sable littoraux (Boukari, 1998). Mais la proximité de la mer entraine des problèmes d'invasion saline accentuée par l'exploitation intense de ce système aquifère depuis 1956 (Boukari, 1998). Plusieurs études ont été déjà consacrées au système aquifère du Continental terminal particulièrement dans le secteur de Godomey parce que le phénomène d'invasion saline profonde commence à affecter les forages du champ de captage de Godomey géré par la Société Nationale des Eaux du Bénin (SONEB). Ces études ont montré que l'origine de l'invasion serait le lac Nokoué qui communique avec la mer. En ce qui concerne la nappe phréatique des cordons sableux du littoral, son invasion saline à partir de l'eau de mer est l'un des phénomènes qui affecte sa qualité. Notre étude porte justement sur l'aquifère du Quaternaire dans le cordon de sable externe (brun), parce qu'il n'existe que peu d'études permettant une caractérisation précise de l'invasion saline de sa nappe. En particulier, notre étude s'attache à évaluer, dans le contexte du Bénin, l'efficacité d'une méthode géophysique de résistivité, rarement employée au Bénin, le TDEM (Time Domain Electromagnetic)

Le futur développement touristique qui est projeté sur les cordons sableux du littoral et la préservation de la qualité de l'eau qui y est mobilisée pour l'approvisionnement en eau potable sont différentes raisons pour les quelles toute implantation de puits ou de forage devrait être précédée au préalable d'une étude de l'invasion saline et, dans un deuxième temps de son évolution dans le temps. Pour cela, l'ingénieur devra répondre aux questions suivantes : a) A quelle profondeur se situe le biseau salé (interface eau douce - eau salée)? b) Quelle est l'épaisseur de l'eau douce et de l'eau saumâtre ? c) Quelle est la

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

porosité de drainage et le volume d'eau douce disponible? Dans ce cadre, les méthodes géophysiques sont utiles car elles permettent de caractériser le sol et le sous-sol à travers la mesure des paramètres physiques.

La présente étude a pour objectif général de caractériser la lentille d'eau douce dans un périmètre expérimental pilote du LHA. Le site est situé sur la plaine littorale, entre la mer et la lagune côtière d'une superficie d'environ 360 000

Spécifiquement il s'agit de: a) détecter la profondeur du biseau salé ; b) déterminer l'épaisseur de la lentille d'eau douce et le volume d'eau douce présent ; c) mettre en évidence la capacité et les limites de la méthode géophysique TDEM à détecter le biseau salé au Bénin.

Pour cette étude on adoptera une démarche générale basée sur : a) la modélisation synthétique ; b) l'interprétation des sondages à travers des cartes et des sections de résistivité; c) la comparaison des résultats obtenus avec d'autres informations existantes sur le site.

Le présent document s'articule en quatre chapitres. Le premier décrit le littoral béninois en général et le site d'étude en particulier; le deuxième présente la méthode géophysique utilisée et les autres méthodes connexes; le troisième montre les résultats obtenus et enfin, le dernier contient les discussions proposées à partir des différents résultats.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Chapitre 1

PRESENTATION DU MILIEU D'ETUDE

Dans ce chapitre, nous présenterons d'abord le milieu littoral béninois, dans sa généralité, ensuite une description et une situation plus précise du site sera faite.

1.1.- Le milieu littoral béninois

Notre zone d'étude est située dans le milieu littoral béninois. Ce milieu correspond à la partie centrale du système littoral du Golfe du Bénin, un système qui appartient aussi au grand ensemble côtier du Golfe de Guinée (Fig. 1). Le milieu naturel béninois constitue une zone d'interface entre continent, atmosphère et océan.

D'après Laibi (2011), le milieu littoral béninois peut se définir comme une zone de transition au niveau de la quelle la dynamique sédimentaire est très active et s'effectue sous le double contrôle de la mer (houle, marée, vent...) et des cours d'eau. Les puissantes houles auxquelles ce milieu est assujetti, sont responsables de l'édification des cordons de sable qui jouent le rôle de barrière à des plans d'eau lagunaires.

Notons aussi que la limite entre le domaine continental et la plaine littorale n'est pas toujours franche ; selon Laibi, (2011) des imbrications s'observent sous formes de lagunes anciennes ou actuelles ou sous formes d'aires deltaïques dans les basses vallées. C'est d'ailleurs pour cette raison que le concept margino-littoral convient mieux pour désigner, au niveau des côtes du Golfe de Guinée, les plaines littorales et leur prolongement à l'intérieur du domaine continental. Selon Levy (1971 in Laibi, 2011), ce concept s'applique à l'ensemble des biotopes où les eaux douces continentales (lagunes, lacs...) se mélangent avec les eaux marines et dans lesquelles on observe une évolution de la salinité dans le temps et dans l'espace.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Une certaine contigüité existe entre la zone littorale stricto sensu, la zone pré-littorale et la zone margino-littorale. C'est cette contigüité qui définit la zone littorale lato sensu qui regroupe ces trois unités spatiales côtières montrées sur la Fig. 2.

Fig. 1: Situation du littoral béninois dans le Golfe du Bénin (C) en Afrique de
l'Ouest (B) (Laibi, 2011)

Fig. 2 : Coupe transversale montrant les différentes unités spatiales constitutives de la zone littorale du Bénin (Laibi, 2011)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

1.1.1.- Conditions climatiques

Le Sud Bénin est soumis à un climat de type subéquatorial de transition (Le Barbé et al., 1993). La zone littorale du Bénin est marquée par une décroissance pluviométrique d'Est en Ouest avec 2500 mm à Lagos (Nigéria), 1500 mm à Sèmè (frontière Bénin-Nigéria), 1300 mm à Cotonou, 1100 mm à Ouidah, 900 mm à Grand-Popo (frontière Bénin-Togo) et 800 mm à Lomé (Togo), soit une décroissance régulière vers l'Est d'environ 5 mm/km (Toffi, 2008 in Laibi, 2011). Notons que notre zone d'étude se situe entre Cotonou et Ouidah mais beaucoup plus proche de Cotonou soit une moyenne pluviométrique annuelle de 1300 mm.

L'ensemble du littoral, est caractérisé par des variations des hauteurs moyennes mensuelles de précipitations au cours de l'année qui se traduisent par un régime bimodal qui permet de distinguer quatre saisons. Une grande saison des pluies de mi-mars à mi-juillet ; une petite saison des pluies de mi-septembre à mi-novembre ; une grande saison sèche de mi-novembre à mi-mars ; et une petite saison sèche de mi-juillet à mi-septembre.

Les prospections pour cette étude, ont été faites en Juin, donc à la fin de la grande saison pluvieuse. On doit alors s'attendre à des niveaux statiques faibles (proches de la surface) et à une épaisseur maximale de la lentille d'eau douce présente.

La température quant à elle est de 27,7°C en moyenne en saison sèche et ne baisse que de 1,2°C en saison pluvieuse soit une température moyenne de 26,5°C. Ce qui fait remarquer que la température moyenne d'environ 27°C varie très peu dans la zone littorale.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

1.1.2.- Géomorphologie

La zone littorale du Bénin appartient au bassin sédimentaire côtier qui est une partie du bassin de la baie du Dahomey constitué de plateaux et de la plaine littorale (Fig. 3).

La zone littorale correspond à la partie externe du bassin sédimentaire côtier. Elle comprend elle aussi, une partie externe, soumise à l'action sous-marine des vagues et des courants induits, et une partie interne qui évolue sous l'influence des courants de marées. Nous présenterons ici la partie interne composée de deux systèmes estuariens, que sont l'estuaire du Mono ou de l'Ouest et celui de l'Ouémé ou de l'Est, supportés par un bâti sédimentaire constitué de trois cordons sableux entrecoupés de niveaux vaseux (Fig. 4).

L'estuaire du Mono comprend deux lagunes-vives communiquant par l'intermédiaire du chenal Aho. Une lagune vaste pénétrant l'intérieur des terres (le lac Ahémé 78 à 100 km²) et une lagune -vive appelée lagune côtière (limite Nord de notre zone d'étude). Cette dernière est constituée d'un chenal étroit de 500 m de large au maximum et 0 à 6m de profondeur, qui s'allonge parallèlement à la côte depuis le village Agbanakin (au voisinage de Grand-Popo) à l'Ouest, jusqu'au village de Togbin à l'Est (village de notre zone d'étude).

Les cordons de sable sont constitués quant à eux, de sédiments granulaires marins, actuels ou hérités des dernières transgressions quaternaires. Du Nord au Sud nous avons trois générations de cordons sableux (Oyédé, 1991) ; les cordons internes de sable jaunes, les cordons médians de sable gris et les cordons actuels de sable brun. Dans l'espace situé entre le chenal Aho et celui de Cotonou, qui comprend notre zone d'étude (Togbin), les sables jaunes s'étendent continuellement de Ouidah à Cotonou, les sables gris sont plus ou moins discontinues et les cordons de sables bruns (cordons concernés par la

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

zone d'étude) sont étroits (500m de large) avec des altitudes qui varient entre +1 et +4m de la Bouche du Roi à Togbin (Laibi, 2011). Pour la présente étude, on peut donc s'attendre à une porosité importante et donc à un rapport volume d'eau sur volume de terrain très important, étant sur un site constitué de sable à granulométrie grossière entre 0 et 28m de profondeur (Annexe 5).

1-Socle (roches cristallophylliennes) ; 2-Plateau de terre de barre ; 3-Domaine margino -littoral ; 4-Dépression de la Lama ; 5-Vallées de cours d'eau ; 6-Port Autonome de Cotonou; a- Lac Nokoué ; b- Lac Ahémé ; c-Lagune Zola.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

1.1.3.- Géologie

Plusieurs auteurs ont étudié ces différents cordons, parmi ces auteurs on peut citer Tastet (1977), Lang et al. (1988), Oyédé (1991), Maliki (1993), Boukari et al (2009). Selon ces derniers, le cordon interne est constitué de sables quartzeux moyens à fin, très peu argileux. Le cordon médian est constitué de sables quartzeux moyens à grossiers, bien classés, contenant des minéraux lourds présents dans les sables jaunes. Le cordon externe est constitué de sables bruns de la plage actuelle. Ces derniers sont du point de vue granulométrique, très voisins des sables du cordon médian (Fig. 4). Considérant le cadre structural, les dépôts du milieu littoral béninois forment un empilement sédimentaire quaternaire transgressif sur les formations du domaine des plateaux (Fig. 5).

