[Thèse] Diagnostic des sols des bassins versants littoraux –

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Diagnostic des sols des bassins versants littoraux : identification des informations portées par la signature magnétique des sols de l’échelle du sillon de labour à celle du paysage ?

Contexte

Le sol est une ressource non renouvelable exploitée, fragile, qui à de multiples actions sur notre environnement (séquestration du carbone/ effet de serre, épuration, régulation des apports hydriques …). La prise de conscience de cette réalité par la société civile est récente. L’objectif de ce travail est de proposer de nouveaux outils de diagnostiques, de mise en œuvre rapide.

Établir un diagnostic de l’état d’un sol nécessite des indicateurs dont la pertinence sera d’autant plus forte que la facilité d’acquisition sera grande. Les méthodes géophysiques permettent une rapidité d’acquisition qui constitue un de leur intérêt, le second étant qu’elles sont non invasives. Elles apportent aussi le changement d’échelle nécessaire entre les méthodes de télédétection, encore plus rapide, et l’observation terrain ponctuelle. Actuellement, seules les méthodes électriques sont utilisées de manière extensive. Malheureusement, ces méthodes sont fortement inféodées à l’état hydrique du milieu lors de l’acquisition de l’information. La relation liant la résistivité électrique du milieu en fonction de l’humidité n’étant pas linéaire, et variant d’un sol à un autre, il n’est pas possible d’établir une correction pour établir un paramètre indépendant de l’état hydrique.

Les suivies temporelles que nous avons réalisé dans le cadre du programme DST (Gessol-ANR ADD) sur le tassement des sols ont montrés une totale indépendance des mesures de déformation du champ magnétique vis-à-vis de l’état hydrique et la capacité à mettre en évidence des tassements récents et anciens. Les méthodes magnétiques restent toutefois non reconnues en tant que méthode pertinente pour l’étude des sols2, à l’exception des études dédiées à l’imagerie de structures archéologiques. Pourtant, les premiers travaux mettant en évidence la variabilité des propriétés magnétiques des sols et leurs spécificités remontent aux travaux de Eugène Le Borgne dans les années 1950-1960. Il a été le premier à montrer que les horizons supérieurs du sol présentent en général un accroissement des propriétés magnétiques par rapport au sous-sol géologique. Il a remarqué l’impact négatif d’une saturation régulière du sol en eau (hydromorphie), l’impact positif du mode de dégradation (forte minéralisation) de la matière organique, ou du feu, sur cet enrichissement en minéraux magnétiques. Depuis, la littérature sur les études paléoenvironnementales des plateaux de lœss de Chine accumulé au Quaternaire et leur succession de paléosols développés en périodes interglaciaire ont permis de préciser le rôle de la pédogenèse sur ces enrichissement magnétique dans les sols. De même, de nombreuses études ont montrées l’importance des enrichissements magnétiques de surface par les apports anthropiques liées aux activités humaines émettant des polluants métalliques dans l’atmosphère. Toutes ces études restent dans le domaine académique sans que les secteurs applicatifs, tels que les bureaux d’études, ne s’approprient les méthodes magnétiques employées. Pourtant elles présentent un large potentiel d’application de thématiques environnementales (établissement de carte de répartition de contaminants métalliques, cartes de zones humides,  archives archéologiques des sols, état des sols…), d’un coût de fonctionnement très réduit et sont non invasive, donc rapide.

Le verrou au transfert de technologie a très certainement des causes multiples, différentes d’un domaine applicatif à l’autre. En ce qui concerne le diagnostic de l’état d’un sol, les points principaux sont :
–    quelle est l’échelle d’observation pertinente ?
–    quelle sont les paramètres magnétiques pertinents à observer ?

Objectif

Les bassins versant littoraux constituent des sites ateliers très favorables pour explorer ces deux points pour les raisons suivante :
–    forte variation spatiale de l’état de maturité des sols sur un substrat homogène. Les sols présentent un fort gradient de maturité, les plus vieux étant sur les plateaux et les plus jeunes dans les pentes. Cette état résulte du fort gradient d’érosion de la crête au trait de côte induit par les bas niveaux de drainage au cours du dernier maximum glaciaire induit par la baisse du niveau marin d’environ 120m d’altitude.
–    Dimension des objets à l’échelle du paysage reste modeste.
–    Homogénéité de la nature du substrat géologique sur lequel se développe le sol.
–    Les bassins versant donnant sur les marais littoraux ne sont pas soumis à une pression urbanistique importante, limitant le mitage de la zone d’étude. Ils apportent aussi des conditions aux limites basses du bassin stables (non soumis aux évènements extrêmes). Ils ont été le lieu privilégié d’occupations humaines dans des temps reculé, et nous disposons d’inventaires de vestiges archéologiques permettant d’identifier les sources et d’évaluer d’impact des activités humaines passées sur les propriétés actuelles des sols.

