Conclusion du Chapitre 2 - : Présentation des techniques utilisées

Chapitre 2 : Présentation des techniques utilisées

2.3 Conclusion du Chapitre 2

Cette partie a présenté quatre techniques d’imageries multi-paramètres et multi-résolutions utilisées dans ce travail de recherche, à savoir les techniques géophysiques (tomographie de résistivité électrique et de sismique réfraction) et les techniques de télédétection optique (scanner laser et photogrammétrie optique).

Les techniques de télédétections optiques sont efficaces pour déterminer la cinématique des glissements de terrain. Elles permettent également d’analyser la morpho-structure de surface résultant, entre autre de la structure interne des glissements de terrain et de la géométrie du substratum. En effet, la compréhension des mécanismes des glissements de terrain passe en premier lieu par la caractérisation de la structure interne à laquelle les méthodes géophysiques sont bien adaptées. Non intrusives, elles offrent une vue spatialisée en profondeur de la distribution d’un paramètre pétro-physique (vitesses sismiques et résistivité électrique).

Toutefois, l’interprétation des résultats repose sur des modèles d’inversion qu’il est nécessaire de valider au moyen de techniques d’investigations directes in-situ. Ce travail de recherche s’est particulièrement consacré au croisement de différentes données afin de démontrer les possibilités et les limitations de ces techniques pour l’investigation de glissement de terrain. La confrontation de données multi-sources et leur mise en cohérence nécessitent le développement de méthodologies adaptées afin de proposer des modèles géométriques réalistes qui seront utilisés comme données d’entrée dans les modélisations hydro-mécanique (§ 6.2). Ce dernier point fait l’objet du chapitre suivant.

3 Chapitre 3 : Caractérisation géométrique des glissements-coulées

3.1 Etat de l’art : connaissances de la géométrie des glissements de terrain

L’identification des caractéristiques géométriques est la première étape visant à déterminer les volumes potentiellement mobilisables et déplacés, et à comprendre la cinématique de rupture et l’évolution temporelle et spatiale des glissements de terrain (Bonnard et al., 2003 ; van Asch et al., 2007 a).

Pour déterminer les caractéristiques géométriques d’un glissement, les techniques directes de sondage in-situ (fouilles, pénétromètres, forages) sont les méthodes d’investigation les plus fiables et précises comme l’illustrent les investigations réalisées sur les glissements de Downie Slide en Colombie Britannique (Kalenchuk et al., 2009) et de La Frasse en Suisse (Tacher et al., 2005). Toutefois les techniques d’investigation directes ne se situent généralement pas au début de la chaîne de reconnaissance à cause de leur coût relativement élevé, du type d’information ponctuelle et de leur faible transportabilité. Des investigations de surface préliminaires sont nécessaires pour optimiser la planification des campagnes de sondages (Cornforth, 2005 ; Parriaux, 2006).

Les données géologiques et géomorphologiques de surface acquises par cartographies de terrain ou dérivées de données de télédétection optique (LiDAR, photogrammétrie) permettent de concevoir des ébauches de modèles conceptuels et de guider la nature des investigations directes in-situ ainsi que l’instrumentation à mettre en œuvre (Turner & Schuster, 1996 ; Fookes, 1997). Dans des cas de géométries simples, les informations de surface (e.g. mesures de déplacements) permettent d’estimer la topographie de la surface de glissement, en plus de déterminer son extension spatiale (Hutchinson, 1983 ; Casson et al., 2005).

En complément des investigations de surface, les méthodes de reconnaissances indirectes de subsurface font parties des premières méthodes mises en œuvre dans les campagnes d’investigations. Bien que le recours à ces techniques ne soit pas systématique, leur capacité s’est significativement développée durant ces deux

Objectif de la partie : Il s’agit de construire des modèles géométriques 3D pour caractériser la structure des glissements-coulées de Super-Sauze et de La Valette et déterminer les volumes de matériau mobilisés et les mécanismes de rupture. Le modèle du Super-Sauze servira de donnée d’entrée à la modélisation hydro-mécanique (§ 6.2).