Fig. 4 : Carte géologique de la zone d'étude et des zones environnantes (IRB
1987 in Boukari et al. 2009)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin (Bénin) ALLE C.

Fig. 5 : Bordure Sud-est du plateau d'Allada et des cordons littoraux, Essai de corrélation lithologique des logs de forage

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

La composition minéralogique des sables bruns reflète une rareté en minéraux caractéristiques des sables du premier cordon et un enrichissement en minéraux du socle (grenat, amphibole, épidote). Pour la géophysique, on doit s'attendre à avoir des résistivités très élevées (1000 à 2000 ohm.m) pour la zone non saturée constituée de sable. Les conséquences de cette forte résistivité en surface seront détaillées en 2.2.5.

1.1.4.- Hydrogéologie

Le milieu littoral béninois comporte superficiellement un système aquifère à nappe libre à semi-libre pour l'essentiel, mais par endroit captive. C'est l'aquifère du quaternaire (Fig. 5). Ce système constitue une même unité hydrogéologique «homogène en grand» (Pallas, 1988 in Boukari et al. 2009).

Dans la plaine littorale, la présence de plusieurs dômes piézométriques bien circonscrits (Boukari, 1998, 2002), montre que ce sont les écoulements radiaux qui sont prédominants avec des gradients hydrauliques encore plus faibles que sur le plateau. On est souvent dans ce cas, en présence d'une nappe radiale divergente ou convergente, mais à profils piézométriques paraboliques, ce qui confirme qu'il s'agit d'une nappe alimentée par infiltration directe des précipitations et drainée dans la même zone par les lagunes, le lac Nokoué et l'Océan Atlantique. La zone non saturée a une épaisseur de 0 à 3m environ (Boukari et al. 2009).

Selon Maliki (1993), le cordon littoral est caractérisé par une bonne perméabilité des sables (10^-2 à 10^-4 m/s). Ces sédiments renferment localement des aquifères d'eau douce ou saumâtre dont l'exploitation est liée à la position du biseau salé et à la réalimentation des lentilles d'eau douce. Le niveau de l'eau (niveau statique) se situe entre 1 et 3,5m de profondeur. Le débit des puits (1 à 15m³/h) est limité par la faible profondeur des ouvrages. Les niveaux aquifères plus profonds renferment en général de l'eau saumâtre avec parfois quelques

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

passages à eau douce difficile à capter et à exploiter. Ce qui s'explique par le phénomène d'invasion saline à travers l'évolution du biseau salée (Fig. 6).

Selon Guiraud (1987), on note toujours la présence d'une lentille d'eau douce reposant sur les eaux saumâtres et dont la géométrie varie en fonction des précipitations et des prélèvements. Aussi, d'après Boukari (1998), il existe presque toujours une nappe phréatique avec des lentilles d'eau douce flottant sur une nappe d'eau salée d'origine marine et/ou lagunaire.

Les études antérieures ont montré que la formule de Ghyben-Herzberg permet de situer, à partir de la côte de l'eau dans les puits des sables littoraux (0.5 et 3 m en moyenne au dessus du niveau moyen de la mer), la base du contact eau douce/salé entre 21 et 81 m (Géohydraulique, 1985). Etant donné que les prospections ont été faites seulement dans le cordon de sable brun (cordon le plus proche de la mer) et en fin de saison pluvieuse comme ça a été dit plus haut, le contact eau douce/eau salée (biseau salé) ne devrait pas être aussi profond que l'a dit Géohydraulique (1987) mais serait localement à son épaisseur maximum. Selon SRHAU/BURGEAP (1987), La porosité totale des sables dunaires littoraux dont l'épaisseur est de 6 m, est supérieure à 40%, elle est de 35% en ce qui concerne les sables marins fins silteux sous-jacents dont l'épaisseur est d'environ 15 m.

Fig. 6 : Hydrogéologie des cordons sableux littoraux illustrant le biseau salé :
Exemple du littoral nord du Sénégal (Martin, 1970)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

1.2.- Le site d'étude

Notre site d'étude se situe entre la mer et la lagune côtière entre les latitudes 701 650 et 702 250 et les longitudes 424 550 et 425 150 (coordonnées WGS 84 UTM en mètres) dans le village de Togbin. Soit une superficie d'environ 360 000 m². Ce site a été choisi pour plusieurs raisons tenant compte du fait que, pour une « étude test », il faut un terrain où des données et informations existes déjà. En effet, c'est un site sur le quel certaines informations préalables sont disponibles par exemple, la lithologie du sous-sol. Egalement, de précédentes études y ont été déjà faites avec d'autres méthodes géophysiques dans le cadre des Travaux Pratiques du cours d'hydrogéophysique. Les différents résultats de celles-ci peuvent donc nous servir d'informations et probablement, d'éléments de discussion. Aussi, il y existe suffisamment de puits (17) dont les niveaux statiques et conductivités des eaux peuvent servir d'informations importantes (Annexe 6). L'existence d'un piézomètre non loin de la zone d'étude (X : 425 900, Y : 701 750), dont la description lithologique (Annexe 5) a été faite par Maliki (1993), sera pour nous un repaire pour nos modèles conceptuels et nos analyses. La Fig. 7 présente le site avec des informations géo référencées.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin (Bénin) ALLE C.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Chapitre 2

LA METHODE GEOPHYSIQUE

La méthode géophysique TDEM, choisie pour la présente étude du biseau salé, est basée sur la mesure de la résistivité électrique. Nous allons dans ce chapitre, présenter le paramètre géophysique étudié à travers sa définition pour l'hydrogéologie et son intérêt pour l'étude ; ensuite nous présenterons la méthode TDEM et enfin les autres méthodes utilisées partiellement sur le site et dont les résultats seront comparés aux nôtres (l'électromagnétisme fréquentiel EM 34 et la mesure de conductivité des eaux de puits).

2.1.- La résistivité

2.1.1.- La résistivité pour l'hydrogéologie

La résistivité d'un matériau est sa capacité à résister au passage du courant électrique. Cette faculté est étroitement liée à la nature même des formations géologiques et des eaux qu'elles contiennent. La résistivité d'un échantillon de roche ou de sol peut être mesurée entre deux plaques conductrices de surface A, formant les sections opposées d'un cylindre de longueur L, dont les parois sont isolantes et contiennent l'échantillon (Fig.8). Lorsqu'on relie ces plaques à un

La résistivité p s'exprime en ohm.mètre (?.m), pour A en m², L en m, V en volt et I en ampère.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Fig. 8 : Schématisation de la mesure de résistivité 2.1.2.- Intérêt de la résistivité pour l'étude du biseau salé

Pour la prospection géophysique des ressources en eau souterraine, la résistivité des terrains (ou son inverse la conductivité) constitue un paramètre physique intéressant en tout premier lieu car il est directement corrélé à la minéralisation de l'eau présente dans la roche. Cette sensibilité à la minéralisation est favorable pour la détection de l'eau salée présente dans le sable.

Le phénomène qui est mis en jeu ici, est celui de la conductivité électrolytique qui fait intervenir le déplacement des ions en solution dans l'eau d'imbibition et qui se produit grâce aux connections existantes entre les pores interstitiels du milieu.

La résistivité de l'eau douce varie entre 10 et 100 ?.m par contre celle de l'eau salée ou eau de mer est dans l'ordre de 0.2 ?.m. Cette variation de l'ordre de deux décades, est assez importante pour permettre une bonne différenciation de ces eaux avec la mesure de la résistivité. Surtout si ces eaux sont contenues dans le même milieu géologique (le sable par exemple).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

La résistivité peut être influencée par : la porosité (formes et taille des pores), le degré de saturation (le pourcentage des vides rempli d'eau), la concentration des ions dans l'eau, et enfin la quantité d'argile mais aussi par la température.

2.1.3.- La loi d'Archie : relation de la résistivité avec la porosité

Nous utilisons Archie pour l'étude car d'abord nous remplissons les conditions d'usage, à savoir, l'utiliser pour les terrains sableux. Egalement elle nous permet d'avoir une relation entre les différents paramètres qui sont présentés ci-dessous dans la définition de la formule.

Dans certains types de formations « simples » ou « propres » (c'est-à-dire sans argile), la loi d'Archie modifiée - dite loi d'Archie de saturation synthétise l'influence de certains paramètres par la formule suivante (Archie, 1942)

Si la formation en question ne contient pas d'argile on peut, avec des hypothèses sur les valeurs de a, m et n, obtenir une estimation de la porosité (0) connaissant p_w, ou une estimation de la solution (eau d'imbibition) pi, connaissant 0. Considérant qu'en dessous du niveau statique, la saturation est totale (S=1), alors la formule d'Archie se simplifie et devient :

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

- le facteur de saturation « a » est généralement proche de 1, mais peut atteindre des valeurs de 3.5 pour des roches volcaniques très poreuses (Keller, 1988 in Descloitres, 1998)

- le facteur de cimentation « m » traduit l'effet de la forme des particules. Il est égale à 1,3 pour des sphères et peut atteindre 1,85 pour des sables + coquilles (Jackson et al., 1978).

