L observatoire de mouvements de terrain idéal : du rêve à la réalité

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1 L observatoire de mouvements de terrain idéal : du rêve à la réalité M. Jaboyedoff, A. Abellán, M.-H Derron & C. Michoud Centre de recherche sur l'environnement terrestre, GEOPOLIS Faculté des géosciences et de l'environnement Université de Lausanne - CH-1015 Lausanne Switzerland (Michel.Jaboyedoff@unil.ch) ABSTRACT: Cette note tente de répondre à la question de savoir ce qu est un observatoire de mouvements de terrain idéal. Elle fait un tour d horizon rapide de ce que sont les outils et les problèmes liés à ce type d observatoire. Il en ressort que l une des réponses possibles est qu un observatoire idéal correspond à celui qui prédit le comportement spatiotemporel d un mouvement de terrain de façon pérenne. Avertissement: Ce papier n est pas une revue globale, mais doit être compris comme une opinion ; par conséquent, la bibliographie n est pas exhaustive. 1 INTRODUCTION Le terme observatoire, en ce qui concerne les mouvements de versant, est très récent. La définition du dictionnaire (Petit Robert, 2008) mentionne la météorologie, l astronomie et l économie. Les deux premiers domaines, en particulier la météorologie, sont intimement liés à la prédiction partant de l observation. L observatoire de mouvement de terrain idéal est difficile à définir, «idéal» pouvant être entendu de deux manières. L une dans un sens théorique, c est-à-dire parfait mais imaginaire pour le moment (qui relève du rêve), l autre qui se veut la meilleure réalisation pratiquement possible. Partant du premier point de vue, on propose d inspecter les problèmes liés à la mise en œuvre d une connaissance la plus fine possible des processus qui régissent la déformation d un versant (ce qui inclut aussi la propagation). Dès qu on touche à la réalité du terrain plusieurs problèmes se posent : les instruments doivent avoir une durée de vie relativement longue, les budgets doivent être suffisants pour traiter et interpréter les données et pour assurer la maintenance des instruments. La réalisation d un observatoire dépend aussi de ses objectifs : soit scientifiques, soit opérationnels, voire les deux. Il s avère qu en fait, l interprétation des données instrumentales est tout aussi importante ou plus importante que les données elles-mêmes. Par conséquent, on tente ici de montrer que le modèle conceptuel fait partie intégrante de l observatoire, ayant pour but d intégrer l ensemble des données. Les méthodes d interprétations sont peu codifiées, il faut donc développer des stratégies d interprétations. Les quelques lignes qui suivent tentent de décrire les principaux écueils et quelques éléments relatifs aux solutions envisageables pour faciliter l interprétation des données. 2 LES QUESTIONS AUXQUELLES ON SOUHAITE RÉPONDRE 2.1 Les problèmes Chaque mouvement de terrain est particulier par sa géométrie, ses matériaux (i.e. propriétés) et leur répartition spatiale, ses caractéristiques hydrogéologiques, etc. Ceci signifie qu il faut s adapter à chaque cas. Par contre, les lois de comportement des écoulements ou des déformations sont peu nombreuses et elles sont très similaires. Ce sont essentiellement les hétérogénéités du milieu qui génèrent les différences de comportement, telles que : des modifications des propriétés mécaniques très localement qui peuvent initier des ruptures par localisation de contraintes, etc. ; des cheminements préférentiels des eaux tant en surface qu en profondeur (Fig. 1) ; etc. 1/6

