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Modélisation du comportement rhéologique du glacier rocheux du Laurichard : quel lien avec le changement climatique ?

Le 13-01-2021 | Par Samia Melki - Doctorante, UGA-3SR | 650 vues | Recommander cet article | Ajouter aux favoris |
Modélisation du comportement rhéologique du glacier rocheux du Laurichard : quel lien avec le changement climatique ?
Image terrestre du glacier rocheux de Laurichard © Parc national des écrins

Le 24 Août 2015, la nature alertait à Lanslevillars (Savoie) sur la dégradation du pergélisol sous l’effet du changement climatique. En deux vagues successives, une lave torrentielle a littéralement envahi la gare d'arrivée du télécabine du vieux moulin à la la station de ski Val Cenis. L’identification de l’origine de ces deux glissements de terrain amenait à un glacier rocheux situé juste en aval du col de Lou à une altitude de 2800m...


Un inventaire a été mené ensuite sur les glaciers rocheux dans les Alpes françaises et a montré la déstabilisation d’environ 12% d’entre eux (Marcer et al. 2018). Le réchauffement climatique est supposé être l’acteur principal dans ce phénomène. Par ailleurs, la similitude et la synchronisation continues des changements de vitesses de surface des glaciers rocheux dans différentes régions des Alpes telles que la Suisse et l’Autriche (IPCC, SROCC) favorisent cette hypothèse. Ma thèse s’insère ainsi dans l’étude de la rhéologie des glaciers rocheux dans le contexte du changement climatique et les risques annexes.

Image terrestre du glacier rocheux de Laurichard © Parc national des écrins

Objet d’étude : Les Glaciers Rocheux

Les formes de relief considérées comme des glaciers rocheux actifs consistent en une couche de débris grossiers, recouvrant des débris sursaturés de glace ou de la glace pure (Berthling, 2011). Ils fluent à faible vitesse (quelques centimètres à quelques mètres par an) sur un versant, sous l’effet de la gravité. Les déplacements, qu’on peut mesurer plus facilement en surface, sont des expressions visibles de la présence du pergélisol, c'est à dire du sol, ou de la roche, gelés, et dont la température ne dépasse pas 0°C durant au moins deux années consécutives (Muller, 1947).

Problématique : Une rhéologie influencée par le changement climatique

Depuis le début de ce siècle, la communauté des glaciologues européens a noté une accélération de vitesses de surface des glaciers rocheux, et a lié ces phénomènes à l'augmentation récente de la température (Haeberli et al., 2006; Delaloye et al., 2008; Bodin et al., 2008, 2009, 2019,...). Dans les Alpes françaises, les glaciers rocheux sont bien répandus; environ 1000-1300 km² de surface contre 250 km² pour les glaciers blancs, visibles et bien connus (cf. Bodin et al., 2008, 2010; Boeckli et al., 2012). Ils présentent, de plus, une forte vulnérabilité à la déstabilisation et devraient être surveillés pour l'évaluation des risques futurs (Marcer et al. 2019).

Une évolution réelle des vitesses en surface en corrélation avec l'augmentation de température a été remarquée (Bodin et al.2009).

En particulier, le glacier rocheux Laurichard situé dans la combe de Lautaret (45.018N, 6.378E) est sous surveillance depuis 1983 et présente une sensibilité moyenne à élevée à la déstabilisation.

Contrairement aux glaciers blancs, les glaciers rocheux sont encore peu étudiés sous l'angle de leur comportement mécanique (Arenson et al. 2005, Monnier et Kennard 2016, Cicoira et al. 2019). Plusieurs paramètres, dont la température, sont susceptibles d’influencer les mouvements internes et en surface de ces formes géomorphologiques relativement complexes.

Des données collectées depuis une trentaine d’années sur le glacier rocheux de Laurichard.

Objectifs de la thèse : Un travail principalement numérique

Ma thèse consiste à mieux comprendre le rôle des changements climatiques et l’influence des autres paramètres physiques dans la rhéologie des glaciers rocheux en se basant sur les données collectées depuis une trentaine d’années sur le glacier rocheux de Laurichard.

L’utilisation d’une modélisation numérique développée au laboratoire 3SR et basée sur la MEFPIL (Modélisation par éléments finis à points d’intégration Lagrangien) peut être pertinente en cas d'écoulements de fluides visco-plastiques, et ouvre la perspective pour modéliser les avalanches déclenchées dans les glaciers rocheux.

Le CDP Risk du projet IDEX (http://risk.univ-grenoble-alpes.fr/) permet d'enrichir l'environnement scientifique de la thèse de doctorat dans le contexte des risques émergents dus aux changements climatiques et crée une dynamique dans la recherche interdisciplinaire.

Méthodes : Du statistique à la mécanique

Afin de mieux comprendre la relation entre les changements climatiques et l’évolution de la vitesse en surface de ce glacier rocheux, j’ai utilisé l' approche d'analyse statistique de Staub & al.(2015) expérimentée sur différents glaciers rocheux dans les Alpes Suisses.  

La valeur des anomalies de température ΔT en rouge et des anomalies de vitesses de surface Δ β (voir Thibert et al.2018) en bleu, de 2004 à 2017. Le lissage sur 3 ans est représenté par des lignes continues.

La méthode consiste à chercher numériquement, pour une série de mesures, le facteur de corrélation le plus élevé entre les changements de la vitesse horizontale (%) et les anomalies de température synthétique du glacier rocheux GTsyth (K) calculée à partir des températures en surface. La méthode nous renseigne également sur la fenêtre d’influence de l’anomalie ( fenêtre glissante avec laquelle on retrouve les variations de température dans les variations de vitesse ) et un temps de décalage (Tlag), exprimant la durée de pénétration de l’onde de chaleur jusqu’au plan de cisaillement dans le corps du glacier rocheux.

Plusieurs paramètres d'influence sur le comportement rhéologique sont pris en compte : température, pente, teneur en glace, présence d'eau liquide...

La modélisation mécanique est faite en adaptant des modèles existants sur la glace pure et les sols gelés (Arenson et al. 2005, Monnier et al. 2016).

La modélisation numérique se fait à travers un code bidimensionnel pour les écoulements lents nommé ELLIPSIS. Développé au laboratoire 3SR, le code est capable de résoudre l'équation de Stockes du fluide dans des milieux compressibles, et combine la résolution par éléments finis avec une propagation lagrangienne des variables d'états pendant les grands déplacements. La loi de Hushel Buckley implémentée dans le code est utilisée en impliquant indirectement la température des lois d'Arenson à travers un paramètre de viscosité.

Dans le travail doctoral, la dépendance à la température doit être mise en œuvre et testée afin d'utiliser la capacité multi-physique complète du code. La modélisation du glacier rocheux de Laurichard est conçue comme application pratique de la thèse.

Perspectives : Vers l’ingénierie !

L’utilisation du code, à l’échelle locale ou globale d’un glacier rocheux, pour modéliser le comportement face à des ouvrages de génie civil tels que les tunnels, des pylônes ou même les forages constitue une perspective de ce travail de thèse.

 

Références bibliographiques

Ivar Berthling ;2011 ; Beyond confusion: Rock glaciers as cryo-conditioned landforms, Geomorphology, Volume 131, Issues 3–4, 2011, Pages 98-106.

Müller SW ; 1947 ; Permafrost or permanently frozen ground and related engineering problems. JW Edwards, Inc., Ann Arbor, Michigan, USA

Marcer et al.,2019; Marcer, Marco & Serrano, Charlie & Brenning, Alexander & Bodin, Xavier & Goetz, Jason & Schoeneich, Philippe. (2019). Evaluating the destabilization susceptibility of active rock glaciers in the French Alps. The Cryosphere. 13. 141-155. 10.5194/tc-13-141-2019.

