AFFAISSEMENTS DU SOL

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Pour l'homme, le sol donne l'image même de la stabilité. Ni les modifications locales par érosion ou sédimentation ni les séismes ne mettent en cause cette référence. Alors, quand le sol se dérobe, l'homme est désemparé. Certes, la géologie enseigne que partout le sol monte ou descend – par exemple, les Pays-Bas s'enfoncent et la Scandinavie remonte –, mais généralement à une échelle de temps qui rend ces mouvements imperceptibles. Aux phénomènes naturels s'ajoutent ceux que l'activité humaine induit ou accélère, par le creusement de cavités en tout genre et par l'extraction des fluides du terrain. Des affaissements en résultent, qui peuvent être continus ou discontinus, dans le temps et dans l'espace. L'affaissement soudain s'appelle effondrement, et la zone effondrée présente des ruptures, des crevasses béantes ou des failles. Seuls les effondrements menacent les habitants, mais tous ces mouvements sont dangereux pour les bâtiments et les ouvrages d'art. Nous ne parlerons ici que des affaissements proprement dits ou déplacements verticaux du terrain vers le bas, à l'exclusion des mouvements le long des pentes, appelés glissements de terrain.

Genèse et mécanismes des affaissements

La pesanteur, loi physique sur l'attraction des corps, est le moteur des affaissements, moteur actif dès qu'il y a du vide sous la surface du sol. Que la pesanteur referme ce vide, et la surface du sol s'abaisse. On distinguera deux catégories de vides : les vides diffus, c'est-à-dire, la porosité naturelle des terrains, occupée par des fluides, et les vides francs que constituent les galeries et cavernes, naturelles ou artificielles. Dans la plupart des cas, l'examen du sol met en évidence des cuvettes d'affaissement, dont la forme classique est celle d'une assiette, ou des fontis d'effondrement (des puits ou des gouffres), à l'intérieur d'une cuvette plus ou moins apparente.

Affaissements en cuvette ou en fontis

Affaissements en cuvette ou en fontis

dessin

Affaissements en cuvette ou en fontis au dessus d'une couche exploitée (en mine ou en carrière : en a, l'affaissement est continu; en b, l'affaissement est discontinu). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les vides diffus

La porosité des sédiments non cimentés et des remblais va de 20 à 50 p. 100, celle des vases et des tourbes peut dépasser 70 p. 100. Cette porosité initiale diminue lorsque les fluides interstitiels – air, eau, hydrocarbures –, en sont chassés, soit naturellement sous le poids de la couverture, soit par des surcharges ou des exploitations. Comme l'épaisseur des dépôts sédimentaires meubles et poreux se mesure en dizaines voire en centaines de mètres, par exemple à Mexico ou à Bangkok, les affaissements métriques ne sont pas rares.

Dans certains terrains sableux, la circulation de l'eau déplace les grains les plus fins ; la porosité augmente par endroits, permettant des affaissements localisés ; parfois même de véritables conduits se développent, que la ressemblance avec des terriers d'animaux a fait appeler « renards » ; ces vides francs modestes donnent lieu à un type d'effondrement appelé suffosion.

Les vides francs

Les galeries et les grottes naturelles sont fréquentes dans les roches solubles, comme les calcaires, et aussi dans les coulées de lave. L'homme y a ajouté les mines et les carrières souterraines, et bien d'autres caves, sapes, tunnels et cavernes. La plupart des mines et carrières se développent sur de grandes étendues suivant des couches stratigraphiques (de charbon ou de calcaire à ciment par exemple). Si une couche est enlevée complètement, son « toit » descend et la surface du sol s'affaisse. Pour l'éviter, il faut laisser en place une partie de la couche sous forme de piliers ; c'est le cas de nombreuses carrières souterraines. Si le minerai fait l'objet d'une exploitation intensive, des supports provisoires sont mis en place, après quoi l'affaissement est inéluctable.

Le cas des cavités isolées est différent parce que le terrain peut « faire voûte » au-dessus. Tant que leur toit ne s'écroule pas, l'affaissement est faible, mais, s'il s'écroule, la cavité peut déboucher vers la surface par un puits ou un cratère, appelé fontis.

Au-dessus d'une cavité, d'une mine ou d'un tunnel, la cuvette est plus large que la cavité (cf. , a), ses bords sont inclinés et fléchis, d'où un allongement à l'extérieur et un raccourcissement à l'intérieur (déformations qui se communiquent aux bâtiments) ; au contraire, le fontis est souvent plus étroit que la cavité initiale (cf. , b).

