2.2.5 Levés gravimétriques
Conception des levés géophysiques
La collecte de mesures géophysiques se fait sur des grilles uniformes qu’on met en place sur le terrain.
À petite échelle, par exemple en archéologie (quelques dizaines de mètres), la grille de mesure peut être définie localement avec des rubans à mesurer. Si on connait les coordonnées exactes d’un coin de la grille on est en mesure de positionner le reste des stations. En génie civil, il est commun d’utiliser des méthodes d’arpentage optique pour définir la grille.
À grande échelle, par exemple pour des levés d’exploration minérale souvent réalisés dans la forêt boréale au Québec, on utilise une combinaison d’instruments GPS et de rubans à mesurer pour positionner correctement chaque station de la grille. Finalement, dans le cas des levés régionaux et aéroportés, la plupart des instruments sont équipés de GPS qui permettent de mesurer la position en même temps que le champ physique.
Grilles de mesure
La Figure 1 montre deux façons de définir les stations de mesures géophysiques sur un maillage.
Figure 1. (A) Grille géophysique dont les stations sont sur les nœuds de la grille. (B) Grille géophysique dont les stations sont au centre des mailles.
On peut procéder à la collecte des mesures sur les nœuds de la grille (Figure 1A) ou encore au milieu des mailles (Figure 1B). Les deux méthodes sont équivalentes, et dans les deux cas la résolution du levé est définie par l’espacement entre les stations ($\Delta x$, $\Delta y$). L’espacement n’est pas nécessairement le même dans la direction est-ouest que dans la direction nord-sud. De façon plus générale, une grille géophysique n’est pas limitée à la projection orthogonale est-ouest et nord-sud. Elle peut être définie dans n’importe quelle orientation.
Traverses et échantillons
En pratique, il est utile de définir des lignes (ou traverses) de mesures, sur lesquelles on va recueillir des échantillons. Les lignes sont orientées de façon à être perpendiculaires aux anomalies anticipées. Pour cette raison, le pas entre les échantillons est habituellement plus petit que le pas entre les traverses (Figure 2). On verra plus en détail la signification du pas d’échantillonnage dans le chapitre sur l’analyse spectrale.
Figure 2. Schéma montrant le concept de traverse et d’échantillon.
Stations et lignes de base
Les stations sur les grilles de mesures géophysiques doivent être reliées à au moins une station de base (Figure 3A). La position de la station de base doit être fixée dans un endroit facile d’accès. Celle-ci sert à monitorer les faibles variations de la gravité mesurée qui peuvent être causées par la force de marée ou encore la dérive (i.e. la «fatigue») du gravimètre. En retournant effectuer une mesure de la gravité à la station de base de façon régulière pendant un levé gravimétrique, on s’assure d’avoir des valeurs de références auxquelles ramener les mesures pour les mettre sur un même pied d’égalité.
Pour des raisons logistiques, il peut être utile d’utiliser une ligne de base (Figure 3B) constituée de plusieurs stations de bases. Cela évite d’avoir à parcourir de grandes distances pour sortir de la grille.
Figure 3. (A) Schéma montrant une station de base ($S_\mathrm{B}$) à l’extérieur de la grille. (B) Schéma montrant une ligne de base ($L_\mathrm{B}$) au milieu de la grille.
Trajet de mesure
Pour des raisons évidentes, il est plus pratique de parcourir la grille en faisant un chemin en «S» ou en zig-zag, tel que montré à la Figure 4. Notez que de cette façon si la ligne de base est située au centre du levé on va y retourner naturellement de façon périodique.
Figure 4. (A) Schéma montrant le trajet à prendre pour visiter toutes les stations de la grille. (B) Schéma montrant comment ne pas procéder.
Numérotation des stations
Dans un levé local, le long de traverses bien définies, les points de mesure portent habituellement le numéro de la traverse et un numéro indiquant la progression sur celle-ci.
Exemples :
- la station «02+09» serait la neuvième station sur la traverse deux
- la station «10N-04W» qui serait la station située à 4 unités vers l’ouest par rapport à la station de référence (station «00-00») sur la ligne à 10 unités par rapport à la ligne de référence (ligne 00).
Dans un levé régional (par exemple pour toute la Gaspésie) les points de mesure pourraient être identifiés par leur longitude et leur latitude.
Anomalie de Bouguer
Il y a une multitude de facteurs externes (autres que la géologie) qui affectent les données gravimétriques. En effet, les valeurs de l’accélération gravitationnelle mesurées à chaque station d’un levé gravimétrique ne sont généralement pas interprétables telles quelles. Par exemple, les lectures brutes sont souvent très corrélées avec la topographie de la région d’intérêt. De plus, on remarque que les lectures ont tendance à dévier sur de grands intervalles de temps à cause de la force de marée et de la dérive de l’instrument. Une lecture obtenue le matin à la station B pourrait être différente de la valeur mesurée 8 heures plus tard au même endroit exactement.
Pour qu’une interprétation géologique ou géotechnique d’un levé gravimétrique soit valable, il faut absolument corriger les données pour compenser toutes les variations qui ne sont pas attribuables aux propriétés physiques des roches. Ces autres sources de variations incluent la dérive de l’instrument, les forces de marée, les changements d’altitude, les changements de latitude, la topographie.
Le signal corrigé de tous ces effets s’appelle l’anomalie de Bouguer. L’anomalie de Bouguer est la réponse gravimétrique uniquement attribuable aux hétérogénéités de densité du sous-sol.
On dénotera $\Delta g_\mathrm{B}$ l’anomalie de Bouguer. Celle-ci est obtenue en appliquant toutes les corrections au signal mesuré, dénoté $\Delta g_\mathrm{obs}$, tel que
\[\Delta g_\mathrm{B} = \Delta g_\mathrm{obs} + \Delta g_\mathrm{D} + \Delta g_\mathrm{L} + \Delta g_\mathrm{A} + \Delta g_\mathrm{P} + \Delta g_\mathrm{T} + \Delta g_\mathrm{E}\]où
- $\Delta g_\mathrm{D}$ est la correction de dérive et de marée
- $\Delta g_\mathrm{L}$ est la correction de latitude
- $\Delta g_\mathrm{A}$ est la correction d’altitude
- $\Delta g_\mathrm{P}$ est la correction de plateau
- $\Delta g_\mathrm{T}$ est la correction topographique
- $\Delta g_\mathrm{E}$ est la correction d’Eötvös
Nous verrons chaque correction en détail dans la section sur les corrections gravimétriques.
Présentation des données
Les données gravimétriques qu’on présente à un client sont habituellement réduites à l’anomalie de Bouguer, c’est-à-dire qu’elles ont été corrigées pour tous les effets externes et représentent seulement la contribution des contrastes de densité dans le sol. Il existe trois façons évidentes de présenter l’anomalie de Bouguer : sur des profils (1D), en forage (1D), ou sur des cartes (2D).
Prenons par exemple le modèle pétrophysique simplifié présenté à la Figure 5.
Figure 5. Modèle pétrophysique composé de deux sphères offrant des contrastes de densité opposés. À gauche : vue en section verticale. À droite : vue en section horizontale.
Ce modèle contient deux sphères situées à une profondeur de 50 m et espacées d’une distance de 100 m. La sphère de gauche offre un contraste de densité positif par rapport au milieu encaissant et la sphère de droite un contraste négatif. On suppose qu’on a réalisé un levé de gravimétrie sur une grille au-dessus de ce modèle, à $z =0$ m. L’anomalie de Bouguer peut être présentée le long du profil $y = 0$ m, ou encore sur une carte.
Profil gravimétrique
L’accélération gravitationnelle mesurée le long du profil $y = 0$ m est présentée à la Figure 6. On remarque que l’anomalie est positive au-dessus de la sphère de contraste de densité positif et négative au-dessus de la sphère de contraste de densité négatif.
Figure 6. Réponse gravimétrique le long du profil $y=0$ m telle qu’elle aurait été mesurée au-dessus du modèle pétrophysique de la Figure 5.
Carte gravimétrique
L’accélération gravitationnelle mesurée sur toute la surface ($x, y$) est présentée à la Figure 7. On remarque que l’anomalie est positive au-dessus de la sphère de contraste de densité positif et négative au-dessus de la sphère de contraste de densité négatif. Les deux anomalies sont antisymétriques. Chaque pixel dans l’image correspond à une station de mesure.
Figure 7. Réponse gravimétrique sur la surface ($x, y$) tel qu’elle aurait été mesurée au-dessus du modèle pétrophysique de la Figure 5.
Choix de l’échelle de couleurs 🎨
Les scientifiques utilisent souvent une échelle de couleurs de type rainbow ou jet pour présenter des données. Même si la plupart des logiciels de traitement des données géophysiques utilisent ces échelles par défaut, il s’agit généralement d’un mauvais choix, car nos yeux sont facilement trompés par les forts contrastes entre les teintes de couleurs vertes et oranges. Voyez dans la Figure 8 une comparaison entre l’échelle jet et une échelle perceptuellement uniforme comme magma.
Figure 8. Comparaison entre les échelles de couleurs jet et magma pour présenter les données gravimétriques qui auraient été mesurées au-dessus du modèle pétrophysique de la Figure 5.
Remarquez comment vos yeux sont truqués à penser qu’on peut délimiter l’anomalie positive (celle à gauche) en suivant le contour jaune avec l’échelle de couleurs jet. De plus, on dirait que les deux anomalies ne sont pas antisymétriques : celle qui est négative semble plus diffuse que la positive! Ce n’est qu’une illusion, en réalité les deux anomalies doivent être parfaitement lisses et antisymétriques, comme il est montré à droite avec l’échelle de couleur magma.
👀 En général, il est préférable d’utiliser des échelles de couleurs qui ne contiennent pas de contrastes entre le vert et le rouge. En effet, les formes de daltonisme les plus communes sont celles qui impliquent des déficiences dans la discrimination entre le vert et le rouge. La plupart des échelles perceptuellement uniformes ont tendance à éviter ces couleurs. Au final, vous pouvez être créatifs dans la présentation des données avec des échelles de couleur, tant que vous choisissiez une échelle qui est appropriée pour décrire les données sans tromper l’oeil.
Autres ressources
- Consultez cet article scientifique pour en savoir plus sur les échelles de couleurs : F. Crameri et al. (2020) Nature Communications.
- Liste des échelles de couleurs disponibles dans la librairie
matplotlib.