2 2.2 Les objectifs A priori, l objectif final est d être capable de prévoir le comportement des masses mobilisées dans son ensemble, en comprenant mieux et en élucidant les processus qui régissent les déformations, pour finalement développer la capacité de surveiller une masse menaçante pour les activités humaines. Figure 1. (a) Cracks ouverts en quelque jour sur le glissement du Pont Bourquin (Suisse) permettant un infiltration rapide des eaux superficielles dans le corps du glissement (voir Stumpf et al., 2013 pour une étude détaillée du rôle des cracks sur le glissement de Super-Sauze) (b) Exemple de chenaux souterrains dans des éboulis qui ont produits en juin 2013 d importantes laves torrentielles (Alberta). 2.3 L idéal : les plus petits éléments de volumes possibles L idéal serait de discrétiser le glissement de terrain en petits cubes qui intègrent les zones de cisaillement, d y ajouter les vides lorsqu ils apparaissent, puis d extraire de chacun de ces petits cubes la déformation en 3D, la masse volumique, le contenu en eau, la pression interstitielle et les contraintes en 3D (Fig. 2). Les cubes devant être les plus petits possibles, et pour chacun d eux on devrait être capable de déduire les lois de comportement mécaniques. Figure 2. Exemple synthétique de ce qui est souhaité pour la déformation mais aussi pour toutes les autres variables et paramètres utiles. 2.4 Quelques moyens à disposition Pour obtenir les caractéristiques de la masse déformée, de nombreuses méthodes sont à disposition (Fig. 3). A l exception des forages, elles sont non invasives. Il existe d abord toutes les mesures ponctuelles qui donnent une information sur les déformations et variables et propriétés locales (crack-mètre, extensomètre, piézomètre, mesure de saturation, etc.) (Mikkelsen et al, 1996 ; Safeland 4.1, 2012a ; Safeland 4.4, 2012b ; Safeland 4.5, 2012c ; Safeland 4.6, 2012d). A cela, on peut y ajouter des mesures de propriétés sur échantillons. Les mesures ponctuelles de déplacement en surface fournissent des données potentiellement absolues comme par exemple les stations totales (Keaton and DeGraff, 1996) et GPS (Gili et al., 2000 ; Safeland 4.4, 2012b). Les données de déformation des forages peuvent être fournies par des inclinomètres permanents ou non, permettant désormais de suivre les déformations en temps réel du forage et d ainsi détecter les déformations affectant la masse dans son ensemble ou plus localement (Lovisolo et Della Giusta, 2005). 2/6

3 Les données de surface peuvent être fournies par l interférométrie Radar, surtout avec son instrumentation terrestre (GB-InSAR) (Tarchi et al., 2003 ; Casagli et al., 2010 ; Crosta et al., 2012, in review), par la comparaison de topographie hautes résolutions Lidar (Jaboyedoff et al., 2012) ou photogrammétrique (Baldi et al., 2008). Ces données permettent de déduire des champs de vitesses à la surface des mouvements de versants Les méthodes indirectes qui donnent accès aux troisièmes dimensions et parfois à l évolution temporelle (4D) sont les méthodes géophysiques. Il s agit principalement les méthodes de résistivités électriques (Lebourg et al., 2005) et sismiques de réfraction (Jongmans et Garambois, 2007 ; Samyn et al., 2012). Le lecteur est renvoyé à la revue de Jongmans et Garambois (2007) pour une description détaillée des possibilités. Parmi les progrès récents les plus prometteurs, on trouve l écoute du bruit sismique qui est applicable tant dans le milieu rocheux que dans les matériaux meubles. Il est ainsi possible d observer la diminution des fréquences propres d une masse rocheuse instable (Levy et al., 2010) avant la rupture ou la décroissance de vitesses sismiques de surface avant un événement dans un glissement dans des marnes fortement remaniées (Mainsant et al., 2012). Ceci donne accès aux propriétés mécaniques des matériaux. Finalement n oublions pas la cartographie, qui permet de mettre en évidence les expressions des déformations en surface. Elle est absolument nécessaire afin de contextualiser les mesures. Figure 3. Illustration des différents types de méthodes d investigations appliquée dans les observatoires de mouvement de terrain (tiré de omiv.unistra.fr) 3 LES PROBLÈMES DE MISE EN ŒUVRE 3.1 Les problèmes pratiques La liste non-exhaustive des méthodes ci-dessus montre que de nombreuses possibilités sont offertes mais qu aucune ne donne une information complète. Par exemple, les méthodes géophysiques indirectes telles que les sections en résistivité intègrent deux types de propriétés de conductivité ; celles relatives au matériau et celles relatives au degré de saturation