Intérêt de deux approches géomatiques (SIG et LIDAR terrestre) pour la détermination de champs de contraintes

Cas du pluton granitique de Malsburg (Forêt Noire, Allemagne)

Séverine Cornillon* — Ghislain Trullenque* — Sébastien Potel* —Anne Combaud** — Andreas Henk*** — Dennis Laux***

* Equipe de recherche B2R – Institut Polytechnique LaSalle Beauvais19, rue Pierre Waguet, BP 30313, F-60026 Beauvais cedex{ghislain.trullenque   ; sebastien.potel}@lasalle-beauvais.fr severine.cornillon@etu.lasalle-beauvais.fr ** UP 2012-10-103 PICAR-T – Institut Polytechnique LaSalle Beauvais19, rue Pierre Waguet, BP 30313, F-60026 Beauvais cedexanne.combaud@lasalle-beaivais.fr *** Université Technique de Darmstadt - IAGSchnittspahnstraße 9, A-64287 Darmstadt{henk   ; laux}@geo.tu-darmstadt.de

RÉSUMÉ. La carrière de granite de Malsburg (Forêt Noire, Allemagne) permet un accès et une visibilité privilégiée à cette intrusion plutonique qui présente en ce lieu une densité de fractures importante et d’origine mal connue. Afin de comprendre cette densité et de la repositionner dans un contexte géologique local, deux approches géomatiques ont été mobilisées : l’acquisition et le traitement de données de LIDAR terrestre réalisés dans la carrière et le traitement d’un Modèle Numérique de Terrain (MNT) sous SIG couvrant une surface de 25km² autour de la carrière.ABSTRACT. The Malsburg quarry (Black Forest, Germany) allows a preferred access and visibility on this plutonic unit which shows an important number of faults of poorly constrained origin. In order to understand this density and to reposition it in more general geological context, two geomatical approaches have been used. First of all, terrestrial LIDAR data acquisition and processing were realized in the Malsburg quarry and secondly, GIS processing of a 25km² Digital Terrain Model (DTM) with GIS. MOTS-CLÉS : carrière de Malsburg, géologie structurale, LIDAR terrestre, SIG, télédétection.KEYWORDS: Malsburg quarry, structural geology, terrestrial LIDAR, GIS, remote sensing.

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1. Introduction

L’emploi d’outils géomatiques dans des problématiques géologiques s’est développé tant pour l’étude des marqueurs morphologiques (Chalumeau, 2012) que structuraux (Beaupretre, 2013). L’utilisation de ces techniques indirectes est particulièrement pertinente dans des secteurs géographiquement peu accessibles ou de grande surface. Pour l’étude des plans de fractures dans les carrières, Deliormanli et al. (2013) propose une méthode basée sur des acquisitions de LIDAR terrestre couplées à des méthodes optiques. Rares sont cependant les études qui proposent une comparaison entre différentes méthodes géomatiques à différentes échelles associée à une méthode « classique » de terrain géologique afin de déterminer des champs de contraintes.

C’est cette complémentarité des approches géomatiques-géologiques multi-échelles qui est testée ici dans le but de déterminer les champs de contraintes du granite de Malsburg à l’origine des fractures de cette formation. L’imbrication de deux échelles, carrière de Malsburg et zone d’étude, et de différentes méthodes géomatiques permet l’intégration d’une double analyse des directions de contraintes tectoniques. Par ailleurs, si l’approche indirecte géomatique permet d’étudier l’ensemble du secteur dans sa continuité, l’approche directe géologique apporte l’expertise du géologue fondée sur ses observations et mesures de terrain et permet ainsi de vérifier les résultats de l’approche géomatique.

2. Matériel et méthode

La formation plutonique de Malsburg, dans laquelle est creusée la carrière, est entourée par des structures plutoniques plus anciennes et est en contact discordant à l’ouest avec les séries sédimentaires plus récentes (Figure 1) (Zimmerle, 1958). Cette configuration géologique, couplée à la présence proche de la faille principale du Graben du Rhin, implique de nombreuses phases de contraintes dont les directions sont variées. Or, la rareté des affleurements dans ce secteur, due à la couverture végétale, et leur accessibilité limitée (réserves naturelles), ne permettent pas une compréhension suffisante du système de fractures. C’est pourquoi la méthode géomatique a été employée en complément de l’approche géologique (Figure 2). A grande échelle, le LIDAR terrestre est choisi pour quantifier dans la carrière les orientations des fractures grâce aux levés de huit stations.

