2D Electrical Resistivity Tomography surveys optimisation of solutes transports in porous media

International audienceThe purpose of this study is to quantify experimentally the evolution of dissolved species in porous media from 2D resistivity models. Transport experiments are carried out at the laboratory scale by performing flow in a model porous medium obtained by filling a transparent container with mono disperse glass beads. A tracer made by mixing a dissolved of blue dye and a known NaCl concentration is injected with a constant flow rate through the porous medium already saturated by a transparent fluid. ERT measurements are acquired during the fluid flow. The measurement conditions and the inversion parameters are estimated so that the relation between spatial and temporal resolutions is optimised. A video follow-up is also carried out during the upward tracer propagation. The comparison of the temporal evolution of the NaCl concentration distribution estimated from ERT models with Video analysis shows remarkable agreement

Reply to the comment by A. Revil on ''Review of Self-potential methods in Hydrogeophysics'' by L. Jouniaux et al. [C. R. Geoscience 341 (2009) 928-936]

International audienceWe did not discuss subjects that are still not well understood and still being debated since the title of our paper includes "review". We did not review and discuss all aspects of the theoretical background based on microscaled thermodynamics because we focused on field applications in hydrogeophysics. Moreover we submitted our manuscript in 2008 and thus did not acknowledge any paper published in 2009. However this comment is of interest because it gives us the opportunity to provide more precision by answering some points

2D Electrical Resistivity Tomography survey optimisation of solute transport in porous media

The purpose of this study is to quantify experimentally the evolution of dissolved species in porous media from 2D resistivity models. Transport experiments are done at the lab level by performing flow in a model porous medium obtained by filling a transparent container with mono disperse glass beads. A tracer made by mixing a dissolved blue dye and a known NaCl concentration is injected with a constant flow rate through the porous medium already saturated by a transparent fluid. ERT measurem..

Review of Self-potential methods in Hydrogeophysics

International audienceThe self-potential (SP) method is a passive geophysical method based on the natural occurrence of electrical fields on the Earth's surface. Combined with other geophysical methods, SP surveys are especially useful for localizing and quantifying groundwater flows and pollutant plume spreading, and estimating pertinent hydraulic properties of aquifers (water table, hydraulic conductivity). Laboratory experiments have shown that the involved coupling coefficients mainly depend on the fluid chemistry, conductivity and pH, and on the soil or rock properties. The interpretation of SP observations can be done qualitatively, for instance by correlation of SP gradients with water fluxes (through electrokinetics) or salt fluxes (through electro-diffusion). In recent years, the interpretation has been improved with the help of modelling or/and inversion of the Poisson equation and endeavours to estimate hydraulic parameters by means of the intensity of electric current sources caused by underground flows

Tomographie électrique: Développements Méthodologiques et Applications.

Mémoires de Géosciences Rennes, nO 98, 129 p. ISBN: 2-905532-97-1La tomographie électrique est une méthode géophysique permettant d'obtenir la répartition de la conductivité des roches à partir de mesures de potentiel électrique. Une large partie de cette thèse est constituée d'un développement méthodologique concernant l'interprétation des données électriques. ~interprétation des données se décompose en deux problèmes : le problème direct et le problème inverse. Le problème direct permet d'obtenir le champ de potentiel électrique en fonction de la distribution de conductivité. Il permet donc de tester les modèles de conductivité fournis par le problème inverse qui explorent l'espace des solutions afin de converger vers le meilleur modèle. Le problème direct est résolu numériquement via une méthode mu Itigrille qui permet de résoudre rapidement de larges systèmes linéaires. Une paramétrisation multi-échelle et adaptative est utilisée pour la résolution du problème inverse. Cette paramétrisation évolue pendant le processus d'inversion afin d'aboutir à une paramétrisation optimale. Ceci rend le problème fortement non-linéair e et donc seules des méthodes inverses pleinement non-linéaires comme le reouit simulé sont envisageables. Le couplage du recuit simulé et de la descente du simplexe permet d'obtenir une méthode inverse hybride. Les tests synthétiques ont permis de montrer l'intérêt d'une paramétrisation multi-échelle adaptative. Effectivement lorsque cette paramétrisation devient optimale pour le modèle considéré, la décroissance de la fonction coût est relativement brutale, l'inversion converge alors rapidement vers le meilleur modèle. L'interprétation de données électriques réelles a été réalisée sur un terrain relativement simple et bien documenté. La distribution de résistivité obtenue a été comparée avec les résultats d'une analyse en ondelettes continue et des données de carottage. On a alors abouti à une bonne cohérence entre les différentes sources d'informations, permettant de valider la méthode inverse.No abstrac

Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform: Application to self-potential profiles

International audienceWe show how the continuous wavelet transform may be used to quickly localize and characterize the sources of self-potential anomalies. The method is applied to synthetic examples and to a self-potential profile crossing a shallow fault zone

Multiscale electrical impedance tomography

International audienceElectrical impedance tomography aims to recover the electrical conductivity underground from surface and/or borehole apparent resistivity measurements. This is a highly nonlinear inverse problem, and linearized inverse methods are likely to produce solutions corresponding to local minima of the misfit function to minimize. In the present paper, electrical impedance tomography is addressed through a nonlinear approach, namely, simulated annealing, in order to escape from local minima and to produce conductivity distributions independent of the starting models. Simulated annealing belongs to the Monte Carlo family which needs numerous forward modelings, and particular attention is paid both to the forward numerical solution of the Poisson equation and to the parameterization of the inverse problem, i.e., the way the conductivity distribution is mathematically represented. The 2.5-dimensional forward problem is solved through a multigrid approach which iteratively solves the Poisson equation from large to small scales. In the same spirit, the conductivity model is parameterized in a multiscale way by representing the conductivity distribution with a superimposition of block whose sizes (in suitable units) are integer powers of 2. The multiscale inversion is implemented in a sequential way by first inverting for the conductivity of the coarser blocks and by progressively incorporating finer blocks in the conductivity model. A decision stage based on a sensitivity analysis is performed before incorporating finer blocks in order to optimize the parameterization by not adding unnecessary details into the conductivity model. Both a synthetic example and a field experiment are used to explain the method, and comparisons with a linearized inversion technique are done

Estimation des paramètres hydrodynamiques des sols à partir d une modélisation inverse de données d infiltration et de résistivité électrique

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation de la dynamique de transports dans les milieux fractures par tomographie de resistivité électrique (développements méthodologiques et expérimentaux.)

