LES PORTEURS DE CHARGE IONIQUES
Un gradient de concentration de ces ions crée une source de courant naturelle d’origine électrochimique. On parle de phénomène d’électro-diffusion ou de membrane. En effet, comme les cations n’ont pas les mêmes propriétés de transport que les anions, la diffusion de ces ions sous l’effet d’un gradient de concentration va engendrer un déséquilibre de charges électriques et ainsi un courant électrique. Ce courant existe donc tant que la répartition des charges électriques est inégale c’est-àdire tant que la neutralité électrique de l’ensemble n’est pas assurée. Les argiles en présence de deux fluides de salinités différentes se comportent comme une membrane cationique, c’est à dire qu’elles laissent passer librement les cations Na+, mais sont imperméables aux anions Cl-.Figure 1. A l’instant initial, un différentiel de concentration existe de part et d’autre de la membrane argileuse. Lors de la diffusion à travers l’argile, les ions négatifs (de même signe que la surface des minéraux argileux) restent piégés, créant un déséquilibre de charge et donc une anomalie de potentiel. Ce potentiel est dites « potentiel de diffusion membranaire. » Lorsque ces ions sont transportés par les molécules d’eau lors d’un écoulement dans le milieu poreux d’une roche, il se crée une source de courant d’origine électrocinétique, appelée électrofiltration. On parlera « d’un potentiel de jonction de fluide » dans la figure 2. Lors d’un mouvement de fluides dans le sol, le potentiel spontané est négatif s’il s’agit d’une infiltration et positif si c’est une résurgence
Potentiel de minéralisation
Les électrons interviennent lors des réactions d’oxydoréduction (William, 2007) pour être à l’origine d’un courant électrique, ces électrons doivent être mis en mouvement dans un conducteur qui leur assure ainsi un transfert entre deux zones de conditions redox différentes (Olhoeft, 1985). Dans leur théorie sur l’origine de la polarisation spontanée, Sato et Mooney (1960) proposent un mécanisme complet applicable aussi bien au graphite qu’aux minerais métalliques. Rappelons très brièvement que ces auteurs font appel aux différences de potentiel d’oxydoréduction (Eh) qui prennent naissance aux interfaces du minerai et des solutions d’électrolytes contenues dans les roches encaissantes. Le corps minéralisé, sans participer aux réactions chimiques, joue le rôle d’un pont électronique vertical entre deux régions du sol caractérisées par des potentiels Eh différents. Ce déséquilibre se traduit par la circulation d’un courant de conduction électronique à l’intérieur du corps de minerai et électrolytique dans les terrains environnants, entraînant les différences de potentiel observables sur le terrain. La présence d’un corps conducteur, séparant deux zones de potentiels rédox (EH) différents, constitue une cellule électrochimique appelée géobatterie (Sato et Mooney, 1960; Timm et Möller, 2001) (Figure 8). Cette géobatterie est responsable d’un champ électrique mesurable à la surface du sol (Stoll et al. 1995 ; Lile, 1996 ; Bigalke et Grabner, 1997). Prenons le cas d’un filon métallifère (pyrite, cobalt, magnétite, graphite) qui traverse le niveau piézométrique d’un aquifère.
