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La stabilité des cavités souterraines peu profondes pourrait souffrir du changement climatique

Philippe Gombert, responsable d'unité au sein de la Direction des Risques du Sol et du sous-sol à l'INERIS, intervient sur les impacts de l'eau sur la stabilité des cavités souterraines, en France, dans un contexte de changement climatique.

Avis d'expert  |  Risques  |    |  Actu-Environnement.com

Du fait de son contexte géologique varié, le sous-sol français comprend près de 500 000 cavités dont la plupart sont d'origine naturelle (grottes et avens). Notre long passé minier a cependant laissé près de 6000 mines ayant permis l'extraction de minerais stratégiques (métaux, charbon, hydrocarbures, sel…) et plusieurs dizaines de milliers de carrières qui ont fourni des matériaux de construction (pierre à bâtir, chaux, ballast, gypse, sable, gravier…). Nombre de ces cavités possèdent une extension souterraine pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilomètres.

Parmi les cavités anthropiques, les carrières sont généralement moins profondes que les mines du fait de la moindre importance économique du matériau extrait qui ne permet pas d'envisager de pompage d'exhaure. Les carrières souterraines ont donc le plus souvent été creusées à sec, au-dessus du niveau des nappes phréatiques. Dans ce contexte, une variation significative du niveau de ces nappes peut se traduire par l'ennoyage total ou partiel des vides souterrains peu profonds.

Changement climatique attendu

Un changement climatique significatif est attendu à l'échelle mondiale d'ici la fin du 21e siècle en réponse aux fortes émissions de CO2 dues à la consommation de carburants fossiles. Pour la France, les scénarios d'évolution climatique prévoient une augmentation de température de quelques degrés ainsi qu'un contraste accru entre des précipitations hivernales plus élevées et une sécheresse estivale plus forte.

L'effet prévisible sur les eaux superficielles et souterraines est une augmentation de l'amplitude des fluctuations de niveau : plus hautes eaux en hiver et étiages plus bas en été. En outre, le potentiel de dissolution des eaux d'infiltration pourrait s'aggraver sous l'effet de deux phénomènes : l'augmentation hivernale du flux d'eau d'infiltration lié aux précipitations et l'augmentation de sa teneur en CO2 en réponse à la stimulation de la pédogenèse. Le moteur de la dissolution des roches carbonatées étant le flux d'eau d'infiltration chargée en CO2, un impact sur les cavités souterraines creusées dans ce type de roches est donc possible.

Rôle de l'eau dans l'instabilité des cavités souterraines

L'eau joue un grand rôle dans le comportement mécanique des roches : des expériences de laboratoire montrent que la résistance des roches diminue significativement lors de leur saturation en eau. Cela peut se traduire in situ par une fragilisation des piliers de carrières souterraines partiellement ennoyés lors de remontées du niveau d'eau.

Par ailleurs, le rôle de l'agressivité chimique de l'eau d'ennoyage sur l'érosion des roches par dissolution n'est pas encore précisément connu et pourrait aggraver la fragilisation des piliers. Ce comportement n'est pas spécifique aux seules roches carbonatées et les évaporites fortement solubles, comme le sel ou le gypse, peuvent également y être sensibles : dans ce cas, c'est alors le flux d'eau sous-saturée qui est le paramètre moteur de la dissolution des roches.

Sur la base de ces données, l'impact potentiel du changement climatique sur la stabilité des cavités souterraines anthropiques partiellement ennoyées dépend de l'influence de l'eau sur le comportement hydromécanique à long terme de la roche.

Instrumentation d'un site expérimental dans l'Oise

   
   
Afin d'améliorer la connaissance et la gestion de ce risque, l'INERIS a instrumenté depuis 2009 une carrière souterraine de craie partiellement ennoyée à St-Martin-le-Nœud (Oise). Cette vaste carrière de 40 ha de superficie, exploitée depuis le 13e siècle par la méthode des chambres et piliers, a été abandonnée au 19e siècle. Elle renferme 24 lacs souterrains résultant de l'ennoyage des galeries les plus basses par la nappe phréatique. Des données bibliographiques montrent que ces lacs existent depuis plus d'un siècle et que leur niveau peut fluctuer de 1 à 2 m selon les périodes.

