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Qu’est ce qu’une cavité souterraine ?

Qu’est ce qu’une cavité souterraine ?

Présentation

 

Qu’elles soient d’origine naturelle (creusées par l’eau en milieu soluble), ou anthropique (marnières, tunnels…), les cavités souterraines peuvent affecter la stabilité des sols.

L’une des spécificités majeures de cette problématique, spécifique des mouvements de terrains, relève de la dimension «cachée» de l’aléa souterrain, souvent invisible pour les populations et oublié de tous surtout lorsque les cavités sont anciennes.

 

Avertissement : L’ensemble des cavités inventoriées sur ce site peut présenter des dangers liés à leur instabilité, à la présence possible de “poches” de gaz ainsi qu’à la montée très rapide des eaux lorsqu’il s’agit de cavités naturelles. Y pénétrer, comme s’en approcher, peut être grave de conséquences.

 

Les différents types de cavités

 

Notre sous-sol est traversé par un nombre considérable de cavités souterraines, naturelles ou liées aux activités humaines.

 

 

Cavités naturelles

La majorité des cavités naturelles sont créées par la dissolution des roches sédimentaires due à la circulation de l’eau formant des cavités de tailles très variables.

On distingue trois types de cavités naturelles :

  • les cavités de dissolution ;
  • les cavités de suffosion ;
  • les cavités volcaniques.
 
Les cavités de dissolution

Les cavités de dissolution, ou cavités karstiques, peuvent constituer un réseau plurikilométrique de boyaux et de salles dont la hauteur peut atteindre plusieurs dizaines de mètres, et la surface plusieurs dizaines de mètres carrés. Ces “karsts” peuvent être vides, noyés ou obstrués/comblés par des sédimentations secondaires. Ils résultent de la dissolution des roches alcalines souterraines par les eaux d’infiltration que leur charge en gaz carbonique rend légèrement acides.

La dissolution est un processus dont les effets diffèrent en fonction des milieux. Dans le calcaire, c’est un long processus évolutif à l’échelle de temps géologique. Au contraire, dans le gypse, la vitesse de dissolution est significative et une cavité est susceptible d’évoluer à l’échelle décennale, en particulier dans le cas de reprise de circulations d’eaux. Dans le sel, l’évolution peut être encore plus rapide.

 
Les cavités de suffosion

Les cavités de suffosion sont des cavités de plus petites dimensions, pouvant atteindre plusieurs m3. Formées par l’érosion due à la circulation de l’eau, les cavités de suffosion se développent particulièrement dans les formations sédimentaires meubles.

 
Les cavités volcaniques

Commes les cavités karstiques, les cavités volcaniques sont constituées de boyaux et de salles. En revanche, elles sont de dimensions plus modestes et ne présentent pas d’évolution dans le temps du volume du vide.

 

Réalisation de levés géologiques dans le cadre de l’étude de sécurisation du tunnel de lave de Citron Galet à La Réunion, en vue de son ouverture au public © BRGM – C. Mathon

Cavités anthropiques

Les cavités anthropiques, c’est-à-dire d’origine humaine, sont multiples : des carrières (essentiellement à faible profondeur, de 5 à 50 mètres), des mines, des troglodytes (à flanc de coteaux), des caves (en zones bâties), ainsi que des ouvrages civils ou militaires.

 

Les carrières

Développées pour l’exploitation des matières premières minérales (pour la construction, l’industrie ou l’agriculture), les carrières sont à l’origine de cavités souterraines d’une surface parfois importante (jusqu’à plusieurs dizaines d’hectares) ou centrées autour d’un puits (par exemple dans le cas des marnières).

Généralement situées entre 5 et 50 mètres (parfois moins de 5 mètres en Gironde) les cavités souterraines issues de carrières peuvent localement atteindre 60 à 70 mètres dans certaines exploitations de craie (aux environs de Meudon et en Normandie) et de gypse (dans le Bassin de Paris, la Provence ou le Jura) et exceptionnellement plus d’une centaine de mètres pour certaines exploitations de roches dures situées à flanc de montagne dans le Jura, les Pyrénées et les Alpes.

