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Thèse Année : 2021

Geophysical Methods for Field-Scale Characterization of Soil Structure

Méthodes géophysiques pour la caractérisation de la structure du sol sur le terrain

Résumé

Soil is a critical natural resource and the most biologically active compartment of the biosphere. Soils support global agriculture and forestry and they host hydrological processes largely controlling the recharge of the world's groundwater resources. Soil structure or architecture, referring to the binding and arrangement of soil constituents, is an important trait that supports a wide array of soil hydro-ecological functions. Despite its importance, soil structure remains difficult to define and characterize particularly at scales relevant to field applications. Typically, soil structure characterization relies on laboratory measurements on core samples or on episodic small scale field measurements, offering limited perspectives on the spatial and temporal variations of soil structure. The motivation of this thesis rests on the need for characterization techniques that provide soil structure information at relevant spatial scales (e.g., for applications in agricultural operation and management) and can guide strategies to maintain favorable soil structure. Thus, the main objective of this thesis is to evaluate the potential of harnessing geophysical methods to fill the scale-gap in characterization of soil structure and to propose a way forward in using geophysical methods to characterize soil structure directly (via impact of soil pores, transport and mechanical properties on geophysical signals), and indirectly by measurement of surrogate variables (wetness, rates of drainage). First, we identify the geophysical methods that hold the largest potential for characterizing soil structure-related mechanical and hydraulic states. For this, we chose the seismic method for its unmatched sensitivity to the soil mechanical traits and the Direct Current (DC)-resistivity method for its robustness and known sensitivity to the soil water content and pore network characteristics. We present advances on integrative frameworks combining field monitoring and physically-based modeling of seismic and geoelectrical signatures that enable interpretation of measured signals in terms of soil structure. These frameworks were tested at the Soil Structure Observatory (SSO) experimental field site, located in the vicinity of Zürich, Switzerland. The SSO is a long-term experiment designed to study the evolution of soil properties following a compaction event in the spring of 2014. We monitored geophysical data at the SSO focusing on four experimental plots: non-compacted and compacted bare soil and non-compacted and compacted ley. We developed a new pedophysical model to interpret macroscopic seismic properties in terms of soil structure. Based on soil rheology models, our pedophysical model captures subtle soil mechanical signatures by accounting for soil plastic deformation during compaction events. This pedophysical model is used to interpret P-wave velocities monitored in the spring and summer of 2019. The monitored P-wave velocities carried a strong imprint of soil compaction and were roughly 30% higher for compacted soils than for non-compacted soils. The P-wave velocities were well predicted using the contact area between aggregates as the main characterizing feature differentiating soil structure. The model inferred contact areas between aggregates that are 2.9 times larger for compacted than for non-compacted soils. We monitored DC-resistivity data in the spring and summer of 2018. In order to interpret these data, we developed a modeling scheme that combines a new pedophysical model of soil electrical properties and a one-dimensional water flow and heat transfer model. This framework includes a soil-structure specific evaporation model. Raw DC-resistivity data revealed that soil compaction leads to a persistent decrease in soil electrical resistivity (~15%). These differences are well reproduced by our proposed pedophysical model by invoking a reduction of macroporosity and its connectivity by the compaction event. Time-Domain Reflectometry (TDR) and DC-resistivity data revealed that compacted soils (both bare soil and ley) are typically drier (i.e., present greater water losses) than non-compacted soils. To explain this, we invoke differences in evaporation properties to qualitatively reproduce differences in water storage between compacted and non-compacted soils. The monitored seismic and geoelectrical data suggest that soil properties have not yet recovered from compaction. The research reported here is a first step for harnessing geophysical methods to address a long standing challenge of soil structure quantification to inform agronomic activities, diagnose chronic soil degradation (compaction) and help calibrate Land Surface models that rely on currently incomplete soil information. Most importantly, the thesis provides a blueprint for future integration of geophysics and soil research through combined monitoring and modeling.
