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Dynamique et contribution à l’érosion himalayenne des méga-glissements de terrain

Thèse de doctorat - date limite de candidature 20 juin 2019 (POSTE POURVU)

English version : Dynamics of giant landslides and their contribution to Himalayan erosion

Résumé du sujet : Les chaînes de montagne sont le lieu d’une activité érosive intense et sont affectées par de nombreux mouvements et glissements de terrain. Ces mouvements de terrain présentent des tailles et des vitesses d’évolution extrêmement variables, et peuvent donner lieu à des méga-glissements, c’est à dire des glissements catastrophiques mobilisant plusieurs kilomètres cube de roche. Ces phénomènes, du fait de leur rareté, ont été assez peu étudiés dans le détail en dépit du fait qu’ils impliquent des problèmes d’aléas et de risques potentiellement dévastateurs, et qu’ils présentent un intérêt majeur dans la compréhension des vitesses et modalité de l’érosion à long terme des orogènes.

L’objectif de la thèse sera de mieux identifier les méga-glissements himalayens, qu’ils soient très lents et évolutifs, ou rapides, afin de contraindre leur âge et de caractériser leur récurrence dans une région donnée (une étude récente de Marc et al. (2019) suggère qu’ils participent environ pour moitié au budget global de l’érosion himalayenne), de mieux comprendre leurs causes et leur évolution afin d’apporter des éclaircissements sur les aléas gravitaires, ainsi que sur les conséquences de ces glissements dans l’érosion des chaînes de montagne.

Le projet de thèse comprend un volet d’étude d’objets naturels et un volet de modélisation numérique :

  • Le premier volet s’intéressera à l’étude de méga-glissements bien identifiés, qu’ils en soient au stade précoce sous forme de grands glissements de versant lents et évolutifs de type DSGSD (Deep Seated Gravitationnal Slope Deformation), ou qu’ils aient donné lieu à des grands glissements catastrophiques. Dans le détail, il s’agira d’identifier en imagerie satellitaire les escarpements au Népal central indiquant l’activité des DSGSD, puis de caractériser cette activité à partir de topographies numériques haute résolution, d’étude de terrain pour décrire les objets et leur contexte, et de datation des escarpements ou de moraines décalées par isotopes cosmogéniques (CRN). En complément, la description et la datation de quelques très grands dépôts de glissements (stade ultime de la déstabilisation du versant) par C14, CRN ou OSL seront effectuées afin d’estimer leur fréquence moyenne d’occurrence ainsi que les volumes mobilisés.
  • Le volet de modélisation numérique sera consacré à la mise en œuvre de modèles mécaniques dont l’objectif sera d’étudier de manière systématique et paramétrique les conditions requises pour créer, propager et déstabiliser de grands glissements de versant. Ces modèles seront développés au sein du code open source YADE DEM, basé sur la méthode des éléments discrets dont l’intérêt principal est sa capacité à décrire explicitement les mécanismes de rupture progressive (initiation, coalescence et propagation des fractures) à l’origine des grands glissements. La compréhension des phénomènes en jeu permettra notamment d’explorer les conditions requises à l’évolution des méga-glissements en Himalaya.

Thématiques : Erosion et aléas naturels

Objectifs : Il existe en Himalaya une grande diversité de glissements de versant majeurs associés à de forts enjeux sociétaux, humains et/ou économiques. Les questions sont nombreuses, tant du point de vue de l’inventaire des versants actuellement instables et sujets à des DSGSD plus ou moins actifs, qu’à la fréquence d’occurrence des glissements catastrophiques donnant lieu à des dépôts de plusieurs kilomètres cube. Une des questions majeures porte sur les conditions qui font qu’un glissement de versant évolue graduellement, quitte à se faire cannibaliser progressivement par des glissements secondaires très actifs (Gallo et Lavé, 2014), ou au contraire glisse de manière catastrophique. Dans le cas de l’Himalaya, il semblerait qu’il y ait un lien partiel avec la localisation physiographique des versants : sur le flanc sud, très arrosé, on trouve plutôt le premier type de glissement, alors que les dépôts catastrophiques ont été décrits presqu’exclusivement à haute altitude, en flanc nord. Est-ce un problème de préservation, ou plutôt une relation aux surcreusements glaciaires à haute altitude, ou même encore à un couplage entre fracturation profonde et altération en flanc sud permettant un glissement plus progressif ? Dans tous les cas, cette question est fondamentale pour établir proprement la répartition de l’aléa gravitaire incluant les différents phénomènes et risques explicités précédemment.