 

Carrière souterraine (Orléans, 2019) © BRGM – S. Yart

 
Les installations troglodytiques et les caves

Creusées pour des besoins de remisage, de stockage (caves vinicoles), d’activité industrielle (hors carrière) ou agricole, d’habitat, ou d’aménagement d’installations à usage collectif (églises, fours, pressoirs, etc.), les installations troglodytiques et les caves sont généralement proches de la surface et d’une superficie généralement limitée à 1 ou 2 pièces.

 

Habitations troglodytiques creusées dans le tuffeau de Touraine (Saumur-Champigny, Maine-et-Loire, 2007). © BRGM – F. Michel

 

Les ouvrages civils

On regroupe sous cette appellation les cavités à usage d’adduction et de transport (aqueducs, tunnels routiers, tunnels ferroviaires, souterrains pour les piétons…), ainsi que les souterrains et abris refuges qui bordent de nombreuses demeures historiques. Les dimensions de ces cavités diffèrent en fonction de leur usage et peuvent atteindre jusqu’à 100m2.

 

Galerie de reconnaissance du tunnel Lyon-Turin. (Modane, Savoie, 2006). © BRGM – F. Deverly

 

Les ouvrages militaires enterrés (sapes, tranchées et galeries)

Creusés pour des besoins militaires (abri des troupes, pénétration des lignes ennemies), ces ouvrages (tranchées, galeries d’accès, salles souterraines) se situent en général dans des zones à topographie relativement plate. Si l’histoire et les archives nous indiquent les régions potentiellement affectées et permettent de localiser une partie des ouvrages, leur emplacement précis n’est le plus souvent pas connu. Répartis en véritables réseaux, ils étaient reliés entre eux d’une façon difficilement repérables.

 

Origines et conséquences des phénomènes associés

 

La présence d’une cavité engendre la modification de l’équilibre des éléments dans le sol. Pour tous les types de cavités, des dégradations sont à prévoir du fait que les caractéristiques mécaniques du matériau encaissant diminuent progressivement.

Les cavités souterraines et les désordres qu’elles sont susceptibles d’entraîner constituent un risque majeur pour les aménagements et parfois pour la vie humaine.

 

Les affaissements

Un affaissement est une déformation souple, sans rupture et progressive de la surface du sol se traduisant par une dépression en forme de cuvette, généralement à fond plat, et sur des terrains plutôt élastiques qui vont supporter la déformation sans rompre.

Ce type de désordre se développe parfois sur plusieurs hectares au droit de vastes carrières ou mines.

Il s’agit souvent d’un phénomène symptomatique des carrières souterraines soit mal remblayées soit, lorsqu’elles sont profondes, recouvertes par des formations “souples”.

Généralement, ce ne sont pas tant les affaissements à proprement parler (déplacements verticaux) qui affectent les bâtiments et infrastructures de surface, mais plutôt les déformations du sol (déplacements horizontaux, flexions, etc.)

Si des désordres sensibles peuvent affecter le bâti et les infrastructures (notamment les réseaux enterrés) présents dans l’emprise des cavités, les affaissements de surface ne présentent que très exceptionnellement et souvent indirectement un danger pour les personnes en raison de la progressivité du phénomène.

 

Illustration animée schématique d’un affaissement © BRGM

Les effondrements localisés

Un effondrement localisé se manifeste classiquement par l’apparition soudaine d’un cratère d’effondrement dont l’extension varie de moins d’un mètre de diamètre à quelques dizaines de mètres au maximum.

Plusieurs phénomènes peuvent être à l’origine de ce type de désordre en surface :

  • la remontée de cloche de fontis ;
  • le débourrage  ;
  • la suffosion.
 
La remontée de cloche de fontis

Effondrement brutal et localisé se manifestant sous la forme d’un entonnoir ou d’un cratère, le fontis est le plus souvent provoqué par la remontée, plus ou moins lente, d’une cloche de vide vers la surface à la suite de la rupture du toit d’une cavité.

 

Illustration animée schématique d’une remontée de fontis à partir d’un karst © BRGM

 

Ce phénomène peut être à l’origine de dégâts importants aux ouvrages et est associé à un risque élevé de victimes physiques en raison de la rapidité et des dimensions du phénomène.