compte tenu de la porosité. Ainsi un même corps peut avoir des réponses très différentes si la zone est saturée ou non, ce qui montre qu une mesure n est pas univoque, et qu il faut la compléter pour l interpréter correctement. Il est souvent difficile de maintenir des instruments durant plusieurs années sans que ceux-ci ne soient détruits ou qu ils ne doivent être déplacés. Ceci pose le problème de la continuité des données. De plus, il est souvent nécessaire que les capteurs possèdent des positions bien définies, alors que les mouvements de la masse instable les modifient. Dans le cas de données ponctuelles, celles-ci doivent être interpolées afin de donner des champs continus de déplacements ou de déformations, mais souvent des discontinuités apparaissent et les interpolateurs ne sont en général pas prévus pour cela. L apport des acquisitions de surface pallie à une partie de ces problèmes, mais ceux-ci dépendent aussi de la visibilité (occlusion, végétation). Le GB-InSAR n a généralement pas une résolution spatiale fine (car souvent métrique), et fournit des données projetées dans l axe de la ligne de vue ; 3/6

4 il est donc nécessaire de les analyser en regards d autres données. Le Lidar terrestre n est pour le moment que rarement implémenter pour du suivi en temps réel, à l exception des mines. Les informations sur la troisième dimension sont directes dans le cas des forages mais ne représentent que des données linéaires. Les données indirectes géophysiques ont tendance à «lisser» les résultats, et leur interprétation repose sur des hypothèses de travail fortes. De plus, certaines actions sur site peuvent devenir invasives. Par exemple, le forage de piézomètres ou d inclinomètres peuvent modifier les circulations d eau. Notons aussi que des modifications de la topographie, même retreintes, peuvent modifier les écoulements de surface. 3.2 Les limitations de budget et de temps Souvent l implémentation d instruments se heurte à trois problèmes majeurs : (a) les budgets, facteur imposant souvent un choix difficile quant au matériel à installer, (b) le manque de temps ou de mains d œuvre pour installer correctement et assurer la maintenance des appareils souffrant généralement de conditions climatiques rudes, et (c) l accessibilité aux lieux où l on veut implémenter un instrument ou un forage à des coûts raisonnables. 4 QUE FAIRE? 4.1 Le constat En fait, il n y pas vraiment de solution pour maintenir et suivre à long terme complétement le comportement d une masse instable. Les modèles se sont améliorés avec le temps mais comment peut-on aller plus loin? Les efforts déployés dans les programmes de surveillances possèdent la plus part du temps des suivis permanents d ordre ponctuel à l exception de cas critiques qui sont suivis par GB-InSAR (Blikra 2008 ; Casagli et al., 2010 ; Crosta et al., en review). Les investigations indirectes en 2D, 3D ou 4D sont désormais un outils d analyse fréquent (par exemple : Lebourg et al., 2005 ; Jongmans et al., 2009 ; Samyn et al., 2012 ; Travelletti et Malet, 2012 ; Travelletti et al., 2012b). Mais ce sont généralement des études de courtes durées. En fait, tant les observatoires à vocations purement scientifiques, comme en partie l Observatoire Multidisciplinaire des Instabilités de Versants (OMIV), que ceux qui ont été implémentés à la base pour des problèmes de gestions de risques (OMIV ; Bikra, 2008 ; Froese et Moreno, 2011 ; Cloutier et al., 2012) ne répondent qu en partie aux problèmes posés, même si certains grâce au GB-InSAR possèdent un suivi permanent (Casagli et al., 2010 ; Crosta et al, 2012, en review ; Rouyet et al., 2013). De plus, l intégration complète des données dans un modèle complet manque encore, aucune solution ne tend vers la 4D de l évolution du mouvement de terrain de façon pérenne. Ceci est illustré par une enquête réalisée dans le cadre du projet Safeland : dans 87% des cas, les systèmes de surveillance signalent que les précipitations intenses sont les sources de déclenchements de mouvements catastrophiques, mais aucun de ces systèmes n intègrent cette