VOLTMETRE A HAUTE IMPEDANCE
Un voltmètre à haute impédance est nécessaire pour mesurer la PS (Morgan et al, 1989). Lorsqu’on mesure des tensions dans des circuits à haute résistance, la résistance du voltmètre a un effet sur le circuit. Par exemple, si la tension sur une résistance de 1 MΩ est mesurée avec un voltmètre ayant une résistance interne de 1 MΩ, la résistance totale dans cette partie du circuit est donc égale à 500 KΩ. Dans un autre exemple; Si un voltmètre ayant une résistance de 1 mégohm est placé en série avec une résistance de 1 mégohm, il y aura en effet deux résistances de 1 mégohm en série, la résistance dans le circuit et la résistance du voltmètre. Dans ces conditions, la tension maximale que le voltmètre pourrait afficher serait égale à la moitié de la tension d’alimentation. Pour que la présence du voltmètre n’influence pas le courant traversant la résistance du circuit de test, il faut que le courant consommé par le voltmètre soit très petit par rapport au courant du circuit à tester, c’est-à-dire que la résistance interne du voltmètre soit très grande par rapport à la résistance du circuit que l’on veut mesurer. De nombreux multimètres numériques bon marché aura une résistance d’entrée interne de l’ordre de 1 mégohm. Les voltmètres analogiques non alimentés par batterie auront des résistances internes beaucoup plus faibles. Les compteurs les plus chers auront des impédances d’entrée plus élevées et auront donc moins d’effet de charge sur le circuit testé. En géophysique, la résistance du sol peut atteindre des valeurs de plusieurs dizaines de kΩ. Or les voltmètres standards possèdent habituellement des résistances internes de quelques dizaines de kΩ à quelques MΩ, il n’est donc pas toujours certain que le voltmètre n’influence pas la mesure de PS. L’utilisation des voltmètres à haute impédance d’entrée supérieure à 10MΩ est justifiée afin de s’affranchir des potentiels parasites liés aux possibles fortes impédances de contact électrode/sol. La résolution devrait être à 0,1 ou 1,0 mV. Un filtre Notch ou un filtre réjecteur de 50Hz réduira les potentiels de courant alternatif (AC) dans les zones industrielles ou près du réseau. Si on utilise un voltmètre à haute impédance d’entrée de très bonne qualité (e.g. un datalogger Campbell Scientific de 20 GΩ d’impédance d’entrée réglé sur +/- 250 mV), l’erreur de mesure ne dépassera alors pas 0.05 % de la gamme de mesure (de 0 à 40 °C) soit 0.25 mV. Ensuite on prend, par exemple, des électrodes impolarisables au Pb/PbCl2 de type Petiau dont la polarisation de départ est inférieure à 0.2 mV et ayant une dérive d’environ 0.2 mV/mois. Prenons donc des électrodes toutes neuves ce qui donne une erreur instrumentale de 0.2 mV. Enfin, la dernière et pas la moindre cause d’erreurs de mesure vient de la qualité du couplage entre l’électrode et le sol car elle dépend de la lithologie, de la chimie et de l’humidité du sol. Supposons que nous sommes des expérimentateurs soigneux mais pas trop quand même c’est-à-dire qu’on prend le temps de s’assurer de la qualité du couplage mais pas de creuser autant de trous qu’il est nécessaire pour avoir un nombre de mesures statistiquement significatives. Par expérience, nous estimons l’erreur causée par la mauvaise qualité du couplage à moins de 2 mV. Par conséquent, l’erreur liée à l’instrumentation peut s’estimer à 2 + 0.2 + 0.2 = 2.4 mV. Il faut noter que dans le cas d’une prospection sur zone hydrothermale, il faudrait aussi prendre en compte la dérive de l’électrode causée par les variations de température qu’on estime à 210 μV/°C pour des électrodes Petiau.
FORMAT DU PAQUET BLUETOOTH :
Le paquet est composé de trois différentes parties (figure 29).
➢ « Access code » (68/72 bits) : Il identifie le piconet maître et il est utilisé pour la synchronisation, le « paging » et la recherche. Il y a trois types de code d’accès :
o CAC (Channel Access Code) : Ce code de canal est identifié un unique piconet.
o DAC (Device Access Code) : Le code de composant est utilisé durant pagination (« page » et « page scan ») et ses réponses. Ce code dérive de la BDA.
o IAC (Inquiry Access Code) : Ce code est utilisé dans les procédures de recherche de composant. Il y a deux types d’IAC :
o GIAC (Generic IAC) : Utilisé par défaut pour rechercher tous les périphériques Bluetooth dans la zone. (0x9E8B33)
o DIAC (Dedicated IAC) : Utilisé pour rechercher un type spécifique de composant.