Exemples d'affaissements

La compaction des sédiments fins est la cause principale des affaissements naturels (les mécaniciens des sols l'appellent consolidation). Le seul poids des terrains situés au-dessus compacte les dépôts fins des deltas et autres accumulations épaisses. C'est ainsi que la ville de Sybaris, colonie grecque sur le golfe de Tarente en Italie, s'est affaissée de 10 mètres en 2 500 ans. Les cavités de dissolution sont une autre cause naturelle, qui affecte les gypses (région parisienne, lac du Mont-Cenis, etc.) et les roches calcaires.

Les affaissements miniers sont une nuisance pratiquement inévitable de l'exploitation du sous-sol ; en général, ils la suivent avec un retard de quelques jours à quelques mois ; ils se mesurent en mètres, à l'échelle des épaisseurs cumulées des couches exploitées, jusqu'à 12 mètres à Saint-Étienne, et même 19 mètres dans le bassin houiller du Nord - Pas-de-Calais.

Les effondrements affectent plutôt les mines peu profondes et les carrières, lorsque plusieurs piliers s'écroulent en chaîne soit en cours d'exploitation (mine de fer de Roncourt en Lorraine en 1959), soit longtemps après (le 1er juin 1961 à Clamart, 6 hectares de carrières anciennes se sont effondrés brutalement, détruisant une usine et 21 pavillons ; le nombre des victimes s'est élevé à 21 morts et 35 blessés). Les affaissements tardifs survenus dans les mines de fer à Auboué et Moutiers en 1996 et 1997 ont rappelé que les piliers ne sont pas éternels : la résistance des roches à grande échelle et sur une longue durée est inférieure à celle qu'on mesure en laboratoire.

La compaction due à l'extraction d'eau souterraine affecte la plupart des grandes métropoles, qui ont été construites sur d'épaisses formations alluviales fines : Tōkyō et Ōsaka, Mexico, Shanghai, et Bangkok. À Tōkyō, de 1920 à 1970, l'affaissement a atteint 4,2 m ; à Mexico, il a dépassé 7 mètres. En Californie, en raison du pompage pour l'irrigation, la vallée du San Joaquin est devenue la plus vaste zone affaissée au monde (plus de 10 000 km2) ; entre 1943 et 1969, la flèche maximale a atteint 8 mètres, avec des conséquences très importantes sur les cours d'eau, les puits et les conduites ; depuis 1969, les pompages sont arrêtés et un aqueduc assure l'essentiel des besoins.

Les compactions dues aux exploitations de pétrole et de gaz affectent la plupart des grands gisements situés dans des sédiments récents épais : pétrole dans le bassin de Maracaibo (Venezuela) ou dans la région de Los Angeles (États-Unis), méthane dans celles de Niigata (Japon) ou de Groningue (Pays-Bas). Le fluide soutiré est remplacé par de l'eau, mais la pression est durablement diminuée. Comme les gisements d'hydrocarbures sont plus localisés que les nappes d'eau, les cuvettes d'affaissement sont moins étendues et, pour une flèche du même ordre – 8 mètres à Los Angeles, au bord de la mer –, les pentes et les déformations du sol sont beaucoup plus importantes et dangereuses, ce qui les rapproche du cas des mines. L'exemple du gisement sous-marin d'Ekofisk, en mer du Nord, est bien connu puisque les plates-formes ont dû être relevées de 6 mètres après quinze ans, puis entièrement reconstruites dix ans plus tard.

Dans le cas du sel gemme, les affaissements sont dus à la fois aux mines et à l'action des fluides : les piliers d'une mine sont vulnérables en cas d'inondation, et les cavernes produites par dissolution forcée s'agrandissent jusqu'à la rupture du toit. Après une exploitation, des affaissements tardifs se manifestent, comme à Dombasle-sur-Meurthe (Meurthe-et-Moselle). Même hors exploitation, le sel gemme peut donner lieu à des accidents spectaculaires : au Sahara, un forage pétrolier mal cimenté a provoqué un énorme cratère après dissolution d'une caverne dans une épaisse couche de sel.

L'écroulement du tunnel du canal du Rove, près de Gignac (Bouches-du-Rhône) a provoqué en 1963 un cratère en surface (le tunnel est depuis lors abandonné) ; des fontis plus ou moins importants ne sont pas rares, mais presque toujours au cours des travaux (aéroport de Londres-Heathrow en octobre 1994, rue Papillon à Paris en décembre 1996, etc.).

