Imaging of subsurface hydraulic flows using Self-Potential, Electrical Resistivity, and Induced Polarization Data: Application to a Dam and a Landslide

Imagerie des flux hydrauliques souterrain à partir de données de Potentiel Spontané, de Résistivité Electrique et de Polarisation Provoquée : Application à un barrage et à un glissement de terrain

¹ NAGA GEOPHYSICS, 73000 Chambéry, France
² Laboratoire EDYTEM, 73370 Le Bourget du Lac, France
³ GINGER CEBTP, 78990 Elancourt, France

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Abstract

Geoelectrical methods are increasingly used to characterize subsurface hydraulic flows and the hydraulic properties of the subsurface. This study presents an integrated approach combining Electrical Resistivity Tomography (ERT), Induced Polarization (IP), and Self-Potential (SP) to (1) map water content, cation exchange capacity (CEC), and permeability, and (2) estimate the distribution of Darcy velocities through inversion of SP data. The methodology uses permeability estimates to build a groundwater flow model, which is then refined by inverting the SP data. Two case studies illustrate this approach: a masonry dam founded on weathered granite with a localized leakage zone, and a large landslide affecting a carbonate syncline overlain by clay-rich sediments and morainic material. In both contexts, the ERT–IP–SP framework provides coherent 2D–3D images of preferential flow paths and hydraulic barriers, as well as Darcy velocity fields consistent with independent observations. These results demonstrate the effectiveness of the methodology for studying subsurface hydraulic processes and for managing water resources and geological risks.

Résumé

Les méthodes géoélectriques sont de plus en plus utilisées pour caractériser les flux hydrauliques souterrains et les propriétés hydrauliques du sous-sol. Cette étude présente une approche intégrée combinant la tomographie de résistivité électrique (ERT), la polarisation provoquée (PP) et le potentiel spontané (PS) pour (1) cartographier la teneur en eau, la capacité d’échange cationique (CEC) et la perméabilité, et (2) estimer la distribution des vitesses de Darcy par inversion des données de PS. La méthodologie exploite les estimations de perméabilité pour construire un modèle d’écoulement souterrain, ensuite affiné par inversion des données de PS. Deux cas d’étude illustrent cette approche : un barrage en maçonnerie fondé sur du granite altéré avec une fuite localisée, et un grand glissement de terrain affectant un synclinal carbonaté recouvert de sédiments argileux et de matériaux morainiques. Dans les deux contextes, le cadre ERT–PP–PS fournit des images 2D–3D cohérentes des chemins préférentiels d’écoulement et des barrières hydrauliques, ainsi que des champs de vitesses de Darcy en accord avec des observations indépendantes. Ces résultats démontrent l’efficacité de la méthodologie pour l’étude des processus hydrauliques souterrains et la gestion des ressources en eau et des risques géologiques.