➢ « Header » (54 bits) : L’entête est codé sur 54 bits. Il s’agit en fait d’une séquence de 18 bits répétés trois fois. Cette séquence est composée de six champs :
o AMA (3 bits) : L’adresse active de l’esclave. 0 pour le broadcast et 1 à 6 pour le périphérique. AMA (ou AM_ADDR): « Active Member Address » est l’adresse d’un esclave dans le piconet. Elle est codée sur 3 bits dont l’adresse « 000 » est réservée pour le broadcast. Il peut donc avoir 7 esclaves au maximum dans un piconet (Un piconet est un réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand plusieurs périphériques Bluetooth sont dans un même rayon 10 m).
o Type (4 bits) : SCO, ACL, NULL, POLL / type de FEC / durée du payload FEC : Forward Error Correction
o Flow (1 bit) : Contrôle de flow pour signaler que la mémoire tampon est pleine
o ARQN (1 bit) : Indication de l’acquittement (ACK)
ARQ : Automatic Repeat Request : Dans le protocole ARQ, les paquets sont retransmis jusqu’à ce qu’un acquittement soit reçu (ou le dépassement du délai de temps). Bluetooth emploie une confirmation rapide et non numérotée dans laquelle il emploie des confirmations positives et négatives en plaçant les valeurs appropriées dans l’en-tête. Si le délai de temps est dépassé, le paquet est perdu et la transmission est poursuivie avec la suite des paquets.
o SEQN (1 bit) : Numéro de séquence
o HEC (8 bits) : « Header Error Control »
➢ « Payload » : Données binaires utiles avec une zone de contrôle d’erreur de 16 bits.
Bluetooth peut utiliser 3 types de paquets :
o des paquets de données courts : 1 time-slot, 240 bits au maximum
o des paquets de données moyens : 3 time-slot, 1480 bits au maximum
o des paquets de données long : 5 time-slot, 2745 bits au maximum
Lorsqu’un paquet a une taille de 1 slot on parle de transmission/réception single slot, et lorsqu’un paquet possède une taille supérieure à 1 time slot (3 ou 5 slot), on parle de Multi-slot. Le saut de fréquence appliqué au paquet est celui du premier slot de ce paquet
POLARISATION SPONTANEE : DISPOSITIFS DE MESURES A DEUX OU PLUSIEURS ELECTRODES – APPLICATIONS
Nous avons conçu et réalisé un dispositif de mesures de la polarisation spontanée utilisant deux électrodes. Ce qui le différencie, des dispositifs classiques des prospecteurs, les données acquises sont numériques et archivées directement dans le bloc tampon du système. Il est capable d’effectuer le suivi à temps réel des variations observées en un point de mesures et la visualisation des données. Il est constitué de deux électrodes, une de référence implantée assez loin du point de mesure et l’autre, l’électrode de mesure, placée sur chaque point à mesurer. Les signaux issus de ces électrodes sont directement acheminés vers l’Arduino après avoir traversé un filtre de repliement et d’un convertisseur analogique/numérique ADS 1115. L’Arduino nano possède également d’un convertisseur, mais ses caractéristiques ne répondent pas aux exigences de la mesure. Les données issues de l’Arduino sont transmises vers un Smartphone ou tablette muni d’un android par communication Bluetooth. L’application installée dans l’android a permis de gérer