Staub et al. ;2015 ; Staub B, Marmy A, Hauck C, Hilbich C, Delaloye R. 2015. Ground temperature var-iations in a talus slope influenced by perma-frost: a comparison of field observations and model simulations. Geographica Helvetica 70: 45–62. DOI:10.5194/gh-70- 45-2015.

Monnier S. and Kinnard C.; 2016;   Interrogating the time and processes of development of the Las Liebres rock glacier, central Chilean Andes, using a numerical flow model; Earth Surf. Process. Landforms 41, 1884–1893 (2016); DOI: 10.1002/esp.3956.

Arenson L. U. and Springman S.M.; 2005; Mathematical descriptions for the behaviour of ice-rich frozen soils at temperatures close to 0 °C; Can. Geotech. J. 42: 431–442 (2005); doi: 10.1139/T04-109.

Bodin, X. & Fort, M. & Thibert, E. & Fabre, D. & Schoeneich, P. ;2008. Dynamics of Alpine permafrost as a possible response to global warming: results from a 1986-2006 survey and interpretation of recent field observations (French Alps)..

Bodin X., Thibert E. , Fabre D. , Ribolini A. , Schoeneich P. ,Francou F., Reynaud L. and Fort M., Two Decades of Responses (1986–2006) to Climate by the Laurichard Rock Glacier, French Alps Permafrost and Periglac. Process. 20: 331–344 (2009).

Cicoira A. , Beutel J. , Faillettaz J. , Gärtner-Roer I. , and Vieli A. ;2019; ; Resolving the influence of temperature forcing through heat conduction on rock glacier dynamics: a numerical modelling approach; The Cryosphere, 13, 927–942, 2019; https://doi.org/10.5194/tc-13-927-2019.

Daudon D., Dufour F., Gagliardini O. ;2011 ; Numerical modelling of glacier snow rheology by means of the FEM with Lagrangian Integration Points Microdice-Duval seminar 2011

Boeckli, L., Brenning, A., Gruber, S., & Noetzli, J. ;2012 ;. Permafrost distribution in the European Alps: calculation and evaluation of an index map and summary statistics. The Cryosphere, 6(4), 807–820. doi:10.5194/tc-6-807-2012.

 

Thèse en cours de préparation sous la direction de Dominique DAUDON (UGA-3SR), le co-encadrement de Xavier BODIN (USMB-EDYTEM) et Emmanuel THIBERT (UGA-INRAE), première inscription à l’école doctorale IMEP² de lUGA en Novembre 2018 avec un contrat doctoral de Grenoble INP.

Le Cross Disciplinary Project Risk (CDP Risk) de l'Université de Grenoble Alpes est un des dix-huit projets d'une Initiative d'Excellence financée par l'Etat à Grenoble pour favoriser l'émergence de recherches pluridisciplinaires dans différents domaines. Depuis 2018, le CDP Risk rassemble plusieurs laboratoires grenoblois impliqués dans des projets transversaux pour répondre à des problèmes sociétaux d'analyse, de prévention des risques et de gestion de crise, tant par des approches issues des sciences humaines et sociales que par des méthodologies issues des géosciences, de l'ingénierie et des sciences de l'information. Le CDP RISK finance onze thèses co-dirigées au sein de laboratoires complémentaires pour initier la science du risque de demain autour des risques naturels et de leur impact sur la société. A terme, un Institut des Risques doit voir le jour à Grenoble avec la perspective de développer et valoriser la recherche et la formation autour des risques auprès d'acteurs institutionnels et privés. Dans cet esprit, 7 doctorants ont accepté de partager sur le site Web de l'IRMa leurs premiers résultats de thèse. Une saga en 7 épisodes, à retrouver ici chaque semaine !

  risk.univ-grenoble-alpes.fr
https://twitter.com/Risk_UGA @Risk_UGA



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