Les méthodes de géophysique classiques comportent toutes des limitations . Principalement, elles sont assez sensibles aux effets de relief de la surface, aussi bien que de celui du sous-sol. Il y a lieux de bien comprendre ces limites lors de l'implantation sur le terrain.
De plus, il est important de pouvoir caler les mesures avec des forages. Dans des terrains chaotiques et très hétérogène comme les glaciers rocheux il est nécessaire de prévoir ce processus de calibration dès l'implantation sur le terrain.

• But : Minimiser le risque d'obtenir des résultats difficilement utilisable et assurer une calibration optimale.
• Quand : Avant chaque campagne de géophysique
• Résultat : tracés des profils sur carte et matérialisation sur le terrain (peinture, repères)
• Prérequis : analyse cartographique

• Utile pour : la qualité des résultats quelque soit la méthode utilisée

• Choisir les profils en fonction des faiblesses de la technique et des besoins de calibration
• Superposer les données sur une carte des pente
• Discuter de l'implantation avec un géophysicien
• Piqueter les profils sur le terrain en tenant compte de la topographie locale (par. ex gros blocs)

Une part de la difficulté de la mise en œuvre des méthodes géophysiques provient de la conjonction d'une topographie peu propice du fond rocheux et de la surface. Il n'est donc pas toujours possible de prévoir à l'avance la qualité du résultat.

Un autre problème est que la vitesses, respectivement la résistivité peuvent être semblable pour des terrains différents. La méthode ne distingue alors pas le changement de matériau.

Sur la base de la cartographie synthétique, il est possible de faire déjà une première modélisation du fond rocheux. En combinant ces informations avec une simulation géostatistique, il est possible d'optimiser l'implantation des profils de géophysique pour en minimiser la longueur (coûts) et en maximiser les résultats.

1. Connaître les faiblesses de la technique, ce qui déterminera les sites/secteur à prioriser/éviter.
2. Une première phase consiste dans une analyse du terrain (cartographie synthétique de travail).
3. Sur cette base, identifier les axes de plus grandes pentes et les axes transversaux. En sortir les profils en long.
4. Pour l'implantation assurer un minimum de recouvrement avec des zones connues (affleurements rocheux).
5. La réalisation d'un forage peut déjà être un appui important à ce stade.
6. Implanter les premiers profils dans l'axe de plus grande pente.
7. En fonction du résultat de la géophysique sur ces premiers profils, implanter des profils en travers en évitant les zones de faible qualité.
8. Lors de l'implantation et suivant les buts recherchés, ne pas oublié d'acquérir de l'information dans la bordure externe de la zone d'étude afin de pouvoir modéliser au mieux tous le champ à étudier. Ne pas oublier que les méthodes sismiques et géoélectriques n'ont pas une profondeur d'investigation identique sur tout le profil (plus faible sur les bords).

La sismique réfraction enregistre la propagation d’un front d’ondes élastiques le long d’un profil équipé de géophones. Les ondes sismiques sont réfractées aux contacts entre différentes couches géologiques et se propagent à des vitesses différentes, avec \begin{equation} \frac{sin(\alpha)}{sin(\beta_c)}=\frac{V_1}{V_2} \end{equation}

Figure 4.1 Schéma du principe de réfraction

En mesurant le temps d’arrivée de la première onde sismique, une méthode permet d’en calculer sa vitesse et ensuite de déterminer le nombre et l’épaisseur des couches géologiques.

En connaissant les vitesses théoriques d’une formation géologique il est possible de réaliser une représentation géologique du sous-sol.
Du fait des matériaux très hétérogènes et du relief prononcé, l'utilisation de la réfraction dans un contexte de glacier rocheux peut être délicate. Le projet de campagne d'acquisition doit impérativement être établi en collaboration avec un géophysicien.

• But : Déterminer la profondeur et la topographie du toit du bedrock, éventuellement identifier la nature du remplissage sédimentaire.
• Quand : Après les mesures de déplacement et la cartographie.
• Résultat :
  • Un profil XZ de la vitesse des ondes sismiques dans le sous-sol
  • Après interprétation : des lignes d’interface entre deux couches géologiques
• Prérequis : Analyse des documents existants, des cartes et de l’analyse des déplacements pour implanter les profils.
• Utile pour :
  • Implantation des forages
  • Calculer les volumes

• Matériel : géophones, câbles sismiques, enregistreur sismique (séismographe) et source d'énergie (explosifs, chute de poids ou marteau). En général, tout le matériel peut être transporté par hélicoptère dans un seul filet (~450 kg).

Figure 4.2 Déploiement du matériel dans le terrain.