A petite échelle, le MNT d’une résolution spatiale de 5 m (LGL Shop, Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung, 2002 à 2006), calculé à partir de levés de LIDAR aérien, est utilisé pour réaliser l’étude géomorphologique et une approche plus qualitative des linéaments présents autour de la carrière (25 km²).

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Figure 1 : Carte de localisation de la carrière et de l'emprise du MNT

Figure 2 : Workflow de la complémentarité des approches directe et indirecte pour la détermination de champs de contraintes

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2.1. Approche directe géologique

Elle comprend deux prospections de terrain. La première s’est focalisée dans la carrière de Malsburg, dont le front de taille mesure 50 m de haut pour 160 m de large et se décompose en quatre niveaux. Ses fronts de taille longitudinaux ont une orientation générale WNW-ESE et ceux latéraux NNE-SSW. Environ 300 mesures ont été effectuées à la boussole, afin de distinguer les différentes familles de fractures (Drachenberg et Hequet, 2014). La seconde a été menée le long de la faille bordière du Graben du Rhin, dans la formation granitique de Malsburg et dans la couverture sédimentaire, entre les villes de Kandern et de Shallsingen. Des mesures à la boussole ont été réalisées afin de distinguer les réseaux de fractures des formations. Cette prospection comprend également des observations géomorphologiques sur l’ensemble du secteur. Les outils géomatiques nécessaires pour préparer les prospections et mettre en forme les données mesurées sont  : ArcGIS© ESRI pour réaliser la carte géologique compilée et simplifiée du secteur (Hann et Sawatzki, 2002 ; Hinsken, 2003 et Hernst et Herrgesell, 2004) et Stereo32 Röller et Trepmann pour générer les représentations stéréographiques des levés à la boussole.

2.2. Approche indirecte géomatique

L’approche géomatique comprend elle aussi deux échelles d’étude (Figure 2). Pour l’étude de la carrière, les levés des huit stations fixes du LIDAR ont été importés sous RiScan Pro© RIEGL pour visualiser les données spatiales en 3D. Puis, différents traitements successifs permettent d’obtenir l’orientation des plans de failles. Tout d’abord sous RiScan Pro© RIEGL, la fusion des huit nuages de points des stations du LIDAR, la suppression de la végétation et la génération de vecteurs normaux selon trois paramètres prédéfinis que sont la taille du cube de recherche des vecteurs normaux, l’erreur maximale de plan et le nombre minimal de points par plan, sont nécessaires pour le calcul de la direction des vecteurs normaux de la carrière. Le fichier ASCII créé en sortie est alors importé dans le logiciel R© Projet GNU pour calculer les orientations des plans de failles. Enfin, le fichier TXT des orientations généré sous R est traité sous Stereo32 Röller et Trepmann pour la représentation stéréographique des familles de fractures de la carrière de Malsburg.

Pour l’étude du secteur, le MNT est traité sous ENVI© EXELIS VIS afin de mettre en évidence les linéaments présents grâce à l’application de filtres directionnels de Sobel. Ensuite, le fichier vectoriel des linéaments généré est importé dans ArcGIS© ESRI où les orientations de ces linéaments sont calculées grâce à un modèle automatisé. La table attributaire de ces orientations est exportée sous Excel afin de mettre en forme les données. Enfin, un fichier TXT est généré

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puis importé dans Stereo32© Röller et Trepmann (2003-2010) pour la représentation stéréographique des orientations de linéaments du secteur d’étude.

3. Résultats des deux approches

A grande échelle, quatre familles de failles orientées N20-30° (NNE-SSW), N40-50° (NE-SW), N100-110° (WNW-ESE) et N120-130° (NW-SE) ont été identifiées dans la carrière de Malsburg selon l’approche géologique (Figures 3.a). Dans un second temps, deux de ces familles de failles ont été mises en évidence grâce à l’approche géomatique du LIDAR terrestre (Figures 3.b) : celles orientées N40-50° (NE-SW) et N120-130° (NW-SE).

