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JNGG 2002, 8 et 9 Octobre 2002, Nancy 1

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IDENTIFICATION DES FACTEURS ET DES MECANISMES A L’ORIGINE DES GLISSEMENTS PLANS PROFONDS DANS LE RIF CENTRAL (MAROC) A L’AIDE D’UNE DEMARCHE METHODOLOGIQUE PLURIDISCIPLINAIRE : RESULTATS DE L’ETUDE DETAILLEE.

EL KHATTABI Jamal1, BOULEMIA Chérif1, CARLIER Erick1, COLBEAUX Jean Pierre2 1 Laboratoire Artois Mécanique et Habitat – Equipe Hydrologie Sol et Environnement, Université d’Artois, FSA, Technoparc Futura 62400 Béthune, [email protected] 2 Université de Lille 1, UFR des Sciences de la Terre 59655 Villeneuve d’Ascq Cedex.

Résumé La bordure Nord du Rif Central (Maroc) est sujette à de nombreux glissements de terrain. Une approche transversale basée sur une démarche méthodologique pluridisciplinaire, alliant géomorphologie, géologie, hydrogéologie et géotechnique s’avère nécessaire pour comprendre la genèse des glissements plans profonds de la région. La structure complexe de cette région est caractérisée par des différences lithologiques notables, une fracturation importante et des nappes de charriage dont les contacts tectoniques ont un rôle majeur dans la circulation des eaux souterraines. Dans cet article sont exposés les résultats de notre étude qui montrent un contrôle des instabilités par plusieurs facteurs macro-déstabilisateurs, essentiellement le contact tectonique qui sépare les nappes de charriage de Tisirène et Chouamat. Par ailleurs, des mécanismes micro-déstabilisateurs sont identifiés, résultant de transformations progressives d’ordre structurel des matériaux schisteux de Chouamat. Mots clefs : pluridisciplinarité, Rif Central, facteurs macro-déstabilisateurs, mécanismes micro-déstabilisateurs, glissements plans profonds, charriage. Abstract The northern edge of the Central Rif (Morocco) is subject to numerous landslides. It is necessary to adopt a transverse approach based on a multidisciplinary methodology combining geomorphology, geology, hydrogeology and geotechnics in order to understand how such deep plane slips are generated. The complicate structure in this area characterised by significant lithological differences, severe fracturing and thrust sheets where tectonic contacts play a major role in groundwater circulation. We present in this paper, the results of our study. These results show a control of instabilities by several macro-destabilizing factors, primarily the tectonic contact which separates the Tisirène and Chouamat thrust sheets. In addition, the mechanisms micro-destabilizing are identified, resulting from progressive transformations of materials with schistose structure of Chouamat. Key words : multidisciplinary, Central Rif, macro-destabilizing factors, micro-destabilizing mechanisms, deep plane slips, thrust. 1. Introduction Les mouvements de terrain, phénomènes naturels ou liés aux actions anthropiques, sont souvent à l'origine de nombreux dégâts tant matériels qu'humains. La prévention de ces dégâts se concrétise par une modélisation prédictive fiable et par la réalisation des cartes de risques nécessaires à tout aménagement. Pour y aboutir, il est indispensable de définir les facteurs et les mécanismes qui engendrent ces mouvements afin de mieux approcher les phénomènes d'instabilités et évaluer les risques. Compte tenu de la complexité des phénomènes d'instabilité, nous avons opté pour la mise en place d'une démarche pluridisciplinaire associant géomorphologie, géologie, hydrogéologie et géotechnique. Cette démarche se compose d’une phase d'analyse de l’instabilité (phase 1) suivie d'une modélisation et d'une cartographie des risques (phase 2) (Fig. 1).


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Figure 1. Schéma global de l’étude des instabilités de versants.

Pour valider notre démarche, nous l’avons appliquée à la région du Rif Central située dans le nord marocain. Cette région est caractérisée par de fréquents mouvements de terrain endommageant régulièrement l'habitat, ainsi que le réseau routier et ses infrastructures. Dans cet article nous présenterons les résultats de l’étude détaillée, qui succède à l’étude préliminaire (phase 1). L’étude préliminaire a permis d’identifier et de cartographier les glissements plans profonds dans la région. L’étude détaillée a pour objectifs de déterminer les facteurs macro-déstabilisateurs et les mécanismes micro-déstabilisateurs à l’origine de ces mouvements. 2. Présentation de la région d’étude La région se situe sur la bordure Nord du Rif central, à cheval sur les feuilles topographiques à 1/50 000 de Béni Boufrah et Rouadi (Fig. 2). Elle est limitée, à l’Ouest, par l’oued Mestasa et à l’Est, par l’oued Tarmast.

