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Hydrogéophysique à l’échelle du petit bassin versant de La Soutte
No full textCette thèse s’intéresse à l’étude hydrogéophysique d’un petit bassin versant vosgien La Soutte
à travers des prospections géophysiques et des développements méthodologiques concernant
le suivi hydrogéophysique. Un suivi du potentiel spontané sur une période de plus de deux ans
met en évidence des variations importantes du potentiel qui sont cependant difficiles à
interpréter actuellement en terme de dynamique d'écoulements. La mesure en continu des
variations de température du sous-sol a permis de caractériser les variations du contenu en eau
du sous-sol et de caractériser l'épaisseur maximale de la zone non saturée égale à 15 cm.
Enfin, la tomographie de résistivité a été utilisée pour caractériser le transport d’un panache
de sel dans le sous-sol (20 cm/jour) d'une zone saturée du site. Une loi d'Archie calibrée par
des mesures in situ permet de calculer les concentrations en sel qui sont comparables à celles
obtenues par modélisation hydraulique du transport du sel.This thesis concerns the hydrogeophysical study of a small water catchment called La Soutte
through different geophysical prospecting methods and methodological developments
concerning hydrogeophysical monitoring (i.e., the time monitoring of physical parameters and
properties related to underground flows). Streaming potential monitoring over a period of two
years shows strong potential variations which are however difficult to interpret in term of
flows dynamic. The continuous measurement of underground temperature variations allowed
to characterize variations of soil water content and to characterize the maximal vadose zone
thickness equal to 15 cm. Finally, resistivity tomography was used to characterize the
transport of a salt plume in the ground (20 cm/day) in a saturated zone of the site. An Archie's
law calibrated by in situ measurements allows to calculate salt concentrations that are
comparable to those obtained by hydraulic (diffusive-advective) modelling of salt migration
Methodological developments in high-resolution geophysics for the hydro-mechanical characterization of clayey landslides
No full textCe projet de recherche répond à l'objectif d'améliorer notre connaissance des processus élémentaires contrôlant le comportement hydrologique post-rupture des glissements de terrain argileux, afin de pouvoir comprendre, reproduire et éventuellement prévoir leur comportement par des modèles hydromécaniques adaptés. Ce travail consiste à améliorer et développer des méthodes de traitement et d'interprétation de paramètres géophysiques en milieu argileux et hétérogène. Les objectifs principaux de ce travail sont : 1. D'améliorer des méthodes géophysiques et géodésiques de mesure de la déformation et de la géométrie interne des glissements. 2. De caractériser les relations possibles entre géométrie et structure interne du glissement. 3. De développer et améliorer des méthodes de détection et d'imagerie des circulations préférentielles de fluide dans un milieu fissuré et déformable. 4. De caractériser temporellement et spatialement les réponses hydrologiques du versant. Un algorithme d'inversion haute-résolution des temps de premières arrivées est développé. Il utilise les volumes de Fresnel pour rétropropager les résidus ainsi que l'hypothèse d'un signal source de bande-passante finie et permet de retrouver une image haute-résolution de la structure du glissement. L'atténuation sismique des ondes-P est également inversée pour retrouver la distribution des zones fissurées en surface. Des méthodes photogrammétriques sont utilisées pour caractériser et quantifier les déformations de surface. Une méthode alternative à la corrélation d'image est développée, fondée sur la détection et le suivi de cibles. Le lien entre les variations de régime de déformation le long du profil, et l'existence de fissures en surface est finalement discuté. Les informations précédentes sont ensuite intégrées dans un modèle géométrique par une méthode de fusion de données. Par la modélisation numérique, nous vérifions si l'état de contrainte calculé peut être en rapport avec la distribution de la fissuration en surface. Une méthode de correction de l'effet géométrique des fissures sur les résistivités apparentes est développée. Différents types d'artefacts d'inversion liés à la présence de fissure sont identifiés et la capacité de la méthode proposée à réduire ces artefacts est testée. Une méthodologie de sélection et de traitement des données ERT time-lapse acquises sur une période d'un an est développée. La réponse électrique courte (de quelques heures à quelques jours) aux