les mesures, d’archiver les données et visualiser les résultats. Ce dispositif avec son application trouve tout son intérêt quand il s’agit d’effectuer des mesures ponctuelles ou sur le flanc d’un barrage. Pour cartographier la zone d’étude, les mesures répétitives en des points régulièrement répartis deviennent gênant et parfois même encombrant. Alors nous avons eu l’idée de dupliquer le système en le munissant de N=64 électrodes. Dupliquer N fois le dispositif précédant reviendrait trop cher, alors nous avons imaginé un système permettant d’effectuer N mesures de manière simultanée et dans un délai très bref. Plusieurs tentatives ont été faites, en utilisant des relais pour effectuer la commutation, mais elles n’ont pas abouti car les relais ne sont pas adaptés pour effectuer plusieurs commutations à long terme. De plus l’Arduino nano ne dispose pas assez de mémoires pour implanter le programme et la capacité nécessaire pour les 64 variables. Pour pallier à notre problème, nous avons remplacé l’Arduino nano par l’Arduino méga. Ce dernier dispose un bus I2C qui nous permet d’acheminer les données issues des convertisseurs ADS1115. Seulement, l’Arduino méga ne peut contrôler que ADS1115 dus au fait qu’il n’existe que 4 adresses prédéfinies pour ces convertisseurs. Nous avons mis profit les possibilités du multiplexeur TCA9548A pour multiplexer le Bus I2C de l’Arduino méga, et véhiculer les données issues des 32 ADS1115. La partie II met également en exergue les réalisations des voltmètres PS2 et PS64. Chacun diffère par leurs spécificités et leurs objectifs. Le PS2 est une version améliorée des voltmètres classiques des prospecteurs. Nous y avons introduit les possibilités d’archiver et visualiser les données. Le PS64 est un dispositif pouvant effectuer 64 fois les fonctionnalités du PS2. Son originalité et ses innovations sont liées au processus d’acquisition d’une part et à la transmission des données d’autre part. Le processus d’acquisition est basé sur les mesures quasi-simultanées des 64 électrodes. L’arduino méga reste à l’écoute des commandes issues du Rasberry Pi, puis lance les acquisitions. Pour transmettre les signaux issus des électrodes, le multiplexeur numérique coordonne les flux de données selon les indications venant de l’arduino. Enfin, le dernier chapitre de cette partie met en évidence les différents résultats des tests au sein du Laboratoire d’Instrumentation Géophysique de l’Institut et Observatoire Géophysique d’Antananarivo, les mesures de validation de nos dispositifs effectués à Brickaville. Des mesures effectuées par nos dispositifs y sont également confrontées.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
LISTE DES ACRONYMES/ABRÉVIATIONS
NOMENCLATURE
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION
Chapitre 1 : LA POLARISATION SPONTANEE
I. 1. LES PHÉNOMÈNES DE POLARISATION SPONTANÉE
I.1.1 LES PORTEURS DE CHARGE IONIQUES
I.1.1.1 Phénomène d’électro-diffusion ou de membrane
I.1.1.2Phénomène de jonction de fluide ou d’électrofiltration
I.1.1.3 L’électrofiltration dans un milieu capillaire poreux
I.1.1.4 Equation d’Helmholtz-Smoluchowski
