[Accueil]-[Comité]-[Spéléo-secours]-[Clubs]-[Cavités]-[Photos plongée]-[Fédération]-[Ecole Française Spéléo]-[Contact]

L'article du SC Info n°8/1988 - [Photos de l' ARCANA] - [Contributions récentes]

par Jean Louis AMIARD

Le repérage précis en surface et en profondeur, d'une cavité souterraine connue et accessible de l'extérieur est intéressant plus d'un titre. Il permet notamment de rectifier une topographie, et, si le recouvrement est peu important, d'envisager le creusement d'un puits avec de bonnes probabilités de réussite. Sans vouloir relancer une polémique sur la protection des cavernes naturellement protégées par un accès difficile, l'aménagement d'une entrée artificielle à un point avancé d'un réseau peut s'avérer utile, non seulement pour améliorer le confort et la sécurité des explorations ultérieures, comme à la Pierre Saint Martin (merci EDF), mais aussi pour faciliter d'éventuelles opérations de secours. D'autres applications sont possibles : localisation de circulations karstiques en vue de leur captage, recherche et consolidations de cavités dans le cadre d'opérations de travaux publics (ponts et chaussées, tunnels, barrages), repérage de carrières dans des zones a urbaniser, etc...

Plusieurs méthodes ont déjà été mises en œuvre dans ce but, avec plus ou moins de succès.

Citons par exemple :

- la micro gravimétrie utilisée pour rechercher des cavités inconnues ou inaccessibles. Son principe repose sur la détection des intimes variations de la pesanteur terrestre engendrées par un "vide" souterrain, mais elle nécessite un matériel coûteux et délicat à mettre en œuvre. Cette méthode, utilisée par l'EDF (encore !) pour fonder les fondations des centrales nucléaires, a été appliquée à la pyramide de KHÉOPS et dans la vallée des Reines où un nouveau tombeau souterrain a été ainsi découvert. Elle a également été employée à la grotte du Coustal, en Corrèze, avec le concours de l'institut de Physique du Globe.

- la méthode acoustique directe. utilisant les techniques de secours aux personnes emmurées à la suite de catastrophes. des essais récents ont montré que l'affaiblissement des sons à la surface des terrains calcaires est suffisamment rapide pour que la distance limite de détection soit souvent largement inférieure à l'erreur absolue d'un cheminement topographique levé dans des conditions difficiles.

- la magnétométrie, qui consiste à détecter la position d'un barreau aimanté, et qui fut utilisée par le CEA de Grenoble pour localiser le drain noyé des résurgences de Port-Miou (Bouches du Rhône), et du Lez (Hérault). Là encore, le matériel à mettre en œuvre est complexe et hautement spécialisé.

- enfin, la méthode électromagnétique, expérimentée par le BRGM à Port-Miou. dont le principe de base est le même que pour la précédente, mais qui utilise un matériel beaucoup moins sophistiqué, réalisable par l'amateur d'électronique.

Une description de cette méthode a été publiée dans les Annales de Spéléologie en 1975 par Michel RAULET, dont l'appareillage avait permis de mettre à jour des galeries émergées derrière le siphon de la résurgence du Garrel à Saint Jean de Buèges (Hérault).

La relative facilité de mise en œuvre de la méthode électromagnétique a conduit l'auteur de ces lignes à entreprendre la réalisation d'un appareil de ce type pour le compte du CDS Corrèze, avec l'objectif d'ouvrir un nouvel accès au réseau des Jonquilles(*). Quelques modifications techniques ont été apportées et certains développements complémentaires sur la théorie de fonctionnement, la réalisation et l'utilisation pratique font l'objet du présent article.

Le lecteur pressé pourra sauter ce chapitre sans inconvénient. Pourtant, il nous a paru intéressant de détailler certains aspects de l'étude originale, à l'intention des esprits curieux qui veulent savoir, non seulement "comment" ça marche, mais aussi "pourquoi".

La méthode utilisée consiste à détecter en surface le champ électromagnétique à basse fréquence émis par un solénoïde, placé en position verticale dans la cavité à repérer, et parcouru par un courant alternatif (fig. 1).

Les lignes de force du champ ont une allure analogue à celles d'un aimant droit.; leur orientation dans le plan horizontal permet de déterminer la verticale du point d'émission par triangulation. De plus, la mesure de leur inclinaison dans le plan vertical permet de calculer la profondeur de l'émetteur, avec une précision suffisante. Pour cela, étudions le champ au point A de la figure 1:

Le dipôle magnétique constituant l'émetteur est placé au point 0, à la profondeur p.

le point A est situé à la distance d de la verticale de 0.

La longueur du dipôle magnétique 00' doit âtre négligeable par rapport à OA.