Tableau 1: Les coefficients de la loi d'Archie et l'intervalle de porosité
correspondant à chaque type de roches (Keller, 1988)

Types de grains ou de roches	Coefficient m	Coefficient a	Porosité en %
Roches détritiques faiblement cimentées (sable, grès, certains calcaire)	1.37	0.88	25 à 45
Roches sédimentaires modérément cimentées (grès et calcaire)	1.72	0.62	18 à35
Roches sédimentaires fortement cimentées	1.95	0.62	5 à 25
Roches volcaniques très poreuses	1.44	3.50	20 à 80
Roches cristallines et métamorphiques très denses	1.58	1.40	< 4

Pour cette étude, la porosité sera évaluée afin de pouvoir déterminer avec Archie, la résistivité des eaux d'imbibition. Ainsi la caractérisation de ces

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

dernières sera faite en fonction de leur résistivité respective. La saturation sera considérée comme totale (S=1) pour les profondeurs supérieures au niveau statique de l'eau dans les puits. Nous nous baserons sur la lithologie du PU2 pour la prise en compte de l'influence de l'argile. La température quant-à elle n'influencera pas, car elle est plus ou moins constante autour de 27°C, du moins pour la période de mesure. L'influence de la concentration des ions constitue par contre, comme ça été dit plus haut, l'atout de ce paramètre pour différencier l'eau douce de l'eau salée ou eau de mer, à condition de faire l'hypothèse que le milieu contenant l'eau possède une porosité uniforme.

C'est ainsi que nous arriverons à déterminer la résistivité de l'eau dans le sous-sol afin de savoir la profondeur à laquelle nous avons de l'eau salée. Ce qui nous permettra d'avoir une idée sur la position du biseau salé ou de la limite eau douce / eau salée.

2.2.- La méthode géophysique TDEM

Les méthodes de sondage électromagnétique en général visent à déterminer les distributions de la conductivité (ou, inversement de la résistivité) des sols et du sous-sol en fonction de la profondeur (Descloitres, 1998). En général il existe des méthodes qui utilisent des champs électromagnétiques naturels comme source et d'autres qui sont à source contrôlée, dont fait partie la méthode TDEM (Time Domain Electromagnetic).

Une des premières tentatives est apparue aux USA dans les années 30 sans succès. C'est un peu plus tard dans les années 50 à 60 que l'école russe a développé une technologie appliquée aux sondages profonds. Ensuite l'industrie minière s'est emparée de cette méthode aux USA et au Canada pour la prospection de corps conducteurs profonds. Plus récemment durant les années 70 les avancées en électronique ont permis l'avènement de nouveaux appareillages.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Pour l'hydrogéologie, Fitterman et Stewart (1986) ont été les premiers à évaluer les possibilités de la méthode dans ce domaine. Ils ont montré par des calculs directs de réponse de structures simples, les possibilités de détection dans les cas suivants : zones de graviers sur bedrock, lentilles de sables et biseau salé. Fitterman a utilisé le TDEM pour quantifier les ressources en eau souterraine dans le bassin du Michigan et a repéré des zones d'eau minéralisées impropres à la consommation jusqu'à des profondeurs de 350m. Aussi, Goldman et al (1988,1991) ont cartographié l'extension et la profondeur du toit du biseau salé sur la plaine côtière d'Israël avec une confirmation de la résolution de la méthode après comparaison des résultats avec les forages existants.

2.2.1.- Principe général et dispositifs

Le TDEM est constitué d'un appareil et d'un câble d'injection de dimension souhaitée faisant office d'émetteur (et dans certains cas, comme le notre, de récepteur) à travers lequel ont fait circuler du courant continu qu'on coupe brusquement. Grâce à la force électromotrice (fem), induite par la coupure brusque du courant dans la boucle d'émission (câble de courant), des courants induits (courants de Foucault) sont immédiatement générés dans le sol après la coupure. Ces courants circulent avec une géométrie similaire à celle qui leur a donné naissance. Nabighian et Mac Nae (1991 in Descloitres, 1998) ont montré que le maximum de densité de courant s'éloigne du centre de la boucle à la foi en distance latérale, mais aussi en profondeur lorsque le temps augmente. La décroissance rapide de l'amplitude de ces courants génère un nouveau champ magnétique secondaire qui est mesuré en surface avec l'aide d'un récepteur (Fig. 9), constitué soit du même câble que l'émetteur (notre cas), soit d'une bobine spéciale placée au centre ou sur les cotés.

La période de mesure est choisie selon les profondeurs d'investigation souhaitées. Les mesures du signal du champ secondaire sont effectuées selon

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

des fenêtres de temps ouvertes de façon séquentielle une fois que le courant est coupé (Fig. 10). Le signal (amplitude du champ magnétique secondaire en fonction du temps après la coupure du courant) peut être traduit par une courbe de sondage (Fig. 12) reliant la résistivité apparente (en ordonnée) au temps (en abscisse) de façon analogue aux sondages électriques à courant continu. A partir de cette courbe, on obtient des coupes, des profils et des cartes de résistivité.

Le dispositif est très souvent constitué de boucles carrées de dimensions fixées en fonction de la profondeur d'investigation souhaitée. Nous pouvons avoir plusieurs dispositifs. A savoir : (1) Dispositif coïncident : la même boucle émettrice est également réceptrice (grande surface de réception, signal du champ secondaire amplifié) mais déconseillé si le sol sous le câble est magnétique. C'est ce dispositif qui est utilisé dans cette étude car les sables ne sont pas magnétiques. (2) Dispositif à boucle centrée : la boucle réceptrice est différente de la boucle émettrice et est située au centre de la boucle émettrice (effets magnétiques absents). (3) Dispositif à boucle excentrée : même configuration que le dispositif précédent à la seule différence que la boucle réceptrice est située à l'extérieur de la boucle émettrice (atténuation des effets de polarisation).

En effet, plus la mesure est longue, plus elle concerne des circulations de courants induits plus profonds. Cela est cependant limité, car le signal décroit avec le temps, et fini par rejoindre le bruit électromagnétique ambiant. Pour différer le temps où le sondage se termine, il faut augmenter soit, le courant d'injection, soit la surface de l'émetteur, soit les deux. Ainsi, « approfondir » le sondage réclame souvent un appareillage plus puissant et/ou des boucles plus grandes.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Temps à partir duquel on n'obtient plus d'information fiables, en dessous du niveau de bruit magnétique (source d'erreur sur les mesures).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

2.2.2.- Transformation du signal en courbe de résistivité apparente en fonction du temps.

Le signal mesuré (le champ magnétique secondaire) est représenté par une courbe de voltage normalisé par rapport au courant injecté (V/A), en fonction du temps après la coupure du courant, exprimée usuellement en us (fenêtre de mesure), comme le montre l'exemple de la Fig. 11. Plus le temps passe, plus le champ magnétique secondaire induit correspond à des inductions profondes.

Dans les tous premiers mètres du sous sol la méthode n'a pas une bonne résolution. Pour les derniers « temps », le bruit magnétique perturbe les mesures. Ce qui se traduit par la déformation de la courbe au début et des barres d'erreurs élevées pour les derniers points de la courbe. Ces points sont éliminés pour obtenir une courbe de bonne qualité afin d'avoir un ajustement optimal lors de l'interprétation (inversion).

Fig. 11 : Courbe de voltage normalisée par rapport au courant injecté en fonction

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Le signal mesuré est transformé en courbe de résistivité apparente (P_aen ohm.m) en fonction du temps (en us), (Fig. 12) à partir de la formule de calcul suivante :

Les courbes de résistivités apparentes en fonction du temps sont ajustées lors de l'inversion par un logiciel, par une courbe théorique correspondante à la réponse d'un modèle 1D de terrain, c'est-à-dire des couches horizontales de résistivité et

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

d'épaisseur variable, selon le dispositif et le modèle de terrain sous le sondage. Cette procédure est décrite ci-dessous.

2.2.3.- Techniques d'interprétation

Les données (courbes de résistivité apparente en fonction du temps) sont inversées par calcul au sens des moindres carrés pour obtenir un modèle géoélectrique 1D comme l'illustre la Fig. 13. Les paramètres de résistivité et d'épaisseur du modèle sont proposés au départ par l'utilisateur (nécessité d'avoir une connaissance minimum de la géologie des terrains). Un paramètre appelé « RMS » (Root Mean Square) évalue les erreurs de calcul du logiciel sous forme de pourcentage. L'inversion automatique se fait ensuite directement par le logiciel. L'inversion recherche la minimisation du RMS, ce qui permet d'avoir un modèle qui épouse au mieux la forme des données. L'inversion est alors jugée correcte d'un point de vue mathématique, mais le modèle résultant n'est pas forcement représentatif de la réalité, à cause des équivalences possibles.

Fig. 13 : Modèle géoélectrique issu de la courbe de résistivité apparente en
fonction du temps après élimination des points erronés

Le modèle géoélectrique 1D est le principal résultat du TDEM. Lorsqu'on réalise plusieurs sondages sur un site, c'est à partir de ces modèles qu'on obtient les cartes et les sections de résistivité (voir 3.2. et 3.3.). La méthode TDEM ne

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

considère, en routine, que des géométries tabulaires 1D. Cette géométrie est supposée vraie sous le sondage et dans ses environs immédiats. Cette limitation de la méthode est peu gênante dans notre cas car les aquifères côtiers sont en général 1D et, à l'échelle du sondage géophysique en tout cas, cette hypothèse est rarement discutable.