I.1.2 Les porteurs de charge électroniques
I.1.2.1 Potentiel de minéralisation
I.1.2.2 L’équation de Nernst
I.1.2.3 Le potentiel de corrosion
I.2 MESURES DE POLARISATION SPONTANÉE
I.2.1 Outils de base de la mesure de PS
I.2.1.1 ELECTRODES IMPOLARISABLES
I.2.1.2 VOLTMETRE A HAUTE IMPEDANCE
I.2.2 TECHNIQUE DE MESURE
I.2.2.1 MESURE DE GRADIENT
I.2.2.2 MESURE A BASE FIXE
I.2.2.3 QUELQUES GRANDEURS MESURABLES
I.3 PERTURBATIONS ET IMPACTS SUR LA MESURE PS
I.3.1 NATURE DES PERTURBATIONS
I.3.1.1 Bruit culturel
I.3.1.2 Bruit urbaine – Lignes électriques
I.3.1.3 Zones industrielles
I.3.2 LES COURANTS TELLURIQUES
I.3.2.1 Définition du courant tellurique
I.3.2.2Plage de fréquences
I.3.2.3 Moniteur tellurique
I.3.3 LE POTENTIEL THERMOELECTRIQUE
I.3.4 LE SIGNAL / BRUIT
Chapitre 2 : LES COMPOSANTS DE BASE POUR LA CONCEPTION
II.1 LES ARDUINO
II.1.1 L’INTERFACE MATÉRIELLE
II.1.1.1 Le microcontrôleur ATMEGA
II.1.1.2 l’Arduino nano
II 1.1.3 L’Arduino mega
II.1.2 INTERFACE LOGICIELLE
II.1.3 LE BUS DE COMMUNICATIONS
II.1.3.1 Arduino et I2C
II.1.3.2 Le bus i2c avec plusieurs périphériques
II.1.3.3 Le protocole de communication I2C
II.1.3.4 LES REGISTRES POUR L’INTERFACE I2C DANS L’ARDUINO
II.2 BLUETOOTH
II.2.1 FORMAT DU PAQUET BLUETOOTH
II.2.2 PROCESSUS DE CONNEXION
II.2.3 LE MODULE BLUETOOTH HC-06
II.3 LE CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE ADS1115
II.3.1 LA DESCRIPTION DE L’ADS1115
II.3.2 CONFIGURATION DE L’ADRESSE I2C DE L’ADS1115
II.3.3 AMPLIFICATEUR DE GAIN PROGRAMMABLE
II.3.4 MODE DE CALCUL DE L’ADS1115
II.3.5 DEBIT DE DONNEES
II.3.6 LES REGISTRES DE L’ADS1115
II.3.7 PROTOCOLE DE COMMUNICATION
II.4 LE RASPBERRY PI
II.5 L’ALIMENTATION ET CHARGEUR
II.5.1 LE CHOIX DE BATTERIE
II.5.2 LE CHARGEUR : LE TP5100
Chapitre 3 : POLARISATION SPONTANEE : ACQUISITION ET VISUALISATION DES DONNEES D’UN MILLIVOLTMETRE A DEUX ELECTRODES
III.1 L’INTERFACE MATERIELLE
III.1.1 L’ÉLECTRODE IMPOLARISABLE
III.1.2 DE L’ANALOGIQUE AU NUMERIQUE
III.1.2.1 Le filtre anti-repliement
III.1.2.2 Le filtre numerique
III.1.3 SCHEMA ELECTRONIQUE DU PS2
III.2 INTERFACES LOGICIELLES
III.2.1 PROGRAMMATION DE L’ARDUINO
III.2.2 L’APPLICATION PSBLUETOOTH
Chapitre 4 : ACQUISITION ET VISUALISATION DES DONNEES PS EN UTILISANT 64 ELECTRODES
IV.1 L’INTERFACE MATERIELLE
IV.1.1 MULTIPLEXAGE DES DONNEES ISSUES DES ADS1115 VERS LE BUS I2C
IV.1.2 LE MULTIPLEXEUR I2C : LE TCA9548
IV.2 INTERFACE LOGICIELLE DU PS64
IV.2.1 ALGORITHMES D’INITIALISATION ET D’ACQUISITION
IV.2.2 PSMONITOR : ACQUISITION ET VISUALISATION DES DONNEES
Chapitre 5 : ESSAI DE MESURE, VALIDATION ET DISCUSSION
V.1 ESSAI DE MESURES EFFECTUEES AVEC LE DISPOSITIF PS2
V.1.1 MESURES EN LABORATOIRE
V.1.2 MESURE DU POTENTIEL DE CORROSION DES ARMATURES EN BETON ARME A VONTOVORONA
V.1.3 PROFILAGES ET CARTOGRAPHIE D’UN SITE MINIER DE BRICKAVILLE A L’AIDE DU PS2
V.2EVALUATION DU GISEMENT MINIER DE BRICKAVILLE A L’AIDE DES DISPOSITIFS FLUKE, PS2 ET PS64
V.2.1 LOCALISATION DE LA ZONE
V.2.2 GEOLOGIE REGIONALE
V.2.3 CARTOGRAPHIE DE POTENTIEL NATUREL
V.2.4 ACQUISITION DES DONNEES
CONCLUSIONS
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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