Evolution morphosédimentaire de la plaine maritime flamande depuis l'Antiquité : apport des prospections géoradar à la géoarchéologie

Morphosedimentary evolution of the Flemish coastal plain since Antiquity : contribution of georadar surveys to geoarchaeology

• Auteur / Autrice : Rachid Ouchaou
• Direction : Jean-Yves Reynaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG)
• Jury : Président / Présidente : Bernadette Tessier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Trentesaux, Laurent Deschodt, Anne-Lise Montreuil, Mathieu Lançon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernadette Tessier, Vanessa Heyvaert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prospection géophysique

Radar à pénétration de sol

Dunes

Sédiments des estuaires

Archéologie du paysage

Moyen âge

Améliorations foncières

Transgression (géologie)

Flandre

Holocène

Littoraux -- Modifications

Mots clés libres

Environnements sédimentaire

Poldérisation

Gpr

Sedimentary environments

Estuary

Holocene

Land reclamation

Résumé

Le géoradar est un outil de prospection géophysique non destructive basé sur les principes de propagation des ondes électromagnétiques (réfraction, réflexion et diffraction) dans le sous-sol. Cette méthode permet d'imager les discontinuités stratigraphiques les plus fines et de retracer ainsi la structure des premiers mètres du sous-sol, quand le substrat n'est pas trop conducteur. Un équipement géoradar a été acquis en 2020 par le Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG) dans le cadre du contrat de plan état-région (CPER) MARCO, ce qui a donné lieu à des travaux d'étudiants en licence et master réalisés dans le cadre de cette thèse, ainsi qu'à des collaborations académiques et industrielles. L'architecture géoradar des dunes côtières permet de reconstituer les mécanismes d'érosion et de dépôt du sable, depuis l'échelle d'événements saisonniers jusqu'à celle de l'édification dunaire à l'échelle millénale, comme cela est montré à partir de l'exemple la dune du Pilat (Gironde). L'espace à l'arrière du trait de côte est également prospecté. La plaine maritime flamande contient des corps sableux d'extension kilométrique, en partie enfouis sous les limons des polders, et qui sont stratégiques autant pour les ressources en eau que pour la diversité des milieux naturels. Un des plus connus est la dune fossile de Ghyvelde, un espace géré par le Conservatoire du littoral. Les profils géoradar réalisés sur la dune de Ghyvelde permettent d'imager à quelques mètres sous la dune sa racine estuarienne. Les polders eux-mêmes constituent une cible, contre toute attente étant donné la composante argileuse et conductive de ces terrains. Moyennant un décapage préalable de la couche de terre arable, le signal géoradar pénètre suffisamment dans les polders pour imager les derniers chenaux qui ont drainé la plaine avant son assèchement. Enfin, deux exemples montrent le potentiel du géoradar dans des études géologiques de couches sédimentaires plus profondes ou rocheuses. Dans les sables éocènes de la région de Leuven (Belgique), une profondeur de pénétration de plus de 30 mètres a été obtenue, permettant d'extrapoler en profondeur le gisement des sablières de la région. Dans les faluns d'Anjou, sur le géosite patrimonial et touristique des Perrières, des profils géoradar imagent parfaitement l'architecture des couches rocheuses exposées dans les carrières souterraines, même à travers la route, ce qui laisse apercevoir un potentiel de cartographie extensive en installant l'outil sur un véhicule. Les résultats obtenus sur ces chantiers montrent que le géoradar est un outil versatile pour les géoressources, le géopatrimoine, les géorisques et l'environnement. Le mémoire de thèse présente ces différents résultats d'ordre méthodologique à travers un chapitre soumis pour publication dans un ouvrage faisant état des travaux scientifiques financés par le CPER MARCO. Un autre chapitre de la thèse, correspondant au chantier principal et justifiant le titre du mémoire, fait l'objet d'un manuscrit soumis pour publication dans un journal international à comité de lecture (The Depositional Record). Il concerne l'évolution depuis le Moyen-Âge de la rive orientale de la paléo-Denna (un des bras de l'ancien delta du fleuve Aa) dans le secteur de Loon-Plage entre Gravelines et Dunkerque. Près de 30km de profils géoradar acquis dans le cadre du diagnostic archéologique préalable à l'extension du Grand Port Maritime de Dunkerque ont permis de cartographier les derniers chenaux estuariens et leur évolution au cours du Moyen-Âge. Les étapes de la poldérisation correspondant à la migration progressive des digues vers l'ouest se marquent dans la stratigraphie géoradar, et se traduisent par un remplacement des systèmes de chenaux par une nappe plus sableuse que les sédiments estuariens sous-jacents et formant le substrat agricole de la plaine.

