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Détection et Étude de la Fracturation par approche HYdrologique, GEOmorphodynamique, GEOlogique et GEOphysique


DEFHY3GEO is co-financed by the European Union with the European regional development fund (ERDF) and by the Normandie Regional Council.


L’érosion du trait de côte en Normandie a pour origine trois phénomènes principaux : la météorologie marine, le retrait des sédiments – avec, par exemple, pour conséquence leur dépôt (acrétion) en zone navigable - et l’anthropisation du littoral. L’évolution de ces phénomènes semble par ailleurs se dessiner défavorablement.

Dans ce projet, nous proposons d’étudier la fracturation des falaises littorales sous l’influence de l’hydrologie marine et de plateau. Nous nous intéressons plus particulièrement aux falaises à parois verticales de Normandie composées de craie (Seine-Maritime, Pays de Caux) et de calcaire (Calvados, Bessin), où la fissuration peut être particulièrement importante. La compréhension de ce phénomène contribue à l’explication et à l’identification des facteurs accélérateurs de l’érosion des falaises et du déclenchement de mouvements de masse (effondrements brutaux, éboulements, chutes de blocs, …), et par conséquent, du recul du trait de côte normand.

Notre problème scientifique est que, bien que le contrôle majeur des processus structuraux sur l'érosion des falaises soit largement reconnu et que les facteurs exogènes (marins, continentaux et anthropiques) soient bien identifiés, la question de leurs contributions respectives dans le déclenchement des mouvements reste ouverte. Nous proposons donc de déployer, d’une part, une méthodologie de mesures de la surface du plateau, des parois verticales et du platier et, d’autre part, plus en profondeur au sein du massif. Les moyens déployés nécessitent des techniques aériennes, de monitoring de surface dans la fracturation des argiles, et d’imagerie géophysique au sein du massif. La mise en place de ces techniques et d’une méthodologie adaptée devra permettre une meilleure compréhension du transit de l’eau dans ce système.
Notre méthodologie sera appliquée à différents sites de recherches retenus (voir annexes de présentation des sites) (1) pour la diversité des mécanismes (écroulements, effondrements, chutes de blocs) et représentatifs d’environnements aux lithologies contrastés (différents faciès de craies et de calcaires), (2) la disponibilité de bases de données plus ou moins continues de nombreux paramètres sur des périodes de temps supérieures à 5 ans, (3) l’existence sur chacun des sites sélectionnés d’un réseau de surveillance performants pour l’acquisition des données de base (imageries, climatiques, hydrologiques, etc.) et (4) la possibilité de poursuivre aisément le développement et les tests sur des sites sans contraintes majeurs. Ainsi, en favorisant une synergie entre des partenaires issus de communautés différentes (géomorphologues, géophysiciens, hydrogéologues, mécaniciens des sols, modélisateurs, …), le projet DEPHY3GEO offrira un cadre ouvert et structuré pour le développement d’une stratégie en matière de détection et d’étude de la fracturation pour une meilleure définition de la cartographie de l’aléa recul du trait de côte.

L’objectif de ce projet se décline ainsi suivant les work packages suivants :
● WP0 : Coordination du projet ;
● WP1 : Caractérisation de l’hydrologie et de la fracturation par combinaison de méthodes de télédétection, géophysiques, géotechniques et géomorphologiques. Il s’agira d’étudier les processus déclencheur à l’échelle d’un ou plusieurs site(s) particulier(s) ;
● WP2 : Détection/caractérisation de cette fracturation à grande échelle grâce à des méthodes multi-spectrales ;
● WP3 : Évaluation, modélisation et cartographie de l'aléa afin de définir les les secteurs de fortes susceptibilités et le zonage de l’aléa ;
● WP4 : Dissémination et valorisation des résultats.
 
