Soutenance de thèse - Kevin ELKHARRAT

La soutenance de thèse de Kevin ElKHARRAT aura lieu le jeudi 28 Novembre 2024 à 14h à Sorbonne Université, sur le campus Pierre et Marie Curie (4 place Jussieu, 75005, Paris) dans la salle de conférence de l’UFR TEB (Tour 46-56, 2e étage),

Les mouvements de terrain de la bordure méridionale du plateau du Larzac : intégration de la géologie structurale et modélisation

Jury composé de :

Michel Jaboyedoff, Université de Lausanne - Rapporteur

Alfredo Taboada, Université de Montpellier - Rapporteur

Claudio Rosenberg, Sorbonne Université - Examinateur

Yannick Thiery, BRGM - Examinateur

Yann Rolland, Université Savoie Mont Blanc - Examinateur

Catherine Homberg, Sorbonne Université - Directrice de thèse

Sara Lafuerza, Sorbonne Université - Co-directrice de thèse

Muriel Gasc, Cerema - Co-encadrante

Nadaya Cubas, Sorbonne Université - Invitée

Stéphanie Gautier, Université de Montpellier - Invitée

Nicolas Loget, Sorbonne Université - Co-encadrant/Invité

Pour celles et ceux qui le souhaitent, le lien ci-dessous vous permettra d’y assister à distance en visioconférence :

https://zoom.us/j/95278315242?pwd=9Z5Zy6uakxy7UVUWbujUpUJq2xeEOP.1

ID de réunion: 952 7831 5242

Code secret: 508576

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Landslides on the southern edge of the Larzac plateau: integration of structural geology and modelling.

The defence will be conducted in French and will take place on Thursday, November 28th, 2024, at 2 p.m. at Sorbonne University, on the Pierre et Marie Curie campus (4 place Jussieu, 75005, Paris), in the conference room of the UFR TEB (Tower 46-56, 2nd floor)

jury composed of:

Michel Jaboyedoff, Université de Lausanne - Reviewer

Alfredo Taboada, Université de Montpellier - Reviewer

Claudio Rosenberg, Sorbonne Université - Examiner

Yannick Thiery, BRGM - Examiner

Yann Rolland, Université Savoie Mont Blanc - Examiner

Catherine Homberg, Sorbonne Université – Director

Sara Lafuerza, Sorbonne Université – Co-Director

Muriel Gasc, Cerema – Co-supervisor

Nadaya Cubas, Sorbonne Université – Guest member

Stéphanie Gautier, Université de Montpellier – Guest member

Nicolas Loget, Sorbonne Université - Co-supervisor/ Guest member

For those who wish, you can attend remotely by videoconference using the link below:

