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L'eau souterraine localisée grâce à ses protons

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L'eau douce représente 3 % des eaux du globe, dont une partie est immobilisée dans les aquifères profonds. Dans le contexte des terrains qui les abritent, souvent accidentés et hétérogènes, le taux d'échec des forages implantés d'après les seules connaissances hydrogéologiques reste important. Les géophysiciens de l'IRD disposent aujourd'hui d'une méthode de caractérisation des aquifères : la résonance magnétique protonique ou RMP, qui permet de localiser précisément les nappes d'eau et d'appréhender l'organisation physique de la roche qui les entoure.

L'intérêt de cette technique très fiable est sa capacité à détecter les paramètres liés uniquement à l'eau et non à l'ensemble eau-roche. Des essais ont été conduits dans différents contextes géologiques, dont celui tout à fait particulier du karst.

Dans les régions arides du globe, les ressources en eau se limitent bien souvent aux nappes souterraines. Leur prospection depuis la surface s'avère difficile en raison du contexte géologique souvent complexe et hétérogène et le taux d'échec des forages mis en place reste important. Comment détecter l'eau et estimer si elle se présente en quantité suffisante pour qu'un forage puisse être envisagé de manière fiable ?

 Les géophysiciens de l'IRD disposent d'une méthode de détection des nappes d'eau souterraines par des sondages de Résonance Magnétique Protonique (RMP), mise au point par les équipes du BRGM en collaboration avec différents partenaires. Cette technique géophysique repose sur le même principe physique que la Résonance Magnétique Nucléaire, largement utilisée par les chimistes, les médecins et les pétroliers. Son application récente à la recherche d'eau en sous-sol permet de détecter la présence des nappes à partir de la surface du sol et de les localiser précisément en profondeur. Elle a montré son efficacité et sa fiabilité dans le contexte des terrains homogènes comme le sable et les argiles.

 Le principe de la RMP repose sur l'analyse du signal de résonance des noyaux d'hydrogène (ou protons) contenus dans les molécules d'eau en réponse à un signal électromagnétique de fréquence donnée. Le signal d'impulsion est créé par la circulation, dans un câble disposé en boucle au sol, d'un courant très puissant, pouvant atteindre plusieurs centaines d'ampères et produit par une tension électrique de plusieurs milliers de volts. Il crée un champ magnétique qui modifie l'équilibre énergétique des protons des molécules d'eau présentes dans le sous-sol. La coupure du courant au bout d'un temps bref - quelques dizaines de millisecondes - provoque un retour à l'équilibre des protons qui renvoient alors un signal de relaxation sous la forme d'un champ électromagnétique. Celui-ci, souvent faible, correspond à une différence de potentiel mesurable, de l'ordre de quelques nanovolts. Son amplitude est directement proportionnelle à la quantité d'eau présente dans le sol. Le temps mis par ce même signal pour disparaître (le temps de décroissance) fournit des indications sur l'environnement direct des nappes : il est d'autant plus long que les protons sollicités sont ceux d'une eau peu enserrée dans la roche, donc d'une nappe à potentiel hydrodynamique élevé garantissant un débit suffisant au pompage.

L'intérêt majeur de cette méthode est sa fiabilité, car le signal provient directement et uniquement des molécules d'eau. L'interprétation hydrogéologique des signaux enregistrés est ainsi plus sûre qu'avec les outils classiques d'analyse géophysique des sols (mesure de la résistivité, méthodes électromagnétiques, sismiques...), pour lesquels les paramètres mesurés ne concernent pas directement l'eau souterraine mais l'ensemble du milieu poreux, c'est-à-dire l'eau plus la roche. La méthode de prospection par RMP vient ainsi compléter la gamme des outils mis à disposition des géophysiciens et des hydrogéologues pour améliorer la perception du milieu souterrain, localiser précisément les nappes d'eau, estimer leur potentiel hydrodynamique et appréhender l'organisation physique de la roche qui les entoure.

 Des essais ont été réalisés dans différents contextes géologiques dans des régions sahéliennes ou arides où les seules ressources en eau sont souterraines, et en France. Les chercheurs ont testé la méthode sur un site karstique - le site du Lamalou, dans l'Hérault - où la roche calcaire altérée s'organise en un système de cavités et de conduits dans lesquels l'eau circule. Le couplage de la RMP à des mesures de résistivité du terrain a permis de localiser en profondeur les aquifères. La méthode établie dans le contexte des sols karstiques peut donc d'ores et déjà être employée dans les régions du monde où l'on retrouve majoritairement ce type de sols : le pourtour méditerranéen et le Moyen-Orient. Les recherches se poursuivent afin d'élargir le champ d'application de la RMP et l'étendre à différents contextes géologiques, tels les socles de granite altérés du Burkina Faso.

Les photographies présentées montrent les différentes expériences menées par les géophysiciens de l'IRD avec le système RMP (© IRD/Vouillamoz, Jean-Michel)

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