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Tsunarisque

 | 
Franck Lavigne
, 
Raphaël Paris

Chapitre 2. Impacts environnementaux du tsunami

L’apport du géoradar pour l’étude des impacts géomorphologiques du tsunami du 26 décembre 2004

Christopher Gomez, Nicolas Lespinasse et Franck Lavigne

Résumé

This article aims at emphasizing the importance of the Ground Penetrating Radar (GPR) campaign that has been carried out after the December 26th, 2004 tsunami. Out of a large amount of data collected in the field, we are unveiling here the sand dunes’ erosion and the correlated sandy deposits. This study takes place in Lampuuk at two different spots where either erosion or deposition was clearly identified. GPR data were completed with traditional destructive methods in order to calibrate the radargram. Results concern the coastal dunes’ eroded structure chopped by the tsunami. This structure appeared as a succession of 45° inclined layers, horizontally cut on the top, with, a post-tsunami sandy deposit cover – this last deposit certainly brought by wind deflation. The deposit area – in a coconut trees field – is located behind the dunes-field. It revealed a layered structure of sandy deposit that coincides with the water table progressive retreat. The sandy deposits were in average 45 cm deep, and showed some local variations mainly due to topography details. Then, owing to 3D processing we could also calculate the tsunami deposit volume in the coconut trees plantation: 4 415 m3.ha-1. In the end, the GPR allowed us to detect non-autochthonous deposits bellow the 2004 tsunami deposit that certainly result from a paleo-tsunami.

Texte intégral

1. Introduction

1Les études réalisées au géoradar ou GPR (Ground Penetrating Radar) se sont largement développées ces dernières années (Davis & Annan, 1989 ; Neal, 2004), en particulier dans les champs de la géomorphologie et de la géologie. Le GPR s’est révélé être un outil précieux en hydrostratigraphie (Gomez, 2006 ; Kostic et al., 2005), pour les glissements de terrain (Grandjean et al., 2006), la géologie liée aux systèmes de failles (Rashed et al., 2003), l’archéologie (Baker et al., 1997) et les dépôts volcaniques (Gomez et al., 2008 ; Gomez-Ortiz et al., 2006).

2Bien que le géoradar n’ait jamais été utilisé sur des dépôts de tsunami, les études littorales qui en font usage sont nombreuses. Depuis les années 1980, l’utilisation du GPR s’est fortement développée dans les milieux littoraux sableux, les plus favorables à une bonne pénétration des ondes électromagnétiques. Les faciès caractéristiques des signaux radar sur ce type de côte ont été très bien décrits et interprétés (Pedersen & Clemmensen, 2005 ; Costas et al., 2006). La plupart des études réalisées à l’aide d’un GPR ont pour objectif de reconstituer l’évolution du littoral durant l’holocène (Buynevich & Fitzgerald 2003 ; Moore et al. 2004 ; Costas et al., 2006). Sur les côtes ayant progradé depuis quelques milliers d’années à la suite d’une sédimentation d’origine fluviale, par exemple, on repère le niveau de base sous-jacent, souvent argileux, par géoradar. La mesure de l’épaisseur des dépôts le long de transects parallèles les uns aux autres permet de réaliser une cartographie précise en 2D de la paléotopographie, ainsi qu’une cartographie 3D des dépôts sus-jacents plus récents (Jol et al., 2003). Lorsque les dépôts ne dépassent pas quelques mètres d’épaisseur, l’utilisation d’antennes à haute fréquence (500, 800 ou 900 MHz) offre la possibilité d’effectuer une analyse fine de la stratigraphie. Quatre types de cheniers (anciens cordons littoraux étroits et allongés, souvent parallèles à la côte, et reposant sur un substrat argileux ou limoneux) ont pu ainsi être distingués dans le sud de l’Essex en Angleterre, grâce à la haute résolution (2 à 6 cm) permise par une antenne de 900 MHz (Neal et al., 2002). Chacun des cheniers analysés correspondant à un stade d’évolution de la plaine côtière, le GPR peut fournir de précieux renseignements paléoenvironnementaux, à condition que la méthode géophysique soit couplée avec des analyses géomorphologiques et sédimentologiques.