évènements pluvieux naturels est ensuite analysée pour proposer des modèles conceptuels de réponse hydrologique à ces évènements pluvieux.The objective of this research project is the improvement of our knowledge of the elementary processes controlling the post-rupture hydrological behavior of clayey landslides. It should allow understanding, reproducing and possibly forecasting their behaviors by the use of adapted hydro-mechanical models. This work consists in the improvement and the development of geophysical parameters processing and interpretation methodologies in clayey and heterogeneous medium. The main objectives of this work are : 1. The improvement of geophysical and geodesic methods to measure the internal geometry and structure of the landslide. 2. The characterization of possible relationships between landslide internal geometry and structure, presence of discontinuities, slope hydrology and deformations. 3. The development and improvement of methodology for the detection and imaging of preferential flows in a fissured and deformable medium. 4. The spatial and temporal characterization of the hydrological response of the slope. A high resolution inversion algorithm of the first seismic arrivals is developed. It uses the Fresnel volumes for the retropropagation of the residuals and the assumptions of a finite-bandwidth source signal. It permits to recover a high resolution image of the internal structure of the landslide. The seismic P-wave attenuation is also inverted to characterize surface fissured zones. Photogrammetric methods are used to characterize and quantify the surface deformations. A method alternative to image correlation is developed, based on the target detection and tracking. The link between changes in deformation regime along the profile and the existence of surface fissures is finally discussed. The previous data are integrated inside a geometric model trough data fusion. Using numerical modeling, we verify if the state of stress computed is related to the surface fissure density distribution. A methodology of correction of the geometrical effect of fissures on apparent resistivity is developed. Different types of inversion artefacts, linked to the presence of surface fissures, are identified. The ability of the proposed method to limit this artifact is tested. A methodology of selection and processing of the time-lapse ERT data is developed. The short electrical response (from several hours to several days) to natural rainfall events is analyzed and conceptual hydrological responses to these rainfall events are proposed
Methodology for airborne electromagnetic imaging
No full textCe travail de thèse apporte des éléments méthodologiques pour l'interprétation rapide de données électromagnétiques transitoires (TEM) aéroportées. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au problème de l'inversion 1D qui est, à ce jour, un traitement standard. Nous nous sommes ensuite focalisés sur le problème de l'inversion 2D rapide. En nous basant sur les résultats de modélisations numériques, nous proposons un modèle empirique de sensibilité pour effectuer une inversion 2D rapide. Les tests effectués sur des données synthétiques et réelles s'avèrent très prometteurs. Ensuite, nous étudions analytiquement l'effet de la topographie. Pour un demi-espace homogène incliné, nous montrons que la direction des courants induits dans le sous-sol dépend de l'angle de l'interface air/sol. Nous proposons alors une méthode pour prendre en compte cet effet. Enfin, nous testons nos méthodes de traitement sur des données VTEM acquises dans le bassin de Franceville au Gabon.This PhD work provides methodological tools for the fast interpretation of airborne transient electromagnetic data (ATEM). As our first step, we focused on the problem of 1D ground imaging, which is currently a standard treatment. Then, we focused on the fast 2D imaging problem. We proposed an empirical sensitivity function that allows fast 2D inversion. The results of the 2D empirical inversion when applied on both synthetic and real data sets are very promising. In the third part, we analyzed the effect of topography on the airborne EM data. For an inclined homogeneous half-space, we show that the direction of the ground induced current is parallel to the surface air/ground. Then, we proposed a method to take into account this effect. Finally, the tools developed during this PhD have been applied to a real VTEM data set acquired over the basin of Franceville, in Gabon
Using magnetic observatory data in the framework of magnetotellurics : acquisition, processing, interpretation