2.2.4.- Intérêts et avantages du TDEM pour l'étude

Descloitres (1998), a montré dans sa thèse, qu'une baisse sensible de la résistivité des terrains aquifères produit une baisse significative de la résistivité horizontale tandis que la résistivité verticale reste sensiblement la même lorsqu'on a à faire à des empilements de couches tabulaires de résistivités différentes. Les valeurs de résistivité obtenues par les méthodes géophysiques qui se fondent sur la circulation horizontale des courants électriques dans le sol, comme le TDEM, sont donc très sensibles à la présence de terrains conducteurs horizontaux peu épais. C'est donc cette caractéristique du TDEM, en plus de celle de la résistivité, qui nous aidera à mieux faire la différence entre l'eau salée (beaucoup plus conductrice) et l'eau douce (moins conductrice). Les autres avantages du TDEM s'énoncent comme suit :

- Profondeur d'investigation en général supérieure à la longueur de câble étendue (mieux que les sondages électriques à courant continu) sauf lorsqu'il existe un terrain très conducteur en surface ;

- Permet une interprétation quantitative de la structure géoélectrique avec l'hypothèse de tabularité ;

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

2.2.5.- Limites de la méthode TDEM pour l'étude

L'une des caractéristiques les plus importantes pour qualifier une méthode par rapport à une étude donnée est sa résolution. Le pouvoir de résolution des méthodes géophysiques basées sur la mesure de la résistivité peut par exemple être défini comme la faculté de distinguer la stratification fine des terrains. Ce pouvoir de résolution est de moins en moins élevé au fur et à mesure que l'on pénètre en profondeur dans le sol (caractéristique commune à la plupart des méthodes). Si la formation recherchée que l'on considère par exemple comme peu épaisse, est située à une profondeur au-delà de la quelle la méthode utilisée n'a plus de pouvoir de résolution suffisant pour distinguer la stratification, alors la méthode sera inefficace pour repérer la couche en question. Les résultats pourront être représentatifs de plusieurs modèles différents de terrains (les équivalences) qu'il faut ensuite choisir avec des informations extérieures (hydrogéologiques, géologiques ...) sur la zone d'étude. Aussi la méthode n'est pas sensible aux terrains résistants. Par exemple la couche de sable non-saturée (1000 à 2000 ohm.m pour 3m d'épaisseur) que nous avons en surface sur notre site d'étude ne sera pas détectée par le TDEM. Qu'elle soit en surface ou située profondément (dans d'autres cas que le nôtre par exemple). Comme autres limitations on peut citer :

- Le TDEM est peu sensible aux terrains très proches de la surface (premiers mètres) ce qui est un réel inconvénient pour identifier les nappes entre 0 et 5 mètres;

- Il faut utiliser le TDEM pour des zones où le sous-sol peut être considéré comme tabulaire (1D comme notre zone d'étude) ;

- Le TDEM peut être perturbé par des lignes électriques ou clôtures métalliques (inductions provoquées par le TDEM lui-même) et entaché d'artéfact dus à des phénomènes de viscosité magnétique et de polarisation

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

provoquée (variation fréquentielle de la conductivité électrique), cf thèse de Descloitres (1998).

A Togbin, sur notre site, les phénomènes de viscosité magnétique et de polarisation provoquée n'ont pas été remarqués (après quelques tests) et donc n'ont pas été mis en évidence.

2.3.1.- Outils et appareillages

L'appareil principal de notre appareillage est le « TEM-FAST » (AEMR Technology) utilisé pour le sondage TDEM. Il injecte soit 1A ou 4A (selon la qualité et la profondeur de sondage voulu). Il possède une batterie interne qui peut être secondée d'une batterie externe (12 ou 24V) pour une prospection de longue durée (Fig. 14).

Les appareils accessoires utilisés sont en tout premier lieu le « TDS Recon », C'est un petit ordinateur dans lequel est installé le logiciel qui pilote le TEM-FAST. Le GPS a été utilisé pour connaître les coordonnées de chaque sondage.

Les autres outils utilisés sont la boussole (pour orienter les profils), la batterie externe et le rouleau de câble (50m) pour réaliser la boucle de 12.5 m de côté.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

2.3.2.- Choix du dispositif

Le choix d'un dispositif et surtout de la taille de la boucle sont influencés en majorité par la profondeur de prospection souhaitée, les caractéristiques du terrain ainsi que les avantages liés à chaque dispositif.

Le dispositif coïncident (grande surface de réception, signal du champ secondaire amplifié) a été choisi car le site n'est pas magnétique. Le courant d'injection choisi est de 4A afin d'obtenir un signal de bonne qualité. L'appareil consommant plus de courant dans ce cas, nous avons utilisé une batterie de secours pour tenir la journée de mesure.

Le choix de la taille de la boucle s'est fait par modélisation synthétique. Nous avons généré des données synthétiques, à partir du modèle conceptuel illustré par la Fig. 15 (informations issues de la lithologie du PU2 et des résistivités des différentes eaux dans le sous-sol), à l'aide du logiciel TEM-RES. Ces données ont été inversées afin de voir si les résultats correspondraient au modèle synthétique de départ. Nous avons fait cela pour la boucle carrée de 25m et de 12.5m de côté (Fig. 16)

La boucle de 25m s'est avérée être la meilleure quand on considère la profondeur d'investigation (40m pour la boucle de 25m et 31m pour la boucle de 12.5m) parce qu'elle a un meilleur rapport signal sur bruit. Les deux modélisations ont donné des modèles similaires, mais on remarque sur ces deux modèles que, le sable non saturé, le sable saturé en eau douce et le sable saturé en eau saumâtre ne sont pas différenciés (une seule couche de résistivité pour ces trois terrains). Par contre le toit du terrain sable saturé en eau salée est très bien défini grâce à sa faible résistivité (0.7 ohm.m). Pour les deux boucles ; le substratum argileux est repéré. La résistivité de l'argile sera cependant moins bien définie avec le dispositif de 12.5 m de côté. Malgré le fait que la boucle de 25 m procure à priori le meilleur rapport signal sur bruit, connaissant le terrain,

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

pour ne pas avoir de difficulté de déploiement du dispositif, nous avons choisi, le dispositif à 12,5 m de côté. Ce dernier permet d'avoir une résolution spatiale meilleure que celle de 25m, ce qui est un avantage.

Fig. 16 : Modèles géoélectriques obtenus après inversion des données
synthétiques pour des boucles de 25m (1) et de 12.5m (2) de côté

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

2.3.3.- Echantillonnage sur le terrain

Les dimensions du site sont de 600 m sur 600 m environ. Faisant l'hypothèse, raisonnable que le littoral est dans un contexte relativement 1D nous avons choisi de réaliser 8 profils espacés de 60 m dans la direction Nord-Sud afin de rester à peu près dans la même direction que celle de l'évolution de l'invasion saline. La boucle faisant 12.5m de côté et les boucles de courant induit dans le sol s'éloignant vers l'extérieur et en profondeur, nous savons que la surface prospectée en profondeur est plus grande que la dimension de la boucle en surface (Fig. 9). Nous avons choisi alors de faire des sondages espacés d'au moins deux fois et demie la dimension de la boucle. Soit environ 30m d'espacement entre les sondages de chaque profil. Ce qui nous a donné en moyenne 15 sondages par profil pour un total de 115 sondages (Fig. 17). Malgré le choix de la boucle de taille 12,5m des difficultés ont été rencontrées à savoir, le manque d'espace pour le déploiement du dispositif au point de sondage prévu à cause des habitations et des brousses épineuses (cactus). Du coup, l'intervalle entre les sondages et les profils a été augmenté ou diminué par endroit de 5 à 10m.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin (Bénin) ALLE C.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

2.3.4.- Les différentes sources d'erreurs possibles

Les données géophysiques selon la méthode, le dispositif et le site d'étude, peuvent être entachées de différents types d'erreurs. Pour le TDEM les types d'erreurs sont :

- Erreurs instrumentales (mauvaise calibration, bruit interne de l'appareil) ; - Erreurs de mise en oeuvre (géométrie de la boucle, non parfaite) ;

- Erreurs sur l'approximation 1D (par exemple la présence de lentille d'argile modifiant la stratification 1D) ;

- Erreurs dites de « bruits industriels et artificiels » présence de câble enterré, clôture métallique, ligne électrique etc. ;

Sur notre site, les erreurs possibles (mais non systématiques), sont celles (1) de mise en oeuvre (géométrie carrée légèrement déformée par endroit), (2) d'approximation 1D (présence possible de lentille d'argile 2D), (3) de bruit industriel et artificiel (quelques lignes électriques, clôtures et toits métalliques).

2.4- Les autres méthodes utilisées

Nous présenterons brièvement ici les méthodes qui ont été utilisés pour avoir des informations connexes afin de mieux se renseigner sur le terrain.

2.4.1.- L'électromagnétisme fréquentiel (EM34)

C'est une méthode géophysique basée sur la création d'une induction électromagnétique dans les terrains conducteurs, avec l'émission et la réception d'ondes électromagnétiques qui mesurent la conductivité des roches. Les bobines émettrice et réceptrice doivent être coplanaires. L'opérateur peut choisir l'écartement entre elles (10, 20 et 40m). Ceci pour faire varier la

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

profondeur d'investigation qui peut aller jusqu'à 80 à 100m en fonction de la nature des roches traversées par les ondes. Plusieurs profils de même profondeur permettent de réaliser une carte avec laquelle on a une information qualitative sur la conductivité électrique apparente du sous-sol de la zone d'étude à une profondeur donnée. En général on utilise cette méthode pour faire une reconnaissance rapide du site d'étude. On peut aussi, si le temps le permet, réaliser plusieurs cartes avec des écartements de bobines différents. On note que la position des bobines par rapport au sol (le plan des bobines horizontal ou vertical) permet aussi d'ajuster la sensibilité de la mesure avec la profondeur.

- Excellente pour une reconnaissance rapide et globale de la zone avec une carte ;

- Profondeur d'investigation pas très importante (pas au-delà de 80 à 100m dans les cas favorables), mais suffisante pour notre étude.

2.4.2.- Le conductivimètre

Le conductivimètre permet de mesurer la conductivité de l'eau ou d'une solution quelconque. Un conductivimètre a été utilisé pour la mesure de la conductivité des eaux de puits. Ces conductivités nous donnent une gamme de valeur de la conductivité des eaux de puits (en surface) sur le site.

Pour le recensement des coordonnées de puits nous nous sommes servis d'un GPS (voir images d'appareillage et de terrain en annexe 7).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Chapitre 3

RESULTATS

Les résultats sont constitués de modèles géoélectriques 1D issus des inversions sondages, de leurs représentations sous forme de cartes de résistivité spatialisées à différentes profondeurs et de sections de résistivité. Un essai de délimitation des interfaces entre les différents types d'eaux (eau douce, saumâtre et salée) à partir des cartes et sections, en employant la loi d'Archie, à été réalisé dans le but de cartographier la géométrie de la lentille d'eau douce et le biseau salé afin de déterminer le volume d'eau douce disponible.