3L’analyse de cordons littoraux actifs, reposant sur un substrat sableux, est un peu moins aisée pour deux raisons. D’une part, la proximité de la mer entraîne une perte du signal plus rapide, liée à la présence de sel à faible profondeur dans le sous-sol. D’autre part, le contact entre deux strates sableuses, même d’âge différent, peut être délicat, car les propriétés diélectriques de ces matériaux sont proches. Cependant, l’auscultation par géoradar de cordons littoraux et de champs dunaires révèle souvent la présence de paléosols entre deux générations de dunes (Loope et al., 2004). À Thy, au Danemark, Pedersen & Clemmensen (2005) ont par exemple montré qu’un massif dunaire polygénique, aujourd’hui stabilisé, de 10 à 15 m d’épaisseur de sables éoliens d’âge holocène comprend trois niveaux de paléosols datés par C14 à 2100 av. J.-C., 700 av. J.-C. et 11001200 ap. J.-C. Ces niveaux, qui servent ainsi de marqueurs chronologiques, ont fait l’objet d’une cartographie en 3D grâce aux données acquises par géoradar. Les plages soulevées révélées par auscultation géophysique de subsurface peuvent également faire office de bons marqueurs, comme l’a récemment démontré une étude réalisée dans la plaine côtière de Kujukuri, sur la côte est du Japon (Tamura et al., 2007). Enfin, le géoradar s’avère d’une très grande utilité pour découvrir ou confirmer la présence de paléochenaux en domaine estuarien (Buynevich & Fitzgerald, 2003) ou deltaïque (Trentesaux et al., 2003). Tous les travaux cités précédemment ont en commun d’avoir eu recours au géoradar pour retracer l’évolution à long terme (durant l’holocène) des côtes sableuses. Dans certains cas, les profils réalisés par GPR ont pu mettre en valeur des signatures géomorphologiques liées à des événements exceptionnels comme les tempêtes. Par exemple, Dougherty et al. (2004) ont repéré par géoradar puis cartographié les dépôts de deux fortes tempêtes survenues il y a environ 1800 ans sur les côtes du Massachusetts. Toutefois, c’est la première fois que le GPR a été utilisé pour l’étude des formes d’érosion et des dépôts de tsunami.

2. L’application du radar géologique à l’auscultation des dépôts de tsunami : approche méthodologique

2.1. Principes de fonctionnement du GPR

4Le GPR est un instrument géophysique qui utilise les ondes électromagnétiques et leurs propriétés de propagation dans des milieux de résistivité diélectriques différents. Les premières théories de propagation et de réflexion d’ondes électromagnétiques sont dues à Maxwell (1864). Ses recherches ont mené à la création du radar, qui connaît un premier essor durant la Seconde Guerre mondiale. L’Armée britannique en équipe toutes les côtes sud et est du Royaume-Uni afin de détecter les avions nazis. Le radar fait un deuxième bond en avant dans les années 1950, lorsqu’un appareil embarqué à bord d’un avion de l’US Air Force réussit à repérer des formes sous la glace du Groenland. Ensuite, il faut attendre 1960 pour que Cook propose pour la première fois d’utiliser le radar pour « voir dans le sol ». Enfin dans les années 1970, les scientifiques commencent à tester le GPR (Muffat & Puskar, 1976), avant de chercher différentes méthodes d’interprétation des données (Wyatt et al., 1996).

5Un GPR est composé de (1) deux antennes : une émettrice qui produit l’onde électromagnétique à travers le sol et une réceptrice qui détecte les ondes reflétées dans le sol ; ces deux antennes sont reliées à (2) un émetteur radio qui contrôle l’émission/réception et la synchronisation des antennes. L’ensemble est enfin contrôlé par une (3) interface vidéo interactive qui permet à l’opérateur de contrôler le GPR. Le radar utilisé pour cette étude est de type RAMAC®, avec une antenne blindée de 800 MHz. Les données brutes ont ensuite été traitées sous le logiciel d’imagerie scientifique ReflexTM.

