Marc BRISEBARRE LA CONSTRUCTION EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ; EXEMPLE DE LA REGION PARISIENNE

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1 1 CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS PARIS MEMOIRE Présenté en vue d obtenir Le DIPLOME d INGENIEUR CNAM Spécialité : Construction, aménagement Option : Géotechnique par Marc BRISEBARRE LA CONSTRUCTION EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ; EXEMPLE DE LA REGION PARISIENNE Soutenu le 14 avril 2010 JURY Président : Membres : Philippe DELMAS (CNAM) Denis FABRE (CNAM) Olivier FOUCHE (CNAM) Jean-Marie MICHARD (GINGER CEBTP) Claude PLUMELLE (Ingénieur-conseil)

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3 2 La construction en zone de dissolution du gypse ; exemple de la région parisienne. Mémoire d Ingénieur CNAM, Paris 2010 Résumé En région parisienne il existe deux familles de gypse : Le gypse ludien des Masses et Marnes du gypse, conservé dans les buttes-témoins et dans les plateaux ; ce gypse peut affleurer et a été largement exploité pour la fabrication du plâtre ; Le gypse antéludien, présent essentiellement dans les Marnes et Caillasses sous une grande partie de la région, à des profondeurs parfois importantes (40 à 50 m). Pour rechercher les poches de dissolution, qui peuvent entraîner de graves désordres en surface (fontis), on utilise généralement le sondage destructif, couplé ou non à la diagraphie gammaray. La géophysique est peu utilisée en raison des contraintes générées par le milieu urbain ; la sismique passive, plus adaptée à ce milieu, représente une voie intéressante. La solution généralement mise en œuvre en cas de découverte de poches de dissolution est l injection. Il existe, pour le gypse antéludien, une réglementation très contraignante édictée par l Inspection Générale des Carrières. Un PPRMT (Plan de Prévention des Risques Mouvements de Terrain) est en préparation. Mots-clés : Gypse Dissolution Fontis - Sondage destructif Diagraphie gamma-ray Sismique passive - Injection Abstract Two types of gypsum are present in the Paris region : Ludian gypsum in the «Masses et Marnes du gypse», kept in residual hills and in plateaus ; this gypsum can show on the surface and has been widely extracted for the manufacture of plaster ; Anteludian gypsum, mainly present in the «Marnes et Caillasses», under most of the region, sometimes very deep (40 to 50 m). To search dissolving pockets, which can cause serious chaos above the ground (subsidence of surface), destructive drilling is usually used, combined or not with gamma-ray logs. Geophysics aren t much used because of the constraints generated by the urban environment ; passive seismic, more adapted to this environment, is an interesting approach. Injection is usually the solution in case dissolving pockets are discovered. For the anteludian gypsum, there are very restrictive regulations, issued by the «Inspection Générale des Carrières» (the General Inspectorship of the Quarries). A ground movement risk prevention plan is under consideration. Keywords : Gypsum - Dissolving Subsidence of surface - Destructive drilling Gamma-ray logs Passive seismic - Injection

4 1 Ce mémoire se veut une mise en forme de l expérience acquise au fil des années dans ma pratique de géotechnicien de bureau d étude de sols au sein de GINGER CEBTP (et des bureaux d étude dont il est l héritier par le biais des rachats et fusions : SOLEN et ESF), dans le domaine de la résolution des problèmes liés à la dissolution du gypse. Ce travail n aurait probablement pas vu le jour sans le Professeur Denis FABRE. En 2003, battant le rappel des «anciens» qui n avaient pas encore présenté de mémoire, il ranima en moi le désir d achever enfin ce long cursus du CNAM ; les occupations professionnelles et la vie de famille firent que la mise en chantier tarda quelque peu (ce mémoire a été rédigé pour l essentiel «HTO», hors temps ouvrable) mais finalement elle se fit. Tout au long de la rédaction de ce mémoire j ai bénéficié des conseils avisés d Alain HIRSCHAUER, parfait connaisseur de la géotechnique parisienne. Au sein de GINGER CEBTP une aide amicale et précieuse m a été apportée par Jean-Marie MICHARD, qui a accepté d emblée d être le tuteur entreprise. A l Inspection Générale des Carrières Anne-Marie PRUNIER-LEPARMENTIER a mis à ma disposition avec libéralité les données relatives au suivi piézométrique des nappes. Il m est agréable de remercier le Professeur Philippe DELMAS, président du jury, dont j ai pu apprécier la cordialité lors des entretiens qu il m a accordés. A ses côtés, au sein du jury, en plus du Professeur Denis FABRE et de Jean-Marie MICHARD, siègent Olivier FOUCHE, dont l article sur les nappes du territoire de la Seine Saint-Denis (écrit en collaboration avec Alain HIRSCHAUER) m a été très utile, et Claude PLUMELLE avec lequel j ai eu le plaisir de travailler lors de missions ponctuelles qu il assurait à GINGER CEBTP. Je n aurais garde d oublier ma femme et mes enfants, qui m ont encouragé tout au long de ces années de rédaction et auxquels je dédie ce mémoire.

5 INTRODUCTION...5 PREMIERE PARTIE : LA PROBLEMATIQUE DES ROCHES GYPSEUSES EN REGION PARISIENNE...9 CHAPITRE 1 : LE CADRE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE GENERALITES Aperçu général sur la sédimentation crétacée et post-crétacée Structure Expression de la sédimentation post-crétacée dans le relief NATURE, ORIGINE ET PRINCIPAUX FACIES DU GYPSE Caractéristiques principales du gypse (minéral) Milieu de formation du gypse (minéral et roche) Propriétés géotechniques du gypse (roche) LES PRINCIPALES FORMATIONS GYPSIFERES ANTELUDIENNES Marnes et Caillasses (Lutétien supérieur) Sables de Beauchamp (Auversien) Calcaire de Saint-Ouen s.l. (Marinésien) LES MASSES ET MARNES DU GYPSE s.l. (LUDIEN) Généralités Exploitation Caractéristiques des Masses et Marnes du gypse des buttes-témoins et plateaux de la partie Nord Caractéristiques des Masses et Marnes du gypse de l anticlinal de Meudon MILIEU DE DEPÔT ET ORIGINE DES SULFATES Milieu de dépôt du gypse des Marnes et Caillasses Milieu de dépôt du gypse des Sables de Beauchamp et du Calcaire de Saint-Ouen Milieu de dépôt du gypse des Masses et Marnes du gypse Origine des sulfates LES NAPPES Principales nappes Contexte hydrogéologique du gypse antéludien (plateaux et vallées) Contexte hydrogéologique du gypse ludien (buttes-témoins et Hurepoix) Bilan : la notion de nappe en milieu gypseux CHAPITRE 2 : LE PROCESSUS DE KARSTIFICATION LES FORMES DU KARST GYPSEUX Généralités Quelques exemples de formes karstiques LES ASPECTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA DISSOLUTION Définition Description Principaux facteurs conditionnant la dissolution LA DISSOLUTION AU PLIO-QUATERNAIRE LA DISSOLUTION A L EPOQUE HISTORIQUE La période De 1970 à nos jours Bilan

6 2.5 BILAN : COMPARAISON ENTRE LE KARST DEVELOPPE DANS LE GYPSE ANTELUDIEN ET LE KARST DEVELOPPE DANS LE GYPSE LUDIEN...78 CHAPITRE 3 : LOCALISATION DES ZONES A RISQUES ET REGLEMENTATION APPLICABLE DEFINITIONS ET GESTION DU RISQUE La notion de risque La gestion du risque GYPSE ANTELUDIEN La délimitation des périmètres de risques Examen des zones comprises dans les périmètres de risques Réglementation s appliquant dans les périmètres de risques jusqu au 1 er octobre Réglementation s appliquant dans les périmètres de risques depuis le 1 er octobre GYPSE LUDIEN Contexte réglementaire Zonage SYNTHESE...94 CHAPITRE 4 : LES METHODES DE DETECTION DES CAVITES DE DISSOLUTION GENERALITES LES FORAGES LES DIAGRAPHIES INSTANTANEES La vitesse instantanée d avancement de l outil (en m/h) La percussion réfléchie ou vibralog- (en m/s 2 ) La pression sur l outil ou pression de poussée (en bar) La pression d injection du fluide de perforation (en bar) Le couple de rotation Etalonnage LES DIAGRAPHIES DIFFEREES : LA RAN Rappel sur la radioactivité naturelle Principe de la mesure Mise en œuvre de la mesure Facteurs influençant la mesure Limites de la méthode Premier exemple Second exemple LA GEOPHYSIQUE Bilan de l emploi de la géophysique en milieu urbain La sismique passive CONCLUSION SECONDE PARTIE : RECONNAISSANCE ET TRAITEMENT EN ZONE GYPSEUSE CHAPITRE 5 : EXEMPLE D AMENAGEMENT D UN ENSEMBLE IMMOBILIER EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ANTELUDIEN PRESENTATION Généralités

7 5.1.2 Le projet Le contexte réglementaire RECONNAISSANCES PREALABLES Généralités Implantation des sondages de la campagne ESF Lithostratigraphie fournie par la campagne ESF Anomalies PRESCRIPTION DE L INSPECTION GENERALE DES CARRIERES TRAVAUX D INJECTION Généralités Etape n 1 : la perforation Etape n 2 : l injection ETAPE N 3 : LE CONTROLE Méthodologie mise en oeuvre Commentaires EVOLUTION DU PROJET CHAPITRE 6 : EXEMPLE DE CONSTRUCTION D UN BATIMENT EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ANTELUDIEN PROJET CONTEXTE TOPOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE - PRECONISATIONS RECONNAISSANCES REALISEES ET PRECONISATIONS SUCCESSIVES DU GEOTECHNICIEN Première reconnaissance Seconde reconnaissance COMMENTAIRES CHAPITRE 7 : EXEMPLE DE CONSTRUCTION D UN BATIMENT EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE LUDIEN LE PROJET LE CONTEXTE TOPOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE HISTORIQUE DES RECONNAISSANCES ET DES PRECONISATIONS CONFORTATION ET CONTROLE COMMENTAIRES CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE & SITES INTERNET BIBLIOGRAPHIE CARTES GEOLOGIQUES ET HYDROGEOLOGIQUES SITES INTERNET ARTICLES EN LIGNE TABLE DES FIGURES, TABLEAUX ET PLANCHES PHOTOGRAPHIQUES

8 FIGURES TABLEAUX PLANCHES PHOTOGRAPHIQUES ANNEXES ANNEXE A : LEGENDE DE LA CARTE GEOLOGIQUE DE LA FRANCE AU 1/ ANNEXE B : LES MISSIONS D INGENIERIE GEOTECHNIQUE (EXTRAIT DE LA NORME NF P , VERSION DE DECEMBRE 2006) ANNEXE C : L ATELIER DE FORAGE ANNEXE D : DOCUMENTS RELATIFS A L ENSEMBLE IMMOBILIER SITUE RUE PHILIPPE DE GIRARD (PARIS 10 ème ), EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ANTELUDIEN, ETUDIE AU CHAPITRE ANNEXE E : LE GYPSE ANTELUDIEN DANS LE PROJET DE PLAN DE PREVENTION DES RISQUES DE MOUVEMENT DE TERRAIN DE LA VILLE DE PARIS

9 INTRODUCTION 5

10 6 Le sous-sol de la région parisienne présente l originalité d être particulièrement riche en gypse. Ce gypse a été source d activité et de renommée. Dès l époque romaine, Lutèce était appelée «Lutèce-la-Blanche», car le gypse fournissait un plâtre apprécié pour la décoration des demeures et leur protection contre l incendie ; plus près de nous, au XIX ème siècle, à l emplacement de l actuel Parc des Buttes Chaumont, on exploitait un gypse d une telle finesse qu il permettait la fabrication d un plâtre réputé jusque dans le Nouveau Monde, d où le nom de «Carrières d Amérique» donné à ces exploitations. Mais ce gypse a été et demeure source de difficultés pour les constructeurs qui sont confrontés à deux problèmes : La stabilité des anciennes carrières, qu il s agisse de la stabilité du recouvrement dans le cas d une exploitation souterraine, ou de celle des matériaux de comblement dans le cas d une carrière à ciel ouvert ; La dissolution, puisque le gypse est une roche particulièrement sensible à ce phénomène. Le présent mémoire traite principalement de ce second volet la dissolution-. Il s articule en deux parties. La première partie («La problématique de la dissolution des roches gypseuses en région parisienne») vise les objectifs suivants : Présenter le cadre géologique et hydrogéologique : nous verrons ainsi que le gypse n est pas présent uniquement dans les formations ludiennes qui ont fourni le plâtre si réputé, mais qu il existe également en abondance dans les formations antéludiennes à des profondeurs parfois importantes (jusqu à une soixantaine de mètres) ; nous verrons également que le gypse est le fruit d une longue histoire et que pour comprendre sa présence dans les formations tertiaires de l Ile de France il faut remonter jusqu à la dislocation de la Pangée ; Examiner le processus de dissolution et présenter des exemples de désordres dont certains sont particulièrement spectaculaires ; Détailler la localisation des zones à risques et la réglementation en vigueur qui, pour le gypse antéludien, était très contraignante jusqu à ces dernières années, et le demeure encore partiellement, puisqu elle obligeait parfois, même pour des ouvrages modestes, à réaliser des sondages de plusieurs dizaines de mètres de profondeur ; Présenter les méthodes de détection des cavités de dissolution les plus couramment utilisées ; La seconde partie («Reconnaissance et traitement en zone gypseuse») présente trois exemples

11 7 de construction en zone de dissolution : Un grand ensemble immobilier à Paris 10 ème d une emprise d environ m 2 ; Un petit immeuble collectif d environ 300 m 2 à Aulnay-sous-Bois (93) ; Un pavillon de banlieue à Bagnolet (93). Ces exemples, qui concernent le domaine du bâtiment (et non les travaux publics ou les ouvrages d art), sont représentatifs des problèmes auxquels sont confrontés les praticiens de la géotechnique dans les bureaux d étude de sol privés. Notre étude se focalise sur la ville de Paris et les communes proches ; il s agit d une zone dans laquelle, du fait de la densité de l habitat, l aléa de dissolution engendre un risque élevé qu il est en général nécessaire de pallier par des fondations et/ou des renforcements du sol aux coûts non négligeables dans les projets de construction ou de rénovation. Concrètement, la zone étudiée correspond à celle couverte par les deux feuilles de la carte géologique à 1/ de Paris ; elle englobera, ainsi que le montre la figure 1, la ville de Paris, la quasi-totalité des Hauts-de-Seine, une grande partie de la Seine-Saint-Denis et du Val-de- Marne, et une petite partie du Val-d Oise et des Yvelines. Soit, au total, un territoire s étendant sur 26 km d Ouest en Est et sur 20 km du Nord au Sud.

12 8 VAL D OISE YVELINES 0 10 km Figure I.1 - Extension de la zone d étude

13 9 PREMIERE PARTIE : LA PROBLEMATIQUE DES ROCHES GYPSEUSES EN REGION PARISIENNE

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15 11 CHAPITRE 1 : LE CADRE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE

16 GENERALITES Aperçu général sur la sédimentation crétacée et post-crétacée Le substratum crétacé Au Turonien et au Sénonien (les deux derniers étages du Crétacé), une grande partie du Bassin parisien et, en particulier, la totalité de la Région parisienne, était recouverte par des mers chaudes épicontinentales qui ont permis le dépôt d une formation monotone et très épaisse, la craie, comprenant : En partie supérieure (Sénonien), la craie blanche à silex, épaisse de 300 m environ ; En partie inférieure (Turonien), la craie grise marneuse, épaisse d une centaine de mètres. Après la régression fini-campanienne (fin du Sénonien), la région parisienne a connu une longue période d exondation avant le retour de la mer au Dano-Montien. Ce substratum crayeux «n affleure qu en étroites bandes sur les coteaux de la rive gauche de la Seine en aval de Paris» et se retrouve, simplement masqué par les alluvions, «sur une large boutonnière en V ouverte par la Seine du Pont de Grenelle jusqu à Suresnes» (DIFFRE et POMEROL, 1979). Ailleurs, c est-à-dire sur la plus grande partie de la région parisienne, il est recouvert par les dépôts tertiaires La sédimentation tertiaire Les roches dans lesquelles s inscrivent les paysages de l Ile de France se sont déposées, pour l essentiel, dans la première moitié du Tertiaire, du Dano-Montien au Stampien, soit, approximativement, de 65 millions d années à 22 millions d années (tableau 1.1). Il s agit de formations marines à continentales. En effet, les mers paléogènes, peu profondes, étaient sujettes à de fréquentes variations des lignes de rivage si bien que les dépôts, souvent discontinus (fréquentes lacunes de sédimentation) étaient tantôt marins, tantôt lagunaires, tantôt lacustres. Ceci «dans une ambiance tropicale analogue à celle des Antilles aujourd hui» (DIFFRE et POMEROL, 1979). Il s ensuit que les variations latérales et verticales de faciès sont nombreuses et que les dépôts évaporitiques peuvent se rencontrer dans un grand nombre de niveaux. Le tableau 1.2, qui donne les principales caractéristiques des formations tertiaires, fait ressortir deux faits majeurs : Il existe six formations à dominante calcaire ou marno-calcaire (Calcaires et Marnes de Meudon, Calcaire grossier, Marnes et Caillasses, Calcaire de Saint-Ouen, Calcaire de

17 Brie, Meulière de Montmorency) séparées par des formations qui ne le sont pas ; De nombreuses formations sont ou peuvent être gypsifères ; il convient cependant de noter que les formations les plus riches en gypse sont au nombre de quatre et sont traditionnellement réparties en deux ensembles : 13 Gypse ludien : Masses et Marnes du gypse Gypse antéludien : Calcaire de Saint-Ouen, Sables de Beauchamp et Marnes et Caillasses Tableau 1.1 Les formations tertiaires de la région parisienne Epoques Etages Sous-étages Dénominations OLIGOCENE EOCENE STAMPIEN s.l. BARTONIEN LUTETIEN YPRESIEN Stampien s.s. Sannoisien Ludien Marinésien Auversien Meulière de Montmorency Sables de Fontainebleau Marnes à Huîtres Calcaire de Brie Argile verte Glaises à Cyrènes Marnes supragypseuses Masses et Marnes du gypse s.l. Sables de Monceau Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp Marnes et Caillasses Calcaire grossier Sables de Cuise Sables supérieurs Fausses Glaises Argile plastique PALEOCENE DANO-MONTIEN Calcaires et marnes de Meudon

18 Tableau 1.2 Nature et épaisseur des formations tertiaires de la région parisienne Dénomination Faciès principaux Exemples d épaisseur 14 MEULIERE DE MONTMORENCY Argile à meulière sur calcaire siliceux 6 m (Clamart) Sables de Fontainebleau Sables quartzeux fins 60 m (Meudon) Marnes à Huîtres Marnes ; gypse possible 3 m (Montmartre) CALCAIRE DE BRIE passe latéralement vers le NW aux : Calcaire de Sannois Caillasses d Orgemont Argile verte Glaises à Cyrènes Calcaire siliceux Argile sableuse, calcaire et gypse Argile compacte verte ; gypse possible 5 m (Belleville) 5 m (Orgemont) 6 à 8 m (Montmartre) Marnes supragypseuses Marnes blanches de Pantin Marnes bleues d Argenteuil Marnes avec quelques bancs de gypse 4 à 5 m (Montmartre) 8 à 11 m (Montmartre) Masses et Marnes du gypse (s.l.) Gypse et marnes alternés 35 à 40 m (Montmartre) LUDIEN Sables de Monceau Sables fins argileux et grès ; gypse possible 3 m (Plaine Monceau) CALCAIRE DE SAINT-OUEN Calcaire, marne et gypse 12 m (La Villette) Sables de Beauchamp Sables fins parfois argileux ou gréseux ; quelques bancs de gypse 11 m (Etoile) MARNES ET CAILLASSES Calcaire, marne et gypse 14 m (Denfert- Rochereau) ANTELUDIEN CALCAIRE GROSSIER Calcaire massif puis sableux 18 m (Denfert- Rochereau) Sables de Cuise Sables supérieurs Fausses Glaises Sables d Auteuil Alternance de sables quartzeux et d argiles ligniteuses 14 m (Arsenal) Argile plastique Argile 12 m (Arsenal) CALCAIRES ET MARNES DE MEUDON Marne et calcaire 15 m (Les Halles) CALCAIRE DE BRIE Sables de Beauchamp formation à dominante calcaire ou marno-calcaire formation gypsifère (ou pouvant être gypsifère)

19 La sédimentation quaternaire La sédimentation quaternaire est fluviatile (alluvions) et éolienne (Limon des plateaux) Structure La sédimentation post-crétacée a été fortement influencée par l existence de deux grands axes tectoniques de direction WNW ESE (subarmoricaine), qui sont la réactivation, sous l effet des orogénèses pyrénéenne puis alpine, de structures du vieux socle hercynien (CAVELIER et LORENZ, 1987, p. 245). Ces axes sont la fosse de Saint-Denis (ou synclinal de la Seine chez certains auteurs) et l anticlinal de Meudon. La figure 1.1 montre que la fosse de Saint-Denis intéresse l angle Nord-Est de la zone étudiée tandis que l anticlinal de Meudon la traverse de part en part au Sud. La figure 1.2a illustre le double rôle que ces axes ont joué : Le rôle sur le plan de l altimétrie des couches : Le toit de la craie passe de + 27 NGF sur l anticlinal à 94 dans la fosse (avec une flexure à mi-chemin, au pied de la butte Montmartre) ; même si ce toit est une surface d érosion, une telle variation dépasse de très loin les irrégularités qui l affectaient lors des transgressions tertiaires ; Le sommet du Calcaire grossier passe de + 65 sur l anticlinal à 15 dans la fosse (avec, toujours, la flexure à mi-chemin) ; Le rôle sur le plan de la sédimentation : ces axes sont en grande partie synsédimentaires, c est-à-dire qu ils ont joué pendant le dépôt des couches ; ainsi, l Yprésien passe d une dizaine de mètres d épaisseur sur l anticlinal à une soixantaine dans la fosse ; nous verrons au paragraphe 1.3 qu il en est de même pour les formations gypsifères.

