Modélisation des glissements de terrain et des ondes sismiques générées pour détecter et comprendre les instabilités gravitaires – LANDQUAKES

Les instabilités gravitaires jouent un rôle clé dans les processus d’érosion à la surface de la Terre et représentent un des risques naturels majeurs pour les populations et les infrastructures en zone montagneuse, sismique, volcanique et côtière. Malgré les nombreux travaux dédiés à ce problème, les mécanismes gouvernant la dynamique des écoulements et leur dépôt dans le milieu naturel restent très mal compris. Il existe deux points de blocage importants empêchant d’appréhender ces processus. D’abord, les modèles numériques ne prennent pas en compte la transition statique/mobile dans les milieux granulaires et les interactions des phases fluides (eau) et solides dans la masse en écoulement, ces deux processus jouant un rôle clé dans les instabilités gravitaires. De plus, les mesures de terrain sur la dynamique des écoulements sont très rares, rendant impossible la validation des modèles. Des études récentes ont montré que l’analyse des signaux sismiques générés par les instabilités gravitaires fournit un diagnostique unique sur ces écoulements et donc un nouveau moyen de discriminer entre les processus physiques impliqués. En effet, la contrainte appliquée par le glissement sur la topographie, qui génère des ondes sismiques, est très sensible à l’histoire de l’écoulement et donc aux paramètres rhéologiques et aux propriétés physiques mis en jeu.

En se basant sur de nouveaux résultats obtenus par notre groupe, nous proposons de faire un pas en avant significatif dans la compréhension et la détection des instabilités naturelles en développant simultanément des modèles d’écoulement prenant en compte des processus physiques plus réalistes, et en simulant, analysant et inversant le signal sismique généré par ces évènements. Dans ce but, nous développerons une approche interdisciplinaire ambitieuse, impliquant modélisation mathématique, méthodes numériques, expériences de laboratoire, sismologie et géomorphologie, indispensables à la réalisation d’un tel projet.

Pour diminuer le coût numérique lié à la description précise de la topographie, essentielle pour les applications naturelles, des modèles de couche mince seront développés. La transition statique/mobile et les interactions solide/fluide seront décrits de manière appropriée pour l’écoulement d’un milieu granulaire sur une topographie 3D, à partir de modèles 3D relativement bien établis (modèles de fluidisation partielle, visco-plastique, éléments discrets) pour lesquels nous développerons des méthodes numériques pertinentes. Le principal défi sera d’établir, à partir d’analyses asymptotiques, des formulations mathématiques et des solutions numériques dans de nouveaux modèles à surface libre, déduits de la dynamique non-newtonienne de matériaux granulaires visco-plastiques. Les ondes sismiques générées par l’écoulement sur le terrain seront simulées en couplant ces modèles avec des modèles de pointe de propagation d’ondes. Un des objectifs ambitieux est de développer des méthodes de couplage efficaces sur la base de formulations variationnelles. Les ondes sismiques simulées seront comparées aux émissions acoustiques générées par des écoulements granulaires dans des expériences de laboratoire. Les écoulements géophysiques et les signaux sismiques associés seront alors simulés, en utilisant des données sismiques et morphologiques largement sous-exploitées. La sensibilité du signal sismique aux caractéristiques des glissements et à la topographie sera étudiée et l’inversion des signaux sismiques sera réalisée en utilisant des techniques de renversement temporel.

Un des objectifs ultimes est de développer et de diffuser des codes opérationnels d’écoulement sur une topographie 3D, intégrant des processus physiques réalistes. Nous espérons établir de nouvelles méthodes pour la détection des instabilités et pour l’interprétation des données sismiques, avec des retombées en recherche fondamentale et pour la surveillance et le suivi de l’activité gravitaire.