FAQ GPR - À quelle profondeur GPR peut-il voir ?

À quelle profondeur le GPR peut-il voir

« À quelle profondeur peux-tu voir ? » » est la question la plus fréquemment posée aux fournisseurs de radars à pénétration de sol (GPR). Bien que la physique soit bien connue, la plupart des nouveaux utilisateurs du GPR ne réalisent pas qu’il existe des limitations physiques fondamentales.

Beaucoup de gens pensent que la pénétration du GPR est limitée par l’instrumentation. Cela est vrai dans une certaine mesure, mais la profondeur de l’exploration est principalement régie par le matériau lui-même et aucune amélioration de l’instrumentation ne permettra de surmonter les limites physiques fondamentales.

Qu’est-ce qui contrôle la pénétration ?

Les ondes radio ne pénètrent pas très loin dans les sols, les roches et la plupart des matériaux artificiels comme le béton. La perte de la réception radio ou de la connexion du téléphone portable lors de la conduite d'une voiture dans un tunnel ou dans un parking souterrain en témoigne.

Le fait que le GPR fonctionne dépend de l'utilisation de systèmes de mesure très sensibles et de circonstances spécialisées. Les ondes radio diminuent de façon exponentielle et deviennent rapidement indétectables dans les matériaux absorbant l'énergie, comme le montre la figure 1.

Figure 1 : Les signaux GPR se désintègrent de façon exponentielle dans le sol et la roche.

Le coefficient d'atténuation exponentielle, a, est principalement déterminé par la capacité du matériau à conduire les courants électriques. Dans les matériaux simples et uniformes, c'est généralement le facteur dominant ; ainsi une mesure de conductivité électrique (ou de résistivité) détermine l'atténuation.

Dans la plupart des matériaux, l'énergie est également perdue à cause de la diffusion due à la variabilité des matériaux et à la présence d'eau. L'eau a deux effets : Premièrement, l'eau contient des ions qui contribuent à la conductivité globale. Deuxièmement, la molécule d’eau absorbe l’énergie électromagnétique à des fréquences élevées généralement supérieures à 1 000 MHz (exactement le même mécanisme qui explique le fonctionnement des fours à micro-ondes).

L'atténuation augmente avec la fréquence, comme le montre la figure 2. Dans les environnements propices au sondage GPR, il existe généralement un plateau dans la courbe d'atténuation en fonction de la fréquence qui définit la « fenêtre GPR ».

Figure 2 : L'atténuation varie en fonction de la fréquence d'excitation et du matériau. Cette famille de graphiques représente les tendances générales. Aux basses fréquences (1 000 MHz), l’eau est un puissant absorbeur d’énergie.

Puis-je diminuer la fréquence pour améliorer la pénétration ?

La diminution de la fréquence améliore la profondeur de l'exploration car l'atténuation augmente principalement avec la fréquence. Cependant, à mesure que la fréquence diminue, deux autres aspects fondamentaux de la mesure GPR entrent en jeu.

Premièrement, la réduction de la fréquence entraîne une perte de résolution. Deuxièmement, si la fréquence est trop basse, les champs électromagnétiques ne se propagent plus sous forme d’ondes mais se diffusent, ce qui est le domaine des mesures inductives par EM ou par courants de Foucault.

Pourquoi ne puis-je pas simplement augmenter la puissance de mon émetteur ?

On peut augmenter la profondeur d'exploration en augmentant la puissance de l'émetteur. Malheureusement, la puissance doit augmenter de façon exponentielle afin d’augmenter la profondeur de l’exploration.

Figure 3 : Lorsque l'atténuation limite la profondeur d'exploration, la puissance doit augmenter de façon exponentielle avec la profondeur.

La figure 3 montre la puissance relative nécessaire pour sonder à une profondeur donnée pour les atténuations représentées sur la figure 1. On peut facilement voir que l'augmentation de la profondeur d'exploration nécessite de grandes sources d'énergie.

Outre les contraintes pratiques, les gouvernements réglementent le niveau d'émissions radio pouvant être générées. Si les signaux de l'émetteur GPR deviennent trop importants, ils peuvent interférer avec d'autres instruments, téléviseurs, radios et téléphones portables. (Malheureusement, ces mêmes appareils omniprésents sont généralement les sources de bruit limitantes pour les récepteurs GPR !)

Puis-je prédire la profondeur de l’exploration ?

Oui, à condition que le matériau à sonder soit connu électriquement, de nombreux programmes de calcul numérique sont disponibles. Le moyen le plus simple d’obtenir des estimations de la profondeur d’exploration consiste à utiliser l’analyse de l’équation de portée radar (RRE). Des logiciels pour effectuer ces calculs sont disponibles et de nombreux articles existent sur le sujet. Les concepts de base sont décrits dans la figure 4.

Figure 4 : La portée du radar, présentée ici sous forme d'organigramme, détermine la distribution d'énergie et fournit un moyen d'estimer la profondeur d'exploration.

L'analyse RRE est très puissante pour les études paramétriques et les analyses de sensibilité.

La portée du radar est trop compliquée !

De nombreux utilisateurs affirment que RRE est trop compliqué pour une utilisation de routine. Si vous n'aimez pas entrer dans des calculs détaillés, nous vous suggérons d'utiliser la règle empirique plus simple suivante pour estimer la profondeur d'exploration.

D= 35/mètres

où est la conductivité en mS/m. Bien qu'elle ne soit pas aussi fiable que le RRE, cette règle utile est très utile dans de nombreux contextes géologiques.

Une approche encore plus simple consiste à utiliser un tableau ou un graphique des profondeurs d'exploration atteintes dans des matériaux courants. Un exemple de tableau des matériaux courants rencontrés avec le GPR est présenté à la figure 5.

Figure 5 : Graphique des profondeurs d'exploration dans les matériaux courants. Ces données sont basées sur des observations du « meilleur cas ». Comme le montre la figure 9, les matériaux à eux seuls ne constituent pas une véritable mesure de la profondeur d'exploration.

Les figures 6, 7 et 8 montrent des exemples allant de l'exploration profonde à l'exploration peu profonde. Le type de matériau peut être considéré comme contrôlant la profondeur d’exploration. Malheureusement, il n'est pas toujours possible de prédire l'exploration en connaissant uniquement le matériel présent dans la zone étudiée.

La figure 9 montre une coupe où la géologie est fondamentalement uniforme mais la profondeur d'exploration est très variable. La conductivité de l’eau interstitielle varie alors que le matériau géologique est invariant ! Dans ce cas, connaître la conductivité fournit une meilleure mesure de la profondeur d’exploration que connaître le matériau.

Figure 9 : Coupe GPR prise à partir du sable. La profondeur de l'exploration est déterminée par la conductivité de l'eau interstitielle et non par le sable. Les contaminants s'échappant d'une décharge provoquent une conductivité (et une profondeur d'exploration) variable selon la position.