Question centrale

Comment pouvons-nous mesurer la résistance électrique de la terre à différentes profondeurs ? 

Matériel requis

• Crayon en bois aiguisé d'au moins 15 cm de long
• Bande adhésive ou ruban isolant
• 2 morceaux de fil isolé d'au moins 15 cm de long
• Un petit couteau de poche
• Un stylo à bille ou un marqueur à pointe fine
• Une règle graduée en centimètres
• Un ohmmètre ou multimètre (mètre électronique avec réglage d'ohmmètre)
• Matériel facultatif mais recommandé : 2 fils électriques courts avec des pinces crocodile à chaque extrémité

Idées principales et notions de base

• La sonde est utilisée pour la télédétection (mesure à distance), telle que la mesure de la résistance électrique du sol situé sous la surface de la Terre. La résistance électrique mesure le niveau d'obstacle rencontré par le flux d'électricité lorsqu'il circule à travers une matière.
• Dans cette activité, la diagraphie électrique est le procédé qui recueille en continu les données électriques transmises par la sonde descendue sous terre.
• Pour transmettre un relevé continu, la sonde reste connectée à l'ohmmètre tout au long de sa descente sous terre.
• L'ohm est l'unité de mesure de la résistance électrique.
• La résistance électrique d'un objet est inversement proportionnelle à la quantité de courant qui circule à l'intérieur lorsqu'une tension est appliquée. Plus le courant électrique circule facilement (on dit alors qu'il est un bon conducteur), plus sa résistance électrique est faible.
• L'eau tend à s'infiltrer dans le sol. Par conséquent, la terre située près de la surface est plus sèche que celle située en profondeur. Comme la terre humide est un meilleur conducteur que la terre sèche, elle possède une résistance électrique plus faible. Ainsi, lorsque la sonde est descendue dans la terre, l'ohmmètre enregistre les changements de résistance.
• L'eau salée est un meilleur conducteur que l'eau douce car elle contient des particules chargées supplémentaires appelées ions. Le sol imbibé d'eau salée affiche donc une résistance électrique plus faible que lorsqu'il est imbibé d'eau douce.
• Le pétrole n'est pas un bon conducteur d'électricité. Par conséquent, le sol contenant du pétrole affiche une résistance électrique relativement élevée, ce qui permet aux compagnies d'exploration pétrolière de détecter les gisements de pétrole souterrains. Lorsque la sonde renvoie des valeurs de résistance électrique de plus en plus élevées avec la profondeur, il est probable qu'elle se trouve dans une couche contenant du pétrole. N'oublions pas que le sol forme seulement une fine couche sur la surface terrestre. En exploration pétrolière, les sondes sont descendues bien plus en profondeur, dans les formations rocheuses souterraines. Les roches poreuses, comme le grès, sont susceptibles de renfermer du pétrole ou de l'eau. C'est donc la résistance électrique de la formation rocheuse qui permettra de savoir quel fluide elle contient.
• Cette expérience simule la manière dont la diagraphie électrique peut être utilisée pour localiser les éventuels gisements de pétrole souterrains. Le but ici est de mesurer la résistance électrique. Dans la réalité, la diagraphie électrique mesure la résistivité de la roche autour de la sonde plutôt que la résistance. (Pour en savoir plus sur la résistivité, lisez nos explications dans la rubrique « Creusons un peu ».)

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Prenez un crayon neuf et aiguisez-le de façon à ce qu'il soit assez pointu au niveau de la mine.
• Si vous commencez par dénuder les extrémités des fils électriques, il peut être plus facile de les scotcher d'abord au crayon.
• Vous avez la possibilité, au lieu d'entailler le crayon tous les centimètres, de coller une bande de ruban isolant sur toute la longueur du crayon et d'écrire les marques de un centimètre dessus. Numérotez chaque marque, en calculant le premier centimètre à partir de l'extrémité de la mine.
• Vous pouvez utiliser des fils équipés de pinces crocodile (facultatif) pour brancher les fils de la sonde aux bornes de l'ohmmètre ou du multimètre.
• Pour commencer, réglez l'ohmmètre ou le multimètre sur une échelle de 10 kohms (10 000 ohms). (Le symbole de ohm est Ω.) Essayez d'autres échelles si vous n'obtenez aucun relevé.
• N'oubliez pas de remettre l'ohmmètre à zéro lors du changement d'échelle. Pour cela, mettez les deux sondes en contact et tournez le bouton de réglage jusqu'à ce que l'aiguille lise zéro ohm.
• Enfoncez lentement la sonde dans la terre pour bien vous arrêter à chaque marque d'un centimètre.
• Confirmez les données par une seconde mesure en décalant légèrement la sonde par rapport à la première diagraphie.
• Tracez un graphique, ou log, des valeurs de résistance électrique en fonction de la profondeur, semblable à celui illustré dans « Interprétation des résultats ».
  