On démontre, par dérivation en coordonnées polaires du potentiel vecteur au point A, que le rapport des composantes transverse et radiale Et et Er du vecteur champ est égal à la moitié de la tangente de l'angle que fait OA avec la verticale, soit, en examinant la figure :

Utilisons la formule "bien connue" d'où

D'où l'équation :

Multiplions les 2 membres par et ordonnons par rapport à p, qui est la seule inconnue :

Cette équation du 2ème degré admet 2 racines, de la forme :

Ceci nous amène tout naturellement au calcul d'erreur sur l'évaluation de p.

On doit donc s'attendre à une incertitude relative totale de l'ordre de 15 à 20% sur le calcul de p.

Voir le schéma électronique figure 3.

La partie amplification de puissance est identique à celle qui est décrite dans la réalisation originale.

Seule la partie oscillateur a été modifiée le choix d'un amplificateur opérationnel intégré double, dont les entrées sont à effet de champ, donc d'impédance très élevée, et l'emploi de diodes en contre-réaction stabilisatrice, permettent de se contenter d'un montage oscillateur en pont simple. La résistance ajustable autorise le réglage de la fréquence à la valeur exacte de la résonance série, pour laquelle l'énergie communiquée au solénoïde émetteur est maximale environ 1000 Hz).

L'ensemble des composants, montés sur un circuit imprimé, prend place dans un boîtier en aluminium de dimensions réduites (143 x 72 x 43 mm).

Les quatre transistors doivent être montés sur des radiateurs en tôle d'alu. Une diode en série avec l'alimentation protège le montage contre les inversions de branchement fatales à certains éléments (expérience vécue !).

La bobine est protégée extérieurement par un tube de plastique constitué par l'enveloppe d'une cartouche vide de mastic au silicone, dont le fond aura été soigneusement découpé, après avoir retiré le piston.

Le solénoïde ainsi constitué est monté verticalement sur un support plan suffisamment épais pour rester rigide, en PVC ou en polystyrène de 5 mm d'épaisseur. Sur ce support sont disposés

- la prise de branchement pour relier la bobine à l'émetteur (câble ordinaire pour appareil ménager de 1,50 m),

- un petit niveau à bulle circulaire du même modèle que ceux qui se trouvent sur les balances ou sur les appareils topographiques,

- trois vis de réglage en laiton disposées en triangle équilatéral, pour ajuster la verticalité de l'émetteur à l'aide du niveau à bulle précité.

La mise au point de l'ensemble est ultra simple : elle se borne à agir sur la résistance ajustable pour obtenir le maximum de tension aux bornes de la bobine émettrice. Attention, celle-ci peut dépasser 400 V crête à crête, soit prés de 150 V efficaces.

L'alimentation par deux batteries de 12 V au plomb à électrolyte gélifié, de 6 A-h, montées en série, permet d'obtenir une autonomie de plus de 24 h, la consommation ne dépassant pas 0,3 A.

Voir le schéma électronique figure 4.

Par rapport à la version originale, le bouleversement est plus profond que pour l'émetteur.

L'emploi d'un quadruple amplificateur opérationnel à entrées à effet de champ permet de concentrer toutes les fonctions dans un seul composant actif.

Le circuit est alimenté par 2 piles de 9V, qui peuvent être de petit modèle en raison de la modicité de la consommation du montage, inférieure à 10 mA.

L'ensemble des composants, monté sur circuit imprimé (y compris les piles), tient dans un boîtier identique à celui de l'émetteur.

L'antenne réceptrice a la même structure mécanique et le même noyau de ferrite que le solénoïde émetteur, mais le bobinage est constitué de 10 000 (dix mille) spires de fil émaillé de 0,2 mm. La réalisation de ce bobinage est très délicate, et il est préférable de la confier à un professionnel.

L'antenne est reliée au récepteur par un câble blindé de 1,50 m et une prise DIN. La seule mise au point consiste à accorder le filtre sur la fréquence de l'émetteur en agissant sur la résistance ajustable pour obtenir le signal d'amplitude maximale.

Pour éviter toute fausse manœuvre, il est préférable de respecter le mode opératoire suivant

1) Placer l'antenne (le solénoïde) sur un sol stable et dur pour éviter l'enfoncement des pieds. Si nécessaire, faire un calage à l'aide de pierres plates ou de fragments de plancher stalagmitique.

2) Raccorder l'émetteur à l'antenne (polarité indifférente)

3) Ajuster la verticalité de l'antenne à l'aide du niveau bulle, en agissant sur les pieds filetés.

4) Brancher la source d'alimentation (24 à 30 Vcc, capable de fournir au minimum 0,3 A en continu). Se méfier des courts circuits dans le cas de l'emploi de batteries : malgré la faible tension, les conséquences peuvent être graves : explosion des batteries, brûlures par échauffement des fils. Bien respecter la polarité.

5) Si nécessaire, abriter l'ensemble avec une feuille de plastique, à moins d'avoir réalisé préalablement l'étanchéité du boîtier et de l'antenne.

En fonctionnement, l'antenne doit émettre un sifflement audible, à la fréquence d'émission. Sinon, vérifier les branchements.

6) Pour arrêter l'émission, débrancher d'abord la source d'alimentation avant de déconnecter l'antenne.

