Qu'est-ce que le radar pénétrant au sol (GPR)?

Le radar pénétrant (GPR) est le terme général appliqué aux techniques qui utilisent des ondes radio, généralement dans la gamme de fréquences de 1 à 1000 MHz, pour cartographier des structures et des caractéristiques enfouies dans le sol (ou dans des structures artificielles). Historiquement, le GPR était principalement axé sur la cartographie des structures dans le sol; plus récemment, le GPR a été utilisé dans les essais non destructifs de structures non métalliques.

Le concept d'application d'ondes radio pour sonder la structure interne du sol n'est pas nouveau. Sans aucun doute, les premiers travaux les plus réussis dans ce domaine ont été l'utilisation d'échosondeurs radio pour cartographier l'épaisseur des calottes glaciaires dans l'Arctique et l'Antarctique et sonder l'épaisseur des glaciers. Le travail avec le GPR dans des environnements non glaciaires a commencé au début des années 1970. Les premiers travaux se sont concentrés sur les applications des sols de pergélisol.

Les applications GPR ne sont limitées que par l'imagination et la disponibilité d'une instrumentation appropriée. Ces jours-ci, le GPR est utilisé dans de nombreux domaines différents, y compris la localisation des services publics enfouis, l'évaluation des sites miniers, les enquêtes médico-légales, les fouilles archéologiques, la recherche de mines terrestres enfouies et de munitions non explosées, et la mesure de l'épaisseur et de la qualité de la neige et de la glace pour la gestion des pistes de ski et la prévision des avalanches, pour n'en nommer que quelques-uns.

Comment cela fonctionne ? 

Le GPR est comme un sondeur de poissons et un écho

Qu'est-ce qui est si difficile avec GPR?

Pourquoi le tuyau ne ressemble-t-il pas à un tuyau?

• le record GPR est une pseudo image du sol
• les traits localisés deviennent des hyperboles (V inversés)
• le GPR envoie des signaux dans le sol dans toutes les directions
• les échos sont observés de toutes les directions
• l'approche la plus proche (au-dessus de la cible) se produit au sommet de V
• la forme du V inversé aide à déterminer la profondeur exacte

Quelle est la profondeur de pénétration du radar pénétrant au sol?

«À quelle profondeur pouvez-vous 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 de 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 d'exploration est principalement régie par le matériau lui-même et aucune amélioration de l'instrumentation ne dépassera les limites physiques fondamentales.

Qu'est-ce qui contrôle la pénétration?

Les ondes radio ne pénètrent pas loin dans les sols, les roches et la plupart des matériaux artificiels tels que le béton. La perte de réception radio ou de connexion de 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 du tout 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 manière exponentielle dans le sol et la roche.

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

Dans la plupart des matériaux, l'énergie est également perdue en raison de la dispersion de la variabilité des matériaux et de la présence d'eau. L'eau a deux effets; tout d'abord, l'eau contient des ions qui contribuent à la conductivité en vrac. Deuxièmement, la molécule d'eau absorbe l'énergie électromagnétique à des fréquences élevées généralement supérieures à 1000 MHz (exactement le même mécanisme qui explique pourquoi les fours à micro-ondes fonctionnent).

L'atténuation augmente avec la fréquence, comme le montre la figure 2. Dans les environnements qui se prêtent 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 illustre les tendances générales. Aux basses fréquences (1000 MHz), l'eau est un puissant absorbeur d'énergie.

Puis-je diminuer la fréquence pour améliorer la pénétration?

La réduction de la fréquence améliore la profondeur d'exploration car l'atténuation augmente principalement avec la fréquence. Lorsque la fréquence diminue, cependant, 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 déplacent plus sous forme d'ondes mais diffusent ce qui est le domaine des mesures inductives EM ou 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 d'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 les augmentations de profondeur d'exploration nécessitent de grandes sources d'énergie.

En plus des contraintes pratiques, les gouvernements réglementent le niveau des 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 d'exploration?

Oui, à condition que le matériau à palper 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 distance radar (RRE). Un logiciel pour effectuer ces calculs est disponible et il existe de nombreux articles sur le sujet. Les concepts de base sont illustrés à la figure 4.

Figure 4: La portée du radar, représentée 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 disent 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 les matériaux courants. Un exemple de graphique pour les 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 les observations du «meilleur cas». Comme le montre la figure 9, le matériau à lui seul n'est pas une véritable mesure de la profondeur d'exploration.

Les figures 6, 7 et 8 montrent des exemples qui vont de l'exploration profonde à peu profonde. Le type de matériau peut être vu pour contrôler la profondeur d'exploration. Malheureusement, l'exploration ne peut pas toujours être prédite en ne connaissant que le matériel dans la zone d'étude.

Figure 6: Données d'un granit massif - les reflets sont des fractures. Figure 7: Données montrant la litière dans les dépôts de sable humides. Figure 8: Les données montrent la réponse des barils dans de l'argile limoneuse humide.

La figure 9 montre une coupe où la géologie est essentiellement 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, la connaissance de la conductivité fournit une meilleure mesure de la profondeur d'exploration que la connaissance du matériau.

Figure 9: Coupe GPR à partir du réglage du sable. La profondeur d'exploration est déterminée par la conductivité de l'eau interstitielle et non par le sable. Les contaminants lixiviés d'une décharge provoquent une conductivité (et une profondeur d'exploration) variables avec la position.

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