Un secteur particulièrement propice est identifié pour mener à bien cette étude. Il correspond au bassin versant au nord du marais d’Yves-Voutron, dans le secteur de Thairé. Bien que le substrat géologique soit de nature homogène, il y a une forte variabilité de la nature des sols (des reliques d’épandage d’alluvions quaternaires sont identifiable sur la partie haute et dans la partie basse l’influence de dépôts fluvio-marin est suspectée), la carte archéologique et les photographies aériennes révèlent la présence d’occupations humaines à différentes époques. Les traces des anciens parcellaires sont visibles en microtopographie (test campagne photogrammétrique) ainsi que sur les photographies aériennes historique. Ces dernières présentes aussi des structures d’origine inconnue restant à identifier.

L’objectif des travaux de thèse est d’identifier à la fois les échelles d’observation et les méthodes (et par conséquent les paramètres magnétiques associés), pertinentes pour décrire les variations spatiales des sols étudiés en fonction de la nature de la source de variation recherchée. Cela revient à répondre à la question : jusqu’où est-il possible de distinguer par les traceurs magnétiques différents évènements de la mémoire environnementale résultant de l’histoire d’un sol ?

Une part importante du travail sera donc de réunir toutes les informations permettant d’expliquer les variations des propriétés magnétiques constatées (extraction des photographies historique, topographie obtenue par photogrammétrie, ancien cadastre, données géophysiques complémentaires tel que la conductivité électrique…).

Le cœur du travail portera sur l’acquisition et le traitement de meures magnétiques.
Ces dernières sont acquises soit par :
–    des méthodes fondées sur des excitations artificielles pouvant être réalisé sur le terrain ou en laboratoire sur échantillon. Selon la complexité du protocole, soit les paramètres ne permettent de décrire qu’un état magnétique global (cf. la susceptibilité magnétique, avec des sondes de terrain correspondant à des capteurs de contact plus ou moins sensible à la rugosité de la surface de mesure et des instruments de laboratoire pour échantillon) soit ils permettent d’identifier les phases minérales porteuses du signal magnétique avec des capacités de détection, inégalées par les méthodes spectrales, pouvant dépasser une partie par million (mesures réalisées uniquement en laboratoire), mais beaucoup plus long à acquérir.
–    des méthodes passives (dites potentielles), le champ magnétique de la Terre constituant en quelque sort la source d’excitation, utilisable sur le terrain et permettant de cartographier des espaces de quelques dizaines de m² à des résolutions de quelques dizaines de mesures par m². La vitesse d’acquisition de cette approche en fait son intérêt majeur. Nous avons développés des protocoles de géolocalisation et de contrôle de l’espace exploré permettant des changements d’échelle permettant d’explorer des détails de quelques cm² à des objets de plusieurs m² (Ard et al. 2015 ; Burens et al. 2013, 2014 ; Lévêque et Mathé 2015, Lévêque et al. 2015). Les informations recueillis nécessite de développer des outils d’inversion de ces données pour pouvoir remonter à des grandeurs magnétiques comparable à celles acquises avec les méthodes décrites au paragraphe précédent. Ce travail sera mené sous la direction de Dominique Gibert.

Ces mesures magnétiques seront réalisées à différentes échelles sur le bassin versant afin d’explorer la variation spatiale des signaux à l’échelle du paysage, mais aussi en explorant leur variabilité de  l’échelle centimétrique à décamétrique afin de déterminer l’échelle d’observation pertinente et le protocole à mettre en œuvre pour élaborer un estimateur représentatif.

Directeur de thèse:
Lévêque François, MCF HC, HDR, 100% avec le soutien de Gibert Dominique (Physicien CNAP), Equipe Imagerie Géophysique des systèmes complexes, Géosciences Rennes (UMR CNRS 6118), Université de Rennes1, pour l’aspect numérique.

L’offre est disponible sur l’école doctorale Gay-Lussac : Thèse Lévêque LIENSs 2016

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