CARACTERISATION GEOLOGIQUE D UNE DOLINE A PARTIR DE PROSPECTION GEOPHYSIQUE DE SUB-SURFACE

Transcription

1 CARACTERISATION GEOLOGIQUE D UNE DOLINE A PARTIR DE PROSPECTION GEOPHYSIQUE DE SUB-SURFACE GEOLOGICAL CHARATERIZATION OF A SINKHOLE FROM GEOPHYSICAL INVESTIGATION Olivier LE ROUX 1, Myriam SCHMUTZ 1, Cyril RESPAUD 2, Nicolas FLOUEST 2, Adrien CAMUS 3, Amélie BLONDEL 1, Eloïse BESSIERE 1, Nicolas BLANCHARD 1, Cécile BOBINEAU 1, Céline BONDU 1, Agathe BRIVES 1, Arnaud CASTERAN 1, Alexandros DIMOULEAS 1, Arthur CHAUDIERE 1, Guilhem CHATET 1, Laure CHOPO 1, Ariane COUDERT 1, Gaëlle DELAS 1, Victor DROZ 1, Jean-Baptiste DUBRUEL 1, Marie JULLION 1, Sabrina MARI 1, Bertrand MONTANT 1, Pauline NEVEU 1, Julie NOVO 1, Julie PASSIER 1, Elouann PERARD 1, Laura SIFFRE 1, Florence VINATIER 1. 1 ENSEGID, EA 4592, Pessac, France 2 CETE, Bordeaux, France 3 LIENSs, UMR 7266, La Rochelle, France RÉSUMÉ Les dolines sont des phénomènes karstiques de surface correspondant à des zones de dissolution préférentielles. La doline étudiée se trouve dans les causses du Quercy sur la commune d Orniac (Lot). L objectif de l étude est la caractérisation géologique de cette doline à partir de prospection géophysique de sub-surface. Quatre méthodes géophysiques ont été employées : EM34, géoradar, tomographie électrique et tomographie sismique. L interprétation conjointe de ces différentes méthodes non destructives a permis la caractérisation géologique de la doline, en particulier la géométrie de son remplissage et de son éventuel enracinement. Une asymétrie du remplissage de la doline a ainsi pu être identifiée. ABSTRACT Sinkholes are surface karstic phenomena corresponding to preferential dissolving aeras. The studied sinkhole is located in the Quercy Causses in the vicinity of Orniac (Lot). Such a study aims at defining the geological characterization of this sinkhole from geophysical survey. Four geophysical methods were used: EM34, GPR, electrical tomography and seismic tomography. The gathered interpretation of these various non-destructive methods made it possible to get a geological characterization of the sinkhole, especially its filling up geometry and its prospective rooting. An assymetry in the filling up of the sinkhole could thus be identified. 1. Introduction Les dolines sont des phénomènes karstiques de surface correspondant à des zones de dissolution préférentielles et traduisent des mouvements de terrain du sous-sol de type affaissement ou effondrement. Bien que peu impressionnantes et souvent bien intégrées dans les paysages, ces dernières sont fréquemment reliées au système 223

