Surveillance sismologique des glaciers rocheux : pour mieux contraindre un risque émergent

Seismic monitoring of rock glaciers : towards understanding an emerging risk

• Auteur / Autrice : Antoine Guillemot
• Direction : Laurent Baillet, Agnes Helmstetter, Eric Larose
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Vergne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Voisin, Florence Naaim-Bouvet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guilhem Barruol, Alec Van Herwijnen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glaciers rocheux

Éléments finis, Méthode des

Sismologie

Bruit

Mots clés libres

Bruit de fond

Sismologie

Fréquence de résonance

Éléments finis

Noise

Seismology

Resonance frequency

Résumé

Au sein des régions de permafrost de montagne, les glaciers rocheux désignent des formations périglaciaires composées d’un mélange de débris rocheux de granulométrie variable et de matériaux gelés en profondeur. Parmi eux, les glaciers rocheux actifs présentent des vitesses de déplacement de surface de l’ordre du m/an, témoignant d’une dynamique de déformation en profondeur régie par des processus thermo-hydro-mécaniques. Ainsi, leur rôle dans l’apport de sédiments mobilisables en laves torrentielles peut être important, de même que les risques naturels émergents liés à leur déstabilisation. En soutien du suivi cinématique, les méthodes géotechniques et géophysiques permettent d’investiguer en profondeur un glacier rocheux, mais restent ponctuelles et discontinues. En revanche, les méthodes de sismologie environnementale, déjà éprouvées pour la surveillance de glissements de terrain, permettent d’enregistrer des données sismiques continues rendant compte de l’état de la subsurface ; l’objet de cette thèse est donc d’appliquer ces techniques de sismique passive à la surveillance des glaciers rocheux.Deux sites actifs ont donc été instrumentés pendant plusieurs années : le glacier rocheux de Gugla (Valais, Suisse) et celui du Laurichard (Hautes-Alpes, France). À partir des données sismiques recueillies, plusieurs méthodes leur ont été appliquées : corrélation de bruit de fond, microsismicité, analyse spectrale. De façon générale, la variation relative de la vitesse de propagation des ondes de surface (dv/v) montre des variations saisonnières significatives : celle-ci atteint un maximum en fin d’hiver, avant de chuter lors de fonte printanière et d’atteindre un minimum en période estivale. De même, les fréquences de résonance propres aux glaciers rocheux, repérées au sein du contenu spectral du bruit de fond sismique, suivent un même régime saisonnier. Nous interprétons ces observations comme l’effet du processus de gel et de dégel sur la rigidité globale du glacier rocheux.Afin de modéliser la variation des paramètres élastiques du milieu due à ce processus de gel, nous avons utilisé un modèle poro-élastique de Biot-Gassmann à trois phases, assimilant le glacier rocheux à un matrice poreuse solide dont les pores sont remplis d’eau liquide ou de glace. Les paramètres du modèle ont été contraints par les résultats des prospections de géophysique active réalisées en été sur chacun des sites. Les grandeurs observables (dv/v et fréquences de résonance) ont ensuite été modélisées, respectivement par comparaison de courbes de dispersion et analyse modale par éléments finis. Les résultats sont en adéquation avec les observations, améliorant ainsi la quantification et la localisation des phénomènes de gel et de dégel saisonniers au sein des glaciers rocheux.De même, la décorrélation (Kd) des intercorrélations de bruit de fond, de même que la variabilité journalière de la densité de puissance spectrale, augmentent fortement lors des épisodes de fonte. Ces observations permettent alors de mieux dater et localiser l’infiltration d’eau liquide au sein de la matrice poreuse.En parallèle de la modélisation des processus physiques, une approche empirique définissant des seuils d’alerte peut également être adoptée, permettant d’intégrer la surveillance sismologique des glaciers rocheux dans des systèmes d’alerte opérationnels.

Within mountain permafrost regions, rock glaciers refer to periglacial formations composed of a mixture of rock debris of varying size and frozen materials at depth. Among them, active rock glaciers exhibit surface displacement velocities of the order of m/year, reflecting deep-seated deformation dynamics governed by thermo-hydro-mechanical processes. Thus, their contribution to the sediment transfer that can be mobilized in torrential flows may be substantial, as well as the emerging natural risks linked to their destabilization. In support of kinematic monitoring, geotechnical and geophysical methods can be used to investigate a rock glacier at depth, but remain punctual and discontinuous. On the other hand, environmental seismology methods, already applied to landslide monitoring, allow continuous seismic recordings, reporting the state of the subsurface; the aim of this thesis is therefore to apply these passive seismic techniques to the monitoring of rock glaciers.Two active sites have thus been instrumented for several years: the Gugla rock glacier (Valais, Switzerland) and the Laurichard rock glacier (Hautes-Alpes, France). Several methods were applied to these seismic data: ambient noise correlation, microseismicity and spectral analysis. In general, the relative variation of the surface wave velocity (dv/v) shows significant seasonal variations: it reaches a maximum at the end of winter, before dropping during spring melt and reaching a minimum in summer. Similarly, the resonance frequencies specific to rock glaciers, that have been picked within the spectral content of the seismic ambient noise, follow the same seasonal pattern. We interpret these observations as the effect of freeze-thawing processes on the averaged stiffness of the rock glacier.In order to model the variation in the elastic parameters of the medium due to this freezing process, we used a three-phase Biot-Gassmann poroelastic model, considering the rock glacier as a solid porous matrix with pores filled with liquid water or ice. The parameters of the model were constrained by the results of active geophysical surveys carried out in summer at each of the sites. The observed variables (dv/v and resonance frequencies) have then been modelled by comparison of dispersion curves and modal analysis, respectively. The results are consistent with the observations, thus improving the quantification and localization of seasonal freezing and thawing processes within rock glaciers.Similarly, the decorrelation (Kd) of the ambient noise cross-correlations, as well as the daily variability of the spectral power density, increase sharply during melting periods. These observations make it possible to better date and locate liquid water infiltration within the porous matrix.In parallel with modelling of physical processes, an empirical approach defining alert thresholds can also be adopted, towards the integration of this seismic monitoring of rock glaciers into early warning systems.