Article de recherche / Research Article

Suivi temporel de mouvements gravitaires : apport des vibrations sismiques ambiantes

Landslide monitoring: recent learnings from ambient vibrations

¹ Université Grenoble Alpes, CNRS, ISTerre, 38000 Grenoble, France
² Géosciences Montpellier, université Montpellier II, CNRS, 34000 Montpellier, France
³ IRSTEA, UR ETGR, 38000 Grenoble, France

^★ Auteur de correspondance : pierre.bottelin.geo@gmail.com

Résumé

Nous avons enregistré les vibrations sismiques ambiantes durant plusieurs années sur quatre sites naturels d'éboulements rocheux et un glissement de terrain argileux. Quels que soient le volume, la géométrie, le mécanisme de rupture, le matériau ou le type de mouvement, les mesures sismiques ont permis d'obtenir des informations globales sur l'état mécanique de l'instabilité. Pour les éboulements rocheux potentiels, la fréquence de résonance fondamentale du compartiment instable f₀ a systématiquement été déterminée. Ce paramètre mécanique global dépend de (1) la géométrie, (2) de la densité, (3) de la rigidité interne et (4) de l'accroche du compartiment rocheux au massif stable. En supposant (1), (2) et (3) constants, une diminution irréversible de f₀ reflète la déstabilisation progressive du compartiment instable avant la rupture. La mesure en continu de f₀ représente alors un nouveau précurseur aux éboulements. Cependant, des fluctuations réversibles parfois importantes affectent f₀. La dynamique de ces variations est contrôlée par la température, la déstructuration et dépend de la période (de journalière à saisonnière). Les simulations numériques entreprises montrent que la contraction-dilatation du matériau et la dépendance de son module élastique à la température permettent d'expliquer ces fluctuations de f₀. Le glissement de terrain argileux étudié connaît une évolution lente entrecoupée d'épisodes de coulées catastrophiques. Le corps argileux du glissement présente une transition brutale d'un état « solide » à un état « fluide » lorsqu'un seuil de contrainte cisaillante est dépassé. Les études rhéologiques de laboratoire ont montré que la vitesse des ondes sismiques de cisaillement (V_S) diminue notablement avant la transition solide-fluide. Sur le site d'étude, une diminution de 7 % de V_S a été observée 20 jours avant le déclenchement d'une coulée argileuse. La déstructuration de l'argile a pu être localisée dans une couche d'environ 2 m d'épaisseur située la base du glissement.

Abstract

Four potential rockfalls and one clayey landslide were monitored using ambient vibrations over many years. Whatever the volume, geometry, rupture mechanism, material or movement type, passive seismic measurements yielded pertinent global information about the mechanical condition of the gravitational instability. For each potential rockfall, we successfully determined the fundamental resonance frequency of the unstable rock compartment (denoted f₀). This global mechanical parameter depends on the unstable compartment's (1) geometry, (2) density, (3) internal rigidity and (4) its bounding stiffness with the nearby stable massif. Assuming (1), (2) and (3) are constant, an irreversible drop in f₀ reflects the progressive destabilization of the unstable compartment before the rupture. Continuous monitoring of f₀ hence provides a new precursor to rockfalls. Reversible fluctuations of non-negligible amplitude yet affect f₀ time-series. These variations originate from thermal effects and depend on the air temperature, the rock fracturing and the period of study (daily to yearly periods). Numerical simulations showed that (1) rock contraction/dilation and (2) rock elastic modulus variation with temperature can explain these reversible f₀ fluctuations. The studied landslide shows a complex temporal evolution, with a relatively slow, steady rate of movements interrupted by dramatic earth-flow episodes. The landslide body is made of finely crushed clayey shale, which shows a sudden transition between a “solid” state and a “fluid” state when increasing the shear stress. Laboratory rheological experiments showed that the seismic shear wave velocity (V_S) clearly drops prior to the fluidification. For the monitored landslide, a consistent 7% drop in V_S was observed about 20 days before a catastrophic earth-flow. It was interpreted as a clay fluidification processes affecting a 2 m thick layer at the base of the landslide body.