Electrical methods of geophysical survey are known to produce results that are hard to predict at different times of the year, and under differing weather conditions. This is a problem which can lead to misinterpretation of archaeological features under investigation. The dynamic relationship between a ‘natural’ soil matrix and an archaeological feature is a complex one, which greatly affects the success of the feature’s detection when using active electrical methods of geophysical survey. This study has monitored the gradual variation of measured resistivity over a selection of study areas. By targeting difficult to find, and often ‘missing’ electrical anomalies of known archaeological features, this study has increased the understanding of both the detection and interpretation capabilities of such geophysical surveys. A 16 month time-lapse study over 4 archaeological features has taken place to investigate the aforementioned detection problem across different soils and environments. In addition to the commonly used Twin-Probe earth resistance survey, electrical resistivity imaging (ERI) and quadrature electro-magnetic induction (EMI) were also utilised to explore the problem. Statistical analyses have provided a novel interpretation, which has yielded new insights into how the detection of archaeological features is influenced by the relationship between the target feature and the surrounding ‘natural’ soils. The study has highlighted both the complexity and previous misconceptions around the predictability of the electrical methods. The analysis has confirmed that each site provides an individual and nuanced situation, the variation clearly relating to the composition of the soils (particularly pore size) and the local weather history. The wide range of reasons behind survey success at each specific study site has been revealed. The outcomes have shown that a simplistic model of seasonality is not universally applicable to the electrical detection of archaeological features. This has led to the development of a method for quantifying survey success, enabling a deeper understanding of the unique way in which each site is affected by the interaction of local environmental and geological conditions.

Geophysical imaging methods significantly enhance our knowledge of subsurface characteristics and their use has become prevalent over a range of subsurface investigations. These methods facilitate the detection and characterization of both metallic and nonmetallic subsurface targets, and can provide spatially extensive information on subsurface structure and characteristics that is often impractical to obtain using standard drilling and sampling procedures alone. Electrical imaging methods such as electrical resistivity tomography (ERT) have proven to be particularly useful in hydrogeologic and geotechnical investigations because of the strong dependence of the electrical properties of soils to water saturation, soil texture, and solute concentration. Given the available geophysical tools as well as their applications, the selection of the appropriate geophysical survey design is an essential part of every subsurface geophysical investigation. Where investigations are located in an area with subsurface information already available, this information may be used as a guide for the design of a geophysical survey. In some instances, no subsurface information is available and a survey must be designed to cover a range of possible circumstances. Yet, in other instances, there may be significant subsurface information available, but because of subsurface complexities, a geophysical survey must still be designed to cover a broad range of possibilities. Demonstrating the application and limitations of ERT in a specific field application, the first investigation presented in this document provides guidance for developing methods to improve the design and implementation of ERT surveys in a complex subsurface environment. The two investigations that follow present the development of a relatively simple optimization approach based on limited forward modeling of the geophysical response for both static and mobile surveys. This process is demonstrated through examples of selecting a limited number of ERT surveys to identify and discriminate subsurface target tunnels (with a simple cylindrical geometry). These examples provide insights into the practical application of the optimization process for improved ERT survey design for subsurface target detection. Because of their relative simplicity, the optimization procedures developed here may be used to rapidly identify optimal array configurations without the need for computationally expensive inversion techniques.

