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OSUG - Terre Univers Environnement

Étude des mécanismes de déformation et d’évolution d’un glissement-coulée par une approche couplée géophysique - rhéologique

par Pascal LACROIX - 27 mars 2018 ( dernière mise à jour : 28 mars 2018 )


Sujet de la thèse : Étude des mécanismes de déformation et d’évolution d’un glissement-coulée par une approche couplée géophysique - rhéologique

Doctorant : Sylvain FIOLEAU

Encadrants : Denis JONGMANS, Guillaume CHAMBON, Grégory BIEVRE, Pascal LACROIX

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Résumé :

Les glissements de terrain lents (vitesses comprises entre quelques cm/an et quelques m/an) sont très répandus dans les formations argileuses. Ils posent des problèmes aigus de gestion du territoire en raison de phénomènes d’accélération ou de fluidification imprévisibles et rapides pouvant menacer les populations et les infrastructures. Les mécanismes qui contrôlent cette transition glissement-coulée restent encore mal compris et les lois qui la régissent demeurent fortement débattues au sein de la communauté scientifique. Des travaux récents de laboratoire menés sur des échantillons en provenance de six glissement-coulées ont montré un comportement commun de fluide à seuil accompagné d’une bifurcation de viscosité au moment de la fluidification et d’une chute importante de la vitesse des ondes de cisaillement Vs (Carrière 2016, Carrière et al. soumis). Le suivi temporel de Vs semble ainsi prometteur pour permettre de mieux comprendre les changements physiques et rhéologiques qui s’opèrent lors de la fluidification et/ou de la rupture d’une masse argileuse instable.
Dans la région de Grenoble, un tel phénomène de rupture et fluidification s’est produit dans la Combe d’Harmalière (nord Trièves) en mars 1981 suite à une période de fonte importante de neige et de pluies marquées (Moulin & Robert 2004), qui a affecté une surface de 0.5 105 m2. Par la suite, des épisodes régressifs se sont produits, en moyenne tous les 5 à 10 ans, et généralement en saison humide/hivernale (en 1988, 1996 et 2001), conduisant à un recul moyen de l’escarpement sommital de plusieurs mètres par an. Le 27 juin 2016, ce glissement long de 1500 m s’est réactivé de façon spectaculaire (Lacroix et al. soumis), avec des périodes d’activité bien marquées par des régressions de plusieurs mètres et une ouverture de fissures sommitales à l’arrière de l’escarpement principal. Entre les deux événements majeurs des 27 juin 2016 et 03 février 2017, la régression est évaluée à 30 m par endroits. Dans la partie centrale de la Combe d’Harmalière, le matériau argileux glissé a évolué en coulée dans les jours qui ont suivi la rupture principale. Un trait frappant est que cette réactivation spectaculaire, contrairement aux épisodes précédents, s’est produite durant une période sèche avec une faible pluviométrie durant les mois précédents. La régression menace aujourd’hui le village de Sinard.
En termes de quantification du mouvement, les données satellitaires optiques Sentinel-2 permettent de suivre l’ensemble du phénomène avec une précision spatiale métrique et une résolution temporelle optimale de quelques jours. Suite à cet épisode de réactivation, un réseau semi-permanent de 3 stations sismologiques et de capteurs GPS a été mis en place à l’arrière de l’escarpement sommital. Ce jeu de données est exceptionnel parce qu’il a permis d’enregistrer trois phases de déstabilisation (dont deux de glissement) de plusieurs centaines à milliers de mètres cubes, dont deux ont emporté des capteurs. Il est complété par les données permanentes de l’Observatoire OMIV-Avignonet, situé à 200 m de distance (stations sismologiques, géodésiques et environnementales). Enfin, les sites d’Avignonet et d’Harmalière étant étudiés depuis plus de 35 ans, il existe une base de données très importante de caractéristiques géologiques, géotechniques, rhéologiques, hydrauliques et géophysiques.
L’objectif de la thèse est de tirer parti de cet évènement exceptionnel pour analyser en détail les processus impliqués dans la déstabilisation du matériau et la transition glissement-coulée, ainsi que les relations entre ces processus et les paramètres environnementaux. Dans le détail, les questions scientifiques à traiter sont les suivantes :
Existe-t-il une relation entre la (micro-)sismicité sur le site, la déformation induite par le mouvement et les paramètres environnementaux ? Quelles sont les signatures géodésique et (micro-)sismique des ruptures fragiles et des processus de déformation dans les argiles ? Est-il possible de détecter des signaux précurseurs éventuellement visibles sur un système de surveillance situé à plusieurs centaines de m ?
Comment évoluent les propriétés physiques, mécaniques et rhéologiques du matériau depuis l’escarpement principal jusqu’à la zone de coulée ? On cherchera à caractériser la signature rhéologique de la transition glissement-coulée et à en identifier les principaux facteurs de contrôle, en s’intéressant tout particulièrement au rôle de l’eau (pression, teneur, salinité). On étudiera également les propriétés élastiques des sols (Vs) et des blocs d’argile (fréquence de résonance) afin de tester leur potentiel caractère précurseur avant la rupture.
Est-il possible de proposer des scénarios concernant l’évolution du glissement-coulée à l’avenir à partir de modélisations simples ?

En termes de méthodologie, on s’appuiera sur une démarche originale couplant analyses géophysiques, rhéologiques et modélisation. D’une part, le jeu de données sismiques exceptionnel acquis depuis la réactivation du glissement sera analysé en détail, avec l’analyse des signaux de rupture émis et la diminution de la fréquence de résonance lors du glissement des blocs d’argile. On exploitera aussi les données géodésiques pour caractériser la cinématique du glissement (mesures de vitesse et de déformations en surface). D’autre part, on cherchera à caractériser le comportement mécanique des matériaux à partir d’échantillons prélevés systématiquement tout au long du glissement. Outre les essais de caractérisation géotechnique classiques (limites d’Atterberg), les échantillons seront testés à la boîte de cisaillement et/ou au rhéomètre de laboratoire. Les protocoles d’essais seront adaptés en fonction du type de comportement du matériau, de façon à pouvoir explorer finement la transition entre un comportement plutôt fragile (frictionnel) dans la partie amont et un comportement visqueux ou viscoplastique dans la coulée. Des protocoles rhéométriques spécifiques seront aussi développés pour étudier la réponse des matériaux à des sollicitations transitoires, dans le but de caractériser les éventuels effets précurseurs. Enfin, les paramètres rhéologiques déduits des essais de laboratoire seront utilisés pour modéliser le comportement de la coulée à l’échelle 1 grâce à des approches intégrées dans l’épaisseur. Selon les informations disponibles sur la géométrie de la masse en mouvement, ces simulations pourront être conduites en 1D (logiciel BING) ou 2D (logiciel LAVE2D d’IRSTEA). Après validation et/ou re-calibration des paramètres par confrontation aux données géophysiques, ces modèles pourront être utilisés pour prédire l’évolution de la coulée dans différents scénarios.







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