6Le GPR lit les réflexions et les caractéristiques du sol de la manière suivante : une réflexion apparaît lorsque l’onde émise rencontre un changement d’impédance diélectrique – capacité du sol à transmettre l’onde électromagnétique – dans le sol ou un objet. Cette variation d’impédance diélectrique peut être liée soit à un changement de matériel, comme le passage d’un sol organique vers du sable, soit à un changement de d’état du matériel, plus chaud, plus humide, etc. On peut donc exprimer le coefficient de réflexion par la formule :

7où Z1 est l’impédance naturelle du substrat 1 et Z2 l’impédance naturelle du substrat 2

8et l’impédance du substrat par la formule

9où μ0 est la perméabilité magnétique dans les espaces vides

10ε0 est la constante diélectrique dans les espaces vides

11εr est la constante diélectrique spécifique du substrat

12Le GPR enregistre donc les variations « aux joints » de deux substrats, mais il est également sensible aux caractéristiques du milieu lui-même. Chaque milieu se caractérise par des vitesses de propagation de l’onde électromagnétique différentes qui varient en fonction de la combinaison de nombreux facteurs, tels que la présence d’oxyde de fer, de matériaux organiques, ainsi que les changements de teneur en eau dans le sol (Van Dam, 2001 ; Van Dam et al., 2002). Les vitesses de propagation de l’onde électromagnétique peuvent alors fortement varier d’un substrat à l’autre : 0,3 m/ns dans l’air (vitesse de la lumière) ; 0,1 m/ns dans le béton ; 0,0335 m/ns dans l’eau non salée.

13Grâce à ces propriétés électromagnétiques, il est possible de détecter à distance des objets ou des structures souterraines sans avoir recours à une méthode destructive. Les avantages principaux de cette technique GPR sont (1) le fait que les antennes n’ont pas un besoin impérieux d’être en contact avec la surface du sol, ce qui permet une grande rapidité d’opération, (2) et la modulation fréquentielle du signal autorisant une utilisation étendue et adaptable aux différentes situations. Néanmoins, le GPR connaît des limites liées à l’atténuation du signal. Trois éléments principaux sont à l’origine de l’atténuation du signal : la diffusion de celui-ci, la réflectivité de l’objet cible et l’atténuation liée au matériel. Cette atténuation peut s’écrire de la manière suivante :

14où α est l’atténuation en dB/m

15ρ est la résistivité électrique effective à la fréquence GPR utilisée

16εr est la permittivité relative du milieu

2.2. L’étude des dépôts par GPR : méthodologie et traitement 3D

17Notre campagne GPR a été conduite un an après le tsunami du 26 décembre dans toute la région de Banda Aceh. Les terrains étudiés, tous en position littorale, sont soit des zones de dépôt de runup ou de backwash, soit des zones d’érosion. En totalité, plusieurs kilomètres de données ont été collectés (Tab. 1).

18Parmi toutes ces données, nous avons choisi de présenter ici les résultats des travaux obtenus au sud de la ville de Banda Aceh, dans le nord de la baie de Lampuuk (Fig. 1). Premièrement, nous nous sommes intéressés à un champ de dunes en bordure littorale, dont certaines avaient, semble-t-il, été arasées. Afin de confirmer cette hypothèse, une série de transects GPR et une courte tranchée ont été réalisées sur la surface d’une des dunes supposément arasées – surface de 9 m × 20 m (UTM E747098/N608125). Deuxièmement, nous nous sommes tournés vers une zone de dépôt située dans une cocoteraie juste en arrière des dunes. Ce secteur était un site privilégié pour le dépôt des matériaux transportés par le tsunami – surface de 16,5 m × 7 m (UTM E608056/N747189). Ces deux sites ont été retenus car ils étaient encore vierges de tout remaniement humain posttsunami et pas encore totalement recouverts par la végétation, souvent contraignante pour la prospection GPR.

TAB. 1. Zone d’investigation GPR dans le nord de l’île de Sumatra suite au tsunami de décembre 2004.

TAB. 1. Zone d’investigation GPR dans le nord de l’île de Sumatra suite au tsunami de décembre 2004.

FIG. 1. Localisation des deux zones d’investigation GPR dans une cocoteraie et des dunes au nord de la baie de Lampuuk.