3.1.- Modèles géoélectriques (résultats d'interprétation 1D)

Nous avons obtenu 115 résultats d'interprétation 1D (voir annexe 2 où est recensé l'ensemble des sondages et des interprétations). Nous montrerons ici les trois différentes formes de graphe principales (Fig. 18) qui représentent des exemples typiques des différentes familles de courbes TDEM obtenues, et leurs interprétations 1D correspondantes.

Le modèle « a » est typique d'un sondage réalisé en bord de mer. Il présente 4 terrains dont l'épaisseur du quatrième n'est pas définie (voir annexe 1). De la surface vers la profondeur, il y a une décroissance de la résistivité (3.5 ohm.m pour 3m d'épaisseur pour le premier terrain ; 1.2 ohm.m pour 4m d'épaisseur pour le deuxième et 0.9 ohm.m pour 16m d'épaisseur pour le troisième). Le quatrième terrain dont le toit est situé à 24 m de profondeur, est plus résistant que le deuxième et le troisième (2.7 ohm.m).

Le modèle « b » est typique d'un sondage réalisé entre la mer et la lagune à environ 200m de la mer. Le premier terrain (12 ohm.m pour 8m) est le plus résistant. Une croissance de la résistivité s'observe du deuxième terrain (0.8

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

ohm.m pour 13m d'épaisseur), au quatrième (3.4 ohm.m) en passant par le troisième (1.8 ohm.m pour 17m d'épaisseur).

Le modèle « c » est typique d'un sondage réalisé au bord de la lagune. Il présente 3 terrains comme la majorité des modèles obtenus. C'est l'exemple le plus largement représenté de l'ensemble de notre prospection. Un premier terrain relativement résistant (215 ohm.m pour 8m d'épaisseur). Le deuxième est le moins résistant (0.8 ohm.m pour 13m d'épaisseur) et enfin le troisième (1.8 ohm.m) a une résistivité beaucoup plus proche du deuxième terrain.

Si on fait exception du terrain superficiel remarqué en bord de côte et quelques particularités locales, on distingue finalement trois terrains principaux.

- La résistivité du premier terrain le plus proche de la surface (ou affleurant en surface) croît dans les 300 premiers mètres en s'éloignant de la mer (15 à 226 ohm.m pour le profil 1 : voir annexe 1) pour décroitre légèrement vers la lagune (226 à 48 ohm.m) avec une épaisseur qui varie entre 7.5 et 8m.

- Pour le deuxième terrain la résistivité et l'épaisseur sont approximativement constantes, 0.8 ohm.m, avec le toit situé à 8m de profondeur et le mur à environ 20m.

- Le troisième terrain dont l'épaisseur n'est pas définie a une résistivité située entre 2 et 6 ohm.m en dessous du deuxième terrain. La résistivité de ce terrain est mal définie car le dispositif de 12.5 x 12.5 m ne permet pas de prolonger le sondage dans le temps suffisamment pour bien caractériser le palier de résistivité de ce terrain. Il faut remarquer que sur certains sondages, il ya un terrain d'environ 1.2 ohm.m situé entre le premier et le deuxième terrain qui n'est pas souvent détecté comme l'illustre le modèle « a ».

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Fig. 18 : Modèles géoélectriques représentant la plupart des interprétations 1D
des sondages TDEM

3.2.- Cartes de résistivités calculées pour différentes profondeurs

Les cartes de résistivité représentent des valeurs de résistivité calculées par intervalles de profondeur que nous avons choisie arbitrairement. Elles sont obtenues grâce au logiciel TEM-RES qui intègre tous les résultats d'interprétation 1D pour obtenir des valeurs de résistivité par intervalle de profondeur, pour toute la surface couverte par les sondages. Les cartes sont

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

tracées sous forme d'une projection à plat des valeurs de résistivité calculées sans interpolation entre sondages. C'est la première forme de représentation (projection) et c'est elle que TEM-RES propose (Fig. 19). Pour réaliser la deuxième forme de représentation possible Il faut procéder à l'interpolation entre les sondages, réalisée par kriging. Il faut importer les données (valeurs de résistivité) de TEM-RES dans un autre logiciel de réalisation de cartographie comme Surfer, utilisé dans cette étude. La différence entre ces deux représentations de cartes est que celle en projection donne une information exacte sur la résistivité calculée au point de sondage sans interpoler avec les autres points de la carte. Ces cartes sont considérées comme le reflet réel des interprétations. Par contre celles « krigées » avec un modèle de variogramme bien calé (Fig. 21 et Annexe 3), génère, en plus des valeurs de résistivité à chaque point sondé, des valeurs pour les autres points de la grille de calcul donnant une « continuité » de la résistivité (Fig. 20 et Annexe 3). La densité de mesures de cette étude permet de considérer les cartes de type « Surfer » comme valides. Ces cartes sont intéressantes aussi car elles permettent de jouer avec les échelles de couleur pour faire apparaitre certains détails choisis. Pour les exploiter (par exemple lors de la réalisation d'un puits), il faut cependant que l'ingénieur s'assure que le point choisi ne présente pas de problème d'interpolation.

Nous avons réalisé des cartes de 1 à 10m de profondeur avec un intervalle d'un mètre et, de 10 à 40m avec un intervalle de 5m (Fig. 25 et Annexe 3). La fig. 20 présente un exemple de deux cartes issues des cartes réalisées respectivement pour des profondeurs de 8m et 9m. Les résistivités varient sur les cartes entre 0.5 et 240 ohm.m. Sur la carte de 8m, considérée comme représentative des 8 cartes superficielles (peu de changements de distribution spatiale de résistivité sont constatés) on remarque que les résistivités les plus élevées (20 à 240 ohm.m) en vert, jaune et rouge sont situées à partir des 120 premiers mètres de

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

la mer vers la lagune. La carte de 9m montre quant-à elle une disparition de ces résistivités élevées du Sud-est vers le Nord-ouest de la carte en laissant place à des résistivités très faibles (0.5 à 5 ohm.m) en violet.

Fig. 19 : Exemple de carte de résistivité calculée en fonction de la profondeur
(TEM-RES) sans interpolation

Fig. 20 : Cartes de résistivité calculée et « krigée » en fonction de la profondeur

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Fig. 21 : Variogrammes utilisés pour l'interpolation par krigging pour le tracé
des cartes à 8m et 9m de profondeur (Surfer)

3.3.- Les sections de résistivité calculée pour un profil donné

Les sections de résistivité calculées après inversion des données de terrain sont construites directement par TEM-RES. Il utilise les modèles géoélectriques 1D, dont les points de sondage sont plus ou moins alignés, pour générer par calcul (interpolation linéaire) des sections de résistivité suivant les profils. Nous avons réalisé en tout 8 sections orientées Sud-Nord à partir des 8 profils (Fig. 22). Cette orientation a été choisie dans le but d'avoir une coupe transversale du biseau en faisant l'hypothèse raisonnable que le biseau salé évoluerait de la mer (du Sud) vers la lagune (le Nord).

La section présentée par la Fig. 23 est celle du profil 3 (voir le profil 3 sur la Fig. 22), prise comme exemple. Elle montre de façon similaire à toutes les autres sections, que les résistivités les plus élevées se retrouvent en surface (30 à 240 ohm.m en jaune et rouge) et les plus faibles en profondeur (0.5 0hm.m en bleu) avec une fine épaisseur de terrain de 3 à 6 ohm.m à environ 9m de profondeur. Cette gamme de résistivité de 3 à 6 ohm.m réapparait en dessous de 22 ou 26m

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

de profondeur par endroit sous des terrains de résistivité plus faibles (en bleu profond). Ces différentes gammes de résistivité observée à travers les modèles géoélectriques, cartes et sondages seront interprétées et discutées dans la suite.

Fig. 22 : Présentation des 8 profils choisis pour la réalisation des sections de

Fig. 23 : Section de résistivité calculée en fonction de la profondeur (TEM-RES)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

3.4.- Essai de délimitation des interfaces entre les différentes eaux (eau douce, eau saumâtre et eau salée)

Afin de tenter de traduire les différents résultats de résistivité, il est intéressant pour notre étude d'utiliser la loi d'Archie (1942). En effet, nous avons choisi d'utiliser la loi d'Archie parce que le milieu étudié est essentiellement de nature franchement sableuse (du moins pour les premières dizaines de mètres) et donc entre dans le domaine de validité de cette loi empirique.

La loi d'Archie, dite « à saturation » considère S=1 (milieu saturé) et est définie

On rappelle que cette formule permet de calculer la résistivité de l'eau d'imbibition ???? ou la porosité du sable Ø connaissant la résistivité de la formation ???? (calculée par la méthode géophysique) en fixant arbitrairement (ou

grâce à des mesures spécifiques) les paramètres a et m. La variation de ???? est liée à la variation de ???? ou de Ø , si l'on considère que les paramètres (a et m) ne changent pas dans la zone d'étude (ce qui est une hypothèse raisonnable pour notre étude si l'on considère les dépôts sableux comme ayant la même origine) . La variation de résistivité des cartes et des sections obtenues peut être alors traduite soit par une variation spatiale de ???? soit de Ø en fixant l'un ou l'autre des deux paramètres. Si le milieu est complexe c'est à dire si ???? ou Ø sont susceptibles de varier l'un et l'autre de façon simultanée, il devient alors impossible de déduire ???? ou Ø des mesures de résistivité seules.

Lorsqu'on observe la carte de conductivité des eaux de puits (Fig. 24), on remarque une variation importante de la conductivité et donc de la résistivité (16 à 95 ohm.m). Cette variation confirme que ???? varie dans notre zone.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Sachant que nous sommes dans du sable jusqu'à environ 28 m (lithologie du PU2 annexe 5), nous avons choisi de considérer comme hypothèse de travail une porosité constante pour le site. C'est une hypothèse forte pour cette étude, et nous verrons en discussion comment valider cette hypothèse dans les futures études réalisées sur la zone. Pour cette étude, cette hypothèse d'homogénéité de porosité est considérée comme raisonnable en l'absence d'autres informations car les dépôts sableux sont probablement constitués d'épisodes de sédimentation successifs impliquant des phénomènes en jeu à l'échelle de la côte du Bénin. On pourrait ainsi supposer que ces dépôts présentent en moyenne des porosités constantes d'un point à l'autre d'une petite zone comme la notre.