L’objectif de la thèse est d’apporter des éléments de réponse à l’ensemble des questions posées. Ainsi, il est proposé :

  • d’étudier des DSGSD majeurs afin de caractériser le contexte structural, l’amplitude des déplacements sur les fractures et les vitesses de glissement.
  • de compléter le catalogue existant des glissements géants au Népal central (>1 km3) par des observations et des datations additionnelles sur des dépôts déjà identifiés.
  • d’effectuer un travail de modélisation numérique pour étudier la stabilité des versants et l’évolution des DSGSD, avec , à terme, l’objectif d’intégrer l’effet des circulations de fluides et des altération profondes afin d’expliquer les disparités apparentes entre flancs nord et sud de la haute chaîne himalayenne.

Méthodes et approche scientifique : Le travail de thèse portera sur deux axes complémentaires :

Caractérisation des DSGSD et des méga-glissements

Un examen détaillé du Népal central a déjà permis d’identifier de nombreux escarpements le long des flancs et des crêtes dans la haute chaîne himalayenne, dont plusieurs zones de fractures majeures, plurikilométriques, présentant un mouvement de composante normale. Pour contraindre l’amplitude et la direction du mouvement sur ces sites, des MNT haute résolution en tri-stéréo avec des images Pléiades ont été réalisés (collaboration avec Yann Klinger (IPGP)), et permettront d’analyser de manière préliminaire les escarpements et leur évolution suivant l’orientation et la pente des versants.

Deux missions à l’automne 2019 et 2020 seront par ailleurs dédiées à l’étude sur le terrain de ces escarpements en documentant leur position structurale par rapport aux grandes failles régionales, leur orientation par rapport à la foliation et aux familles de fractures. Elle sera également dédiée à la collecte d’échantillons pour des datations 10Be cosmogénique au niveau de miroirs d’escarpement potentiels et au niveau de blocs de moraines décalées par les fractures actives. En complément, une à deux petites tranchées seront creusées pour contraindre davantage la chronologie des déplacements sur ces fractures via une étude de type paléosismologique et des datations 14C sur tourbes et débris organiques.

En parallèle, les missions de terrain auront pour objet de compléter le catalogue existant des glissements géants au Népal central (5 glissements compris entre 1 et 15 km3) par des observations et des datations nouvelles sur quelques (2 ou 3) méga glissements en flanc nord des Annapurnas ou au nord de Kathmandu identifiés en image satellite. Le travail de terrain se focalisera sur la description des brèches, les volumes mobilisés et la zone source des glissements (traçage lithologique et géochimique - collaboration avec C. France-Lanord au CRPG). La datation de ces glissements se fera suivant les contextes et affleurements disponibles via le 14C sur la matière organique piégée en base de glissement, par isotopes cosmogéniques mesurés sur les blocs des surfaces préservées des dépôts de glissement, ou encore par datation OSL/IRSL des frictionnites (coll. avec Pierre Valla, Isterre).

Les échantillons de 10Be seront traités au CRPG par l’étudiant et par un technicien dédié, tandis que la mesure du 36Cl dans les échantillons carbonatés aura lieu le cas échéant en collaboration avec avec L. Benedetti (Cerege).

Modélisation numérique de la dynamique des glissements et DSGSD

Il s’agira pour le doctorant de se former tout d’abord à l’utilisation du code de calcul YADE DEM (Scholtès et Donzé, 2012 _ https://yade-dem.org/) sous la supervision d’un spécialiste de ce code, afin d’améliorer notre compréhension des facteurs mécaniques qui sous-tendent la déstabilisation des versants. Le choix d’un tel code est motivé par ses capacités à décrire l’apparition de nouvelles fractures au fur et à mesure de la déformation, et ce jusqu’à l’effondrement soudain du versant, ainsi qu’à la possibilité qu’il offre de suivre l’effondrement "granulaire" des produits bréchifiés en résultant.