 
Le débourrage

Le plus souvent provoqué par des circulations d’eau massive, le débourrage correspond à l’entraînement gravitaire du matériau de comblement d’une cavité :

  • poche d’argile dans une cheminée ou une fissure karstique ;
  • bouchon remblayé d’un puits de marnière ou de carrière.

 

Ce phénomène peut conduire à l’apparition, brutale ou progressive, d’un vide en surface, généralement d’assez petite dimension (quelques m2).

Il touche particulièrement les réseaux naturels de circulation d’eaux souterraines développés dans les massifs calcaires (réseaux karstiques). En effet, lors de précipitations importantes, la circulation d’eau dans les fissures et les cheminées karstiques incite au débourrage des matériaux de comblement de ces cavités.

 

lllustration animée schématique d’un débourrage dans un réseau karstique © BRGM

 

Les opérations de remblayage consécutives à la fin de l’exploitation de carrières et de marnières se limitent souvent aux puits, laissant les galeries et chambres d’exploitation souterraines vides. Avec ou sans action de l’eau, le remblai présent dans les puits dispose ainsi d’un vide dans lequel il est susceptible de débourrer. Ainsi, il arrive que des puits pourtant bouchés par le passé réapparaissent en surface, sous la forme d’effondrements localisés.

 
La suffosion

Phénomène d’érosion interne, la suffosion affecte principalement les sables et les limons. Causée par des circulations rapides d’eau interstitielle, elle provoque le développement de boyaux de diamètre décimétrique par entraînement des particules fines dans la masse du sol. Lorsque la taille de ces vides devient trop importante, des effondrements brutaux de terrain peuvent localement survenir entraînant souvent des désordres en surface.
La suffosion peut être provoquée par une circulation naturelle d’eau, mais elle est plus fréquente au droit de canalisations enterrées fuyardes.

Les effondrements généralisés

Les effondrements généralisés, également appelés effondrements en masse, se traduisent par un abaissement à la fois violent et spontané de la surface sur parfois plusieurs hectares et plusieurs mètres de profondeur, tout le terrain au dessus de la cavité s’effondrant d’un coup.

Généralement associés aux carrières présentant une extension latérale importante, les effondrements généralisés sont le plus souvent initiés par une rupture en chaîne des piliers de l’exploitation, le toit (plafond) descendant alors en masse.

Ils supposent l’existence d’une zone d’exploitation avec des taux de défruitement (rapport de la surface des vides à la surface totale) élevés, des volumes de vides importants et des configurations d’exploitation fragiles (piliers sous-dimensionnés, élancement important, etc.).

Ces phénomènes, heureusement exceptionnels, sont susceptibles de générer des conséquences très dommageables pour les personnes et les biens situés dans leur emprise car la répercussion du désordre en surface se fait généralement de manière soudaine et brutale.

 

Illustration animée schématique d’un effondrement généralisé © BRGM

 

Connaissance du risque sur le territoire

 

Plus de 500 000 cavités recensées (hors mines) parsèment le sous-sol français. Toutes les régions françaises sont concernées par ce risque.

Cependant selon la nature des sols, la répartition des cavités varie, qu’elles soient d’origine naturelle (formation de réseaux karstiques dans les calcaires du Sud de la France par exemple) ou dues aux activités humaines : creusement de caves pour le stockage de vin dans le Val de Loire, exploitation de la craie à des fins d’amendement des terres agricoles en Normandie, etc

L’inventaire, la détection et la caractérisation des cavités permettent de les situer, d’évaluer leur degré de fragilité et d’anticiper d’éventuelles dégradations pouvant remonter jusqu’en surface.

 

Exposition du territoire

Toutes les régions françaises recèlent des cavités souterraines.

Les régions de socles géologiques anciens (Bretagne, Auvergne, Morvan, Corse, Vosges et Ardennes), du fait de la nature de leur sous-sol (granites, schistes, grès…) sont moins pourvues en cavités non minières (les mines métalliques y étant nombreuses).