Figure 2. Localisation de la région étudiée par rapport aux feuilles topographiques à 1/50 000 (feuilles 7 et 8).

Phase 1

ANALYSE DE L’INSTABILITE

ETUDE DETAILLEE

CORRELATIONS ET VERIFICATIONS

GENESE DES MOUVEMENTS DE TERRAIN

ETUDE PRELIMINAIRE

MODELISATION ET CARTOGRAPHIE

MODELISATION

Calculs à la rupture

Calculs par éléments finis Calculs en

poussée et butée

MODELE DE COMPORTEMENT

CARTOGRAPHIE DES RISQUES

Cartes traditionnelles par zonages

Cartes issues du modèle de comportement

ZERMOS CARTES DE Fs

Phase 2

Fs : coefficient de sécurité ZERMOS : Zones Exposées aux Risques de Mouvement du Sol et du sous-sol.


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Située sur le versant méditerranéen, la région se distingue par un climat semi-aride marqué par une alternance de saisons sèches (juin à septembre) et de saisons humides (octobre à mai) (El Khattabi, 1997). Toutefois, sur les hauts versants du sud (arrière pays), ce climat est de type sub-humide (Maurer, 1968). En examinant les cartes topographiques, on peut s’apercevoir rapidement que le relief est très accentué et contrasté. Les observations de terrain montrent principalement une succession lithologique avec des alternances très irrégulières de schistes et de grès, et parfois de niveaux calcaires ou marneux. Ces alternances lithologiques appartiennent aux formations géologiques des nappes de charriage de Tisirène et de Chouamat (Andrieux, 1971 et Besson, 1984) (Fig. 3). Alors que les connaissances en matière de géologie structurale du secteur sont avancées, celles relatives à l’hydrogéologie sont limitées (Thauvin 1971; Pascon et Vander Wusten 1983 et Direction de l’Hydraulique 1982 et 1983-1984).

Figure 3. Eléments structuraux tirés de la carte géologique du Rif Central (Andrieux et Mégard, 73).

Sur le plan hydrologique, la région est bien drainée par un réseau hydrographique très dense et bien hiérarchisé. Deux domaines hydrogéologiques se distinguent : la zone amont caractérisée par des précipitations importantes et surtout par des infiltrations facilitées par les bancs gréseux fracturés. La zone aval est marquée par des précipitations et des infiltrations moins importantes, sauf dans les vallées (El Khattabi, 2001 ; El Khattabi et al., 2002a et 2002b). 3. Analyse de l’instabilité des versants rifains : étude détaillée Les conclusions de l’étude préliminaire ont permis de distinguer la dynamique superficielle de la dynamique profonde des versants rifains et de définir la typologie des mouvements de terrain. L’étude a été orientée sur les glissements plans profonds (Fig. 4) dont la surface de rupture se matérialise au niveau de la zone de charriage et particulièrement dans les formations sommitales de la Nappe de Chouamat.


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Figure 4. Répartition géographique des glissements plans profonds dans le Rif Central.

L’étude détaillée qui s’appuie sur une seule tâche « élaboration des données » (Fig. 5), a pour objectif de déterminer les facteurs macro-déstabilisateurs et les mécanismes micro-déstabilisateurs.

Figure 5. Elaboration des données. L’étude consiste à recueillir des données, analyser les caractéristiques des matériaux à l’aide d’essais in-situ et de laboratoire et affiner la compréhension du comportement des zones pré-localisées en élaborant des cartes de synthèse (Fig. 6). 1 et 2 : permettent de définir une campagne de reconnaissance du site. 3 : passage vers l’étude en laboratoire : échantillonnage et complément d’information. 4 et 5 : conforte les résultats et constitue un complément d’information pour l’élaboration des cartes de synthèse.

Figure 6. Organigramme de l’élaboration de données.

ELABORATION DES DONNEES

5

ETUDE IN SITUETUDE EN LABORATOIRE

3

2

4

1

ELABORATION DES CARTES DE SYNTHESE

Mécanismes micro-déstabilisateurs

ANALYSE PRELIMINAIRE

Facteurs macro-déstabilisateurs

CORRELATIONS ET VERIFICATIONS

ETUDE DETAILLEE

ELABORATION DES DONNEES

DETERMINATION DES FACTEURS MACRO ET DES

MECANISMES MICRO

ETUDE PRELIMINAIRE


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3.1. Identification des facteurs macro-déstabilisateurs L’élaboration de cartes de synthèse (Fig. 7), de plus en plus précises, permet de définir les facteurs potentiels d’instabilité.