variable dans leurs seuils d alerte (Michoud et al., in review). Cet exemple souligne le manque récurrent d intégration des toutes les données à disposition lors d une surveillance opérationnelle. Par conséquent, il faut y intégrer quelque chose de plus : le modèle conceptuel. Les grands projets de surveillance, tel que celui de Turtle Mountain (Froese et Moreno, 2011), ont été riches d enseignement, mais font face à de nouveau défis. En effet, aucune situation de crise ne s étant présentée depuis 10 ans, les technologies de communication et de suivi facilement accessibles changeant rapidement, le mode surveillance change et au lieu de maintenir un système d alerte, on peut redescendre à un niveau du monitoring régulier, réduisant les coûts et étant plus réaliste en terme de gestion (Froese, 2013). Ceci notamment parce que les technologies actuelles permettent un déploiement rapide d instruments (GB-InSAR, GPS, communication avec des instruments sur site tel qu extensomètres, etc ). 4.2 Modèle conceptuel Quelle que soit l importance de l instrumentation, il est nécessaire de dégager un modèle spatial de la masse instable afin de confronter les mesures à ce modèle. Le modèle conceptuel permet d intégrer l ensemble des données et par conséquent de tenter de prévoir là où les déformations peuvent devenir critiques. 4/6

5 Cet objectif doit être poursuivi à n importe quel moment de l investigation et indépendamment du degré de détail. Il est en premier lieu basé sur la première source d information, soit la cartographie qui intègre les observations de déformation en surface, les fissures et les circulations d eau (Stumpf et al., 2013). De plus, il doit être évolutif, en tenant compte constamment des nouvelles données acquises lors du monitoring. En effet, les nouvelles techniques d observation de surfaces (GB-InSAR, LiDAR photo-interprétation) permettent d améliorer grandement les modèles conceptuels. Lorsque les données de surface peuvent être couplées avec des données inclinométriques de forage et de la tomographie, les modèles s améliorent. Enfin, un tel modèle apporte des informations précieuses pour implémenter des nouveaux instruments. L efficacité du principe d un modèle conceptuel a été démontrée par le fait qu un modèle de déformation a pu être proposé dès 1994 sur la base des données géodésiques et structurales pour la partie instable de la niche ayant été laissée par l éboulement de Randa (Suisse) datant de 1991 (Jaboyedoff et al. 2004). Ce modèle conceptuel a été confirmé par des mesures de GB-InSAR, de nouveaux relevés de terrain et des modélisations (Gischig et al., 2009). 5 CONCLUSION ET IMPLICATIONS POUR LA GESTION DES RISQUES ET LA RECHERCHES L unicité de chaque mouvement de terrain nécessite l apport d un modèle conceptuel afin de prédire les déformations spatialement quel que soit le niveau de connaissance. Ceci est une base pour la prévision et on peut en conclure que l objectif d un observatoire est de développer des connaissances de façon à être capable de prédire le comportement spatio-temporel de la déformation ou/et d un possible mouvement catastrophique ou/et d en proposer plusieurs scénarios. Ceci est l objectif final des recherches. La prévision de scénarios est souvent tentée pour la propagation de mouvements catastrophiques (avalanches rocheuses, laves torrentielles, etc.), mais peu encore pour le comportement d un mouvement de terrain. Des méthodes de prédiction sont en développement associé à une surveillance géophysique (Sornette et al., 2004 ; Amitrano et al., 2005 ; Lévy et al., 2010 ; Mainsant et al., 2012). D autres tentatives existent aussi en matière de prédiction de mouvement en se basant sur les précipitations ou le niveau piézométrique en créant une fonction de réponse du glissement de terrain (Belle et al., 2013 ; Abellán et al., 2014). Mais jusqu à présent, l aspect qui consiste à associer la prédiction temporelle à un scénario spatial manque encore. L observatoire idéal est donc celui qui résout le problème de la prédiction spatio-temporelle de façon pérenne quels qu en soient les moyens, en particulier l évolution des systèmes des circulations d eau. Il serait donc intéressant de réaliser un «benchmarking» de la prédiction sur un certain nombre de sites. Rappelons que nous n avons jamais touché de nos doigts et observé directement un atome, mais le concept est antérieur aux images indirectes que nous en avons ; le même principe doit s appliquer dans la prévision des mouvements de versant. 