Le milieu karstique, et tout particulièrement sa partie superficielle, est caractérisé par une altération importante responsable sur le site de Lascaux de formations calcaires en plaquettes mais aussi de dissolutions importantes pouvant laisser place à des sables, argiles, etc. La présence de grottes ornées dans ce milieu nécessite la caractérisation du milieu environnant afin de protéger les grottes et contribuer à la conservation des œuvres pariétales. Cette thèse porte sur la caractérisation du milieu karstique à plusieurs échelles au moyen de deux méthodes : la géophysique avec la Tomographie de Résistivité Electrique (TRE), et la caractérisation pétrophysique, à l’échelle du laboratoire, avec la microscopie, la porosimétrie au mercure et des mesures électriques sur échantillons. A l’échelle du massif, nous avons caractérisé l’amont hydraulique de la grotte de Lascaux par un suivi temporel par TRE durant 6 ans et par trois modélisations géostatistique 3D, à trois dates. Le suivi temporel a permis de comprendre le fonctionnement hydrogéologique du site. Le couplage du suivi temporel avec le 3D complété par les mesures sur échantillons a en outre permis de comprendre le fonctionnement d’un drain situé dans l’épikarst susceptible d’alimenter l’émergence à l’entrée de la grotte de Lascaux. La modélisation 3D a aussi permis d’identifier un escarpement du promontoire calcaire au nord-est de la grotte de Lascaux qui laisse place à des formations argilo-sableuse. A l’échelle de la paroi et en lien avec des recherches menées sur la grotte Chauvet-Pont d’Arc, un dispositif original de micro-TRE a été mis en place à la paroi dans une carrière souterraine, permettant une mesure de TRE à une échelle submétrique et une résolution centimétrique. A cette résolution apparaît un effet d’électrode que nous corrigeons lors de l’inversion des données de TRE par l’utilisation d’une Electrode Equivalente Ponctuelle (EEP) placée à une profondeur caractéristique. La paroi étudiée a été soumise à des feux. On montre par un suivi TRE sur plusieurs mois et des analyses pétrophysiques complémentaires que les feux impactent de façon tangible les premiers centimètres de la paroi dont la porosité et la connectivité sont modifiées. On montre en outre que des variations saisonnières de saturation sont mises en évidence à cette petite échelle. Ce dispositif pourrait être appliqué au site de Lascaux pour, à terme, mesurer et prédire les arrivées d’eau à la paroi, en lien ou pas avec la circulation modélisée à l’échelle du massif. Une telle démarche pourrait devenir un outil de conservation de parois rocheuses support d’œuvres pariétales. / The karst environment and especially its superficial part is typified by an important alteration. At the Lascaux site, alteration is responsible for plate limestone and also detrital clayey-sands soils due to dissolution of limestones. The presence of painted caves in this altered environment raises the need to characterize the karst environment in order to protect the caves and contribute to mural paintings conservation. The aim of this PhD thesis is to characterize the karst environment at different scales using two main methods: (1) geophysics and in particular Electrical Resistivity Tomography (ERT) and (2), petrophysics at the Lab scale, including microscopy, mercury porosimetry and electrical measurements. At the field scale, we characterized the calcareous surroundings of the Lascaux cave relying on a 6 years-long time-lapse monitoring by ERT complemented by geostatistical 3D reconstructions of the resistivity values. The time-lapse monitoring permitted a better understanding of the hydrogeology of the site. Combining ERT time-lapse monitoring, 3D models of the resistivity distribution and additional measurements on samples allowed to identify a drain within the epikarst, which is most likely responsible for the emergence of water at the Lascaux cave entrance. The 3D modelling of the resistivity values also allowed to identify a scarp of unaltered limestones, northeast of the Lascaux cave, leaving room for clayey-sand detrital formations. In relation to a current research program on the Chauvet-Pont d’Arc cave, an original micro-ERT acquisition layout was fitted on the wall of an underground quarry, allowing measurements at a sub-metric scale with a centimetric resolution. At such a fine resolution, an unwanted electrode effect appeared. We remedied this electrode effect by inverting ERT data with an Equivalent Electrode Point (EEP) buried in the ground at a characteristic depth. The quarry wall was subjected to fires. Relying on a micro-ERT time-lapse monitoring during few months complemented by petrophysical analyses, we showed that the fires impacted the first centimeters of the quarry wall whose porosity and connectivity were modified. We also showed that seasonal water saturation variations could be detected at such a small scale. Thus, this small scale acquisition layout may ultimately be used at Lascaux to measure and predict water intakes directly at the cave walls in relation, or not, with the water flow modelled at the field scale. Such an approach may become a new tool for the conservation of painted cave walls.

