3 Chapitre 3 : Caractérisation géométrique des glissements-coulées
3.2 Investigations géophysiques complémentaires
Plusieurs campagnes d’investigation géophysiques sur Super-Sauze et La Valette ont été entreprises pour compléter la base de données entre 2007 et 2010 (Figure 3.2, Figure 3.5, Table 1.1). L’ensemble des acquisitions géophysiques réalisées durant ce travail de thèse est résumé dans la Table 3.1.
Table 3.1- Synthèse des acquisitions géophysiques effectuées sur les coulées de Super-Sauze et La Valette entre 2007 et 2010 (WS = configuration Wenner-Schlumberger et DD = configuration Dipôle-Dipôle.
Tomographie de résistivité électrique Tomographie de sismique réfraction Longueur des
dispositifs Date d’acquisitions Remarques
Super-Sauze
Zone d'ablation 6 - 94 à 235 m Juillet 2009,octobre
2009 Configuration ERT : WS
Zone de transit 11 1 115 à 235 m Juillet 2007 et 2009,
octobre 2009 Configuration ERT : WS
Zone d'accumulation 5 - 235 m Juillet 2009,octobre
2009 Configuration ERT : WS La Valette
Zone d'ablation - 3 50 à 140 m Juillet 2009 Configuration ERT : WS
Zone de transit 5 5 225 à 445 m Juillet 2008 et 2010 Configuration ERT : WS
Simique 2D et 3D
Zone d'accumulation 5 4 355 à 415 m Mai 2008 Configuration ERT : WS et DD
3.2.1 Tomographie de résistivité électrique
Les acquisitions des tomographies de résistivité électrique ont été effectuées à la fois sur la coulée de Super-Sauze et de La Valette. Les données de sismique réfraction sur la coulée de La Valette ont été acquises en collaboration avec l’Unité Risques Naturels et stockage du CO2 du BRGM.
• Acquisitions :
Les acquisitions de résistivité électrique ont été effectuées avec des résistivimètres automatiques IRIS Syscal Pro (120 canaux) et Junior (48 canaux) avec une précision de mesure de courant de 0.2 et 0.5% (http://www.iris-instruments.com). Sur les sites de Super-Sauze et de La Valette, les profils électriques de longueurs de 235 m et 415 m ont été installés parallèlement et perpendiculairement à la direction principale du glissement avec un espacement inter-électrode de 5 m. Pour atteindre des longueurs de profils supérieures à 235 m avec le résistivimètre Junior, des acquisitions en roll along ont été effectuées. La longueur des profils a été adaptée de façon à ce que la profondeur d’investigation théorique soit d’environ 40 m (Edwards, 1977) sachant que le toit du substratum est situé entre 10 et 30 m de profondeur. Une configuration géométrique d’acquisition Wenner-Schlumberger a été sélectionnée pour son bon compromis dans la détection de contrastes de résistivités horizontaux et verticaux (Marescot, 2008). Les campagnes de tomographies de résistivité électrique ont été réalisées en juillet et octobre 2008 sur Super-Sauze et en mai et juillet 2008 sur La Valette. Les positions des électrodes ont été levées au GPS différentiel et au niveau de chantier automatique. Sur le glissement-coulée de Super-Sauze, les acquisitions électriques couvrent l’ensemble de la superficie du glissement avec un espacement entre les profils d’environ 25 m (Figure 3.2). Sur le glissement-coulée de la Valette, la campagne de mai 2008 s’est concentrée sur la zone d’accumulation de la coulée autour de l’îlot stable (Figure 3.5). Les investigations comprennent deux profils transversaux de 235 m et trois profils longitudinaux. Les profils de résistivité électrique ont été couplés à des acquisitions de sismique réfraction. Dans les profils transversaux, les limites du glissement sont largement dépassées afin de mieux distinguer la masse du glissement de celle du substratum. Des acquisitions complémentaires Dipôle-Dipôle ont également été effectuées car cette configuration offre une plus grande résolution en subsurface due à un nombre supérieur de quadripôles (Dahlin & Zhou, 2004). La campagne de résistivité électrique de juillet 2008 a servi à
caractériser la géométrie de la partie amont de la zone de transit au lieu dit des Sagnes et dans la zone à blocs provenant de la nappe du Pelat (Figure 3.4, Figure 3.5). Des profils de résistivité électrique en croix ont été acquis.