20 B A - 40 A B Isohypse de la base du Tertiaire (d après Mégnien Cl., 1980) Axe de la fosse de Saint-Denis Axe de l anticlinal de Meudon Tracé de la coupe géologique de la figure 1.2a Fig. 1.1 Structure du Tertiaire

21 A Butte Montmartre B Axe de l anticlinal de Meudon Craie km Axe de la fosse de Saint-Denis Calcaire grossier Yprésien Craie Fig. 1.2a Masses et Marnes du gypse s.l. Calcaire de Saint-Ouen 0 Marnes et Caillasses km Fig. 1.2b Fig. 1.2a Coupe géologique de Bagneux à Pierrefitte par Montmartre (SOYER R., 1966) Fig. 1.2b Agrandissement au niveau de la Butte Montmartre montrant la position des principales formations gypsifères

22 Expression de la sédimentation post-crétacée dans le relief Le tableau 1.2 montrait l existence de six formations à dominante calcaire ou marno-calcaire. L érosion a dégagé des plates-formes substructurales correspondant peu ou prou à chacune de ces formations, exception faite des Calcaires et Marnes de Meudon, qui n ont pas été portés à une altitude suffisante par rapport au niveau de base des rivières au Tertiaire et au Quaternaire pour être soumis à une l érosion significative ; ces plates-formes, représentées sur la figure 1.3, sont les suivantes : En rive droite de la Seine se rencontrent : La plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen ; Deux buttes-témoins vestiges de la plate-forme du Calcaire de Brie largement développée à l Est de la zone étudiée dans le plateau de Brie : La butte qui va des Buttes Chaumont à l Ouest au fort de Nogent au Sud-Est, Le plateau d Avron ; En rive gauche, la plate-forme de la Meulière de Montmorency (région appelée «le Hurepoix» et qui est l avancée septentrionale du plateau de Beauce) est largement festonnée si bien que : La plate-forme du Lutétien se développe le long de la Seine (et, singulièrement, dans le méandre de Gennevilliers) ; La plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen réapparaît entre Meudon, à l Ouest, et la Bièvre, à l Est ; La plate-forme du Calcaire de Brie s étend sur une grande partie du plateau de Villejuif. En outre, trois buttes-témoins, très petites mais très connues, vestiges de la plate-forme de la meulière de Montmorency, doivent être signalées : en rive droite la butte d Orgemont et la Butte Montmartre, en rive gauche le Mont Valérien.

23 19 1 PLATE-FORME DU CALCAIRE DE SAINT-OUEN PLATE-FORME DU LUTETIEN PLATE-F. DE LA MEULIERE DE M. V Plate-forme de la Meulière de Montmorency Plate-forme du Calcaire de Brie (V : plateau de Villejuif) Plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen Plate-forme du Lutétien buttes-témoins 1 : Butte d Orgemont 2 : Mont Valérien : 3 : Butte Montmartre 4 : Hauteurs allant des Buttes Chaumont, à l Ouest, au fort de Nogent au Sud-Est 5 : Plateau d Avron Fig. 1.3 Le relief de la région parisienne (d après DIFFRE et POMEROL, 1979)

24 1.2 NATURE, ORIGINE ET PRINCIPAUX FACIES DU GYPSE 20 Le terme de «gypse» désigne à la fois le minéral et la roche qui en est composée ; à quelques «impuretés» près en effet, la roche est monominérale Caractéristiques principales du gypse (minéral) Le gypse, sulfate de calcium hydraté (CaSO 4, 2H 2 O), appartient au système monoclinique (la maille élémentaire est un prisme oblique à base rectangle). Il est très tendre puisqu il se place au 2 ème degré de l échelle Mohs (échelle de dureté des minéraux, fondée sur la résistance à la rayure, comportant 10 degrés : du plus tendre talc, 1-, au plus dur diamant, 10 -). Il est ainsi rayable à l ongle ce qui permet de le distinguer aisément d autres minéraux qui pourraient être confondus avec lui lorsqu ils sont amorphes ou sous forme de cristaux de petite taille (calcite, quartz, ). Il est très polymorphe mais, en région parisienne, quatre faciès sont particulièrement représentés : Planche photographique 1.1 Gypse saccharoïde (Paris 10 ème, rue Martel ; bloc isolé au sein de remblais de surélevation, hors zone de carrière). Le faciès saccharoïde (du latin saccharum : sucre) est fait d un amas de petits cristaux blancs rappelant les grains du sucre.

25 21 Planche photographique 1.2 Gypse fer de lance (carrière Lambert, Cormeilles-en-Parisis 95 ; Masses et Marnes du gypse) ; site internet de la carrière Lambert. Un fer de lance est une mâcle simple constitué par l association de deux cristaux transparents dont la taille peut atteindre 0,50 m. 10 cm env. Planche photographique 1.3 Gypse pied d alouette et gypse fer de lance (Paris 18 ème, bd de Rochechouart ; Masses et Marnes du gypse ; chantier GINGER CEBTP de juillet 2009 dont les résultats ont permis la réalisation de la figure 1.5) ; les pieds d alouette prédominent sur cet échantillon qui montre également en partie supérieure (zone entourée d un tireté rouge) un fer de lance. Le faciès pied d alouette est fait de cristaux à croissance rapide, et donc souvent petits et enchevêtrés, alors que le faciès fer de lance est constitué de cristaux à croissance lente, et donc souvent plus grands. Planche photographique 1.4 Gypse albastroïde (origine et échelle non précisées) ; site internet du Musée National d Histoire Naturelle du Luxembourg. Le faciès albastroïde est blanc laiteux et très dur, sans phénocristaux.

26 Milieu de formation du gypse (minéral et roche) Le gypse appartient à la famille des évaporites ; il peut cependant, très exceptionnellement, se former «par sublimation directe à partir de fumerolles ou par précipitation dans des sources chaudes d origine volcanique» (MOTTANA, CRESPI et LIBORIO, 1977), ce qui ne se rencontre pas dans le Bassin Parisien. La famille des évaporites comprend principalement : Le gypse (CaSO 4, 2H 2 O) et l anhydrite (CaSO 4 ) ; Le sel gemme ou halite (NaCl) ; Le sel de potasse ou sylvite (KCl). Ces différents minéraux ont un domaine de précipitation défini qui est fonction de la température et du volume d eau résiduel. Si l on supposait un bassin rempli d eau de mer qui viendrait à s isoler de l océan tout en ne bénéficiant, par ailleurs, d aucune recharge en eau douce, on observerait la séquence d évaporation complète suivante, illustrée par la figure 1.4 : Le sulfate de calcium précipite en premier dès que le volume est réduit à environ 30% du volume initial ; il précipite sous forme anhydre (anhydrite) lorsque la température de l eau est élevée (de > 60 pour un volume résiduel de 30% à > 30 pour un volume résiduel de 10%) et sous forme hydratée (gypse) lorsque la température est moins élevée ; La halite précipite ensuite lorsque le volume d eau est réduit à 10% ; La sylvite précipite en dernier lorsque le volume d eau atteint 6%. Une fois précipités, l anhydrite et le gypse ne sont pas stables si les conditions hydriques évoluent : l anhydrite, en s hydratant, se transforme en un gypse qui sera dit secondaire, par opposition au gypse primaire provenant de la précipitation directe du sulfate de calcium (et, inversement, le gypse, en perdant son eau, se transforme en anhydrite).

27 23 Volume résiduel d eau de mer Figure Domaines de précipitation des principaux minéraux évaporitiques marins (d après POMEROL et al., 2003)

28 Propriétés géotechniques du gypse (roche) Caractéristiques mesurées au laboratoire Le tableau 1.3 fournit différentes caractéristiques mesurées au laboratoire sur des échantillons de gypse sain ludien et antéludien. Tableau 1.3 Caractéristiques mesurées au laboratoire sur des échantillons de gypse sain Provenance des échantillons w (%) γ h (kn/m 3 ) γ d (kn/m 3 ) φ (degré) c (kpa) Rc (MPa) Masses et Marnes du gypse (2 échantillons de Livry Gargan, 93) Source : COLLET et al. (2002) Masses et Marnes du gypse hors d eau (3 échantillons de Neuilly-Plaisance, 93) Source : FILLIAT G. (1981) Marnes et Caillasses, (nombre d échantillons et origine géographique non précisés) Source : TOULEMONT M. (1987) 15 à 30 w : teneur en eau - γ h : poids volumique apparent γ d : poids volumique sec - φ : angle de frottement interne effectif - c : cohésion effective Rc : résistance à la compression simple Dans ce tableau on remarque, en particulier, l angle de frottement interne effectif et la cohésion effective élevés qui caractérisent le comportement de type «rocher» du gypse sain. Ceci n exclut pas que le gypse, comparativement à d autres roches sédimentaires comme le calcaire, soit plus facilement déformable sous une pression modérée, en raison de la faible cohésion entre les cristaux (M. GIDON, site GEOL-ALP).

29 Caractéristiques mesurées in situ Comportement aux chocs Le gypse sain est très compact. La figure 1.5 fournit les histogrammes des caractéristiques pressiométriques mesurées à Paris 18 ème (Bd de Rochechouart) dans les Masses et Marnes du gypse. La pression limite, qui varie de 1.1 MPa à 5.9 MPa, est supérieure à 3 MPa dans les 2/3 des essais ; quant au module, il est compris entre 30 MPa et 455 MPa. En dépit de cette compacité élevée, le gypse présente la particularité de se réduire facilement en poudre sans se fracturer, sous l effet de chocs (M. TOULEMONT, 1987, p. 230). 25

30 26 Fréquence Pl* (MPa) E M (MPa) Figure 1.5 Histogrammes des caractéristiques pressiométriques des Masses et Marnes du gypse (Paris 18 ème, 126, bd de Rochechouart ; reconnaissance GINGER CEBTP de Juillet 2009 ; voir planche photographique 1.5). Les caractéristiques ont été mesurées dans 15 essais espacés de 1.50 m et répartis équitablement entre 2 sondages, sur une hauteur de 11 m (entre les cotes NGF + 61 et + 50) ; les essais intéressent la 2 ème Masse, les Marnes à Lucines, la 3 ème Masse, les Marnes infragypseuses et la 4 ème Masse ; d après la carte des carrières 26-37, l épaisseur cumulée des masses de gypse peut être estimée à 8.50 m.

31 1.3 LES PRINCIPALES FORMATIONS GYPSIFERES ANTELUDIENNES Marnes et Caillasses (Lutétien supérieur) Généralités Les Marnes et Caillasses sont constituées d une alternance de calcaire, souvent dolomitisé, de marne et d argiles fibreuses (attapulgites, sépiolites) ; de plus, lorsque leur couverture constituée par les Sables de Beauchamp subsiste, elles renferment souvent du gypse. Leur nom rappelle : La phase marneuse, dont la part relative est très variable, mais qui est aisément reconnaissable à sa couleur blanche qui tranche avec le vert ou le jaune des Sables de Beauchamp sus-jacents et avec le beige ou le jaune du Calcaire grossier sous-jacent ; La phase calcaire : bancs irréguliers (d où leur nom de Caillasses) de calcaire dolomitisé grisâtre ou de calcaire silicifié brun La phase gypseuse La distinction entre l anticlinal de Meudon et la fosse de Saint-Denis (voir fig. 1.2) est importante non seulement pour la puissance totale de l assise (le tableau 1.4 montre que l épaisseur maximale est dans un rapport de 1.0 à 1.8 entre ces deux unités structurales) mais aussi et surtout pour la part dévolue à la phase gypseuse : la part du gypse, aussi bien en valeur absolue (puissance cumulée des bancs gypseux, nombre maximal de bancs gypseux) qu en valeur relative (pourcentage maximal de gypse) est également plus grande dans la fosse que sur l anticlinal (tableau 1.3). Pour certains auteurs (TOULEMONT, 1987, p. 52), l anticlinal de Meudon et la fosse de Saint-Denis se différencient également par les faciès représentés : Le gypse saccharoïde serait prédominant sur l anticlinal de Meudon ; Le gypse albastroïde le serait dans la fosse de Saint-Denis ainsi que dans la région intermédiaire.

32 28 Tableau 1.4 Epaisseur des Marnes et Caillasses et de la phase gypseuse (d après TOULEMONT, 1987, p. 49) Fosse de Saint-Denis Anticlinal de Meudon Puissance maximale des Marnes et Caillasses (en m) 2 Puissance cumulée maximale des bancs gypseux (en m) 3 Nombre maximal de bancs gypseux 4 Pourcentage maximal de gypse inclus dans les Marnes et Caillasses Exploitation Le gypse des Marnes et Caillasses n a jamais été exploité. En effet, lorsqu il était peu profond (anticlinal de Meudon), il se présentait en bancs peu épais et, inversement, lorsqu il s épaississait, il devenait à la fois trop profond (zone intermédiaire et fosse de Saint-Denis) et aquifère Sables de Beauchamp (Auversien) Ce sont des sables quartzeux fins, de couleur vert-bleu à jaunes, avec niveaux argileux, gréseux ou calcaires. Ces niveaux argileux (ou marno-argileux) sont souvent bien représentés dans la partie médiane de la formation ; ils constituent alors un niveau aquifuge dit «écran médian», d épaisseur pluridécimétrique à plurimétrique. VERNOUX et al. (2007) ont réalisé une étude sur 1410 sondages implantés à Paris intramuros et ayant traversé les Sables de Beauchamp ; 121 sondages (soit 9%) ont rencontré le gypse avec une épaisseur moyenne cumulée de 2.77 m pour un écart-type de 2.66 m. Ce gypse se présente sous le faciès albastroïde ou saccharoïde. Il n a jamais été exploité, les bancs étant irréguliers et rarement très épais Calcaire de Saint-Ouen s.l. (Marinésien) Calcaire de Saint-Ouen Cette formation est constituée principalement d une alternance de calcaires et de marnes ; quelques lits d argiles magnésiennes sont parfois présents ainsi que du gypse saccharoïde.

33 Le Calcaire de Saint-Ouen est gypsifère dans une bande qui passe par Montmartre, le seuil de La Villette et les hauteurs qui vont des Buttes Chaumont au fort de Nogent (SOYER, 1953), comme représenté sur la figure PLATE-FORME DU CALCAIRE DE SAINT-OUEN PLATE-FORME DU LUTETIEN PLATE-F. DE LA MEULIERE DE M. Fig. 1.6 Extension schématique du faciès gypseux (zones hachurées en rouge) dans le Calcaire de Saint-Ouen (pour la légende, se reporter à la fig ) V SOYER indique que les bancs de gypse peuvent atteindre jusqu à 1 m de puissance pour une épaisseur cumulée de plusieurs mètres ; il cite même un exemple d exploitation du gypse du Calcaire de Saint-Ouen, le seul à notre connaissance : il s agit d une ancienne carrière à ciel ouvert entre le pont Saint-Ange et la station «Rue de la Chapelle», qui intéressait à la fois les masses inférieures du gypse ludien mais aussi les couches incluses dans le Calcaire de Saint- Ouen ; ce dernier contenait sept bancs de gypse saccharoïde, dont l épaisseur cumulée atteignait 5.30 m pour une épaisseur totale du Calcaire de m ; cette couche contenait donc près de 40% de gypse.

34 Une étude ciblée sur les XIX è et XX è arrondissements a abouti à la conclusion que la phase gypseuse était négligeable lorsque la puissance du Calcaire de Saint-Ouen restait inférieure à 9 m et que, au contraire, elle était supérieure à 4 m lorsque la puissance de la formation dépassait 13 m (DEVEUGHELE et USSEGLIO POLATERA, 1979) Formations associées Sous le Calcaire de Saint-Ouen existent deux formations très minces, souvent confondues en sondage destructif avec le Calcaire de Saint-Ouen, mais qu il convient de citer car l une d entre elles est parfois très riche en gypse. Ces deux formations sont, de haut en bas : L horizon de Mortefontaine, sableux ou calcaire, épais de quelques décimètres ; L horizon de Ducy, épais de 1,20 m maximum lorsqu il est argilo-calcaro-marneux, mais qui, au pied méridional de la Butte Montmartre, peut atteindre 2 m dont 1,30 m de gypse saccharoïde. 1.4 LES MASSES ET MARNES DU GYPSE s.l. (LUDIEN) Généralités Lithostratigraphie Comme l indique leur nom, les Masses et Marnes du gypse sont constituées d une alternance de couches gypseuses (Masses) et de couches marneuses, lesquelles contenant cependant du gypse. Au sens strict, les Masses et Marnes du gypse comprennent, de haut en bas : 1 ère Masse ; Marnes à Fers de Lance (ou Marnes d Entre-Deux-Masses) ; 2 ème Masse ; Marnes à Lucines ; 3 ème Masse. Au sens large, il convient d y ajouter, en partie inférieure, les Marnes infragypseuses puis la 4 ème Masse.

35 31 Il convient de préciser que la 1 ère Masse est elle-même surmontée par des marnes (de bas en haut : Marnes bleues d Argenteuil et Marnes blanches de Pantin). Il est à noter que le Ludien du centre du Bassin de Paris montre un bel exemple de variation latérale de faciès puisque, à l Est de la zone étudiée, sous le plateau de Brie, il est représenté par un calcaire lacustre (Calcaire de Champigny) Extension Les Masses et Marnes du gypse sont conservées d une part dans les buttes-témoins situées audessus de la plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen et, d autre part, sous le plateau du Hurepoix (paragraphe 1.1.2). Sur la plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen, au pied des butte- témoins, il n y a pas cependant de disparition brutale et totale des Masses et Marnes du gypse; des vestiges de la formation peuvent subsister : tout ou partie des 3 ème Masse, Marnes infragypseuses et 4 ème Masse. Souvent le gypse des 3 ème et 4 ème Masses y a été substitué par du carbonate de calcium et, accessoirement, de la silice tandis que les bancs marneux interstratifiés demeuraient quasiment intacts (SOYER R., 1953, p. 220). Ces placages de Masses et Marnes du gypse résiduelles avec pseudomorphose du gypse se distinguent difficilement, en sondage, des Eboulis. L origine de cette substitution sera examinée au paragraphe 2.3 (p. 64) Epaisseur L épaisseur des Masses et Marnes du gypse est maximale dans la moitié nord de la zone (butte Montmartre, buttes Chaumont et de Romainville, plateau d Avron) et minimale dans la moitié sud, c est-à-dire l anticlinal de Meudon Exploitation Le gypse ludien a été intensément exploité, tant à ciel ouvert qu en souterrain, aussi bien dans les buttes-témoins de la rive droite (Butte Montmartre, hauteurs allant des Buttes Chaumont au fort de Nogent, plateau d Avron) que, en rive gauche, dans le Mont Valérien et le Hurepoix Caractéristiques des Masses et Marnes du gypse des buttes-témoins et plateaux de la partie Nord Le tableau 1.5, qui résume les caractéristiques de la série, montre que le Ludien a une épaisseur totale de l ordre de 35 m dont 24 m de gypse.

36 Tableau 1.5 Caractéristiques des Masses et Marnes du gypse des buttes-témoins et plateaux de la partie Nord 32 Dénomination des couches (de haut en bas) Epaisseurs (1) (en m) Faciès Haute Masse (ou Première Masse) Marnes à Fer de Lance (ou Marnes d Entre-Deux-Masses) 14.3 Gypse saccharoïde quasiment pur 5.2 Alternance de marnes, d argiles et de petits lits de gypse saccharoïde ; à l Est de Paris, présence de gypse à fer de lance (d où son nom) Seconde Masse 5.9 Alternance de gypse saccharoïde et de gypse pied d alouette Marnes à Lucines 3.5 Marnes gypseuses Troisième Masse 2.8 Alternance de gypse saccharoïde et de gypse pied d alouette Marnes infragypseuses (ou Marnes à Pholadomies) 2.0 Marnes gypseuses Quatrième Masse 1.5 Gypse saccharoïde (1) De la 1 ère à la 3 ème Masse incluse, les épaisseurs sont celles de la coupe de la carrière du Parc à Romainville (tirée de la Carte géologique détaillée du Département de la Seine, 1/ ème, 1960 env.) On notera que la Haute Masse, de loin la plus développée, est composée en presque totalité de gypse saccharoïde ; ce fait se vérifie dans toutes les buttes-témoins et plateaux de la partie Nord Caractéristiques des Masses et Marnes du gypse de l anticlinal de Meudon Nous citerons, à titre d exemple, la coupe d un puits de service comblé à Châtillon, rue Pierre Sémard (tirée de la feuille de l Atlas des carrières) : Epaisseur totale des Masses et Marnes du gypse : 3.80 m ;

37 Nature : 3 bancs de gypse saccharoïde (de haut en bas : les Ferrants, les Couesnes, les Bans blancs). Les niveaux marneux, présents sur l anticlinal de Meudon, ne sont pas mentionnés sur cette coupe parce que très réduits. L anticlinal de Meudon montre ainsi une série condensée ; ceci avait déjà été noté pour les Marnes et Caillasses ( ) ; l anticlinal de Meudon s est donc manifesté dès l Eocène, au cours même du dépôt des couches (tectonique synsédimentaire). Cet axe a constitué un haut fond, mais en aucune manière une barrière puisque les Marnes et Caillasses se seraient déposées jusqu à une quinzaine de km au Sud de Paris et les Masses et Marnes du gypse jusqu à une vingtaine de km (figure 1.9) MILIEU DE DEPÔT ET ORIGINE DES SULFATES Milieu de dépôt du gypse des Marnes et Caillasses Place des Marnes et Caillasses dans le cycle sédimentaire lutétien Pour bien appréhender les conditions de la formation du gypse des Marnes et Caillasses, il faut replacer ces dernières dans le contexte du cycle sédimentaire lutétien qui constitue «le plus bel exemple d un cycle sédimentaire, au Tertiaire, dans le Bassin de Paris» (POMEROL Ch., 1988). Ce cycle a connu, schématiquement, trois étapes : La transgression, au Lutétien inférieur, marquée par le dépôt de sables glauconieux grossiers ; L épanouissement de la sédimentation marine avec le dépôt de bancs calcaires qui ont valu au Calcaire grossier d être largement exploitable et exploité ; La régression, au Lutétien supérieur, lors du dépôt des Marnes et Caillasses, avec des sédiments de précipitation chimique qui sont autant d indices d un confinement du milieu (argile fibreuse, dolomie, gypse). Un milieu confiné peut être, schématiquement, soit une lagune (étendue d eau en relation temporaire ou permanente avec la mer), soit un lac (étendue d eau temporaire ou permanente sans liaison avec la mer). Le principal auteur à avoir tenté de répondre à cette question est TOULEMONT (1987), qui conclut à une origine nettement continentale du type sebkhra, c est-à-dire lac temporaire dans une région à climat désertique ou subdésertique. Nous développerons l un des principaux arguments qu il développe, à savoir la composition isotopique du soufre.

38 La notion de composition isotopique du soufre L étude de la composition isotopique du soufre (BOSCH et al., 1974) consiste à mesurer la proportion entre l isotope lourd ( 34 S) et l isotope léger ( 32 S). Cette proportion est exprimée sous la forme suivante : δ 34 S / = [ [( 34 E / 32 E) / ( 34 E R / 32 E R )] 1 ] 10 3 avec : E : échantillon examiné E R : échantillon de référence L échantillon de référence provient d une météorite qui s est écrasée sur Terre il y a à ans (l astroblème généré a 1280 m de diamètre pour 180 m de profondeur) dans ce qui est aujourd hui une plaine désertique à 15 km au Sud-Est de la localité de Canyon Diablo, dans l Arizona ; elle était du type sidérite octaèdrite et contenait 1% de soufre (site internet du Planétarium de Montréal). Malgré cette très faible proportion de soufre, elle est prise comme référence car elle constitue un vestige quasiment intact de la matière dont est issue la Terre. Du début de l ère primaire à nos jours, le δ 34 S a oscillé irrégulièrement entre + 10 et + 30 / dans les milieux marins mais ses fluctuations ont été synchrones à l échelle mondiale si bien qu il constitue en quelque sorte un «fossile» géochimique La composition isotopique du soufre du gypse lutétien TOULEMONT a examiné le δ 34 S de treize échantillons de gypse lutétien (tableau 1.6). Il néglige les trois valeurs les plus fortes (celles des sondages de Sevran II et Noisy-le-Grand qui, précisément, sont tirées de l article de BOSCH et al., 1974 utilisé au paragraphe ) ; il obtient ainsi une plage de variation du δ 34 S restreinte (19.20 /oo δ 34 S /oo) qui présente une valeur représentative (qualifiée de «centre de gravité») δ 34 S = /oo. Cette valeur est nettement plus faible que celles données par CLAYPOOL et al. (1980), à savoir 21 /oo δ 34 S 23 /oo, qu il considère être les valeurs de référence pour les gypses marins de première précipitation à l Eocène supérieur ; il en conclut que le δ 34 S prouve indubitablement que le gypse lutétien s est déposé en milieu continental.

39 35 Tableau 1.6 Composition isotopique du soufre des gypses lutétiens (d après TOULEMONT, 1987) Origine Profondeur (m) δ 34 S Sondage de Sevran I (93) Sondage de Sevran II (93) Sondage de Fresnes (94) Sondage d Alfortville (94) Sondage de Noisy-le-Grand (93) Milieu de dépôt du gypse des Sables de Beauchamp et du Calcaire de Saint-Ouen Le gypse des Sables de Beauchamp et du Calcaire de Saint-Ouen n a pas fait l objet d études aussi approfondies que celui des Marnes et Caillasses ou, ainsi que nous le verrons plus loin, que celui des Masses et Marnes du gypse. Nous nous bornerons donc à signaler que les Sables de Beauchamp sont marins et le Calcaire de Saint-Ouen laguno-lacustre (DIFFRE Ph. et POMEROL Ch., 1979) Milieu de dépôt du gypse des Masses et Marnes du gypse En 1974, l Association des Géologues du Bassin de Paris a organisé un colloque sur l origine du gypse des Masses et Marnes du gypse. Nous examinerons la manière dont, à ce colloque, la composition isotopique du soufre a été interprétée puis nous présenterons la synthèse présentée par les principaux intervenants.

40 Composition isotopique du soufre Le δ 34 S a été examiné, entre autres, par BOSCH et al. (1974) qui ont mesuré ce paramètre sur des échantillons provenant d un sondage réalisé à Quincy-sous-Sénart (91) et de la carrière de Cormeilles-en-Parisis (95). Tableau 1.7 Valeurs de δ 34 S dans le Ludien de l Ile de France (d après BOSCH et al., id.) Quincy Cormeilles Première Masse Seconde Masse Troisième Masse BOSCH et al. considèrent que dans les mers tertiaires δ 34 S était voisin de + 19, d où leur conclusion que la Première Masse est continentale et les deux suivantes marines. Ainsi, pour des valeurs du δ 34 S quasiment identiques dans les Seconde et Troisième Masses et dans le gypse lutétien, BOSCH et al. d un côté, TOULEMONT de l autre, aboutissent à des conclusions diamétralement opposées. De toute manière, qu il s agisse du gypse ludien ou antéludien, l interprétation de la composition isotopique du soufre demeure entachée d une incertitude fondamentale : une grande partie des gypses étant secondaire et provenant de la remobilisation des gypses triasiques (voir paragraphe 1.5.4), est-il toujours possible de distinguer ce qui revient à l héritage triasique et ce qui revient au milieu de dépôt éocène? Synthèse Les principaux intervenants au colloque ont résumé les différents arguments exposés sous forme d un tableau définissant la salinité du milieu (CARBONNIE et al., 1974). Tableau 1.8 Détermination schématique de la salinité du milieu à partir des principaux arguments exposés (d après CARBONNIE et al., id.) Salinité du milieu Première Masse Seconde et Troisième Masses Hypersalin Salinité normale Hyposalin Eau douce Faciès cristallographiques Trémies de sel Isotope 34 S Inclusions Géochimie du chlore et du brome Miliolidés Géochimie du bore Géochimie du strontium Isotope 34 S Géochimie du strontium Isotope 18 O Présence de mammifères avec squelettes intacts Présence de poissons d eau douce

41 37 De ce tableau il ressort que la Première Masse est continentale. Concernant les Seconde et Troisième Masses, il est plus difficile de conclure car une salinité normale ou forte n est pas nécessairement synonyme de milieu marin ; elle peut, par exemple, résulter simplement de l apport dans un lac des produits du lessivage d anciens dépôts marins Origine des sulfates La recherche de l origine des gypses antéludiens et ludiens nécessite de retracer succinctement l évolution de ce qui sera le Bassin Parisien depuis la fin du Paléozoïque jusqu à l Eocène Paléozoïque terminal La migration des continents au cours du Paléozoïque a conduit, au Permien, à la constitution d un continent unique, la Pangée, baigné par un océan universel, la Panthalassa (figure 1.7) Future Téthys Europe occidentale Equateur Fig. 1.7 La Pangée à la fin du Paléozoïque (d après POMEROL et al., 2003) ; on notera que l Europe occidentale se trouvait alors dans la zone équatoriale

42 Trias Au cours du Trias la Pangée commence à se fragmenter avec, entre autres, l ouverture d un nouvel océan, la Téthys, qui s insinue entre l Eurasie (qu elle repousse vers le Nord), et l Afrique (qu elle repousse vers le Sud) et qui, notamment, s étend à l emplacement des Alpes. Sur ces futures Alpes la sédimentation est néritique et constitue le Trias alpin. Dans l arrière-pays, qui est tantôt exondé, tantôt soumis à des transgressions pelliculaires venues de la Téthys, la sédimentation est continentale à laguno-marine ; elle constitue le Trias germanique traditionnellement divisé en trois ensembles : Le Trias supérieur, appelé Keuper (terme du dialecte des carriers allemands désignant des marnes), composé de marnes irisées riches en évaporites (les gisements de sel lorrain proviennent de cet étage) ; Trias moyen, appelé Muschelkalk (mot composé allemand signifiant littéralement «calcaire à moules» et souvent traduit par «calcaire coquillier»), composé principalement de calcaires ; Trias inférieur, appelé Buntsandstein (mot composé allemand signifiant «grès bigarré»), composé principalement de grès rougeâtres. Toute la moitié orientale du Bassin Parisien ainsi que les massifs anciens périphériques (hormis une partie des Ardennes) se trouve dans la zone de dépôt du Keuper (figure 1.8). La richesse du Keuper en évaporites peut s expliquer par deux facteurs : La faible épaisseur de la tranche d eau ; Le climat chaud et sec : l Europe occidentale, qui était en zone équatoriale au Permien, est progressivement repoussée vers le Nord par l ouverture de la Téthys et atteint des latitudes tropicales au Trias supérieur. Planche photographique 1.5 Niveau de gypse au sein du Keuper alsacien (GALL J.-C., 2005, p. 53) ; le gypse (en blanc) a 1 cm d épaisseur

43 39 ARDENNES MASSIF ARMORICAIN VOSGES FORÊT NOIRE MORVAN Extension supposée des faciès évaporitiques du Trias supérieur (Keuper) Zone d affleurement des terrains antétriasiques (Massifs anciens) Figure 1.8 Relations entre dépôts triasiques et massifs anciens dans le Bassin Parisien et les régions adjacentes (d après POMEROL Ch., 1980) Eocène Au cours de l Eocène débute le soulèvement du socle hercynien dans les régions correspondant aujourd hui aux Ardennes, aux Vosges, à la Forêt Noire tandis que s esquisse l individualisation du fossé rhénan (qui se développera pleinement à l Oligocène). La couverture sédimentaire mésozoïque de ce socle est ainsi soumise à l érosion et, notamment, le gypse et l anhydrite du Keuper. Ces évaporites vont être en grande partie transportées par des cours d eau dans le centre de l actuel Bassin Parisien où elles vont enrichir en sulfates les eaux des mers, lagunes et lacs. De fait, il existe des similitudes dans la géochimie des gypses parisiens et celle des gypses triasiques qui affleurent en Lorraine sur la bordure du Massif vosgien : par exemple, le rapport isotopique O 18 / O 16 et la teneur en bore (POMEROL et FEUGUEUR, 1986).

44 Comparaison entre le volume supposé des gypses éocènes et le volume supposé des gypses lessivés 40 Nous allons rechercher si le Keuper des massifs anciens bordiers a pu constituer la source principale des gypses triasiques ou bien s il est indispensable d envisager une autre alimentation conséquente. Estimation du volume du gypse dans le Keuper des massifs anciens Nous prendrons comme exemple les Vosges et leurs bordures. Nous avons évalué l emprise du Keuper érodé à partir de la carte géologique de la France au 1/ (fig. 1.7) en additionnant les deux surfaces suivantes : Surface d affleurement du socle antétriasique (que nous supposerons avoir été entièrement recouvert par les formations du Keuper) : km 2 environ ; Surface (dont la délimitation vers le Nord est nécessairement arbitraire) d affleurement du Buntsandstein et du Muschelkalk : km 2 environ. Il s ensuit une emprise de km 2.

45 N 41 SU B SAR SAV V Wintzenheim B L Waltenheim t3 : Keuper et Rhétien 0 50 km t2 : Muschelkalk t1 : Buntsandstein Zone d affleurement de t2 et t1 prise en compte pour l évaluation du Keuper érodé Zone d affleurement du socle antétriasique vosgien Légende complète en annexe A SU : Sarre-Union B : Bouxwiller SAR : Sarrebourg SAV : Saverne V : Vittel B : Bourbonne-les-Bains L : Luxeuil-les-Bains Figure Carte géologique des Vosges et des régions voisines (extrait de la carte géologique de la France à 1/ ). La carte montre quatre grands ensembles qui sont, d Ouest en Est : La Lorraine avec les couches sédimentaires jurassiques (bleu) puis triasiques (violet) ; Le socle vosgien antétriasique composé de formations paléozoïques magmatiques et métamorphiques (orangé, rose, rouge) et sédimentaires (marron, gris et vert) ; Le fossé rhénan avec son remplissage sédimentaire néogène (jaune) et quaternaire (blanc) ; La bordure occidentale du massif de la Forêt Noire, avec les mêmes terrains que le socle vosgien.

46 42 Concernant l épaisseur du gypse du Keuper, on peut se reporter aux coupes levées au XIX ème siècle dans les carrières qui étaient alors en exploitation ; c est ainsi que, dans son étude du département du Bas Rhin, DAUBREE A. (1852) donne les coupes des deux principales carrières exploitant ce gypse, situées dans la région des collines sous-vosgiennes : Wintzenheim (fig. 1.8) et Waltenheim (fig. 1.9). Dans la carrière de Wintzenheim, nous évaluons l épaisseur totale du gypse à : 2.00 m (100 % de la couche n 1) m (25 % de la couche n 4) Soit un total de 3.00 m Dans la carrière de Waltenheim (fig. 1.8), nous évaluons l épaisseur totale du gypse à : 9.60 m (100 % de la couche n 2) m (5 % de la couche n 3) m (100 % de la couche n 4) m (25 % de la couche n 5) Soit un total de m Le gypse présente donc de grandes variations d épaisseur et nous considérerons comme valeur représentative la moyenne arithmétique soit, en valeur arrondie, 8 m.

47 43 Figure Coupe de la carrière de gypse de Wintzenheim, de bas en haut (A. DAUBREE, 1852, p. 128) Figure Coupe de la carrière de gypse de Waltenheim, de bas en haut (A. DAUBREE, 1852, p. 129)

48 Il est intéressant de comparer cette valeur moyenne de 8 m à l épaisseur du Keuper ; celui-ci a une épaisseur variable (tableau 1.8) : plusieurs centaines de mètres au Nord des Vosges avant érosion (cartes de Sarrebourg, Sarre-Union et Château-Salins) et fréquemment de m à l Ouest (cartes de Bouxwiller, Saverne, Vittel, Bourbonne-les-Bains et Luxeuil-les-Bains). Par rapport à cet ordre de grandeur minimal de m, la valeur de 8 m représente 6 à 7%, ce qui est très faible ; elle est donc probablement plutôt sous-évaluée que surévaluée. Il s ensuit un volume total de gypse disponible de km 2 x km = 52 km Tableau 1.9 Epaisseur du Keuper selon les notices de différentes cartes géologiques à 1/ Il s agit (sauf pour la notice de la carte de Sarrebourg), de l épaisseur totale puisque la couche sus-jacente (Rhétien) est conservée sur tout ou partie du Keuper. Les villes éponymes des cartes sont indiquées sur la figure 1.7. Source Notice de la carte géologique de Bouxwiller à 1/ (MENILLET et al., 1980) Notice de la carte géologique de Saverne à 1/ (MENILLET et al., 1980) Notice de la carte géologique de Sarrebourg à 1/ (GUILLAUME et LIMASSET, 1968) Notice de la carte géologique de Vittel à 1/ (MINOUX G., 1962) Notice de la carte géologique de Bourbonne-les-Bains à 1/ (MAUBEUGE P.-L. 1982) Notice de la carte géologique de Luxeuil-les-Bains au 1/ (THEOBALD N., 1968) Epaisseur du Keuper (et information sur sa dénomination ancienne) Le Keuper a une puissance de 130 à 140 m Le Keuper a une puissance de 130 à 140 m Un forage a traversé 135 m de Keuper inférieur ; celui-ci a une puissance totale de 240 m sur les feuilles voisines de Sarre-Union et Château-Salins. Le Keuper inférieur était dénommé «Salz und Gipskeuper» (= marnes irisées salifères et gypsifères) sur la carte géologique d Alsace et de Lorraine à 1/ (carte éditée avant 1914, lorsque l Alsace et une partie de la Lorraine étaient allemandes) Le Keuper a une puissance de 120 à 130 m Le Keuper a une puissance de 120 m Le Keuper a une puissance de 90 m à 150 m

49 45 Estimation du volume des gypses éocènes Cette estimation sera faite uniquement en étudiant le gypse lutétien et le gypse ludien ; en effet, les autres gypses représentent en regard des volumes très faibles. Pour le gypse lutétien, l aire de sédimentation est de l ordre de km 2 (fig. 1.9) et l épaisseur représentative de 8 m (estimation par nous-mêmes). Pour le gypse ludien, ces chiffres sont respectivement de km 2 et 10 m. Limite d extension supposée des Masses et Marnes du gypse Limite d extension supposée des Marnes et Caillasses gypseuses Figure Extension supposée des gypses éocènes d après Cl. MEGNIEN (1980) Il s ensuit un volume total de gypse de : (1 500 km 2 x km) + (4 000 km 2 x 0.01 km) = 52 km 3

50 46 Synthèse Il faut considérer les volumes estimés comme de simples ordres de grandeur ; ils reposent en effet sur des simplifications inévitables (dans la délimitation des zones de sédimentation, dans la fixation des épaisseurs moyennes de gypse, dans la non prise en compte de l anhydrite présente dans le Keuper en plus du gypse, ). La concordance de ces ordres de grandeur montre que, du point de vue des volumes en jeu, l hypothèse que les gypses triasiques aient constitué la source principale des gypses éocènes est effectivement plausible. 1.6 LES NAPPES Principales nappes La craie est presque partout masquée par les formations tertiaires ; parmi celles-ci, seules l Argile plastique (Yprésien) et l Argile verte/glaises à Cyrènes (Sannoisien) sont très aquifuges, «les autres roches constituent des réservoirs aquifères dont les caractéristiques varient au gré des changements de faciès» (DIFFRE et POMEROL, 1979). Ce que l on nomme nappe phréatique n est autre que le premier niveau d eau à surface libre que l on rencontre en forage, quel que soit l aquifère auquel il se rapporte. La figure 1.8 indique les aquifères susceptibles d être rencontrés en région parisienne ; les formations tertiaires ont été représentées en distinguant quatre niveaux de perméabilité qui sont, de la plus faible à la plus forte : Les formations très aquifuges (quasiment imperméables), exclusivement argileuses et qui sont l Argile verte/glaises à Cyrènes et l Argile plastique déjà citées ; Les formations aquifuges, à dominante marneuse ou argilo-marneuse, qui sont : Les Marnes à Huîtres, Les Marnes d Argenteuil, Les marnes séparant les différentes Masses de gypse, L écran médian des Sables de Beauchamp (voir 1.3.3).

51 Les formations à perméabilité d interstices (formations au sein desquelles l eau circule dans des pores interconnectés), à dominante sableuse : 47 Sables de Fontainebleau, Sables de Monceau, Sables de Beauchamp supérieurs et inférieurs, Sables yprésiens. Les formations à perméabilité de fissures (formations au sein desquelles l eau circule dans un réseau de fissures ou de fractures ouvertes que, très souvent, elle contribue elle-même à développer par dissolution), à dominante calcaire, calcaro-marneuse ou gypseuse : Calcaire de Brie, Marnes de Pantin (qui sont plutôt calcaro-marneuses alors que les Marnes d Argenteuil sous-jacentes sont plutôt argilo-marneuses), Masses gypseuses, Calcaire de Saint-Ouen, Marnes et Caillasses, Calcaire grossier.

52 48 Sables de Fontainebleau Nappe perchée libre du Fontainebleau Marnes à Huîtres V Calcaire de Brie V Nappe perchée libre du Brie Buttes-témoins et Hurepoix Plateaux et vallées Argile verte, Glaises à Cyrènes Marnes de Pantin Marnes d Argenteuil 1 ère Masse Marnes à Fers de Lance 2 ème Masse Marnes à Lucines 3 ème Masse Marnes à Pholadomies 4 ème Masse Sables de Monceau Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp «supérieurs» «Ecran médian» Sables de Beauchamp «inférieurs» Marnes et Caillasses Calcaire grossier Sables yprésiens Argile plastique V V V V V V V V V V V V V V V Nappe perchée en charge du Pantin Nappe de coteau des Masses et Marnes du gypse Nappe du Saint-Ouen Nappe du Lutétien Nappe captive de l Yprésien Gypse antéludien Gypse ludien Formation très aquifuge Formation aquifuge Formation à perméabilité d interstices Formation à perméabilité de fissures V Formation gypsifère (ou susceptible de l être) Figure 1.13 Les principaux aquifères de la région parisienne (d après FOUCHE et al., 2007, et VERNOUX et al., 2007)

53 Contexte hydrogéologique du gypse antéludien (plateaux et vallées) Le Calcaire de Saint-Ouen et la partie supérieure des Sables de Beauchamp peuvent être aquifères ; ils constituent alors la nappe dite du Saint-Ouen qui a pour mur l écran médian. La partie inférieure des Sables de Beauchamp ainsi que les Marnes et Caillasses peuvent également contenir une nappe, dite du Lutétien. Cette nappe est séparée de la nappe captive de l Yprésien par le Calcaire grossier. Ce dernier, de par son caractère généralement massif et peu fissuré (sauf dans sa partie basale, sableuse faciès transgressif-) limite en effet les échanges entre la nappe du Lutétien et celle de l Yprésien. Mais il ne constitue en aucun cas un mur imperméable ; il est même parfois lui-même aquifère sur une partie de sa hauteur Contexte hydrogéologique du gypse ludien (buttes-témoins et Hurepoix) Le gypse ludien est le siège d une nappe de coteau alimentée essentiellement par les eaux s infiltrant sur les versants (à travers le manteau de Colluvions) ; ces eaux ont deux origines principales : La vidange sur les versants des nappes perchées susceptibles de baigner les formations supérieures (nappes perchées libres du Fontainebleau et du Brie, nappe perchée en charge du Pantin) ; L infiltration directe des eaux météoriques Bilan : la notion de nappe en milieu gypseux Dans une formation carbonatée (calcaire, dolomie) ou saline (gypse et, parfois, sel gemme), il y a formation d un karst lorsque l eau peut circuler à l intérieur du massif par des vides (diaclases, failles, joints de stratification) dont elle fait évoluer la morphologie par le jeu combiné de la dissolution et du colmatage ; cette eau rejoint un niveau de base correspondant souvent à la base de la formation. Le gypse ludien n obéit pas à ce schéma puisque la circulation de l eau est cantonnée à la périphérie ; le karst est, au sens propre comme au sens figuré, marginal.

54 Cette indigence des circulations dans le cœur du massif est prouvée par le fait que le gypse ludien a été intensément exploité. Dans le cas contraire il eût été de mauvaise qualité (corrodé par l eau) et son extraction eût nécessité la mise en oeuvre de moyens spécifiques (pompages, rabattements) qui auraient constitué des obstacles techniques et financiers au développement des carrières. En revanche, la circulation des eaux dans le gypse antéludien présente des analogies avec le système karstique : les nappes du Saint-Ouen et du Lutétien, très étendues, constituent chacune le niveau de base (fluctuant dans le temps et l espace) que rejoignent les eaux qui ont circulé à travers les vides des couches gypsifères surincombantes. Qu il s agisse du gypse antéludien ou du gypse ludien, les formes créées par la dissolution sont nombreuses ; le chapitre suivant en fournira quelques exemples particulièrement significatifs avant d examiner le processus de cette dissolution. 50

55 CHAPITRE 2 : LE PROCESSUS DE KARSTIFICATION 51

56 LES FORMES DU KARST GYPSEUX Généralités Variété des formes Actions anthropiques Les effets de la dissolution sont variés : ils vont du simple élargissement d une diaclase jusqu à la création de vides de plusieurs milliers de m 3. Dans la genèse de ces vides peuvent se combiner des phénomènes purement naturels et des actions anthropiques telles que : L accélération de l écoulement de la nappe lors d un rabattement (à l occasion de travaux souterrains par exemple) ou d un pompage industriel ; Le creusement d une galerie approchant ou recoupant une cavité proche de l état critique de stabilité. Lorsqu un vide se développe, il tend à fragiliser les bancs surincombants ; lorsque ces bancs finissent par s effondrer et que la cavité engendrée atteint la surface, l effondrement peut être qualifié de «fontis». Les fontis ont fréquemment une forme en entonnoir (figure 2.1). fontis Figure 2.1 Vide de dissolution ayant évolué en fontis (VERNOUX et al., 2007) ; le tireté rouge souligne la forme en entonnoir du fontis.

57 53 La vitesse d évolution d un vide en fontis est très variable car elle dépend de nombreux paramètres : Caractéristiques du niveau gypseux dont la dissolution est à l origine du phénomène : s agit-il d une simple lentille ou d un banc épais et étendu? Quel est son degré de fracturation? S agit-il d un gypse pur ou impur? Caractéristiques des eaux dissolvantes (débit, composition chimique, température, ) ; Caractéristiques des terrains de recouvrement (lithologie, fracturation, ). Des observations ont été faites sur la vitesse de formation des fontis dans le massif de l Hautil (massif situé entre la vallée de la Seine et la ville nouvelle de Cergy-Pontoise) ; il s agit de fontis provenant de l effondrement du recouvrement d anciennes carrières de gypse ludien, et non de la seule dissolution La formation des fontis dans le massif de l Hautil Le gypse ludien a été intensément exploité dans le massif de l Hautil puisque l emprise des anciennes carrières est d environ 800 ha. La hauteur exploitée était de 7 à 8 m, et le recouvrement avait une épaisseur de l ordre de 60 à 70 m ; il se composait de 20 m environ de terrains à dominante argilo-marneuse surmontés de 40 à 50 m de Sables de Fontainebleau (tableau 2.1). Tableau Coupe-type du sol au droit des anciennes carrières de gypse du massif de l Hautil (d après les données de la notice de la carte géologique de Pontoise à 1/ : FEUGUEUR L., 1967) Recouvrement Horizons Sables de Fontainebleau Calcaire de Sannois * Argile verte * Marnes supragypseuses Gypse Banc de ciel Carrière Epaisseur 40 à 50 m 10 à 15 m 7 m 2 m 0.5 à 1.0 m 7 à 8 m * : formations que POTHERAT et MAIRE (dans l étude citée page suivante) n ont pas distinguées des Marnes supragypseuses dans un souci de simplification

58 54 Les observations suivantes ont été faites sur la durée nécessaire à la venue à jour des fontis consécutifs à la chute du ciel (le ciel est le banc rocheux résistant constituant le plafond d une carrière) : «Des ciels tombés, signalés au début des années 50, ont mis plus de 40 ans à percer les deux mètres de la dalle de gypse et seulement trois mois pour traverser les Marnes supragypseuses puis les Sables de Fontainebleau et arriver au jour» (POTHERAT P. et MAIRE J.-L., 2005, p. 101). On en déduit que, entre le moment où il a été constaté que les bancs sommitaux du gypse étaient effondrés et celui où, 60 à 70 m plus haut, les fontis sont venus à jour, il ne s est écoulé que 3 mois! Cette vitesse de remontée des désordres, très élevée, peut s expliquer par plusieurs facteurs : o o o Il est probable que, dès l époque du creusement des carrières, a débuté une lente déstabilisation du recouvrement, sous forme de petits mouvements de tassement accompagnés d un accroissement de la fissuration (favorisant lui-même les infiltrations d eau en provenance de la nappe qui baigne les Sables de Fontainebleau, infiltrations qui, à leur tour, accentuaient la déstabilisation) ; La carrière devait être totalement vide (dans la zone visitée) si bien que, étant donnée sa hauteur importante (7 à 8 m), le foisonnement des terrains effondrés n était pas suffisant pour entraver rapidement la remontée des effondrements ; Dès lors que la zone effondrée avait atteint la base des Sables de Fontainebleau, il est probable que sa progression a été excessivement rapide ; les Sables de Fontainebleau sont en effet un terrain purement frottant (sables fins non argileux) susceptibles de «couler» à l image de ce qui se produit dans un sablier. Cet exemple de la butte de l Hautil montre que, même si le phénomène qui est à l origine d un fontis peut être très ancien (creusement de la carrière en l occurrence), la phase finale qui fait passer de l état de stabilité apparente de la presque totalité du recouvrement à l apparition du fontis peut être excessivement rapide et ceci, dans un contexte de recouvrement très épais.

59 Quelques exemples de formes karstiques Gypse antéludien Le tableau 2.2 donne quelques exemples de désordres particulièrement importants liés à la dissolution du gypse antéludien, apparus au cours du XX ème siècle, ainsi que des indications sur le volume des vides ou de celui des matériaux mis en œuvre pour le comblement. Ces exemples sont plus nombreux avant les années 1980 que postérieurement ; ceci reflète la réalité : depuis les années 1980 la fréquence des effondrements est moindre (LABOURGUIGNE J., 2009). Tableau 2.2 Exemples de désordres liés à la dissolution du gypse antéludien (DIFFRE et POMEROL, 1979 ; LABOURGUIGNE J., op. cit.; OBERT D., 2009) Date de venue à jour ou de découverte Localisation Commentaires 1903 Limite Sevran et Aulnay-sous- Bois (93) Ferme de Fontenay Le volume du vide aurait dépassé 400 m 3 17 novembre 1960 Novembre 1963 Aubervilliers (93) 156, rue Danièle Casanova Planche photographique 2.1 Sevran (93) Rue des Ramiers Le fontis, d un volume de m 3 (hauteur : 15 m, diamètre maximal : 15 m), a été initi par la dissolution de bancs de gypse épais de plusieurs mètres contenus dans le Calcaire de Saint-Ouen. Le comblement nécessita m 3 de matériaux 1969 Paris 18 ème Porte de la Chapelle Février 1970 Sevran (93) Quartier des Primevères 1975 Paris 10 ème Gare du Nord Planche photographique 2.2 Le fontis a été initié par la dissolution du gypse des Marnes et Caillasses ; il est comblé par m 3 de coulis. Le volume des vides atteignait 500 m 3 La cavité a une hauteur de 15 m ; son toit se situe à 15 m sous les voies de départ du Paris-Bruxelles ; elle a été initiée par la dissolution du gypse des Marnes et Caillasses et a progressé dans les Sables de Beauchamp vraisemblablement à la faveur de la remontée de la nappe qui est ici émergente et alimente un lac souterrain profond de 6 m ; cette cavité a été comblée par m 3 de coulis.

60 Paris 17 ème Porte Pouchet 1994 Paris 18 ème Place de la Chapelle Le fontis a été initié par la dissolution du gypse des Marnes et Caillasses ; il est comblé par 400 m 3 de coulis. Le fontis a été initié par la dissolution du gypse des Marnes et Caillasses ; il est comblé par 600 m 3 de coulis. 22 décembre 1995 (5h du matin) Paris 9 ème 4, rue Papillon Planches photographiques 2.3 et 2.4 Le sol du café (avec tout le mobilier) et une partie de la cour disparaissent dans une excavation profonde de plusieurs mètres. Ce sinistre provient du recoupement d un karst dans les Marnes et Caillasses par le tunnelier qui creuse le second tunnel EOLE en direction de la gare Saint- Lazare Le dernier fontis (rue Papillon) provient de la conjonction de plusieurs facteurs (OBERT D., 2009) : La fragilisation des Sables de Beauchamp, largement antérieure aux travaux ; en effet existait autrefois un puits s inscrivant en tout ou partie dans les Sables de Beauchamp ; les parois de ce puits ont fini par s effondrer entraînant le déversement dans le puits des sables encaissants ; ce phénomène est qualifié de vidange par fluage par OBERT : «au XVII è siècle s étendait à cet endroit un vaste jardin attenant au pavillon natal de Charles-Henri SANSON (le futur bourreau de Louis XVI) ( ). Dans ce jardin, à l emplacement de l effondrement de 1995, un puits avait été percé. Ce puits a affaibli la résistance du terrain en vidangeant, par fluage, les Sables de Beauchamp avant de s autocolmater» ; L existence d un vide important dû à la dissolution du gypse, préexistant aux travaux ; Le développement de ce vide par accélération artificielle de la dissolution, lors des travaux, par le biais des pompages.

61 Planche photographique 2.1 Fontis à Aubervilliers (cliché Henrot in DIFFRE et POMEROL, 1979) ; la photo montre la paroi Sud-Ouest et surface supérieure du fontis ; le Calcaire de Saint- Ouen constitue la presque totalité de cette paroi ; le personnage sous la flèche donne l échelle ; on remarque que le fontis a plutôt une forme en cône qu en cratère. 57

62 58 Planche photographique 2.2 Cavité de dissolution sous la gare du Nord (cliché SOLETANCHE); le personnage au bord du lac donne l échelle ; la cavité n ayant pas atteint la surface ne peut être qualifiée de fontis.

63 59 Café Fontis Planche photographique 2.3 Immeuble sinistré rue Papillon ; vue du fontis (cliché OBERT D., 2009) Planche photographique 2.4 Immeuble sinistré rue Papillon ; vue d ensemble pendant les travaux d injection (cliché SNCF)

64 60 Bagnolet (93) Gypse ludien La planche photographique 2.5 montre les désordres en surface dus à l effondrement d un karst dans la Première Masse de gypse dans le chantier du central téléphonique de Bagnolet. Compartiment effondré Planche photographique Effondrement d un karst dans le chantier du Central téléphonique de Bagnolet ; on notera un basculement des couches sur le compartiment effondré (cliché LREP, in Les Roches au service de l homme, 1989)

65 61 Paris 19 ème Les photos suivantes (planches 2.6 et 2.7) montrent un fontis découvert en août 2007 à Paris 19 ème (angle rue du Général Brunet / bd Serrurier), dans une galerie technique lors de l inspection d une canalisation de la Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain. Cette canalisation était «fuyarde» ; l eau se déversait dans une cavité d un diamètre de 1 m environ pour une profondeur de 7 à 8 m. En partie inférieure de la cavité d autres venues d eau étaient visibles. L origine de cette cavité n est pas encore déterminée (opérations d expertise en cours) : l eau provenant de la canalisation est-elle le facteur générateur principal? A-t-elle ajouté ses effets à ceux des autres circulations observées? Ne s agit-il pas d un vide fossile réactivé? Planche photographique 2.6 Paris 19 ème : canalisation «fuyarde» et cavité sous-jacente (cliché IGC)

66 62 Haut Bas 1 m env. Planche photographique 2.7 Paris 19 ème : détail de la cavité (cliché IGC) ; on notera l aspect rubané des parois (gypse 1 ère Masse pour l essentiel) Paris : périphérie de la couverture des buttes-témoins SOYER (1953, p. 206) indique que «sur le bord des versants, la Haute Masse a subi des dissolutions importantes ; elle est souvent perforée par des puits verticaux, et par des entonnoirs en relation avec des fissures».

67 LES ASPECTS PHYSICO-CHIMIQUES DE LA DISSOLUTION Définition La dissolution (mise en solution) consiste en la décomposition totale d un minéral en ses ions constitutifs dans l eau ; elle se différencie en cela de l hydrolyse qui est une décomposition partielle avec maintien d une phase insoluble. Si l eau ne circule pas, elle finit par se saturer et la dissolution s arrête ; mais si l eau circule, il y a entraînement des ions mis en solution (phénomène dit de lessivage) et arrivée d une nouvelle eau non saturée qui va poursuivre le phénomène Description La dissolution du gypse correspond à deux phénomènes : 1 ) Une réaction de dissociation : CaSO 4, 2H 2 O Ca 2+ + SO H 2 O 2 ) Une réaction d association : Certains ions libres Ca et SO 4 anhydritique : se recombinent pour constituer un complexe ionique Ca 2+ + SO 4 2- CaSO 4 0 La part de ce complexe ionique CaSO 4 0 est importante puisqu il représente le tiers du produit de dissolution (tableau 2.3) : Tableau 2.3 Répartition respective moyenne des ions libres et du complexe ionique dans le produit de dissolution du gypse dans l eau pure saturée à 25 (d après TOULEMONT, 1987, p. 155, et cours en ligne de l Institut Agronomique et Vétérinaire Hassan II sur les équilibres chimiques dans le sol, p. 9) En mm/l (1) En g/l Ca 2+ et SO 4 2- CaSO Total (1) : M = mole ; une mole contient 6.02 x atomes

68 Principaux facteurs conditionnant la dissolution Perméabilité Le coefficient de perméabilité du gypse ludien sain est k > 10-5 m/s (LREP, 2007). Cette valeur montre une perméabilité qui peut être qualifiée de moyenne, comparable, par exemple, à celle d un sable très fin. Mais il s agit d une perméabilité en petit ; or la dissolution est conditionnée aussi par la perméabilité en grand, liée aux fissures dans lesquelles circule l eau (voir paragraphe 1.6.1), perméabilité qui peut être très forte Vitesse de circulation de l eau La vitesse de circulation de l eau, liée au gradient hydraulique et à la perméabilité, conditionne la poursuite ou l arrêt du phénomène (voir paragraphe 2.2.1) Température de l eau La solubilité du gypse dans l eau pure croît avec la température jusqu à 40, où elle atteint son maximum (2.7 g/l) et décroît ensuite ; le tableau 2.4 donne les valeurs seuil : Tableau 2.4 Solubilité du gypse dans l eau pure en fonction de la température (d après TOULEMONT, 1987, p. 156) Température (en C) CaSO 4, 2H 2 O (en g/l) On remarque que la solubilité du gypse est faible comparativement à une autre grande évaporite, le sel gemme (halite), dont la concentration peut atteindre 350 g/l (POMEROL et al., 2003, p. 594) mais forte par rapport à celle du calcaire dont la concentration est «seulement» de 0.2 g/l dans une eau à 0 C chargée de dioxyde de carbone (id., p. 407).

69 Degré de fracturation Les discontinuités, qu elles soient d ordre structural (diaclases, failles) ou stratigraphiques (joints de stratification), facilitent la pénétration de l eau. Généralement le phénomène se poursuit par autocatalyse, la dissolution favorisant l épanouissement des discontinuités. Il convient cependant de signaler que l on observe parfois un arrêt du phénomène, suite à un autocolmatage des discontinuités. 2.3 LA DISSOLUTION AU PLIO-QUATERNAIRE La dissolution naturelle a débuté dès la fin du dépôt des couches concernées pour se poursuivre jusqu à nos jours, mais a dû connaître une accentuation au Pliocène et au Quaternaire (DIFFRE et POMEROL, 1977, p ) : A la fin du Pliocène et tout au long du Quaternaire, soit pendant 3 millions d années environ, le Bassin de Paris connaît un mouvement d épirogénèse dissymétrique avec un soulèvement de 200 à 300 m à l Est et de 100 à 200 m vers l Ouest ; il s ensuit un abaissement du niveau de base qui amène une dissection importante du relief avec, en région parisienne, le dégagement de plusieurs plates-formes substructurales précédées de buttes-témoins ; Au Quaternaire récent, lors des dernières glaciations, le niveau de la mer s est abaissé d une centaine de mètres, d où un enfoncement des vallées de près de 30 m en région parisienne, une accentuation de l érosion et un drainage plus actif des plateaux et des buttes. La substitution du gypse (paragraphe p. 31) pourrait dater du Quaternaire récent. D après SOYER (op. cit.), elle serait en effet en rapport avec le niveau de la Seine correspondant à la terrasse NGF (à titre de comparaison, la retenue normale de la Seine à Paris intramuros est de NGF) ; elle proviendrait de l intervention de bactéries sulfureuses ou d algues qui auraient décomposé le sulfate de calcium en s entourant d une gaine de carbonate ou de silice.

70 LA DISSOLUTION A L EPOQUE HISTORIQUE La dissolution à l époque historique est liée en grande partie aux fluctuations du niveau des nappes La période Evolution du niveau des nappes Entre les années 1860 et 1970 il y a eu presque partout un abaissement des niveaux de la nappe libre. Le tableau 2.5, qui compare les niveaux de 1854 et ceux de , montre que cet abaissement a été important ( 4 m dans 5 cas sur 8) : Tableau 2.5 Abaissement des niveaux de la nappe libre (d après DIFFRE, 1970). Les niveaux de 1854 sont ceux relevés par DELESSE (cet auteur a étudié l hydrologie de Paris et fait paraître une «Carte hydrologique du Département de la Seine» avec isopièzes en 1862 qui constitue une référence) Niveaux en 1854 (NGF) Niveaux en (NGF) Différence (m) Gare Saint-Lazare Etoile Porte Saint-Denis Bastille Gare Montparnasse Ecole militaire Luxembourg Gennevilliers

71 Les précipitations enregistrées à Paris durant cette période (figure 2.2) ne montrent aucune tendance globale à la diminution qui pourrait expliquer l abaissement des niveaux des nappes. Les précipitations ont connu en effet une évolution plutôt cyclique : Baisse de 1880 à 1900 environ ; Hausse de 1900 à 1940 ; Baisse de 1940 à 1960 environ ; Légère remontée puis stabilisation de 1960 à fin des années mm Cumuls bruts Courbe médiane Droite de régression Figure 2.2 Evolution des cumuls de précipitations mensuelles à la station Météo-France de Paris-Montsouris de 1870 à 2000 (site internet Météo-France)

72 68 L abaissement des nappes est essentiellement lié à l activité humaine : Les pompages industriels : même si la première nappe «victime» de ces pompages a été la nappe de l Yprésien, car peu minéralisée et peu polluée, les autres aquifères ont été mis à contribution ; La réduction des surfaces d infiltration : avec le développement de l urbanisation, les surfaces revêtues se sont considérablement accrues empêchant l infiltration directe des eaux de pluie qui, dans le même temps, étaient recueillies pour, in fine, être rejetées en Seine ou dans des champs d épandage (Achères) ; Les exhaures dus aux grands chantiers : «entre 1965 et 1977, le débit moyen total dû aux différents chantiers temporaires dans Paris intra-muros a été estimé à 500 m 3 /h, soit environ 5 millions de m 3 /an en moyenne avec un maximum en 1971 de 7 millions de m3 ( ) et un minimum de 2 millions de m 3 en 1977» (PRUNIER- LEPARMENTIER, 1988) ; Le drainage permanent dans les ouvrages existants (métro, RER, parkings, ) : ainsi, pour la seule année 1982, le volume rejeté dans les égouts par la RATP atteignait 5 millions de m 3 (PRUNIER LEPARMENTIER, id.). Les pompages (toutes origines confondues) ont été tels que, dans le Nord-Est de Paris et la Seine-Saint-Denis, la nappe du Lutétien, qui s écoulait normalement vers le Sud (en direction de la Seine et de la Marne) a vu s inverser son sens d écoulement (LABOURGUIGNE J., 2009) Impact sur la dissolution Ces pompages, quelle qu en soit l origine, ont provoqué une accélération de la circulation des eaux, d où une intensification de la dissolution.

73 De 1970 à nos jours Données brutes sur le niveau des nappes Nous étudierons les données fournies par 15 piézomètres implantés dans Paris et dans le département de la Seine-Saint-Denis (fig. 2.3) : Pour Paris intramuros, il s agit de 7 piézomètres appartenant au réseau de l Inspection Générale des Carrières qui nous a aimablement communiqué les données ; Pour la Seine-Saint-Denis, ce sont 8 piézomètres étudiés par FOUCHE et HIRSCHAUER (2007). Aubervilliers Bobigny 42, 43, , Fig. 2.3 Localisation des piézomètres Le tableau 2.6 fournit les caractéristiques de ces piézomètres et les figures 2.4 à 2.8 leurs courbes évolutives.

74 70 Tableau 2.6 Caractéristiques des piézomètres analysés Origine Réf. Implantation Formations testées Cote (2) Prof. (m) Inspection Générale des Carrières (1) 10 Square Louvois 2 ème arr. 9 Square Louis XVI 8 ème arr. 42 Square Rodin 1 18 ème arr. 43 Square Rodin 2 18 ème arr. 44 Square Rodin 3 18 ème arr. 179 Porte d Aubervilliers 1 18 ème arr. 180 Porte d Aubervilliers 2 18 ème arr. CG / MC MC SB / CSO MC YPR CSO CG / MC FOUCHE O. et HIRSCHAUER A., 2007 Aubervilliers Bobigny Ouvrage Pantin-La Briche (ensemble de 5 piézomètres) A86 (ensemble de 3 piézomètres) CSO CSO (1) : les n indiqués sont les références IGC (2) cote de la tête du piézomètre (système orthométrique) SB : Sables de Beauchamp CSO : Calcaire de Saint-Ouen MC : Marnes et Caillasses CG : Calcaire grossier YPR : Yprésien

75 71 courbe évolutive piézomètrique nov-78 nov-79 nov-80 nov-81 nov-82 nov-83 nov-84 nov-85 nov-86 nov-87 nov-88 nov-89 nov-90 nov-91 nov-92 nov-93 nov-94 nov-95 nov-96 nov-97 nov-98 nov-99 courbe évolutive piézomètrique janv-96 août- mai-98 déc-98 juil-99 févr-00 nov-01 juin-02 janv-03 mars- oct-97 septavr-01 août- mai-05 déc-05 juil-06 févr-07 mars- oct-04 septavr-08 Figure 2.4 Evolution des niveaux piézométriques dans les piézomètres 9 et 10 (voir tableau 2.6) pendant la période (en haut) et (en bas) d après les données aimablement communiquées par l IGC

76 72 cotes NGF VdP 33 courbe évolutive piézomètrique mai-89 mai-90 mai-91 mai-92 mai-93 mai-94 mai-95 mai-96 mai-97 mai-98 mai-99 mai-00 mai-01 mai-02 mai-03 mai-04 mai-05 mai-06 mai-07 mai-08 Figure 2.5 Evolution des niveaux piézométriques dans les piézomètres 42, 43 et 44 (voir tableau 2.6) de mai 1989 à mai 2008 d après les données aimablement communiquées par l IGC 33 cotes NGF VdP courbe évolutive piézomètrique nov-90 sept-91 juil-92 mai-93 mars-94 janv-95 nov-95 sept-96 juil-97 mai-98 mars-99 janv-00 nov-00 sept-01 juil-02 mai-03 mars-04 janv-05 nov-05 sept-06 juil-07 mai-08 Figure 2.6 Evolution des niveaux piézométriques dans les piézomètres 179 et 180 (voir tableau 2.6) de novembre 1990 à mai 2008 d après les données aimablement communiquées par l IGC

77 73 Figure 2.7 Evolution des niveaux piézométriques à Aubervilliers de 1994 à 2001 d après FOUCHE et HIRSCHAUER (2007) Figure 2.8 Evolution des niveaux piézométriques à Bobigny de 1973 à 2001 d après FOUCHE et HIRSCHAUER (2007)

78 74 Figure 2.9 Histogramme des cumuls de précipitations annuelles de la station Météo-France de l aéroport du Bourget de 1977 à 2005 d après FOUCHE et HIRSCHAUER (2007) Synthèse sur l évolution du niveau des nappes Comme pour la période précédente, les précipitations n ont pas connu une évolution univoque ; en prenant, à titre d exemple, la station Météo-France de l aéroport du Bourget (figure 2.9), on observe une alternance de hausse et de baisse. Parmi les hausses, celle de mérite une attention particulière puisque les pluies, «excédentaires de 50% environ par rapport à la moyenne ont permis d enregistrer des niveaux d eau jamais atteints dans les chroniques» (FOUCHE O. et HIRSCHAUER A., op. cit.). Cette pluviométrie centenaire se lira sur certains des piézomètres étudiés. Piézomètres 9 et 10 (figure 2.4) Entre 2003 et 2008 les niveaux sont stationnaires et comparables à ceux de la période ; sur le moyen terme, les niveaux sont donc constants ; Deux baisses sont visibles, plus marquées au demeurant pour le piézomètre 9 que pour le 10 : La première est due aux pompages lors des travaux de la ligne Météor ( pour le n 10 et pour le n 9) La seconde est due aux pompages lors des travaux de la ligne Eole ( )

79 75 Piézomètres 42, 43 et 44 (figure 2.5) Les 3 nappes ont une évolution quasiment parallèle ; Sur le moyen terme, les niveaux restent à peu près constants, puisque les niveaux atteints depuis 2003 rejoignent ceux des années antérieures à 1993 ; L influence de Météor est bien visible sur la nappe du Cuisien (de 1994 à 1996) alors qu elle ne l est quasiment pas sur les nappes supérieures. Piézomètres 179 et 180 (figure 2.6) Bien que les données comportent de nombreux «trous» avant 1999, on observe une remontée spectaculaire des nappes entre 1994 et 2000 qui reflète la diminution des prélèvements dans le département limitrophe de Seine-Saint-Denis ; Ensuite, après un pic autour de 2001, lié à la pluviométrie exceptionnelle, la tendance est à la stabilisation. Piézomètres d Aubervilliers (figure 2.7) Les niveaux s élèvent sur la période étudiée avec des «sommets» vers 2000 et 2001; ceci traduit deux phénomènes : Un phénomène qui agit sur le moyen terme : la diminution progressive des pompages industriels ; Une pluviométrie exceptionnelle. Piézomètres de Bobigny (figure 2.8) La tendance globale est à la remontée ; dans le détail, les auteurs mettent en relation les fluctuations des niveaux avec des facteurs tantôt humains tantôt climatiques : La remontée spectaculaire entre 1973 et 1985 (5 m) est due à l abandon des activités industrielles et maraîchères ; La baisse marquée autour de 1993 est la conséquence de plusieurs années sèches ; La remontée récente exprime la forte pluviométrie avec, comme pour Aubervilliers, un niveau historique en 2001.

80 Impact sur la dissolution Dans la Seine-Saint-Denis et dans l extrême Nord de Paris (au Nord de la Butte Montmartre), les nappes ont monté globalement de plusieurs mètres : 6 m observés entre 1994 et 2001 aux piézomètres 179 et 180 (Porte d Aubervilliers) ; 3 m observés entre 1994 et 2001 à Aubervilliers ; 7 à 8 m observés entre 1973 et 2001 à Bobigny. L impact de cette remontée est difficile à apprécier pour deux raisons essentielles : Nous ignorons si les eaux sont ou non déjà saturées en sulfates ; Parfois (et peut-être souvent?), les nappes, en remontant, n ont fait que retrouver leurs niveaux antérieurs, proches de ceux que DELESSE avait observés au milieu du XIX ème siècle ; en ce cas, les formations ennoyées avaient déjà connu une certaine dissolution. Sur le reste du territoire de Paris rive droite, les niveaux étant stables sur le moyen terme, la dissolution n a été ni amplifiée ni ralentie Bilan A l époque historique les nappes ont connu des variations qui, au moins pendant la période , du fait d intenses pompages, ont favorisé la dissolution. Dans les années à venir, un type nouveau de pompage pourrait faire sentir ses effets : les pompes à chaleur sur eau de nappe (figure 2.10). Cette technologie, plutôt destinée aux immeubles collectifs, et donc adaptée aux zones très urbanisées comme la région parisienne, consiste en effet à puiser l eau des nappes peu profondes (moins de 100 m). Même si cette eau est réinjectée ensuite, il y aura eu activation artificielle de la vitesse de circulation de l eau de la nappe.

81 Figure 2.10 Les pompes à chaleur sur eau de nappe (extrait du guide de l ADEME «Les pompes à chaleur géothermiques», disponible sur le site de l ADEME). 77

82 BILAN : COMPARAISON ENTRE LE KARST DEVELOPPE DANS LE GYPSE ANTELUDIEN ET LE KARST DEVELOPPE DANS LE GYPSE LUDIEN Globalement, le gypse ludien a été nettement plus karstifié que le gypse antéludien : au Nord et à l Est du Hurepoix il ne subsiste plus en effet que sous forme de buttes-témoins ; dans la région étudiée, la plus grande partie du gypse ludien a disparu et l essentiel de cette disparition date vraisemblablement du Plio-Quaternaire (voir paragraphe 2.3). A l époque historique on constate que la karstification progresse moins vite dans ce gypse ludien résiduel que dans le gypse antéludien qui, jusqu alors, avait été infiniment plus épargné : Le gypse ludien est soumis essentiellement à des circulations de versant qui, à l époque historique, ont plutôt varié à la baisse (limitation de l infiltration directe des eaux de pluie liée à la progression de l urbanisation sur les buttes-témoins et dans le Hurepoix) ; le karst est donc en grande partie un karst fossile, ce qui n exclut pas, dans le détail, des reprises de la dissolution, suite, notamment, aux exploitations dont il a fait l objet (paragraphe ) ; Le gypse antéludien, en revanche, est baigné en effet par des nappes qui ont connu, au cours des 150 dernières années, des fluctuations parfois importantes ; certaines de ces fluctuations ont grandement favorisé la dissolution ; le karst est ou a été très actif à l époque historique. Ces fluctuations des nappes étaient provoquées essentiellement par l activité humaine ; ceci permet d opposer une karstification à l époque historique, d origine principalement anthropique, qui affecte préférentiellement le gypse antéludien, et une karstification naturelle, à l échelle géologique, qui a fait disparaître la plus grande partie du gypse ludien.

83 CHAPITRE 3 : LOCALISATION DES ZONES A RISQUES ET REGLEMENTATION APPLICABLE 79

84 DEFINITIONS ET GESTION DU RISQUE La notion de risque Dans le langage courant, le terme de risque est synonyme de danger ; c est cette acception qui était implicitement retenue par l article R du Code de l urbanisme (décret n du 7 juillet 1977) lorsqu il délimitait des périmètres de risques : «La construction sur des terrains exposés à un risque tel que : inondation, affaissement, éboulement, avalanches, peut, si elle est autorisée, être subordonnée à des conditions spéciales. Ces terrains sont délimités par arrêté préfectoral pris après consultation des services intéressés et enquête [ ]». Dans le domaine de l étude et de la prévention des risques naturels ou technologiques, le terme de risque se définit aujourd hui de manière plus précise comme étant la combinaison d un aléa et d enjeux : «Le risque est le produit d un aléa, c est-à-dire un événement potentiellement destructeur, et d enjeux humains, économiques et environnementaux ou culturels auxquels il est susceptible de porter atteinte «(ANTOINE J.-M. et al., 2008, article «risque majeur»). Les PPR (Plan de Prévention des Risques), institués par la loi du 2 février 1995 (dite «loi Barnier»), intègrent une cartographie des zones d aléa comprenant généralement trois degrés : aléa «fort», «moyen» ou «nul» La gestion du risque En matière de risques liés au sous-sol, il existe en France un partage des responsabilités : L Etat, représenté par les préfets, délimite les périmètres de risques (zones de terrains exposés à un risque au sens de l article R111-3 et cartes d aléa depuis la loi Barnier) ; Le maire prend en compte cette cartographie dans les plans d urbanisme et dans la délivrance des permis de construire ; Le propriétaire du sol est également propriétaire du sous-sol (article 552 du Code civil) ; en cette qualité, la responsabilité de se prémunir contre les risques liés au soussol, tels qu ils ont été définis par les plans d urbanisme et les permis de construire, lui incombe totalement, y compris sur le plan financier. 3.2 GYPSE ANTELUDIEN La délimitation des périmètres de risques Le cadre réglementaire Plusieurs arrêtés préfectoraux et interpréfectoraux, pris en application de l article R du Code de l urbanisme, ont délimité des périmètres de risques :

85 Paris : arrêtés interpréfectoraux du 25 février 1977 et de 2000 délimitant le périmètre de recherche des poches de dissolution du gypse antéludien ; Seine-Saint-Denis : arrêtés préfectoraux des 21 mars 1986, 16 décembre 1986 et 18 avril 1995 visant les constructions à édifier dans les zones d anciennes carrières et dans le périmètre de recherche des poches de dissolution du gypse antéludien. Depuis que les PPR ont été institués, ces délimitations, quelle qu en soit la date, ont valeur de PPR approuvés (un PPR est dit approuvé lorsqu il vaut servitude d utilité publique ; lorsqu il est en phase d élaboration, il est dit prescrit). Aucune gradation n est faite dans les périmètres ainsi délimitées ; on peut supposer que le risque y est jugé très élevé parce que résultant de la combinaison d enjeux importants (la région parisienne est intensément urbanisée) et d un aléa fort ou moyen. Ces délimitations utilisaient les travaux réalisés par différents organismes : le BRGM (Bureau des Recherches Géologiques et Minières), le LREP (Laboratoire Régional de l Est Parisien dépendant du Ministère de l Equipement) et l IGC (Inspection Générale des Carrières). Le BRGM est un établissement public à caractère industriel et commercial placé sous la tutelle du «Ministère de l Enseignement supérieur et de la Recherche» et du «Ministère de l Ecologie, de l Energie, du Développement durable et de la Mer, en charge des Technologies vertes et des Négociations sur le climat». Il a deux objectifs essentiels : La compréhension des phénomènes géologiques ; L élaboration et la mise à disposition des outils nécessaires à la gestion du sol, du soussol et des ressources ainsi qu à la prévention des risques naturels et des pollutions ; parmi ces outils figure la carte géologique. Le LREP constitue, avec le LROP (Laboratoire Régional de l Ouest Parisien), le pôle scientifique et technique de la Direction régionale de l Equipement d Ile de France (direction dépendant elle-même du Ministère de l Ecologie dénomination complète de ce ministère énoncée précédemment-). Ce pôle constitue un bureau public d étude et d ingéniérie pour les acteurs de l aménagement et de la gestion des territoires, des infrastructures et des réseaux de transport. Quant à l IGC, elle mérite un développement particulier, de par le rôle très important qu elle joue en région parisienne dans le domaine de la gestion des risques liés au sous-sol. 81

86 L Inspection Générale des Carrières L Inspection Générale des Carrières (IGC) est un service de la Ville de Paris, rattaché à la Direction de la Voirie et des Déplacements (se reporter au site internet de la Ville de Paris pour l historique et les missions de l IGC et au site «explographies» pour une présentation des planches relatives aux anciennes carrières éditées par l IGC). Elle a été créée par décret royal en date du 24 avril 1777 ; l événement déclenchant de sa création fut l effondrement, en 1774, de 300 m de chaussée rue d Enfer (aujourd hui avenue Denfert-Rochereau dans le 14 ème arrondissement), suite à la rupture du toit d anciennes carrières souterraines de Calcaire grossier. Jusqu à la réforme du permis de construire de 2007, elle avait pour missions principales : Le contrôle des anciennes carrières (souterraines et à ciel ouvert) et des vides de dissolution antéludienne (même s il lui arrivait d émettre des prescriptions concernant également la dissolution ludienne : voir paragraphe 3.3) : recueil de plans et documents divers, visites ; L émission de prescriptions pour tous les projets nécessitant un permis de construire et situées dans une zone susceptible de recéler d anciennes carrières et/ou des vides de dissolution (hormis Bobigny, Aulnay-sous-Bois et Vaujours : voir paragraphe 3.1.4). Depuis cette réforme, la première mission demeure, tandis que la seconde est modifiée (voir paragraphe 3.2.4) Examen des zones comprises dans les périmètres de risques Les périmètres de risques se répartissent en deux ensembles (figure 3.1) : Le Nord de Paris (en tout ou partie : 9 ème, 10 ème, 17 ème, 18 ème et 19 ème arrondissements) et les communes limitrophes (en tout ou partie : Saint-Ouen, Saint-Denis, Aubervilliers, La Courneuve, Bobigny et Pantin) Le centre du 93 (en tout ou partie : Le Blanc-Mesnil, Aulnay-sous-Bois et Sevran) Pour Paris, l emprise concernée est importante et correspond environ à 20% de la superficie de la capitale.

87 83 Périmètres de risques km Figure 3.1 Les périmètres réglementaires de risques pour la dissolution du gypse antéludien Ces périmètres correspondent à la zone intermédiaire entre l anticlinal de Meudon et la fosse de Saint-Denis ; dans cette zone les Marnes et Caillasses sont épaisses et donc riches en gypse. La relation entre ce périmètre et les zones de nappe n est pas évidente. Ainsi, pour Paris intramuros, la figure 3.2 montre l amplitude du battement de la nappe du Lutétien tel qu il a été calculé à partir des piézomètres suivis par l Inspection Générale des Carrières (VERNOUX et al., 2007) ; deux secteurs de fort battement apparaissent qui ne coïncident pas avec le périmètre à risque : Le centre Ouest, secteur correspondant aux pompages liés aux travaux des lignes Eole et Météor dans les années ; La bordure Est.

88 84 m Figure Carte de la différence entre hautes eaux et basses eaux de la nappe du Lutétien (VERNOUX et al., 2007) Dans les périmètres de risques ainsi définis, la reconnaissance de l état du gypse antéludien nécessite des investigations comprises entre 40 et 60 m environ, puisque les Marnes et Caillasses, principale couche contenant ce gypse antéludien, sont très profondes Réglementation s appliquant dans les périmètres de risques jusqu au 1 er octobre 2007 Dès lors qu un projet nécessitait le dépôt d un permis de construire, s appliquait la notice suivante de l Inspection Générale des Carrières : «Notice technique concernant les travaux d injection des anomalies liées à la dissolution du gypse antéludien» du 02/05/2001 avec mise à jour du 10/01/2003. L Inspection Générale des Carrières était chargée de son application dans toutes les zones précédemment définies hormis trois communes (Bobigny, Aulnay-sous-Bois et Vaujours) dans lesquelles son application était du ressort de SOCOTEC (agence du Blanc-Mesnil). SOCOTEC est l un des principaux bureaux de contrôle. Ces derniers ont été créés en application de la loi du 4 janvier 1978, dite «loi Spinetta», relative à la responsabilité et à l assurance dans le domaine de la construction. Cette loi instituait un contrôle technique de la construction, obligatoire pour les immeubles de grande hauteur (I.G.H.) ainsi que pour les établissements recevant du public (E.R.P.). Plusieurs bureaux de contrôle ont étendu leur champ d intervention au cours des années et, entres autres, SOCOTEC, qui avait conclu une convention avec les trois communes précitées pour le gypse antéludien.

89 La notice élaborée par l Inspection Générale des Carrières distinguait quatre phases (tableau 3.1) : Phase 1 : une reconnaissance obligatoire jusqu au toit du Calcaire grossier ; Phase 2 : un essai de remplissage, uniquement si la phase 1 a décelé des anomalies ; Phase 3 : une injection des anomalies, uniquement si la phase 2 conclut à sa nécessité ; Phase 4 : des sondages de contrôle, obligatoires dès lors que la phase 3 s est appliquée. Trois faits importants caractérisaient cette notice : Un seul mode de reconnaissance était préconisé : le sondage destructif enregistré avec gamma-ray (la gamma ray, ou RAN, est une diagraphie qui aide au repérage des bancs de gypse sain ; elle sera étudiée au paragraphe 4.3) ; Une seule solution était préconisée (en cas de dissolution importante) : l injection ; Une place prépondérante était accordée au géotechnicien puisqu il était responsable des phases 1, 2 et 3 et qu il lui était demandé de conclure de manière nette à l issue de chacune de ces phases. 85 Tableau 3.1 Synthèse de la notice IGC de 2003 sur le gypse antéludien Phases Phase 1 : reconnaissance initiale obligatoire Phase 2 : essai de remplissage Phase 3 : injection des anomalies Phase 4 : sondages de contrôle Contenu Maillage minimal des sondages de reconnaissance (sondages destructifs enregistrés) : o Constructions neuves : 1 sondage pour m 2 non bâti et 1 pour 500 m 2 bâti, dont 50% équipés en gamma-ray ; En tout état de cause, au minimum 2 sondages dont 1 gamma-ray. o Pavillons individuels : 2 sondages minimum dont 1 gamma-ray. Un essai de remplissage au moyen, au minimum, de 2 forages complémentaires : l un dans la zone anomalique et l autre dans une zone saine ; l essai consiste en un remplissage gravitaire avec un coulis type sable-ciment. Objectif : apprécier la nécessité éventuelle d une campagne d injection. o En l absence de fontis, injection de comblement des vides et clavage : Maillage minimum : 7.00 m x 7.00 m pour les zones bâties et les abords (bande de 5 m) et m x 10.0 m pour les zones non bâties ; Méthodologie : comblement gravitaire avec un mortier de ciment puis clavage à l obturateur simple en tête sous une pression minimale de 5 bars. o En présence de fontis, injection de traitement des terrains de recouvrement : Maillage minimum : 3.50 m x 3.50 m sous les zones bâties et les abords, 5.00 m x 5.00 m sur les zones aménagées en parkings enterrés et 7.00 m x 7.00 m pour les zones non bâties ; Méthodologie : aucune prescription n est édictée. En dehors des fontis : 3 sondages destructifs enregistrés au minimum. Fontis : 1 sondage pressiométrique par fontis détecté et traité.

90 Cette notice, à l instar des arrêtés préfectoraux précédemment cités (paragraphe ), ne faisait aucune gradation dans le risque et n utilisait pas le terme d aléa Réglementation s appliquant dans les périmètres de risques depuis le 1 er octobre 2007 Le 1 er octobre 2007 est entrée en vigueur la réforme du permis de construire. Dans le chapitre «pièces complémentaires exigibles en fonction de la situation ou de la nature du projet», l article R c stipule : «Lorsque la construction projetée est subordonnée par un plan de prévention des risques naturels prévisibles approuvé, ou rendu immédiatement opposable en application de l article L du code de l environnement, ou par un plan de prévention des risques technologiques approuvé, à la réalisation d une étude préalable permettant d en déterminer les conditions de réalisation, d utilisation ou d exploitation, une attestation établie par l architecte du projet ou par un expert agréé [ = expert judiciaire] certifiant la réalisation de cette étude et constatant que le projet prend en compte ces conditions au stade de la conception ; «En d autres termes, un maire ne peut plus désormais imposer que la reconnaissance soit conforme aux phases 1 et 2 de la notice de l Inspection Générale des Carrières de 2003 ; il ne peut exiger qu une simple attestation de réalisation d une étude préalable. Ceci ne rend pas caduque la notice ; en effet : Un maire peut toujours exiger que les travaux de mise en sécurité (si l étude a décelé des anomalies importantes) se déroulent conformément aux phases 3 et 4 de la notice ; Plus généralement, cette notice constitue le seul texte officiel existant en matière de construction dans les zones à risques pour le gypse antéludien ; à ce titre, de nombreux maîtres d ouvrage et maîtres d œuvre, ainsi que la plupart des bureaux de contrôle, continuent de s y référer. 3.3 GYPSE LUDIEN Contexte réglementaire Cas général Jusqu à l approbation du PPRMT (Plan de Prévention des Risques de Mouvement de Terrain) de la commune d Argenteuil le 10 février 2010, les risques liés à la dissolution du gypse ludien n ont jamais fait l objet d une réglementation particulière. Cependant, à partir du moment où l Inspection Générale des Carrières, avant comme après le 1 er octobre 2007, était consultée à des titres divers pour une demande de permis de construire intéressant soit un périmètre de risque pour le gypse antéludien, soit un périmètre de risque

91 pour les anciennes carrières, elle pouvait, si elle estimait non négligeable le risque de dissolution du gypse ludien, émettre des prescriptions allant d une obligation de reconnaissance jusqu à l injection. Un exemple de prescription de l Inspection Générale des Carrières (datant de novembre 2006) est donné par la figure 3.3 : 87 Fig. 3.3 Exemple de prescription de l IGC relative à la dissolution du gypse ludien (commune de Noisy-le-Sec, en Seine-Saint-Denis)

92 Exemple de la commune d Argenteuil Le PPRMT de la commune d Argenteuil (consultable sur le site de la ville d Argenteuil) traite de plusieurs risques : dissolution du gypse (ludien), carrières souterraines, glissements de terrain, tassements différentiels de remblais et retrait-gonflement des sols argileux. En matière de dissolution du gypse, la zone concernée (dans le territoire couvert par la présente étude) est la butte d Orgemont (voir fig. 3.4, p. 89). Deux niveaux d aléa sont distingués : faible et modéré. Le pétitionnaire doit remettre une attestation conformément à l article R c. Si des vides ont été décelés, les travaux de mise en sécurité doivent être établis en conformité avec la notice technique de l Inspection Générale des Carrières de Zonage Délimitation globale des zones d aléa moyen ou fort Le gypse ludien est le siège d une nappe de coteau alimentée essentiellement par les eaux s infiltrant sur les versants (paragraphe 1.6.2) ; par conséquent, les versants sur lesquels le gypse est soit quasiment affleurant, soit recouvert par une faible épaisseur de terrains (Colluvions, Marnes supragypseuses résiduelles) constituent les zones d aléa moyen ou fort. Ces versants, dont la localisation est indiquée sur la figure 3.4, sont les suivants : Les versants de toutes les buttes-témoins situées au-dessus de la plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen ; La périphérie du plateau du Hurepoix.

93 89 1 PLATE-FORME DU CALCAIRE DE SAINT-OUEN PLATE-FORME DU LUTETIEN PLATE-F. DE LA MEULIERE DE M. V Plate-forme de la Meulière de Montmorency Plate-forme du Calcaire de Brie Plate-forme du Calcaire de Saint-Ouen Plate-forme du Lutétien 1 : Butte d Orgemont 2 : Mont Valérien : 3 : Butte Montmartre 4 : Hauteurs allant des Buttes Chaumont, à l Ouest, au fort de Nogent au Sud-Est 5 : Plateau d Avron V : plateau de Villejuif Zones d aléa moyen ou fort pour la dissolution du gypse ludien Fig. 3.4 Les zones d aléa moyen ou fort pour la dissolution du gypse ludien (fond de carte tiré de DIFFRE et POMEROL, 1979)

94 Les interventions humaines Ces zones ont été des secteurs privilégiés d exploitation du gypse. Les premières carrières se sont en effet développées sur les versants, et particulièrement sur ceux des buttes-témoins parisiennes et de la banlieue Est (butte Montmartre, hauteurs allant des Buttes Chaumont au fort de Nogent, plateau d Avron) qui, de par la forte épaisseur de la série ludienne, offraient de larges possibilités d extraction. Le gypse, une fois déblayés les éboulis, était exploité à ciel ouvert ; puis des ouvertures («entrées en cavage») étaient aménagées dans le front de masse pour permettre le développement d exploitations souterraines sous le plateau ; ultérieurement il était fréquent que les exploitations souterraines les plus proches du versant soient reprises à ciel ouvert pour «récupérer» le gypse des piliers tournés (gypse laissé en place pour constituer des piliers soutenant le ciel de carrière). L atténuation progressive de la dissolution au fur et à mesure que l on s éloigne du versant et que l on progresse vers l intérieur du plateau ou de la butte-témoin a pour corollaire la qualité croissante du gypse. Très tôt les carriers avaient remarqué cette qualité croissante ; ils avaient baptisé ce phénomène «naissance de masse». De ce développement des carrières il résulte que les versants gypseux sont intensément marqués par l empreinte de l homme ; la dissolution va s exercer dans un contexte particulier qui voit se mêler : Eboulis de versant ; Remblais de comblement des carrières à ciel ouvert ; Carrières souterraines dans un état de conservation et de remblaiement très variable. Dans un tel contexte la vulnérabilité du gypse est accrue.

95 Délimitation fine des zones d aléa moyen ou fort Une délimitation fine des zones d aléa moyen ou fort nécessiterait une étude spécifique comprenant, notamment, l examen des sondages disponibles et l examen des archives relatives aux carrières. Cette étude conduirait peut-être à mettre en évidence localement une petite progression de la dissolution vers l intérieur des plateaux et buttes-témoins à l époque historique, en relation avec le développement des carrières. Pour illustrer cette fragilisation des versants par les carrières, nous prendrons l exemple de la Butte Montmartre Exemple de la butte Montmartre La figure 3.5 montre l extension des carrières sur la butte ; nous avons pris comme limite pour celle-ci la zone d affleurement du Calcaire de Brie (épaisseur totale : 1 à 3 m environ). Les carrières ceinturent presque totalement la butte ; il s agit à la fois de carrières à ciel ouvert et de carrières souterraines. Elles sont, en revanche, absentes du couronnement de la butte parce qu il y aurait eu nécessité, pour y exploiter le gypse, de creuser des puits de service très profonds.

96 92 N 600 m Carrières à ciel ouvert de gypse Carrières souterraines de gypse Cartes de l Atlas des carrières souterraines Tracé de la coupe de la figure 3.6 Limite supérieure schématique d affleurement du Calcaire de Brie Fig. 3.5 Extension des carrières sur la butte Montmartre (extrait de IGC, 1985)

97 93 Si l on examine la coupe du versant, en prenant comme exemple le versant au niveau de la basilique du Sacré Cœur (figure 3.6), on peut identifier deux grandes familles de terrains exposées au risque de dissolution : Les Remblais (de carrière à ciel ouvert) et les Eboulis, qui contiennent tous deux des résidus gypseux en proportion très variable ; Le gypse qui a échappé à l exploitation. Pour ces derniers, il est difficile de fixer la limite amont de la zone exposée à la dissolution ; on peut cependant remarquer que, sur la butte, la couverture marno-argileuse (Marnes supragypseuses et, surtout, Argile verte quasiment imperméable) protège le gypse des infiltrations d eau puisqu elle constitue le mur de la nappe suspendue des Sables de Fontainebleau. Mais cette couverture a été mise à mal : D une part, les carrières à ciel ouvert ont fait reculer cette couverture sur le rebord de la butte ; D autre part, pour faciliter l exploitation du gypse en souterrain, il a fallu nécessairement compléter les entrées en cavage situées sur le versant par quelques puits de service sur la butte ; or ces puits ont percé ladite couverture. 10 m 0 10 m R E SF MH TB GV MSG Remblais Eboulis Sables de Fontainebleau Marnes à Huîtres Calcaire de Brie Glaises vertes (= Argile verte) Marnes supragypseuses G1 MFL G2 ML G3 MIG SO SB 1ère Masse Marnes à Fers de Lance 2 ème Masse Marnes à Lucines 3 ème Masse Marnes infragypseuses Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp Fig. 3.6 Coupe du versant de la butte Montmartre au niveau de la basilique du Sacré Cœur (extrait de IGC et BRGM, 1975) ; on remarque que le Sacré Cœur repose sur des puits descendus dans la 1 ère Masse.

98 SYNTHESE Nous avons reporté sur une même carte (fig. 3.7) les zones d aléa moyen ou fort pour le gypse antéludien (ces zones peuvent en effet être assimilées aux périmètres de risques : voir p. 81) et les zones d aléa moyen ou fort pour le gypse ludien. On remarque que là où ces deux zones coexistent - dans le quart Nord-Est de la région parisienne -, elles ne se chevauchent pas. Cela s explique par le fait que là où le gypse ludien est conservé, de facto le recouvrement du gypse antéludien est plus important ; la probabilité de venue à jour de fontis consécutifs à la dissolution de ce dernier est donc très faible. PLATE-FORME DU CALCAIRE DE SAINT-OUEN 5 PLATE-FORME DU LUTETIEN PLATE-F. DE LA MEULIERE DE M. Gypse ludien Gypse antéludien Figure 3.7 Carte des zones d aléa moyen ou fort pour la dissolution du gypse. Concernant le gypse antéludien, la zone est très étendue et intéresse des secteurs intensément urbanisés ; dans cette zone, la réglementation ne fait aucune gradation et considère que le risque est élevé partout.

99 CHAPITRE 4 : LES METHODES DE DETECTION DES CAVITES DE DISSOLUTION 95

100 GENERALITES Que la recherche des cavités de dissolution se fasse dans le cadre des études géotechniques préalables (G1) ou dans celui d un diagnostic géotechnique (G5), elle doit commencer, ainsi que le rappelle la norme NF P (voir annexe B), par une enquête documentaire avec visite du site. La visite du site permet de repérer d éventuels indices d instabilité : affaissements du sol, fissuration d enrobé, désordres dans les ouvrages,. Quant à la recherche documentaire, elle devrait comprendre, en plus de son volet cartographique et bibliographique «classique», une recherche des puits et pompages qui existent ou ont existé à proximité du site étudié, tant est important leur rôle dans la genèse du karst et singulièrement dans celui du karst antéludien (l exemple du fontis de la rue Papillon, étudié au paragraphe , a montré qu un simple puits à eau au XVII ème siècle avait favorisé le sinistre contemporain!). Une fois achevée cette enquête préliminaire, la recherche des poches de dissolution se poursuit par la mise en œuvre de diagraphies. Les diagraphies sont un enregistrement en continu en forage d une caractéristique physique du sol en fonction de la profondeur ; elles se répartissent en deux grandes catégories : Les diagraphies instantanées, lorsque un ou plusieurs paramètres sont enregistrés au fur et à mesure de la réalisation du forage ; Les diagraphies différées, lorsqu un ou plusieurs paramètres sont enregistrés après réalisation du forage. La géophysique est très peu employée car, dans un milieu densément urbanisé, les leurrres liés aux activités humaines (vibrations diverses, canalisations, caves, tunnels du métro, ) perturbent gravement le cheminement et la réception des signaux. Cependant, certaines méthodes récentes appartenant au domaine de la sismique passive pourraient se révéler fructueuses à moyen terme. 4.2 LES FORAGES Les diagraphies se font dans des forages qui, pour des raisons d économie, sont le plus souvent destructifs et non carottés. Ces forages destructifs sont réalisés soit en rotation pure, soit en rotopercussion. Les caractéristiques de ces forages sont précisées dans le tableau suivant :

101 97 Tableau 4.1 Les deux types de forage destructif (rotation et rotopercussion) Rotation pure Outils désagrégateurs (60 mm D 90 mm) Outils à lames (bilames, trilames, ) Tricônes Forces agissant sur l outil Rotation + appui continu Rotopercussion Taillants Rotation + appui continu + percussion avec un marteau hors du trou ou fond de trou Les planches photographiques placées dans l annexe C (planches C.1 à C.5) montrent quelques exemples d outils. La rotopercussion va au-delà d une simple modification de l outil et des forces agissant sur cet outil ; elle se traduit souvent, à terrain identique, par une allure différente du paramètre principal la vitesse instantanée d avancement, ainsi qu il sera précisé au paragraphe suivant. 4.3 LES DIAGRAPHIES INSTANTANEES Nous allons étudier les paramètres les plus couramment enregistrés. Cet enregistrement se fait numériquement avec une sortie papier en temps réel («bande de contrôle», visible en annexe C, sur la planche photographique C.4). Les échelles de la bande de contrôle sont choisies par le sondeur tandis que les sorties réalisées à partir du support numérique le sont par le géotechnicien, en fonction des objectifs de l étude La vitesse instantanée d avancement de l outil (en m/h) Il s agit de la vitesse de pénétration de l outil dans le sol. Elle est, en première approximation, inversement proportionnelle à la dureté ou à la consistance du sol. Cependant, en rotopercussion, l inverse peut se produire : l utilisation de la percussion dans un passage très dur peut avoir pour effet d accroître brutalement la vitesse ; d où la nécessité d enregistrer le vibralog ou, à tout le moins, d imposer au sondeur qu il note les passages dans lesquels il a déclenché la percussion.

102 D autre part, dans les terrains argileux, l adhérence du terrain à l outil peut, parfois, entraîner un léger accroissement de la vitesse La percussion réfléchie ou vibralog- (en m/s 2 ) Dans un forage en roto-percussion, le marteau (fond de trou ou hors de trou) communique une énergie de choc au taillant. Cette énergie se partage schématiquement en deux parties : Une partie est absorbée par le terrain qu elle contribue ainsi à détruire ; Une autre partie est réfléchie par le terrain et remonte par le train de tiges jusqu à la surface où elle est mesurée par un accéléromètre. La percussion réfléchie s élève dans les passages durs et diminue dans les couches plastiques. Elle permet également de distinguer une cavité vide d une cavité remplie. Si le remplissage est constitué d argile avec quelques rognons pluricentimétriques, la vitesse d avancement restera élevée (les rognons sont simplement poussés sur les bords du forage par l outil) alors que le vibralog réagira immédiatement par un pic si l outil percute le moindre rognon La pression sur l outil ou pression de poussée (en bar) Il s agit de la pression du circuit d alimentation du moteur hydraulique rotatif entraînant la chaîne sans fin le long du mât. Cette pression influe directement sur la vitesse d avancement : à terrain identique, la vitesse croît lorsque la pression sur l outil augmente, et inversement. Aussi, pour permettre une bonne interprétation des variations de la vitesse, est-il nécessaire que la pression sur l outil demeure constante lors du forage. Cette pression représente ainsi un paramètre de contrôle de la machine et non un paramètre physique du sol. Il faut remarquer que cette pression est mesurée sur la foreuse, au-dessus du sol ; il est donc nécessaire de lui ajouter le poids des tiges si on souhaite connaître la force de poussée réellement appliquée sur l outil La pression d injection du fluide de perforation (en bar) Dans un forage avec circulation d eau ou de boue, le fluide est envoyé par une pompe à l intérieur des tiges et remonte par l espace annulaire en ramenant des sédiments (cutting). Le capteur de pression mesure la pression à la sortie de la pompe.