Pour déterminer la résistivité ???? correspondant à la formation ou le terrain qui

contient les eaux de différents types, il nous faut alors connaître d'une part ???? de l'eau d'imbibition dont nous voulons définir le périmètre, et d'autre part, la porosité Ø (considérée comme constante) ainsi que les paramètres a et m.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Pour déterminer Ø, il faut être en présence d'une zone du terrain où la résistivité de l'eau d'imbibition peut être considérée comme constante à l'échelle du sondage TDEM. C'est le cas tout proche de la mer : le terrain est saturé en eau de mer dont nous connaissons ???? (54 700 uS/cm ou 0.18 ohm.m) en mesurant la conductivité de l'eau de mer avec un conductivimètre. La résistivité de la formation (sable + eau de mer) est calculée à partir modèle géoélectrique du sondage TDEM le plus proche du bord de mer : ( ???? = 0.8 ohm.m).

Pour les paramètres a et m, nous avons choisi ceux donnés par Keller (a = 0.88 et m = 1.37, voir tableau 1) et, pour avoir une autre estimation possible, ceux considérés comme « moyens » usuellement par Archie (a = 1 et m = 2). Cette estimation nous donne un intervalle de porosité totale des sables de 0,32 soit 32% (Keller) et 0,48 soit 48% (Archie). Ces porosités calculées localement, ressemblent beaucoup à celles obtenues par SERHAU/BUGEAP (1987) à savoir : porosité supérieure à 40% pour les sables dunaires et 35% pour les sables marins fins silteux de la plaine littorale.

Nous avons considéré, pour la délimitation du périmètre d'eau douce, une limite de potabilité de l'eau qui est de 1000uS/cm, soit 10 ohm.m. En effet, la limite de potabilité fixée par L'Union Européenne, (1998) est de 2500 uS/cm soit 4 ohm.m. Mais, une petite enquête s'est faite sur le site et a montré que, l'eau à 2500 uS/cm n'est pas jugée de bon goût par la population et donc n'est pas consommée. La limite acceptée par la population s'est avérée être 1000uS/cm, valeur confirmée par le Dr Jean-Michel VOUILLAMOZ (hydrogéologue et chercheur à l'IRD). L'objectif étant de définir l'eau consommable pour la population, nous avons donc choisi cette valeur comme limite de potabilité « pratique » (1000uS/cm).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Connaissant la limite supérieure de la conductivité de l'eau buvable (donc la limite inférieure de la résistivité de l'eau de consommation) et les deux porosités possibles estimées, nous avons déduit la limite de résistivité Pf entre les terrains contenant de l'eau douce et ceux contenant de l'eau saumâtre. L'eau de conductivité supérieure à 1000uS/cm est considérée comme eau saumâtre. Cette limite de résistivité Pf est alors de 40 ohm.m pour une porosité de 32% et de 24 ohm.m pour 48% de porosité. Ce qui signifie que, pour une porosité de 32% les terrains contenant de l'eau douce et ceux contenant de l'eau saumâtre ou salée ont des résistivités respectivement supérieures et inférieures à 40 ohm.m. Et pour une porosité de 48% les résistivités de ces terrains sont respectivement supérieures et inférieures à 24 ohm.m. Cela permet de tracer deux périmètres successifs selon nos hypothèses de porosité. Ils sont représentés sur les cartes et les sections (Fig. 25 et Fig. 26) par des isocontours de 40 ohm.m et de 24 ohm.m.

Pour définir ensuite le périmètre séparant l'eau saumâtre de l'eau salée nous avons considéré pour les terrains contenant de l'eau de mer des résistivités inférieures à 0.8 ohm.m. Cette dernière a été définie par les modèles géoélectriques. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle, nous sommes partis de cette résistivité pour estimer la porosité. Ce périmètre est également représenté par l'isocontour de 0.8 ohm.m sur les cartes (Fig. 25). Il faut noter que le substratum argileux situé sous les sondages est plus résistant que le sable saturé d'eau salée

Le jaune et le rouge représentent, pour les cartes de résistivité, les terrains contenant de l'eau douce pour 32% de porosité. Le vert représente les terrains contenant de l'eau douce qui s'ajoutent à ceux de couleur jaune et rouge lorsqu'on considère une porosité de 48%. Le bleu-ciel et le violet-clair représentent les terrains contenant de l'eau saumâtre (entre eau douce et eau

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

salée) impropres à la consommation (ou le substratum argileux). Enfin le violet représente les zones où l'eau est franchement salée.

Fig. 25 : Délimitation des interfaces entre les différentes eaux à partir des cartes de résistivités par profondeur

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin (Bénin) ALLE C.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Fig. 26 : Délimitation des interfaces entre les différentes eaux à partir des
sections de résistivité par profils

On remarque que les cartes sont quasi-identiques de 1m à 5m, l'eau douce domine à partir des 120 premiers m en s'éloignant de la mer jusqu'à la lagune. Les résistivités restent les mêmes également sur les cartes de 5m à 8m de profondeur avec une légère intrusion de l'eau saumâtre venant de la lagune au Nord-est de la carte. A 9m de profondeur, l'eau douce disparait subitement en laissant place à l'eau saumâtre et à l'eau de mer. on remarque également que la disparition de l'eau douce se fait du Sud-est vers le Nord-ouest. A 10m le phénomène persiste et à 15m de profondeur, l'eau de mer est observée sur toute la carte. Mais de 20m à 40m de profondeur, on assiste à l'apprition d'un terrain

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

de nouveau moins conducteur de résistivité identique à celle de l'eau saumâtre : Le bleu-ciel, et surtout le violet-clair apparaissent de nouveau. Or, avoir de l'eau saumâtre en dessous de l'eau salée est impossible hydrogeologiquement parlant. Car il ne peut avoir de l'eau saumâtre (moins dense) en dessous de l'eau salée ou eau de mer (plus dense). En nous référent à la lithologie détaillée du PU2 (annexe 5), nous pouvons alors émettre l'hypothèse que les sondages TDEM mettent en évidence un terrain profond qui serait un substratum constitué majoritairement d'argile (probablement imbibée d'eau salée). Ce terrain présenterait une résistivité similaire à celle du sable + eau saumâtre (environ 2 à 6 ohm.m). Ce qui laisse croire que l'eau saumâtre réapparait, alors que c'est l'argile qui est dévoilée (comme sur la Fig. 23).

Concernant les sections geoélectriques, nous avons uniquement représenté les limites eau douce-eau salée pour les deux porosités évaluées. Car, comme les cartes l'ont montré, la résistivité de terrain contenant l'eau saumâtre est de 2 à 6 ohm.m. Cette gamme de résistivité n'est pas observée pour la plupart des sections si l'on ne considère pas, bien sûr, la réapparition de cette gamme de résistivité en dessous des terrains contenant l'eau salée, qui représenterait une présence d'argile (Fig. 23 par exemple).

Le contour rouge représente les terrains contenant de l'eau douce pour 32% de porosité. Le vert et le jaune représentent les terrains contenant de l'eau douce qui s'ajoutent à ceux de couleur rouge lorsqu'on considère une porosité de 48%. L'eau saumâtre n'existant présque pas, le bleu représente alors l'eau salée ou eau de mer. On remarque que pour toutes les sections l'épaisseur de l'eau douce ne varie quasiment pas et reste autour de 8m. Aussi, ce terrain d'eau douce est beaucoup plus proche de la lagune que de la mer (à partir des 120 premiers mètres de la mer jusqu'à la lagune comme nous renseignent les cartes). Une autre constatation est que le mur du terrain contenant l'eau douce est assez aplati du fait de la non détection du terrain « de mélange » (sable + eau

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

saumâtre). Cela se confirme avec les cartes qui montrent une brusque disprution de l'eau douce entre 8m et 9m de profondeur.

Le front (biseau) salé est quasi vertical en bord de côte, ce qui est une configuration inhabituelle. Le biseau salé de notre site d'étude pourrait donc être considéré comme rectiligne et quasi-vertical contrairement au biseau salé « classique » qui est curviligne et arrondi, illustré par la figure classique de l'hydrogéologie des cordons sableux littoraux qui prend comme exemple celui du littoral nord du Sénégal (Fig. 6), sous une pluviométrie plus faible.

La profondeur moyenne du biseau salé par rapport à la surface du sol étant de 8 m et sachant d'une part qu'on ne peut voir le niveau statique avec le TDEM, et d'autre part qu'on sait que le niveau statique (NS) moyen des puits est de 2,8 m (Annexe 6), on peut alors estimer que la lentille d'eau douce a une épaisseur de 5 m en moyenne (NS moyen à soustraire de la profondeur du biseau). Pour les porosités de 32% et 48% on a donc respectivement une lame d'eau douce de 1600 mm et 2400 mm. Nous avons estimé que la surface de terrain contenant cette eau fait, avec 32 % de porosité 120 000 m² (200 m sur 600 m) et, avec 48% de porosité 240 000 m² (400 m sur 600m) soit respectivement 1/3 et 2/3 de la surface du site. En répartissant les lames d'eau calculées sur les surfaces estimées on à respectivement pour 32% et 48% de porosité, 192 000 m³ (1.6 m * 120 000 m²) et 576 000 m³ (2.4 m * 240 000 m²) de volume d'eau douce.

La porosité considérée ici est la porosité « totale » et non la porosité « de drainage » donc, le volume d'eau estimé ne peut être totalement mobilisé par forage. Mais notons cependant que pour des gammes de porosité élevée comme dans notre cas, la porosité de drainage pourrait être proche de la porosité totale (De Marsily, 1986).

Cette estimation du volume d'eau douce s'applique à la saison des pluies. En saison sèche le niveau statique pourrait baisser. La profondeur du biseau pourrait

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

elle aussi diminuer (inférieur à 8m) Ainsi la réserve d'eau douce pourrait diminuer, car la géométrie de la lentille d'eau douce varie en fonction des précipitations et des prélèvements, selon Martin (1970).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Chapitre 4

DISCUSSIONS

Nous discuterons en premier de la comparaison entre les autres résultats de travaux-dirigés (conductivité des eaux de puits et carte EM34) et nos résultats obtenus à partir de l'application du TDEM. En second, on parlera de la résolution de la méthode TDEM pour la présente étude du biseau salé.