https://zoom.us/j/95278315242?pwd=9Z5Zy6uakxy7UVUWbujUpUJq2xeEOP.1

ID de réunion: 952 7831 5242

Code secret: 508576

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Résumé

L’étude des anciens mouvements de terrain est cruciale car ils témoignent des conditions climatiques et géomorphologiques passées, offrant ainsi des indications précieuses sur les changements climatiques à travers le temps. De plus, ces paléo-mouvements de terrain peuvent être réactivés par des facteurs naturels ou anthropiques, représentant ainsi un risque pour les zones concernées. Au cours de cette thèse, nous avons mené des travaux sur sept mouvements de terrain de la bordure méridionale du plateau du Larzac. Ils ont été caractérisés en combinant la télédétection (imagerie satellitaire, photogrammétrie et imagerie LIDAR) et des relevés de terrain. La fracturation du massif rocheux a été analysée en détail. Grâce aux nucléides cosmogéniques (36Cl), l'âge d'exposition des cicatrices et des blocs associés à celles-ci a été déterminé. La caractérisation mécanique in-situ a été effectuée avec le Rock Mass Rating (RMR) et le Geological Strength Index (GSI), complétée par des essais en laboratoire. Plusieurs scénarios de rupture ont été modélisés à l’aide des logiciels OptumG2 et 3DEC, en s’appuyant sur le calcul du facteur de réduction de la résistance (Strength Reduction). La caractérisation géomorphologique a mis en évidence que les sept mouvements de terrain étudiés appartiennent à deux grands types : (i) les glissements roto-translationnels (celui de Pégairolles-de-l’Escalette et le Frontal, Montlau, et la Carrière) et (ii) les extensions latérales des roches (Lamerallède, Mont Mayres et le Cabanis). Ces mouvements de terrain se développent dans un milieu multicouche composé de dolomies et calcaires jurassiques (Hettangien), de grès dolomitisés et de marnes triasiques (Rhétien) reposant sur des argiles à évaporites (Norien-Carnien). Des grès du Ladinien, présents en dessous, pourraient jouer un rôle de socle mécanique. Les glissements roto-translationnels impliquent des blocs avec des pendages à contre-pente et des surfaces de rupture raides en subsurface qui s'aplatissent en profondeur dans un niveau d’évaporites au sein des argiles. Les extensions latérales montrent des blocs basculés dans le sens de la pente et des bombements topographiques. L’unité carbonatée est affectée par deux réseaux denses de discontinuités N-S et E-O. Ces réseaux de discontinuités contrôlent la localisation de la surface de rupture, les basculements des blocs ainsi que la limitation latérale des mouvements de terrain. Les glissements roto-translationnels possèdent des volumes estimés entre 9.4 et 33.6 millions de m3 et des surfaces estimées entre 1.9 et 3.4 x 10⁵ m² avec des âges entre 8.23 ± 2.69 à 18.72 ± 5.55 ka. En comparaison, les surfaces estimées pour les extensions latérales varient de 2.5 x 104 à 1.3 x 10⁵ m², soit jusqu’à un ordre de grandeur inférieur. Leurs surfaces sont également plus jeunes, entre 3.92 ± 1.38 à 4.04 ± 1.2 ka. Les rejets pour les glissements roto-translationnels sont également plus élevés (60 à 130 m) par rapport à ceux des extensions latérales (15 à 20 m). Les datations ont révélé trois périodes principales d’occurrence de mouvements de terrain d’environ : 19 ± 5 ka, 10-8 ± 2.7 ka, et 4 ± 1.4 ka. Les carbonates montrent des modules de Young (Edyn) et de cisaillement (Gdyn) dynamiques obtenus par mesures des ondes élastiques P et S nettement plus élevés (59.8 et 25 GPa) que ceux obtenus en laboratoire (26.6 et 10.7 GPa). L'unité argileuse présente une élasticité (déterminée par des mesures soniques dans un forage de suivi de l’OMIV du glissement de Pégairolles-de-l’Escalette) beaucoup plus faible (Edyn : 7.5 GPa et Gdyn : 3.75 GPa) que les carbonates. La comparaison des paramètres mécaniques de laboratoire et de terrain des carbonates révèle un effet d'échelle, avec des valeurs de cohésion (12 MPa contre 3.4 MPa) et d’angle de friction (59° contre 41°) beaucoup plus élevées en laboratoire que sur le terrain, en raison de l'influence des discontinuités. Plusieurs scénarios d’instabilité basés sur l’approche du facteur de sécurité ont été conçus suivant le contexte géologique et géomorphologique, incluant la lithologie, les discontinuités, la charge hydraulique et la présence d’un niveau mécanique faible. Ils s’appuient tous sur le cas d’étude du glissement de Pégairolles-de-l’Escalette et considèrent soit une topographie pré-glissement, soit une topographie actuelle. L'effet cumulatif des facteurs de causalité a montré une réduction du facteur de sécurité, approchant des valeurs métastables proches de 1, la charge hydraulique et l’existence d’un niveau mécanique faible jouant un rôle majeur. Le rôle de la lithologie (stratification mécanique) semble essentiel, les modèles tricouches montrant des surfaces de rupture ancrées dans les argiles et des facteurs de sécurité plus faibles en raison de la faible résistance de l'unité argileuse. Les discontinuités verticales influencent la localisation des surfaces de rupture, réduisant le volume mobilisé sans affecter significativement le facteur de sécurité. Les simulations avec un haut niveau piézométrique révèlent un mode de rupture différent, avec basculement et subsidence des carbonates typiques d’une extension latérale de roches. L’existence d’un faible niveau mécanique a contraint la localisation de la surface de rupture en profondeur, expliquant l’aplatissement des surfaces de rupture entraînant des géométries roto-translationnelles. Enfin, nous avons proposé un modèle conceptuel évolutif des mouvements de terrain du plateau du Larzac, suggérant une transition d'une extension latérale à un glissement roto-translationnel en réponse aux changements topographiques et à l'évolution des conditions géomorphologiques-géologiques. Ces travaux ont permis de discuter les divers facteurs de causalité, tant les facteurs prédisposants que les mécanismes déclenchants qui ont participé au développement des mouvements de terrain étudiés, ainsi que les différents modes de rupture observés et modélisés. Cette thèse a fourni quelques pistes pour l’évaluation de l’aléa mouvement de terrain dans le Languedoc.