19Les données ont été acquises avec une antenne de 800 MHz, donnant une image du premier mètre du sous-sol. Les transects ont été effectués de manière parallèle avec un espacement régulier d’un mètre, contrôlé au cordeau pour les deux terrains – à l’exception du dernier transect séparé des autres de 50 cm seulement. Les données recueillies ont ensuite été traitées grâce au logiciel Reflex®. La qualité graphique des radargrammes a été améliorée par modification du « gain » et de « l’energy decay », puis le segment libre au-dessus de l’écho de surface a été supprimé par « static correction ». Les vitesses mesurées dans le substrat – 0,77 m.ns– 1 à 0,9 m.ns– 1 – ont ensuite été transformées en profondeur par conversion des temps en vitesse, en fonction des champs de vitesses modélisés. Les données de la cocoteraie ont également été converties en trois dimensions, en replaçant dans l’espace tous les résultats des coupes GPR. La 3D a été obtenue par krigeage (Cressie, 1993).

3. Résultats : érosion et dépôts

3.1. Mise en évidence d’une dune tronquée

20À l’emplacement d’une dune montrant des traces d’érosion par le tsunami, nous avons étudié l’architecture de la subsurface de la racine dunaire. On observe au GPR une succession d’horizons réfléchissants, inclinés de 10° à 40°. Au sommet de cette série, un ensemble d’horizons réfléchissants s’étend cette fois parallèlement à l’horizontale (Fig. 2). La structure inclinée à la base représente la racine de la dune qui a été décapitée par le tsunami. Cette géométrie est liée aux différentes phases de progression et de construction de la dune. Au sommet, les couches horizontales sont la signature de remaniements par déflation éolienne posttsunami. Cette architecture observée au GPR a été confirmée de visu dans la tranchée, et les horizons réflecteurs identifiés comme de fines couches argileuses d’un demi-millimètre environ. Ces intercalations argileuses sont caractéristiques de la structure des dunes. Le dépôt sableux (environ 10 cm) recouvrant la structure tronquée de l’ancienne dune est lui aussi lité avec de fines couches argileuses en position horizontale. Ce type d’alternance signifie que le dépôt sableux s’est mis en place par paliers successifs (Junun Sartohadi, communication personnelle). Les très fines couches argileuses se seraient formées pendant des périodes de l’année plus sèches et plus ventées, favorables aux déplacements des aérosols. Toutefois il est possible d’avancer d’autres explications, comme des variations de porosité dans les strates sableuses qui piégeraient les fines à leurs différentes limites.

FIG. 2. Exemple de coupe GPR sur la dune tronquée, et interprétation du signal.

21Une fois arasée par le tsunami, l’ancienne dune s’est retrouvée en situation de « bas topographique » par rapport à d’autres dunes moins érodées, ce qui a engendré un réajustement des pentes et une migration des sables vers les zones les plus basses. Ce réajustement a eu lieu assez rapidement, car les remaniements éoliens ont recouvert la dune tronquée et la langue de sable qui a migré.

3.2. Mise en évidence de formes de surcreusement

22En arrière de cette dune, nous avons étudié une zone basse où le passage du tsunami s’est traduit par une première phase d’érosion, suivie d’une sédimentation sous la forme de dépôts sableux. Grâce aux propriétés précédemment énoncées du signal GPR, nous avons pu définir la limite entre les dépôts du tsunami de 2004 et le substrat qui a été érodé. Sur chaque transect de la cocoteraie (Fig. 3), la base des dépôts du tsunami de 2004 a été notée par une ligne pointillée, qui correspond donc à la surface d’érosion du tsunami. Nous avons reconstitué cette surface en 3D grâce à la combinaison de 8 transects longitudinaux. Ainsi, on peut noter 2 dépressions principales qui s’enfoncent à plus de 80 cm sous le niveau actuel. Elles sont encadrées par deux zones parallèles faiblement creusées. Le tsunami n’a donc pas érodé le substrat de manière régulière. La présence d’objets plus résistants à l’érosion engendre localement une érosion différentielle. En effet les zones les moins érodées sont situées à proximité de cocotiers, et correspondent aux nœuds racinaires de ceux-ci. Les racines n’ont pas été emportées et ont pu protéger une partie du sol. Ces observations visuelles ont été confirmées par les transects GPR qui montrent un grand nombre d’hyperboles, réflexion électromagnétique du système racinaire. Les zones les plus fortement érodées se situent en arrière de ces zones peu érodées. Ces accentuations de l’érosion sont dues aux turbulences créées dans le flux par les cocotiers et leurs racines. Le même phénomène a été observé par notre équipe en arrière des maisons qui ont résisté (ou partiellement résisté) au tsunami. Enfin, ces formes de surcreusement identifiées au GPR peuvent traduire le passage de matériaux charriés par le tsunami laissant des marques de stries sur le sol, marques par la suite accentuées par l’érosion posttsunami.

