Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2 Rapport final

BRGM/RP-62081-FR Octobre 2013

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2 Rapport final

BRGM/RP-62081-FR Octobre 2013

Étude réalisée dans le cadre des opérations de Service public du BRGM 2012 RISE56

F. Mathieu, C. Cartannaz

Vérificateur : Approbateur : Nom : Baltassat J.M. Nom : MIDOT Date : 22/03/2013 Date : 27/09/2013

Le système de management de la qualité et de l’environnement est certifié par AFNOR selon les normes ISO 9001 et ISO 14001.

Avertissement

Document à accès différé :

Le tirage initial de ce rapport, en nombre fixé par convention, est diffusé à son commanditaire. Sa communicabilité ultérieure à des tiers est liée à la prise d’une décision administrative formelle à laquelle il concourt, conformément à la loi n° 78-753 du 17 Juillet 1978. Passé le 18/02/2015, ce rapport devient communicable à tout tiers extérieur qui en ferait la demande ; le BRGM ne peut plus être tenu comme responsable de l’usage qui pourrait en être fait et des éventuelles conséquences pouvant en résulter.

Mots-clés : Géophysique, méthodes électriques, subsidence, nappe salée, Hilsprich, Meurthe-et- Moselle.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Mathieu F., Cartannaz C. (2013) – Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2. BRGM/RP-62081-FR, 91 p., 9 fig., 1 tab., 4 ann..

© BRGM, 2013, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Synthèse

En 2006, des désordres sont apparus au niveau de plusieurs maisons et sur le réseau routier de la commune d’Hilsprich (57). Ces désordres se sont aggravés avec le temps, ce qui a conduit à déclarer le 14 novembre 2009, la commune d’Hilsprich en catastrophe naturelle mouvements de terrain.

Suite à cette déclaration, une convention de recherche et développement partagés a été signée entre le BRGM et la DDT57. La présente étude géophysique a été menée dans le cadre de cette convention.

En février 2010, une première campagne géophysique de 5 panneaux électriques (P1 à P5), centrée sur la subsidence mise en évidence par interférométrie radar, a été réalisée. Les conclusions de cette première étape, nous ont amené à effectuer en février 2011 un complément d’investigations (6 panneaux électriques, P6 à P11) qui avait pour objectif de confirmer la présence de désordres dans la zone de subsidence et de cartographier les éventuelles extensions de ces désordres vers l’Est et vers l’Ouest.

Le sondage de reconnaissance HIL1, effectué en septembre 2011 à la suite de cette première phase géophysique, a confirmé la présence de la formation salifère et par conséquence que l’origine de la subsidence était liée à des phénomènes de dissolution du sel au toit de cette formation.

En février-mars 2012, une deuxième phase d’investigations géophysiques a été réalisée avec pour objectif de cartographier les extensions des désordres liés aux phénomènes de dissolution du sel et plus globalement de servir d’appui à la réalisation des cartes d’aléa et de dispositions constructives. 11 panneaux électriques ont été réalisés lors de cette deuxième phase.

En février 2012, des investigations géophysiques par la méthode du panneau électrique (3 panneaux, RTE1 à RTE3) ont été réalisés pour le compte de RTE (Réseau de Transport Electrique) sur l’emprise d’un futur poste électrique de 400kV, située à environ 2 km au SE de la subsidence d’Hilsprich. Les résultats d’un de ces profils (le plus septentrional, RTE3) ont été intégrés à la présente étude.

Les sondages de reconnaissance HIL2 et HIL3 ainsi que les diagraphies associées (résistivité et gamma naturel) ont été réalisés en novembre 2012, à la suite des résultats préliminaires de cette deuxième phase géophysique, avec pour objectifs de confirmer certains éléments d’interprétation géophysique et de venir en appui à l’interprétation globale du secteur.

C’est donc un total de 23 panneaux électriques d’une longueur de 950 m qui ont été réalisés. Les dispositifs mis en œuvre sont le dipôle-dipôle et le Wenner-Schlumberger. La zone d’investigation géophysique, centrée sur la subsidence couvre une surface d’environ 6 km2.

Les résultats de ces investigations géophysiques réalisées sur les affaissements de la commune d’Hilsprich sont les suivants :

 La présence de la formation salifère du Keuper a été mise en évidence et a été confirmée par la réalisation de 3 sondages carottés. Les phénomènes de dissolution du sel au toit de cette formation sont donc sans ambiguïté à l’origine des affaissements ;

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 3 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 L’interprétation des panneaux électriques en termes de résistivité ont permis, grâce en partie aux forages de contrôle, de distinguer 3 stades d’évolution du toit de la formation salifère :

o Stade 1 – la formation salifère est saine et est caractérisée par un horizon géo- électrique résistant (résistivité > 200 ohm.m) ;

o Stade 2 – une nappe salée est présente au toit du sel. Cette nappe est représentée par une imbibition d’eau salée des niveaux d’argilite sus-jacents à la formation salifère. Compte tenu de l’état de saturation de cette nappe, les phénomènes de dissolution sont probablement peu actifs. Elle est caractérisée par un horizon géo-électrique très conducteur (résistivité < 5 ohm.m) ;

o Stade 3 – à ce stade, il n’y aurait plus de nappe salée sensu stricto. Ce stade est caractérisé par des résistivités intermédiaires (25 à 50 ohm.m) au niveau de la formation salifère. Ces valeurs moins conductrices que celles d’une nappe salée pourraient entre autre s’expliquer par l’arrivée d’eau douce qui contamine la nappe salée.

 L’élaboration d’un schéma structural et la confrontation de ce schéma avec la spatialisation des différents stades d’évolution du toit de la formation salifère montre que les extensions de la nappe salée et des phénomènes de dissolution qui entrainent les affaissements sont étroitement contrôlés par les failles ;

 La synthèse des interprétations (schéma structural – spatialisation des différents stades) a permis d’individualiser 4 blocs présentant des caractéristiques différentes :

o Bloc 1 – représenté par une structure faillée de direction NW-SE, en forme de graben (partie centrale de la zone d’étude), au sein de laquelle les stades 1, 2 et 3 seraient présents. La subsidence d’Hilsprich est entièrement comprise dans ce bloc 1 ;

o Bloc 2 – situé dans la partie SW de la zone d’étude, au sein duquel le stade 2 serait essentiellement représenté et éventuellement le stade 3 entre F12 et F14 ;

o Bloc 3 – situé dans la partie NE de la zone d’étude où seul le stade 1 serait représenté ;

o Bloc 4 – situé également dans la partie NE de la zone d’étude et dans la partie SE au sein duquel seul le stade 1 serait représenté. La différence avec le bloc 3 réside dans une incertitude quant à la profondeur du toit de la formation salifère.

 La cartographie et les caractéristiques de ces différents blocs devraient servir de base à l’élaboration des cartes d’aléas et des dispositions constructives ;

4 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Suite à cette deuxième phase d’investigation géophysique, certaines interrogations subsistent encore et pour y répondre, des travaux complémentaires seraient nécessaires :

 Profondeur du toit de la formation salifère dans toute la partie NE et SE de la zone d’étude. Cette incertitude pourrait être levée par la réalisation d’au moins 2 sondages ou par celle d’un profil sismique haute résolution (SHR) car le toit du sel est un excellent réflecteur ;

 Extensions vers le NW de la structure faillée accueillant la nappe salée et par voie de conséquence les possibles affaissements. Un complément d’investigation par la méthode du panneau électrique devrait permettre de circonscrire l’extension de ces phénomènes.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 5 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

6 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Sommaire

1. Introduction ...... 9

1.1. HISTORIQUE...... 9

1.2. RAPPEL DU CONTEXTE GEOLOGIQUE ...... 12

1.3. OBJECTIFS ...... 14

1.4. PROGRAMME TECHNIQUE ...... 14

2. Acquisition et traitement des données ...... 17

2.1. PERSONNEL ET CALENDRIER...... 17

2.2. EQUIPEMENT ...... 17

2.3. TRAVAUX REALISES ...... 18

2.4. TRAITEMENT DES DONNEES ...... 18

3. Résultats ...... 21

3.1. ORIGINE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA NAPPE SALEE AU TOIT DE LA FORMATION SALIFERE DU KEUPER ...... 21

3.2. SONDAGES DE RECONNAISSANCE ET DIAGRAPHIES ...... 21

3.3. SCHEMA GEOELECTRIQUE DU SECTEUR ...... 22 3.3.1. Présentation des coupes de résistivité inversée ...... 23 3.3.2. Compartiment Nord-Est (au NE de la faille F5 et à l’E de la faille F8) ...... 24 3.3.3. Compartiment Sud-Ouest (au SW de la faille F1 et à l’W de la faille F8) ...... 25 3.3.4. Compartiment central (entre les failles F1 et F5 et à l’W de la faille F8) ...... 26

3.4. SCHEMA STRUCTURAL DU SECTEUR ...... 26 3.4.1. Les failles NW-SE ...... 29 3.4.2. Les failles NE-SW ...... 30 3.4.3. Le toit de la formation salifère ...... 31 3.4.4. Carte de résistivité inversée à une profondeur de l’ordre de 90 m...... 33 3.4.5. Corrélations avec le MNT (Modèle Numérique de Terrain) ...... 37

3.5. SYNTHESE DES RESULTATS ...... 39 3.5.1. Aspects géologiques et structuraux ...... 39 3.5.2. Aspects nappe salée/phénomènes de dissolution du sel ...... 41

4. Conclusions et recommandations ...... 43

5. Bibliographie ...... 45

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 7 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Liste des figures

Figure 1 : Localisation de la zone d’étude et des travaux réalisés...... 11 Figure 2 : Carte géologique simplifiée du Nord-Est de la France (extrait de la carte géologique au 1/ 1 000 000, modifiée) ...... 12 Figure 3 : Profil lithostratigraphique synthétique du Keuper lorrain (d’après Feuga B.)...... 13 Figure 4 : Exemple de présentation des coupes de résistivité inversée - Panneau électrique P2...... 24 Figure 5 : Schéma structural...... 28 Figure 6 : Cartographie de l’altitude du toit de la formation salifère...... 32 Figure 7 : Carte de résistivité inversée à une profondeur de l’ordre de 90 m...... 35 Figure 8 : Corrélations entre le MNT et le schéma structural...... 38 Figure 9 : Carte de synthèse des résultats sur fond IGN 25000...... 40

Liste des tableaux

Tableau 1 : Caractéristiques des panneaux électriques...... 19

Liste des annexes

Annexe 1 : Principe du panneau électrique ...... 47 Annexe 2 : Paramètres d’inversion utilisés dans Res2DInv ...... 55 Annexe 3 : Diagraphies dans les sondages HIL2 et HIL3...... 61 Annexe 4 : Coupes de résistivité inversée des 23 panneaux électriques ...... 67

8 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

1. Introduction

1.1. HISTORIQUE

En 2006, des désordres sont apparus au niveau de plusieurs maisons et sur le réseau routier de la commune d’Hilsprich (57). Ces désordres se sont aggravés avec le temps, ce qui a conduit à déclarer le 14 novembre 2009, la commune d’Hilsprich en catastrophe naturelle, mouvements de terrain.

En 2010, le BRGM a été missionné par la DDT 57 pour déterminer l’origine et l’extension du phénomène à l’origine des mouvements de terrains. Après avoir réalisé une série d’investigations par interférométrie radar satellitaire, géophysique électrique (Phase 1), sondage carotté (HIL1) et suivi altimétrique, le BRGM a conclu :

 D’une part, que l’origine des désordres est à rechercher dans un phénomène d’affaissement lié à la dissolution d’un ou de plusieurs niveaux de sel situés au toit de la formation salifère ;

 D’autre part, que la cartographie et le zonage de l’aléa et du risque ne pourront être entrepris que lorsque les causes, la nature et l’extension du ou des phénomènes en jeu seront établis.

En février 2010, une première campagne géophysique de 5 panneaux électriques (P1 à P5), centrée sur la subsidence mise en évidence par interférométrie radar, a été réalisée. Les conclusions de cette première étape, nous ont amené à effectuer en février 2011 un complément d’investigations (6 panneaux électriques, P6 à P11) qui avait pour objectif de confirmer la présence de désordres dans la zone de subsidence et de cartographier les éventuelles extensions de ces désordres vers l’Est et vers l’Ouest.

Le sondage de reconnaissance HIL1, effectué en septembre 2011 à la suite de cette première phase géophysique, a confirmé la présence de la formation salifère et par conséquence que l’origine de la subsidence était liée à des phénomènes de dissolution du sel au toit de cette formation.

En février-mars 2012, une deuxième phase d’investigations géophysiques a été réalisée avec pour objectif de cartographier les extensions des désordres liés aux phénomènes de dissolution du sel et plus globalement de servir d’appui à la réalisation des cartes d’aléa et de dispositions constructives. 11 panneaux électriques ont été réalisés lors de cette deuxième phase.

En février 2012, des investigations géophysiques par la méthode du panneau électrique (3 panneaux, RTE1 à RTE3) ont été réalisés pour le compte de RTE (Réseau de Transport Electrique) sur l’emprise d’un futur poste électrique de 400kV, située à environ 2km au SE de la subsidence d’Hilsprich. Les résultats d’un de ces profils (le plus septentrional, RTE3) ont été intégrés à la présente étude.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 9 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Les sondages de reconnaissance HIL2 et HIL3 ainsi que les diagraphies associées (résistivité et gamma naturel) ont été réalisés en novembre 2012, à la suite des résultats préliminaires de cette deuxième phase géophysique, avec pour objectifs de confirmer certains éléments d’interprétation géophysique et de venir en appui à l’interprétation globale du secteur.

C’est donc un total de 23 panneaux électriques (Figure 1) d’une longueur de 950 m qui ont été réalisés. Les dispositifs mis en œuvre sont le dipôle-dipôle et le Wenner-Schlumberger. La zone d’investigation géophysique, centrée sur la subsidence couvre une surface d’environ 6 km2.

10 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 1 : Localisation de la zone d’étude et des travaux réalisés.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 11 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

1.2. RAPPEL DU CONTEXTE GEOLOGIQUE

La zone d’étude (village d’Hilsprich et hameaux de Castviller et de Morsbronn) est située sur la formation des Marnes irisées inférieures (t7a) datant du Keuper inférieur (Figure 2) recouverte par des formations superficielles quaternaires peu épaisses : les limons de plateau (LP) et les alluvions récentes (Fz). La formation des Marnes irisées inférieures est essentiellement constituée par des argilites de teintes variées. Des intercalations de gypse, en amas lenticulaires, sont fréquentes dans cette formation. Les différents horizons de sel sont en principe présents à la base des Marnes irisées inférieures (Figure 3). Le nombre et l’épaisseur de ces horizons salifères sont très variables suivant la zone géographique. Du fait de l’éloignement de ces sondages par rapport à la zone d’étude, les données de forages issues de la banque de données du sous-sol (BSS) ne donnent que peu d’information fiable quant à la présence ou non des horizons salifères, leur épaisseur et leur profondeur.

Figure 2 : Carte géologique simplifiée du Nord-Est de la France (extrait de la carte géologique au 1/ 1 000 000, modifiée)

Le sondage de reconnaissance HIL1, implanté d’après les résultats préliminaires de l’investigation géophysique (Phase 1), avait pour objectif de confirmer la présence de la formation salifère saine en dehors de la zone présentant des désordres. Les résultats de ce sondage sont synthétisés de la façon suivante :

 il ne recoupe que la formation de Marnes irisées inférieures du Keuper entre 0 et 100 m de profondeur ;

12 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 il a rencontré le sel (faisceau de plusieurs horizons de sel avec intercalations de niveaux d’argilite) entre 72,6 et 99,6 m (fin du sondage). La base de cette formation salifère n’a donc pas été atteinte. La partie supérieure est constituée de 2 horizons de sel d’une épaisseur de l’ordre de 4 m séparés successivement par 2 horizons d’argilite d’environ 2 m d’épaisseur. Cette observation est importante car c’est probablement au sein de ces 2 bancs de sel que se situe le siège des phénomènes de dissolution.

 la partie sommitale, c'est-à-dire entre 0 et 69,4 m, est constituée par un empilement de niveaux d’argilite contenant un pourcentage plus ou moins important de gypse. Aucune coupure lithologique n’a pu être identifiée.

D’un point de vue structural, la zone d’étude est située sur l’axe du synclinorium de Sarreguemines. La région est affectée par deux familles de failles de directions globalement NW-SE pour l’une et NE-SW pour l’autre. La présence d’aucune de ces failles n’est signalée sur la carte géologique au niveau du secteur d’Hilsprich, mais les conditions d’affleurement sont certainement à l’origine de cette absence.

Figure 3 : Profil lithostratigraphique synthétique du Keuper lorrain (d’après Feuga B.).

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 13 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

1.3. OBJECTIFS

Les objectifs de la phase 2 de cette étude géophysique sont multiples et suivent les recommandations formulées à l’issue de la phase 1.

Ces objectifs sont les suivants :

 Cartographier les extensions vers l’Est du faisceau de failles qui contrôle la subsidence. L’enjeu dans cette direction est la présence du hameau de Morsbronn. Trois panneaux électrique (P12, P13 et P14) ont été programmés ;

 Même objectif pour l’extension vers l’Ouest de ce faisceau de failles bien que l’enjeu dans cette direction soit moindre puisqu’il s’agit d’une zone de culture. Un seul panneau électrique a été prévu (P19) ;

 Confirmer la présence d’une nappe salée au toit de la formation salifère dans le compartiment sud. Dans cette zone à vocation essentiellement agricole, les enjeux sont également faibles. Un seul profil a été programmé (P18) mais un des panneaux électrique (RTE3) réalisés dans le cadre de l’étude pour l’implantation d’un poste électrique de 400kV (RTE) répond également à cet objectif ;

 Confirmer l’absence de nappe salée dans le compartiment situé au NE de la structure faillée hébergeant la subsidence et trouver éventuellement la limite d’extension de la formation salifère dans cette direction. Trois panneaux électriques (P15, P16 et P17) ont été programmés ;

 Préciser la localisation et le rôle joué par les failles supposées de direction NE-SW. Le résultat de la phase 1 de l’étude géophysique laissaient entrevoir de possibles axe de pénétration des phénomènes de dissolution du sel vers le NE à la faveur de ces failles NE- SW qui pouvaient servir de drains préférentiels. Trois panneaux électriques (P20, P21 et P22), implantés perpendiculairement aux failles supposées NE-SW ont été prévus.

L’objectif final de ce complément d’investigation géophysique est l’élaboration des cartes d’aléas et des dispositions constructives.

1.4. PROGRAMME TECHNIQUE

Le programme technique est en tout point identique à celui de la phase 1. A savoir :

 Réalisation de panneaux électriques (Annexe 1) implantés au mieux pour répondre aux différents objectifs assignés à cette phase 2, tout en tenant compte des contraintes d’accessibilité dues à la présence de zones urbanisées ;

 La longueur des panneaux est de 950 m et le spacing varie de 10 à 90 m permettant ainsi d’atteindre une profondeur d’investigation de l’ordre de 130 m. Profondeur parfaitement adaptée aux objectifs puisque le toit de la formation salifère est à une profondeur moyenne de l’ordre de 70 à 80 m ;

 Deux configurations d’acquisition ont été mises en œuvre lors de la réalisation des panneaux électriques : un dispositif dipôle-dipôle pour la résolution des terrains de surface ainsi qu’un dispositif Wenner-Schlumberger pour la profondeur.

14 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Le dispositif dipôle-dipôle donne une très bonne résolution des terrains de sub-surface et pour les discontinuités verticales. Il est moins sensible aux effets latéraux que le dispositif Wenner-Schlumberger. Par contre le rapport signal/bruit décroit rapidement avec la profondeur d’investigation.

Le dispositif Wenner-Schlumberger est beaucoup plus intégrant et, de ce fait, plus sensible aux effets latéraux. La résolution au niveau des horizons de sub-surface est moins bonne et celle des structures plus globale. Son intérêt majeur est la profondeur d’investigation atteinte (de l’ordre de 130 m pour un dispositif de 950 m de long) grâce à un meilleur rapport signal/bruit.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 15

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

2. Acquisition et traitement des données

2.1. PERSONNEL ET CALENDRIER

La campagne de mesures s’est déroulée du 20/02/2012 au 03/03/2012 et a été effectuée par F. Mathieu, ingénieur géophysiciens de l’unité RIS/RSC du BRGM, assisté par A. Bonjour et R. Barbier, techniciens de la même unité.

L’intervention sur le terrain a été précédée d’une phase de permittage (communication, autorisations d’accès auprès de la population) réalisée par le maire de la commune d’Hilsprich.

La compilation des données et l’interprétation des résultats ont été réalisées par F. Mathieu en février 2013 après la réalisation des sondages de reconnaissance HIL2 et HIL3.

2.2. EQUIPEMENT

L’acquisition des panneaux électriques a été réalisée à l’aide d’un résistivimètre Syscal-Pro (Iris Instruments, France) connecté à 12 flûtes de 8 électrodes, soit 96 électrodes métalliques régulièrement espacées de 10 mètres sur 950 m. L’énergie provenait d’une batterie externe. L’espacement inter-électrodes de 10 m a été choisi afin d’assurer à la fois une résolution acceptable des terrains de surface, et l’obtention d’une profondeur d’investigation maximale d’environ 150 m. Le matériel utilisé comprend :

 1 Syscal Pro ;

 12 flûtes de 8 traces ;

 96 électrodes ;

 96 cordons ;

 3 massettes ;

 4 clés de portages ;

 1 transporteur à chenilles ;

 2 batteries de voiture 70 Ah ;

 10 connecteurs de flûtes ;

 1 GPS différentiel Trimble ;

 1 micro-ordinateur portable ;

 2 véhicules dont un 4X4.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 17 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

2.3. TRAVAUX REALISES

11 panneaux électriques d’une longueur de 950 m ont été réalisés.

Les caractéristiques des différents panneaux électriques sont données dans le tableau 1. Pour mémoire, les caractéristiques des 11 panneaux électriques réalisés en 2010 et 2011 ainsi qu’un des panneaux réalisés dans le cadre de l’étude pour RTE ont également été insérées dans ce tableau.

Le positionnement (X, Y) et l’altimétrie (Z) de toutes les stations de mesure ont été effectués avec un GPS différentiel. La précision en X, Y, Z est de l’ordre du décimètre. Le point de référence pour l’ensemble de l’étude est le dont les coordonnées (lever topographique effectué par le cabinet J.G. Lambert et Associés) sont les suivantes :

 X = 934 798.58 m

 Y = 2455 429.60 m Projection Lambert 2 étendu

 Z = 225.500 m

2.4. TRAITEMENT DES DONNEES

Après filtrage des données de résistivité apparente (mesurées sur le terrain) sur la base de critère de qualité (Q < 3%), de courant émis (I > 100mA) ou de potentiel mesuré(V > 0.3 mV), celles-ci sont ensuite traitées avec le logiciel X2IPI (Bobachev Alexey, Moscow University) pour corriger les artéfacts dus aux à-coups de prise, puis inversées avec le logiciel Res2DInv (Loke & Barker 1996). Les profils de topographie sont inclus lors des inversions de chaque panneau électrique.

La section de résistivité « vraie » résultat de l’inversion, sera ensuite utilisée pour l’interprétation géologique. Elle fournit des informations quantitatives permettant de caractériser l’origine des différentes anomalies mises en évidence : résistivité, géométrie et profondeur, pendage. Les résultats de l’inversion sont présentés sous forme d’une coupe présentant la distribution des résistivités calculées le long du profil en fonction de la profondeur.

Pour chaque cas, des paramètres d’inversion (Cf. Annexe 2) ont été choisis de manière à optimiser la réponse du modèle en incluant une information géologique « à priori ».

Quelles que soient les performances des algorithmes de convergence, en l’absence d’étalonnage (résistivité étalonnée, profondeur des interfaces géo-électriques) les résultats fournis par l’inversion ne sont pas définis de manière univoque (il y a plusieurs solutions satisfaisant au même jeu de données). Cette indétermination ne peut être évaluée qu’en testant différentes solutions ou en contraignant l’inversion au moyen de paramètres (résistivités, épaisseurs, profondeurs) obtenus par d’autres moyens (autre méthode géophysique, diagraphies, forages, observations des affleurements…).

18 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Tableau 1 : Caractéristiques des panneaux électriques.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 19 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

20 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3. Résultats

3.1. ORIGINE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA NAPPE SALEE AU TOIT DE LA FORMATION SALIFERE DU KEUPER

Les différents auteurs qui ont étudié ce phénomène depuis le début du 20ième siècle s’accordent pour situer la zone d’alimentation de la nappe salée sur les plateaux et pour donner à cette alimentation des origines qui peuvent être différentes :

 purement naturelle par infiltration des eaux de pluie ou des eaux souterraines, provenant des nappes supérieures, au travers des Marnes irisées inférieures (les failles ou flexures jouant probablement un rôle de drains préférentiels) ;

 accidentelle par l’intermédiaire de sondages qui permettent aux eaux de pluie et aux nappes superficielles de s’écouler vers le toit de la formation salifère.

Les écoulements de la nappe salée peuvent se faire suivant des chenaux de faible dimension (décimétrique à métrique) qui forment un réseau anastomosé au toit du sel. Compte tenu de la densité de la saumure, la progression de la nappe salée se fait prioritairement de l’aval pendage vers l’amont pendage, sauf s’il existe des différences de charge qui implique des circulations d’eau ; auquel cas le schéma de dissolution est indépendant du pendage du toit du sel.

Dans le cas de différence de charges hydrauliques, la remontée naturelle de la saumure au travers des Marnes irisées inférieures est principalement contrôlée par la charge des nappes supérieures, généralement plus importantes que celle de la nappe salée. Ainsi, un flux d’eau douce descendant peut rejoindre la nappe salée.

3.2. SONDAGES DE RECONNAISSANCE ET DIAGRAPHIES

Le sondage de reconnaissance HIL1, implanté d’après les résultats préliminaires de l’investigation géophysique de la phase 1 a confirmé la présence de la formation salifère saine (pas de nappe salée au toit) en dehors de la zone présentant des désordres. Il a rencontré le toit du sel à une profondeur de 72.6 m (z = 161.6 m). Aucune coupure lithologique n’a pu être identifiée au sein de l’empilement de niveaux d’argilite surmontant cette formation salifère. Ce sondage montre également que l’épaisseur du premier faisceau de sel est d’au moins 30 m. La partie supérieure de ce premier faisceau est constituée de 2 horizons de sel d’une épaisseur de l’ordre de 4 m séparés successivement par 2 horizons d’argilite d’environ 2 m d’épaisseur. Cette observation est importante car c’est probablement au sein de ces 2 bancs de sel que se situe le siège des phénomènes de dissolution au sein de la structure faillée F1-F5. Hors fracturation, ces 2 passées d’argilite peuvent constituer un écran étanche.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 21 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Les sondages de reconnaissance HIL2 et HIL3 réalisés d’après les résultats préliminaires de la phase 2 avait respectivement pour objectif de confirmer la présence d’une nappe salée dans le compartiment situé au Sud de F1 et de contrôler une hypothèse d’extension des phénomènes de dissolution du sel vers le NE au sein d’un couloir de failles. Ces deux sondages ont donnés les résultats suivants :

 HIL2 : toit du sel à 74 m de profondeur (z = 155.6 m) ;

 HIL3 : toit du sel à 73.8 m de profondeur (z = 162.4 m).

Ces deux sondages ont fait l’objet de diagraphies (Cf. Annexe 3) de résistivité (petite normale et grande normale) et de gamma naturel. L’information tirée de ces diagraphies est la suivante :

 La résistivité de la formation salifère n’a pas été réellement appréhendée car ces 2 sondages n’ont pas suffisamment pénétré cette formation. La tendance montre cependant que la résistivité de la formation salifère saine serait supérieure à 100 ohm.m, ce qui est parfaitement cohérent avec l’interprétation des panneaux électriques ;

 La résistivité des argilites, en l’absence de nappe salée, varie entre 7 et 30 ohm.m. La diagraphie de résistivité dans le sondage HIL3 montre qu’il existe des différenciations lithologiques reposant sur la fraction argileuse au sein des argilites. L’horizon d’argilites reposant directement sur la formation salifère possède une résistivité de l’ordre de 10 ohm.m et une épaisseur de 23 m. Il correspond à l’horizon géo-électrique C1 issu de l’interprétation des panneaux électriques. L’horizon supérieur est plus résistant (environ 25 à 30 ohm.m) et correspondrait à l’horizon géo-électrique R1 des panneaux électriques ;

 Dans le sondage HIL2, la résistivité des argilites de base (entre les cotes -50 m et -74 m) est comprise entre 1.5 et 7 ohm.m alors que dans le sondage HIL3 la résistivité du même horizon s’établit aux environs de 10 ohm.m. Cette différence peut avoir plusieurs origines :

 Soit une fraction argileuse plus importante dans les formations recoupées par HIL2 ;  Soit la présence d’eau salée dans les argilites recoupées par HIL2.

Pour lever cette indétermination, la résistivité de la fraction argileuse des argilites de base recoupées dans les sondages HIL2 et HIL3 a été recalculée à partir des enregistrements gamma naturel (Annexe 3). Cet exercice montre que la résistivité de la fraction argileuse dans le sondage HIL2, entre les cotes -50 et -74 m, s’établit en moyenne à 1.7 ohm.m alors que dans le sondage HIL3, la résistivité de cette fraction argileuse est en moyenne de 7 ohm.m. Cette différence ne peut donc s’expliquer que par la présence d’eau salée d’imbibition dans l’horizon d’argilite surmontant la formation salifère recoupé par le sondage HIL2.

3.3. SCHEMA GEOELECTRIQUE DU SECTEUR

Les 23 panneaux électriques effectués sur le secteur ont permis, en s’appuyant sur les informations géologiques disponibles mais relativement succinctes et sur les sondages de reconnaissance HIL1, HIL2 et HIL3 ainsi que sur les diagraphies associées (résistivité et gamma naturel) réalisés dans le cadre de cette étude, d’établir une coupe géo-électrique synthétique du sous-sol d’Hilsprich et ce jusqu’à une profondeur de l’ordre de 130 m. Les 23 coupes de résistivité inversée avec l’interprétation en termes de géologie et de structurale sont présentées en annexe 4.

22 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.3.1. Présentation des coupes de résistivité inversée

Les illustrations (figure 4) présentant les résultats des inversions des données de résistivité apparente mesurée sur le terrain sont construites de la manière suivante :

 La première illustration (celle du haut) montre le résultat de l’inversion des données acquises selon le dispositif dipôle-dipôle et Wenner-Schlumberger (concaténation des données des 2 dispositifs). Y figurent également des informations géologiques et structurales (interfaces et discontinuités). Les paramètres utilisés pour l’inversion sont des paramètres « standard » avec un « flatness filter ration de 0.3 »;

 La seconde illustration (celle du bas) diffère de la première par les paramètres utilisés pour l’inversion (paramètres « robust» avec un « flatness filter ration de 0.3 ». Cette deuxième coupe de résistivité inversée permet de conforter les interprétations notamment au niveau de la localisation des discontinuités verticales et des interfaces géo-électriques ;

 Les horizons ou structures géo-électriques identifiés sont notés :

 C pour conducteur  R pour résistant  S pour les terrains de résistivité intermédiaire  F pour discontinuité (dans le cadre de cette étude, elles ont systématiquement été interprétées comme étant des failles)  Les chiffres 0, 1, 2 identifient des horizons différents et/ou sont en relation, si possible, avec la notion de superposition de différents terrains (0 étant le terrain le plus profond).

Les résultats des sondages de reconnaissance HIL1, HIL2 et HIL3 ont systématiquement été projetés sur les coupes géo-électriques pour valider les interprétations structurales (présence et caractérisation des failles, pendage des couches).

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 23 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 4 : Exemple de présentation des coupes de résistivité inversée - Panneau électrique P2.

Le schéma géo-électrique émanant de l’interprétation des panneaux électriques est différent suivant le compartiment intéressé et ces compartiments sont au nombre de 3.

3.3.2. Compartiment Nord-Est (au NE de la faille F5 et à l’E de la faille F8)

 Un horizon résistant R0 dont la résistivité est comprise entre 200 et 400 ohm.m. Son épaisseur est relativement mal caractérisée du fait que la profondeur d’investigation n’est que de 130 m et de la faible résolution à cette profondeur. L’ordre de grandeur, qui serait d’environ 40 à 50 m a toutefois pu être estimé sur quelques panneaux (P10, P1, P6, P7, P9). Il est en parfaite corrélation avec la formation salifère intersectée dans les sondages HIL1 et HIL3. L’épaisseur du faisceau de sel (1ier faisceau) au niveau de ces sondages serait supérieure à 30 m ;

24 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 Un horizon conducteur C1 dont la résistivité serait comprise entre 3 et 10 ohm.m. Son épaisseur est de l’ordre de 25 à 35 m. Il correspond à un empilement de niveaux d’argilite. Cette faible résistivité devrait pouvoir s’expliquer par la présence d’une fraction argileuse plus importante que dans l’horizon sus-jacent (R1) Cette interprétation est confirmée par les diagraphies de résistivité et de gamma naturel réalisées dans le forage HIL3 ;

 Un horizon résistant R1 dont la résistivité est comprise entre 80 et 300 ohm.m et qui possède une épaisseur de l’ordre de 15 à 20 m. Il correspondrait également à un empilement de niveaux d’argilite au sein desquels la fraction argileuse serait moins importante que dans C1 et/ou une présence plus importante de lentilles de gypse (interprétation validée par les diagraphies du sondage HIL3);

 Au-dessus de cet horizon résistant R1, deux ou trois formations de faibles épaisseurs, alternativement conductrices et résistantes sont mises en évidence. Elles seraient également représentées par des horizons d’argilite avec des fractions argileuses plus ou moins importantes. L’épaisseur cumulée de ces horizons ne dépasserait pas une vingtaine de mètres.

3.3.3. Compartiment Sud-Ouest (au SW de la faille F1 et à l’W de la faille F8)

 Un horizon très conducteur C0 dont la résistivité est inférieur à 5 ohm.m. Il correspondrait en fait à la formation salifère dont la très faible résistivité de cette formation serait due à un artéfact d’inversion. L’horizon sus-jacent C1 qui est très conducteur constitue une sorte d’écran qui masque la présence des horizons de sel sain qui sont en principe résistants.

 Sur les coupes de résistivité inversée, l’interface matérialisant le toit de la formation salifère n’est donc pas mise en évidence car le contraste de résistivité entre l’horizon C0 et l’horizon sus-jacent C1 n’est pas suffisant. La position de cette interface a donc été extrapolée en partant de l’hypothèse que l’horizon conducteur sus-jacent (C1) avait une épaisseur identique (environ 35 m) à celle qu’il possède dans le compartiment NE ;

 L’horizon conducteur C1 est en fait coalescent avec C0. Le toit de cet horizon est parfaitement caractérisé par un fort gradient de résistivité alors que la base comme expliqué précédemment n’est pas mise en évidence (pas de contraste de résistivité). Dans ce compartiment, la résistivité de C1 est plus faible que dans le compartiment précédent. Cette baisse de résistivité est imputable à une imprégnation des argilites par de l’eau salée comme le montre les diagraphies réalisées dans le sondage HIL2 ;

 L’horizon résistant R1 dont les caractéristiques sont relativement identiques à celles qu’il possède dans le compartiment NE. Son épaisseur serait toutefois globalement plus importante (25 à 30 m au lieu de 15 à 20 m) ;

 Au-dessus de cet horizon résistant, on retrouve la succession de niveaux alternativement conducteurs et résistants présente dans le compartiment NE. L’épaisseur cumulée de ces différentes formations est également plus importante et ceci est dû au pendage général des couches vers le SW (régionalement, le pendage des couches est d’environ 1 m pour 100 m suivant une direction vers le SW).

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 25 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.3.4. Compartiment central (entre les failles F1 et F5 et à l’W de la faille F8)

Dans le compartiment central, qui est lui-même sub-divisé en 4 blocs par des failles d’orientation NW-SE, on retrouve les mêmes horizons géo-électriques avec des caractéristiques différentes notamment en ce qui concerne la résistivité.

 La formation salifère est caractérisée soit par :

 Un horizon résistant R0 quand elle est saine (même signature que dans le compartiment NE). C’est systématiquement le cas dans le bloc F5-F4 et de façon plus sporadique dans le bloc F4-F3;  Un horizon conducteur C0 (même signature que dans le compartiment SW) quand la nappe salée est présente au toit du sel ;  Un horizon S0 de résistivité intermédiaire (25 à 50 ohm.m) quand il n’y a pas de nappe salée sensu stricto. La plus forte résistivité de cet horizon par rapport à celle d’une nappe salée pourrait être due soit (1) à des insolubles (présents dans le sel avant dissolution) et aux comblements des chenaux de dissolution par effondrement des argilites supérieures, le tout étant plus ou moins imprégné de saumure « saturée à 100% » qui ne dissous plus de sel (la phase d’affaissement serait passée), soit (2) à de la circulation d’eau douce dans les terrains gorgés de saumure (d’où une résistivité qui est plus importante que celle d’une saumure). Cette hypothèse implique une dissolution encore active du sel et semble être préférable car le maximum d’affaissement est centré sur ces zones;  L’horizon conducteur C1 est caractérisé par une résistivité comprise entre 10 et 20 ohm.m). Il constitue la continuité de l’horizon C1 du compartiment Sud-Ouest formé par des argilites plus ou moins gorgées de saumure ;  L’horizon résistant R1 est caractérisé par une résistivité globalement plus faible qu’au niveau des compartiments NE et SW. La présence de 5 failles au niveau de ce compartiment central et les affaissements sont probablement à l’origine de cette baisse de résistivité. La fracturation/fissuration engendrée par ces failles et la déstructuration consécutive aux affaissements autorisent des circulations d’eau douce qui cette fois ont un effet inverse en provoquant une baisse de la résistivité (la résistivité d’une formation est essentiellement due à la teneur en eau et à la résistivité de celle-ci) ;  Les horizons superficiels ne présentent pas de modifications notables par rapport aux compartiments NE et SW.

3.4. SCHEMA STRUCTURAL DU SECTEUR

Rappel de quelques éléments structuraux à l’échelle régionale :

 Le secteur d’Hilsprich est situé dans l’axe du synclinal de Sarreguemines ;

 Cet axe s’ennoie du NE vers le SW à raison d’environ 10 m environ et en moyenne par kilomètre ;

 La région est affectée par une série de failles de direction NE-SW et par leurs conjuguées de direction NW-SE.

26 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

L’interprétation des 23 panneaux de résistivité met en évidence la présence d’un grand nombre de failles et la spatialisation de ces éléments structuraux a permis d’établir un schéma structural (figure 5) de la zone d’étude. En cohérence avec les informations structurales d’ordre régionale, les failles mises en évidence appartiennent à 2 familles : l’une de direction NW-SE et l’autre de direction NE-SW.

La cohérence et la précision dans l’élaboration de ce schéma structural sont d’une importance capitale pour l’élaboration des cartes d’aléas, car la progression des phénomènes de dissolution du sel, les extensions de la nappe salée, ainsi que les extensions de la formation salifère saine sont en partie contrôlées par la tectonique cassante et pour une moindre partie par la tectonique souple.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 27 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 5 : Schéma structural.

28 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.4.1. Les failles NW-SE

 Le couloir de failles F1-F5 : Les 5 failles nommées F1, F2, F3, F4 et F5 forment un faisceau de direction NW-SE qui est donc sub-perpendiculaire à l’axe du synclinal de Sarreguemines et qui compartimente la partie centrale de la zone d’étude. Les 4 blocs délimités par ces 5 failles ont une largeur relativement faible (minimum 50 m et maximum 150 m). La largeur totale de cette structure faillée est en moyenne de 350 à 450 m et son extension serait supérieure à 2.1 km (elle se prolonge vers l’Est et vers l’Ouest).

Le rejet vertical, engendré par ce faisceau de failles, entre le compartiment situé au NE de F5 et le compartiment situé au SW de F1 est en moyenne de l’ordre de 30 m. Par rapport au compartiment NE, le toit du sel a une position effondrée dans le compartiment SW. Cet abaissement dans le compartiment SW est probablement dû à un front de dissolution qui a abaissé le toit du sel et ainsi formé la nappe salée. Le compartiment NE, n’ayant pas de nappe salée, n’a pas ou peu subit de dissolution de sel au cours des temps géologiques. Dans la partie Est de la zone d’étude (à l’Est du profil P13), cette structure faillée pourrait être décrochée vers le Nord par le jeu de la faille F9 (faille senestre) de direction NE-SW. Le rejet horizontal de cette faille F9 serait de l’ordre de 150 à 200 m.

Dans la partie ouest de la zone d’étude, c'est-à-dire au NW de la faille F6, le complément d’investigation géophysique réalisé en 2012 (profil P19), met en évidence la continuité de la structure faillée F1-F5 avec les mêmes caractéristiques que celles qu’elle possède dans la partie centrale de la zone d’étude.

 Le couloir de failles F12-F14 : Dans la partie SW du secteur, les profils P18 et RTE3 ont mis en évidence une structure faillée dont la largeur totale serait de l’ordre de 250 à 450 m, constituée de 3 failles (F12, F13 et F14) de direction NW-SE qui présente des caractéristiques relativement identiques à celles de la structure principale F1-F5. A savoir une structure en forme de graben, avec présence de terrains déstructurés. Le rejet vertical serait toutefois moins important et ne dépasserait pas la dizaine de mètres.

 Les failles F10 et F11 : Ces failles qui n’ont été mise en évidence que dans le compartiment F7-F9 seraient sub-parallèles au faisceau F1-F5 c'est-à-dire de direction NW-SE. Dans un esprit de cohérence du schéma structural, ces failles ont été prolongées à l’E de F9 et à l’W de F7 mais leur présence et leur localisation ne sont que supposées.

Le rôle de ces deux failles n’est pas clairement établit. Compte tenu du décalage des horizons géo-électriques et de la présence de deux horizons résistants pouvant l’un et l’autre correspondre à la formation salifère, deux hypothèses sont envisageables :

 soit ces 2 failles affaissent successivement les compartiments NE, rejetant ainsi le toit de la formation salifère à une profondeur supérieure à 100 m ;

 soit elles remontent les assises, mettant ainsi le toit de la formation salifère à une profondeur de l’ordre de 35 à 40 m.

De ces 2 hypothèses, la première semble la plus probable, car tous les auteurs s’accordent pour affirmer que dans la tranche de terrain 0-50 m, la présence de sel est impossible celui-ci ayant été dissout au cours des temps géologiques.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 29 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.4.2. Les failles NE-SW

Les compléments d’investigation réalisés en 2012 ont permis de préciser la localisation et le rôle des failles de direction NE-SW dont la présence était déjà largement suspectée à l’issue de la phase 1. Ces failles, dont la direction varie de N30°E (F9, F8) à N60°E (F6, F7) forme une sorte de « coin » situé dans l’axe du synclinal de Sarreguemines et dont le sommet serait localisé au NE de Castviller.

 La faille F6 : la localisation et la direction de cette faille sont relativement imprécises car elle n’a été intersectée par aucun des panneaux électriques. Elle reflète la présence d’une discontinuité de la structure faillée F1-F5 entre les profils P10 et P11. Elle aurait un jeu dextre qui décalerait le compartiment ouest vers le Nord. Le rejet horizontal serait de l’ordre de 50 à 150 m. Contrairement à la faille F8, elle a peu d’impact sur la structure faillée F1-F5 qui garde les mêmes caractéristiques (affaissement, terrains déstructurés, présence d’une nappe salée) d’un côté et de l’autre de cette faille F6. Ce qui peut s’expliquer par l’absence de rejet vertical au niveau de F6. La côte du toit de la formation salifère est approximativement la même au niveau des profils P10 et P11.

 La faille F7 : cette faille de direction NE-SW est particulièrement bien mise en évidence au niveau des profils P20, P21 et P22 (profils perpendiculaires à la faille) et accessoirement au niveau des profils P3, P16 et P17. Compte tenu de la morphologie du faisceau de failles F1-F5 au contact de cette discontinuité, celle-ci s’apparenterait plutôt à une flexure. Le compartiment W est légèrement décalé (50 à 150 m) vers le N. Aucun rejet vertical n’est clairement mis en évidence, la côte du toit de la formation salifère est approximativement la même au niveau des sondages de reconnaissance HIL1 et HIL3.

 Tout comme la faille F6, la faille F7 n’aurait pas d’impact sur la structure faillée F1-F5 qui garde les mêmes caractéristiques d’un côté et de l’autre de cette faille. Cet état de fait est confirmé par l’extension de la zone de subsidence (interférométrie radar) à l’W de F7.

Au Nord de la faille F5, et au sein du couloir de direction NE-SW engendré par les failles F6 et F7, la résistivité de la formation salifère et des argilites sus-jacentes est en règle générale légèrement plus faible (extrémité NE de P3, extrémités NW de P20, P21 et P22) que dans les autres compartiments mitoyens au sein desquels aucune nappe salée n’a été mise en évidence. Cet état de fait peut s’expliquer par une fracturation plus importante (baisse de la résistivité) au sein de ce couloir de failles F6-F7 de faible largeur (environ 300 m). Si la partie NE de la structure faillée F6-F7 (au Nord de la faille F5) peut constituer une zone fragilisée au sein de laquelle l’extension des phénomènes de dissolution du sel reste possible, les diagraphies gamma naturel du sondage HIL3 montrent que, pour l’instant, il n’existe aucun indice de présence de tels phénomènes.

 La faille F8 : cette faille de direction NNE-SSW a une localisation très imprécise. Sa signature électrique au niveau des intersections avec les profils P12 et P15 (profils parallèles à la faille) n’est pas très explicite. Elle a été positionnée entre les profils P9 et P12 pour expliquer la différence de cote du toit de la formation salifère entre P9 (toit du sel à la cote 185 m) et P12 (toit du sel à la cote 130 m). Cette faille aurait donc un rejet vertical de l’ordre de 55 m avec un compartiment ouest affaissé. Par contre, elle ne semble pas engendrer de décrochement horizontal (parfaite continuité du faisceau de failles F1-F5 entre les profils P9 et P12).

30 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 La faille F8 joue un rôle prépondérant dans l’extension des phénomènes de dissolution qui affectent le toit du sel dans le couloir F1-F5. En effet, à l’Est de cette faille, les réponses électriques au niveau des profils P12, P13 et P14 montrent qu’il n’y aurait plus de nappe salée au toit de la formation salifère. La faille F8 jouerait un rôle de barrière étanche dans l’extension des phénomènes de dissolution du sel.

 La faille F9 : cette faille de direction NNE-SSW a une localisation très imprécise car elle ne serait intersectée que par le profil P15. Elle a été positionnée entre les profils P13 et P14 pour expliquer le décrochement de la structure faillée F1-F5 vers le Nord. Elle aurait donc un jeu senestre avec un rejet horizontal de l’ordre de 150 à 200 m. Le rejet vertical estimé d’après la différence de cote du toit de la formation salifère entre les profils P13 (120 m) et P14 (145 m) serait de l’ordre de 25 m. Le compartiment ouest est effondré.

3.4.3. Le toit de la formation salifère

La détermination de l’altitude du toit de la formation salifère réalisée au niveau de chaque coupe de résistivité est relativement imprécise :

 dans les compartiments affectés par la nappe salée ou les phénomènes de dissolution du sel, c'est-à-dire globalement dans toute la zone située au SW de la faille F4 et à l’Ouest de la faille F8, la position du toit du sel a été extrapolée à partir du toit de l’horizon conducteur C1 (qui est bien marqué sur toutes les coupes et sur leur intégralité) et en partant de l’hypothèse que l’épaisseur de cet horizon est relativement constante. Le sondage HIL2 conforte cette hypothèse ;

 dans les compartiments situés au NE de la faille F10 et à l’E de la faille F8, l’altitude du toit du sel a été déterminée en partant de l’hypothèse que c’était l’horizon résistant profond (à plus de 100 m de profondeur) qui correspondait à la formation salifère (cf. paragraphes 3.4.1. et 3.4.2. – rôles des failles F10, F11 et F8).

Compte tenu de ces approximations et de ces incertitudes, la carte des altitudes du toit de la formation salifère (figure 6) montre :

 la présence d’une zone effondrée au centre de la structure faillée F1-F5, globalement corrélée à la subsidence mise en évidence par interférométrie radar ;

 la présence d’une structure en horst (altitude du toit du sel supérieure à 160 m), de direction NW-SE, entre les failles F5 et F10. Cette structure serait limitée à l’Est par la faille F8 ;

 la présence d’un bloc effondré au NE de la faille F10 et à l’E de la faille F8

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 31 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 6 : Cartographie de l’altitude du toit de la formation salifère.

32 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.4.4. Carte de résistivité inversée à une profondeur de l’ordre de 90 m.

Cette carte a été construite à partir des résultats de l’inversion des 23 panneaux électriques. Le choix de la profondeur (90 m) qui correspond en fait à une tranche de terrain comprise entre - 85 m et -95 m, a été contraint, d’une part par le pendage apparent des assises qui s’ennoient du NE vers le SW à raison de 10 m par km et d’autre part par le schéma structural qui montre que dans le compartiment NE (NE de la faille F10) et dans le compartiment E (E de la faille F8), le toit de la formation salifère serait à une profondeur de l’ordre de 100 m alors que dans la partie centrale et dans le compartiment S (S de F1) de la zone d’étude, cette profondeur est en moyenne de 75 m.

Comme le montre l’interprétation des panneaux électriques en termes de présence d’une nappe salée, interprétation validée par les résultats du sondage HIL2 (diagraphies de résistivité), cette présence est caractérisée par un horizon géo-électrique très conducteur (C1) correspondant aux argilites sus-jacentes à la formation salifère, imbibées de saumure et par une très faible résistivité de la partie supérieure de la formation salifère (C0) due à un effet d’écran de l’horizon conducteur C1. L’épaisseur cumulée de ces 2 horizons serait de l’ordre de 70 m, c'est-à-dire plus ou moins 35 m par rapport au toit du sel. En résumé, la cartographie des résistivités inversées à une profondeur de 90 m devrait permettre de localiser la présence d’une nappe salée entre les cotes -65 m et -135 m dans les compartiments NE et Est (sel à plus de 100 m de profondeur) et entre les cotes -40 m et -110 m dans le compartiment central (F1-F5) et au sud de F1 (sel à 75 m de profondeur).

Cette carte de résistivité (figure 7) montre :

 un compartiment NE (au NE de F5) résistant (résistivité comprise entre 30 et plus de 300 ohm.m) caractérisant l’absence de nappe salée au toit de la formation salifère. A l’extrémité NE de ce compartiment (au N de F11), la présence d’une plage de résistivité comprise entre 10 et 25 ohm.m confirmerait l’approfondissement de la formation salifère. Ces faibles résistivités caractériseraient l’horizon d’argilite C1 non affecté par l’imbibition d’eau salée.

Toujours dans ce compartiment NE, la présence d’anomalies ponctuelles un peu plus conductrices (résistivité < 30 ohm.m) entre les failles F6 et F7 confirmerait la présence de terrains déstructurés au sein de ce couloir de fracturation. La déstructuration de ces terrains, comme le montre le sondage HIL3 qui n’a pas rencontré de nappe salée, aurait une origine purement structurale ;

 un compartiment Est (Est de F8) qui possède les mêmes caractéristiques géo-électriques que le compartiment précédent. A savoir une résistivité supérieure à 30 ohm.m qui caractériserait l’absence de nappe salée au toit de la formation salifère ;

 un compartiment central (F1-F5) où les différents blocs délimités par ce faisceau de failles sont :

 soit résistants (résistivité comprise entre 30 et plus de 300 ohm.m) caractérisant l’absence de nappe salée au toit de la formation salifère. C’est systématiquement le cas dans le couloir délimité par les failles F4 et F5 et plus sporadiquement dans le couloir F3-F4 ;

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 33 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 soit de résistivité intermédiaire, comprise entre 12 et 30 ohm.m, pouvant caractériser la présence de terrains déstructurés conséquence de la dissolution du toit du sel par l’apport d’eau douce et de l’affaissement des argilites sus-jacentes. Ces zones de résistivités intermédiaires se répartissent de façon aléatoire dans les couloirs de failles F1-F2, F2-F3 ou F3-F4 ;

 soit conducteurs (résistivité comprise entre 2 et 12 ohm.m) caractérisant la présence d’une nappe salée au toit de la formation salifère. Ces zones de faible résistivité sont essentiellement cantonnée dans les couloirs de failles F2-F3 et F3-F4 et à l’Ouest du profil P4 (P4 à P19) ;

 un compartiment SW (SW de F1 et ouest de F8/F9) conducteur (résistivité comprise entre 2 et 12 ohm.m) caractérisant la présence d’une nappe salée au toit de la formation salifère (interprétation validée par les résultats du sondage HIL2). Cette plage de faibles résistivités est approximativement calquée sur la zone de bas-fonds représentée par le thalweg de Grosswiesgraben. Au sein de ce même compartiment, la structure en graben F12-F14 est caractérisée par des résistivités intermédiaires (12 à 30 ohm.m). Cette structure pourrait avoir une origine identique à celle du couloir F1-F5. Les phénomènes d’affaissement pouvant avoir lieu et n’ayant probablement pas été enregistrés du fait de leur situation en zone agricole (pas de désordre sur le bâtis).

34 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 7 : Carte de résistivité inversée à une profondeur de l’ordre de 90 m.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 35 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

36 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.4.5. Corrélations avec le MNT (Modèle Numérique de Terrain)

La superposition du schéma structural sur le MNT (figure 8) montre une certaine corrélation entre les éléments structuraux, notamment les failles de direction NE-SW, et la topographie. Le MNT conforte globalement la position et l’orientation des failles NE-SW qui pour beaucoup d’entre elles, à l’exception de la faille F7, n’ont pas été intersectées par les panneaux électriques.

La comparaison des zones d’extension de la nappe salée avec le MNT montre également une corrélation assez évidente avec les bas-fonds du secteur d’étude empruntés par le ruisseau de Grosswiesgraben. Cette corrélation laisserait supposer que la remontée naturelle de la saumure se fait au travers des argilites à la faveur de différences de charge hydraulique favorables. Les zones hautes entre Hilsprich et Morsbronn, ainsi que celles des massifs forestiers de Stangenwald et de Buchenhuebel constitueraient le secteur d’alimentation et la zone de bas- fonds du Grosswiesgraben constitueraient la zone de remontée de la saumure.

Les zones de bas-fonds situées sur la bordure Est de la zone d’étude, bien qu’en limite des investigations géophysiques ne semblent pas être affectées par la présence d’une nappe salée au toit de la formation salifère. Ceci est probablement dû, comme le montre le schéma structural, à une profondeur plus importante du toit du sel dans ce secteur.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 37 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 8 : Corrélations entre le MNT et le schéma structural.

38 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.5. SYNTHESE DES RESULTATS

La synthèse des résultats des investigations géophysiques (Figure 9) réalisées sur les affaissements de la commune d’Hilsprich est présentée suivant 2 axes : aspects géologiques et structuraux et aspects nappe salée/phénomènes de dissolution du sel.

3.5.1. Aspects géologiques et structuraux

 Mise en évidence de la présence de la formation salifère du Keuper au niveau de la commune d’Hilsprich. Présence qui jusqu’à présent n’était pas avérée. Celle-ci est confirmée par les 3 sondages carottés effectués dans le cadre de cette étude. Le toit du premier faisceau de sel de cette formation a été rencontré à une profondeur de l’ordre de 73 m. Le sondage HIL1 qui a atteint une profondeur de 100 m montre que la puissance de ce 1er faisceau de sel serait d’au moins 30 m et que sa partie supérieure est constituée de 2 horizons de sel d’une épaisseur de l’ordre de 4 m séparés successivement par 2 horizons d’argilite d’environ 2 m d’épaisseur. Cette observation est importante car c’est probablement au sein de ces bancs de sel que se situe le siège des phénomènes de dissolution, à l’origine de la subsidence, au sein de la structure faillée F1-F5. Hors fracturation, ces 2 passées d’argilite peuvent constituer un écran étanche.

 Caractérisation, dans la partie centrale de la zone d’étude, d’un faisceau de 5 failles de direction NW-SE (F1 à F5). Les compartiments générés par ce faisceau de failles sont de faible largeur (50 à 150 m) et sont en position effondrée par rapport aux compartiments NE (rejet moyen 35 m) et SW (rejet moyen 20 m). Cette dissymétrie confère au compartiment central une structure basculée vers le NE. Les zones d’affaissement parfaitement mise en évidence par l’interférométrie radar et par la surveillance altimétrique sont localisées au centre de ce faisceau de failles ;

 Caractérisation, dans la partie sud de la zone d’étude, d’un couloir de failles de direction NW-SE (F12 à F14). Cette structure semble avoir des caractéristiques géo-électriques relativement identiques à la précédente ;

 Mise en évidence dans la partie nord du secteur de 2 failles (F10 et F11) de direction NW- SE qui suivant l’hypothèse la plus probable effondreraient successivement le compartiment NE rejetant ainsi le toit de la formation salifère à des profondeurs supérieures à 100 m ;

 Mise en évidence d’au moins 4 failles de direction NE-SW (F6 à F9) qui sont relativement mal caractérisées (direction, localisation, rejet) car essentiellement subparallèles aux panneaux électriques. L’une de ces failles, F8, pourrait jouer un rôle prépondérant en limitant l’extension vers l’Est des phénomènes de dissolution du sel présents au sein de la structure F1-F5 ;

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 39 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 9 : Carte de synthèse des résultats sur fond IGN 25000.

40 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

3.5.2. Aspects nappe salée/phénomènes de dissolution du sel

Pour les aspects nappe salée/phénomènes de dissolution du sel, la synthèse des résultats géophysiques met en évidence, au niveau de la zone d’étude, la présence de 4 blocs possédant des caractéristiques différentes :

 Le bloc 1 représenté par la structure faillée F1-F5, partie située à l’ouest de la faille F8. L’extension de la nappe salée et des phénomènes de dissolution du sel au sein de ce bloc est relativement complexe. Chaque compartiment constituant ce bloc n’en est pas au même stade concernant les phénomènes de dissolution :

 le compartiment F4-F5 ne serait pas affecté ;  dans le compartiment F1-F4, deux types de situation seraient en présence :

o au niveau de certains compartiments, le stade de dissolution de l’horizon supérieur de sel est bien avancé et la nappe salée est probablement contaminée par de l’eau douce. Ces compartiments sont en relativement bonne corrélation avec la zone de subsidence mise en évidence par interférométrie radar ; o au niveau des autres compartiments, la présence d’une nappe salée est bien exprimée. Vers le NW (au NW de P19), l’extension de la nappe salée au sein de cette structure faillée est plus que probable notamment dans le compartiment F1-F3.

Vers le SE, les failles F8 et F9 de par son jeu structural, semblent faire barrage à l’extension de la nappe salée et par corolaire des phénomènes de dissolution du sel.

 Le bloc 2 représenté par le compartiment situé au SW de F1 et à l’W de F8/F9. Au sein de ce bloc, la présence d’une nappe salée au toit de la formation salifère (imbibition des argilites sus-jacentes) est avérée et confirmée par le sondage HIL2. Celle-ci ne semble pas causer de désordres significatifs mais le manque de données altimétriques anciennes ne permet pas d’infirmer ou de confirmer cette hypothèse. Toutefois, la présence au sein de ce bloc 2, d’une structure en graben (F12-F14) présentant des caractéristiques relativement identiques à celles de la structure F1-F5 laisse supposer que des affaissements pourraient bien avoir lieu ou eu lieu.

Les limites d’extension de la nappe salée vers le NW n’ont pas été mises en évidence. Alors que vers le SE, il est probable que les failles F8/F9 joue comme au niveau du bloc 1, un rôle de barrière à l’extension de la nappe salée dans cette direction.

 Le bloc 3 représenté par la zone située entre les failles F10 et F5 et à l’W de la faille F8. Au sein de ce bloc, la formation salifère est saine. Aucun indice de présence d’une nappe salée n’a été mis en évidence. Le toit de la formation salifère se situerait à une profondeur de l’ordre de 60 à 80 m.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 41 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

 Le bloc 4 représenté par la zone située au NE de la faille F10 et à l’E de la faille F8. Dans ce compartiment, aucun indice de présence d’une nappe salée ou de phénomènes de dissolution du sel n’ont été mis en évidence. Par contre dans ce secteur, il subsiste une incertitude quant à la position du toit de la formation salifère. Le rôle des failles F10, F11 et F8 n’est pas clairement établi mais l’hypothèse la plus probable est un affaissement de ce bloc qui rejetterait le toit de la formation salifère à une profondeur supérieure à 100 m.

42 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

4. Conclusions et recommandations

Les investigations géophysiques par méthodes électriques centrées sur les affaissements qui affectent la périphérie sud du village d’Hilsprich (57) ont données les résultats suivants :

 la présence de la formation salifère de la base du Keuper a été mise en évidence et a été confirmée par la réalisation de 3 sondages carottés. Les phénomènes de dissolution du sel au toit de cette formation seraient donc sans ambiguïté à l’origine des affaissements ;

 l’interprétation des panneaux électriques en termes de résistivité ont permis, grâce en partie aux forages de contrôle, de distinguer 3 stades d’évolution du toit de la formation salifère :

 Stade 1 – la formation salifère est saine et est caractérisée par un horizon géo- électrique résistant (résistivité > 200 ohm.m) ;  Stade 2 – une nappe salée est présente au toit du sel. Cette nappe est représentée par une imbibition d’eau salée des niveaux d’argilite sus-jacents à la formation salifère. Compte tenu de l’état de saturation de cette nappe, les phénomènes de dissolution sont probablement peu actifs. Elle est caractérisée par un horizon géo-électrique très conducteur (résistivité < 5 ohm.m) ;  Stade 3 – à ce stade, il n’y aurait plus de nappe salée sensu stricto. Ce stade est caractérisé par des résistivités intermédiaires (25 à 50 ohm.m) au niveau de la formation salifère. Ces valeurs moins conductrices que celles d’une nappe salée pourraient entre autre s’expliquer par l’arrivée d’eau douce qui contamine la nappe salée.

 L’élaboration d’un schéma structural et la confrontation de ce schéma avec la spatialisation des différents stades d’évolution du toit de la formation salifère montre que les extensions de la nappe salée et des phénomènes de dissolution entrainant les affaissements sont étroitement contrôlés par les failles ;

 La synthèse des interprétations (schéma structural – spatialisation des différents stades) a permis d’individualiser 4 blocs présentant des caractéristiques différentes :

 Bloc 1 – représenté par une structure faillée de direction NW-SE, en forme de graben (partie centrale de la zone d’étude), au sein de laquelle les stades 1, 2 et 3 seraient présents. La subsidence d’Hilsprich est entièrement comprise dans ce bloc 1 ;  Bloc 2 – situé dans la partie SW de la zone d’étude, au sein duquel le stade 2 serait essentiellement représenté et éventuellement le stade 3 entre F12 et F14 ;  Bloc 3 – situé dans la partie NE de la zone d’étude où seul le stade 1 serait représenté ;  Bloc 4 – situé également dans la partie NE de la zone d’étude et dans la partie SE au sein duquel seul le stade 1 serait représenté. La différence avec le bloc 3 réside dans une incertitude quant à la profondeur du toit de la formation salifère.  La cartographie et les caractéristiques de ces différents blocs devraient servir de base à l’élaboration des cartes d’aléas et des dispositions constructives ;

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 43 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Suite à cette deuxième phase d’investigation géophysique, certaines interrogations subsistent encore et pour y répondre, des travaux complémentaires seraient nécessaires :

 la profondeur du toit de la formation salifère dans toute la partie NE et SE de la zone d’étude demande à être confirmer. Cette incertitude pourrait être levée par la réalisation d’au moins 2 sondages destructifs (avec diagraphies) ou par celle d’un profil sismique haute résolution (SHR) car le toit du sel est un excellent réflecteur ;

 Extensions vers le NW et le SW de la structure faillée accueillant la nappe salée et par voie de conséquence les possibles affaissements. Un complément d’investigation par la méthode du panneau électrique devrait permettre de circonscrire l’extension de ces phénomènes.

44 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

5. Bibliographie

Cartannaz C., Midot D. (2012) – Synthèse des investigations menées entre 2010 et 2012 l’affaissement d’Hilsprich (Moselle). Rapport BRGM/RP-60363-FR, 52 p., 12 fig., 2 ann.

Mathieu F. (2011) – Caractérisation par méthodes électriques d’un affaissement sur la commune d’Hilsprich (57). BRGM/RP-60482-FR, 69 p., 7 fig., 1 tab., 3 ann.

Cartannaz C., Midot D. (2011) – Audit des levers topographiques sur la commune d’Hilsprich. Rapport BRGM/RP-60100-FR, 10 p., 4 fig.

Cartannaz C. (2011) – Sondage carotté sur la commune d’Hilsprich (57) Compte-rendu d’exécution. Rapport BRGM/LOR11N407,

Mathieu F. (2011) – Essai de caractérisation par méthodes électriques des affaissements salins dans la vallée du Sânon entre Dombasle-sur-Meurthe et Sommerviller (54). BRGM/RP-60596- FR, 23 p., 13 fig., 2 tab., 2 ann.

Raucoules D. (2010) – Mesure de la déformation du sol sur la commune de Hilsprich par interférométrie radar. Rapport BRGM/RP-59028-FR, 23 p., 12 fig.

Hervé. M. (2009) – Hilsprich. Diagnostic géotechnique. DDE de la Moselle. Dossier N° 2008 D65, 18p.

Mathieu F. (2009) – Recherche des extensions de la nappe salée par méthodes électriques. Secteur d’Einville-au-Jard (54). Rapport final. BRGM/RP-57631-FR, 30 p., 9 fig., 1 tab.

Mathieu F. (2007) – Recherche des extensions de la nappe salée par méthodes électriques. Secteur de Haraucourt, Dombasle-sur-Meurthe (54). Rapport final. BRGM/RP-55920-FR, 28 p., 7 fig., 1 tab.

Mathieu F., Baltassat J.M. (2006) – Recherche des extensions de la nappe salée par méthodes électriques. Secteur de Varangéville (54). Rapport final. BRGM/RP-55139-FR, 28 p., 8 fig., 1 tab.

Mathieu F. (2003) – Reconnaissance géophysique à caractère méthodologique sur la concession saline de La Madeleine (54) - Phase 2. BRGM/RP-52583-FR, 41 p., 10 fig., 1 tab., 1 ann.

Mathieu F. (2002) – Reconnaissance géophysique à caractère méthodologique sur la concession saline de La Madeleine-Meurthe-et-Moselle. BRGM/RP-51883-FR, 61 p., 7 fig., 1 tab., 3 ann.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 45 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

46 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Annexe 1 :

Principe du panneau électrique

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 47 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

48 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

La tomographie électrique (ERT pour Electrical Resistivity Tomography) est une méthode géophysique permettant d'obtenir la distribution de la résistivité électrique des matériaux (roches ou structures) en profondeur (2D et 3D selon le dispositif d’acquisition mis en place) à partir de mesures de potentiel électrique en surface. Les termes «panneau électrique» ou «tomographie électrique» sont utilisés pour qualifier une prospection électrique (initialement basée sur quatre électrodes) automatisée le long d’un profil multi-électrodes (2D) ou sur une surface (3D). Ce type d’acquisition présente l’avantage de fournir des résultats fiables en 2D ou 3D, et d’être rapidement mis en œuvre.

Le principe de base de la prospection électrique est d’injecter dans le sol un courant électrique d’intensité I entre deux électrodes A et B et de mesurer la différence de potentiel ΔV induite entre une autre paire d’électrodes M et N (figure 1).

IAB B

A

VMN M N

Figure 1 : Principe de la mesure en courant électrique continu

A partir de la valeur du courant injecté I, de la mesure de la différence de potentiel ΔV et de l’écartement entre les différentes électrodes, on peut déterminer la résistivité électrique apparente du sous-sol sur base de la loi d'Ohm :

V   K  app I

où K est un facteur dépendant de la géométrie du dispositif de mesure (figure 2) :

1  1 1 1 1  K  2       r11 r12 r21 r22 

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 49 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 2 : Disposition générale d'électrodes où A et B sont les électrodes de courant,

M et N, les électrodes de potentiel (0 < θ, Φ < π)

La résistivité apparente d'un terrain hétérogène correspond à la résistivité d'un terrain homogène qui, pour une configuration identique des électrodes et un même courant injecté, donnerait la même mesure ΔV. Elle est fonction de la résistivité, de la géométrie des diverses couches et de la disposition des électrodes. Il existe plusieurs dispositifs d’électrodes utilisés en pratique : Schlumberger, Wenner, dipôle-dipôle, pôle-pôle, etc.

Dispositifs d’électrodes / configurations d’acquisition

Une configuration d’acquisition est une manière d’agencer géométriquement les électrodes de courant (AB) et de potentiel (MN) (soit les quadripôles ABMN) en surface. Il en existe plusieurs, chacune présentant avantages et inconvénients. Les différences majeures entre ces configurations sont la distribution des lignes de courant électrique dans le sol et donc la forme des équipotentielles en surface ainsi que la valeur du coefficient géométrique K qui conditionnera les valeurs du courant minimal I à injecter pour mesurer un potentiel électrique minimal U fiable. Selon les équipements utilisés, certains dispositifs sont également plus rapides (dipôle-dipôle) à acquérir que d’autres (Schlumberger) grâce à des acquisitions multi- voies (plusieurs mesures de ΔV pour une injection de courant.

Pour la configuration Wenner, par exemple, la profondeur d’investigation est estimée égale à la moitié du plus grand écartement utilisé entre deux électrodes successives mais elle peut varier suivant la nature des terrains et leur résistivité. L’écartement entre électrodes détermine donc la profondeur d’investigation ainsi que les résolutions horizontale et verticale. Par rapport aux autres configurations, le dispositif Wenner rend les structures plus facilement reconnaissables sur la pseudo-section.

D’une manière générale, la mise en œuvre d’au moins deux configurations d’électrodes permet dans la plupart des contextes de mieux appréhender la géométrie des différents corps en

50 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

présence. Ci-dessous sont présentées trois configurations souvent mises en œuvre avec les équipements automatisés actuels.

Le dispositif dipôle-dipôle donne une très bonne résolution des terrains de subsurface et pour les discontinuités verticales. Dans cette configuration, le rapport signal/bruit décroit rapidement et la profondeur d’investigation se réduit également (figure 3).

Figure 3 : Configuration dipôle-dipôle

Le dispositif Schlumberger est plus intégrant et, de ce fait, plus sensible aux effets latéraux. La résolution au niveau des horizons de sub-surface est moins bonne et celle des structures plus globale. Son intérêt majeur est la profondeur d’investigation atteinte (de l’ordre de 80m) grâce à un meilleur rapport signal/bruit (figure 4).

Figure 4 : Configuration de Schlumberger

Le dispositif Wenner est un dispostif présentant la particularité d’avoir trois espacements identiques entre les quatre électrodes. Avec ce dispositif, les résistivités apparentes sont moins affectées par les variations latérales superficielles (figure 5).

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 51 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 5 : Configuration de Wenner

Construction d’une pseudo-section de résistivité apparente

Après filtrage des données brutes de résistivité apparente (mesurées sur le terrain) sur la base de critère de qualité, de courant émis ou de potentiel mesuré (logiciels Iris Instruments et X2ipi), celles-ci sont agencées de manière à obtenir une coupe (pseudo-section) de résistivité apparente du sous-sol. Cette dernière est construite (automatiquement) en reportant la valeur de la résistivité apparente mesurée au centre du dispositif et à une profondeur dépendant de l’écartement entre les électrodes. Cette représentation conduit à une image pour laquelle les valeurs de résistivité (puisqu’apparentes) et celles de profondeur ne sont pas correctes (figure 6).

Figure 6 : Principe de construction d’une pseudo-section pour un dispositif Wenner

52 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Traitement et inversion des données

Afin d'obtenir une image quantitative représentant les variations de résistivité réelle (et non apparente) en fonction de la vraie profondeur, il est nécessaire d’inverser la pseudo-section (figure 7). Cette étape est réalisée à l’aide du logiciel Res2DInv (Loke & Barker). Cette inversion des données est réalisée suivant un processus itératif qui tente de minimiser l’écart entre la pseudo-section de résistivités apparentes mesurées et une pseudo-section recalculée à partir d’un modèle de résistivité électrique. Ce modèle est modifié à chaque itération jusqu’à ce que les données mesurées et calculées atteignent une concordance acceptable ou jusqu’à ce qu’aucune nouvelle amélioration ne soit possible. Afin de prendre en compte les morphologies rencontrées, la topographie de chaque profil est incluse lors de l’inversion (figure 8).

Figure 7 : Résultats complets (en images) d’une inversion. En haut la pseudo-section de résistivité apparente mesurées. En bas, le modèle de résistivité issu de l’inversion. Au centre, la pseudo-section de résistivité calculée sur la base du modèle de résistivité. L’erreur (RMS) constitue la différence entre les deux premières pseudo-sections (ici 4.4 %).

La pseudosection de résistivité « vraie » (illustration du bas de la figure 7), résultat de l’inversion, sera ensuite utilisée pour l’interprétation. Elle fournit des informations quantitatives permettant de caractériser l’origine des différentes anomalies mises en évidence : résistivité, géométrie des horizons, profondeur, pendage. Les résultats de l’inversion sont présentés sous forme d’une coupe (pseudosection) semblable à celle de résistivité apparente présentant la distribution des résistivités calculées le long du profil en fonction de la profondeur. Cela pour les différentes configurations d’acquisition choisies.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 53 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Figure 8 : Résultat de l’inversion de la figure 7 avec la topographie.

Pour chaque cas, des paramètres d’inversion sont choisis de manière à optimiser la réponse du modèle en incluant une information « à priori ».

Quelles que soient les performances des algorithmes de convergence, en l’absence d’étalonnage (résistivité étalonnée, profondeur des interfaces géoélectriques) les paramètres fournis par l’inversion ne sont pas définis de manière univoque (il y a plusieurs solutions satisfaisant au même jeu de données) et sont soumis à des principes d’équivalence. Cette indétermination ne peut être évaluée qu’en testant différentes solutions ou en contraignant l’inversion au moyen de paramètres (résistivités, épaisseurs, profondeurs) obtenus par d’autres moyens (autre méthode géophysique, diagraphies, forages, observations de terrain).

Applications

La tomographie électrique proche surface (< 100m) s’applique globalement à toutes les sciences environnementales dans des domaines divers et variés.  Hydrogéologie (épaisseur d’aquifère), profondeur du substratum, identification d’invasions salines en milieu côtier  Volcanologie : identification des zones de fortes altérations hydrothermales  Géologie : identification de contact géologique ou tectonique  Environnement : suivi de panache de contamination dans le sol ou dans un aquifère  Risques naturels : délimitation de la base de glissements de terrain  Dans le domaine minier (associée à des mesures de polarisation provoquée (PP)), pour mettre en évidence des corps minéralisés  En archéologie pour l’identification de structures enterrées  Risques naturels : recherche de cavité en proche surface  Géotechnique : qualité de fondations

54 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Annexe 2 :

Paramètres d’inversion utilisés dans Res2DInv

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 55

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Inversion settings Initial damping factor (0.01 to 1.00) 0.1000 Minimum damping factor (0.001 to 0.75) 0.0300 Line search option (0=Never, 1=Sometimes, 2=Always) 2 Convergence limit for relative change in RMS error in percent (0.1 to 20) 1.0000 Minimum change in RMS error for line search in percent (0.5 to 100) 0.5000 Number of iterations (1 to 30) 7 Vertical to horizontal flatness filter ratio (0.25 to 4.0) 0.3000 Model for increase in thickness of layers(0=default 10, 1=default 25, 2=user defined) 2 Number of nodes between adjacent electrodes (2 or 4) 2 Flatness filter type, Include smoothing of model resistivity (0=model changes only,1=directly on model) 1 Reduce number of topographical datum points? (0=No,1=Yes. Recommend leave at 0) 0 Carry out topography modeling? (0=No,1=Yes) 1 Type of topography trend removal (0=Average,1=Least- squares,2=End to end) 1 Type of Jacobian matrix calculation (0=Quasi-Newton, 1=Gauss- Newton, 2=Mixed) 1 Increase of damping factor with depth (1.0 to 2.0) 1.2000 Type of topographical modeling (0=None, 1=No longer supported so do not use, 2=uniform distorted FEM, 3=underwater, 4=damped FEM, 5=FEM with inverse Swartz-Christoffel) 0 Robust data constrain? (0=No, 1=Yes) 0 Cutoff factor for data constrain (0.0001 to 0.1)) 0.0100 Robust model constrain? (0=No, 1=Yes) 0 Cutoff factor for model constrain (0.0001 to 1.0) 0.0010 Allow number of model parameters to exceed datum points? (0=No, 1=Yes) 1 Use extended model? (0=No, 1=Yes) 0

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 57 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Reduce effect of side blocks? (0=No, 1=Slight, 2=Severe, 3=Very Severe) 3 Type of mesh (0=Normal,1=Fine,2=Finest) 2 Optimise damping factor? (0=No, 1=Yes) 1 Time-lapse inversion constrain (0=None,1=Least- squares,2=Smooth,3=Robust) 0 Type of time-lapse inversion method (0=Simultaneous,1=Sequential) 0 Thickness of first layer (0.25 to 1.0) 0.5000 Factor to increase thickness layer with depth (1.0 to 1.25) 1.1000 USE FINITE ELEMENT METHOD (YES=1,NO=0) 1 WIDTH OF BLOCKS (1=NORMAL WIDTH, 2=DOUBLE, 3=TRIPLE, 4=QUADRAPLE, 5=QUINTIPLE) 1 MAKE SURE BLOCKS HAVE THE SAME WIDTH (YES=1,NO=0) 1 RMS CONVERGENCE LIMIT (IN PERCENT) 1.000 USE LOGARITHM OF APPARENT RESISTIVITY (0=USE LOG OF APPARENT RESISTIVITY, 1=USE RESISTANCE VALUES, 2=USE APPARENT RESISTIVITY) 0 TYPE OF IP INVERSION METHOD (0=CONCURRENT,1=SEQUENTIAL) 1 PROCEED AUTOMATICALLY FOR SEQUENTIAL METHOD (1=YES,0=NO) 1 IP DAMPING FACTOR (0.01 to 1.0) 0.150 USE AUTOMATIC IP DAMPING FACTOR (YES=1,NO=0) 0 CUTOFF FACTOR FOR BOREHOLE DATA (0.0005 to 0.02) 0.00100 TYPE OF CROSS-BOREHOLE MODEL (0=normal,1=halfsize) 0 LIMIT RESISTIVITY VALUE (0=No,1=Yes) 0 Upper limit factor (10-50) 20.000 Lower limit factor (0.02 to 0.1) 0.050 Type of reference resistivity (0=average,1=first iteration) 0 Model refinement (1.0=Normal,0.5=Half-width cells) 0.50 Combined Combined Marquardt and Occam inversion (0=Not used,1=used) 0 Type of optimisation method (0=Gauss-Newton,2=Incomplete GN)

58 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

2 Convergence limit for Incomplete Gauss-Newton method (0.005 to 0.05) 0.010 Use data compression with Incomplete Gauss-Newton (0=No,1=Yes) 0 Use reference model in inversion (0=No,1=Yes) 0 Damping factor for reference model (0.0 to 0.3) 0.05000 Use fast method to calculate Jacobian matrix. (0=No,1=Yes) 1 Use higher damping for first layer? (0=No,1=Yes) 1 Extra damping factor for first layer (1.0 to 100.0) 2.50000 Type of finite-element method (0=Triangular,1=Trapezoidal elements) 1 Factor to increase model depth range (1.0 to 5.0) 1.000 Reduce model variations near borehole (0=No, 1=Yes) 0 Factor to control the degree variations near the boreholes are reduced (2 to 100) 5.0 Factor to control variation of borehole damping factor with distance (0.5 to 5.0) 1.0 Floating electrodes survey inversion method (0=use fixed water layer, 1=Incorporate water layer into the model) 0 Resistivity variation within water layer (0=allow resistivity to vary freely,1=minimise variation) 1 Use sparse inversion method for very long survey lines (0=No, 1=Yes) 0 Optimize Jacobian matrix calculation (0=No, 1=Yes) 1 Automatically switch electrodes for negative geometric factor (0=No, 1=Yes) 1 Force resistance value to be consistant with the geometric factor (0=No, 1=Yes) 0 Shift the electrodes to round up positions of electrodes (0=No, 1=Yes) 0 Use difference of measurements in time-lapse inversion (0=No,1=Yes) 0 Use active constraint balancing (0=No,1=Yes) 0 Type of active constraints (0=Normal,1=Reverse) 0

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 59 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Lower damping factor limit for active constraints 0.4000 Upper damping factor limit for active constraints 2.5000 Water resistivity variation damping factor 8.0000

60 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Annexe 3 :

Diagraphies dans les sondages HIL2 et HIL3.

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 61

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Nom du sondage : HIL2 Echelle : 1 / 200 Tranche de profondeur : 0.00 M - 77.15 M Coordonnées X = 934958.5 Y = 2455088 Z = 229.65 Commune d'Hilsprich Marnes irisées inférieures (Keuper)

Auteur : C. Cartannaz

API

Ohm.m

ID ID (cm)

RQD (%)

Recup

SNR SNR (Petite

Normale bleu)

Lithologie

Gamma naturel

Récupération (%)

Log lithologiqueLog

trait Ohm.mrouge)

Numéro de caisse

Profondeur (m)litho

LNR (GrandeLNR Normale

1 10 100 0 25 50 75 100 125 150 175 200 50 100 0 50

0 50 100 0

Echelle (m) profondeur Diamètre (mm) foration 0.05 terre végétale avec de l'herbe 100 5 0.45 argile brune avec traces d'hydromorphie 100 45 1 argile limoneuse brune à texture polyhédrique 0 14 87 2.20 2 cailloutis (2 à 5 cm) d'argilite grisâtre altérée et destructurée 83 15 100 2.90 3.20 argile brune à lis de vin cataclase d'argilite grisâtre 40 20 67 3 3.90 argile grisâtre pure 0 6 100 4.60 4.90 argile rougeâtre 5 argile grisâtre 38 15 69 5.35 4 argile bicolore 42 7 81 6.45 84 15 84 argile gris verdâtre 75 10 75 65 15 77 6 9.10 59 20 10 78 49 15 89 argile rougeâtre 10

84 7 81 21 13.60 43 argile majoritairement grisâtre avec tâches blanc clair millimétriques (gypse altéré) à la base 14.30 68 58 30 15 8 argile grisâtre avec tâches blanc clair milimétriques (gypse altéré) 13 86 74 25 150mm 16.60 argile rougeâtre avec traces de veinules de gypse altéré 9 17.00 83 72 18 argile rougeâtre pauvre en gypse 19 82 71 10 19.15 argilite bicolore plus ou moins indurés (10% de nodules de gypse blanc) 34 96 19.65 argilite bicolore plus ou moins indurée 88 20 20.05 argile rougeâtre exempte de gypse 17 20.40 argile plus ou moins indurée gris clair exempte de gypse 100 20.55 argilite avec veinules de gypse de 2 à 3 cm de puissance 95 18 11 20.70 argile plus ou moins indurée rougeâtre à grise au toit : des reliques de nodules de gypse, quelques fractures de gypse 21.90 38 argilite à argile indurée bicolore présence de veinules de gypse (10 à 20%) de 3 cm de puissance 95 22.60 argilite grisâtre exempte de gypse 72 13 12 23.10 gypse blanc clair (90%) 23.25 argile indurée rougeâtre avec petits nodules de 1 cm de gypse à 23,5 m 94 23.70 91 17 argile indurée gris verdâtre exempte en gypse 25 13 25.10 100 argile indurée rougeâtre pauvre en gypse 83 18 25.95 argile indurée avec nodule de gypse de 3 cm 26.05 argile indurée bicolore 14 27.15 argilite grisâtre avec veinule de gypse inclinée de 45° 97 27.25 argilite altérée et friable avec des tâches blanches de gypse milimétriques 74 14 27.45 argilite grisâtre, 40 % gypse en veinule 27.60 argilite grisâtre , 20% gypse en veinule 94 28.00 argilite rougeâtre avec nodules de 5 cm de gypse blanc clair 80 12 15 28.30 argilite bicolore avec rare nodule de gypse (5%) 29.00 cataclase d'argilite grisâtre, pas de gypse 93 29.50 argile gris rougeâtre indurée avec veinules de 3 mm de gypse 46 25 30 30.05 16 argilite gris clair avec 5 à 10 % de veinules de gypse 76 31.20 54 16

argilite rougeâtre 5 à 10% de veinules de gypse 84 60 9 17 33.00 argilite grisâtre avec 10% de veinules de gypse 34.15 34.30 gypse cristalisée translucide à blanc clair (90%) 35 argilite grisâtre pauvre en gypse (5%) 98 71 11 35.55 argile rougeâtre pauvre en gypse (1%) 18 36.40 argilite grisâtre avec 15% de gypse en fines lamines millimétriques 37.15 gypse cristallisée translucide à blanc clair avec nodule de gypse orangé (80%), 20% argile grisâtre 84 37.95 33 9 argilite grisâtre plus ou indureé avec 10 à 20% de gypse

19 39.30 Keuper 40 gypse (80%) et argile grisâtre 40.40 73 argilite grisâtre plus ou indurée avec 10% de gypse 50 12 41.50 gypse (60%) et argile grisâtre 41.70 argilite bicolore plus ou indurée avec 10% de gypse

20 Marnes irisées inférieures 43.40 gypse (80%) et argile grisâtre 43.45 argilite grisâtre plus ou indurée avec 30% de gypse 43.70 gypse (60%) et argile grisâtre 88 43.90 polyhalite mélangée avec gypse et argile grisâtre 55 10 44.10 45 argile grisâtre avec gypse et pauvre en polyhalite (1%) 45.10 argilite grisâtre avec gypse et 30 à 40% de polyhalite 21 45.35 argilite plus ou moins indurée pauvre en gypse sous forme de tâches blanches 45.55 argilite grisâtre avec 5 à 10 % de veinules de gypse de 2 mm de puissance 46.10 argile de dissolution riche en sable d'argilite 46.30 argilite grisâtre avec 10 à 20 % de veinules de gypse de 2 mm de puissance 89 47.15 73 14

gypse (40 à 50%) avec quelques passées de 5 cm à 80% de gypse, argilite grisâtre 22 49.65 argilite grisâtre avec stratification inclinée de 50° 50 95 49.85 79 15 polyhalite (30 à 60%) mélangé avec 20% de gypse, argile grisâtre et argilite grisâtre 51.30 23

86 argilite grisâtre 10 à 30% de gypse noduleux blanc orangé et veinule de gypse 57 10

55 24 96mm 55.15 argilite rougeâtre plus ou moins indurée pauvre en gypse (5%), trace de dissolution de gypse probable 55.55 cataclase d'argilite rouge 55.85 argilite rougeâtre avec veinules de gypse (10 à 20 %) sécantes à la stratification 87 56.25 61 12 argilite bicolore avec 20% de veinules millimetriques de gypse (maximum de 1 cm de puissance), un 25 nodule de gypse blanc orangé à 57,50 m 58.25 96 82 15 60

26 argilite grisâtre 20 à 30% de gypse, une passée de gypse blanchâtre à orangé de 4 cm de puissance à 59,15 m, rare nodule 86 57 12

27 64.15 argilite grisâtre avec nodule de gypse blanc à orangé 64.25 65 89 argilite grisâtre 10% de gypse orangé en veinule de 1 cm 75 13 65.25 argilite grisâtre pauvre en gypse 66.45 cataclase argilite grisâtre 28 66.95 80 cataclase d'argilite rougeâtre qui se délite au marteau. Très argileux et pauvre en gypse 33 11 68.15 68.35 argile molle grise à rougeâtre 90 argilite grisâtre homogène avec veinules inframillimétriques de gypse (20%) parallèles à la stratification et 90 27 rarement sécantes à 45° 70 29 70.50 cataclase d'argilite grisâtre, quelques passées de gypse blanc orangé en nodule 63 70.70 29 16 argile grisâtre altérée 72.15 cataclase d'argilite grisâtre 72.45 argile rougeâtre 72.65 cataclase d'argile grisâtre plus ou moins indurée 73.05 argilite avec 30 à 40% de veinules de gypse blanc. Deux veinules de gypse blanc de 1 cm de puissance à 30 73,90 et 73,95 m. Contact franc avec le sel. 74.00 66 23

75 89 sel gris translucide assez homogène à reflet orangé 31 5 6 77.15

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 63 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Nom du sondage : HIL3 Echelle : 1 / 200 Tranche de profondeur : 0.00 M - 75.45 M Coordonnées X = 935025 Y = 2455853.75 Z = 236.21 Commune d'Hilsprich Marnes irisées inférieures (Keuper)

Auteur : C. Cartannaz

API

Ohm.m

ID ID (cm)

RQD RQD (%)

Recup

SNR SNR (Petite

Normale bleu)

Lithologie

Gamma naturel

Récupération (%)

Log lithologiqueLog

trait rouge) Ohm.m

Numéro de caisse Profondeur (m)litho

0 50 100 (GrandeLNR Normale

1 10 100 0 25 50 75 100 125 150 175 200 0 50 100 0 50

Echelle (m) profondeur Diamètre (mm) foration gravier et sable gris argilo-limoneux, présence de bitume 100 0.70 argile beige molle 0 30 1 1.05 90 argile noirâtre molle 86 40 2 1.75 100 argile brune molle 73 14 3 3.05 100 13 2 gravier 4.57 0 18 5 96 4 argilite gris verdâtre altéré, rares lamines millimétriques, quelques traces de rouille 75 21 5.55 92 81 3 argile gris noirâtre indurée à rare passée plus grisâtre et localement plus sableux à petit grain de gypse 13 50 45 8.10 12 7 5 15

10 10 38 50 sable gris noirâtre (1% gypse) et éléments (argilite gris noirâtre avec rare gypse dans les plans de 0 64 stratification) anguleux de taille moyenne de 2 à 3 cm (max 10 cm). 6 70 67 50 40 15 7 14.15 100 14.45 argile grisâtre molle 44 30 15 sable gris noirâtre (1% gypse) et éléments anguleux 75 15.45 argilite noirâtre. 5 à 10 % de veinules de gypse avec fractures inclinées de 45° de gypse blanc orange 0 25 saccaroïde de 2 cm de puissance 8 16.10 75 100 122mm 16.70 gypse saccaroïde gris blanc (80%) mélangé avec de l'argilite noirâtre 18 17.10 éléments fracturés et sableux gris, passées centimètriques argileuses 63 17.30 argilite gris noirâtre avec veinules millimètriques de gypse blanc clair (10%) 0 5 17.40 gypse blanc à stratification inclinée de 40° 93 9 17.50 argilite gris noirâtre avec veinules millimètriques de gypse blanc clair (10%) 89 6 argile grisâtre plus ou moins indurée très pauvre en gypse (absence à la base ), 1 nodule de gypse 28 100 orangé de 3 cm au sommet. 20 19.95 10 98 18 98 gypse (80%) blanc grossièrement noduleux mélangé avec de l'argilite gris noirâtre 25 11 22.40 86 argilite rougeâtre à grisâtre. 40% de gypse en nodule blanc et veinules milimetriques de gypse translucide 81 32 23.20 argilite rougeâtre. 1% de veinule de gypse 23.50 gypse (70%) en nodules agglomérés avec argilite grisâtre 95 12 23.60 éléments fracturés d'argilite rougeâtre. Assez pauvre en nodule de gypse 5% 75 12 24.60 25 86 argilite grisâtre homogène et indurée. 1% de gypse 70 17 13 25.95 argilite rougeâtre exempte de gypse 26.15 argilite grisâtre bien indurée. 10% de gypse avec nodules dés la base sur les 15 premiers centimètres et 2 87 veinules de 1 cm à 27,40 m 64 13 28.20 28.60 argilite rougeâtre à nodule de gypse (30%), 14 28.65 gypse en nodule 28.70 argilite rougeâtre 100 20 100 29.10 argilite rougeâtre (maximum 20% de gypse) 29.55 argile grisâtre plus ou moins indurée pauvre en gypse 15 argilite rougeâtre avec veinule de gypse blanc de 4 cm de puissance 30 29.70 95 18 29.80 argilite grisâtre 30.03 argile rougeâtre pauvre en gypse 89 30.15 argilite grisâtre avec veinules de 1 cm de gypse 81 16 30.90 argilite rougeâtre qui devient de l'argile rougeâtre plus ou moins indurée à la base. L'ensemble est pauvre 16 31.55 en gypse 91 argilite grisâtre 79 20 gypse noduleux blanc aggloméré en veine (70%) mélangé avec de l'argilite grisâtre 33.65 argile indurée grisâtre (20% gypse) 33.95 argile indurée grisâtre (30% gypse) 34.15 argilite rougeâtre et grisâtre (20% gypse) 35 34.35 95 17 gypse (50%) et argilite rougeâtre et grisâtre 82 19 35.85

argilite rougeâtre et grisâtre (10% gypse)

37.65

93 18 38.05 gypse (60%) et argilite rougeâtre et grisâtre 78 12 Keuper

40 argilite rougeâtre et grisâtre (20% gypse), deux nodules de gypse de 3 cm de diamètre à 41,15 m

97 19 80 14

41.80 Marnes irisées inférieures gypse (60%) et argilite grisâtre 42.25 argilite rougeâtre et grisâtre et gypse fibreux (10 à 20%) de 1 à 3 mm de puissance 78 12 96 20 44.05 argilite grisâtre à noirâtre (5% gypse) 44.45 gypse (60%) et argilite noirâtre à grisâtre argilite noirâtre 72 13 45 44.55 44.65 gypse (90%) avec argilite noirâtre 45.85 46.25 gypse (50%) et argilite noirâtre à grisâtre argilite noirâtre avec gypse (30%) et 4 passées franches d'argile de 1 à 5 cm de puissance. Gypse 92 21 cristallisé translucide blanc avec passée de nodule de gypse de 1 à 2 cm à 47,90 m 75 12 48.00 argilite rougeâtre 48.30 cataclase indurée avec imbrication des deux argilites de couleur différente 48.45 gypse (50%) en nodule blanc à orange imbriqué dans de l'argilite grisâtre 49.00 cataclase indurée et microfissurée d'argilite grisâtre pauvre en gypse (veinule de gypse blanc clair à 49,40) 49.55 gypse (50%) avec argilite grisâtre gypse (90%) 50 49.65 89 22 49.75 gypse (50%) avec argilite grisâtre 86 16 50.00 argilite rougâtree pauvre en gypse. fracture de gypse blanc claire de 5 mm de puissance et passée de 50.90 gypse noduleux de 5 cm de puissance à 50,90 m 51.40 argilite grisâtre (pauvre en gypse) argile rougeâtre (10 à 20% gypse) avec nodule (2 cm) de gypse à 51,60 M et veine de gypse noduleux à 52.25 51,85 m 52.45 gypse en gros nodules agglomérés en veine avec argilite grisâtre 23 53.45 argilite rougeâtre avec veinules de gypse (5 à 10%) de 2 mm de puissance 94 53.95 argilite grisâtre 93 19 54.25 gypse en nodules (80%) dans de l'argilite rougeâtre 96mm 54.65 argilite bicolore pauvre en gypse 54.85 argilite rougeâtre avec veinules de gypse (30% ) 55 54.88 gypse blanc gris 55.50 argilite bicolore exempte de gypse avec veinule de 2 cm d'anhydrite (ou gypse?) gris blanc à la base 55.60 argilite rougeâtre avec 10% de gypse en veinules de 5 mm 95 24 56.15 gypse blanc gris (90%) 70 11 56.40 argilite rougeâtre avec 20% de gypse 57.35 argilite bicolore, 1% gypse en nodule de 3 cm à 56,50 m 57.45 gypse (90%) avec argilite 57.75 argilite rougeâtre avec nodules de gypse blanc à orange (20%) 58.10 argile bicolore 58 30 18 cataclase d'argilite exempte de gypse. Passée de 30 cm d'argile grisâtre molle à 60 m. 60 25 60.80 argilite grisâtre et rougeâtre exempte de gypse (un nodule de gypse de 4 cm à 61,65 m) 61.65 85 62.40 argilite grisâtre localement varvée, 5% de gypse 71 16 62.60 gypse 50% et argilite rougeâtre 62.85 argilite rougeâtre et nodule blanc de gypse (40%) 26 63.00 gypse (60%) en nodules (1 à 2 cm de diamètre) blancs et argilite rougeâtre argilite bicolore pauvre en gypse. Un nodule de 4 à 5 cm de gypse blanc à orangé à 63,4 m 64.40 64.70 gypse (50%) et argilite gris clair 65 90 65 12 argilite bicolore, 10% gypse en veinule, rare passées d'argile de 1 cm de puissance 27 66.95 argilite bicolore, 30% gypse en veinule, gypse noduleux à la base 97 95 22 68.55 68.85 gypse 50% et argilite grisâtre 28 70

93 argilite bicolore, 10% de gypse en veinules fibreuses de 1 cm de puissance max 76 12 29 73.15 argilite grisâtre avec localement du gypse recristallisée translucide habitus automorphe 73.80 92 52 9 Sel gemme (halite) blanc translucide avec rare passée argileuse grisâtre 75 30 75.45

64 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Détermination de la résistivité des argilites à partir des diagraphies Gamma naturel

Les abaques de formation argileuses indiquent que pour une fraction argileuse comprise entre 0.5 et 1, la résistivité mesurée RT ~ RClay / VClay.

Gamma Ray : Modèle classique linéaire avec radioactivité de matrice non argileuse (GRb), radioactivité d’argile pure (GRClay) et fraction argileuse (VClay) :

GR=GRb * (1 - VClay) + GRClay*VClay, avec approximativement dans notre cas : GRb~0 API et GRClay > 100 API (nous utiliserons la valeur max du log).

Donc : GR ~ GRmax * VClay et VClay ~ GR / GRmax.

Le calcul SNR * GR / GRmax donnera donc une approximation de la résistivité des argiles des formations traversées

Pour le forage HIL3, la résistivité des argiles semble homogène, sauf sur les derniers mètres avant le toit du sel ; la valeur moyenne de la résistivité des argiles est de ~7 ohm.m

HIL3

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 65 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Pour le forage HIL2, la résistivité des argiles n’est pas homogène et chute de 30 m de profondeur (10 à 20 ohm.m), jusque la profondeur de ~50 m où elle se stabilise à une valeur moyenne de 1.7 ohm.m.

HIL2

66 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

Annexe 4 :

Coupes de résistivité inversée des 23 panneaux électriques

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 67

Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 69 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

70 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 71 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

72 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 73 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

74 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 75 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

76 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 77 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

78 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 79 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

80 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 81 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

82 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 83 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

84 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 85 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

86 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 87 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

88 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 89 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

90 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

BRGM/RP-62081-FR – Rapport final 91 Caractérisation d’un affaissement par méthodes électriques sur la commune d’Hilsprich (57) – Phase 2

92 BRGM/RP-62081-FR – Rapport final

Centre scientifique et technique Direction régionale lorraine 3, avenue Claude-Guillemin 1, avenue du Parc de Brabois BP 36009 45060 – Orléans Cedex 2 – France 54500 – Vandoeuvre-lès-Nancy – France Tél. : 02 38 64 34 34 - www.brgm.fr Tél. : 03.83.44.81.49