Imagerie géoélectrique tri-dimensionnelle en contexte volcanique: Application à l'étude des aquifères de Djibouti

Electrical imaging (or electrical tomography) is a multidimensional imaging of intrinsic electrical properties of the geological environment. In geophysics, this technique allows to convert surface or sub-surface electric data into interpretable images in geological terms. Electrical imaging is frequently used in dfferent elds (hydrogeology, civil engineering, environment, archeology) in a two-dimensional (2D) approach. Assuming the two-dimensional object, this approach may not properly describe the imaged object since most geological structures are three-dimensional (3D). Hence, as the data contain information about the existence of possible 3D structures, an alternative to 2D electrical imaging in order to extract the maximum information from the data is to use a 3D approach. Moreover, for a medium with complex geometry, for example a volcanic environment, a 3D approach is essential. The rst part of this dissertation is devoted to methodological development of a 3D modeling tool (direct and inverse) to interpret electrical data collected with undened distribution of Schlumberger array. A procedure in geophysical interpretation consists of solving two problems : the direct problem and the inverse problem. In this study,our interpretation algorithm uses a program to solve the direct problem using finite difference. For the minimization part we used a variant of maximum slope method to determine a solution of the inverse problem without the computation of the sensitivity matrix. This 3D interpretation tool is tested and validated with synthetic data. Then we have applied the technique to real data collected at a large scale (km) on the Djibouti plain. The resulting resistivity models obtained by the 3D inversion of the eld electrical data are interpreted in hydrogeological terms. The results highlight conductive units probably brackish water reservoirs isolated by resistive NW-SE structures. The second part of this dissertation deals with an application at a smaller scale, at a Hydrological Experimental Site (SEH) set up within the framework of the Mawari project, on the plain of Djibouti city. A high resolution electrical imaging survey was carried out to understand some characteristics of the aquifer of Djibouti City and the origin of the invasive brackish water. Data collected on this experimental site were interpreted by a 2D and 3D inversion approach using commercial inversion codes (Res2dinv and Res3dinv). The results revealed the presence of a small basin oriented SW-NE which geometry is controlled by a near surface SW-NE fault. The resistivity models obtained also highlighted a conductor in-depth which we associated to a brackish water aquifer. This brackish water aquifer is very localized in the SEH and its reservoir is mainly composed of very porous scoria.L'imagerie électrique (ou tomographie électrique) est la reconnaissance multidimensionnelle des propriétés électriques intrinsèques du milieu étudié. En géophysique, cette technique permet de traduire des données acquises en surface ou en sub-surface en une image interprétable en termes géologiques. L'imagerie électrique est fréquemment employée dans différents domaines (hydrogéologie, génie civil, environnement, archéologie) avec une approche bi-dimensionnelle (2D). En supposant l'objet bi-dimensionnel, cette approche 2D est loin de décrire correctement l'objet imagé, puisque dans la nature la plupart des structures géologiques sont en tri-dimensionnelles (3D). Dans ces conditions, puisque les données contiennent les informations concernant la présence d'éventuelles structures 3D, une alternative à l'imagerie électrique 2D pour extraire le maximum d'informations aux données est d'utiliser une approche 3D. Pour un milieu à géométrie complexe, par exemple en milieu volcanique, une approche 3D est indispensable. La première partie des travaux de cette thèse est consacrée à un développement méthodologique d'un outil de modélisation (direct et inverse) 3D pour interpréter des données électriques collectées avec une distribution quelconque de quadripôles de type Schlumberger. Généralement une procédure d'interprétation en géophysique consiste à résoudre deux problèmes : le problème direct (calcul direct) et le problème inverse. Dans cette étude, notre code d'interprétation utilise un programme qui consiste à résoudre le problème direct via la méthode des dfférences finies. Pour la partie minimisation nous avons utilisé une variante de la méthode de plus grande pente qui permet de déterminer une solution du problème inverse sans calculer la matrice sensibilité. Cet outil d'interprétation 3D est testé et validé avec des données synthétiques et appliqué à des données réelles collectées à grande échelle (km) sur la plaine de Djibouti. Les modèles de résistivité ainsi obtenus sont interprétés en termes hydrogéologiques et mettent en évidence des unités conductrices, probablement des réservoirs d'eau saumâtre isolés par une structure résistante NO-SE. L'autre partie de ce manuscrit traite d'une application à plus petite échelle réalisée sur un Site Expérimental Hydrologique (SEH) développé dans le cadre du projet Mawari, situé sur la plaine de Djibouti ville. Une imagerie électrique de haute résolution a été conduite sur ce site pour comprendre le fonctionnement de la nappe de Djibouti ville et l'origine de la nappe d'eau saumâtre qui l'envahit. Les données collectées sur ce site expérimental ont été interprétées selon une approche 2D et 3D avec des programmes d'inversion commerciaux (Res2dinv et Res3dinv). Les résultats obtenus mettent en évidence la présence d'un petit bassin orienté SO-NE dont la géométrie est contrôlée par une faille SO-NE en proche surface. Les modèles de résistivité obtenus ont également mis en évidence une unité conductrice en profondeur que nous avons associée à l'aquifère d'eau saumâtre. Cette nappe d'eau saumâtre est très localisée sur le SEH et son réservoir est essentiellement constitué par une unité de scories très poreuse