Ground-penetrating radar (GPR) is a non-destructive geophysical prospecting tool used to image the finest discontinuities of the underground where the soil is not too conductive. GPR equipment was acquired in 2020 by the Oceanology and Geosciences Laboratory (LOG), which gave rise to bachelor's and master's internships supervised as part of this thesis, as well as academic and industrial collaborations. The first part of the results presented in this memoir is a summary of the surveys carried out on a variety of targets to test the method. GPR gives excellent results on wind-blown sands, and makes it possible to reconstruct the evolution of the coastal dunes affected by climate change. Examples of very-high resolution architectures are provided on the Slack and Pilat dunes. The combined use of different GPR antennas allows describing the mechanisms of sand erosion and deposition, from the scale of seasonal events to that of dune construction on a millennial scale. The backshore area is also explored. The Flemish coastal plain contains sandbodies of kilometer extension, partly buried under the silt of the polders, and which are strategic both for water resources and for the diversity of natural environments. One of the best known is the Ghyvelde fossil dune, an area managed by the Coastal Conservatory. The GPR profiles carried out on the Ghyvelde dune make it possible to image a few meters below the dune a sandy unit of marine or estuarine origin. The polders themselves constitute a target, against all expectations given the clayey and conductive component of these lands. By previously stripping the topsoil, the GPR signal penetrates sufficiently (4m) to image the last channels that drained the plain before it dried up. Finally, two examples show the potential of GPR in geological studies of deeper sedimentary or rocky layers. In the Brussels sands of the Leuven region (Belgium), a penetration depth of more than 30 meters was obtained with a low frequency antenna, making it possible to reconstruct the geometry of tidal sand bar cropping in a sand pit and thereby to guide the sand mining. In the faluns of Anjou, on the heritage and tourist geosite of Perrières, the profiles obtained show the possibility of perfectly imaging the architecture of the rock layers exposed in the subterraneous quarries. Profiles realized on the roads show the feasability of potential extensive mapping by installing the tool on a vehicle. The results obtained on these targets opened up possibilities for developing other areas of research in applied geosciences, particularly with regard to georesources, geoheritage, geohazards and geoenvironment. The memoir presents these different aspects through an article manuscript submitted for publication in a co-edited book produced for decision makers. The second part of the thesis results presented in this memoir is focused on the work done in collaboration with INRAP (the National Institute of Research in Preventive Archaeology) on the Flemish coastal plain. It justifies the title of the dissertation, and is the subject of a manuscript submitted for publication in an international peer-reviewed journal (The Depositional Record). This concerns the evolution since the Middle Age of the eastern bank of the paleo-Denna, a banch of the paleo-delta of the Aa river that had its mouth between Gravelines and Dunkirk. About 30km of GPR profiles acquired as part of the archaeological diagnosis prior to the extension of the Grand Maritime Port of Dunkirk were used to map the last estuarine channels and their evolution during land reclamation. They show progressive shift of the front dikes towards the west which resulted in replacement of the channel system by a continuous layer sandier than the underlying estuarine sediments. This ultimate deposit forms the substrate of the modern agricultural soil of the coastal plain.