La tomographie de résistivité électrique (ERT) est une méthode courante géophysique de terrain, souvent utilisée pour détecter et l évolution suivre les panaches de polluants en zone saturée. L ERT est cependant une méthode intégratrice dont la fiabilité des modèles est confronte aux problèmes de non unicité des solutions du problème inverse. Ces contraintes limitent l interprétation des modèles a un aspect qualitatif de la distribution des contrastes de résistivité modélises en 2D ou 3D, résultant du choix des paramètres d inversion et de l association de paramètres du milieu non identifiables a l échelle du volume poreux.Cette thèse propose de tester la faisabilité de la méthode pour quantifier les paramètres de transport de polluants et de solutés miscibles au contact des eaux souterraines, ainsi que la sensibilité des paramètres d inversion les plus influents sur la modélisation.Les tests expérimentaux sont réalisés en laboratoire sur des empilements 2D de billes de verre sphériques (de l ordre de la 100èn de m) dans un réservoir en plexiglas transparent. Deux réseaux verticaux de 21 électrodes sont disposes sur les bords latéraux du réservoir pour effectuer le suivi ERT du traceur sale (NaCl dissout) a partir de 210 points de mesures en dipôle-dipôle transverse acquis toutes les 5 minutes afin d optimiser la résolution temporelle. Le dispositif est également dispose face a un panneau lumineux permettant de réalise un suivi vidéo simultané du colorant.L analyse vidéo révèle une propagation plus rapide du colorant sur les bords latéraux qui reste somme toute négligeable pour les débits a la pompe les plus faibles. En revanche les mesures ERT sont fortement perturbées par les effets résistant de la cellule plexiglas qui se répercutent sur les modèles. La normalisation des mesures de résistivité apparente à partir d une série acquise à l état initial permet de les atténuer fortement.La modélisation est particulièrement sensible au choix du maillage, aux normes appliques (L1 ou L2) sur les données et les paramètres, et au facteur d amortissement _. Des valeurs trop élevées de _ et du facteur d acceptance tendent à lisser les contrastes au niveau du front de dispersion et augmentent l impact des effets des bords horizontaux sur D et _. A l inverse, une modélisation contrainte par de faibles valeurs de a et du facteur d acceptante donne des résultats plus proches l analyse vidéo, mais produit des effets de bosses à l avant et à l arrière du front.La vitesse interstitiel u est indépendante du choix des paramètres d inversion pour l ERT. Pour les deux méthodes u est toujours inférieure au débit impose par la pompe, dont le décalage est exprimé par le facteur retard Rf . Les effets de retard résultent de l adsorption du Na+ sur les surfaces des billes de verre chargées négativement qui retarde le front de dispersion du suivi ERT. Pour le suivi vidéo, la taille importante de la molécule du colorant favorise son piégeage dans les zones ou la perméabilité est plus faible, en plus d une éventuelle affinité avec la surface solide. Les contrastes de conductivité et la stabilité de l interface créent par la différence de densité entre les fluides testes ici n ont pas d influences significatives sur la dispersion qui est dominée par le débit impose a la pompe. Les estimations du coefficient de dispersion D en fonction du nombre de Péclet sont cohérentes avec la courbe théorique de Bachmat (1968). Cependant la dispersivité a augmente pour les vitesses d écoulement les plus élevées. Les premières expérimentations de terrain réalises en 2D sur des sables de Fontainebleau présentent l avantage de s affranchir des effets de bords inhérents au laboratoire. En revanche la recalibration des données normalisées par la loi de Archie est plus complexe puisqu il est nécessaire de tenir compte de l état de saturation de la résistivité des fluides initialement présents. De plus l erreur importante sur les modèles ne permet pas de déduire une estimation fiable des paramètres de transport u, a (ou D), et Rf .Electrical resistivity tomography is a common geophysical method often used to detect and follow plumepollutants in aquifers. However ERT is an integrative method whose reliability of the models is faced tothe non-unicity of the inverse problem solutions. These constraints limit the interpretation to a qualitativeview of the resistivity contrasts modelled in 2D or 3D, resulting of the chosen inverse parameters and thecombination of several hydrodynamic paramaters related to the poral network.The purpose of this thesis was to test the abilities of the ERT imaging to quantify solute transport parametersin miscible displacement occurred in groundwater and the sensitivity of inverse parameters most a ectingthe modelled dispersion front.Laboratory experiments are conducted on glass beads poured into a transparent plexiglas container. Twovertical lines of 21 stainless steel electrodes are xed on the lateral sides of the container to perform the ERTmonitoring, of the NaCl dissolved in the tracer, from a sequence of 210 quadripole measurements acquiredin transverse dipole-dipole each 5 minutes. A light panel is placed behind the experimental device and avideo follow up of the dyed part of the tracer is acquired from the other side.Video analysis reveal a faster propagation of the dye in contact of the vertical edge, which is negligible forthe lowest ow rates imposed by the pump. In contrast, ERT mesurements are strongly disturbed by theresistant edges of the plexiglas container which a ect the resulting models. Normalisation of the apparentresisitivity measurements acquired at the experimental stage and by the Archie s law strongly tones downthese resistive artefacts.ERT modelling is here particularly sensitive to the grid mesh, the norm (L1 or L2 ) applied on data andparameters, and the damping factor . High values of and the cuto factor tend to smooth the resistivityconstrasts in the area of the mixing front and increase the weight of the horizontal edge e ects on D anda. While results from inverse modelling constraint by low and cuto factors are much closer to the videoanalysis but with enhanced side slope e ects at the rear and the front of the mixing area.The interstitial velocity u is independant of the chosen inverse parameters. For both methods u is alwaysinferior to the ow rate provided by the pump, whose the gap is expressed as a retardation factor Rf . Thisretardation is due to adsorption of Na+ on the beads surfaces, which contributes to delay the dispersionfront followed by ERT. The retardation expressed by the video analysis can be due to the important sizeof the molecule of the dye which is easily slowed down in lower permeability areas, added to an eventuala nity to the solid surface.The ranges of uid conductivity contrasts and stability of the interfaces tested here have no in uences onthe dispersion which is dominated by the ow velocity u. Estimations of the dispersion coe cient D asfunction of the Péclet is consistent with the theoretical curve of Bachmat (1968) and Bijeljic & al (2004).Field experiments are rst conducted in 2D on homogeneous unsaturated sand which is considered as anin nite half-space. However, data normalisation is much more complicated since the saturation state andthe initial uid conductivities need to be estimated to calibrate the Archie s law. Because of the 3D tracerin itration, the RMS error of 2D-ERT models highlights that the inversion process is not enough constraintby data which does not allow to quantify the transport parameters. 3D experiments were then adaptedto detect and follow plumes of saline tracers injected in the centre of the electrode device. From 3D ERTmeasurements we are able to produce reliable models in order to estimate such transport parameters as themean ow velocity, and transverse and longitudinal dispersivities.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF