Traduit de l'anglais par Mussa Kachunga Stanis

Introduction

L’affaissement de terrain est un phénomène mondial et se définit comme :

    "Un tassement progressif ou un affaissement soudain de la surface de la Terre dû à l'enlèvement ou au déplacement de matériaux terrestres souterrains" - National Oceanic and Atmospheric Administration (2021)

L'affaissement peut résulter de nombreux processus naturels et anthropiques, dont beaucoup sont liés à l'eau (figure 1). Une étude de 290 cas d'affaissement par Bagheri-Gavkosh et al (2021) a révélé que l'affaissement induit par l'homme représentait 76,92 % des cas mondiaux, et que l'extraction d’eau souterraines en contribuait à 59,75 % !

L'affaissement peut résulter de nombreux processus naturels et anthropiques, dont beaucoup sont liés à l'eau (figure 1). Une étude de 290 cas d'affaissement par Bagheri-Gavkosh et al (2021) a révélé que l'affaissement induit par l'homme représentait 76,92 % des cas mondiaux, et que l'extraction d’eau souterraines en contribuait à 59,75 % ! La figure 2 met en évidence cette corrélation positive.

L'affaissement s'intensifie en raison d'une combinaison de facteurs, notamment la croissance démographique, les conditions climatiques, l'augmentation de l'activité économique, l'urbanisation et l'absence de réglementation en matière de pompage. Tous contribuent à l'augmentation de la demande d'approvisionnement en eau souterraine. L'extraction intensive des eaux souterraines entraîne une chute des niveaux d'eau qui entraîne une déformation. La déformation est parfois imperceptible jusqu'à ce que des conséquences dévastatrices telles que le flambage des ponts, des fissures sur les bâtiments, des fissures dans le sol, des gouffres ou des inondations fréquentes se produisent (Figure 3).

Où se produit l'affaissement?

Les zones les plus sensibles à l'affaissement (en particulier induit par l’eau souterraines) ont tendance à être des zones basses et plates avec des sédiments non consolidés dans des bassins alluviaux ou des plaines côtières. Les zones urbaines et les régions agricoles, en particulier dans les zones arides, sont menacées en raison de la forte densité de population et de l'utilisation intensive d’eau souterraines pour l'agriculture irriguée, respectivement. (Herrera-García et al. 2021). Certains endroits sont recouverts de roches sensibles à la dissolution, c'est-à-dire de roches carbonatées (calcaires et dolomies) ou de roches salines particulièrement exposées aux dolines.

Une carte des zones potentielles d'affaissement à risque a été créée par Herrera-García et al (2021) (Figure 4). La zone de subsidence potentielle cumulée s'élevait à 2,2 millions de km2 (1,6 % des terres terrestres mondiales), affectant 1,2 milliard de personnes (19 % de la population mondiale) (Herrera-García et al. 2021).

Eaux souterraines et affaissement

Comme nous l'avons déjà mentionné, la déformation du sol est étroitement liée à l'état d’eau souterraine. Les eaux souterraines peuvent être liées à l'affaissement de deux manières : par l'abaissement de la nappe phréatique et par l'érosion des roches et des sols souterrains.

L'abaissement de la nappe phréatique et la diminution subséquente de la pression des fluides dans les aquifères peuvent entraîner l'abaissement progressif d'une surface terrestre à mesure que les sédiments se compactent et également des dolines, car la diminution de la pression peut rendre les toits de tout système de grottes sous-jacentes (cavernes) susceptibles à s’effondrer. Cet abaissement de la nappe phréatique peut être causé par une surexploitation d’eau souterraine, la sécheresse ou les saisons sèches (Nelson 2016).

Jakarta, la capitale de l'Indonésie, par exemple, s'affaisse en moyenne de 1 à 15 cm/an, les modèles estimant que d'ici 2050, 95 % du nord sera submergé sous le niveau de la mer (Figure 5). L'affaissement endommage déjà les infrastructures, augmente les zones inondables, détruit les systèmes locaux d'eau souterraine et augmente l'intrusion d'eau de mer intérieure (Ng et al. 2012). Cet affaissement est en partie dû à une extraction excessive d’eau souterraine couplée aux terres marécageuses non consolidées sous-jacentes et exacerbée par de très mauvaises réglementations d'extraction (Mei Lin et Hidayat 2018).

L'autre cause d'affaissement est l'érosion de la géologie sous-jacente par l'eau. C'est la cause la plus fréquente d'effondrement soudain du sol. Des fuites de conduites d'égout/d'eau ou la dissolution de roches carbonatées (CaCO3) ou de roches salines (NaCl) peuvent créer de telles cavités souterraines. Les roches carbonatées et le sel sont susceptibles de se dissoudre par altération chimique par l’eau souterraine ou les fluides injectés provenant de l'exploitation minière, ce qui peut ouvrir de grandes cavités. Des gouffres peuvent ensuite se former par effondrement du toit, soit par l'élargissement des cavernes au fil du temps, soit par l'abaissement de la nappe phréatique (Nelson 2016).

Gestion de l'affaissement

Quelle que soit l'origine de l'affaissement, celui-ci nécessite un suivi précis pour en atténuer les conséquences. Cela passe par la détection et le suivi des zones d'affaissement, la compréhension des facteurs qui contrôlent le phénomène, la caractérisation et la modélisation de son évolution et la prévision de son impact notamment dans les zones urbaines densément peuplées.

La mesure, la surveillance et la cartographie de l'affaissement du sol utilisent diverses méthodes d'investigation du sol (y compris la modélisation, le nivellement, les levés géologiques, (Global Positioning System (GPS)) et des méthodes de télédétection (radar interférométrique à synthèse d'ouverture (InSAR) et détection et télémétrie de la lumière (LiDAR). En raison de la nature chronophage, laborieuse et coûteuse des méthodes traditionnelles au sol, les techniques de télédétection (satellite et radar) développées au cours des dernières décennies ont révolutionné l'étude de l'affaissement du sol.

Technologies spatiales pour surveiller l'affaissement

Les techniques d'observation de la Terre offrent une myriade d'opportunités pour la surveillance de l'affaissement, de la détection de la déformation du sol à la compilation d'inventaires de gouffres, en passant par la surveillance de l'évolution des gouffres actifs et l'identification des facteurs de risques environnementaux d'affaissement du sol (Theron et Engelbrecht 2018).
 

Observation de la Terre pour la compilation d'inventaires de gouffres

Les gouffres sont l'une des conséquences potentielles les plus dangereuses de l'affaissement des terres. Prévoir et atténuer le risque de dolines nécessite des inventaires de dolines. Celle-ci repose sur deux aspects : la détection des cavités enfouies susceptibles de provoquer des effondrements futurs et un inventaire des gouffres qui se sont formés dans le passé. Les méthodes in situ, y compris la géophysique et les entretiens, ont généralement été utilisées. Cependant, la télédétection, qui couvre des zones plus vastes, a des applications beaucoup plus rapides ici.

La cartographie à distance des dolines repose sur la détection de leurs caractéristiques géomorphologiques distinctes (y compris la forme circulaire/ovale, les fissures concentriques le long des bords extérieurs, les dépressions en forme de bassin à la surface), soit par extraction de caractéristiques sur l'imagerie optique ou les modèles de terrain analysés pour de telles fonctionnalités. Les images de télédétection sont le moyen le plus simple de détecter de telles caractéristiques. Cependant, lorsque de telles caractéristiques géomorphologiques ne sont pas détectables sur les photographies en raison d'un remplissage d'érosion ou de sédimentation, la détection infrarouge sur drones peut être utilisée. Cette utilisation de l'infrarouge tire parti du fait que les dépressions sont plus froides que leur environnement environnant la nuit, avec des drones étant utile pour permettre la détection de proximité.

Des modèles de terrain ont également été utilisés pour extraire les expressions géomorphologiques caractéristiques des gouffres. Ils peuvent être créés de plusieurs façons, à partir de cartes topographiques générées par des techniques d'arpentage, de balayage laser aéroporté terrestre, de Structure from Motion (SfM) basée sur des drones, et également d'InSAR. Cette dernière technologie satellitaire a été utilisée pour générer les modèles d'élévation globaux de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) et du World Digital Elevation Model (WorldDEM), ce dernier ayant une résolution spatiale suffisamment élevée (12 m) et une précision verticale absolue (6 m) pour mieux compiler les inventaires des gouffres.