2 hydrologique et peuvent se réactiver. Leur caractérisation géologique est donc indispensable pour l estimation du risque géologique qu elles sont susceptibles de représenter lors d aménagements futurs. Les techniques géophysiques appliquées à la caractérisation des milieux karstiques se développent depuis une quarantaine d années. Les problématiques dans ce type de milieu sont nombreuses et s articulent en général autour de la description du réservoir (conduits, épikarst, densité de fracturation) ainsi que de sa fonctionnalité. Les méthodes géophysiques couramment utilisées pour l ensemble de ces aspects peuvent être utilisées en surface, en forage ou en aérien. Un état des lieux représentatif de la description et du cadre de prospection de l ensemble des méthodes géophysiques appliquées au karst peut être consulté dans les recueils publiés lors du congrès USGS en 2005 (Kunianski et al., 2005). Dans le cadre du parcours Risques du Master 2 Géoressources et Environnement de l institut EGID, deux stages de terrain de quatre jours ont été effectués sur la commune d Orniac dans le Quercy (Lot) en 2010 et 2011 de manière à caractériser une doline au moyen des méthodes géophysiques suivantes : EM34, tomographie électrique, sismique réfraction et géoradar. Les causses du Quercy sont des grands plateaux calcaires, soumis à d importants risques d effondrements karstiques et à des risques de pollutions chroniques dus à la vulnérabilité de l aquifère karstique. Parmi les formes d érosion en contexte karstique, la doline se matérialise à la surface du sol par une dépression topographique de forme globalement circulaire pouvant mesurer de quelques mètres à une centaine de mètres de diamètre. Astruc et Simon-Coinçon (2008) ont proposé une classification des dolines en fonction de leur forme. L objectif de cette étude était de définir la géométrie en profondeur de cette doline à partir de méthodes d investigation non destructives et ainsi d identifier les possibles risques de mouvements de terrain liés à d éventuelles zones instables susceptibles de s effondrer. La caractérisation de la doline consiste à déterminer l épaisseur d argile de remplissage, la répartition spatiale de ce remplissage, la présence de cavité souterraine ou encore la présence d un enracinement argileux. Cette étude peut être mise en parallèle avec celle de Valois et al. (2011) qui ont également étudiées plusieurs dolines des causses du Quercy par des méthodes géophysiques similaires. 2. Présentation du site 2.1. Contexte géologique Le département du Lot se situe sur la partie orientale du Bassin Aquitain, au pied du Massif Central (figure 1a). Le Lot est situé sur deux unités structurales : le Ségala qui appartient au Massif Central et le Limargue, les causses, la Bouriane et le Quercy Blanc qui sont inclus dans le bassin Aquitain (Astruc et al., 2008b). Les causses du Quercy sont constituées de plateaux calcaires jurassiques et triasiques s'étendant sur environ 8000 km 2. D'une altitude moyenne de 350 mètres, elles sont incisées par deux vallées principales : la Dordogne au nord et le Lot au 224

3 sud. Ces plateaux calcaires ont subi érosion et dissolution durant plus de 80 millions d années et présentent des morphologies karstiques caractéristiques : dolines, grottes, gouffres, réseaux de vallées sèches sillonnant la surface du plateau et buttes isolées (Astruc et al., 2008a ; Astruc et al., 2008b). Figure 1. a. Carte géologique et structurale de la zone d étude ; le site d étude est schématisé par le rectangle noir ; modifiée d après Astruc et al., 2008a. b. Photographie aérienne (source : géoportail IGN) de la doline étudiée avec la localisation de la prospection géophysique réalisée 2.2. Présentation du site d étude La doline étudiée est localisée sur une parcelle agricole située sur la commune d Orniac (doline 1, figure 1b). Au sein de la doline, les terrains naturels affleurants correspondent à des formations de remplissages caractérisées par des cailloutis à matrice argilo-sableuse (Astruc, 1992). Elles reposent sur la formation de Vers constituée par des calcaires micritiques bioturbés du Jurassique (Astruc, 1992). Quatre méthodes géophysiques ont été mises en place sur le site d étude (figure 1b). Tout d abord, une prospection électromagnétique basse fréquence EM34 a été réalisée avec un espacement entre les bobines de 10 m (fréquence de 6400 Hz) selon un maillage régulier de 20 m (cartographie étendue) et de 5 m (cartographie resserrée) de manière à obtenir une carte de résistivité apparente de la zone sur une profondeur d investigation d environ 7,5 m (champ horizontal) et 15 m (champ vertical). Six profils combinant des tomographies électriques, des tomographies sismiques et du géoradar ont ensuite été déployés. Soixante-quatre électrodes espacées de 2 m avec un dispositif Wenner-Alpha et vingt-quatre géophones verticaux 14 Hz espacés de 2 m avec neuf tirs marteau pour respectivement les tomographies électriques et sismiques ont été utilisés. Les profils de géoradar ont été 225