• Dans une première approche on peut dimensionner la profondeur d'investigation h par la relation avec la longueur L de la ligne d'acquisition : \begin{equation} h \approx \frac13 \cdot L \end{equation}
• Un bon dimensionnement des tirs d'offset permet d'assurer une profondeur d'acquisition uniforme sur le profil.
• Mesurer la position des géophones avec une précision centimétrique (DGPS + opérateur compétent).
• Dans le but d’améliorer la comparaison entre le résultat des forages et des profils sismiques, implanter, si possible, les profils proches de gros blocs pour fixer une foreuse.
• Eviter d’implanter les profils trop proches de la rupture de pente, ou d'un “nunatak”, la méthode étant sensible aux effets de bord.

Figure 4.3 Distance au plus court chemin.

• Les géophones sont plantés à la perceuse dans des blocs ou dans le sol lorsque c’est possible, à 5 m d’intervalle. La longueur des profils varie entre 240 et 360 m.
• Tirs réalisés aux explosifs ou à la masse avec un espacement de 10 à 30 m.
• Les charges explosives peuvent rarement être enterrées dans les types de terrains étudiés et doivent donc être enfouies sous de gros blocs. Des chutes de blocs ainsi que des projections en l’air représentent un danger potentiel pour le personnel et le matériel.

Figure 4.4 Source sismique (125g d'explosif).

• Avec une équipe bien préparée et à l’aise en terrain difficile il est possible d’enregistrer en moyenne deux profils de 240 m avec 48 géophones par jour.

• Les données sont traitées conventionnellement et par inversion tomographique. Cela permet d’obtenir un modèle du temps de parcours des ondes tenant compte du relief, ce qui est impossible à calculer par les méthodes traditionnelles. Ce modèle est ensuite inversé pour obtenir un modèle de vitesses. Le logiciel recherche par optimisations successives un modèle de vitesses le plus proche possible des données expérimentales enregistrées sur le terrain.

Plusieurs logiciels d'inversion existent sur le marché et donnent généralement des résultats similaires (Sheehan et al. 2005).

• A partir du modèle obtenu, les dromochroniques calculées peuvent être comparées à celles observées lors du tir et l’erreur entre les deux (RMS ) est donnée par le logiciel. Si cette erreur augmente à chaque itération, le modèle s’éloigne de la réalité à chaque nouvelle tentative d’inversion et de nouvelles itérations sont inutiles.
• Le site de GEO2X met à disposition des ressources intéressantes.

• Manque de contraste et hétérogénéité entre les vitesses sismiques des terrains investigués. Par exemple nous avons rencontrés de la glace où les ondes sismiques se propageait à 3'700 ms^-1 ce qui peut aussi être la vitesse rencontrées dans des roches altérées.
• Artefacts.
• Différences des résultats selon la période de l’année choisie (présence de plus ou moins de glace ou d’eau de fonte).

• Acquisition et traitement de la sismique réfraction en 3D.
• Comparaison de profils identiques à différents moments de l’année pour un suivi de l’évolution du sous-sol.

Même si l’acquisition des enregistrements est possible et de bonne qualité, deux points principaux soulèvent des questions dans le cadre de l'étude d'un glacier rocheux:

• Premièrement, les terrains investigués manquent de contraste entre les vitesses sismiques. En théorie, des schistes cristallins sains tels que ceux du glacier Bonnard ont une vitesse de l’ordre de 3’600-3’700 ms^-1, mais de la glace de glacier fortement compactée peut atteindre des vitesses sismique de 3'500-3'800 ms^-1 (cette vitesse dépend de la profondeur (densité) et de la température de la glace, Kohnen 1972, Diez et al. 2010). Nous avons remarqué que certains profils, dont une extrémité est située sur des affleurements rocheux donnent, après inversion, des vitesses de 1’500-2'000 ms^-1. De telles vitesses correspondent plutôt à des terrains meubles ou du bedrock altéré – fissuré. Cependant, sur certains profils il a été possible de calculer la vitesse du bedrock >4'000 ms^-1 en utilisant les données des tirs offset (nous supposons que le bedrock protégé sous le glacier est moins altéré et fissuré), alors que cette valeur a été rarement atteinte dans le centre des profils. Il probable que dans ces cas la vitesse dans la glace joue le rôle de masque pour les couches sous-jacentes. Finalement, sur un seul profil il est possible que le bedrock change de vitesse, rendant l'interprétation de la profondeur du toit du bedrock très difficile. Il n’est donc pas possible d’interpréter tous les profils de la même manière.
• Deuxièmement l’inversion n’est pas capable de recréer avec fidélité les dromochroniques pour les profils qui passent une cassure de pente. Dans cette disposition-là, la comparaison entre la courbe temps-distance mesurée et celle calculée montre une forte divergence. Il se peut que les artefacts observés soient dus autant à la topographie de surface que de celle du bedrock en profondeur. Pour des cas simple, il serait possible d'inférer la forme du bedrock depuis celle des artefacts (Sheehan et al. 2005), mais dans des cas réels comme les glaciers rocheux, plusieurs effets sont combinés.