No full textDans ce manuscrit, nous développons des méthodologies de détection et caractérisation de sources géomagnétiques et atmosphériques en se basant sur la transformée en ondelettes continues. Les techniques introduites se basent sur les caractéristiques temps-fréquence des ondes observées dans les séries temporelles magnétotelluriques (MT). A partir de ces procédures de détection, nous détaillons l'implémentation d'une stratégie de détermination des fonctions de réponse MT basée sur les statistiques robustes, et du bootstrap hiérarchique pour le calcul des incertitudes. Deux études MT sont également détaillées. La première étude MT concerne la caractérisation de la structure géoélectrique situé sous l'observatoire magnétique de Chambon-La-Forêt, France. La seconde étude concerne des mesures effectuées dans la vallée de Trisuli au Népal en mars 2016. L'objectif de cette campagne est la comparaison avec une étude effectuée en 1996. Nous discutons des effets topographiques sur les sondages MT. Nous présentons également une nouvelle interprétation de la distribution de conductivité dans le sous-sol de vallée de Trisuli.In this manuscript, we detail the application of continuous wavelet transform to processing schemes for the detection and the characterisation of geomagnetic and atmospheric sources. Presented techniques are based on time-frequency properties of electromagnetic (EM) waves observed in magnetotellurics (MT) time series. We detail the application of these detection procedures in a MT processing scheme. To recover MT response functions, we use robust statistics and a hierarchical bootstrap approach for uncertainties determination. Interpretation of two datasets are also presented. The first MT study deals with the caracterisation of the resistivity distribution below the French National magnetic observatory of Chambon-la-Forêt. The second study details the interpretation of new MT soundings acquired in March 2016 in the Trisuli valley, Nepal. The main objective of this campaign was to compare the new soundings with an old campaign in 1996. We discuss topography effects on MT soundings and their implication on the resistivity distribution. We also introduce a new interpretation of the resistivity distribution in Trisuli valley
Time lapse magnetotellurics : application to Piton de la Fournaise volcano
No full textDans ce mémoire, nous avons développé une méthode de Suivi Temporel magnétotellurique (MT) pour une application au Piton de la Fournaise (île de la Réunion) durant la période 1997-1998. Le Suivi Temporel MT consiste en l’estimation successive des résistivités et phases apparentes en un site de mesure à partir d’enregistrements de champ électrique et magnétique. Le signal MT est pollué par le bruit électromagnétique anthropique. En outre, en raison de ses sources naturelles, il contient des évènements transitoires et/ou des composantes liées à des géométries complexes d’ondes électromagnétiques. Ces objets conduisent à des erreurs lors de l’estimation des grandeurs MT. En premier lieu, nous introduisons un nouvel estimateur d’erreur sur les estimations MT, présentons ses résultats sur des données réelles et synthétiques, puis discutons de sa qualité. Cet estimateur est l’outil qui permet le Suivi Temporel. La question de la résolution temporelle de la méthode est alors abordée. Enfin, la crise éruptive de 1998 est analysée par Suivi Temporel MT et présente des variations importantes de résistivité dans l’espace et le temps. La signature d’un conducteur remontant de l’interface croûte océanique/manteau vers le niveau de la mer est mise en évidence durant la crise.In this PHD, we developed a time lapse magnetotellurics (MT) methodology for volcano monitoring at Le Piton de La Fournaise (Réunion island). Time Lapse MT consists in successive estimations of apparent resistivity and phase on a MT site from electric and magnetic recordings. MT signal is polluted by anthropic noise. Because of its natural sources, it contains transient features and/or has signature of electro-magnetic waves with complex geometries. Those features yield errors on MT estimates that can lead to false dynamical interpretation. First, we introduce a new robust error estimator on MT estimates, show its results and discuss its efficiency on synthetic and real data set. This estimator is a key tool for our time lapse study. A discussion is made on the time resolution of the method. Then, the 1998 eruption of le Piton de la Fournaise is analyzed by time lapse MT and shows strong resistivity variations in space and time associated with eruptive crisis. Signature of a conductor migration from the crust/mantle interface to the sea level is shown
Seismo-electromagnetic conversions in porous media