3.3. Signature électromagnétique des dépôts du tsunami de 2004

23Au-dessus de la surface d’érosion liée au passage du tsunami, les ondes du GPR traversent les dépôts sableux du tsunami sur une épaisseur de 10 à 80 cm. Ces dépôts ont tendance à remplir les formes d’érosion tout juste formées par le tsunami. Ils ont des propriétés électromagnétiques proches de celles de la subsurface de remaniement observée dans le champ de dunes. Les vitesses sont typiques d’un milieu sableux non saturé en eau, et la structuration du dépôt est globalement gouvernée par des interfaces horizontales à forte réflectivité, qui s’organisent en vaguelettes. Plus près de la surface, on observe des structures en « assiettes empilées », avec des couches plus épaisses au centre que sur les bords. Nous avons accentué les lignes de cette structure sur la quatrième coupe (Fig. 3), également observables sur les coupes 3 et 5. Cette structuration particulière peut s’expliquer de deux manières : (1) une nappe d’eau de surface s’est progressivement résorbée par évaporation et succion verticale associée ; ou (2) la déflation éolienne a progressivement fossilisé une petite dépression.

FIG. 3. Coupes GPR dans la cocoteraie.

24Par interpolation spatiale (ici krigeage), nous avons pu passer de transects GPR 2D à un bloc diagramme 3D (les termes 2D et 3D omettent le vecteur temporel en tant que dimension, sinon il serait plus juste de les nommer respectivement 3D et 4D). À partir de ce diagramme 3D réalisé sous Surfer®, nous avons donc calculé les volumes du dépôt de tsunami pour la parcelle étudiée. Pour ce faire, nous avons simplement soustrait au 0 du niveau actuel du sol la limite inférieure des dépôts de tsunami. Pour notre portion expérimentale de 16,5 m × 7 m nous obtenons des épaisseurs comprises entre 0,3 m et 0,57 m, et un volume déposé d’environ 51 m3. Ce volume varie très légèrement en fonction de la méthode de calcul : selon une règle trapézoïdale, la valeur est de 51,815 m3, alors que la règle de Simpson donne une valeur de 51,817 m3. Le niveau d’erreur étant inférieur à 0,1 %, nous choisissons donc de l’ignorer. Par extrapolation, nous pouvons calculer des données théoriques de volume de dépôt par hectare, soit ici 4 415,5 m3 par hectare en moyenne, avec un minimum de 3 000m3 et un maximum de 5700 m3. Toutefois, il s’agit de rester prudent avec ces données car les volumes déposés sont tributaires de la configuration du terrain, de l’orientation et des caractéristiques des vagues. Il s’agit donc d’un ordre de grandeur des volumes sédimentés.

Conclusion

25Au vu des résultats de cette étude expérimentale, l’approche électromagnétique par GPR semble particulièrement adaptée à l’étude de la subsurface, particulièrement dans les dépôts sableux. Nous avons ainsi pu repérer des zones de dépôt et d’érosion par le tsunami, localiser des objets enfouis dans le sol, et reconstituer l’évolution de certains éléments du paysage, comme une dune arasée par le tsunami.

Table des illustrations

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Titre TAB. 1. Zone d’investigation GPR dans le nord de l’île de Sumatra suite au tsunami de décembre 2004.
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Légende FIG. 1. Localisation des deux zones d’investigation GPR dans une cocoteraie et des dunes au nord de la baie de Lampuuk.
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Légende FIG. 2. Exemple de coupe GPR sur la dune tronquée, et interprétation du signal.
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Légende FIG. 3. Coupes GPR dans la cocoteraie.
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© Éditions de la Sorbonne, 2011

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