4 conduits avec des antennes de fréquence centrale 400 MHz de manière à obtenir une résolution décimétrique et atteindre une profondeur d auscultation pluri-métrique. Cette méthode a été appliquée dans les secteurs identifiés comme présentant des terrains relativement résistants, contexte favorable à cette méthode géophysique. 3. Présentation des résultats 3.1. Cartographie EM34 La figure 2 présente les cartes de résistivités apparentes obtenues à partir de la prospection EM34 des cartographies étendues et resserrées avec un champ horizontal (profondeur d investigation de 7,5 m environ) et avec un champ vertical (profondeur d investigation de 15 m environ). Figure 2. Résultat de la cartographie EM34. a. Champ horizontal, cartographie étendue. b. Champ horizontal, cartographie resserrée. c. Champ vertical, cartographie étendue. d. Champ vertical, cartographie resserrée La cartographie étendue (figures 2a et 2c) met clairement en évidence, au sud de la doline 1, des résistivités électriques apparentes constantes (entre 250 et 500 ohm.m) quelque soit le champ considéré, démontrant une homogénéité à la fois spatiale et verticale des terrains calcaires dans cette zone. Les résistivités apparentes mesurées au sein de la doline 1 sont en moyenne plus faibles et caractérisent la 226

5 présence d argile. Une zone fortement résistante (> 2000 ohm.m) est néanmoins observée dans la partie sud de la doline et pourrait correspondre à des terrains calcaires très fracturés. La cartographie resserrée à l intérieur de la doline 1 permet une meilleure caractérisation de la variabilité des mesures au sein de cette doline (figures 2b et 2d) Les résistivités apparentes mesurées varient de 50 à 500 ohm.m. Pour le champ horizontal (figure 2b), les zones de plus faibles résistivités (< 200 ohm.m) correspondent bien au remplissage argileux de la doline (trait pointillé blanc et orange, figure 2b). Les zones de plus fortes résistivités (> 300 ohm.m) sont corrélées avec le calcaire sub-affleurant. Sur le champ vertical (figure 2d), les valeurs de résistivités apparentes sont en moyenne plus importantes (> 300 ohm.m) ce qui implique un toit du substratum calcaire localisé à une profondeur comprise entre 7,5 et 15 m. Une anomalie de faible résistivité apparente (entre 50 et 200 Ω.m) est néanmoins détectée au sud-ouest du centre de la doline. Ce contraste de résistivité d orientation nord-ouest sud-est pourrait correspondre à une zone préférentielle de remplissage par des argiles de la doline ou à un enracinement argileux (trait pointillé blanc et jaune, figure 2d) Profils électriques, sismiques et géoradars Les figures 3, 4 et 5 présentent les résultats de la prospection géophysique réalisée ainsi que l interprétation géologique conjointe à ces différentes méthodes le long des profils P1 (figure 3), P3 (figure 4) et P5 (figure 5). Sur l ensemble des profils, 2 principales zones peuvent être mises en évidence au sein de la doline : une couche de faible résistivité (< 400 ohm.m, figures 3a, 4a et 5a) et faible vitesse sismique des ondes P (< 1400 m/s, figures 3b, 4b et 5b) correspondant probablement aux argiles de remplissage non saturées reposant sur des terrains où la résistivité électrique et la vitesse sismique des ondes P augmente brutalement à des valeurs respectivement supérieure à 1600 ohm.m (trait pointillé mauve, figures 3a, 4a et 5a) et 2500 m/s (trait pointillé violet, figures 3b, 4b et 5b). Une bonne correspondance entre ces deux interfaces est observée (figures 3d, 4d et 5c). Cette zone est interprétée comme étant le substratum calcaire plus ou moins altéré comme l indique les valeurs de résistivités et de vitesses similaires obtenues vers les bords des profils où le substratum calcaire affleure. Une zone, d orientation sud-ouest nord-est, de plus faible résistivité au sein de cette zone ( ohm.m) est observée sur le profil P3 (figure 4a). Cette zone pourrait être corrélée avec l anomalie conductrice mesurée sur la cartographie d EM34 en champ horizontal (figure 2d) et correspondre à un éventuel enracinement argileux de la doline. Le radargramme obtenu dans la partie sud du profil P1 (figure 3c) met en évidence une première couche de sol, de nature argileuse, marquée par une forte atténuation des ondes sur quelques dizaines de centimètres d épaisseur. Une réflexion bien visible marque ensuite l entrée dans le substratum calcaire. Au sein de cette zone, une anomalie est visible sous la forme d hyperbole de diffraction (cercle vert) pouvant être interprétée comme étant liée à une cavité, de dimension métrique, «vide» de 227