4.1.-Comparaison des résultats TDEM obtenus avec d'autres résultats

Cette partie permettra d'apprécier les résultats obtenus et aussi, de juger de la concordance (ou discordance) entre les différents résultats et conduire à une évaluation des méthodes.

4.1.1.- Comparaisons des résultats avec la carte de résistivité des eaux de puits

Les valeurs de conductivité des eaux de puits ont été converties en résistivité pour obtenir une carte de résistivité (Fig. 27) afin de faciliter la comparaison avec nos résultats. Les résistivités des eaux de puits de la carte varient entre 16 et 97 ohm.m du Sud vers le Nord-ouest. Il faut noter qu'afin de rester dans le même repère pour une comparaison plus juste, les limites des axes de la Fig. 27 sont celles des cartes de résistivité TDEM. Ce qui montre déjà que les puits, sont presque tous situés dans le périmètre délimité pour l'eau douce avec la porosité de 48% (Fig. 28). Seuls les puits 4, 13 et 14, de résistivité respectives 16.5, 16.4 et 16.6 ohm.m (les plus faibles), ne le sont pas (Annexe 6). Nous rappelons que nous avons choisi une résistivité minimum d'eau de 10 ohm.m (1000uS/cm) pour délimiter ce périmètre d'eau douce. Tous les puits ayant des résistivités supérieures à 10 ohm.m (donc tous les puits du site) devraient donc, tous se retrouver au moins à l'intérieur du périmètre délimité pour l'eau douce à 48% de porosité. Ce qui n'est pas le cas pour les puits 4, 13 et 14. Mais remarquons que

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

l'écart entre la limite (10 ohm.m) et la résistivité moyenne des eaux de ces puits (16.5 ohm.m) n'est pas très important (6.5 ohm.m).

La résistivité la plus élevée des eaux de puits est de 95 ohm.m (puits N° 9, Fig. 28 et Annexe 6). On constate que ce puits est situé dans la zone rouge représentant les résistivités de terrain les plus élevées sur les cartes TDEM. La résistivité la plus élevé sur ces dernières est de 240 ohm.m ce qui correspond avec la loi d'Archie à une résistivité d'eau d'imbibition de 98 ohm.m pour 48% de porosité et de 57 ohm.m pour 32%. 95 ohm.m est plus proche de 98 ohm.m que de 57 hm.m. Ce qui pourrait laisser croire que la porosité de 48% est la plus réaliste bien qu'elle puisse être jugée comme importante comme porosité totale de sable [porosité supérieure à 40% pour les sables dunaires (SERHAU/BUGEAP, 1987) et porosité du continental terminal 40%, SGI (1981) in Boukari (1998)].

Etant dans une logique de précaution lorsqu'il s'agit de déterminer le zonage de la qualité de l'eau, nous préconisons, avant d'autres études futures pour la détermination de la porosité et son éventuelle variation spatiale dans les sables bruns, de considérer 32% de porosité pour le moment. Ceci réduit le périmètre d'implantation des puits mais augmente la marge de « sécurité ».

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

4.1.2.- Comparaison des résultats avec la carte EM34

L'EM34 mesure la conductivité des terrains, nous avons, comme pour la conductivité des eaux de puits, convertis les conductivités en résistivités pour une comparaison plus aisée. Rappelons que la carte EM34 a été réalisée, en travaux pratiques de cours d'hydrogéophysique en saison sèche et sur une superficie plus réduite que la notre, comme le montre la Fig. 29. Ce qui peut induire des différences avec la saison des pluies (période de la mission TDEM)

L'échantillonnage qui a conduit à l'obtention de cette carte a été réalisée avec un écartement de 20m entre les bobines émettrice et réceptrice qui sont restées horizontales et coplanaires. Ce dispositif permet d'investiguer à une profondeur d'environ 15m pour un terrain homogène. Mais la profondeur d'investigation dépend aussi de la structuration du sous-sol comme le montre la Fig. 30. Si la

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

résistivité des terrains est croissante suivant la profondeur (le plus conducteur en surface), la pénétration est faible par rapport à la normale. Mais dans le cas contraire la pénétration est plus forte.

Dans notre cas, les résistivités sont décroissantes de la surface vers la profondeur comme le montre les cartes et les sections. On doit alors croire que la profondeur d'investigation est bien supérieure à 15m. Nous pourrions faire l'hypothèse que l'investigation irait jusqu'aux environs de 20 m de profondeur. Alors ces résistivités seraient donc, beaucoup plus influencées par les résistivités du terrain à 20 m que celles des autres terrains.

Fig. 30 : Schématisation de la variation de la profondeur d'investigation en
fonction de la structuration du sous-sol

On remarque sur la Fig. 29, que les résistivités varient entre 1 et 7 ohm.m. Lorsqu'on observe la carte de résistivité TDEM à 20 m de profondeur, on voit que les résistivités varient, dans la zone EM34, de 0.8 à 6 ohm.m environ (Fig. 31). Ces deux gammes de résistivité sont quasiment semblables. On peut donc dire que les cartes TDEM confirment les valeurs de résistivité représentées par la carte EM34, ce qui pourrait rendre intéressant l'utilisation de l'EM 34 en technique de reconnaissance rapide pour les sables bruns à l'avenir, associé à

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

des sondages TDEM permettant de quantifier les anomalies détectées par l'EM 34. En jouant aussi sur l'écartement des bobines (en le réduisant) voire en utilisant un appareillage de type EM 31, on pourrait probablement mieux connaître les zones les plus potables.

Fig. 31 : Carte de résistivité TDEM à 20m de profondeur localisant la zone de
prospection EM34

4.2.- Avantages et limites de la méthode TDEM à l'issu de l'étude

Après présentation et interprétation des résultats obtenus, nous avons fait certaines remarques. Certaines de nature positive pour les objectifs de l'étude

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

(détection aisée du biseau salé), d'autres auxquelles on s'attendait (zone non-saturé non détectée : à cause de sa résistivité proche de 1000 ohm.m en surface) et d'autres encore (eau saumâtre très peu observée sur les sections de résistivité) qui nous amène à nous poser des questions comme :

- Est-ce que la méthode TDEM ne nous permet pas de détecter convenablement le terrain sable + eau saumâtre ?

A ces questions nous avons choisi d'apporter un élément de réponse à travers une modélisation synthétique. En partant du modèle géoélectrique ci-après inspiré des résultats obtenus (Fig. 32), nous avons varié l'épaisseur du terrain sable + eau saumâtre afin de déterminer l'épaisseur à partir de laquelle ce terrain pourrait être détecté par le TDEM.

Fig. 32 : Modèle géoélectrique considéré pour la modélisation synthétique

La Fig. 33 montre les différentes variations de l'épaisseur du terrain sable + eau saumâtre qui ont été faites soient, 1m, 3m, 5m et 10m. La courbe en bleu représente la résistivité des terrains du modèle synthétique en fonction de la profondeur et en rouge celle des terrains du modèle obtenu après inversion du modèle synthétique. D'après cette modélisation on remarque que le TDEM à travers le modèle d'inversion ne représente le terrain sable + saumâtre que

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

lorsque ce terrain fait au moins 5m d'épaisseur pour un toit situé à 10 m la surface du sol.

Fig. 33 : Détectabilité du terrain sable + eau-saumâtre par le TDEM sur le site

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

CONCLUSION, RECOMMANDATIONS ET PERSPECTIVES

Conclusion

L'étude conduite sur le cordon de sable brun du littoral à l'Ouest de la ville de Cotonou a été menée sur le site test du Laboratoire d'Hydrologie Appliquée (LHA) avec la méthode de prospection géophysique Time Domain Electromagnétism (TDEM). Les principaux résultats sont les suivants :

- La profondeur moyenne du biseau salé par rapport à la surface du sol est de 8 m en moyenne avec un front quasi-vertical en bord de côte. Ce qui confirme, comme ça été dit au début, que le contact eau douce/eau salée (biseau salé) dans les sables bruns, ne devrait pas être aussi profond que l'a dit Géohydraulique (1987), (21 à 81m).

- La lentille d'eau douce a 5 m d'épaisseur en moyenne et a un fond assez plat, le front du biseau salé est presque vertical à l'époque de notre prospection (Juillet).

- Sur la surface prospectée le volume d'eau douce disponible est de 192 000 m3 pour une hypothèse de porosité constante de 32% et de 576 000 m³ pour 48%. Cette estimation n'est valable que pour la saison des pluies car la géométrie de la lentille d'eau douce varie en fonction des précipitations et des prélèvements selon Martin (1970). La porosité considérée ici étant la porosité « totale » et non la porosité « de drainage », le volume d'eau estimée n'est pas forcement totalement mobilisable. Mais, pour des gammes de porosité élevée comme dans notre cas, la porosité de drainage pourrait être proche de la porosité totale.

- La méthode géophysique TDEM utilisée nous a permis de bien détecter le biseau salé sur le site choisi. Par contre, il faudrait que le terrain sable + eau

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

saumâtre ait au moins une épaisseur de 5 m pour qu'il soit détectable par le TDEM selon la modélisation synthétique faite.

- La topographie n'ayant pas été prise en compte du fait du temps imparti pour l'étude, on peut avoir une marge d'erreur de plus ou moins 0.5 à 1m par endoit sur les profondeurs et épaisseurs déterminées.

Pour l'exploitation de l'eau douce sur le site, il est indispensable de ne pas construire d'ouvrages exploités à gros débit pour éviter les remontés d'eau salée. Il est préférable de multiplier le nombre d'ouvrages qui seront exploités à faible débit. Le type d'ouvrage peut aussi bien être des puits busés que des forages à motricité humaine. Ces ouvrages doivent être situés par précaution dans le périmètre délimité pour l'eau douce avec 1000 uS/cm (10 ohm.m) comme limite supérieure de conductivité de l'eau et avec 32% de porosité. La profondeur des ouvrages ne devrait pas dépasser à titre de précaution 6 mètres.