Implication principale du LMI :
WP2 Détection/caractérisation de cette fracturation à grande échelle grâce à des méthodes multi-spectrales (Coordination : C. Le Guyader)
Tâche 2.1 : Détection automatique et/ou semi-automatique de la fracturation sur le plateau et les parois verticales [INSA, Cerema]. Dans un premier temps, une bibliographie et un état de l’art sur les méthodes existantes dans des domaines connexes sera réalisée. La constitution d’une base d’images acquises dans le visible et l’infrarouge thermique sera nécessaire. Dans un deuxième temps, des algorithmes de classification/détection/segmentation seront choisis et évalués, à l’aide des bases de données obtenues. Les caractérisations des fissures seront alors abordées et les méthodes mises en place.[THESE 2 Cerema/Insa, C. Le Guyader, R.Antoine, C.Heinkele, P. Charbonnier]
Tâche 2.2 : Prise en compte de la fracturation pour la modélisation hydrologique des milieux poreux. Les données issues de la détection automatique de la fissuration (Tâche 2.1) et les données issues de l’AXE 1, tâche 1.1 et 1.2 pourront être prise en compte pour l’élaboration de modèles numériques hydrologique des milieux poreux. [POST DOC 3 INSA 1, Ioana Ciotir / Raphaël Antoine / Antoine Tonnoir] (pour décrire l’infiltration d'eau dans les sols). Ces modèles seront mis en oeuvre afin de caractériser la géométrie des écoulements (transversaux selon fracturation, horizontaux selon la stratigraphie). De même, les données géotechniques et géophysiques seront prises en compte dans les modélisations hydromécaniques [POST DOC 4 LETG, Olivier Maquaire] et dans l’évaluation du recul des falaises [POST DOC 5 LETG-UNIL, Stéphane Costa]
 
Carole Le Guyader travaille avec Zoé Lambert (recrutement CEREMA sur le projet) et le CEREMA : l'analyse conjointe des données de l'infrarouge thermique et du visible en géophysique conduit à une cartographie plus fine de la fracturation des parois verticales : certaines fissures apparentes sur les images du visible ne le sont pas sur les images de l'infrarouge thermique et réciproquement.
Dans ce projet, nous proposons un modèle variationnel mutualisant l'information encodée par ces deux modalités. Il repose sur la décomposition indépendante des images originelles d'une même scène - infrarouge thermique et visible - en la somme d'une composante contenant les fissures obtenue à l'aide d'un opérateur de type variation totale directionnelle et d'une composante incluant l'information restante superflue pour l'analyse. La fusion des résultats obtenus indépendamment pour chaque modalité est ensuite réalisée par le biais d'une technique d'osmose. 
 
Ioana Ciotir a travaillé avec Rim Fayad et le CEREMA dans le cadre de l'étude de la porosité d’un milieux poreux par des méthodes inverses, avec des application dans l’étude des falaises. L'érosion du trait de côte est un phénomène naturel accéléré par le dérèglement climatique et dont l'impact sociétal impose une surveillance a ré-inventer. La construction d’un modèle plus fidèle ainsi que son étude du point de vue théorique et numérique doit permettre une meilleure auscultation et compréhension des phénomènes physiques en jeu.  Dans ce post-doc, nous avons initié divers travaux, et notamment étudié les différents modèles géophysiques qui décrivent l’infiltration de l’eau dans un milieux poreux. En se basant dessus, nous avons d’abord construit un modèle qui décrit l’infiltration de l’eau de pluie, qui tient compte aussi de l'influence de l’accélération gravitationnelle à travers un terme qui est proportionnel à l’humidité. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la question du mélange entre cette eau de pluie et de la nappe phréatique avec l’eau de mer salé pour déterminer quelles sont les zones exploitables pour chercher de l’eau potable. Nous avons donc construit un  nouveau modèle décrivant ce phénomène. Pour la suite du projet on souhaite faire l’étude la de consistance mathématique des modèles construits et aussi quelques  simulations numériques sur la suite du projet. Une collaboration a également été initiée avec D. Goreac (Chine).
 
Antoine Tonnoir a travaillé avec G. Sadaka et le CEREMA: Dans le cadre de ce post-doc, nous nous attachons à enrichir le code PylGRIM, développé dans le cadre du projet TéléDéTAC, permettant l’inversion de données géo-électriques. La spécificité de ce code, écrit en Python, est de considérer des géométries de type falaise afin d’être adapté à l’étude du trait de côte Normand. En particulier, une première tâche de ce travail a consisté à adapter la construction du maillage 3D représentant le sol et le sous-sol pour des géométries abruptes (et ainsi éviter d’utiliser un procédé de déformation de maillage qui ne fonctionne pas dans ces cas). Cela a permis d’obtenir des résultats sur des falaises très abruptes comme celles de Sainte-Marguerite sur mer. Une seconde partie du travail s’est portée sur l’amélioration de la vitesse du code. Pour ce faire, plusieurs améliorations notables ont été apportées allant de la parallélisation / vectorisation de portions de codes à l’implémentation de nouveau algorithmes pour résoudre le problème de minimisation apparaissant dans le problème inverse. Le temps d’execution ainsi a pu être réduit d’un facteur 20 ! 
 
