CHAPITRE IV : APPORT DE LA METHODE PAR GRAVIMETRIE
Ce chapitre a deux objectifs :
l’étude de la structure géologique de la zone d’étude ;
l’étude de la variation de la densité des formations rocheuses présentes dans la zone sous étude.
Nous présentons dans ce chapitre :
les notions de base relatives à la gravimétrie ;
les différents traitements,
les résultats correspondants présentés essentiellement sous forme cartographique ;
une conclusion partielle.
DEFINITION
La gravimétrie est une méthode géophysique qui consiste à la mesure du champ de gravité. Elle permet de détecter les variations de densité selon la composition des terrains à partir de la mesure du champ de gravité g comparée à une valeur de référence ց0. ց0 est la valeur de g mesurée sur le géoïde (Dubois & al., 2011).
Le champ de gravité est la résultante de la force d’attraction universelle et de la force centrifuge due à la rotation de la Terre (maximale à l’équateur et nulle aux pôles). La gravité se mesure en milligal (mGal), 1 mGal étant égal à 10-5 m.s-2 (Bonvalot, 2010).
Le géoïde est défini par la surface équipotentielle correspondant à la surface des océans au repos.
Une étude structurale basée sur l’interprétation des cartes d’anomalies gravimétriques du site hydroélectrique et ses environs s’avère nécessaire pour améliorer les connaissances à l’échelle de son étendue.
IV.1.2. Différentes corrections gravimétriques
La Terre n’étant pas totalement sphérique (aplatie aux deux pôles), elle est approximée par un ellipsoïde de révolution, appelée aussi géoïde. Ce géoïde servira de niveau référence pour les corrections des données gravimétriques.
Les données gravimétriques sont l’objet de plusieurs corrections (Bonvalot, 2010). Néanmoins nos données téléchargées ont subi une correction topographique (Chouteau, 2002) et les effets de plateau (Dubois & al., 2011).
METHODOLOGIE ET MATERIELS UTILISES
Les données gravimétriques relatives à notre zone d’étude proviennent de la base des données du Bureau International de Gravimétrie et Géodésie (https://bgi.obs-mip.fr). La base des données est établie à partir de 4966 stations. Les données utilisées dans notre
travail ont été téléchargées au mois d’Août 2021. Ces données, de résolution de 150 m, sont :
des anomalies gravimétriques à l’air libre ;
corrigées afin d’avoir des anomalies de Bouguer.
Nous appliquons des filtres aux anomalies Bouguer pour tirer des informations recherchées par cette étude.
Les données satellitaires
Les données concernées par cette étude sont :
de type SRTM pour la topographie (Fig. 36) ;
des données des anomalies à l’air libre de type texte (Fig. 37).
Fig. 36: Carte de la distribution de l’effet des plateaux krigés.
Fig. 37: Carte des anomalies à l’air libre krigée de la zone d’étude.
Les cartes des anomalies à l’air libre et celle des effets de plateaux obtenues ci-dessus nous permettent par leur différence d’obtenir la carte des anomalies de Bouguer simples (𝐴𝐵𝑆) (Fig. 38) par la relation :
𝐴𝐵𝑆 = ց𝑚 − ց0 + 0.3086 ℎ – 0.0419 𝜌ℎ
avec :
ց𝑚 − ց0 + 0.3086 ℎ: le membre correspondant aux anomalies à l’air libre, ℎ sa hauteur et 𝑔𝑚 la valeur de g mesurée ;
0.0419 𝜌ℎ: membre caractéristique de l’effet des plateaux et 𝜌ℎ la masse volumique du
plateau.
Fig. 38: Carte d’anomalies de Bouguer simples.
Sur la carte ci-dessus, nous observons les faits suivants :
en fonction de l’intensité de l’anomalie nous avons des faibles valeurs d’anomalies de l’ordre de -120 mGal à -100 mGal (en couleur bleu ciel) dans toute la partie NW mais également du côté SSE de la carte ;
la partie centrale, le côté NE et le SW de la carte sont dominées par des valeurs élevées d’anomalies de Bouguer allant de -95 mGal à – 50 mGal dominées par une coloration jaune à rouge.
TRAITEMENT ET ANALYSE DES DONNEES
Le traitement des données est effectué afin de représenter les données sous forme des cartes, et histogramme à l’aide d’un ordinateur équipé des logiciels appropriés pour cette tâche. Des logiciels appropriés ont permis la réalisation des différentes cartes :
de gradients directionnels grâce au logiciel ArcGIS 10.5 ;
de densité apparente, de dérivée directionnelle et de fractures grâce au logiciel Oasis Montaj 8.4. ;
d’anomalies régionales et résiduelles grâce au filtrage opéré par le logiciel Surfer 19 ;
L’histogramme des fréquences de profondeur des fractures est réalisé en utilisant le logiciel Grapher 15.