Les exploitants des Installations de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND) sont confrontés à la nécessité d'assurer une biodégradation homogène et rapide des déchets, pour ne pas prolonger la durée coûteuse de post-exploitation. Pour cela, il est nécessaire d'injecter des lixiviats (liquides résultant de la biodégradation) dans les déchets, tout en contrôlant les volumes injectés pour maintenir une bonne humidité assurant une meilleure biodégradation et limiter à 50 cm le niveau piézométrique en fond de casier (pour respecter la réglementation). Pour gérer ces contraintes, les industriels doivent disposer d'outils permettant de caractériser et de simuler les injections des lixiviats. Ce travail vise à étudier les injections des lixiviats et a pour but de contribuer à établir un modèle conceptuel de la circulation des lixiviats à l'échelle du site industriel par une approche combinée de la simulation et de l'hydrogéophysique. Deux méthodes géophysiques ont été utilisées, la Tomographie de Résistivité Electrique (ERT), employée en mode de « suivi temporel » et la Résonance Magnétique des Protons (RMP).La première étape consiste en un développement méthodologique des outils géophysiques ERT et RMP afin de faciliter leurs applications à la caractérisation des injections des lixiviats dans les massifs de déchets. La seconde étape de ce travail consiste en une analyse et une interprétation des résultats géophysiques des suivis temporels de résistivité lors d'injection des lixiviats dans les déchets. Ensuite les mesures RMP sont réalisées sur des échantillons saturés de déchets en laboratoire, puis sur le terrain dans une ISDND où les déchets étaient saturés. L'analyse des résultats ERT a permis de caractériser la structure et les propriétés hydrodynamiques du milieu. Les résultats RMP ont permis d'obtenir des informations sur les gammes de conductivité hydraulique dans le massif de déchets étudié.La troisième étape consiste en une combinaison entre les résultats géophysiques et une simulation hydrodynamique (réalisée avec HYDRUS-2D). Cela permet d'établir un modèle conceptuel des circulations des lixiviats dans les déchets. Les résultats de la simulation hydrodynamique montrent que les déchets ne peuvent-être comparés en aucun cas à un milieu poreux homogène à l'échelle du site industriel. De plus, le milieu s'apparente à un milieu composé d'une matrice poreuse de faible conductivité hydraulique, recoupée par des drains dont la conductivité est très forte.En résumé, les résultats de ce travail ouvrent de nouvelles perspectives dans l'application d'outils de simulation à l'échelle du site industriel pour l'étude de la circulation des lixiviats dans les déchets. Cette approche et les améliorations méthodologiques proposées dans ce travail, permettent d'entrevoir une application élargie pour d'autres types de problèmes hydrologiques, comme l'infiltration dans les premiers décimètres des sols, et l'identification des systèmes de recharge des aquifères, entre autres.

La présentation porte sur les deux principaux domaines de recherche dans lequel je me suis investi, depuis 2003, au BRGM, celui du développement de la prospection par Résonance Magnétique Protonique (RMP), et l'utilisation des méthodes Electro-Magnétique à Source Contrôlée (CSEM). Une brève introduction rappellera le principe de la mesure RMP. La première partie, présentera les travaux réalisés pour raffiner les modèles utilisés, pour prendre en compte la variation du signal liée aux conditions de mesures (champ géomagnétique, topographie) et à l'environnement géologique (zone non-saturée dans la craie, forte conductivité sur le bord de la mer Morte). Afin d'appréhender la nature 2D/3D des objets étudiés, j'ai développé un modèle 3D de la réponse RMP et mis au point une approche permettant d'évaluer la position et le volume de cavités remplies d'eau (imagerie d'un conduit karstique près de Rocamadour et cartographie de la dissolution d'une couche de sel générant des effondrements « sinkholes »). Enfin j'ai développé un programme d'inversion qui permet de réaliser une tomographie en 2D/3D de la teneur en eau et des temps de relaxation (illustrée dans le cas d'un aquifère sédimentaire interrompu par un système de failles). La deuxième partie concernera la mesure de la résistivité électrique par de grands dispositifs appliquée à l'imagerie d'aquifères complexes (biseaux salés et milieu volcanique) et la mise au point d'un dispositif CSEM dédié au suivi temporel de la résistivité dans un aquifère. L'originalité réside dans l'utilisation du tubage métallique des forages pour injecter le courant électrique en profondeur et permettant par la mesure en surface du champ électrique et magnétique, de mesurer les variations de résistivité au sein d'un réservoir profond. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du suivi de l'injection de CO2 (résistant) dans des réservoirs salins. La performance du dispositif sera illustrée par une étude numérique et sa mise en œuvre sur le site pilote de Ketzin en Allemagne. Je conclurai cet exposé par un aperçu des orientations vers lesquelles je propose de faire porter l'effort de recherche dans ces deux domaines, aujourd'hui en pleine évolution.