A petite échelle, un plus grand nombre d’orientations ont été identifiées dans l’ensemble de l’unité granitique et de sa couverture sédimentaire selon l’approche géomatique (Figure 3.c). Néanmoins, compte tenu de la méthode utilisée, ces orientations correspondent à tous types de linéaments, qui peuvent être autre que des failles (linéaments topographiques ou hydrographiques). En comparaison, l’approche géologique a fait ressortir des orientations de failles moins variables que dans le secteur d’étude (Figure 3.d) et avec une orientation prédominante N50-60°.

a) b)

c) d)

Figure 3 : Représentations stéréographiques générées avec Stereo32© Röller et Trepmann (2003-2010). a) et b) approches géologique et géomatique dans la

carrière ; c) et d) approches géomatique et géologique dans le secteur d’étude

4. Discussion et conclusion sur la complémentarité des méthodes

N = 307Max = 12

N = 290Max = 9,5

N = 26 605Max = 1 049

N = 83Max = 6,5

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Dans cette étude du granite de Malsburg, seule l’approche indirecte géomatique n’aurait pas permis de déterminer l’origine des champs de contraintes. De même, l’unique approche à grande échelle n’aurait pas été suffisante pour restituer ces fractures dans un contexte plus général. D’après les observations de terrain et la synthèse bibliographique, les failles orientées NE-SW et NW-SE, mises en évidence dans la carrière par les deux approches directe et indirecte, ont été décrites comme des failles d’origine tardi-varisque réactivées au cours du Tertiaire lors de la formation du Graben du Rhin.

Ainsi, la comparaison des deux approches n’a montré aucune incohérence et leurs résultats ont pu être recoupés et corrélés (Figure 3). Toutefois, une famille de fractures orientée N100-110° (WNW-ESE) apparait uniquement avec l’approche géologique dans la carrière et ne ressort pas avec les traitements des données du LIDAR terrestre. Cette distinction pourrait être due à une erreur de levés de la part des géologues qui auraient considérés les fronts de taille longitudinaux comme des plans de fractures. Cette hypothèse nécessiterait d’être vérifiée par une nouvelle campagne de levés dans la carrière. De plus, la comparaison directe entre les deux échelles d’étude (carrière et secteur d’étude) n’est pas envisageable en l’état et donne uniquement un ordre d’idée des orientations des structures au niveau du secteur d’étude. De nouvelles campagnes de terrain seront nécessaires pour densifier les levés autour de la carrière pour avoir une meilleure représentativité des données et pour s’assurer de la présence des linéaments détecter avec l’approche géomatique.

Références

Beaupretre S., Développement d’une approche de paléosismologie géophysique par imagerie Géoradar. Application aux failles décrochantes actives de Nouvelle Zélande, Thèse, Université de Grenoble, tel-00934235, 270p, 2013.

Chalumeau L., « Géoarchéologie de l'exutoire du lac de Neuchâtel », Actes du 135e Congrès national des sociétés historiques et scientifiques "Paysages" , Neuchâtel, 6-11 avril 2010, session de Pré- et Protohistoire, Lausanne et Paris, Cahiers d'archéologie romande et Editions du CTHS (Cahiers d'archéologie romande, 132 et Documents préhistoriques, 30), Neuchâtel, p 185-204, 2012.

Deliormanli A. H., Maerz N. H., Otoo J., « Using terrestrial 3D laser scanning and optical methods to determine orientations of discontinuities at a granite quarry » International Journal of Rock Mecanics & Mining Sciences, 66, 2013, p 41-48.

Drachenberg S. et Hequet M., Etude de la fracturation du granite de Malsburg (Forêt Noire, Allemagne, Résultats du Mémoire d’Initiation à la Recherche n°665 non publiés, Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, 2014, 83p.

Hann H. P. et Sawatzki G., Geologische Karte von Baden-Württemberg 1:25 000, Bundesrepublik Deutschland, 8212 Malsburg-Marzell, 2002.

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Hernst M. et Herrgesell G., Geologische Karte von Baden-Württemberg 1:25 000, Bundesrepublik Deutschland, 8211 Kandern, 2004.

Hinsken S., Geologische Untersuchungen an Syn-Riftsedimenten des südlichen Oberrheingrabens, MSc Thesis, Geologisch-Palaöntologisches Institut, Universität Basel, 285p, 2003.

Zimmerle W., Der Malsburgpluton im süwestlichen Schwarzwald, Jahreshefte des Geologischen Landesamts Baden-Württemberg, Geologische Institut Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, v.3, 1958.