L'instrumentation de la cavité porte sur les paramètres géomécaniques d'un pilier de 4 m de hauteur par une section carrée de 2 m de côté, situé dans un lac, ainsi que sur les caractéristiques de l'eau de ce lac. Nous mesurons la convergence du pilier (écrasement vertical sous l'effet de la pression des terrains sus-jacents) et son extension (gonflement horizontal en réponse à cette sollicitation mécanique), ainsi que la teneur en eau de la roche à plusieurs hauteurs et profondeurs au sein du pilier. Enfin, le suivi porte également sur le niveau et la physico-chimie de l'eau du lac.

Premiers résultats du suivi des paramètres

Les premiers résultats obtenus concernent les cycles hydrologiques 2009-2010 et 2010-2011 et  montrent un comportement distinct des différents paramètres étudiés.

Les fluctuations de niveau d'eau du lac ont été très faibles au cours de ces cycles hydrologiques (seulement 0,30 m) en raison principalement de pluviosités déficitaires par rapport à la normale. Il n'a donc pas été possible de mettre en évidence, pour l'instant, de corrélation significative entre les faibles fluctuations du niveau des lacs et le comportement du pilier instrumenté. La vitesse de convergence verticale du pilier est faible, de l'ordre de 20 µm/an, et sa vitesse d'extension horizontale est d'environ 40 µm/an à 90 cm de profondeur. Par contre, l'extension est 20% plus rapide dans la partie externe du pilier, jusqu'à 50 cm de profondeur, ce qui peut traduire une microfissuration épidermique. La sensibilité à l'eau de cette zone de fragilité mécanique accrue en périphérie du pilier mérite donc d'être suivie au cours du temps.

En ce qui concerne les mesures de teneur en eau de la roche formant le pilier, elles ont tendance à montrer l'existence d'un double gradient hydrique :

-     un gradient vertical permanent depuis la base du pilier, située dans le lac, avec une teneur en eau qui augmente de plus de 50% sur une hauteur de 1 m ;

-     un gradient horizontal qui se met temporairement en place depuis la périphérie du pilier vers son centre.

Ce second gradient serait lié à la pénétration d'eau au sein du pilier suite à la montée du niveau du lac en réponse aux précipitations hivernales : sur une tranche périphérique d'au moins 20 cm d'épaisseur, la teneur en eau de la roche varie ainsi de 60 à 90% au cours de l'année alors qu'elle est assez stable (autour de 30%) au cœur du pilier.

Pour conclure

L'impact du changement climatique attendu sur les ressources en eau souterraine est actuellement mal connu, donc a fortiori sa répercussion sur le comportement des cavités souterraines partiellement ennoyées. L'état de l'art montre cependant qu'on peut s'attendre à une fragilisation des piliers sous l'effet d'un accroissement du battement des nappes : en outre, le rôle de l'agressivité de l'eau d'infiltration est encore peu étudié. Les premiers résultats obtenus sur le pilier instrumenté du site de Saint-Martin-le-Nœud montrent l'existence d'une zone épidermique moins résistante mécaniquement et au sein de laquelle l'eau pénètre saisonnièrement. Afin de valider ces observations dans la durée, il est nécessaire de continuer le suivi de ce site sur plusieurs années afin d'intégrer un événement climatique exceptionnel.

Avis d'expert proposé par Philippe Gombert, docteur en hydrogéologie, est responsable de l'unité « Eaux Souterraines et Emissions de Gaz » à la Direction des Risques du Sol et du sous-sol à l'INERIS.

Remerciement : nous tenons à remercier le Conservatoire d'Espaces Naturels de Picardie qui nous autorise l'accès à cette cavité, identifiée comme un site d'hivernage des chauves-souris.

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