Méthodes de prospection géophysique

Bienvenue sur le wiki : Les métaux stratégiques - Les ressources du XXIème siècle

Espace dédié à un travail pédagogique Ce wiki a été créé par Quentin Lespagnol et Alix Marchal dans le cadre d'un stage de communication scientifique, affilié au laboratoire OTELo Observatoire Terre et Environnement de Lorraine et au projet RESSOURCES21. Ce sont des étudiants en deuxième année à l’École Nationale Supérieure de Géologie à Nancy. Ce document est actuellement en cours de réalisation et des modifications tant sur le fond que la forme vont y être apportées.

Avant même la notion de prospection géophysique, la géophysique est une science de la Terre, prenant la Terre dans son ensemble. Son but est d'étudier le globe afin d'en connaître la structure et l'organisation à l'aide des méthodes et connaissances physiques dont l'on dispose actuellement (suggérant ainsi que les visions apportées à une époque peuvent évoluer ultérieurement) en analysant les contrastes entre différents milieux ou couches.

La prospection géophysique consiste donc à utiliser toutes les méthodes géophysiques disponibles et pertinentes pour rechercher et/ou trouver un gisement minéral particulier, en mettant en évidence des structures anormales (différentes du milieu environnant). Dans le cadre des métaux stratégiques, plusieurs méthodes vont être utilisées, certaines en tant que support (repérage de la radioactivité par exemple).

Deux types de prospection existent : celle en surface et celle en profondeur. La différence est que la prospection géophysique de surface est indirecte et non destructive, contrairement à la prospection de profondeur.
La prospection géophysique de surface va donc principalement utiliser les ondes, rayonnements et autres facteurs physiques pour obtenir des informations diverses sur les couches (pendage, lithologie d'une couche, présence ou non de failles, radioactivité, résistivité électrique, densité, etc) sans modifier de quelque manière que ce soit la structure des couches et roches étudiées.

Le choix des méthodes utilisées pendant la prospection dépendront du métal à prospecter, de la surface de recherche, de la précision demandée, de la nature des structures environnantes, mais aussi de l'information que l'on recherche.

Prospection gravimétrique

La gravimétrie étudie les variations du champ de pesanteur dans l'espace et le temps. Il faut savoir que la Terre n'est pas ronde, mais aplatie au niveau des pôles (lui donnant ainsi une forme ellipsoïdale), et que la répartition de la masse est complexe. Le géoïde a donc été défini comme la surface équipotentielle passant par le niveau moyen des océans. Autrement dit, la direction de la pesanteur est normale (orthogonale à la tangente) en tout point de cette surface, et elle définit l'altitude 0.

L'énergie potentielle de pesanteur étant liée à la masse ($E=mgh$), en comparant la valeur mesurée sur le terrain grâce à un gravimètre et en la comparant à la valeur théorique, on peut savoir s'il y a un défaut ou un excès de masse. Si hétérogénéité latérale de masse il y a, on a une anomalie. Cette anomalie permet donc de savoir si des roches plus denses ou moins denses se trouvent à un endroit où elles ne devraient pas.

Cette méthode est utile pour repérer des possibles intrusions de matériel moins dense que la croûte (densité de la croûte : 2.7), et qui pourrait contenir des métaux stratégiques si les recherches effectuées auparavant concernant la géologie régionale, par exemple, donnent des indications concernant la présence potentielle de ces métaux.

Prospection magnétique

Au niveau microscopique de la matière, les électrons tournent sur eux-mêmes et autour du noyau d'un atome. Ce phénomène est à l'origine d'un moment magnétique dipolaire, caractérisant le magnétisme. Les électrons n'ayant très souvent pas la même orientation entre eux, le moment magnétique résultant est nul. Mais si (sous l'effet d'un champ magnétique extérieur, par exemple) on arrive à orienter les électrons, la matière acquiert une aimantation. Cette aimantation va dépendre de la susceptibilité magnétique de la matière. Plus la susceptibilité magnétique est élevée, plus l'aimantation sera forte.

Trois comportements ont ainsi été décrits, selon l'intensité et le signe de la susceptibilité magnétique. Le plus important est le ferromagnétisme, avec une forte susceptibilité magnétique positive. Un matériau ferromagnétique va très fortement s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur. De plus, la matière va garder une certaine aimantation même après la disparition du champ.

La prospection magnétique va consister à localiser les anomalies magnétiques provoquées par les roches, les formations géologiques et les gisements. Le ferromagnétisme est utilisé pour trouver différents minéraux magnétiques, c'est-à-dire contenant du fer, du nickel ou encore du cobalt (ce dernier étant intéressant, puisque qualifié comme métal stratégique) principalement, même si quelques lanthanides (faisant partie de la famille des Terres Rares) ont des propriétés ferromagnétiques à basse température. Seulement, presque toutes les roches contiennent de la magnétite (Fe3O4) qui est l'élément le plus ferromagnétique. Ceci implique que généralement, l'anomalie magnétique mesurée équivaudra à la concentration en magnétite de la roche. C'est pourquoi la prospection magnétique ne peut être utilisée comme seul moyen de prospection.