Approche utilisée : Des méthodologies ont été développées pour chaque site d’étude afin d’intégrer de manière cohérente les différentes sources de données. Plusieurs campagnes d’investigations géophysiques et géotechniques ont été réalisées en 2008 sur le site de Super-Sauze et en 2008, 2009 et 2010 sur le site du glissement de La Valette pour compléter la base de données (Table 1.1).

dernières décennies. Leur application est généralement double. Elles servent à la fois à planifier les investigations de sondages directes in-situ et à spatialiser les informations ponctuelles issues de ces sondages.

Un récent état de l’art dressé par Jongmans & Garambois (2007) montre que les méthodes de tomographies de résistivité électrique et de sismique réfraction demeurent les plus utilisées pour la reconnaissance de la géométrie interne si les contrastes physiques sont suffisants. Quelques exemples récents sont cités ci-après.

Bichler et al. (2004) ont investigué le glissement de Quesnel Forks par une approche géophysique multi-disciplinaires incorporant des méthodes de tomographie de sismique réfraction et de résistivité électrique. Un modèle géométrique a pu ensuite être proposé illustrant une succession stratigraphique de formations à granulométrie variable du gravier au silt, le tout entrecoupé de failles normales listriques. Lebourg et al. (2005) ont pu estimer la géométrie de la surface de glissement d’une portion de 70 x 90 m du glissement de la Clapière en France à l’aide d’investigations de tomographie de résistivité électrique 3D. La même technique a été utilisée par Chambers et al. (2011) pour caractériser la structure 3D du substratum stable d’un glissement d’une dizaine de mètres de profondeur développé dans des calcaires micritiques et gréseux altérés en argiles.

Les isovaleurs de résistivités ont pu être calées sur des données litho-stratigraphiques issues de sondages.

D’autres études comme celles de Grandjean et al. (2007) et Jongmans et al. (2009) permettent de dériver des propriétés rhéologiques et géotechniques. Ces études démontrent tout d’abord les capacités des techniques géophysiques validées par les observations directes.

De manière générale, les études visant à définir la géométrie interne des glissements de terrain insistent sur l’intégration combinée de données issues de différentes sources pour contraindre les interprétations.

Toutefois, très rares sont celles qui discutent de méthodologies permettant de gérer l’intégration des données et les problèmes inhérents à cette intégration. Une des principales difficultés dans l’élaboration de modèles géométriques réside précisément dans la gestion de données de résolution spatiale et de précision très variables (Kaufmann & Martin, 2008). Ces problèmes sont relativement bien exposés dans la modélisation géologique de réservoirs (eau, gaz, pétrole) (Kaufmann & Martin, 2008 ; Wycisk et al., 2009 ; Gallerini &

Donatis, 2009). De nombreux enseignements peuvent être tirés de ces applications et adaptés aux cas spécifiques des glissements de terrain. Les problèmes majeurs rencontrés sont liés au géoréférencement et la mise en cohérence des différentes interprétations avant et pendant leur intégration dans un géomodeleur.

Le choix de la stratégie de modélisation géométrique est crucial car les glissements de terrains sont des objets géologiques fondamentalement tridimensionnels dans l’espace dont les représentations conventionnelles bidimensionnelles (coupes géologiques et cartes) peuvent rapidement s’avérées limitées en fonction de leur application. Le choix de la stratégie dépend principalement de trois facteurs que sont l’échelle de la zone d’étude, la complexité de la géométrie et l’application finale du modèle géométrique (Caumon, 2009). Par exemple, la modélisation d’objets géologiques complexes comportant des failles inverses et des plis déversés nécessite l’utilisation de geomodeleurs 3D avancés comme EarthVision (http://www.dgi.com/earthvision/evmain.html) ou GOCAD (http://www.gocad.org) permettant, à l’aide d’un algorithme d'interpolation d’objets discrets, d’interpoler à la fois les propriétés physiques et la position 3D (x, y, z) à chaque nœud d’un objet géologique dans l’espace (Mallet, 1997). On citera, en exemple, le modèle géométrique du glissement profond du massif de Corno Zuccone caractérisé par une tectonique complexe affectant la couverture sédimentaire des Alpes du Sud (Lombardie, Italie du Nord) (Crosta et al., 1999 ; Zanchi et al., 2009) (Figure 3.1).