Christian Gout a travaillé avec Guzel Khayretdinova du LMI sur des modélisations en traitement d'images et approximation de données dans le cadre de ce projet. Le but étant de développer des modélisations sophistiquées afin de traiter les données obtenues dans le cadre de ce projet. Un modéle conjoint gérant segmentation et approximation permet des applications dans un vaste champ applicatif. Ces travaux ont débouché sur un projet PEPS2 du Labex AMIES en lien avec le CEREMA. Ces travaux ont également donné lieu à deux publications.
Christian Gout et Antoine Tonnoir ont également travaillé avec Augustin Leclerc sur les méthodes d'approximation (ondes) et la mise en place de la journée finale du projet en décembre 2024.
 
Résultats récents dans le cadre du projet
  • I. Ciotir, D. Goreac, J. Li, A. Tonnoir, Stochastic porous media equation with Robin boundary conditions, gravity-driven infiltration and multiplicative noise, Arxiv 2405.12572, 2024.
  • A. Tonnoir, C. Fauchard, Y. Fargier, V. Guilbert, R. Antoine, PyLGRIM: Modelling 3D-ERI with infinite elements in complex topography context, Computers & Geosciences, Volume 192, 2024, 105685, ISSN 0098-3004, 2024. https://doi.org/10.1016/j.cageo.2024.105685.
  • G. Khayretdinova, D. Apprato, C. Gout,  A level set based model for image segmentation under geometric constraints and data approximation, Journal of Imaging 10-1 (2), 19p., 2024.
  • G. Khayretdinova, C. Gout, A mathematical model for wind velocity fields reconstruction and visualization taking into account the topography influence, Journal of Imaging, accepted for publication, 20 p., nov. 2024

Communications

  • Numerical simulations done with FreeFem++
    Georges Sadaka (CNRS et LMRS, UniRouen), communication journée MNSN.
  • Combining reciprocity gap method and state estimator for source identification in an advection-diffusion equation
    Antoine Tonnoir (LMI, INSA Rouen Normandie) - DEFHY3GEO, communication journée MNSN.
  • Détection de fissures sur des falaises normandes à partir d'images aériennes bi-spectrales.
    Zoé Lambert (CEREMA Normandie), Workshop/Conference 7th Rouen Math Modelling and Numerical Simulations, november 16, 2023.
Recrutement LMI financé sur le projet
- Rim Fayad (1 an - postdoc sur le projet), travail avec Ioana Ciotir.
- Augustin Leclerc (1m - IR sur le projet), travail avec C. Gout.
 
Equipements LMI du projet DEFHY3GEO utilisés par les membres du laboratoire impliqués dans le projet : Rim Fayad, Christian Gout, Guzel Khayretdinova, Carole Le Guyader, Antoine Tonnoir, Nathan Rouxelin, Augustin Leclerc.
                                               

Camera Infra Rouge
DEFHY3GEO
INFRATEC

Battery et Panneaux
JACKERY

 

Station calcul (HPC)


Ordinateur portable
DEFHY3GEO
 
Station Imagerie
 
 
 
Effet levier
- Projet PEPS2 du Labex AMIES obtenu en octobre 2023 [projet M2Si2 - Porteur C. Gout] : 55k€ du Labex AMIES.
- Dépôt Interreg en cours de rédaction (2024/25), porté par le CEREMA.
 
Supports de communication - Plaquettes/Flyers (janvier 2024)
 
 

Financement :Région Normandie et Europe
Budget global : 738 000€
Porteur du projet global : R. Antoine (CEREMA)
Porteur (INSA Rouen) : C. Gout (LMI)
Contacts scientifiques CEREMA : Raphaël Antoine et Cyrille Fauchard
Contacts scientifiques LETG : Olivier Maquaire et Stéphane Costa
Contacts scientifiques LMI : Christian Gout et Antoine Tonnoir
Contact scientifique M2C : F. Rejiba

 
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