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Landslides have occurred throughout the Holocene geologic epoch and they continue to occur in the Peace River Lowlands of Alberta and British Columbia. This study was conducted to provide an understanding of the processes and extents of one such landslide situated on a major slope at the Town of Peace River, Alberta by means of geophysical techniques with the aim of reducing the geohazard risk to lives and infrastructures. The geophysical characterization involved the acquisition, processing, and joint interpretation of seismic reflection, seismic refraction tomography, vertical seismic profile, and electrical resistivity tomography datasets, thereby providing important information about the subsurface geometry of the landslide, insights into the material properties of the unstable mass in contrast to that of the stable rock, and possible causes of the landslide. This contribution shows that putting considerable efforts into the acquisition and processing of geophysical datasets can yield valuable functional details. / Geophysics

Avec 67 Mt de fumiers de bovins récupérés chaque année, la France possède un gisement considérable de substrats agricoles mobilisables et valorisables par méthanisation. Le procédé de méthanisation par voie sèche, discontinu, avec recirculation de lixiviat semble être le mieux adapté à la valorisation de ce type de substrats à forte teneur en matière sèche (>20%). A l’heure actuelle, ce procédé est cependant rare sur le territoire. Afin de permettre et de pérenniser le développement de cette technologie, des verrous techniques et scientifiques doivent être levés, notamment ceux qui portent sur la recirculation des lixiviats. L’objectif de cette thèse est d’optimiser le procédé de méthanisation par voie sèche appliquée aux effluents agricoles (principalement fumiers de bovins), afin d’atteindre les conditions les plus favorables à la production d’un maximum de biogaz, de façon constante et en un minimum de temps en considérant les contraintes relatives à un tel procédé. Dans un premier temps, l’objectif a été de comprendre le rôle du lixiviat dans ce procédé de digestion anaérobie discontinu, d’un point de vue biologique. Pour se faire quatre lixiviats ayant différentes origines ont été utilisés. Deux d’entre eux étaient biologiquement actifs (lixiviats provenant de méthaniseurs) et les deux autres stérilisés. Du point de vue abiotique, il a été montré que pour favoriser la digestion anaérobie, le lixiviat devait avoir un pH adéquat, présenter une concentration suffisante de nutriments et un fort pouvoir tampon. D’un point de vue biotique, deux communautés distinctes de microorganismes évoluent dans le lixiviat et dans le fumier, sans aucun transfert entre ces deux environnements, limitant ainsi le rôle d’inoculation souvent attribué au lixiviat. Dans un deuxième temps, la réalisation d’un plan d’expérience a permis d’identifier, au laboratoire sur pilotes instrumentés, des paramètres de recirculation du lixiviat qui influencent les vitesses de production de méthane. Ainsi, le temps entre les recirculations, le volume recirculé et le ratio lixiviat/substrat initialement introduit jouent sur la forme des cinétiques de production. En actionnant l’un ou l’autre de ces leviers, il serait potentiellement possible d’adapter la production de méthane, en fonction des besoins des systèmes de valorisation du biogaz en place sur ces installations. Enfin, la méthode de tomographie de résistivité électrique a été utilisée, à grande échelle, pour suivre la percolation du lixiviat à travers le massif et mettre en évidence les disparités de distribution du lixiviat dans le massif. Cette étude a montré que la géométrie du réseau de recirculation du lixiviat, consistant en un tuyau perforé parcourant la surface du massif dans le sens de la longueur, ne permettait pas un écoulement homogène du lixiviat dans les digesteurs. Certaines zones n’ayant jamais été humidifiées, la production de méthane se trouve réduite et les rendements amoindris. Cette thèse s’articule autour de plusieurs analyses multi-échelles et complémentaires permettant de mieux comprendre le rôle du lixiviat, d’améliorer sa mise en œuvre et son utilisation pour la digestion anaérobie des fumiers de bovins. / With 67 Mt of cattle manure recovered every year, France has a significant source of agricultural waste to be valorised through anaerobic digestion. Batch mode solid state anaerobic digestion (SSAD) process with leachate recirculation seems to be the most suitable technique to valorise that kind of waste, which contains high total solid content (>20%). Currently, this process is rare on French territory. To develop batch mode SSAD, various technical and scientific barriers must be straightened out, and particularly those concerning leachate recirculation. The objective of this work is to optimize SSAD of agricultural was (mostly cattle manure) by pointing out the most favorable settings that allow producing high volumes of biogas, steadily and within a short time, taking into account the particular technical constraints of this process. First of all, the objective was to better understand the biological role of leachate in the batch mode SSAD process. For that purpose, four leachates with different origins were used. Two of them were biologically active (from existing digesters) while the two others were sterilized. It was demonstrated an effective anaerobic digestion was favored by using a leachate gathering the following abiotic characteristics: an adequate pH, a strong buffer capacity and the presence of the right concentration of nutrients. From the biotic point of view, dedicated communities of microbes were in progress in each liquid and solid environment with nested relationship. The role of leachate as inoculum was then limited. In a second part, the influent parameters of leachate recirculation were identified at laboratory scale, by setting up a design of experiment. It was found that the elapsed time between two recirculations, the recirculated volume of leachate and the initial leachate to substrate ratio introduced in the reactor could modify the shape of methane production rate. By changing one or several of those parameters, it would be possible to control and adapt methane production rate to the specific constraints of one SSAD plant. In the last part, the Electrical Resistivity Tomography (ERT) method was used, at full scale, to monitor the leachate percolation through the solid waste and highlight leachate distribution disparities. It was shown the leachate injection system consisting of a perforated pipe laying on the solid top surface was not efficient to evenly moisten the solid waste. From that observation, it was concluded that cumulated methane production could be improved if areas that were not in contact with leachate could be moistened by using another leachate injection system. This manuscript was based on several multi-scale and complementary analyses that allow a better understanding of the role of leachate during SSAD process and an improvement of its utilization for the anaerobic digestion of cattle manure.