Le filtre de gradient directionnel
Réalisé dans plusieurs directions notamment Nord-ouest, Nord-Est, Nord et Est, le filtrage de gradient directionnel permet de mettre en évidence les fractures ou les différents contacts lithologiques probables à travers le gradient maximum. Ces contacts (sous formes des linéaments) entre les roches de densités différentes peuvent en gravimétrie exprimer soit :
une fracture ;
un changement brusque de lithofaciès, surtout si les couches se terminent en biseaux.
On parle en effet des linéaments gravimétriques.
Le filtre passe-haut et le filtre passe-bas
Le filtre passe-haut donne des informations géologiques d’origine superficielle (≤ 500 m). Le filtre passe- bas révèle des informations qui se rapportent au substratum (≥ 500 m).
Les structures géologiques d’origine profonde en provenance du substratum magmatique ou métamorphique et donc régionale caractérisées par des basses fréquences. Celles d’origine superficielle par des hautes fréquences correspondant à la couverture sédimentaire dites anomalies résiduelles peuvent donc être étudiées sur base des fréquences reprises sur la carte d’𝐴𝐵𝑆.
Le filtre de densité apparente
Il permet d’identifier la répartition des roches en fonction de leur densité à travers la carte qui en découle et nous donne un aperçu sur la densité des matériaux rocheux présents dans notre zone d’étude.
Le filtre de dérivée directionnelle (en anglais « Tilt Derivative »)
Ce filtre combine à la fois la dérivée horizontale et la dérivée verticale des anomalies de Bouguer. Il joue en effet le même rôle que le filtre de gradient directionnel.
Le filtre de déconvolution d’EULER
Ce filtre permet d’identifier les sources des anomalies gravimétriques et met en évidence les informations des structures géologiques telles que les dykes, les silts, failles, les contacts lithologiques, les anticlinaux, synclinaux, les structures en dômes, etc.
PRESENTATION ET INTERPRETATTION DES RESULTATS
Résultats par le filtre passe bas et le filtre passe haut
Les résultats donnés par le filtre passe-bas et passe-haut appliqués aux anomalies de Bouguer simples sont respectivement représentés sur les fig. 39 et 40.
Fig. 39: Carte d’anomalies régionales.
Fig. 40: Carte d’anomalies résiduelles.
Nous avons utilisé les méthodes de séparation régionale-résiduelle à l’aide des filtres passe bas et passe haut, pour mieux observer les anomalies d’origine profonde (anomalies régionales) de celles qui sont superficielles dites anomalies résiduelles.
Grace à ce filtrage nous remarquons que la couverture superficielle étouffe ou cache la vraie réalité du terrain. En effet, contrairement à ce qui a été observé avec la carte d’𝐴𝐵𝑆, la carte d’anomalies régionales montre clairement qu’en plus des parties NW et SSE où les faibles anomalies sont très importantes, il y a également toute la partie centrale avec des anomalies allant de -104 mGal à 90 mGal. Nous pouvons en effet suggérer la présence des fossés au niveau du socle rempli des formations rocheuses de faible densité. Seules la partie SW et l’extrémité de la partie NE présentent des valeurs élevées d’anomalies (zones favorables).
En examinant attentivement la carte d’anomalies résiduelles, on peut clairement constater que les faibles anomalies observées sur la carte d’𝐴𝐵𝑆 découlent de celle-ci. Cela sous- entend que les anomalies observées à la surface ne font qu’épouser la réalité leur imposée par les structures géologiques (anomalies) d’origine profondes en grande partie.
Les deux cartes se ressemblent surtout du point de vue de la répartition de l’intensité des anomalies. Cependant, sur la carte d’anomalies régionales il y a un lissage du relief prouvant que les aspérités observées sur la carte d’𝐴𝐵𝑆 sont essentiellement liées aux formations rocheuses superficielles.
La carte d’anomalies résiduelles ressemble quasi-totalement avec celle de l’𝐴𝐵𝑆 du point de vue des aspérités liées au relief. On comprend que ceci serait l’œuvre des structures géologiques d’origine superficielle qui tentent de remplir le fossé et d’effacer la vraie réalité du terrain.
Cependant la répartition des faibles valeurs sur la carte d’anomalies résiduelles épouse celle de la carte des anomalies régionales. Il peut s’agir des matériaux de faibles densités remplissant le fossé déjà présent ; ceux par contre qui remplissent la partie centrale de la carte sont plus denses.
Les faibles anomalies causées par les structures superficielles se concentrent dans la partie NW et le la partie SSE allant de -120 mGal à -100 mGal.
Résultats par le filtrage directionnel
Les filtres directionnels appliqués suivant les orientations Nord-ouest (Fig. 41), Nord-Est (Fig. 42), Nord (Fig. 43) et Est (Fig. 44) donnent les résultats ci-après :
Fig. 41: Carte de fractures issue du gradient directionnel Nord-Ouest.