Prospection sismique

La sismique (ou sismologie) est l'étude de la propagation des ondes provoquées par les séismes au sein de la Terre. En prospection, c'est l'homme qui provoque les ondes à l'aide d'explosifs, de camions vibreurs ou encore l'impact d'un marteau sur une plaque, afin de visualiser les différentes couches géologiques d'une zone (la prospection pouvant se faire sur terre comme en mer). C'est la vitesse des ondes qui est mesurée par des capteurs et qui va permettre d'évaluer les différentes limites des surfaces de discontinuité (limite de couche, zones hétérogènes au sein d'une roche,...). Les ondes, captées en surface, peuvent avoir deux comportements différents pendant leur propagation.

Principes de base

Quand une onde arrive au niveau d'une interface séparant deux milieux, elle peut être soit réfléchie, soit réfractée. Ceci va dépendre de l'angle entre cette onde incidente et le point d'intersection avec l'interface (aussi appelée "réflecteur"). Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique (représentant l'angle limite entre réflexion et réfraction), l'onde sera purement réfléchie. Dans le cas contraire, l'onde sera réfractée (autrement dit déviée) selon un angle relatif aux vitesses des deux milieux et à l'angle en question : elle est appelée onde transmise. Si l'onde arrive sur l'interface selon l'angle critique, elle est réfractée le long de l'interface (donc selon un angle de 90°) : on l'appelle alors onde conique. Les deux ondes qui seront utilisées en prospection seront donc l'onde réfléchie et l'onde conique.

Ce sont les propriétés physiques des différentes surfaces (densité, élasticité, viscosité,...) de discontinuité qui sont à l'origine de la réflexion ou réfraction des ondes. Des capteurs sismiques (géophones ou hydrophones selon que l'on soit sur terre ou en mer) vont détecter ces ondes quand elles reviennent en surface après déviation. Les mesures de trajet des ondes se fait en temps double, et la compilation des données permet l'obtention d'un profil sismique qui pourra être étudié par la suite pour interpréter la géologie du terrain prospecté.

Sismique réflexion

Le temps de l'onde mesuré en surface est $t={\frac {x}{V}}$, $x$ représentant la distance entre la source de l'onde et le capteur et $V$ la vitesse de propagation de l'onde dans le milieu donné. Mais l'équation représentant le temps de trajet d'une onde réfléchie est une hyperbole : $t={\frac {2h}{V}}{\sqrt {1+{\left({\frac {x}{2h}}\right)^{2}}}}$, avec $h$ l'épaisseur de la couche considérée. On va alors appliquer des corrections afin de redresser l'hyperbole et optimiser le résultat obtenu au maximum.

Finalement, le temps de l'onde mesuré est $t={\frac {x^{2}}{2t_{0}V^{2}}}$, $t_{0}$ étant le trajet de l'onde purement vertical.
On peut donc ainsi évaluer les différentes limites existantes au niveau de la prise de mesures, tout en ayant corrigé les différents facteurs pouvant parasiter les résultats.

Sismique réfraction

La sismique réfraction est utilisée en proche surface (faible profondeur) et permet d'effectuer des corrections statiques sur la sismique réflexion et de la compléter dans la détermination de couches majeures. L'équation du temps de l'onde (ou hodochrone) est $t_{1}={\frac {x}{V_{2}}}+{\frac {2h_{1}cosi_{1c}}{V_{1}}}$ pour un cas avec deux couches. Pour $n$ couches, l'équation devient $t_{n}={\frac {x}{V_{n}}}+\sum _{k=1}^{n-1}{\frac {2h_{k}cosi_{kc}}{V_{k}}}$.

Méthodes d'explorations en profondeur

Diagraphie

La diagraphie consiste en un enregistrement continu de différents paramètres physiques comme le rayonnement gamma (obtention de masses volumiques), la résistivité électrique (présence et nature de liquides contenus dans une couche), la polarisation spontanée (salinité, porosité, présence d’argiles), ou encore la vitesse du son (couche compacte ou non). Cette méthode permet donc d’obtenir de nombreuses informations utiles sur le sol mais coûte extrêmement cher, d’où l’utilisation privilégiée des méthodes de surface.

Le forage au diamant

Au moyen de forages au diamant, on récupère une carotte de roche; à l'aide des carottes extraites de plusieurs trous, les géologues construisent une image tridimensionnelle de la géologie locale. Des échantillons de carottes sont en outre soumis à une analyse chimique.

Excavation de tranchées

On peut creuser des tranchées ou enlever la végétation et le sol qui recouvrent les affleurements pour cartographier les formations géologiques sub-superficielles ou pour faire un échantillonnage en vrac dans les endroits où on a des chances de trouver du minerai ou d'autres unités géologiques très près de la surface.