Au vu des problèmes non encore résolus dans les zones raides composées de matériaux peu compactés, l'implantation doit se faire en 2 temps:

• Un premier profil dans l'axe de la pente doit être réalisé.
• En fonction du résultat de la tomographie (position des artefacts) 2 profils en travers seront implantés.

Comme lors de toute campagne géophysique, il est nécessaire de croiser l’interprétation avec d’autres méthodes géophysiques ou de calibration, par exemple le résultat des forages permet de calibrer les vitesses sismiques avec les terrains observés.
Dans le cas des deux sites étudiés lors du projet INTERREG IV, plusieurs campagnes ont été réalisées sur plusieurs années et à des saisons différentes. Les conditions de glace dues à la fonte ou à la création de lentille de ségrégation peuvent modifier les résultats de la sismique réfraction et ainsi rendre la comparaison entre profils de moments différents compliquée, voire fausse.
Malgré toutes ces difficultés, la sismique réfraction donne une image du sous-sol.

La sismique réflexion est une méthode de prospection qui permet de visualiser les structures géologiques en profondeur grâce à l'analyse des échos d'ondes sismiques. Les temps de parcours peuvent ensuite être converti en profondeur. La méthode ne fonctionne bien que si l’épaisseur de matériaux lents est supérieur à ~20 m.

• But : Déterminer la profondeur du toit du bedrock.
• Quand : Après la sismique réfraction.
• Résultat : Une image des réflecteurs dans le sous-sol.
• Prérequis :
  • Analyse des documents existants, des cartes et de l’analyse des déplacements pour implanter les profils.
  • Sismique réfraction pour connaître l’épaisseur des matériaux lents.
• Utile pour :
  • Implanter les forages.
  • Calculer les volumes.

• Matériel : géophones, câbles sismiques, enregistreur sismique (séismographe) et source d'énergie (explosifs, chute de poids ou marteau). Tout le matériel peut être transporté par hélicoptère dans un seul filet (~450 kg).

Figure 4.5 Géophone installé dans le terrain.

• Profondeur d’exploration au minimum 30m avec les géométries habituelles et le maximum dépend de la source d'énergie.
• Mesurer la position des géophones avec une précision centimétrique (DGPS).
• Dans le but d’améliorer la comparaison entre le résultat des forages et des profils sismiques, implanter, si possible, les profils proches de gros blocs pour fixer une foreuse.
• Eviter de placer les profils trop proches de la rupture de pente, la méthode étant sensible aux effets de bord. Les géophones sont plantés à la perceuse dans des blocs ou dans le sol lorsque c’est possible, à 5 m d’intervalle. La longueur des profils varie entre 240 et 360 m.
• Les pertes énergétiques des ondes réfléchies étant plus faibles que celle des ondes réfractées, il est possible d'utiliser une source sismique moins puissante(par ex. masse). Les tirs sont faits au niveau de chaque géophone.
• Les données acquises de cette manière peuvent également être utilisées pour une analyse de sismique réfraction.

Les mesures de temps sont converties en profondeur pour permettre la visualisation des réflecteurs.

Le dispositif étant quasi identique à la sismique réfraction, les mêmes écueils peuvent être rencontrés.

Acquisition et traitement de la sismique réflexion en 3D

L'installation du dispositif d'acquisition est similaire à celui utilisé en réfraction. Seul le nombre de tir est différent puisqu'en plus des tirs d'offset un tir est réalisé à l'emplacement de chaque géophone. Les données doivent ensuite être post-traitées (addition des traces, filtrage, augmentation du contraste, déconvolution et migration). Seulement une fois ce travail effectué, le temps est converti en distance/profondeur (cf. p.45 dans Jenny 2005a).

Le géoradar, (Ground Penetrating Radar, GPR), émet des ondes radios de hautes fréquences dans le sol. On enregistre le temps de parcours des ondes entre l'antenne émettrice, l'interface de réflexion et l'antenne réceptrice. Les ondes sont réfléchies par les couches du sous-sol selon le même principe que la sismique réflexion. En fonction de la constante diélectrique du matériau investigué (qui définit la vitesse de propagation des ondes électromagnétique, il est possible de convertir ce temps en distance. En modifiant la fréquence des ondes il est possible de varier la profondeur maximale d’investigation et la résolution du résultat.

