Evaluation of the geophysical boreholes siting in hard rock aquifers in a tropical environment (Benin, West Africa): contribution of the electrical resistivity tomography for the characterization of the hydrogeological target
Évaluation de l’implantation géophysique des forages d’eau en zone de socle en milieu tropical (Bénin, Afrique de l’Ouest) : apport de la tomographie de résistivité électrique pour la caractérisation de la cible hydrogéologique
Abstract
In the basement rocks of West Africa and particularly in Benin, which consists of 80% basement rock, despite prior borehole siting studies, 40% of boreholes are considered "negative" (<700 l / h) thus constituting a significant loss in effort. This study aims to improve the geophysical aspects of borehole siting in order to improve the borehole success rate. An evaluation of the so-called "Direct Current" geophysical method (mainly used to date by practitioners) is carried out, after having determined the hydrogeological target to be favored for the borehole sitting. For this evaluation, at 6 experimental sites we evaluated the sensitivity of the parameters of the electrical method (resistivity and chargeability) to (1) the hydrogeological target (by comparing the parameter values measured in boreholes with borehole logs), (2) the hydrogeological parameters (specific yield and hydraulic conductivity obtained by pumping tests), and (3) the clay content (via X-ray diffractometry and methylene blue test). Subsequently, we assessed the capacity of different geophysical measurement techniques (Electrical Profiles - EP, Electrical Soundings - ES, and Electrical Resistivity Tomography - ERT) to characterize the target from the surface by means of (1) numerical modeling and (2) field measurements at 7 sites.
The results reveal that the hydrogeological target to be favored in a basement context in tropical environments (where saprolite is generally considerable) is the zone where the thickness of the “saprolite” and the first meters of the “Stratiform Fractured Layer” (SFL) are the most important. Saprolite and SFL must be characterized by resistivities respectively between 150 and 400 ohm.m and between 800 and 2,000 ohm.m. Resistivity is more discriminating than chargeability. These two geophysical parameters increase with specific yield and with hydraulic conductivity, and decrease significantly with swelling clay content (smectites). This work demonstrates that the currently applied traditional geophysical techniques (EP and ES) can largely deceive the practitioners: the EP produces important anomalies in clayey zones and do not characterize the hydrogeological target, while the ES underestimates almost systematically the target thickness (saprolite + SFL). However, the most elaborate technique, the ERT, characterizes well the hydrogeological target by giving reliable information on its geometry. ERT allows the assessment of the hydrogeological quality of the target because it adequately recognizes the clay zones which are to be avoided while drilling. An analysis of the current economic model of geophysical prospecting in Benin shows that the extra cost due to the use of ERT as a matter of routine should be largely compensated by the reduction of the failure rate by at least 5%, a figure which will most probably be exceeded thanks to the gain in very significant information that this technique provides regarding the knowledge of the local hydrogeological conditions around a future borehole. Consequently, we recommend the abandonment of the techniques of electrical profiles and soundings traditionally used for the benefit of the Electricity Resistivity Tomography.
En zone de socle d’Afrique de l’Ouest et particulièrement au Bénin, constitué de 80 % de roche de socle, malgré l’étude d’implantation préalable, 40 % des forages d'eau sont « négatifs » (<700 l/h), constituant ainsi une perte importante. Cette thèse vise à améliorer la partie géophysique de l’implantation des forages afin d’améliorer le taux de succès des forages. Pour cela, une évaluation de la méthode géophysique dite « électrique à courant continu » (principalement utilisée par les praticiens), est faite après avoir défini la cible hydrogéologique à privilégier pour l’implantation de forage dans un contexte de socle à altération épaisse. Pour cette évaluation, nous avons vérifié sur 6 sites expérimentaux la sensibilité des paramètres de la méthode électrique (résistivité et chargeabilité) à (1) la cible hydrogéologique en comparant les valeurs mesurées en forages (diagraphies) aux relevés des forages, (2) aux paramètres hydrodynamiques (porosité de drainage et conductivité hydraulique obtenues via essais de pompage), et (3) à la teneur en argile (via diffractométrie de rayons X et test de bleu de méthylène). Nous avons par la suite, évalué la capacité des techniques de mesure géophysiques (Profils Electrique – PE, Sondages Electrique – SE, et Tomographie de Résistivité Electrique – ERT) à caractériser la cible depuis la surface grâce à (1) des modélisations numériques et (2) des mesures de terrain sur 7 sites.
Les résultats révèlent que la cible hydrogéologique à privilégier dans un contexte de socle en milieu tropical (où l’altération est généralement considérable) est la zone où l’épaisseur de la « Zone Altérée » (ZA) et les premiers mètres de la « Zone Fracturée Stratiforme » (ZFS) sont les plus importants, zones qui doivent être caractérisées par des résistivités respectivement comprises entre 150 et 400 ohm.m et entre 800 et 2.000 ohm.m. La résistivité est plus discriminante que la chargeabilité pour l’identification de la cible hydrogéologique. Ces deux paramètres géophysiques augmentent avec la porosité de drainage et la conductivité hydraulique, et diminuent significativement avec la teneur en argile gonflante (smectites). Il s’avère que les techniques géophysiques traditionnelles pratiquées (PE et SE) peuvent largement tromper les praticiens : ainsi les PE produisent des anomalies importantes sur les zones argileuses et ne caractérisent pas la cible hydrogéologique, tandis que les SE sous-estiment quasiment systématiquement l’épaisseur de la cible (ZA+ZFS). Par contre, la technique la plus élaborée, l’ERT, caractérise bien la cible hydrogéologique en donnant une information fiable sur sa géométrie et permet d’apprécier sa qualité hydrogéologique en identifiant clairement les zones argileuses qu’il faut éviter pour une implantation de forage. Une analyse du modèle économique actuel des prospections géophysiques au Bénin montre que le surcoût de son utilisation en routine devrait être largement compensé par la diminution d’au moins 5 % du taux d’échec, chiffre qui sera très probablement dépassé grâce au gain d’information très significatif que cette technique apporte dans la connaissance des conditions hydrogéologiques locales autour d’un futur forage. En conséquence, nous préconisons l’abandon des techniques de profils et de sondages électriques traditionnellement employées, au profit de la Tomographie de Résistivité Electrique.
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