La gestion des risques

Les conséquences des affaissements en cours d'exploitation minière sont attendues, les cours d'eau, les villages et ouvrages d'art sont protégés par des restrictions d'exploitation (stots de protection) ; au besoin, la compagnie intervient pour relever les eaux ou les bâtiments et pour indemniser les victimes des dégâts. Mais population et administration sont confrontées aujourd'hui à des désordres différés, comme à Auboué et Moutiers. Si les mines, fermées récemment, sont à peu près convenablement répertoriées, il y a en France des milliers de carrières souterraines abandonnées, dont la plupart sont inconnues.

Lorsque la cavité s'étend, les immeubles s'inclinent au passage du front, puis se redressent, les fissures se referment mais ne se cicatrisent pas. La longueur des bâtiments aggrave les désordres ; l'affaissement vertical n'est pas dangereux en soi, ni même l'inclinaison en bord de cuvette, qui rend néanmoins l'immeuble inhabitable. On admet comme seuil de désordres un tassement différentiel de 20 centimètres sur la longueur d'un bâtiment. Les bâtiments de forme ramassée sont donc les moins vulnérables.

L'effondrement est plus dangereux ; même pour une amplitude faible de 1 ou 2 mètres, son effet dynamique a pu faire passer des cuisinières à travers les planchers (Lorraine) ; les fentes qui l'accompagnent s'ouvrent de plusieurs décimètres, parfois plusieurs mètres.

Les affaissements, qui peuvent être inconnus dans certaines régions, sont plus fréquents dans d'autres soit en raison de particularités géologiques favorables aux cavités naturelles, soit en raison des activités humaines. Les terrains calcaires et surtout gypseux sont toujours suspects ; les exploitations minières, même anciennes, ont laissé des traces ; partout où le sous-sol fournit une pierre de construction, les carrières accompagnent les villes ; des exploitations d'argiles et de marnes peuvent avoir existé partout où on trouve ces terrains. En l'absence de documents, la recherche de cavités fonde le diagnostic. Les photos aériennes rasantes donnent des indices ; divers procédés de mesures géophysiques au sol, parmi lesquels la gravimétrie, qui utilise des appareils extrêmement sensibles, apportent des données plus précises. Une sape de la Seconde Guerre mondiale a pourtant provoqué le déraillement d'un T.G.V. près de Valenciennes en novembre 1993 ; elle avait échappé aux enquêtes préalables.

En 1777, à Paris, après des fontis spectaculaires rue d'Enfer, le roi Louis XV a institué l'Inspection des carrières de Paris. Ainsi, la Ville de Paris dispose de cartes au 1/1 000, enviées partout dans le monde (consultation et vente place Denfert-Rochereau).

Dès qu'il y a des terrains propices ou des indices, et quelle que soit la densité des reconnaissances par forages, il convient de se prémunir contre une cavité non détectée, grâce à des fondations sur radiers, tant d'immeubles que de routes ou de voies ferrées. Lorsque les cavités sont visitables, leur stabilité peut être estimée ; à défaut, la construction d'immeubles et d'ouvrages d'art est précédée par le remblayage des vides (station de métro Tolbiac-Nationale, à Paris) ou la consolidation par des piliers maçonnés (gare Montparnasse, à Paris). À Bruxelles, c’est le réseau d’égouts qui pose problème en raison de sa vétusté. Depuis le début de l’année 2010, les affaissements de rues et de trottoirs, les fuites d’eau, les ruptures de canalisation, etc., se multiplient. Un programme de rénovation de 500 kilomètres de ce réseau d’égouts va s’effectuer sur vingt ans.

—  Pierre DUFFAUT

Bibliographie

L. Besson, Les Risques naturels en montagne, Artes-publialp, 1996

P. Duffaut, C. Arnal & V. Maury, « Travaux souterrains et affaissements », in Géochronique, no 66, pp. 6-17, mai 1998

Houillères du bassin de Lorraine, « Les Dégâts de surface, mesures préventives et correctives pour en minimiser les effets », in Rev. Industrie minérale, pp. 267-292, 1986

I.N.E.R.I.S., Impact du changement climatique sur la stabilité des cavités souterraines, 30 mars 2010

S. Nicoletis & H. Bouali, Le Phénomène OKN 32, A.F.T.P.-S.P.E., 28 avril 1993

Y. Paquette, Analyse des risques d'effondrement karstique sur le dôme de la Mure, Ineris, 1991

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Pour citer l’article

Pierre DUFFAUT, « AFFAISSEMENTS DU SOL », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 07 juillet 2019. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/affaissements-du-sol/