• But : Déterminer la profondeur du toit du bedrock. Eventuellement mettre à jour d’autres couches comme la glace.
• Quand : Après les mesures de déplacement et la cartographie.
• Résultat : Une image du sous-sol avec les réflecteurs.
• Prérequis : Analyse des documents existants, des cartes et de l’analyse des déplacements pour implanter les profils.
• Utile pour :
  • Implanter les forages.
  • Calculer les volumes.
  • Calibrer d'autres méthodes géophysiques.

• Profondeur d’exploration : dépendant de la fréquence (type d'antenne) 100 MHz ~10 m, 50 MHz ~20 m. On peut aussi donner la règle approximation suivante qui relie la profondeur h à la conductivité du matériau sigma [mS/m]:\begin{equation} h \approx \frac{35}{\sigma} \end{equation}

• Relever la position du traineau en continu avec une précision centimétrique (DGPS).

Le temps de trajet des ondes réfléchies est converti en profondeur en choisissant une vitesse de propagation dans les matériaux traversés. Elle peut être choisie dans la littérature ou en la calibrant avec des profondeurs connues (forage par exemple).

Certains réflecteurs sont visibles, mais rarement continu et peuvent se chevaucher. Il est donc difficile de dessiner des couches sans savoir à quel type d’interface ils correspondent : toit du bedrock ou lentille de glace ?

• Des tests sont en cours de réalisation pour une acquisition par hélicoptère. Les temps d’acquisition seraient considérablement réduits et un grand nombre de profils pourraient être réalisés par vol. Il serait aussi possible de réaliser l’acquisition à n’importe quel moment de l’année.
• Les dispositifs d’acquisition deviennent de plus en plus petits et facilement portables. L'acquisition pourrait devenir beaucoup plus rapide et facile, accroissant le nombre de données disponibles.

Au Glacier Bonnard, quelques tests d’utilisation du GPR ont été réalisés. Du fait du grand nombre d'hyperboles de réfraction dues à la présence de gros blocs le traitement des images est assez lourd. Toutefois des réflecteurs assez bien marqués étaient visibles par endroits. Cette méthode nécessite encore un peu de développement dans ce genre d'environnement.

La résistivité électrique du sol est mesurée entre toutes les électrodes d’un profil. En connaissant les valeurs théoriques de résistivité d’un type de formation il est possible d’arriver à une représentation du sous-sol.

• But : Déterminer l’extension de la glace dans le sous-sol.
• Quand : Après les mesures de déplacement et la cartographie.
• Résultat : Une image de la résistivité du sous-sol.
• Prérequis : Analyse des documents existants, des cartes et de l’analyse des déplacements pour implanter les profils.
• Utile pour :
  • Implanter les forages.
  • Calculer les volumes.

• Matériel : électrodes, eau salée et éponges, câbles, résitivimètre et batteries. Le matériel peut être transporté par hélicoptère dans un filet.
• Profondeur d’exploration : dépendant de la longueur du dispositif soit :
  • (pour une configuration Wenner et dipôle- dipôle \begin{equation} h \approx 0.2* L \end{equation}au centre du dispositif.
  • Pour assurer une continuité de l'imagerie avec un procédure de déroulement et en fonction du nombre de segments réalisés on à pour 2 segments (48 électrodes)\begin{equation} h \approx \frac{1}{2} 0.2* L \end{equation}
  • pour 4 segments (48-72 électrodes) \begin{equation} h \approx \frac{3}{4} 0.2* L \end{equation}
  • pour 6 segments \begin{equation} h \approx \frac{5}{6} 0.2* L \end{equation}
• Mesurer la position des électrodes avec une précision < 1 m (DGPS + opérateur compétent).
• Dans le but d’améliorer la comparaison entre le résultat des forages et des profils électriques, implanter, si possible, les profils proches de gros blocs où fixer une foreuse.
• Evitez d’implanter les profils trop proches de la rupture de pente, la méthode étant sensible aux effets de bord.
• Pour améliorer le passage du courant électrique, les électrodes sont plantées dans des éponges imbibées d’eau salée. Lorsque les blocs sont trop gros, il n’est plus possible de planter les électrodes dans la couche de débris fins, et elles sont bloquées le plus profond possible entre les blocs.

En procédant à une inversion, on obtient une image 2D de la résistivité du sous-sol. L’erreur du modèle peut également être calculée.

La puissance de calcul permet maintenant d'imaginer réaliser des acquisitions et un traitement des tomographie de resistivité électrique en 3D