Mots-clés : paléo-mouvements de terrain, géologie structurale, Larzac, facteurs de causalité, analyse de la stabilité

Abstract

Studying ancient landslides is crucial as they provide evidence of past climatic and geomorphological conditions, offering valuable insights into climate changes. Furthermore, these paleo-landslides can be reactivated by natural or anthropogenic factors, thus representing a risk to the affected areas. In this thesis, we researched seven landslides along the southern edge of the Larzac plateau. They were characterized by combining remote sensing (satellite imagery, photogrammetry, and LIDAR imaging) and field surveys. The fracturing of the rock massif was analyzed in detail. Using cosmogenic nuclides (36Cl), the exposure age of the scarps and associated blocks was determined. The in-situ mechanical characterization was performed using the Rock Mass Rating (RMR) and the Geological Strength Index (GSI), supplemented by laboratory tests. Several failure scenarios were modeled using OptumG2 and 3DEC software, based on the Strength Reduction factor. Geomorphological characterization revealed that the seven studied landslides fall into two main types: (i) roto-translational landslides (Pégairolles-de-l’Escalette, Le Frontal, Montlau, and La Carrière) and (ii) rock spreadings (Lamerallède, Mont Mayres, and Le Cabanis). These landslides occur in a multi-layered environment composed of Jurassic dolomites and limestones (Hettangian), dolomitized sandstones, and Triassic marls (Rhaetian) resting on clays with evaporites (Norian-Carnian). Sandstones from the Ladinian below may play a mechanical basement role. Roto-translational landslides involve blocks with counter slope dips and steep failure surfaces that flatten at depth into evaporites within the clays. Rock spreadings show blocks tilted downslope and topographic bulging. The carbonate unit is affected by two dense networks of N-S and E-W discontinuities. These discontinuity networks control the failure surface location, block tilting, and lateral limits of landslides. The roto-translational landslides have estimated volumes between 9.4 and 33.6 million m³ and surface areas ranging from 1.9 to 3.4 x 10⁵ m², with ages between 8.23 ± 2.69 to 18.72 ± 5.55 ka. In comparison, rock spreading surface areas range from 2.5 x 10⁴ to 1.3 x 10⁵ m², up to an order of magnitude smaller. They are also younger, between 3.92 ± 1.38 and 4.04 ± 1.2 ka. The offsets for roto-translational landslides are also higher (60 to 130 m) compared to rock spreadings (15 to 20 m). Dating revealed three main periods of landslide occurrence: approximately 19 ± 5 ka, 10-8 ± 2.7 ka, and 4 ± 1.4 ka. Carbonates show much higher dynamic Young's (Edyn) and shear (Gdyn) moduli, obtained by P- and S-wave elastic measurements (59.8 and 25 GPa), than those obtained in the laboratory (26.6 and 10.7 GPa). The clay unit exhibits much lower elasticity (Edyn: 7.5 GPa and Gdyn: 3.75 GPa) than the carbonates, as determined by sonic measurements from a borehole in the OMIV monitoring of the Pégairolles-de-l’Escalette landslide. Comparing mechanical parameters from the laboratory and field for the carbonates reveals a scale effect, with much higher cohesion values (12 MPa vs. 3.4 MPa) and friction angles (59° vs. 41°) in the laboratory due to the influence of discontinuities. Several instability scenarios based on the safety factor approach were designed, considering the geological and geomorphological context, including lithology, discontinuities, hydraulic load, and the presence of a weak mechanical layer. They all rely on the Pégairolles-de-l’Escalette landslide case study and consider either pre-landslide or current topography. The cumulative effect of causative factors showed a reduction in the safety factor, approaching metastable values near 1, with hydraulic load and the presence of a weak mechanical layer playing a major role. Lithology (mechanical stratification) appears essential, with three-layer models showing failure surfaces anchored in clays and lower safety factors due to the low strength of the clay unit. Vertical discontinuities influence the location of failure surfaces, reducing mobilized volume without significantly affecting the safety factor. Simulations with high piezometric levels reveal a different failure mode, with tilting and subsidence of carbonates, typical of lateral rock extension. The presence of a weak mechanical layer constrained the depth of failure surfaces, explaining the flattening of failure surfaces, and leading to roto-translational geometries. Finally, we proposed an evolving conceptual model for landslides on the Larzac plateau, suggesting a transition from rock spreading to roto-translational sliding in response to topographic changes and the evolution of geomorphological-geological conditions. This research allowed us to discuss the various causative factors, both predisposing and triggering mechanisms, that contributed to the development of the studied landslides, as well as the different failure modes observed and modeled. This thesis provided some insights for assessing landslide hazards in the Languedoc region.

Keywords: paleo-landslides, structural geology, Larzac, causative factors, stability analysis