Toutefois, dans la majorité des glissements développés dans des sols, l’approche classique géostatistique 2.5 D où les altitudes z de la base et du toit de chaque formation géologique sont considérées comme un attribut dépendant d’une position unique (x, y) dans l’espace est souvent jugée suffisante et, de surcroit, plus simple.

Cette approche est particulièrement bien adaptée à la modélisation géométrique de glissements de terrain dont la stratification et la surface de glissement sont quasi continues dans l’espace. Le cas d’étude présenté par Kalenchuk et al. (2009) est un bon exemple de modélisation géométrique de surface de glissement (Downie Slide, Colombie Britannique) en spatialisant l’information issue de forages et en comparant la performance de différents algorithmes d’interpolation. Quand les informations de subsurface font défaut, les géomodeleurs 3D avancés et les outils géostatistiques peuvent s’avérer inadaptés. Toutefois, la géométrie de la surface de glissement peut être estimée par des méthodes simples comme celle du niveau d’érosion de base local dont la version numérique développée par Jaboyedoff et al. (2004) permet de définir une surface de glissement sur la base de critères géomorphologiques. Cette méthode est applicable lorsque la surface de glissement est contrôlée par la géométrie de la topographie et lorsque la masse est déstabilisée par une perte de butée en aval. Cette approche s’est avérée efficace pour caractériser la géométrie du substratum et pour définir les

volumes mobilisables pour des glissement rocheux comme le cas de la Turtle Mountain dans l’Alberta, Canada (Jaboyedoff et al., 2009) et pour des glissements rotationnels affectant des formations évaporitiques du Keuper de la région d’Ollon, Suisse (Travelletti et al., 2010).

Figure 3.1- Modèle géométrique du glissement profond du massif de Corno Zuccone construit avec le géomodeleur GOCAD (adapté de Zanchi et al., 2009).

La connaissance a priori de la structure interne des glissements de terrain constitue donc la base pour toute modélisation géométrique. Nous présentons, ci-après, l’ensemble des connaissances sur la structure interne des glissements-coulées de Super-Sauze et de La Valette qui vont être par la suite réinterprétées et complétées pour les objectifs définis initialement. L’historique de développement des glissements-coulées et leur contexte géologique et géomorphologique sont détaillés au chapitre § 1.3 et ne sont pas représentés ici.

3.1.1 Connaissances antécédentes de la géométrie de Super Sauze

Le glissement-coulée de Super-Sauze est composé de trois secteurs que sont, la zone d’ablation où la rupture initiale du massif de Terres Noires a eu lieu, la zone de transit et la zone d’accumulation représentant l’extrémité aval de la langue de la coulée (Figure 3.2). La géométrie du glissement de Super-Sauze est investiguée depuis 1996. L’accessibilité restreinte du site est le facteur principal influençant le choix de techniques d’investigations légères et transportables (pénétromètre dynamique et vibro-percuteur à gouge) en complément des reconnaissances géomorphologiques de surface. La Figure 3.2 présente l’ensemble des investigations acquises sur la coulée de 1996 à 2008. La majorité des campagnes de sondages géotechniques a été effectuée entre 1996 et 2003 généralement le long de profils transversaux dans les secteurs où les variations géomorphologiques les plus importantes sont attendues. Au total, six forages destructifs et carottés de 20 m de profondeur, 300 essais standards au pénétromètre dynamique et 60 sondages entre 3 et 4 m de profondeur au vibro-percuteur ont été réalisés (Genet & Malet, 1997; Flageollet et al. 2000 ; Malet, 2003).