103 Lorsque l outil traverse une formation argileuse, le fluide se trouve gêné dans son cheminement sur le front de taille ; la pression d injection tend alors à augmenter. A l inverse, lorsque l outil traverse une formation très poreuse ou fissurée avec fissures ouvertes, la pression reste constante voire diminue Le couple de rotation Ce couple est mesuré facilement sur les foreuses hydrauliques par la mesure de la pression dans le moteur de rotation ; c est pourquoi il est souvent appelé «pression de rotation» et s exprime donc sous forme d une pression (en bar). Sur les foreuses à rotation mécanique ce couple n est quasiment jamais mesuré en raison de la complexité de mise en œuvre des capteurs. Ce couple renseigne sur la lithologie car il varie, en première approximation, avec la plus ou moins grande adhérence du terrain à l outil (voire au train de tiges) : Il croît dans les formations homogènes et plastiques (argile, marne tendre, ) ; Il diminue dans les formations homogènes et dures (calcaire, ) Etalonnage Il est impératif que, sur chaque forage, soient effectués des tests de chute libre permettant d étalonner vitesse d avancement, pression sur l outil et couple de rotation. 4.4 LES DIAGRAPHIES DIFFEREES : LA RAN La diagraphie différée la plus utilisée en région parisienne est la diagraphie de radioactivité naturelle (RAN ou gamma-ray) car l image fournie par le gypse (sa «signature»), même si elle ne lui est pas spécifique, ne se retrouve que dans un très petit nombre de roches Rappel sur la radioactivité naturelle La radioactivité naturelle produit trois types principaux de rayonnement dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau suivant (tab. 4.2) :

104 100 Tableau 4.2 Caractéristiques des rayonnements produits par la radioactivité naturelle Rayonnement Nature Pouvoir pénétrant α Noyaux d atome d hélium Faible (arrêtés par quelques µm d aluminium) β Electrons rapides Faible (arrêtés par quelques mm d aluminium) γ Photons de grande énergie (103 à 106 ev) Fort (100 fois plus pénétrants que les rayons β) Le fort pouvoir pénétrant du rayonnement γ facilite son utilisation en géologie et en géotechnique. Les isotopes naturels susceptibles de produire ce rayonnement sont nombreux ; mais l essentiel provient de trois isotopes seulement : L uranium 238 (1 gr d uranium émet, avec ses produits de filiation, photons/s environ) ; Le thorium 232 (1 gr de thorium émet, avec ses produits de filiation, photons/s environ) ; Le potassium 40 (1 gr de potassium émet, avec ses produits de filiation, photons/s environ). Toutes les roches peuvent a priori contenir ces isotopes en raison de leur dissémination très générale dans toute la masse de la Terre. Cependant l uranium et le thorium se trouvent surtout dans les granites et les syénites et, plus précisément, au sein de leurs minéraux accessoires (zircon, monazite, apatite, etc.). Quant au potassium, il est particulièrement représenté dans certaines évaporites (sylvite, carnallite) ainsi que dans les argiles Principe de la mesure La mesure se fait au moyen d une sonde comportant : Un capteur constitué d un cristal de NaI (iodure de sodium), qui transforme les impacts de photons en signal électrique ; Un circuit électronique associé.

105 Mise en œuvre de la mesure Généralités La RAN présente le grand avantage d être d une mise en œuvre aisée : la mesure se fait au moyen d une sonde de 0.70 m de longueur environ, descendue dans un forage de préférence tubé (pour protéger la sonde et éviter tout éboulement), vide ou rempli d eau ou de boue ; la sonde est placée à l extrémité d un câble relié à un enregistreur. Il est recommandé, cependant, d une part de préférer les tubes plastiques aux tubes métalliques (qui absorbent une partie du rayonnement) et de ne pas remplir l espace annulaire avec des gravillons (susceptibles d avoir eux-mêmes piégé des isotopes radioactifs). La mesure se fait en remontant, à vitesse constante. Le résultat est une courbe donnant, en fonction de la profondeur, la valeur de l un ou l autre des deux paramètres suivants : Un paramètre relatif : le nombre de coups par seconde (cps), qui représente le flux moyen de particules interceptées par le cristal photomultiplicateur de la sonde ; Un paramètre normalisé : l unité de l American Petroleum Institute (API) ; 16.5 unités API. correspondent à une concentration d éléments radioactifs équivalente à 1µgramme de radium par tonne. La corrélation éventuelle entre cps et API sera traitée au paragraphe Les deux types de mesure Deux types de mesure peuvent être faits, avec un appareil spécifique pour chacune : La mesure de la RAN globale : la sonde mesure la totalité des rayonnements émis, sans discriminer les éléments émetteurs ; La mesure de la RAN sélective : la sonde enregistre séparément les émissions de l uranium, du thorium et du potassium. La RAN couramment utilisée est la RAN globale.

106 Facteurs influençant la mesure Les principaux facteurs influençant la mesure sont les suivants : Facteurs liés aux caractéristiques des couches traversées 1 ) La nature des couches traversées Toutes les roches n ont pas la même radioactivité naturelle. De la figure 4.1 on peut déduire l échelle moyenne suivante pour les formations de la région parisienne, en cps : Une émission très faible (0 à 8 cps) caractérise le gypse et certains sables (une partie de la formation des Sables de Fontainebleau) ; le gypse se distingue ainsi de certaines évaporites riches en potassium comme la sylvite (KCl) ; Une émission moyenne (8 à 30 cps) caractérise tous les autres faciès, argiles exceptées ; Une émission forte ( 30 cps) caractérise les argiles. La figure 4.2, qui donne la plage de radioactivité en unités API de différentes roches sédimentaires non spécifiques à la région parisienne, confirme les principaux résultats précédents : L anhydrite, roche très proche du gypse (l anhydrite qui s hydrate devient du gypse), a l émission la plus faible (0 à 20 unités API) ; Les formations argileuses (sauf l argile dite «marine») ont des émissions fortes et comparables : fréquence maximale entre 100 et 300 unités API pour l argile et le grès argileux et 100 à 200 pour le sable argileux ; Les dolomie, calcaire et grès ont des émissions intermédiaires. Le tableau 4.2 a été élaboré pour l essentiel à partir des diagraphies réalisées pour la recherche pétrolière ; il est donc vraisemblable que la dénomination «argile marine» recouvre les argiles présentes au fond des mers par opposition à l argile sans qualificatif qui désigne les argiles rencontrées à terre, quelle que soit leur origine.

107 103 * * L Horizon de Ducy est souvent rattaché au Calcaire de Saint-Ouen (voir p. 30) Figure 4.1 Radioactivité des principales roches sédimentaires de l Ile de France en cps (Document aimablement communiqué par le LREP)

108 104 Diagraphie des principales roches sédimentaires (CHAPELIER D., 1987) Figure 4.2 Radioactivité des roches sédimentaires en unités API (CHAPELLIER, 1987)

109 105 2 ) - La densité de la formation Les photons interceptés par la sonde (qui ne sont qu une fraction de la totalité des photons émis) se trouvent dans un certain volume centré sur le capteur, et que l on peut considérer comme sphérique. Ce volume est appelé «volume d investigation» et son rayon «rayon d investigation». Le facteur principal définissant ce volume est la densité de la formation traversée (les facteurs secondaires tiennent aux caractéristiques de la sonde, à sa mise en œuvre et aux caractéristiques du forage). Soient deux volumes d investigation : le volume dans lequel se trouvent 90% des photons interceptés puis celui dans lequel se trouvent 99.6% de ces photons. L abaque de la figure 4.3 montre que pour chacun d eux le rayon d investigation est inversement proportionnel à la densité de la roche. Pour les formations usuellement rencontrées en région parisienne (gypse, calcaire, marne, argile, sable), dont la masse volumique est de l ordre de 2.0 à 2.3 g/cm 3, on déduit de cette abaque un rayon d investigation faible, n excédant pas une soixantaine de centimètres. 3 ) Le trajet aléatoire des photons Les photons sont émis dans toutes les directions de l espace.

110 106 Rayon d investigation cm Réponse 99.6% 20 Réponse 90.0 % Densité g/cm 3 Principales roches sédimentaires rencontrées en région parisienne Gypse Figure 4.3 Rayon d investigation du gamma-ray en fonction de la densité globale de la formation (Chapellier, 1987). Pour les roches sédimentaires les plus fréquentes en région parisienne (gypse, calcaire, marne, argile, sable), 90% des photons détectés le sont dans un rayon d investigation de l ordre de 20 cm et la quasi-totalité dans un rayon de 40 à 50 cm ; pour le gypse, ces rayons sont respectivement de 20 et 40 cm. Il convient de rappeler que les pourcentages portent sur les photons INTERCEPTES et non sur les photons EMIS.

111 Facteurs liés aux caractéristiques de la sonde et/ou à sa mise en oeuvre 1 ) La constante de temps La valeur fournie par la sonde pour une profondeur donnée représente la somme des événements mesurés pendant un intervalle de temps appelé constante de temps. Pour une mesure exprimée en cps, la constante de temps est, par définition, la seconde ; pour une mesure exprimée en unité API, la constante de temps peut être différente et est fonction de l appareil utilisé et/ou de la méthodologie mise en œuvre par l opérateur. Or plus la constante de temps est élevée et plus la probabilité que s élève le nombre de photons interceptés est grande. 2 ) La vitesse d enregistrement Une vitesse de remontée trop forte atténue les contrastes entre couches de radioactivité différente. Pour les sondes couramment utilisées en géotechnique, cette vitesse est de 2 m par minute. 3 ) La taille du cristal La sensibilité du cristal croît avec sa taille ; cette dernière est souvent de l ordre de quelques centimètres cubes Limites de la méthode Des facteurs qui viennent d être rappelés, il résulte que : Une couche de gypse peu épaisse est difficilement décelable : le bruit de fond généré par les formations encaissantes surtout si leur émission est relativement forteperturbe en effet la mesure ; La radioactivité d une couche de gypse dépend de sa pureté : un gypse marneux émet un rayonnement plus important qu un gypse pur ; de même pour un niveau altéré avec remplissage par des matériaux argilo-marneux ; La détection d un vide franc de petite dimension est difficile : la mesure est influencée, en effet, par les photons provenant des terrains encaissants non gypseux, qui se propagent plus aisément dans le vide (qu il soit rempli d air ou d eau) que dans la roche ; A radioactivité équivalente, les valeurs obtenues varieront selon le matériel utilisé et la méthodologie mise en oeuvre. Aussi, pour une meilleure interprétation, la RAN doit-elle être utilisée conjointement avec les diagraphies instantanées, comme l illustrera l exemple étudié au paragraphe

112 Premier exemple Contexte Le premier exemple est la RAN réalisée en 1998 par LIM pour le compte de l Inspection Générale des Carrières, rue de la Goutte d Or, à Paris 18 ème. Figure 4.4 Localisation de la rue de La Goutte d Or (Paris 18 ème ) L objectif de cette RAN était de fournir une diagraphie gamma ray de référence pour le gypse antéludien. D où la méthodologie suivante : 1 ) - Choisir un site permettant, avec un sondage d une profondeur suffisante, de traverser toutes les formations gypsifères antéludiennes. La rue de la Goutte d Or constituait un site favorable puisque la formation subaffleurante (sous les remblais de surface) était constituée par les Marnes infragyseuses (ou Marnes à Pholadomies), qui se trouvent en partie inférieure du Ludien. La figure 4.5 situe le forage sur une échelle stratigraphique (reprise de la figure 1.13) et indique qu il a traversé l intégralité des formations antéludiennes. 2 ) Disposer d une coupe détaillée du sol. Cette coupe a été fournie par le forage préalable qui était un carottage.

113 109 Sables de Fontainebleau Marnes à Huîtres Calcaire de Brie Argile verte, Glaises à Cyrènes Marnes de Pantin Marnes d Argenteuil 1 ère Masse Marnes à Fers de Lance 2 ème Masse Marnes à Lucines 3 ème Masse Marnes à Pholadomies 4 ème Masse Sables de Monceau Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp Marnes et Caillasses Calcaire grossier Sables yprésiens Argile plastique m Gypse antéludien Gypse ludien Figure 4.5 Formations traversées par le sondage d étalonnage de La Goutte d Or (Paris 18 ème ) Résultats La figure 4.6 reproduit dans son intégralité la diagraphie réalisée avec, en regard, la coupe du carottage. Sur cette figure nous avons indiqué en rouge tous les passages avec CPS 0.5 et surligné en jaune tous les passages contenant du gypse, quels que soient sa forme et son état. Il en ressort les points suivants :

114 1 ) - Tous les passages pour lesquels la RAN se caractérise par cps 0.5 sur une épaisseur 0.50 m peuvent être mis en relation avec des bancs de gypse massif comme le montre le tableau Tableau 4.3 Sondage d étalonnage de La Goutte d Or (Paris 18 ème ) : les zones de cps faibles cps 0.5 sur 0.50 m Lithologie à Gypse albastroïde avec inclusions marneuses de à m à m (avec quelques pointes plus fortes) Gypse albâtre de à m et à m 2 ) Tous les bancs de gypse massif d une épaisseur 0.50 m ne se traduisent pas par un cps faible ; ainsi, pour le banc de gypse albâtre de à m la RAN indique 5 cps ) Dans les zones de gypse en voie d altération ou bien de gypse non massif (gypse mélangé à de la marne ou du sable) le cps est largement supérieur à ) Il existe fréquemment un décalage altimétrique entre les limites des bancs gypseux identifiés par le carottage et les passages de faible cps correspondant (ce décalage est maximal avec 1.70 m entre la base de la zone de gypse massif la plus épaisse m - et la base de la RAN très faible correspondante m -). Il importe de préciser que ce décalage n est pas inhérent à la méthode mais résulte vraisemblablement de la conjonction entre certaines spécificités de la sonde utilisée (avec certains matériels la profondeur indiquée sur l enregistrement est celle de l extrémité inférieure de la sonde alors que le capteur est placé 10 à 20 cm plus haut) et d éventuels petits dysfonctionnements lors de la mesure (tubage partiellement obstrué par des cailloux d où une tension du câble reliant l enregistreur à la sonde qui ne demeure pas constante, ). Les conclusions sont les suivantes : La RAN permet de déceler un grand nombre de bancs épais de gypse massif (certains bancs, difficilement détectables, sont vraisemblablement composés de gypse impur) ; La délimitation précise des bancs décelés n est pas toujours aisée.

115 111 Page : 1 Figure 4.6 a Sondage d étalonnage de La Goutte d Or (1 ère partie) d après un document LIM. Les deux couches de gypse à 7.80 m et m sont bien identifiées sur la RAN ; la couche à 9.65 m n apparaît pas et il existe plusieurs creux de la courbe (11 m, 17.3 m et 30 m) dont le gypse n est pas la cause. La couche de gypse à m pourrait correspondre à la 4 ème Masse (qui, par simplification, aurait donc été intégrée aux Marnes infragypseuses).

116 Figure 4.6 b Sondage d étalonnage de La Goutte d Or (2 ème partie) d après un document LIM ; dans cette section, la présence de gypse n est en général pas marquée par une faiblesse en cps du gamma-ray. 112

117 Figure 4.6 c Sondage d étalonnage de La Goutte d Or (3 ème partie) d après un document LIM ; dans cette section, deux séquences longues de faible cps coïncident assez bien avec le gypse à faciès albâtre dur. 113

118 Figure 4.6 d Sondage d étalonnage de La Goutte d Or (fin du sondage) d après un document LIM ; dans cette section, pas de correspondance entre le gypse à faciès albâtre et le cps du gamma-ray. 114

119 Second exemple Contexte Cet exemple concerne l un des sondages réalisés en vue de la construction d un immeuble d habitation R+8 avec 1 à 2 niveaux de sous-sol, à Paris 19 ème, rue Riquet, dans le périmètre à risque vis-à-vis du gypse antéludien. Figure 4.7 Localisation de la rue Riquet (Paris 19 ème ) La diagraphie gamma ray a été faite dans un forage préalable profond de m, réalisé en destructif avec diagraphie instantanée La partie du sondage étudiée est constituée par les 26 derniers mètres ; la description lithologique figurant sur la coupe est la suivante, de haut en bas (fig. 4.8) : De m à m : un «sable bleuâtre gris» représentant la base des Sables de Beauchamp ; Entre m et m, une «marne et blocs» appartenant aux Marnes et Caillasses ; De m à m (fin) : un «calcaire» pouvant correspondre soit à la partie inférieure des Marnes et Caillasses, soit aux bancs sommitaux du Calcaire grossier.

120 Problématique Entre m et m (zone notée A sur la figure 4.8) la diagraphie instantanée montre, par l élevation de la vitesse d avancement, la présence d une zone de moindre compacité ; la présence d un vide franc n est pas à exclure en partie supérieure (entre m et m), puisque la vitesse est particulièrement forte et associée à une diminution de la pression sur l outil. La problématique est la suivante : cette zone de moindre compacité est-elle une poche de dissolution du gypse et, dans l affirmative, pourrait-elle se développer verticalement? Méthodologie Nous allons examiner les informations apportées par la diagraphie instantanée et par la RAN sur les terrains situés sur les 5 à 6 m au-dessus puis sur les 5 à 6 m au-dessous de la zone de moindre compacité. On signalera, au préalable, que le sondage montre un bel exemple de bancs de gypse quasiment pur entre m et m environ avec une radio-activité nulle à très faible associée à une vitesse extrêmement réduite. Terrains situés au-dessus de la zone de moindre compacité La diagraphie instantanée fournit les indications suivantes : De m à m environ, la vitesse d avancement, très basse, caractérise des terrains très compacts ; ces terrains sont plutôt marno-calcaires puisque la pression d injection est faible ; De m à m environ, la vitesse est légèrement plus forte mais ceci ne témoigne pas nécessairement d une baisse importante de la compacité ; en effet, la forte élevation de la pression d injection, associée à un léger accroissement de la pression de rotation, témoigne de la nature plutôt argileuse ou marno-argileuse des terrains ; or il peut arriver, dans ce type de sol, que l adhérence du terrain à l outil ralentisse légèrement la vitesse. Quant à la diagraphie gamma-ray, elle est globalement très forte, ce qui caractérise des terrains argileux ou argilo-marneux. Ceci est en harmonie avec les indications lithologiques fournies par la diagraphie instantanée entre m et m. En revanche, entre m et m la concordance semble moins grande ; l explication réside probablement dans le fait que la RAN mesurée de m à m intègre :

121 La radio-activité d un cylindre de sol qui peut aller jusqu à une soixantaine de cm de rayon (voir paragraphe ), soit vraisemblablement plus que celui concerné par la diagraphie instantanée ; La radio-activité d un cylindre de sol dont la hauteur s étend au-delà de m vers le bas et de m vers le haut, puisque le trajet des photons est aléatoire. Un point doit être cependant souligné : l hypothèse que, par suite de ce trajet aléatoire des photons, la pointe de la RAN vers m puisse être corrélée avec la pointe de la vitesse d avancement vers 42 m, apparaît sans fondement : il n y a en effet aucune élevation marquée de la pression d injection vers 42 m qui témoignerait de la présence d un niveau argileux. Terrains situés au-dessous de la zone de moindre compacité La diagraphie instantanée fournit les indications suivantes : 117 La compacité est forte (vitesse d avancement généralement très faible) ; Les terrains sont plutôt marneux ou marno-calcaires (faible pression d injection). La RAN est modérée ce qui, globalement, confirme l interprétation lithologique tirée de la diagraphie instantanée. Dans le détail, on remarque un passage de 0.70 m dans lequel la RAN est particulièrement faible (45.50 m à m environ) ; il est possible qu il s agisse de gypse ou de marne gypseuse.

122 118 A Figure 4.8 Extrait d un sondage destructif à Paris 19 ème (diagraphie instantanée + RAN)

123 Synthèse 1 ) Origine de la zone de moindre compacité La zone de moindre compacité surmonte 0.70 m d un terrain qui pourrait être gypseux. Ceci conduit à émettre l hypothèse que cette zone et le terrain sous-jacent constituaient un même ensemble gypseux dont la partie supérieure a été altérée par dissolution. La dissolution a été particulièrement poussée en tête (entre m et m) où la présence d un vide franc est probable. 2 ) Développement vertical éventuel de la zone de moindre compacité Il n existe pas d indice d une baisse importante de la compacité dans les terrains sus et sousjacents. 4.5 LA GEOPHYSIQUE Bilan de l emploi de la géophysique en milieu urbain En mai 2005 s est tenu à l Ecole Nationale des Ponts et Chaussées un séminaire commun INERIS-LCPC intitulé «Evaluation et gestion des risques liés aux carrières souterraines abandonnées» ; la communication consacrée aux «méthodes géophysiques pour la localisation de cavités souterraines» comportait un tableau de synthèse que nous reproduisons (tableau 4.4). Ce tableau indique que, en milieu urbain, quatre méthodes sont à privilégier : La microgravimétrie, qui est la mesure de la pesanteur pour déceler défauts ou excès de masse, les cavités correspondant à des défauts de masse ; La sismique en ondes de surface ; ces ondes feront l objet d un développement particulier (paragraphe 4.5.2) ; Le radar géologique, qui consiste à envoyer dans le sol par une antenne émettrice des impulsions d énergie de très brève durée et à enregistrer les signaux réfléchis avec une antenne réceptrice ; Le slingram, qui est la mesure de la conductivité électrique du sol.