Bien que les technologies spatiales aient leur place dans les inventaires des gouffres, leur utilisation est limitée, d'une part là où l'érosion et le remplissage des sédiments ont masqué les expressions géomorphologiques normales de ces événements et d'autre part en raison de leur résolution spatiale et de leur précision de hauteur verticale absolue généralement inférieure à celle d'un gouffre typique. Cela signifie que les plates-formes aéroportées sont souvent privilégiées.

Observation de la Terre pour identifier les facteurs de risque d'affaissement

Bien que les technologies spatiales puissent être limitées dans les inventaires de gouffres, elles sont très utiles pour surveiller les causes potentielles. Les facteurs de risque d'affaissement, comme nous l'avons déjà mentionné, comprennent les fuites de canalisations, le captage d’eau souterraine, l'exploitation minière et le tectonisme. La télédétection peut être utilisée pour évaluer la présence de certains facteurs de risque et leur relation avec l'affaissement progressif et la formation de gouffres.

Les fuites de canalisations, par exemple, peuvent être détectées en surveillant la croissance de la végétation à l'aide d'indices de végétation (VI) sur des données optiques à haute résolution. Une étude dans la région de « Pyla » à Chypre a utilisé l'interprétation visuelle d'une image QuickBird haute résolution d'un important pipeline rural pour déterminer l'emplacement de la fuite en détectant et en étudiant la végétation formée à la suite de la fuite (Figure 6). L'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) dans la zone a été calculé et des définitions de seuils pour les valeurs de NDVI ont été définies. En utilisant d'autres indices de végétation et l'analyse en composantes principales (ACP), les chercheurs ont ensuite pu définir les zones problématiques (Agapiou et al. 2016).

En outre, les changements de stockage d’eau souterraine peuvent être estimés à l'aide des données d'estimation de la masse d'eau GRACE. Une étude au Mexique a montré le potentiel de la cartographie de l'épuisement d’eau souterraine en combinant les données GRACE avec les données de déplacement du sol dérivées d'InSAR. La résolution de GRACE est trop faible et l'inversion des données InSAR en volume de perte de stockage d’eau souterraine nécessite des données étendues, souvent indisponibles. Les données InSAR ont été utilisées avec succès pour concentrer les cartes de stockage d’eau souterraine dérivées de GRACE jusqu'à une résolution proche de l'échelle de gestion d’eau souterraine, fournissant des informations quantitatives sur l'occurrence de l'épuisement d’eau souterraine. Bien que sa validité soit limitée, l'étude montre des premiers pas prometteurs vers la création de cartes d'épuisement des eaux souterraines entièrement géodésiques (Castellazzi et al. 2018).

Earth observation for precursory deformation 

Observation de la Terre pour la déformation précurseur
La dernière manière, et peut-être la plus répandue, d'utiliser les techniques d'observation de la Terre dans la gestion de l'affaissement consiste à détecter et à surveiller la déformation du sol à petite échelle. Un tel mouvement peut permettre de mettre en place des mesures d'atténuation et de réparation, et peut également prévenir d'un effondrement potentiel, permettre une évacuation avant l'effondrement et prévoir de futurs scénarios dommageables.

Alors que la déformation du sol a traditionnellement été surveillée in situ à l'aide de niveaux à bulle/inclinomètres, d'extensomètres, de mesures géodésiques, d'émetteurs et de récepteurs laser, ils sont très limités dans l'espace et demandent beaucoup de travail (Gutiérrez, Cooper et Johnson 2008). Le LiDAR et le SAR (Synthetic Aperture Radar) sont deux technologies alternatives de télédétection qui peuvent être utilisées pour surveiller la déformation sur de grandes surfaces, tandis que le GPS/Global Navigation Satellite System (GNSS) peut également permettre la surveillance 3D de points sur la base d'enquêtes continues ou répétées et sont souvent utilisés pour compléter les observations SAR. Le tableau 1 met en évidence les mérites de certaines de ces différentes technologies.
 