No full textCette thèse s'attache à la compréhension des phénomènes de couplages sismo-électromagnétiques survenant dans des milieux poreux contenant des fluides, ainsi qu'au développement de méthodes d'imagerie géophysique basées sur ces conversions. Deux axes de travail sont investigués. Le premier concerne le traitement des données sismo-électromagnétiques et notamment l'extraction des réponses interfaciales, qui peuvent renseigner sur le sous-sol en profondeur. Nous comparons l'impact de plusieurs méthodes de filtrage sur les amplitudes et les formes d'onde de ces réponses, dont une nouvelle technique de filtrage en domaine des curvelets, qui s'appuie sur les similarités entre les données sismiques et cosismiques. D'autre part, nous étendons la théorie de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques à des milieux partiellement saturés pour le cas d'un mélange air/eau. Nous adaptons un programme de simulation numérique des ondes sismo-électromagnétiques à ces conditions.This thesis aims to improve our understanding of seismo-electromagnetic coupling phenomena occuring in fluid-containing porous media and to develop geophysical imaging techniques based on conversions.Two areas of work are explored. The first encompasses seismoelectromagnetic data processing, especially the extraction of interface responses, which may provide information about the subsurface at depth. We compare the influence of several filtering techniques on the amplitudes and waveforms of the interface responses, among which a new filtering technique in the curvelet domain, taking advantage of the similarity between seismic and coseismic data. Furthermore, we extend the theory for the coupled propagation of seismic and electromagnetic waves here to partially saturated media for the case of a water/air mixture. We adapt a seismoelectromagnetic wave modelling program to these conditions
Hybrid gravity and magnetotellurics monitoring of geothermal reservoirs
No full textL’apport des méthodes micro-gravimétrique et magnétotellurique au suivi de l’évolution temporelle et spatiale des réservoirs géothermiques est étudié dans cette thèse. Un signal gravimétrique différentiel cohérent avec la position des puits de production et d’injection est visible sur le site géothermique stimulé de Soultz-sous-Forêts (France) tandis qu’aucune variation gravimétrique significative n’est observée sur celui de Rittershoffen (France). Sur le site géothermique de Krafla (Islande), une augmentation générale de gravité est visible. Toutefois, une intrusion magmatique masquerait potentiellement l’effet gravimétrique de l’exploitation géothermique. Au niveau du réservoir géothermique de Theistareykir, une diminution de gravité co-localisée avec la zone de production est observée en 2018 et 2019 par rapport à 2017. Elle s’explique par une perte de masse suite au début de production. Entre 2017 et 2018, une augmentation de résistivité électrique apparente est aussi visible sur ce même site. Ce changement transitoire pourrait traduire une augmentation de la phase vapeur au sein d’une faille d’orientation EO. Toutefois, elle suppose que la méthodologie de correction de l’orientation des sondes magnétiques et des dipôles électriques développée dans cette thèse soit exacte.We study the contribution of the micro-gravity and magnetotellurics methods to the monitoring of the spatial and temporal evolution of the geothermal reservoirs. A differential gravity signal, consistent with the position of injection and production wells, appears on the Soultz-sous-Forêts enhanced geothermal system (France) whereas no significant gravity variations are observed on the one of Rittershoffen. At the Krafla geothermal field (Iceland), a general gravity increase is observed. However, a magmatic intrusion would hide the potential effect of the geothermal production. Concerning the Theistareykir geothermal reservoir, a gravity decrease occurred in the production area in 2018 and 2019 with respect to 2017. It could be explain by a loss of mass following the beginning of the production. Between 2017 and 2018, an electrical resistivity increase is measure on the same geothermal field. This punctual change would be due to an increase of the vapour phase in an EW fault. However, this interpretation assumes that the methodology to correct the orientation of the magnetic coils and the electric dipole described in this thesis is right
Comment on "Self-potential signals associated with preferential groundwater flow pathways in sinkholes by A. Jardani, J. P. Dupont, and A. Revil
No full textInternational audienceJardani et al. [2006a] (hereinafter referred to as JDR)present a self-potential survey showing circular anomaliesassociated with shallow sinkholes in a chalk karst. Theyperform various finite element modelings and data analysis,and, in particular, use a three-dimensional (3-D) version ofthe so-called dipole occurrence probability (DOI) tomography[Iuliano et al., 2002a]