124 Ce tableau indique également les limites de ces méthodes : toutes, sauf le radar dès lors que ses antennes sont blindées, sont très sensibles aux effets des activités humaines et des aménagements urbains (vibrations et chocs, réseaux, canalisations enterrés, ). Quant au radar, qui peut s affranchir de cette sensibilité, il a une profondeur d investigation d une quinzaine de mètres qui le rend inopérant lorsqu il faut rechercher des poches de dissolution profondes. Si l on ajoute à cela le fait que de nombreux bureaux d étude de sol n ont pas un service géophysique intégré alors qu ils possèdent un parc de sondeuses, on comprend pourquoi les méthodes géophysiques demeurent très peu employées à Paris et dans sa proche banlieue. Cet état de fait évoluera peut-être à moyen terme avec le développement de certaines méthodes géophysiques qui peuvent utiliser les bruits du milieu comme source du signal à analyser d où leur appellation de sismique passive ; elles se différencient ainsi de la sismique en ondes de surface «classique» qui cherche à éliminer ces bruits. 120

125 121 Profondeur d investigation indicative Rendement Type de cavités Milieu urbain Sensibilité au bruit Sources de leurre Conditions nécessaires de détection Microgravimétrie 2R pour une sphère de rayon R * 50 points de mesure / jour Vides francs, cavités partiellement ennoyées Oui, mais contraintes fortes Activité humaine, séismes, chocs Hétérogénéités massiques du sol Tomographie connue au cm près en z Sismique réflexion très haute résolution Sismique réfraction Jusqu à 50 m Quelques Non Présence d un horizon réflecteur sous la cavité Entre 20 et 30 m centaines de mètres / jour pour des dispositifs d une centaine de mètres et une distance de 1 m entre géophones Vides francs, carrières exploitées en chambres et piliers Non Activité humaine, séismes, chocs, ondes de surface Zone décomprimée, mauvais traitement Milieu de vitesse croisant Sismique en ondes de surface 10 m, dépend uniquement de la longueur d onde dominante Quelques centaines de mètres / jour pour des dispositifs d une centaine de mètres et une distance de 1 m entre géophones, plus si dispositif glissant Vides proches de la surface, 10 m 2 de section Oui Activité humaine, séismes, chocs Radar géologique Inversement proportionnelle à la conductivité. Jusqu à 15 m Plusieurs centaines de mètres à quelques km / jour Cavités vides et cavités conductrices Oui Faible sauf si antennes non blindées Milieu encaissant supérieur à 100 Ωm Slingram Moyen, en général les mesures sont conduites à la vitesse de marche Karst argileux avec remontée verticale (par cheminées argileuses) Oui, mais contraintes fortes Lignes et clôtures électriques Environnement métallique Milieu plutôt conducteur VLF-R Quelques mètres, comparable à celle obtenue en panneau électrique pour une anomalie ponctuelle Faible si électrodes inductives piquées dans le sol, grand si électrodes capacitives tractées Conducteurs ou vides avec remontée verticale (par exemple, puits de catiche) Non Emetteur radio, environnement métallique Environnement métallique Réception des émetteurs

126 122 VLF-EM Moyen, en général les mesures sont conduites à la vitesse de marche Karst argileux avec remontée verticale Non Emetteur radio, environnement métallique Environnement métallique Réception des émetteurs Infrarouge Quelques mètres Très grand rendement Puits de marnières et karst affleurants Non Activité humaine Surfaces boisées, eau Vol d été après 17h. Vol d hiver en fin de nuit Panneau électrique R pour une sphère vide de rayon R. 1.5 R pour une sphère conductrice de rayon R ** Quelques centaines de mètres / jour pour des dispositifs d une centaine de mètres et une distance de 1 m entre électrodes Plutôt anomalies conductrices (failles, pendage, stratification, etc.) Non A-coup de prise * : une cavité sphérique est détectable tant que la profondeur de son toit reste de l ordre de son diamètre, dans un milieu homogène ; cependant, au-delà d une vingtaine de mètres de profondeur, quelle que soit la cavité, l interprétation des mesures devient très délicate ** : le panneau électrique peut donner des indications sur la profondeur du toit d une cavité sphérique lorsque cette profondeur est de l ordre de 1 R ou de 1.5 R, selon le remplissage (ou le non remplissage) de la cavité Tableau 4.4 Caractéristiques principales des méthodes géophysiques pour la recherche de cavités souterraines (CÔTE P. et al., 2005) ; en rouge les méthodes à privilégier en milieu urbain (méthodes auxquelles un «oui» a été attribué dans la colonne «milieu urbain») La sismique passive Les ondes sismiques Lorsqu un choc se produit dans le sol ou à la surface du sol, quelle qu en soit l origine, différentes ondes sont produites, représentées sur la figure 4.9 : Les ondes de volume, qui se propagent à l intérieur du Globe et qui comprennent : Les ondes de compression (ondes P), pour lesquelles les particules sont déplacées dans la direction de la propagation ; Les ondes de cisaillement (ondes S), pour lesquelles les particules sont déplacées dans la direction perpendiculaires à la propagation ; Les ondes de surface, qui sont guidées par la surface de la Terre et se propagent dans le sol sur une épaisseur voisine de leur longueur d onde et qui comprennent :

127 123 Des ondes de Love (ondes L), qui sont des ondes de cisaillement polarisées horizontalement ; Des ondes de Rayleigh (ondes R), pour lesquelles les particules sont déplacées selon une ellipse à grand axe vertical, dans le sens rétrograde (au sommet de l ellipse) par rapport à la propagation. Les exemples de sismique passive que nous allons présenter sont basés sur l exploitation de la vitesse de propagation des ondes de Rayleigh qui a pour caractéristique d être dispersive. Lorsque ces ondes se propagent dans un milieu constitué d une seule couche, leur vitesse est constante. Lorsque ce milieu est constitué de plusieurs couches, alors leur vitesse devient dispersive, c est-à-dire qu elle dépend de la profondeur. L analyse de cette dispersion permet de mettre en évidence des anomalies géologiques. Ondes de volume Ondes de surface Figure 4.9 Les différents types d ondes sismiques (d après POMEROL et al., 2003) ; chaque parallélipipède représente une éprouvette de roche et les flèches rouges indiquent le mouvement des particules lorsqu elles sont ébranlées par l onde sismique.

128 Exemple n 1 : analyse du type MASW La vitesse de propagation V R des ondes de Raleigh dépend essentiellement des caractéristiques de cisaillement du milieu. Aussi l analyse de cette vitesse permet-elle d obtenir un profil de la vitesse V S des ondes de cisaillement pour la partie superficielle du sol. Comme V S est directement proportionnelle au module de cisaillement du sol, on peut ainsi avoir des informations sur les variations de rigidité du milieu et construire un modèle géologique du sol. Cette analyse, du type MASW (Multi-channel Analysis of Surface Waves), qui permet d inférer V S à partir de V R, peut se faire en générant artificiellement des ondes de surface (chute de poids, tirs de dynamite, ) ; on est alors dans le cadre des méthodes de sismique en ondes de surface traitées au paragraphe Mais elle peut aussi se faire en utilisant le bruit sismique ambiant ; ceci a été fait pour le creusement d un tunnel urbain à Santander (Espagne), par l IGT (International Geophysical Technology de Madrid). La figure 4.10 présente le modèle géologique du sol ainsi obtenu ; ce modèle, qui intéresse les quinze à vingt premiers mètres, met en évidence quatre zones : Une zone de recouvrement anthropique (c est-à-dire de remblais) ; Une zone d altération ; Une zone de marnes ; Une zone de roche calcaire massive. On notera qu il n est pas précisé si l altération concerne préférentiellement les marnes ou bien le calcaire. Figure 4.10 Modèle géologique du sol sur le tracé du futur tunnel urbain à Santander (Espagne) établi par sismique passive (GRANDA PARIS et al., 2007)

129 Exemple n 2 : méthode DCOS La méthode DCOS (Détection de Cavités par Ondes de Surface) a été développée et brevetée au niveau européen par la société montpelliéraine SISMOCEAN. Elle est basée sur une analyse statistique de la distribution d énergie des ondes de Raleigh. Ses principes sont exposés dans un article en ligne de DURAND et al.(2008). Supposons une chaîne d acquisition (appelée «flûte sismique»), posée sur le sol le long d un tracé linéaire (voie ferrée, route) et composée de n géophones reliés à un enregistreur (figure 4.11). S il existe une cavité entre les géophones n/2 et (n/2) + 1, l énergie des ondes de Raleigh se propageant du géophone 1 vers le géophone n va interagir avec la cavité si bien que l énergie mesurée par les géophones 1 à n/2 sera supérieure à celle mesurée par les géophones (n/2) + 1 à n. 1 n/2 n/2 +1 n * * * * * * * * * * * * * * cavité Figure 4.11 Principe de la méthode DCOS (d après DURAND et al.) ; la flèche rouge représente le sens de propagation des ondes de Raleigh en fonction de la fréquence et les étoiles les géophones. Cette méthode est basée sur la mesure de l énergie par moitié de dispositif ; pour faire en sorte que le milieu du dispositif balaye progressivement tout le linéaire à reconnaître, on emploie la technique de la «fenêtre glissante» : on dispose un nombre p de capteurs largement supérieur à n ; la première mesure s effectue entre les capteurs 1 et n, la seconde entre les capteurs 2 et n+ 1 et ainsi de suite jusqu à la dernière mesure qui s effectue entre les capteurs p n et p. La profondeur d investigation est fonction du nombre et de l espacement des capteurs ; elle varie généralement entre une dizaine et une vingtaine de mètres. Cette méthode a été utilisée, entre autres, pour détecter des cavités sous des voies ferrées en utilisant les bruits générés par la circulation ferroviaire.

130 CONCLUSION Les méthodes habituellement mises en œuvre en région parisienne pour la détection des cavités de dissolution sont des forages avec diagraphies instantanées ou différées (gamma-ray). Le volume de terrain investigué est très faible : les diagraphies instantanées n intéressent que le volume du trou (cylindre de moins de 10 cm de diamètre en général) et la diagraphie gammaray qu un cylindre d une soixantaine de centimètres maximum ; les informations recueillies sont donc nécessairement ponctuelles et obligent le géotechnicien à faire des interpolations entre sondages. Les vides et décompactions pouvant exister dans le sol sont généralement détectés de manière satisfaisante avec les seules diagraphies instantanées ; mais celles-ci ne fournissent aucune donnée sur la relation éventuelle entre ces vides et décompactions et le phénomène de dissolution du gypse. Pour appréhender cette relation, on recherche, avec la diagraphie gamma-ray, les bancs de gypse qui pourraient exister au toit ou au mur de ces zones (ou aux mêmes profondeurs que ces zones, dans des forages voisins). Mais la qualité des informations apportées par cette diagraphie dépend de nombreux facteurs dont les principaux sont la pureté et l épaisseur des bancs de gypse : plus un banc est épais et pur, et mieux il sera détecté. La synthèse des résultats fournis par ces différentes diagraphies (instantanées et différées) permet au géotechnicien de conclure sur le caractère plus ou moins probable qu un phénomène de dissolution du gypse soit intervenu.

131 127 SECONDE PARTIE : RECONNAISSANCE ET TRAITEMENT EN ZONE GYPSEUSE

132 128

133 129 CHAPITRE 5 : EXEMPLE D AMENAGEMENT D UN ENSEMBLE IMMOBILIER EN ZONE DE DISSOLUTION DU GYPSE ANTELUDIEN Rue Philippe de Girard (Paris 10 ème ) Figure 5.1 Localisation du projet étudié dans le chapitre 5

134 PRESENTATION Généralités Le projet consiste en l aménagement d un ancien couvent (Maison des Petites Sœurs des Pauvres) situé au 13, rue Philippe de Girard à Paris 10 ème en un complexe immobilier à usage d habitation, de résidence pour étudiants et de crèche. Le tableau suivant indique les principales phases de sa réalisation, qui seront détaillées dans la suite du chapitre : Tableau 5.1 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard : les étapes de la réalisation du projet Phases Dates Principaux intervenants Reconnaissance préalable Décembre 1992 janvier 1993 Géotechnicien : ESF Travaux d injection Avril à juillet 2003 Maître d ouvrage : RIVP (Régie Immobilière de la Ville de Paris) Maître d œuvre «injections» : SAPC (Société Aimé Paquet Consultant) Entreprise d injection : GEOFI Bureau de contrôle : VERITAS Contrôle des injections Septembre 2003 Géotechnicien : SOLEN Bien que la réalisation de ce projet se soit étalée sur une dizaine d années (plusieurs maîtres d ouvrage s étant succédés), le géotechnicien est resté le même (la société SOLEN est issue de la transformation de la société ESF).

135 Le projet La figure 5.2 montre que l ancien couvent comprend plusieurs bâtiments d une emprise totale au sol de m 2 (au niveau du RdC), qui se répartissent sur un vaste terrain d environ m 2. Ce terrain est subhorizontal, vers + 56 NGF. Ces bâtiments comprennent : Des bâtiments d habitation R+1 à R+3 (A, B, D, E et Est) ; Une chapelle (C). Ils possèdent tous sauf le E- un sous-sol (partiel ou total, débordant ou non). Photo 5.1 Sous-sol Jardin Philippe de Girard Jardin des Oiseaux Emprise du tunnel EOLE 0 10 m Figure 5.2 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard : plan de masse de l existant

136 132 Le tunnel EOLE passe sous le jardin des Oiseaux ; la figure 5.2 indique l emprise de ce tunnel (tunnel proprement dit et zone périmétrique de sécurité) telle qu elle a été définie par la SNCF. Bât. Est Bât. D Photo 5.1 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard : vue des bâtiments Est et D après rénovation (octobre 2007) Les modifications structurelles prévues sont mineures (simple remise en état, recharge de planchers) sauf pour la chapelle (C) qui sera transformée en logements avec création de 3 à 4 planchers ; le détail de ces aménagements est donné par le tableau D.1 (annexe D).

137 Le contexte réglementaire Le site se situe dans le périmètre de risque pour le gypse antéludien et est donc soumis à la réglementation de l Inspection Générale des Carrières à une exception près : l emprise du tunnel EOLE (zone hachurée sur la fig. 5.2), dans laquelle, pour éviter tout désordre à ses ouvrages, la SNCF interdit tous travaux d injection. 5.2 RECONNAISSANCES PREALABLES Généralités Les sondages préalables se sont échelonnés entre août 1990 et janvier 1993 ; la présente synthèse utilise les résultats de la dernière campagne, la plus fournie, réalisée par la société ESF entre le 29/12/1992 et le 27/01/1993, et qui comprenait 27 sondages (25 sondages destructifs enregistrés, avec ou sans essais pressiométriques et 2 sondages carottés, avec un total de 10 diagraphies gamma-ray) Implantation des sondages de la campagne ESF L implantation des sondages de la campagne ESF est donnée par la figure 5.3. On remarque que les sondages sont tous implantés à l extérieur des bâtiments et, pour la presque totalité (23 sur 27), dans la moitié Est de la parcelle. Ceci conduit à une très mauvaise connaissance du sol dans la zone du bâtiment C, bâtiment pour lequel les modifications structurelles les plus importantes sont envisagées. On note, d autre part, l existence d un sondage dans le périmètre du tunnel EOLE.

138 134 SD2 SD9. Anomalies dans le Calcaire de Saint-Ouen o Anomalies dans les Marnes et Caillasses + Aucune anomalie Figure 5.3 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard : implantation des sondages ESF et localisation des anomalies décelées sur le plan de masse de l existant ; les sondages SD2 et SD9 sont étudiées au paragraphe

139 Lithostratigraphie fournie par la campagne ESF La coupe moyenne du sol est résumée dans le tableau 5.2 : Tableau Paris 10 ème, rue Philippe de Girard : coupe moyenne du sol Profondeur (m/tn) Formation 0 à 5/11 Remblais hétérogènes 5/11 à 11/12 Masses et Marnes du gypse s.l. résiduelles : tout ou partie des 3 ème Masse, Marnes infragypseuses et 4 ème Masse 11/12 à 12/13 Sables verts 12/13 à 26/33 Calcaire de Saint-Ouen 26/33 à 39 Sables de Beauchamp 39 à 62/66 Marnes et Caillasses Au-delà de 62/66 Calcaire grossier Le tableau 5.2 met en évidence : Une épaisseur variable mais parfois importante de Remblais, qui confirme les données de l Atlas des carrières (feuilles et 29-37), à savoir que le site se trouve en partie sur d anciennes carrières à ciel ouvert remblayées de gypse (2 ème Masse, voire 3 ème Masse) ; Une épaisseur très variable des Sables de Beauchamp (de 6 à 13 m) mais qui n est corrélée avec aucune variation ni de la cote du toit des Marnes et Caillasses sousjacentes ni de celle du toit du Calcaire de Saint-Ouen sus-jacent ; ceci conduit à attribuer ces changements de puissance à un épisode intervenu soit pendant le dépôt des sables (par exemple, un arrêt de la sédimentation consécutif à une émersion temporaire) soit après l émersion qui a suivi le dépôt des sables et avant l installation du régime laguno-lacustre qui a permis le dépôt du calcaire (par exemple un phénomène d érosion) ; l hypothèse d un affaissement du Beauchamp par un effet de sablier consécutivement à des dissolutions importantes du gypse des Marnes et Caillasses peut donc être écartée.

140 Anomalies Critères d identification Les critères d identification des anomalies comprennent les observations faites par le sondeur (chute d outil par exemple) et une interprétation des enregistrements par le géotechnicien. A titre d exemple nous examinerons les extraits de deux sondages destructifs enregistrés SD2 et SD9, dont l implantation est indiquée par la figure 5.3. Extrait du sondage SD2 (fig. 5.4) Lorsque la vitesse atteint le maximum de l échelle (1000 m/h) ou s en rapproche et que, conjointement, la pression sur l outil est quasiment nulle, une anomalie importante est indiquée : «forte décompaction» (25.50 m à m) ou bien «décompaction et vide» (47.50 m à m). Lorsque la vitesse atteint schématiquement le quart du maximum de l échelle et que la pression sur l outil est très faible ou très irrégulière, une anomalie moins importante du type «décompaction» est relevée (26.50 m à m, m à m, m à m). Si le repérage des anomalies importantes nous semble satisfaisant, en revanche celui des autres décompactions nous paraît plus aléatoire. Ainsi, la vitesse et la pression sur l outil ne sont-elles pas très différentes entre la zone indiquée comme décomprimée entre m et m et les zones qui ne font l objet d aucune mention particulière entre m et m ou bien vers m. En définitive, ce sondage présente deux imperfections : Le diagramme de la pression sur l outil est trop irrégulier, du fait peut-être du type d enregistreur utilisé ; L échelle de vitesse est mal choisie puisque la vitesse maximale réellement atteinte n est pas connue ; aucun essai de chute libre n est d ailleurs fourni dans le rapport.

141 137 Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp Marnes et Caillasses Figure 5.4 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard ; extrait du sondage SD2 de la reconnaissance ESF

142 138 Extrait du sondage SD9 (fig. 5.5) Ce sondage a été réalisé avec une sondeuse et un enregistreur différents ; le diagramme de la pression sur l outil est plus régulier et ceci permet, a contrario, de mieux cerner les zones de faible pression correspondant aux vides et décompactions (vers m puis de m à m). Dans la zone anomalique entre m et m, la différence entre la «forte décompaction» en partie supérieure (jusqu à m) et les «très fortes décompactions précédées d un petit vide» en partie inférieure tient à la pression sur l outil, globalement moins faible en partie supérieure. Mais comme dans le sondage précédent la vitesse maximale réellement atteinte n est pas connue de sorte que cette mention d un «petit vide» ne peut être ni prouvée ni infirmée par le seul enregistrement de paramètres.

143 139 Calcaire de Saint-Ouen Sables de Beauchamp Marnes et Caillasses Figure 5.5 Paris 10 ème, rue Philippe de Girard ; extrait du sondage SD9 de la reconnaissance ESF