6 RÉFÉRENCES Abellán, A. Michoud, C., Jaboyedoff, M., Baillifard, F., Demierre, J., Carrea, D. and M.H. Derron (2014). Predicting rates of dis - placement in continuously-moving mass movements. Application of a rainfall to displacements mobile transfer function. International Association Engineering Geology Conference, 2014 Sept, Torino (Italy). Amitrano, D, Grasso, JR, and G Senfaute, 2005, Seismic precursory pattern before a cliff collapse and critical point phenomena, Geophys. Res. Lettrs: 32, L08314, doi: /2004GL Baldi, P., Cenni, N., Fabris, M., & Zanutta, A Kinematics of a landslide derived from archival photogrammetry and GPS data. Geomorphology, 102(3), Belle, P., Aunay, B., Bernardie, S., Grandjean, G., Ladouche, B., Mazué, R., Join, J. L. (2013). The application of an innovative inverse model for understanding and predicting landslide movements (Salazie cirque landslides, Reunion Island). Landslides, Blikra, L. H The Aknes rockslide; monitoring, threshold values and early-warning,. In: Xi an, China, edited by: Chen, Z., Zhang, J., Li, Z., Wu, F., and Ho, K (rds), Landslides and Engineered Slopes. From the Past to the Future. Proceedings of the 10 th International Symposium on Landslides and Engineered Slopes, 30 June 4 July 2008, Taylor & Francis Group, London, 2, Casagli, N., Catani, F., Del Ventisette, C., and Luzi, G.: Monitoring,prediction, and early warning using ground-based radar interferometry, Landslides, doi: /s y, 7: Cloutier C., Locat J., Lord P-E., Couture R., Jaboyedoff M. (2012): Kinematic considerations of the Gascons rockslide, Québec (Gaspésie), Canada. In Eberhardt E. et al. (Eds): Landslides and Engineered Slopes. Protecting Society through Improved Understanding. Proceedings of the 11th International and 2nd North American Symposium on Landslides (Banff, Canada, 3-8 June 2012) CRC press, /6

6 Crosta G.B., Cancelli P., Tamburini A., Alberto W., Broccolato M., Castellanza R., Frattini P., Agliardi F., Rivolta C., and Leva D Chasing a complete understanding of a rapid moving rock slide: the La Saxe landslide. EGU General Assembly 2012, Geophysical Research Abstracts, Vol. 14, EGU Crosta, G.B., di Prisco, C., Frigerio, G., Frattini, G., Castellanza, R., Agliardi, F. (in review). Chasing a complete understanding of the triggering mechanisms of a large rapidly evolving rockslide. Landslides. Froese C.R. & Moreno F Structure and components for the emergency response and warning system on Turtle Mountain, Alberta, Canada. Nat Hazards, /s y. Froese, C.: Lessons Learned from 10 Years of Early Warning at Turtle Mountain, Alberta, 580 Canada, in: Proceedings of the 1st International Workshop on Warning Criteria for Active 581 Slides, Courmayeur, Italy, June 2013, Gili, J. A., Corominas, J., and Rius, J., Using global positioning system techniques in landslide monitoring. Engineering Geoogy, 55, Gischig, V., Loew, S., Kos, A., Moore, J. R., Raetzo, H., and Lemy, F Identification of active release planes using groundbased differential InSAR at the Randa rock slope instability, Switzerland, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 9, Jaboyedoff, M., Oppikofer, T., Abellán, A., Derron, M.-H., Loye, A., Metzger, R., Pedrazzini, A. (2012): Use of LIDAR in landslide investigations: a review. Natural Hazards, 61:5 28, DOI /s Jaboyedoff, M., Ornstein P. and Rouiller J.-D. (2004): Note on the design of a geodetic database and associated tools for monitoring slope movements: The example of Randa rockfall scar. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 4: Jongmans D, Garambois S Geophysical investigation of landslides: a review. Bulletin de la Société Géologique de France 2: Jongmans D., Bièvre G., Schwartz S., Renalier F., Beaurez N. and Orengo Y., 2009, Geophysical investigation of a large landslide in glaciolacustrine clays in the Trièves area (French Alps), Engineering geology, 109: Keaton J.R. and DeGraff, J.V. (1996) Surface observation and geologic mapping. In: Turner AK, Schuster RL (eds) Landslide types and process, National Research Council, National Academy Press, Special Report 247: Lebourg T., Binet S., Tric E., Jomard H., and El Bedoui S. (2006) Geophysical survey to estimate the 3D sliding surface and the 4D evolution of the water pressure on part of a Deep Seated Landslide. Terra Nova 17: Lévy, C., L. Baillet, D. Jongmans, P. Mourot, and D. Hantz (2010), Dynamic response of the Chamousset rock column (Western Alps, France), J. Geophys. Res., 115, F04043, doi: /2009jf Lovisolo M. & Della Giusta A Precision of D.M.S. columns from real time in-place measurements and improvement in micro-movements analysis with early warning function. In Brebbia C.A. & Carlomagno G.M. : 12 th international conference on computational methods and experimental measuments WIT Press. Mainsant G., Larose E., Brönnimann C., Jongmans D., Michoud C. and Jaboyedoff M Ambient seismic noise monitoring of a clay landslide : toward failure prediction, J. Geophys. Res., 117: F Michoud C., Bazin S. Blikra L.H., Derro n M.-H. and Jaboyedoff M. (In review). Technical Note: Experiences from Site-Specific Landslide Early Warning Systems, Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Mikkelsen P.E., Field Instrumentation, Landslides Investigation and Mitigation, edited by Turner A.K., Schuster R.L. (eds.) Landslide types and process TRB Special Report 247, National Academy Press, Washington DC, 1996, p Rouyet L., Kristensen L., Derron M.-H., Michoud C., Blikra L. H., Jaboyedoff M Integration of GB-InSAR, laser scanning and in situ monitoring on the rockslope instability of Mannen/Børa (western Norway). EGU General Assembly 2013, Geophysical Research Abstracts, Vol. 15, EGU Safeland a. Deliverable 4.1: Review of Techniques for Landslide Detection, Fast Characterization, Rapid Mapping and Long-Term Monitoring. Accessible à: Safeland b. Deliverable 4.4: Guidelines for the selection of appropriate remote sensing technologies for monitoring different types of landslides. Accessible à: Safeland Deliverable 4.5: Evaluation report on innovative monitoring and remote sensing methods and future technology. Accessible à: Safeland Deliverable 4.6: REPORT ON EVALUATION OF MASS MOVEMENT INDICATORS. Accessible à: Samyn, K.; Travelletti, J.; Bitri, A. Grandjean G. J.-P. Malet Characterization of a landslide geometry using 3D seismic refraction traveltime tomography: The La Valette landslide case history. Journal of Applied Geophysics 86: Sornette D., A. Helmstetter, J.V. Andersen, S. Gluzman, JR Grasso and V.F. Pisarenko, 2004, Towards Landslide Predictions: Two Case Studies. Physica A 338: Stumpf, A., Malet, J.P., Kerle, N., Niethammer, U. and Rothmund, S. (2013) Image - based mapping of surface fissures for the investigation of landslide dynamics. Geomorphology, 186: Tarchi, D., Casagli, N., Fanti, R., Leva, D., Luzi, G., Pasuto, A., Pieraccini, M., and Silvano, S., Landside monitoring by us - ing ground-based SAR interferometry: an example of applica- tion to the Tessina landslide in Italy. Engineering Geology, 68: Travelletti, J.& Malet, J-P Characterization of the 3D geometry of flow-like landslides: A methodology based on the integration of heterogeneous multi-source data. Engineering Geology 128: Travelletti J, Delacourt C, Allemand P., Malet J-P, Schmittbuhl J., Toussaint R. Bastard M. 2012a. Correlation of multi-temporal ground-based optical images for landslide monitoring: Application, potential and limitations. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 70 : Travelletti, J., Sailhac, P., Malet, J.-P., Grandjean, G., Ponton, J. 2012b. Hydrological response of weathered clay-shale slopes: water infiltration monitoring with time-lapse electrical resistivity tomography. Hydrological Processes, doi: /hyp.7983: /6