L’information stratigraphique et structurale ponctuelle a été complétée par des investigations géophysiques (électromagnétique, électrique et sismique réfraction) (Schmutz et al. 2001 ; Schmutz et al., 2009). Une présentation détaillée des investigations réalisées de 1996 à 2003 est disponible dans Flageollet et al. (2000) et Malet (2003). Des couples stéréoscopiques d’images optiques aériennes ont permis d’obtenir des modèles numériques de terrain basse résolution de la topographie pré-rupture et de suivre l’évolution spatio-temporelle du glissement entre 1956 et 1995 (Weber & Hermann, 2001). A partir des années 2000, la géométrie du glissement a été principalement investiguée par les techniques géophysiques (tomographies de sismique réfraction et de résistivité électrique ; Grandjean et al., 2006 ; Grandjean et al., 2007 ; Méric et al.,

2007). A partir des informations acquises entre 1996 et 2003, les premières interprétations de la géométrie du glissement ont été proposées par Flageollet et al. (2000) et Malet (2003). Nous en décrivons ci-après les principales caractéristiques.

Figure 3.2- Carte de l’ensemble des investigations géotechniques et géophysiques effectuées sur le glissement-coulée de Super-Sauze représentée sur le relief ombré du MNT LiDAR de 2009. Les profils interprétés font références à la Figure 3.3. Les investigations de 2007 et 2008 ont été réalisées dans le cadre de ce travail de recherche.

• Zone d’ablation :

La zone d’ablation se compose d’un replat supérieur localisé à la base de l’escarpement principal, conséquence de la dépression formée par la rupture initiale du massif marneux dans les années 1960 (Figure 3.2). A cet endroit, la profondeur et la géométrie du toit du substratum stable sont relativement mal connus du fait de l’interprétation délicate des sondages au pénétromètre dynamique (blocages dus à la présence de blocs métriques de marnes et de moraines) (Malet, 2003). Les forages réalisés en 1996 ont permis d’identifier une profondeur de substratum entre 20 m et 9 m sous la surface topographique. Cette variabilité est liée à la présence d’anciennes crêtes, reliques du paysage de badlands actuellement recouvertes par les matériaux glissés et éboulés de l’escarpement. La succession d’anciennes crêtes et de ravines compartimente la coulée en secteurs aux propriétés cinématiques et hydro-mécaniques distinctes (Flageollet et al., 2000 ; Malet et al., 2002). Les mesures inclinométriques confirment la présence d’une bande de cisaillement (0.20 - 0.30 m d’épaisseur) entre le substratum marneux et les matériaux mobilisés (Malet, 2003). La position du substratum est globalement en accord avec la profondeur des contrastes de résistivité des profils électriques acquis en octobre 2005 (Méric et al. ,2007). Les matériaux du glissement sont caractérisés par des résistivités de 60 ± 24 Ω.m, le substratum compact et moins perméable présente des résistivités plus élevées de 150 ± 60 Ω.m (Méric et al., 2007 ; Schmutz et al. 2001; Schmutz et al. 2009).

• Zone de transit et d’accumulation :

Les forages réalisés dans la zone de transit et d’accumulation indiquent que le corps de la coulée est constitué de matériaux silto-sableux à silto-argileux hétérogènes à débris morainiques. Flageollet et al. (2000) et Malet (2003) y ont identifié trois couches géotechniques à partir de critères de résistance mécanique, des contrastes dans la nature des matériaux et de la déformée de tubes inclinométriques. On distingue verticalement (Figure 3.3):

o Une unité superficielle aquifère C1 de 5 à 9 m d’épaisseur (résistance dynamique de pointe Qd < 10 Mpa, module pressiométrique EM < 15 Mpa, vitesses de déplacement superficiel > 5 m.an^-1). Cette unité peut être subdivisée en deux sous-unités C1a et C1b selon la forme de la paléotopographie et la profondeur de la zone non saturée ;

o Une unité profonde C2 (module pressiométrique EM > 15 MPa, pression limite PL > 4 MPa) appelée ‘’corps mort’’. Cette unité est imperméable, très compacte et caractérisée par de très faibles déplacements ;

o Le substratum de marnes noires in-situ entre 10 et 24 m de profondeur.