Une étude de suivi temporel de la variation du niveau statique et de l'épaisseur de la lentille d'eau douce serait indiquée pour avoir une estimation de cette variation en fonction des saisons. Les résultats de cette étude pourrait permettre de réglémenter les prélèvements en fonction des saisons.

Une nouvelle étude sur le littoral à travers le prélèvement, dans des fosses, de cylindres de densité apparente est souhaitée pour avoir une porosité des différents terrains et pour vérifier son éventuelle variation spatiale.

Si une étude plus extensive doit se faire vers la latitude des plateaux (au Nord) pour observer l'évolution de l invasion saline, il faudra utiliser des boucles de

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

dimensions plus grandes et étudier les conditions de prospection afin de choisir un dispositif de mesure adéquat pour cette étude.

Pour les infrastructures (hôtels, restaurants, piscines etc.) à venir dans le compte du projet de la route des pêches qui demanderaient bien plus que les réserves qu'offre le milieu, une étude pour vérifier la possibilité d'avoir de l'eau douce dans les aquifères profonds (>100m) est envisageable. Ainsi, il serait possible d'exploiter cet aquifère avec un dédit certainement plus important que celui des puits. Autrement, une adduction d'eau à partir des installations de la SONEB serait une solution alternative.

A l'avenir, l'utilisation conjointe de technique de prospection rapide (par exemple EM34) couplée à du TDEM pour détecter les anomalies, permettrait une reconnaissance rapide des ressources en eau douce du cordon littoral. La quantification de ces ressources ne pourra se faire qu'avec l'application de la méthode de résonance magnétique des protons (RMP), seule capable de quantifier la quantité d'eau exploitable en présence. Cette dernière sera en revanche aveugle pour déterminer la salinité de l'eau. La complémentarité de la RMP avec les méthodes de résistivité (par exemple les sondages TDEM ou électriques) serait alors nécessaire.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

BIBLIOGRAPHIE

Archie, G.E., 1941. The electrical resistivity log as an aid in determing some reservoir characteristics. American Institute of Mining Metallurgical and Petreoleum Engenieers. P: 54-62.

Boukari, M., 1998. Fonctionnement du système aquifère exploité pour l'approvisionnement en eau de la ville de Cotonou sur le littoral béninois. Impact du développement urbain sur la qualité des ressources. Thèse de Doctorat d'Etat ès Sciences, Univ. C.A. Diop, Dakar Sénégal. 281 p.

Boukari, M., 2002. Réactualisation des connaissances hydrogéologiques relatives au bassin sédimentaire côtier du Bénin. Rap. DH. Appui à la Gestion des Ressources en Eau (AGRE). Cotonou Bénin.

Boukari, M., Alassane, A., et Azonsi, F., 2009 Evaluation par la méthode DRASTIC de la vulnérabilité de la nappe phréatique de Cotonou (Bénin méridional, Afrique de l'Ouest) Publication : Africa Geoscience Review. Volume 16, Numéro 3.

Descloitres, M., 1998. Les sondages électromagnétiques en domaine temporel (TDEM) : Application à la prospection d'aquifères sur les volcans de Fogo (Cap Vert) et du Piton de le Fournaise (La Réunion). Thèse de Doctorat de l'Université de Paris 6. 238 P.

Fitterman, D.V., Stewart, M.T. 1986. Transient electromagnétic sounding for groundwater. Geophysics, 51 (4): p. 995-1005.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Géohydraulique, 1985. Note explicative de la carte hydrogéologique à 1/200 000 du bassin sédimentaire côtier du Bénin. MET. DH. FED. 23 p. + 1 carte hors texte.

Goldman, M., Arad, A., Kafri, U., Gilad, D., Melloul, A., 1988. Detection of fresh-water / sea-water interface by time domain electromagnetic (TDEM) method in Israel. Natuurwet. Tidjdschr., 70 (published 1989), p. 329-344.

Goldman, M., Gilad, D., Ronen, A., Melloul, A., 1991. Mapping of seawater intrusion into the coastal aquifer of Israel by the time domain electromagnetic method. Geoexploration, 28: p.153-174.

Guiraud, R., 1987. Hydrogéologie de l'Afrique. Laboratoire de géologie dynamique et appliquée, Faculté des Sciences. 36p.

Jackson, P.D., Frischknecht, F.C., Kauahikaua, J., 1978. Three-layer inversions for 18 TDEM soundings in the cone crater area, SW rift zone of Kilauea volcano, Hawaii. USGS Open-File report 87-76.

Keller, G.V., 1988. Rock and mineral properties. In Electromagnetic methods in Applied Geophysics, vol. 1, Nabighian, M., Editor. Society of Exploration Geophysicists.

Laibi, R.A., 2011. Dynamique actuelle d'une embouchure fluviale estuarienne à flèche sableuse, la Bouche du Roi, Bénin, Golfe de Guinée : caractérisation hydrosédimentaire et géomorphologique. Thèse de Doctorat unique. L'UAC et l' Université doctoral Côte d'opale. 291p.

Lang, J., Paradis, G., et Oyédé, L. M., 1988. Le domaine margino-littoral du Bénin (Golfee de Guinée-Afrique de l'Ouest) : âge holocène et mise en place marine des « sables jaunes ». Journal of African Earth Sciences, Vol. 7, N° 5/6.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Le Barbé, L., Alé, G., Millet, B., Borel, Y., Gualde, R., 1993. Les ressources en eau superficielles de la République du Bénin. Orstom éditions, Institut Français de Recherche Scientifique pour le Développement en Coopération, Paris, Direction de l'Hydraulique du Bénin, Cotonou.

Maliki, R., 1993. Étude hydrogéologique du littoral béninois dans la région de Cotonou (A.O.). Thèse de Doctorat du 3ème cycle. UCAD ; Dakar, Sénégal. 162 p.

Martin, A., 1970. Les nappes de la presqu'île du Cap Vert (République du Sénégal). Publication B.R.G.M.

Oyédé, L. M., 1991. Dynamique sédimentaire actuelle et messages enregistrés dans les séquences quaternaires et néogènes du domaine margino-littoral du Bénin (Afrique de l'Ouest). Thèse de Doctorat es-Sciences. Université de Bourgogne et Université Nationale du Bénin.

SERHAU-BURGEAP, (1987). Expérimentation sur l'assainissement à Cotonou : potentialité d'infiltration dans le sol. FAC, France, MET, Bénin

Tatest, J. P., 1977. Les formations sédimentaires quaternaires à actuelles du littoral du Togo et de la République Populaire du Bénin. Recherches française sur le quaternaire. Supplément au bulletin AFEQ, 1977 - 19.

Union Européenne, 1998. Directive du conseil 98/83/EC sur la qualité de l'eau attendue pour la consommation humaine. Directive adoptée le 3 Novembre 1998.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

ANNEXES

Annexe 1: Tableau des données d'interprétation 1D obtenues à partir des courbes de résistivité en fonction du temps (données importées du logiciel d'interprétation TEM-RES avec : résistivité des terrains en

Annexe 3 : Cartes de résistivité par profondeur avec essai de délimitation des

interfaces des eaux j
Annexe 4 : Sections de résistivité par profil avec essai de délimitation des

interfaces des eaux m
Annexe 5 : Description lithologique du sondage (piézomètre) de Togbin-plage

faite par Maliki, (1993) n
Annexe 6 : Tableau d'informations sur les puits et sur la conductivité

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine temporel (TDEM) sur un site test à Togbin (Bénin) ALLE C.

Annexe 1: Tableau des données d'interprétation 1D obtenues à partir des courbes de résistivité en fonction du temps (données importées du logiciel d'interprétation TEM-RES avec : résistivité des terrains en ohm.m et épaisseur des terrains en m)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 2 : Interprétation 1D des profils réalisés Annexe 2.1 : Interprétation 1D du profil 1 (14 sondages).

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 3 : Cartes de résistivité par profondeur avec essai de délimitation des interfaces des eaux

Annexe 3.1 : Cartes de résistivité à 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m et 8m de profondeur.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 3.2 : Cartes de résistivité à 9m, 10m, 15m, 20m, 25m, 30m, 35m et 40m de profondeur.

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 3.3 : Variogrammes utilisés pour la réalisation des cartes de résistivité TDEM




						Pour la carte de 9m
		Pour les cartes de 1m à 8m






						Pour les cartes de 25m à 40m
		Pour les cartes de 10m à 25m

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 4 : Sections de résistivité par profil avec essai de délimitation des interfaces des eaux

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 5 : Description lithologique du sondage (piézomètre) de Togbin-plage faite par Maliki, (1993)

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine

Annexe 6 : Tableau d'informations sur les puits et sur la conductivité (résistivité) des eaux de lagune de puits et de mer

Numéros de puits	Coordonnées X (m)	Coordonnées Y (m)	Conductivités (uS/cm)	Résistivités (ohm.m)	Niveaux statiques (m)
1	424935	702082	248	40.3	2.8
2	424971	701813	436	22.9	1.9
3	424874	701842	451	22.2	2.3
4	424890	701751	605	16.5	2.7
5	424756	701839	332	30.1	2.7
6	424732	701896	240	41.7	2.95
7	424707	701895	357	28.0	3
8	424770	702008	149	67.1	3.1
9	424717	702072	106	94.3	3.1
10	424719	702115	179	55.9	2.9
11	424630	702093	147	68.0	2.75
12	424625	702024	199	50.3	3.15
13	424676	701813	611	16.4	2.75
14	424672	701852	601	16.6	2.3
15	424849	701822	511	19.6	2.25
16	425079	701853	476	21.0	2.3
17	425006	701902	356	28.1	3.8
Moyenne	/	/	353	37.6	2.8

Eau de lagune	/	/	4540	2.2	/
Eau de mer	/	/	54700	0.18	/

Etude de l'invasion saline dans l'aquifère côtier du quaternaire : Application de l'électromagnétisme en domaine