Mesure simultanée aux fréquences moyennes et cartographie de la permittivité diélectrique et de la conductivité électrique du sol - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Simultaneous measurement in the medium frequency range and mapping of the soil dielectric permittivity and electrical conductivity

Mesure simultanée aux fréquences moyennes et cartographie de la permittivité diélectrique et de la conductivité électrique du sol

Résumé

The research work submitted in this PhD dissertation deals with the study of soil electrical conductivity and dielectric permittivity in the medium frequency range (100 kHz - 10 MHz). The aim of the study is to develop a new mapping method where these two electrical parameters are simultaneously determined. The electrical conductivity and the dielectric permittivity are sensitive to the soil state parameters, and particularly to its water content. Coupling the information brought by the two electrical parameters leads to the estimation of soil water content at each measurement point. Laboratory measurements were led in order to better understand the evolution of these two parameters contingent on the frequency. Dielectric permittivity and electrical conductivity of sand samples, artificial mixtures of sand and clay (kaolinite and bentonite) in various proportions and natural loamy soil samples were measured for different water content. We studied the effect of the clay content, clay mineralogy and electrolytic salinity. For clay free samples, existing theoretical models are well predicting the high frequency response of the studied material as a function of water content. When the frequency becomes lower than 2 MHz, other types of polarization arise. These effects are all the more important than the clay content is high. They are linked to the surface properties of the clay contained in the soil sample (cation exchange capacity, specific surface area). If complex modeling must be considered in order to physically understand these relations, we first choose to establish an empirical relation that allows the discrimination of the dielectric permittivity linked to the dipolar polarization (HF permittivity due to the rotation of water molecules). An in situ electromagnetic prototype was developed in parallel. It is composed of two fixed perpendicular coils (Slingram geometry) and worked at 1.56 MHz. After calibration, we tested the response of the prototype to objects with known properties. The first in situ measurements were led on experimental sites with different types of soils and different water content variations (artificially created or natural): sandy alluvium on a plot of INRA (French National Institute for Agricultural Research) in Orléans (Centre, France), a clay-loam soil on an experimental site in Estrée-Mons (Picardie, France) and fractured limestone at the vicinity of Grand (Vosges, France). In the case of the sandy alluvium, the values of dielectric permittivity measured are closed to those of HF permittivity and allow the use of existing theoretical models to determine the soil water content. For soils containing higher amount of clay, empirical relations established using the laboratory experimentations are used to calculate a first estimation of the water content. These values are confirmed by the measured mass water contents.
Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la conductivité électrique et de la permittivité diélectrique du sol dans le domaine des fréquences moyennes (100 kHz-10 MHz), l'objectif étant de développer une nouvelle méthode de cartographie simultanée de ces paramètres électriques. La conductivité électrique et la permittivité diélectrique étant sensibles aux paramètres d'état du sol, et notamment à sa teneur en eau, le couplage des informations apportées par ces deux paramètres doit permettre d'estimer la valeur de la teneur en eau en chaque point de mesure. Des mesures en laboratoire ont été réalisées afin de connaître l'évolution de ces deux paramètres en fonction de la fréquence. La permittivité diélectrique et la conductivité électrique d'échantillons de sable, de mélanges artificiels de sable et d'argiles (kaolinite et bentonite) en proportions variées et de sol limoneux ont été mesurées pour différentes teneurs en eau. Nous avons étudié l'effet de la teneur en argile, de la minéralogie des argiles impliquées ainsi que de la salinité de l'électrolyte. Dans le cas d'échantillons propres (sans argile), les lois de comportement existantes prédisent correctement la réponse à haute fréquence des matériaux étudiés en fonction de la teneur en eau. Des effets de polarisation d'interface s'ajoutent à la polarisation dipolaire des molécules d'eau pour des fréquences inférieures à 2 MHz. Ces effets sont d'autant plus importants que la teneur en argile augmente. Ils sont liés aux propriétés surfaciques de l'argile présente (capacité d'échange cationique, surface spécifique). Pour comprendre ces relations, des modèles complexes doivent être élaborés et testés. Nous avons privilégié une première approche qui consiste à établir une relation empirique afin de retrouver la valeur de la permittivité diélectrique liée à la polarisation dipolaire (permittivité HF due à la rotation des molécules d'eau). En parallèle a été développé un prototype d'appareil électromagnétique de mesure in situ, de type Slingram, composé de deux bobines perpendiculaires (PERP), qui fonctionne à 1,56 MHz. Après avoir étalonné l'appareil et testé sa réponse à des objets de propriétés connues, plusieurs sites d'expérimentation ont été choisis : des alluvions sableuses à l'INRA d'Orléans (Centre), des luvisols limoneux de l'INRA d'Estrée-Mons (Picardie) et des calcaires fracturés du site de Grand (Vosges). Ils présentent tous des natures de sols différents ; et des contrastes de teneurs en eau, naturels ou artificiels y ont été mesurés. Si, dans le cas des alluvions sableuses, les permittivités diélectriques sont du même ordre de grandeur que les permittivités HF et permettent de retrouver la teneur en eau du sol à partir des modèles théoriques existant, il n'en est pas de même pour des sols plus riches en argile. Les relations empiriques établies à l'aide des expérimentations en laboratoire permettent alors une première estimation de la teneur en eau, conforme aux teneurs en eau massiques des échantillons prélevés.
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Dates et versions

tel-00787908 , version 1 (14-02-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00787908 , version 1

Citer

Pauline Kessouri. Mesure simultanée aux fréquences moyennes et cartographie de la permittivité diélectrique et de la conductivité électrique du sol. Géophysique [physics.geo-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00787908⟩
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