Le sol est une ressource naturelle essentielle et le compartiment biologique le plus actif de la biosphère. Les sols sont les supports de l'agriculture et de la sylviculture, et ils abritent des processus hydrologiques qui contrôlent en grande partie la recharge des eaux souterraines. La structure ou l'architecture du sol, c'est-à-dire, la liaison et la disposition des constituants du sol entre eux, est un paramètre important pour les fonctions hydro-écologiques du sol. Malgré son importance, la structure du sol reste difficile à caractériser, en particulier à des échelles pertinentes pour les applications sur le terrain. Typiquement, la caractérisation de la structure du sol est faite à partir de mesures en laboratoire sur des échantillons de sol ou de mesures ponctuelles épisodiques, ce qui offre des perspectives limitées sur les variations spatiales et temporelles de la structure du sol. La motivation de cette thèse repose sur le besoin en techniques de caractérisation pour fournir des informations sur la structure du sol à des échelles spatiales pertinentes pour l'exploitation agricole et pour guider des stratégies de maintien de structure de sol favorable. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse est d'évaluer le potentiel de l'utilisation des méthodes géophysiques pour la caractérisation de la structure du sol, soit directement (via l'impact des pores du sol, du transport et des propriétés mécaniques sur les signaux géophysiques), soit indirectement par la mesure de variables de substitution (humidité, taux de drainage). Premièrement, nous avons identifié les méthodes géophysiques qui présentent le plus grand potentiel pour caractériser les états mécaniques et hydrauliques liés à la structure du sol. Pour cela, nous avons choisi la méthode sismique pour sa sensibilité inégale aux caractéristiques mécaniques du sol et la méthode de résistivité en courant continu pour sa robustesse et sa sensibilité connue à la teneur en eau du sol et aux caractéristiques du réseau poreux. Nous présentons des avancées sur les approches intégratives combinant le suivi de données sur le terrain et la modélisation physique des signatures sismiques et géoélectriques qui permettent l'interprétation des signaux mesurés en termes de structure du sol. Ces systèmes ont été testés sur le site expérimental du Soil Structure Observatory (SSO), situé à proximité de Zurich, Suisse. Le SSO est un site d’études expérimentales sur le long terme conçu pour étudier l'évolution des propriétés du sol après un événement de compactage qui a eu lieu au printemps 2014. Nous avons collecté des données géophysiques au SSO en nous concentrant sur quatre parcelles expérimentales: sol nu non compacté et compacté, sol herbeux non compacté et compacté. Nous avons développé un nouveau modèle pédophysique pour interpréter les propriétés sismiques macroscopiques en termes de structure du sol. Basé sur des modèles de rhéologie du sol, notre modèle pédophysique capture les signatures mécaniques subtiles du sol en tenant compte de la déformation plastique du sol lors des événements de compactage. Ce modèle pédophysique est utilisé pour interpréter les vitesses des ondes P mesurées durant le printemps et l'été 2019. Les vitesses de l'onde P observées portaient une forte empreinte dûe au compactage du sol et étaient environ 30 % plus élevées pour les sols compactés que pour les sols non compactés. Les vitesses de l'onde P ont été bien prédites en utilisant la zone de contact entre les agrégats comme principale caractéristique pour identifier les structures du sol. Le modèle a inféré des zones de contact entre les agrégats qui sont 2,9 fois plus grandes pour les sols compactés que pour les sols non compactés, ce qui indique que les sols ne se sont pas rétabli suite au compactage. Nous avons collecté les données de résistivité au cours du printemps et de l'été 2018. Afin d'interpréter ces données, nous avons développé une approche de modélisation qui combine un nouveau modèle pédophysique de propriétés électriques du sol avec un modèle unidimensionnel d'écoulement d'eau et de transfert de chaleur. Cette approche comprend un modèle d'évaporation spécifique à la structure du sol. Les données brutes de résistivité ont révélé que le compactage du sol entraîne une diminution persistante de la résistivité électrique du sol (~15 %). Ces différences sont bien reproduites par notre modèle pédophysique en invoquant une réduction de la macroporosité et de sa connectivité par le compactage. Les données de réflectométrie temporelle (TDR) et de résistivité ont révélé que les sols compactés (sol nu et sol herbeux) sont généralement plus secs (i.e., ils présentent des pertes d'eau plus importantes) que les sols non compactés. Pour expliquer cela, nous invoquons des différences de propriétés d'évaporation pour reproduire qualitativement les différences de stockage de l'eau entre les sols compactés et non compactés. Ce travail de recherche est une première étape dans l’utilisation des méthodes géophysiques pour relever le défi de longue date qu’est la quantification de la structure du sol, pour pouvoir apporter des informations pour la recherche en agronomie, diagnostiquer la dégradation chronique du sol (compactage) et aider à calibrer les modèles de surface terrestre (Land Surface Model, LSM) qui reposent sur des informations incomplètes. La thèse fournit également un plan pour l'intégration future de la géophysique et de la recherche pédologique grâce au suivi des données combiné à la modélisation.
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thesis_ARR4.pdf (79.4 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03207029 , version 1 (23-04-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03207029 , version 1

Citer

Alejandro Romero-Ruiz. Geophysical Methods for Field-Scale Characterization of Soil Structure. Geophysics [physics.geo-ph]. Université de Lausanne, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03207029⟩
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