• Stratégie de traitement :
Les mesures de potentiel inférieures à 5 mV sont filtrées pour s’affranchir des mesures déterminées au-dessous du seuil de détection minimale des résistivimètres. Ensuite, les acquisitions électriques sont inversées avec la méthode d’inversion ‘’robuste’’ du module de Res2Dinv tenant compte de la topographie du terrain (Loke, 2006). Contrairement à la méthode classique de minimisation par les moindres carrés amorties de type Gauss-Newton, cette méthode minimise les valeurs absolues des écarts entre le modèle de résistivités apparentes calculées et celui des résistivités apparentes mesurées. Cette contrainte produit des limites d’interfaces franches avec des régions contenant des valeurs de résistivités plus homogènes que celles déterminées avec l’algorithme classique (Loke, 2006). Cette méthode permet de mettre en évidence la limite séparant le substratum stable du corps du glissement. En général, les inversions convergent après 3 à 7 itérations. Les modèles de résistivités inversées présentent généralement des erreurs absolues (Rabs) et des erreurs quadratiques moyennes (RMSE) inférieures à 4%. Les modèles 2D de résistivités inversées sont ensuite géoréférencés, interprétés et validés avec les informations issues d’investigations directes (forages et essais au pénétromètre dynamique).
3.2.2 Tomographie de sismique réfraction
Les acquisitions sismiques ont été effectuées exclusivement sur le glissement de La Valette. Les données ont été traitées par l’Unité Risques Naturels et stockage du CO2 du BRGM. Ce travail s’est principalement concentré sur la logistique d’acquisition de la sismique réfraction sur le terrain, l’interprétation et l’intégration des données sismiques dans un modèle géométrique 3D.
• Acquisitions :
Les acquisitions de sismique réfraction ont été réalisées dans la zone de transit et d’accumulation ainsi que sur la couronne du glissement (Figure 3.5). Un sismographe de type Stratavizor à 48 canaux, deux Géodes à 24 canaux et des géophones à fréquence de résonance de 10 Hz ont été utilisés. Les tirs sismiques ont été effectués au cordon détonant (100 à 200 g de pentrite par tir), les trous de tir étant rebouchés par du sable. Des tirs en offset ont également été réalisés sur tous les profils. Trois campagnes ont été planifiées en mai 2008, juillet 2009 et juillet 2010.
La campagne de mai 2008 s’est concentrée dans la zone d’accumulation de la coulée (Figure 3.5, Figure 3.8). Les profils sismiques de 235 m et 355 m (en roll along) ont été disposés autour de l’îlot stable et couplés aux profils de résistivité électrique avec un espacement inter-trace de 5 m et un espacement inter-tir de 15 m. Les investigations comprennent deux profils transversaux à l’axe du glissement et trois profils longitudinaux. Les limites du glissement sont largement dépassées afin de mieux distinguer la masse du glissement de celle du substratum.
En juillet 2009, trois profils sismiques de 46 m (inter trace de 2 m) et 115 m (inter-trace de 5 m) ont été installés sur la couronne du glissement et sur la crête stable de Soleil Bœuf (Figure 3.5). Les tirs ont été disposés tous les trois géophones.
En juillet 2010, une acquisition de sismique réfraction 3D a été réalisée sur une aire de 19600 m2
dans la zone de transit de la coulée située en bordure Nord de la route du Serre (Figure 3.5, Figure 3.8). Le dispositif comprend quatre profils de 24 géophones à inter-trace de 5 m disposés dans le sens de la plus grande pente et espacés de 45 m. Les sources sont disposées le long de cinq profils espacés de 36 m perpendiculaire à la ligne de plus grande pente. Chaque profil comporte 15 sources distantes de 10 m. Au total, le dispositif compte 96 géophones et 85 tirs sismiques. Les signaux générés par les tirs sismiques sont enregistrés par l’ensemble des géophones du dispositif, garantissant une bonne couverture 3D.
Les positions des géophones et des tirs ont été levées au GPS différentiel et au niveau de chantier automatique.
