Caractérisation de versants argileux instables dans des conditions hydrogéologiques hétérogènes : approche géophysique

Assessment of unstable clayey slopes with hydrogeological heterogeneities : geophysical approach

• Auteur / Autrice : Grégory Bièvre
• Direction : Denis Jongmans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Trièves (France)

Argile

Résumé

L'objectif de ce travail est de comprendre les relations qui existent entre, d'une part, les hétérogénéité: litho logiques et structurales au sein d'un glissement de terrain argileux et, d'autre part, l'alimentation er eau des surfaces de glissement. Le site d'étude retenu est le glissement du Mas d'Avignonet dans le Triève! (Alpes externes, France), constitué d'argiles glaciolacustres (Argiles du Trièves) datant de la dernièrE glaciation. Ce glissement, d'une surface d'environ 1. 5 km2 est localisé à proximité immédiate de celu d'Harmalière qui a évolué en coulée boueuse en mars 1981. Plusieurs surfaces de glissement sont connues à des profondeurs variables (5, 10-15 et 40 à 50 ml. Dans ces terrains saturés (en dehors de la frange superficielle), les vitesses moyennes de déplacement peuvent atteindre 0. 15 m/an. Afin de comprendre le fonctionnement du glissement d'Avignonet, une cartographie géologique de surface, couplée à l'analyse de données géodésiques, a été conduite. Les résultats indiquent que, bien que situés dans des contextes géologique et météorologique identiques, les deux glissements ont des cinétiques différentes et ce, depuis les années 60 au moins. Une carte de la base des argiles et des formations alluvionnaires meubles a été réalisée à l'aide de la technique H/V, en utilisant le bruit de fond sismique. Cette carte couvre une surface d'environ 4. 5 km2. Les résultats indiquent la présence d'une vaste dépression, allongée dans une direction N-S, pouvant atteindre une profondeur d'environ 300 m. A l'Est d'Avignonet, cette structure est limitée par un bombement de 150 m de hauteur et d'orientation N-S, constitué de marnocalcaires jurassiques et d'alluvions compactes cimentées. Par contre, ce bombement disparaît au pied d'Harmalière. Au niveau d'Avignonet, cette structure agit probablement comme un verrou mécanique qui empêche le développement de surfaces de rupture profondes et favorise les glissements superficiels, comme le suggèrent les données géodésiques et inclinométriques. Au sein des Argiles litées, dans la partie Nord et amont du glissement d'Avignonet, des prospections sismiques et électriques ont mis en évidence des variations de faciès latérales et verticales pluridécamétriques. Ces dernières correspondent probablement à des niveaux plus grossiers, et donc plus perméables, qui permettent à l'eau de s'évacuer en surface. Dans le secteur Sud et aval du glissement, ces niveaux n'ont pas été détectés. Suite à de fortes périodes de pluie et/ou de fonte de neige, l'augmentation de la teneur en eau des terrains à cet endroit créerait ainsi des surpressions et une augmentation de l'activité du glissement. Ces interprétations sont cobérentes avec les observations de déplacement et déformation en surface, plus importantes dans cette zone du glissement. A l'échelle d'une zone active et fissurée du glissement d'Avignonet, l'analyse conjointe de données météorologiques, piézométriques et d'humidimétrie du sous-sol indique des vitesses d'infiltration incompatibles avec les perméabilités de ces milieux, considérés comme homogènes. Des chemins préférentiels d'infiltration, tels que fissures et/ou niveaux minces plus perméables, sont nécessaires pour rendre compte des observations. Un monitoring de périodicité adaptée, sur une année, par résistivité électrique et ondes de Rayleygh, a mis en évidence la présence de fissures ouvertes en permanence. Cette observation directe, accessible uniquement pour la zone non-saturée, a été complétée par une campagne diagraphique mettant en évidence des infiltrations rapides d'eau de la surface jusqu'aux niveaux de glissement. L'ensemble de ces observations prouve la connexion entre les fissures en surface et les surfaces de glissement, jusqu'à une profondeur de 10 m au moins. Ce travail souligne l'importance des contextes géologique et hydrogéologique sur l'évolution des versants instables. 1) à l'échelle régionale, le contexte morphologique conditionne la cinématique du mouvement de terrain. 2) les hétérogénéités lithologiques, au sein de la séquence argileuse, induisent un comportement hydrogéologique variable et, conséquemment, une cinétique différentielle en surface. 3) Finalement, les hétérogénéités structurales, telles que les fissures, servent de chemin d'infiltration préférentielle et permettent d'apporter rapidement de l'eau jusqu'à la nappe superficielle située à quelques mètres.

The objective of this work is to understand the relationship between the lithological and structura heterogeneities in a landslide clay and the infiltration of water down to sliding surfaces. The stud~ site selected is the Avignonet landslide in the Trièves area (external Alps, France), consisting 0 glaciolacustrine clays dating from the last glaciation. This landslide is located in the immediat< vicinity of the Harmalière landslide which evolved into a mudflow in march 1981. Several slidin! surfaces are present, at different depths (5, 10-15 and 40 to 50 m). Within such saturated formation! (except for the very surperficial part) the average displacements velocities can reach 0. 15 m / year. A geological mapping, coupled with the analysis of geodetic data, was conducted. The results indicate that, although situated in contexts similar geological and meteorological conditions, the two slides have different kinetics for the last 60 years at least. A map of the base of the alluvial layers and clays was made using the HN technique, using the seismic noise. This map covers an area of about 4. 5 km2. The results indicate the presence of a large depression, elongated in a NS direction, up to a depth of 300 m. East of Avignonet, this structure is limited by a bulging 150 m in height and orientated NS, consisting of Jurassic limestons-marls alternations and compact cemented alluvium. The bulge disappears at the toe of Harmalière. At Avignonet, this structure probably acts as a mechanical butress that prevents the development of deep sliding surfaces and promotes shallow landsliding, as suggested by the geodetic and inclinometer data. Within the layered clays in the north and uphill of the Avignonet landslide, seismic and electrical surveys have revealed variations in lateral and vertical facies, at a scale of several dizains of m. These probably correspond to coarser levels, and therefore more permeable, which allow to drain water. Ln the southern sector and downhill of the landslide, these levels were not detected. Following heavy periods of rain and/or snow melting, increasing the water content of the soil at that location would create excess pore pressure and increased activity of the landslide. These interpretations are consistent with observations of surface displacement and deformation, more important in this area. At the scale of a very active area of the Avignonet slide, joint analysis of meteorological data, piezometric and soil moi sture indicates infiltration rates inconsistent with the permeabilities of these formations, seen as homogeneous. Preferential infiltration paths such as cracks and / or more permeable thin levels, are needed to account for the observations. A periodic monitoring over a year, conducted with electrical resistivity and Rayleygh waves, revealed the presence cracks permanently open. This direct observation, accessible only to the unsaturated zone, has been supplemented by borehole logging that revealed rapid infiltration of surface water down to the sliding levels. All these observations prove the connection between surface cracks and the slip surfaces to a depth of 10 m at least. This work highlights the importance of geologic environments on the evolution of unstable slopes. 1) At the regionallevel, the morphological context determines the kinematics of the landslide. 2) Lithological heterogeneities within the clay sequence induce a variable hydrogeological behavior and, consequently, differential kinetics at surface. 3) Finally, the structural heterogeneities such as cracks, act as preferential seepage paths and can quickly bring water down to the shallow water table located at a few meters depth.