Les observations géotechniques et stratigraphiques ont été complétées par des investigations géophysiques.

Dans la zone de transit, les tomographies de résistivité électrique acquises en juillet 2006 indiquent une épaisseur totale du glissement-coulée entre 5 à 24 m avec des valeurs de résistivités comparables à celles de la partie amont (Méric et al., 2007). Des crêtes recouvertes par la coulée ont pu être localisées. Un profil transverse de tomographie de sismique réfraction a permis de déterminer un modèle de vitesses Vp à trois couches conformément aux observations de Flageollet et al. (2000) et Malet (2003): une couche superficielle de 300 à 600 m.s^-1, une deuxième couche de 900 à 1200 m.s^-1 et une troisième couche correspondant au substratum stable caractérisé par des vitesses Vp de 2100 à 2400 m.s^-1 (Grandjean et al., 2006). Leur profondeur est cohérente avec les interprétations des essais au pénétromètre dynamique et les données litho-stratigraphiques et inclinométriques des trois forages. L’épaisseur maximale est atteinte à la confluence des ravines du bassin torrentiel de 1956 identifiable sur l’orthophotographie et le MNT de 1956 à proximité des forages localisés dans la zone de transit (Flageollet et al., 2000 ; Weber et Hermann, 2000). L’épaisseur du glissement-coulée diminue ensuite progressivement vers l’aval pour atteindre quelques mètres au pied de la coulée.

Figure 3.3 – Structure interne du glissement-coulée de Super-Sauze et synthèse des caractéristiques hydro-mécaniques (Malet, 2003). La position des profils est indiquée dans la Figure 3.2.

3.1.2 Connaissances antécédentes de la géométrie de La Valette

En comparaison au glissement-coulée de Super-Sauze, la géométrie du glissement de la Valette est moins bien définie de part la taille du mouvement et son accessibilité. Plusieurs expertises incluant des investigations de sismique réfraction et de sondages in-situ ont été mandatées entre 1983 et 2000 par le service de Restauration des Terrains en Montagne (Colas, 1990 ; Evin, 1992). Le glissement-coulée de La Valette est composé de trois secteurs que sont la zone d’ablation incluant la zone de rupture initiale de 1982 et l’escarpement principal, la zone de transit et la zone d’accumulation représentant l’extrémité aval de la langue de la coulée (Figure 3.4, Figure 3.5, Figure 3.6).

Figure 3.4- Profil longitudinal du glissement-coulée de La Valette en 1988. Sa localisation est indiquée dans la Figure 3.5 et la Figure 3.6 (adapté de Colas et Locat, 1993 ; SAGE, 1997).

• Zone d’ablation :

Cette zone a été peu investiguée malgré son activité actuelle très importante. En 1983, le Centre d'Etudes Techniques de l'Équipement (CETE) d’Aix-en-Provence est intervenu pour réaliser une cartographie de la zone en mouvement. En 1997, la Société Alpine de Géotechnique (SAGE, 1997) propose un premier modèle géométrique conceptuel des mécanismes cinématiques de rupture de l’escarpement principal sur la base d’observations de terrain et de mesures de déplacements effectuées sur la couronne à proximité de la crête de Soleil Bœuf (Figure 3.4). La profondeur du plan de rupture de 1982 est estimée entre 30 et 50 m, mobilisant un volume total de matériau de 1.2 10⁶ m³. Par modélisations numériques, Le Mignon (2004) estime la profondeur du plan de rupture de 1982 à une vingtaine de mètres de profondeur sous l’ancienne topographie (50%

inférieure aux précédentes estimations).