Le premier objectif de l’étudiant sera d’étudier la stabilité des versants dans un cas simple (chaînon triangulaire) en 2D et de regarder les conditions d’apparition et la géométrie des fractures dans les versants, d’étudier le rôle de la hauteur des versants, le rôle de la foliation ou des familles de fractures pré-existantes, et d’explorer l’impact des surcreusements glaciaires en base de vallées suivant l’amplitude du sur-creusement. Il s’agira entre autre d’analyser les conditions qui favorisent l’évolution des DSGSD conduisant à un effondrement soudain.

Dans un second temps, l’étudiant construira des simulations en 3D, à la fois pour des études paramétriques pour prolonger les approches 2D précédentes, mais également pour contraindre les paramètres des modèles dans le cas des glissements géants et DSGSD himalayens étudiés sur la base des observations de terrain de la géométrie des fractures et de leur vitesse de fonctionnement.

Suivant le degré d’avancement de la thèse, et la motivation du doctorant, il est envisagé d’intégrer de manière simplifiée des couplages avec circulations fluides et altérations profondes. Là encore, le but sera de comprendre si l’ajout de ces processus hydrologiques ou chimiques favorise ou inhibe la rupture brutale et permet par exemple d’expliquer les différences observées en Himalaya entre flancs nord arides et froids, et flancs sud plus chaud et arrosés.

Suivant les compétences et l’intérêt du doctorant, l’emphase sur un des deux volets pourra être privilégiée. Néanmoins, la programmation et l’utilisation de modèles numériques constitueront une partie importante du travail de doctorat.

Compétences et formation pour le doctorant : Le doctorant au travers de cette thèse devrait acquérir diverses compétences. Il se formera au travers de diverses collaborations, soit de manière approfondie, soit de manière plus partielle à :

  • l’étude de terrain des glissements de versant, des glissements de terrain, des dépôts de vallées (des dépôts de brèches jusqu’aux dépôts de terrain), du contexte structural, des stratégies d’échantillonnage pour la datation
  • la modélisation numérique, à travers notamment la méthode des éléments discrets
  • la géomécanique
  • l’analyse de données et confrontation données/modèle, et la synthèse entre des approches méthodologiques distinctes
  • aux techniques de datation, notamment préparation des cibles cosmogéniques en 10Be
  • l’analyse d’images satellite et la construction de modèles numériques de terrain à partir d’images stéréo ou tri-stéréo

Les travaux de thèse seront par ailleurs valorisés au travers de présentation dans des congrès internationaux et la publication d’articles scientifiques dans des revues internationales de premier plan.

Candidature : Profil et compétences recherchées : Les candidats doivent à minima être détenteurs d’un diplôme de master 2 ou d’ingénieur dans le domaine des géosciences. Une formation solide en sciences de la Terre, en géophysique, ou en géomécanique est indispensable, avec de préférence une expérience de recherche en géomorphologie quantitative, mécanique des roches, ou modélisation numérique. Une aptitude à communiquer et à rédiger des articles scientifiques en anglais est également attendue.

Directeurs de thèse : Jérôme Lavé (CRPG, Université de Lorraine), Luc Scholtès (GeoRessources, Université de Lorraine). Collaborations : Y. Klinger (IPGP), C. France-Lanord (CRPG), L. Benedetti (Cerege), P. Valla (Isterre)

Date de fin du financement : 01/10/2020 à 30/09/2022

Employeur : CNRS (bourse Région Grand Est/CRPG)

Financement : Financements acquis de l’Université de Lorraine, et du pôle OTELo.

Candidature à envoyer à luc.scholtes@univ-lorraine.fr et jlave@crpg.cnrs-nancy.fr, en incluant un CV et une lettre de motivation.




publié vendredi 24 mai 2019