Imagerie des infrastructures souterraines et des cibles d'exploration minérale par les méthodes géoradar, électriques et électromagnétiques

Cette thèse porte sur l’application des techniques d’imagerie géophysique, plus particulièrement avec les méthodes électriques et électromagnétiques, pour l’identification des infrastructures souterraines et l’exploration des ressources minérales profondes. L’avantage de la plupart des méthodes géophysiques est la capacité à pénétrer le sol de manière non destructive, chaque méthode ayant toutefois sa propre limite de profondeur de détection. Puisque la présente étude visait à la fois les structures proches de la surface (infrastructures souterraines) et celles enfouies profondément (exploration minière), une stratégie combinant multiples méthodes géophysiques et de modélisations numériques est adoptée pour la réalisation. En premier lieu, les méthodes de géoradar (GPR) et de tomographie de résistivité électrique (ERT) ont été utilisées conjointement pour déterminer la profondeur du socle rocheux, dans le but d’aider à l’installation d’un réseau de conduites d’égouts. Des mesures GPR à différentes fréquences et ERT avec différentes configurations ont été réalisées. Des informations ponctuelles sur le site, comme les descriptions géologiques de forages et la localisation exacte de certaines infrastructures civiles (conduites) sont également intégrées dans notre étude afin de réduire l’ambiguïté dans l’interprétation des observations géophysiques. Les deux techniques géophysiques se sont avérées complémentaires. La haute résolution apportée par le GPR a permis d’identifier les conduites souterraines qui ont servi à calibrer la vitesse de l’onde radar dans le sous-sol. Par ailleurs, la technique ERT a permis de compenser la faible profondeur d’investigation du GPR et de délimiter l’interface dépôts meubles – socle rocheux par la variation de résistivité. Si dans la première étude la profondeur d’investigation visée était inférieure à 10 m, les infrastructures minières, elles, peuvent se trouver à des centaines de mètres sous terre, donc le défi est encore plus conséquent. À la deuxième étape, les trois techniques (TDEM, ERT et GPR) ont été combinées ensemble, commencé par modélisations numériques afin d’établir la détectabilité de ces anciennes galeries. En considérant les conditions dans lesquelles peuvent se trouver ces infrastructures : vides, remplies d’eau douce ou contaminée par le drainage minier acide, ou remblayées. Une démarche d’utilisation des méthodes de simulation est utilisée pour concevoir les paramètres optimaux des mesures sur le terrain en premier, et ensuite une procédure de validation sur le terrain a été développée. Selon les résultats de simulation, la contribution potentielle de la méthode TDEM pour détecter les galléries profondes sera possible à des centaines de mètres, à condition qu’elles soient remplies par une eau conductrice (< 50 Ωm). L’ERT serait plus adaptée pour les galeries vides (résistives) ou remplies par une eau conductrice, mais nécessiterait la transmission d’une forte intensité de courant. Et finalement avec le GPR en forage, on pourrait détecter les galeries si elles se trouvent à une dizaine de mètres au maximum autour du forage. En raison du manque d'instruments de mesure, seules les validations par l’observation de la méthode ERT ont été réalisées à travers des mesures 2D et 3D sur le site des anciennes mines Quemont et Horne à Rouyn-Noranda (Québec, Canada). Les levés 3D réalisés avec un système de mesure permettant la transmission d’un fort courant compris être 2.5 et 7.6 A, ont permis de détecter des galeries se trouvant à une profondeur de 100 m. Dans la troisième partie de cette thèse, la problématique de l’exploration des ressources minérales profondes a été abordée. Un protocole de mesure TDEM a été développé à travers le design d’une petite boucle émettrice utilisable dans des galeries souterraines, en effectuant des modélisations numériques des champs primaires et secondaires respectivement transmis par la boucle et induits par les conducteurs représentant les corps minéralisés. Enfin, cette boucle a été testée avec la réalisation de mesures TDEM dans une galerie de la mine LaRonde (Mines Agnico Eagle Lte) localisée à 3 km sous terre. Ces mesures ont été faites en utilisant un récepteur en forage et effectuées dans deux forages disponibles près de la galerie. Ces mesures ont permis la validation du protocole en détectant deux lentilles de sulfures massifs localisées dans la zone de mesure.

Abstract

This thesis focuses on the application of geophysical imaging techniques, specifically with electrical and electromagnetic methods, for the identification of underground infrastructure, and the exploration of deep mineral resources. The advantage of most geophysical methods is the ability to penetrate the ground non-destructively, although each method has its own detection depth limit. Since the present study targeted both near-surface structures (underground infrastructure) and deeply buried structures (mineral exploration), a strategy combining multiple geophysical methods and numerical modeling is adopted for the realization. First, Ground Penetrating Radar (GPR) and Electrical Resistivity Tomography (ERT) methods were used together to determine the depth of bedrock to assist in installing a sewer pipe network. GPR measurements with different frequencies and ERT measures with different configurations were performed. Specific site information, such as geological descriptions of boreholes and the exact location of some civil infrastructures (pipes) are also integrated in our study in order to reduce ambiguity in the interpretation of geophysical observations. The two geophysical techniques proved to be complementary. The high resolution provided by GPR allowed the identification of underground pipes, which were used to calibrate the velocity of the radar wave in the subsurface. In addition, the ERT technique compensated for the shallow depth of investigation of the GPR and allowed the delineation of the overburden-bedrock interface by the variation of resistivity. If in the first study the targeted depth of investigation was less than 10 m, the mining infrastructures can be located hundreds of meters underground, so the challenge is even more consequent. In the second stage, the three techniques (TDEM, ERT, and GPR) were combined together, starting with numerical modeling to establish the detectability of these old galleries. Considering the conditions in which these infrastructures can be found: empty, filled with fresh water, contaminated by acid mine drainage, or backfilled. An approach of using simulation methods is used to design the optimal parameters for field measurements first, and then a field validation procedure was developed. Based on the simulation results, the potential contribution of the TDEM method to detect deep galleries will be possible at hundreds of meters, if they are filled with conductive water. ERT would be more suitable for empty (resistive) or conductive water-filled galleries but would require the transmission of a high current intensity. Finally, with GPR measures in boreholes, galleries could be detected if they are located at a maximum of 10 meters around the borehole. Due to the lack of measuring instruments, only the ERT method approach was validated by carrying out 2D and 3D measurements on the site of the former Quemont and Horne mines in Rouyn-Noranda (Quebec, Canada). The 3D surveys were carried out with a measuring system that allows the transmission of a high current intensity, ranging from 2.5 to 7.6 A, and allowed the detection of galleries at a depth of 100 m. In the third part of this thesis, the problem of deep mineral resources exploration has been addressed. TDEM measurement protocol was developed through the design of a small transmitter loop for use in underground galleries, by performing numerical modeling of the primary and secondary magnetic fields respectively transmitted by the loop and induced by the conductors representing the mineralized bodies. Finally, this loop was tested with TDEM measurements in a gallery of the LaRonde mine (Agnico Eagle Mines Ltd) located 3 km underground. These measurements were made using a down-hole receiver in two available boreholes near the gallery. They allowed the validation of the protocol by detecting two massive sulphide lenses located in the zone.