• Stratégie de traitement :
Les temps des premières arrivées sont déterminés manuellement avec une précision de 1 à 4 ms. L’inversion des temps d’arrivée est ensuite réalisée avec les logiciels d’inversion Rayfract (Schuster & Quintus-Bosz, 1993) et JaTS 2D (Grandjean & Sage, 2004) gérant des topographies complexes. Les deux approches se basent sur les volumes de Fresnel dans le calcul des temps de trajet ce qui à l’avantage de prendre en compte la résolution de l’onde. JaTS utilise une technique itérative de reconstruction simultanée (SIRT) reformulée dans une approche probabiliste pour estimer le champ de vitesse de l’onde P (Grandjean et al., 2006). Le programme utilisé pour inverser le temps des premières arrivées de l’acquisition sismique 3D est une extension 3D du logiciel JaTS (Samyn et al., en préparation). Le modèle initial d’inversion est basé sur la connaissance a priori des vitesses du matériau de la coulée et du substratum stable et de leur profondeur. Un modèle semi-infini constitué d’une couche à 1000 m.s-1
de 20 m de profondeur chevauchant une couche plus rapide de 2000 m.s-1
est sélectionné. Pour la détermination des vitesses des ondes S, la méthode SASW (Spectral Analysis of Surface Waves) a été utilisée pour obtenir la dispersion des ondes de surface (Tarantola, 2005). A l’aide des logiciels d’inversion surf96-CPS et SIRayD basés sur l’algorithme SURF (Hermann, 1984), la distribution des vitesses des ondes S est déterminée en fonction de la profondeur qui rend compte de la dispersion de l’onde en profondeur. Les courbes de dispersion (i.e. les profils 1D de vitesses des ondes S) sont calculées pour chaque position de géophone. Les profils de vitesses 1D sont ensuite interpolés le long de la ligne sismique. Les modèles de vitesses sont finalement géoréférencés, interprétés et validés avec les informations issues d’investigations directes (forages).
Les données intégrées dans la construction du modèle géologique de subsurface consistent en des données à petite échelle (e.g. carte géologique, photographies aériennes, coupes 2D) et à grande échelle, locale et ponctuelle (e.g. forage, échantillon). Une des principales difficultés repose dans la mise en cohérence de ces données multi-sources caractérisées par des incertitudes plus ou moins importantes. Une méthodologie adaptée à chaque site d’étude a été développée afin d’intégrer de manière cohérente les différentes sources de données.
3.3 Construction du modèle géométrique du glissement-coulée de Super-Sauze.
Article: “Characterization of the 3D geometry of flow-like landslides: a
methodology based on the integration of heterogeneous multi-source data”
Le modèle numérique de terrain avant la rupture de 1956 (Weber & Hermann, 2000) ne suffit pas pour décrire la géométrie réelle du glissement car :
1) La géométrie et les volumes de matériaux remaniés dans la zone d’ablation ne peuvent pas être pris en compte ;
2) La précision en planimétrie du MNT (± 7 m) est insuffisante ;
3) Le MNT ne permet pas de représenter les couches stratigraphiques et géotechniques.
Seul un modèle géométrique intégrant l’ensemble des investigations (antécédentes et nouvelles) et les interprétations existantes peut représenter de manière optimale la structure interne du glissement. De plus, la compréhension sur le long terme d’un processus ne dépend pas uniquement de la quantité de données à disposition. La méthode de classification des données est aussi primordiale afin d’optimiser l’utilisation par des tierces personnes. Une des principales difficultés dans la création du modèle géométrique de Super-Sauze réside précisément dans l’intégration de données multi-source dont une partie de l’information annexe est souvent manquante ou mal définie (positionnement, données brutes, indications sur les incertitudes). Un travail majeur a été de développer une méthode flexible permettant de tenir compte de cette difficulté.
Ce travail est présenté sous la forme d’un article, publié dans la revue Engineering Geology. (IF: 1.212) DOI: 10.1016/j.enggeo.2011.05.003
Titre: Characterization of the 3D geometry of flow-like landslides: a methodology based on the integration of heterogeneous multi-source data
Auteurs: J. Travelletti & J.-P. Malet
Résumé :
L’objectif de ce travail consiste à développer une méthodologie permettant d’intégrer des données multi-sources et multi-résolutions dans un modèle géométrique 3D avec une approche géostatistique. Le géoréférencement des données et leur (ré-) interprétation représentent les points les plus importants. Une méthode simple basée sur une évaluation qualitative du degré de confiance de chaque jeu de données est suggérée pour classer les données d’entrée et pondérer leur influence lors de l’interpolation du modèle géométrique. Une approche fondée sur la théorie de Nyquist-Shannon est utilisée pour déterminer le maillage optimal du modèle géométrique en fonction de la complexité de la topographie du substratum. Plusieurs modèles géométriques sont générés à partir de différentes techniques d’interpolations appliquées sur le même jeu de données d’entrée. La racine carrée de l’erreur quadratique moyenne (RMSE) et l’aspect visuel de la morphologie servent à sélectionner le meilleur modèle. Un contrôle de qualité est également effectué pour s’assurer que le modèle est apte à la modélisation hydro-mécanique. Les volumes de chaque unité géotechnique C1 et C2 sont également déterminés.