  (Remarque : Sur les graphiques des données scientifiques, la variable indépendante se situe généralement sur l'axe horizontal et la variable dépendante sur l'axe vertical. Dans notre cas, la variable indépendante (la profondeur) est située sur l'axe vertical, du haut vers le bas, afin de refléter le sens du mouvement de la sonde. Les axes sont organisés de la même façon sur les logs des données de terrain.)
• Comparez le profil du log de résistance électrique avec celui du log de résistivité électrique illustré dans l'expérience La résistivité électrique des matériaux.

Discussion

1. Quelle valeur l'ohmmètre a-t-il mesurée ?
   (L'ohmmètre a mesuré la résistance électrique de la terre à différentes profondeurs.)

2. Qu'est-ce que le ohm ?
   (L'ohm est l'unité de mesure de la résistance électrique. Tout comme les centimètres mesurent la distance, les ohms mesurent la résistance électrique.)

3. Comment les relevés de résistance électrique ont-il changé à mesure que la sonde a été enfoncée dans la terre ?
   (Les réponses varient selon les résultats réels. En général, la résistance est plus élevée près de la surface et diminue avec la profondeur.)

4. Pourquoi la résistance électrique de la terre change-t-elle selon la profondeur ?
   (La terre peut contenir davantage d'eau en profondeur. Elle devient donc un meilleur conducteur d'électricité, faisant ainsi diminuer sa résistance électrique.)

5. D'après vous, que se passe-t-il si nous utilisons un crayon beaucoup plus long ?
   (Il est possible que certains élèves répondent que la résistance continue à diminuer ou qu'elle se rapproche d'une valeur limite non nulle. Ces deux réponses peuvent se justifier. Les élèves peuvent également suggérer que la sonde va rencontrer une couche peu conductrice, renfermant par exemple du pétrole, ce qui se traduirait par des valeurs de résistance plus élevées.)

6. En quoi votre graphique de résistance électrique ressemble et diffère-t-il d'un log de résistivité électrique de terrain ?
   (Ils se ressemblent car tous deux affichent des valeurs qui varient avec la profondeur et diffèrent car l'un mesure la résistance et l'autre la résistivité.)

7. En quoi cette expérience s'applique-t-elle à la vie réelle ?
   (Les compagnies d'exploration pétrolière se servent de la diagraphie électrique pour détecter les gisements de pétrole souterrains.)

8. Comment pourriez-vous améliorer la conception de notre outil de diagraphie ?
   (Encouragez les élèves à apprécier et tester chaque idée proposée.)

Evaluation

Les élèves sont-ils capables de décrire la procédure de mesure de la résistance électrique de la terre à différentes profondeurs ?

Réponse : La résistance électrique est mesurée à l'aide d'une sonde connectée à un ohmmètre ou multimètre. La résistance de la terre à différentes profondeurs est mesurée en enfonçant davantage la sonde. Cette technique de détection à distance est appelée diagraphie électrique.

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci :
  – des échantillons de sol différents ou prélevés à des emplacements différents ;
  – de la terre avec des degrés d'humidité différents ;
  – de la terre contenant de l'huile végétale ;
  – des sondes de longueur et de diamètre différents ;
  – des fils électriques de forme et de taille différentes ;
  – des types d'ohmmètres et de multimètres différents (numériques ou analogiques) ;
  – des vitesses d'enfoncement de la sonde dans la terre différentes. 

  Remarque : Pour obtenir de meilleurs résultats, essayer une seule variante à la fois.

• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Secteur pétrolier, en particulier l'exploration pétrolière

• Médecine, notamment dans les applications chirurgicales de la télédétection

• Fabrication industrielle

• Génie électrique

• Conception d'instrumentation

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B3
Standard D – Earth and Space Science: D1
Standard E – Science and Technology: E2-E6

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B6
Standard E – Science and Technology: E2-E6

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS2, BoS: 1a, b, c, d
KS3, Sc2: 3a, b, BoS: 1a, b, d, e
KS4, Sc2:3d, f, Sc4: 1b, BoS: 1a, b, d, e

Glossaire/vocabulaire

détection à distance
diagraphie électrique
résistance électrique
sonde
ohm
ion
log

Liens

Les sites suivants fournissent une description technique des divers aspects de la diagraphie électrique :

Cabinet de géophysique civile et environnementale J R Associates

Méthodes d'étude du fond proposées par Geosphere Incorporated

La diagraphie de la résistivité expliquée par WELLOG