• Zone de transit :

En 1983, une investigation par sismique réfraction a été effectuée dans la partie amont de la zone de transit pour déterminer l’épaisseur du glissement et des terrains morainiques progressivement chargés par les volumes importants mobilisés par la rupture de 1982. Un profil de 120 m a été installé dans l’axe du glissement à l’Ouest de la zone à blocs (Figure 3.5). Des vitesses Vp de 1150 m.s^-1 à 1400 m.s^-1 sont déterminées dans le corps du glissement dont l’épaisseur varie entre 15 et 20 m. Les vitesses Vp dans le substratum sont supérieures à 3000 m.s^-1. Des investigations sismiques complémentaires indiquent une épaisseur de moraine de 12 à 15 m (Vp de 300 à 2000 m.s^-1) recouvrant le substratum stable (Vp supérieur à 2000 m.s^-1). Des zones en compression et en extension dans la couverture morainique ont également été observées en surface.

Figure 3.5- Carte et dates d’acquisition de l’ensemble des investigations géotechniques et géophysiques effectuées sur le glissement-coulée de La Valette. Les investigations entre 2008 et 2010 ont été réalisées dans le cadre de ce travail de recherche. La localisation du profil de la Figure 3.4 est indiquée.

En 1989, les chenaux et torrents sont recouverts par le glissement (Figure 3.6). Le CETE a été de nouveau mandatée pour l’étude de faisabilité d’installation de drains à siphon et d’une galerie à drains verticaux traversant les marnes du substratum stable sous le glissement. Etant donné les coûts importants d’excavation (1.5 millions d’euros) et de maintenance, ce projet a été abandonné au profit du développement du réseau drainant de surface déjà en place à cette période. Quatre sondages verticaux carottés au marteau fond de trou ont été forés jusqu’à 30 m de profondeur le long d’un profil transversal à l’axe d’écoulement du glissement au centre de la zone de transit, au Nord-Est de la route du Serre (Colas, 1990) (Figure 3.5). Le toit du substratum stable est localisé à 13 et 11 m de profondeur. Le corps du glissement présente peu de variations lithologiques.

Il est formé de matériaux remaniés marneux plus ou moins grossier. Des blocs de grès métriques provenant des formations de flysch sont systématiquement traversés par les sondages. L’interprétation des investigations sismiques est corroborée par les données litho-stratigraphique des sondages. Une acquisition de sismique réfraction est réalisée au même endroit. Le corps du glissement est caractérisé par des vitesses Vp variant de 400 à 800 m.s^-1. Elles sont supérieures à 3000 m.s^-1 dans le substratum stable. L’épaisseur moyenne du glissement est en accord avec les données des sondages.

• Zone d’accumulation :

En 1983, deux profils de sismique réfraction réalisés par le CETE entre l’îlot stable et la route du Serre indiquent une couverture morainique d’environ 11 m (Vp de 200 à 2000 m.s^-1) recouvrant le substratum stable (Vp >

2000 m.s^-1). Cette couverture de moraine va être par la suite remobilisée par le glissement.

Suite à une coulée de boue rapide (50’000 m³) à la fin de l’hiver 1988 (Colat & Locat, 1993; Le Mignon, 2004), trois profils de sismique réfraction de 350 m ont été acquis transversalement à l’axe d’écoulement du glissement 100 m au Sud-Ouest de la route du Serre au profil ‘’Charun’’ (en référence à la personne qui l’a installé) par l’Association Développement Recherche Glissement de Terrain (ADRGT). Le substratum stable est identifié à 25 m sous la topographie (Vp supérieure à 3200 m.s^-1) (Figure 3.5, Figure 3.6). Les terrains

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