LES EFFONDREMENTS KARSTIQUES DU TOURNAISIS
Genèse, évolution, localisation, prévention (Tournaisis, Belgique)
Olivier KAUFMANNFaculté Polytechnique de Mons (Belgique)
JURY : I. GODFRIAUX, professeur
B. F. BECK, docteur
A. BINI, professeur
J. M. CHARLET, professeur
C. CONTI, professeur
C. DUPUIS, professeur
C. EK, professeur
Y. QUINIF, professeur
A. RORIVE
Soutenance publique de thèse de doctorat pour l'obtention du grade de Docteur en Sciences Appliquées, le 15 décembre 2000.
RESUME :
Le Tournaisis (Hainaut occidental) connaît depuis le début du XXème siècle des effondrements localisés et soudains du sous-sol (photo 1). Ces effondrements, généralement circulaires ou elliptiques et de forme cylindrique ou conique, peuvent dépasser dix mètres de diamètre et autant en profondeur.
Dans cette région, le substratum rocheux est constitué de calcaires carbonifères. Une couverture constituée de marnes crétacées, de sédiments sableux et argileux tertiaires et d'alluvions quaternaires recouvre ce socle calcaire sur des épaisseurs variant de quelques mètres à plus de 50 m.
Bien que le relief du Tournaisis ne présente pas les caractères propres au modelé des régions karstiques typiques, l'examen des fronts de carrière a montré que les calcaires de la région sont affectés de formes paléokarstiques particulières. Ces formes sont issues d'une altération consistant en la dissolution progressive des carbonates de part et d'autre des joints de la roche, laissant sur place un résidu de dissolution poreux sans réduction importante du volume. Les altérites occupent ainsi des formes en couloir larges d'un à une dizaine de mètres, centrées sur les diaclases affectant le socle calcaire. Ces couloirs peuvent se prolonger par des zones altérées (nommées pseudo-endokarsts) où un toit rocheux subsiste. Enfin, des zones altérées larges de plusieurs centaines de mètres formées par la coalescence de formes en couloir sont également observées.
Une fouille et des travaux de reconnaissance géotechnique et géophysique, réalisés dans le cadre de ce travail sur un site d'effondrements, montrent que ces derniers se situent à l'aplomb de formes paléokarstiques en couloir ou en bordure de zones altérées de plus grande extension. L'examen microscopique confirme que les matériaux rencontrés dans le couloir paléokarstique mis à jour lors des fouilles sur le site des effondrements résultent bien de la dissolution de la phase carbonatée des calcaires siliceux fins qui constituent le socle rocheux à cet endroit. Les essais géotechniques réalisés au sein des altérites de ces couloirs révèlent qu'il peut y subsister des altérites très peu consistantes.
Dans le Tournaisis, une baisse importante des niveaux piézométriques a été observée dès les années 1930. Or, l'abaissement des niveaux piézométriques est une cause reconnue d'effondrements en milieu karstique, en particulier lorsque la surface piézométrique est rabattue sous le toit de la roche calcaire. Un tel rabattement autorise en effet des circulations d'eau souterraines plus rapides et favorise ainsi l'érosion souterraine à l'origine des effondrements. Dans le contexte mis en évidence, ce rabattement peut avoir une conséquence supplémentaire, à savoir le tassement des altérites peu consolidées créant des vides au cœur des formes paléokarstiques. Même si certains vides sont antérieurs à l'abaissement des niveaux piézométriques, d'autres peuvent donc être induits par celui-ci. Ces vides sont susceptibles de s'agrandir sous l'effet de la rupture de leur voûte ainsi que de l'érosion et du transport des altérites induits par les circulations plus rapides des eaux souterraines. Les effondrements successifs de la voûte conduisent à la remontée d'un fontis au travers des terrains de couverture jusqu'à la percée en surface.
Un inventaire historique des effondrements constitue le document de base indispensable à une gestion du risque associé à ces effondrements. Une application informatique basée sur un système d'informations géographiques a été développée afin d'intégrer les données collectées et permettre une mise à jour aisée de l'inventaire des effondrements du Tournaisis. Sur base de ces données, des mécanismes d'effondrement identifiés ainsi que des données géologiques et hydrogéologiques régionales, une cartographie régionale de l'aléa d'effondrement a été dressée.
recensés dans le Tournaisis
d'effondrement
Afin d'intégrer cet aléa déterminé à l'échelle régionale aux décisions d'aménagement local, des recommandations sont formulées quant aux actions préalables aux aménagements. Dans cette optique, l'adéquation ainsi que les avantages et inconvénients des différentes méthodes géotechniques et géophysiques de détection des zones sujettes à effondrement ont été examinés à la lumière du contexte de formation identifié. Cette évaluation s'est basée d'une part sur le principe de ces méthodes et d'autre part sur des applications antérieures réalisées dans le Tournaisis. Il ressort de cette étude que parmi les méthodes géophysiques, les méthodes microgravimétriques et les méthodes électriques sont celles qui semblent offrir le plus de possibilités. Dans le cadre de ce travail, l'apport substantiel de la tomographie électrique pour identifier et délimiter les zones sujettes à s'effondrer est démontré. L'inversion de mesures de résistivité électrique combinant les dispositifs wenner-schlumberger et dipôle-dipôle réalisées le long de profils répartis sur un site d'effondrement permet de reconstituer une série de coupes du sous-sol approchant la géométrie des formes paléokarstiques affectant le socle sous-jacent. L'information obtenue a été vérifiée à l'aide d'une campagne de forages et d'essais pénétrométriques serrés. Les coupes obtenues ont été interpolées de manière à établir une série de cartes de résistivités correspondant à différentes profondeurs. Ces cartes ont été confrontées à une carte similaire dressée sur base des essais géotechniques. La comparaison des résultats des tomographies avec les données géotechniques permet ainsi de valider la méthode.
Enfin, ce travail se clôture sur un bref aperçu des mesures envisageables dans le Tournaisis pour protéger les aménagements exposés aux effondrements et remédier aux dégâts subis.
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