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Un aquifère karstique en République Dominicaine (Bayahibe, République Dominicaine, 2008). © BRGM - Christophe Rigollet

Une exploration géophysique multiméthodes pour détecter et caractériser des karsts

22.07.2016
À la demande du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), le BRGM a conduit une investigation par couplage multi-méthodes géophysiques en vue d'identifier les conduits karstiques conditionnant les écoulements souterrains sous son site industriel de Gramat (Lot). Trois méthodes géophysiques complémentaires, sensibles à des propriétés différentes du milieu, ont été déployées de façon originale pour une recherche efficace de cavités karstiques.

A Gramat, afin de mieux maîtriser les risques potentiels liés à la présence d'un réseau karstique souterrain, le CEA a commandé au BRGM une étude visant à compléter la connaissance géologique du site, via la détection et la caractérisation du système karstique souterrain, en particulier les conduits actifs avec écoulements, de l'amont à l'aval.

"Des investigations spéléologiques avaient été réalisées, explique Thomas Jacob, co-responsable du projet, mais elles étaient limitées à l'amont du site et ne pouvaient donc répondre totalement aux questions posées sur l'ensemble du réseau. L'option d'un couplage de plusieurs méthodes géophysiques, selon des techniques non-invasives déployées depuis la surface, a donc été retenue. Nous avons débuté en 2014, en combinant sismique réflexion et réfraction avec tomographie électrique sur les conduits déjà identifiés par les spéléologues, afin de caler la méthodologie d'investigation."

Les tests ayant montré la validité de cette combinaison de techniques, le BRGM s'est intéressé, en 2015, à l’aval non exploré du système, soit une surface investiguée d'environ 1 km2.

Mesures gravimétriques et localisation par GPS différentiel sur le site CEA de Gramat. © BRGM

Mesures gravimétriques et localisation par GPS différentiel sur le site CEA de Gramat. © BRGM

Sismique, tomographie électrique et gravimétrie

"Nous avons déployé trois méthodes complémentaires qui s'intéressent à des propriétés différentes du milieu, poursuit T. Jacob, en ajoutant la gravimétrie aux deux méthodes utilisées en première phase. La sismique réfraction et la sismique réflexion, fondées sur la propagation des ondes via de petites explosions ou des chocs physiques enregistrés par un réseau de géophones, nous permettent d'établir une coupe verticale du sol jusqu'à 400 m de profondeur environ, grâce aux différentes vitesses de propagation des ondes, révélatrices de l'état de la roche, altérée, karstifiée… On a ainsi une première approche de la structure et des variations des propriétés mécaniques dans le sous-sol."

La tomographie électrique, pour sa part, fondée sur la propagation de l'électricité dans le sol via l'implantation d'électrodes sur le linéaire investigué, propose une image en résistivité du sous-sol, liée aux variations induites par la teneur en eau, l’altération, la lithologie, etc.

La gravimétrie, enfin, étudie avec un gravimètre - ici utilisé tous les 50 mètres, avec localisation par GPS - la variation du champ de pesanteur, influencée par la répartition des masses dans le sous-sol.

Des résultats très probants

Chiffre clé

"Combinés au sein d'un SIG, explique T. Jacob, les différents résultats ont relevé de fortes anomalies suivant l’axe des principaux gouffres du site et révèlent la continuité d’une partie du système karstique en aval du site industriel. Sur cet axe, l’anomalie géophysique la plus significative décelée par nos méthodes, a été confirmée par un forage, recoupant une cavité vide de grandes dimensions et plusieurs petits vides ou passages argileux plus en profondeur."

Les contributions complémentaires des trois méthodes valident l’intérêt de l’approche combinée utilisant sismique, électrique et gravimétrie pour l’investigation de cibles complexes telles que les systèmes karstiques. Les résultats sont très concluants pour le réseau karstique supérieur (jusqu’à 50 m), mais devront être complétés pour mieux caractériser les anomalies détectées à grande profondeur (150 m) qui ciblent le réseau karstique inférieur, noyé.

Localisation et caractérisation du système karstique supérieur. © BRGM

Localisation et caractérisation du système karstique supérieur par :
1) la carte d’anomalie gravimétrique (nappant la surface topographique) : l’axe léger NO-SE, en bleu, révèle la continuité du système karstique à l’aval
2) la coupe verticale de vitesse sismique réfraction cerne le massif rocheux de faible caractéristique mécanique (anomalie de faible vitesse en vert)
3) l’anomalie conductrice C1’’ issue de la tomographie électrique (non présentée) définit une zone d’infiltration altérée, oblique débouchant au toit de la cavité karstique. Résultats confirmés par forage de contrôle : le contour de la cavité déterminée par sonar en forage est dessiné en rouge.
© BRGM

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