Les cavités souterraines non minières ont une répartition privilégiant certaines régions :

  • carrières : Ile de France (4 700 ha environ sous minés), Nord-Pas-de-Calais (2 000 ha rien que pour le département du Nord), Aquitaine et Poitou-Charentes (2 000 ha en Gironde), Basse-Normandie (plus de 300 carrières recensées au siècle dernier) ;
  • marnières (carrières de craie pour l’amendement) : la Haute-Normandie présenterait environ 120 000 marnières selon les services de l’Equipement ;
  • caves : les Pays de la Loire et le Centre recèlent dans le Val de Loire plusieurs milliers de caves ayant servi de champignonnières, de caves à vins ou d’habitations troglodytiques ;
  • sapes de guerre : les lignes de front successives de la première guerre mondiale ont conduit à laisser plusieurs milliers de sapes de guerre en Picardie et dans la région Nord-pas-de-Calais ;
  • cavités naturelles : les grands massifs calcaires du Jura, des Alpes, des Pyrénées, et de la bordure Sud du Massif Central (Ardèche, Cévennes, Causses) contiennent plusieurs dizaines de milliers de cavités karstiques.

La base de données Cavités

Afin de recenser, localiser et décrire ces cavités souterraines, l’État a confié au BRGM l’établissement d’une base de données nationale.

Département par département, la base de données Cavités recense les cavités souterraines abandonnées (hors mines) sur l’ensemble du territoire métropolitain, et met à disposition les informations de base permettant l’étude des
phénomènes liés aux cavités.

Elle est accessible dans la rubrique Accès aux données de ce dossier.

 

Détection et reconnaissance de cavité

Parce que la méconnaissance des cavités peut engendrer un risque pour un projet, un bien ou des personnes, il peut s’avérer nécessaire de recourir à des investigations pour la détection et la reconnaissance de celles-ci.

La démarche globale de détection et de reconnaissance des cavités s’organise en quatre phases successives, plus ou moins développées selon les enjeux potentiellement impactés ainsi que la typologie et l’importance des cavités (dimension, nombre, profondeur…).

 

Phase 1 : Etudes documentaires

Les études documentaires sont un préalable indispensable à toute recherche ou reconnaissance de cavités. Elles se déroulent en deux étapes :

  1. 1. l’expertise géologique, qui consiste à porter un avis sur la nature des matériaux présent en sous-sol et sur la structure du terrain concerné permet : d’une part, de trancher sur la possibilité de présence de cavités naturelles et/ou anthropiques et d’autre part, de cibler les méthodes adaptées à la détection des cavités ;
  2. 2. la phase d’enquête, qui consiste à exploiter toutes les sources d’information disponibles (inventaires de cavités, archives historiques, photographies aériennes, …), permet de documenter les cavités et les phénomènes survenus en lien avec celles-ci. Elle peut comporter une enquête orale auprès de la population locale, ainsi que des visites de terrain.
 
Phase 2 : Reconnaissance par méthode de terrain directe : relevés de géométrie des cavités visitables

Lorsque la phase d’enquête a mis en évidence l’existence de cavité localisées et visitables et que la situation le nécessite, une opération de relevé géométrique peut être entreprise.
Selon l’accessibilité de la cavité et le niveau de précision requis, le relevé sera réalisé soit par un géomètre expert, soit par arpentage soit par un spéléologue.

 
Phase 3 : Reconnaissance par méthodes de terrain indirectes : investigations par méthodes géophysiques

Les méthodes de reconnaissance décrites ci-dessous sont généralement réalisées par des bureaux d’études en géotechnique et/ou en géophysique possédant les qualifications spécifiques dans la maitrise des techniques.

Différentes méthodes de géophysique peuvent s’appliquer à la recherche de vides souterrains (microgravimétrie, reconnaissance sismique, prospection électrique, électromagnétisme). Les caractéristiques des cavités (taille, profondeur, remplissage…) et de leur environnement (géologie, zone urbaine, présence de matériaux conducteurs…) déterminent la méthode à mettre en oeuvre.

Les mesures obtenues par les méthodes géophysiques fournissent une image des couches géologiques du sous-sol. L’interprétation de cette image permet la détection d’anomalies géophysiques pouvant s’expliquer par la présence de cavités souterraines.

 
Phase 4 : Reconnaissance par forage

Les anomalies mises en évidence par les méthodes géophysiques peuvent ensuite faire l’objet d’investigations par forage (destructifs ou carottés) pour identifier directement les formations présentes et les vides éventuels. Lorsqu’ils sont de diamètre suffisant, les forages permettent aussi d’ausculter par des moyens vidéos la cavité traversée.

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