Se placer dans la zone supposée de l'aplomb de l'émetteur, et, avant la mise en service de ce dernier, effectuer une écoute pour déterminer la nature et le niveau des parasites éventuels : le voisinage de lignes électriques à haute ou moyenne tension peut entraîner des perturbations par les harmoniques des signaux de télécommande que véhiculent les cables conducteurs, en permanence ou à certaines heures. Bien noter la ou les directions de la bobine réceptrice pour lesquelles ces perturbations sont notables. Agir à chaque fois sur le potentiomètre de gain pour éviter la saturation du galvanomètre.

Ensuite reprendre l'écoute après la mise en service de l'émetteur, en tenant la bobine réceptrice à la main, et en l'orientant dans toutes les directions. Ne pas approcher l'antenne trop prés du casque, sous peine de provoquer un accrochage identique à l'effet Larsen acoustique. Si le sifflement caractéristique de l'émetteur est inaudible, plusieurs possibilités sont envisageables, sachant que la limite de portée est d'une soixantaine de mètres .

- l'erreur sur la topographie est importante, et la zone de recherche est éloignée de l'emplacement réel d'une valeur supérieure à la portée. Dans ce cas, il convient d'élargir le domaine de recherche en effectuant un quadrillage à maille de 10 m, jusqu'à ce que le signal soit retrouvé (à moins de se trouver en plus dans le cas précédent !).

Lorsque le signal sera repéré, la probabilité est forte pour que le point de réception soit du type "C" (voir fig. 1). La bobine réceptrice, orientée dans la direction des lignes de champ pour un signal maximal, est alors fortement inclinée par rapport à l'horizontale. Se déplacer dans la direction de l'extrémité haute de la bobine en tenant celle-ci horizontalement. Si l'amplitude croît, le point était bien de type "C", sinon, il était du type "A". Progresser dans la bonne direction jusqu'à l'obtention du signal maximal pour une position horizontale de la bobine. Lorsque c'est le cas, effectuer une visée précise, en s'aidant éventuellement d'un pied photographique orientable, et de préférence en matériau amagnétique. Bien repérer la direction sur le terrain. Se déplacer ensuite dans une direction faisant un angle d'environ 45° avec la précédente et refaire une visée.

La précision de la localisation sera maximale lorsque l'angle des directions de visée dans le plan horizontal sera proche de 90°. Le point de convergence des visées successives donne la verticale de l'émetteur avec une incertitude de l'ordre de 2 m, à condition que sa verticalité soit correcte. Ce point étant déterminé, le calcul de la profondeur est alors applicable, en utilisant la formule démontrée au chapitre 2 :

d étant la distance du point de visée à la verticale de l'émetteur,

Si le point de visée est du type "A" (partie basse de la bobine tournée vers la verticale de l'émetteur), l'angle doit être compté positivement.

Ne pas oublier que la précision maximale pour le calcul de la profondeur est obtenue pour une position de la bobine voisine de l'horizontale. Ne pas hésiter à effectuer plusieurs mesures sur des points éloignés pour corréler les résultats.

Citons pour terminer un cas de détection paradoxalement difficile, qui s'est justement rencontré au réseau des Jonquilles : le cas où l'émetteur est placé à une faible profondeur par rapport à la surface (moins de 3 m). L'examen de la figure 1 montre que le lieu des points du type B, est un cercle de rayon :

Dans ce cas, le diamètre de ce cercle était de l'ordre de 8 m, alors que la recherche avait commence à une quarantaine de mètres de là, dans une zone de type "C", où les lignes de champ étaient quasiment verticales. La directivité dans le plan horizontal étant pratiquement nulle à cette distance, la recherche s'est effectuée en parcourant la zone de prospection dans plusieurs directions différentes, pour aboutir en moins d'une heure. De plus, à faible distance, l'erreur entraînée par l'assimilation du solénoïde à un dipôle magnétique parfait cesse d'être négligeable, et a provoqué une sous-estimation de la profondeur.

5 - CONCLUSION

La méthode électromagnétique a une nouvelle fois démontré sa validité le 28 mai 1988, vers 14 h, l'émetteur ARCANA a été placé dans une cheminée terreuse par 2 spéléos membres du CDS Corrèze, qui s'étaient dévoués pour un dernier aller et retour dans le ramping de 200 m où certains (dont l'auteur de ces lignes) n'ont jamais osé s'aventurer

Une heure plus tard, la localisation était effectuée, et les travaux de terrassement commençaient, avec l'aide de quelques renforts arrivés fort à propos.

Le lendemain, après seulement 7 heures d'efforts, l'émetteur était mis à jour, et un nouvel accès au réseau des Jonquilles était ainsi ouvert, plus de 500 m à vol d'oiseau de l'entrée primitive, avec la perspective d'explorations nouvelles dans de bien meilleures conditions.

(*) Voir SPELUNCA N° 8 / octobre-décembre 1982, p 28 : le réseau de la Couze (Corrèze).

Page mise à jour le 07/04/2002