This thesis presents a novel resistivity method called Multi-Electrode resistivity technique (MERIT) that is used for high resolution imaging of complex geologic features at depth and near the edges of survey lines. The MERIT electrodes are especially shaped and designed to be self-driven using a robust-direct push technique. Measurements are taken using optimized arrays that are generated using a modified version of the “Compare-R” optimization algorithm. This work focused on both two-dimensional (MERIT2D) and three-dimensional (MERIT3D) applications of the buried array and show the relevance of the additional information gained by the addition of deep electrodes especially in sites with limited survey area. Numerical and laboratory studies are used to test and develop the technique and are later applied to image complex subsurface geologic structures on the field. The configuration of MERIT arrays brings some additional problems in terms the sensitivity of the deep MERIT arrays to a problem of non-uniqueness, mis-information, geometric error and resolution break between the two layers of electrodes. Multiple vertical resolution characteristic curves (RC curves) are analyzed to study the effect of array type, resistivity contrast, target resistivity and implant depth on the above-mentioned problems. Results show that MERIT measurements taken using standard dipole -dipole and wenner arrays along the surface and deep electrodes will strongly suffer from the problem of non-uniqueness or ambiguity while measurements taken using optimized arrays is suitable for MERIT configuration and will not suffer from any problem of ambiguity or non-uniqueness. Based on our result, a procedural guideline is developed to determine optimal MERIT implant depth and resolution cutoff that can be used for successful field implementation and for controlling misinformation during data interpretation. Numerical studies involving simple shapes and complex geometries mostly based on actual geological cross-sections from karst environments were used to compare the effectiveness of MERIT2D in terms its high depth resolution and is compared in detail with traditional 2D and 3D surface resistivity methods of equal foot prints. Similar comparison was made between MERIT3D technique and 3D surface resistivity measurements. Results show that both methods achieve high depth resolution compared to their equivalent traditional resistivity methods. Laboratory experiment conducted using a complex analogue model mimicking actual sinkhole structure is used to test MERIT2D. Also laboratory experiment involving a 3D printed plastic cave model mimicking an actual cave was conducted using MERIT3D approach. Both results show the promise of MERIT approach to image and solve complex geological structures or problems. Finally, the method is applied to collect field data in three case study sites involving complex karst related sinkhole structures and an old landfill site. The result shows the promising capability of the MERIT technique to study challenging geologic conditions with high depth resolution.

This PhD work is dedicated to investigating the fringe effect of electrical capacitance tomography (ECT) and electrical resistance tomography (ERT) sensors systematically, exploring possible solutions and developing a novel 3D imaging technique by utilising the fringe effect of electrical tomography (ET) sensors. By referring to 2D simulation results, the fringe effect is investigated for 3D ERT and ECT sensor models with or without grounded guards, and with different axial lengths of electrodes. Simulation results reveal that increasing the electrode length or adopting grounded guards can reduce the fringe effect of ECT and ERT sensors. In this work, a voltage-excitation strategy is proposed and validated for ERT sensors instead of the conventional current-injection strategy. This approach enables ECT and ERT sensors to be integrated together as a common one to simplify the sensor design and reduce the interference between the ECT and ERT dual-modality measurements. For a conventional ERT sensor with the adjacent strategy, the fringe effect is evaluated for axially non-uniform central core and off-central core distributions at different axial positions and with different axial dimensions and conductivity contrasts. A method is proposed for compensating the fringe effect with the above typical distributions and a two-object distribution. A three-plane ERT sensor scheme is suggested for reducing the fringe effect induced by objects outside the sensor plane and the over-estimation by Landweber iteration. Both simulation and experiment have proved the effectiveness of the three-plane sensor scheme and the compensation method. Using the fringe effect, a novel 3D imaging method is proposed for ET with a single-plane sensor. It is explored to image metallic objects with ECT. The axial position of the object is derived by examining the corresponding fringe effect in a single-plane ECT sensor. Along with 2D imaging of the cross-sectional distribution, 3D imaging is achieved for a cylindrical metallic rod with known size. With this method, only the 3D position of the object needs to be calculated during the reconstruction which reduces the number of unknowns greatly and can improve the accuracy and stability of reconstruction.