Suivi temporel magnétotellurique (Application à un réservoir volcanique)
No full textDans ce mémoire, nous avons développé une méthode de Suivi Temporel magnétotellurique (MT) pour une application au Piton de la Fournaise (île de la Réunion) durant la période 1997-1998. Le Suivi Temporel MT consiste en l estimation successive des résistivités et phases apparentes en un site de mesure à partir d enregistrements de champ électrique et magnétique. Le signal MT est pollué par le bruit électromagnétique anthropique. En outre, en raison de ses sources naturelles, il contient des évènements transitoires et/ou des composantes liées à des géométries complexes d ondes électromagnétiques. Ces objets conduisent à des erreurs lors de l estimation des grandeurs MT. En premier lieu, nous introduisons un nouvel estimateur d erreur sur les estimations MT, présentons ses résultats sur des données réelles et synthétiques, puis discutons de sa qualité. Cet estimateur est l outil qui permet le Suivi Temporel. La question de la résolution temporelle de la méthode est alors abordée. Enfin, la crise éruptive de 1998 est analysée par Suivi Temporel MT et présente des variations importantes de résistivité dans l espace et le temps. La signature d un conducteur remontant de l interface croûte océanique/manteau vers le niveau de la mer est mise en évidence durant la crise.In this PHD, we developed a time lapse magnetotellurics (MT) methodology for volcano monitoring at Le Piton de La Fournaise (Réunion island). Time Lapse MT consists in successive estimations of apparent resistivity and phase on a MT site from electric and magnetic recordings. MT signal is polluted by anthropic noise. Because of its natural sources, it contains transient features and/or has signature of electro-magnetic waves with complex geometries. Those features yield errors on MT estimates that can lead to false dynamical interpretation. First, we introduce a new robust error estimator on MT estimates, show its results and discuss its efficiency on synthetic and real data set. This estimator is a key tool for our time lapse study. A discussion is made on the time resolution of the method. Then, the 1998 eruption of le Piton de la Fournaise is analyzed by time lapse MT and shows strong resistivity variations in space and time associated with eruptive crisis. Signature of a conductor migration from the crust/mantle interface to the sea level is shown.STRASBOURG-EOST (674822249) / SudocSudocFranceF
Méthodologie d'interprétation en électromagnétisme aéroporté
No full textCe travail de thèse apporte des éléments méthodologiques pour l'interprétation rapide de données électromagnétiques transitoires (TEM) aéroportées. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés au problème de l'inversion 1D qui est, à ce jour, un traitement standard. Nous nous sommes ensuite focalisés sur le problème de l'inversion 2D rapide. En nous basant sur les résultats de modélisations numériques, nous proposons un modèle empirique de sensibilité pour effectuer une inversion 2D rapide. Les tests effectués sur des données synthétiques et réelles s'avèrent très prometteurs. Ensuite, nous étudions analytiquement l'effet de la topographie. Pour un demi-espace homogène incliné, nous montrons que la direction des courants induits dans le sous-sol dépend de l'angle de l'interface air/sol. Nous proposons alors une méthode pour prendre en compte cet effet. Enfin, nous testons nos méthodes de traitement sur des données VTEM acquises dans le bassin de Franceville au Gabon.This PhD work provides methodological tools for the fast interpretation of airborne transient electromagnetic data (ATEM). As our first step, we focused on the problem of 1D ground imaging, which is currently a standard treatment. Then, we focused on the fast 2D imaging problem. We proposed an empirical sensitivity function that allows fast 2D inversion. The results of the 2D empirical inversion when applied on both synthetic and real data sets are very promising. In the third part, we analyzed the effect of topography on the airborne EM data. For an inclined homogeneous half-space, we show that the direction of the ground induced current is parallel to the surface air/ground. Then, we proposed a method to take into account this effect. Finally, the tools developed during this PhD have been applied to a real VTEM data set acquired over the basin of Franceville, in Gabon.STRASBOURG-Bib.electronique 063 (674829902) / SudocSudocFranceF
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