6 part l analyse de polarité des ondes radars. Une atténuation importante des ondes radars est ensuite observée plus au nord, et confirme le remplissage argileux de la doline. Le radargramme obtenu pour l extrémité sud-ouest du profil P3 (figure 4c) met en évidence une première couche de sol, de nature argileuse, marquée par une forte atténuation des ondes sur quelques dizaines de centimètres d épaisseur. Une réflexion bien visible marque ensuite l entrée dans le substratum calcaire altéré. Au sein de cette zone, une seconde réflexion est ensuite visible pouvant être interprétée comme le passage dans le substratum calcaire compact. L interprétation conjointe de ces investigations géophysiques indique un remplissage argileux uniforme de la doline d environ 5 à 8 m d épaisseur le long du profil P1 (figure 3d) et clairement asymétrique sur les profils P3 (figure 4d) et P5 (figure 5d), l épaisseur d argile atteignant 10 m dans la partie ouest de la doline pour seulement 0 à 2 m dans sa partie est. Cette interprétation est en bonne adéquation avec les résultats des cartographies d EM34 (figure 2). Figure 3. Présentation des résultats le long du profil P1. a. Tomographie électrique. b. Tomographie sismique. c. Géoradar (échelle dilatée par 2). d. Interprétation géologique 228

7 Figure 4. Présentation des résultats le long du profil P3. a. Tomographie électrique. b. Tomographie sismique. c. Géoradar (échelle dilatée par 2). d. Interprétation géologique Figure 5. Présentation des résultats le long du profil P5. a. Tomographie électrique. b. Tomographie sismique. c. Interprétation géologique 229

8 4. Interprétation et conclusion La doline se matérialise à la surface du sol par une dépression de forme globalement circulaire. Le remplissage de la doline étudiée est caractérisé par des argiles sableuses, provenant d'altérites. Les différentes méthodes géophysiques ont permis une caractérisation géologique précise de la doline et sa cartographie sous-terraine. Ainsi, les méthodes électromagnétiques basse fréquence et les tomographies sismiques et électriques ont mis en évidence une zone de remplissage argileuse d une vingtaine de mètres de diamètre et de 10 mètres de profondeur environ. La synthèse des données nous permet de remarquer un remplissage asymétrique de la doline par l argile avec un possible enracinement orienté sud-ouest nord-est (figure 6). Aux vues des données géophysiques et de la bibliographie, il semblerait que cette doline soit de type cuvette avec une dissymétrie structurale. Enfin la prospection géoradar a permis d identifier des cavités, localisées au sud-ouest de la doline, de dimension métrique au sein du substratum calcaire (figure 6). Figure 6. Carte (a) et coupe (b) schématique de la doline réalisées à partir de l interprétation conjointe des investigations géophysiques Références bibliographiques Astruc JG. (1992). Notice de la carte géologique de Saint Gery, BRGM. Astruc JG. et Simon Coinçon R. (2008). Les dépressions karstiques sur les causses du Quercy, Journées AFK/AGSO/CFH 11, 12, 13 et 14 septembre 2008 Excursions en Quercy Livret Guide, Astruc JG., Bruxelles L., Ciszak R. (2008a). La série stratigraphique des Causses du Quercy, Journées AFK/AGSO/CFH 11, 12, 13 et 14 septembre 2008 Excursions en Quercy Livret Guide, Astruc JG., Bruxelles L., Simon Coinçon R. (2008b). Les principales étapes de la morphogenèse caussenarde, Journées AFK/AGSO/CFH 11, 12, 13 et 14 septembre 2008 Excursions en Quercy Livret Guide, Kuniansky EL. (2011). U.S. Geological Survey Karst Interest Group Proceedings, Fayetteville, Arkansas, April 26 29, 2011: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report , pp Valois R., Camerlynck C., Dhemaied A., Guérin R., Hovhannissian G., Plagnes V., Rejiba F., Robain H. (2011). Assessment of doline geometry using geophysics on the Quercy plateau karst (south France), Earth Surf Processes and Landforms, 39(9),