LiDAR est une technique de télédétection active qui génère des informations topographiques et s'est révélée prometteuse pour détecter les mouvements de terrain. Cependant, son utilisation pour la surveillance de la déformation est difficile car a.) Les taux d'affaissement typiques se situent dans les limites d'erreur des collections LiDAR et b.) L’instrument doit être à moins de 10 - 100 m du sol pour atteindre la précision nécessaire, limitant sa large zone d’applicabilité (Intrieri et al. 2015). Bien que l'utilisation du LiDAR puisse être limitée, l'utilisation de la technologie SAR a une longue histoire, avec sa première utilisation pratique démontrée en 1992 lorsque le satellite ERS-1 a capturé la déformation de surface causée par le tremblement de terre de Landers, en Californie. La technologie SAR comprend le SAR aéroporté InSAR au sol, et en particulier les données SAR spatiales axées sur DInSAR (interférométrie SAR différentielle) (Theron et Engelbrecht 2018). InSAR a permis d'obtenir des images plus détaillées car il utilise des interférogrammes qui sont réalisés en différenciant des images SAR successives prises à partir de la même position orbitale mais à des moments différents. InSAR peut mesurer le mouvement du sol à haute résolution spatiale sur une large zone de couverture, capable de surveiller les mouvements de la surface terrestre à l'échelle du millimètre. Habituellement, l'utilisation d'InSAR dans la surveillance d’eau souterraine est combinée par le GPS et l'observation par extensomètre (Feifei et al, 2015).

Il existe plusieurs exemples où InSAR et LiDAR ont été utilisés ensemble avec succès pour détecter la déformation du sol. L'un d'eux se trouve dans la mer Morte, en Israël, (Figure 7) où plus de 6 000 gouffres ont été identifiés le long des côtes. Le niveau d'eau ici baisse à un rythme > 1 m/an, exposant une couche d'halite (sel) vieille de 10 000 ans sous le rivage à de l'eau non saturée d'halite, entraînant une dissolution, des cavités et un éventuel effondrement (Nof et al. 2019). Les taux de déformation de certains bassins de subsidence ici, surveillés à l'aide de DInSAR, ont été enregistrés à des taux de plus de 60 mm/an (Baer et al. 2002) !

Un linéament de gouffres le long d'une voie de transport majeure parallèle à la mer Morte a été étudié par Nof et al. (2019). La surveillance InSAR a montré un affaissement mineur de <0,2 mm/jour en 2012, accélérant à 2 mm/jour au cours des trois années suivantes, jusqu'à ce que des fissures et des dépressions commencent à apparaître (Figure 8). L'enquête in situ a révélé un gouffre de 9 m de profondeur sous la route. Cette alerte précoce fournie par les données InSAR signifiait qu'une route alternative pouvait être construite et qu'aucune perturbation grave ne se produisait, soulignant l'importance d'une telle technologie (Nof et al. 2019).

De même, Venise est l'une des villes les plus étudiées pour la déformation du sol. La surveillance a été initiée dans les années 1960 à l'aide du niveau à bulle, mais au cours des dernières décennies, les technologies spatiales ont été de plus en plus déployées pour observer ce phénomène (Tosi et al, 2018). Entre 1950 et 1970, les affaissements ont atteint 10 cm à Venise et ont été causés principalement par l'exploitation des eaux souterraines. Cependant, dans les années 1970, Venise a commencé à réglementer l'extraction des eaux souterraines et à diversifier son approvisionnement en eau. La consommation artésienne est passée de 500 l/s en 1969 à 170 l/s en 1975, permettant à la terre de rebondir de 2 cm en 1975 (Gatto et Carbognin, 1981). Alors que Venise est toujours aux prises avec la déformation du sol et l'élévation du niveau de la mer, cette ville est un exemple de la façon dont des mesures simples telles que la réglementation de l'extraction des eaux souterraines peuvent avoir un résultat positif dans la lutte contre l'affaissement du sol.

Conclusion

L'affaissement est un phénomène mondial et donc une préoccupation mondiale nécessitant des solutions mondiales. Bien que parfois d'origine naturelle, l'affaissement induit par l'homme est de loin le plus courant, les activités humaines contribuant même parfois aux causes dites naturelles. Afin de gérer les affaissements et d'atténuer les risques, des méthodes traditionnellement in situ ont été utilisées (voir colonne de droite dans le tableau 2).

Cependant, à mesure que la technologie progresse, la télédétection est en mesure de fournir une surveillance plus précise et plus rapide. La surveillance de la déformation repose désormais en grande partie sur l'intégration de données InSAR fiables avec des mesures GNSS rares mais très précises. Comme de nombreuses causes d'affaissement sont évitables, l'utilisation et l'amélioration continues des technologies spatiales seraient un atout, en particulier pour le secteur minier, les gestionnaires de l'eau et l'industrie de la construction, afin de réduire les risques actuellement encourus.