A : Carte de fractures en 2D ; B : Carte de fractures en 3D ; C : Directions préférentielles des fractures (flèche rouge) et D : Direction préférentielle des fractures (flèche noire).
Sur la figure ci-dessous, on peut apercevoir que les fractures :
ont une orientation préférentielle de NE-SW comme le montre clairement la rose de vent ;
sont perpendiculaires à la direction du filtrage mis en œuvre.
Fig. 42: Carte de fractures issue du gradient directionnel Nord-Est.
A : Carte de fractures en 2D ; B : Carte de fractures en 3D ; C : Directions préférentielles des fractures (flèche rouge) et D : Direction préférentielle des fractures (flèche noire).
Fig. 43: Carte de fractures issue du gradient directionnel Nord.
A : Carte de fractures en 2D ; B : Carte de fractures en 3D ; C : Directions préférentielles des fractures (flèche rouge) et D : Direction préférentielle des fractures (flèche noire).
Les fractures et les contacts lithologiques sont en effet quasi perpendiculaires à la direction du filtre appliqué.
Fig. 44: Carte de fractures issue du gradient directionnel Est.
A : Carte de fractures en 2D ; B : Carte de fractures en 3D ; C : Directions préférentielles des fractures (flèche rouge) et D : Direction préférentielle des fractures (flèche noire).
Les fractures ou les contacts lithologiques ont une direction préférentielle Nord-Sud. Les fractures et les contacts lithologiques probables sont donc perpendiculaires à la direction du filtrage appliqué comme l’atteste la fig. 44.
Résultats par le filtre de la densité apparente
La carte de densité apparente obtenue à partir du filtre de la densité apparente est présentée sur la fig. 45.
Fig. 45: Carte de densité apparente. Le figuré triangulaire en blanc sur la carte correspond au site du barrage hydroélectrique de Kakobola.
En examinant la carte de densité apparente de notre zone, on observe sur une profondeur moyenne de 50 mètres une diversité des matériaux de nature différente. Les matériaux avec une très faible densité en bleu foncé et clair occupent quasiment toute la partie NW de la carte ainsi que la partie SE conformément à ce qui a été remarqué avez les cartes d’anomalies de Bouguer. Une observation minutieuse de la carte révèle un brassage des roches.
Le barrage de Kakobola n’est donc pas totalement hors du danger compte tenu de la densité moyenne des matériaux rocheux qui s’y trouvent.
Résultats par le filtre de dérivée directionnelle
Le filtre de dérivée directionnelle appliqué aux anomalies de Bouguer met en évidence des réseaux des fractures matérialisées par des lignes de couleurs rouges sur la fig. 46.
Fig. 46: Carte des fractures.
La direction préférentielle de ce réseau des fractures est du Nord vers le sud.
Le réseau des fractures latérale et verticale ou contacts lithologiques se trouve à une profondeur comprise entre 0 m et 300 m.
Le barrage de Kakobola matérialisé par le figuré triangulaire en blanc en plein Nord de la carte a donc été construit le long d’une fracture.
Résultats par le filtre de la déconvolution d’Euler
La carte de profondeur des fractures révélée par le filtre de la déconvolution d’Euler est représentée sur la fig. 47.
Fig. 47: Carte de la profondeur des fractures.
En observant minutieusement la carte, nous remarquons que la carte est dominée par les fractures dont la profondeur varie de 250 m à 750 m et de 750 à 1500 m d’une manière générale. Celles ayant une profondeur en dehors de ces fourchettes ne sont que très peu représentées dont les plus profondes vont au-delà de 3000 m.
Pour plus de précision nous avons élaboré un diagramme reprenant en ordonnée la fréquence de chacune des classes des profondeurs rencontrées dans la région (Fig. 48).
Fig. 48: Diagramme des profondeurs des fractures.
Cette figure comporte en ordonnée les fréquences et en abscisse les profondeurs correspondantes. La classe des profondeurs de 500 m à 1000 m est la plus représentée dans cette région.
CONCLUSION PARTIELLE
La gravimétrie nous a permis d’avoir des informations relatives à l’étude structurale de notre secteur d’étude et des informations en rapport avec la profondeur de différents réseaux des fractures. De plus la gravimétrie a mis en évidence la répartition des matériaux rocheux en termes de leur densité sur l’ensemble du site.
Le barrage de Kakobola repose sur une fracture qui se situerait à une profondeur comprise entre 250 m et 1500 m. Les fractures présentent différentes orientations dont le NE-SW préférentiellement, NW-SE et NNE-SSW. Le barrage de Kakobola reposerait sur des matériaux rocheux de densité comprise entre 2.35 et 2.44. Les zones de très faibles anomalies indiqueraient la présence de plusieurs fossés.