Figure 7. Détail de la tâche "collectes, analyses et traitements". Les facteurs macro-déstabilisateurs dégagés lors de l’étude détaillée se résument aux pentes naturelles, aux précipitations, à la sismicité, aux conditions hydrauliques (écoulements souterrains et gradients hydrauliques), et à la structure géologique (fracturation et morphologie du charriage tectonique). - Sismicité : le Rif connaît au Messinien et au Plio-Quaternaire une activité sismique très intense (Ramdani, 1991). Celle-ci est engendrée au niveau des accidents tectoniques par le rejeu de failles d’une part normales de direction N-S, d’autre part décrochantes senestres NE-SW et dextres NW-SE (Aït Brahim et al., 1990). En l’absence de données précises permettant d’associer aux secousses sismiques le déclenchement des glissements, ce facteur n’a pu être quantifié. - Pluviométrie : l’analyse des éléments météorologiques a été réalisée pour quatre stations de

Pluviométrie

311,3349

304,9

473,1

334,3291,1308,5

050

100150200250300350400450500

Mar

gaa

(199

4) /

12 a

ns

Mau

rer

(196

8)

ElK

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enne

Mau

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8)

1994

-19

98

1994

-19

98

Al Hoceima Jebha BéniBoufrah

Targuist

Al Hoceima Margaa (1994) / 12 ans

Al Hoceima Maurer (1968)

Al Hoceima El Khattabi (1997) / 7ans1990-1996

Al Hoceima Moyenne

Jebha Maurer (1968)

Béni Boufrah 1994-1998

Targuist 1994-1998

Figure 8. Comparaison des valeurs moyennes annuelles de précipitations (en mm) des différentes stations.

COLLECTES, ANALYSES ET TRAITEMENTS

Sismicité

Données climatiques

Forages et Sondages Cartes

Photos aériennes

Données hydrogéologiques

Données géologiques

Cartes géologiques

Cartes topographique

Données existantes

Analyse préliminaire

Paramètres hydrauliques

Piézométrie Hydro-géochimie Structure Litho-

stratigraphie

Cartes de sismicité

Cartes hydrogéologiques

Coupes géologiques

Cartes structurale

Cartes des pentes

Cartes d’exposition des versants

Cartes de couverture végétale

Analyse morphologique

Tableaux de synthèse


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mesure : Jebha, Al Hoceima, Béni Boufrah et Targuist (Fig. 2). La comparaison des données pluviométriques annuelles des différentes stations montre que les hauts sommets du Sud sont plus arrosés (Fig. 8). Entre les stations de Jebha et Al Hoceima éloignées de plus de 60 km, la variation pluviométrique est de l’ordre de 40 mm. Alors qu’entre la station de Béni Boufrah (répondant aux mêmes conditions pluviométriques que les stations précédentes) et la station de Targuist, cette différence s’élève à plus de 165 mm pour un éloignement d’à peine 8km. Suivant la direction E-W, le climat présente donc des caractéristiques constantes dans l’espace et dans le temps, et seules les variations saisonnières sont observables. L’influence des données climatiques comme facteurs potentiels, ne seront donc pas à prendre en compte dans cette direction. En outre, l’influence des données climatiques est beaucoup plus importante suivant la direction N-S. Les versants situés dans l’arrière pays non seulement subissent des précipitations plus importantes mais se distinguent également par une capacité d’emmagasinement considérable, en raison des facilités d’infiltrations à travers les fissures des bancs gréseux qui couvrent les sommets. - Topographie : les valeurs élevées des pentes (plus de 30°) font que ce facteur joue un rôle important dans la déstabilisation des versants. Néanmoins, en raison du relief très accentué de toute la région, ces pentes ne constituent pas un facteur distinctif d'instabilité. Plusieurs cartes clinométriques, réalisées à l'échelle 1/5000 dans les secteurs côtiers de Cala-Iris et Taghzoute, montrent des variations le long des falaises correspondant respectivement à des glissements côtiers G1 (PMR) et G2 (Taghzoute). - Conditions hydrauliques : à partir des données récoltées au cours des campagnes hydrogéologiques (Direction de l’Hydraulique, 1970, 1971 et 1975) et de l'analyse des forages hydrauliques (Direction de l’Hydraulique, 1982 et 1983-1984), plusieurs cartes ont été élaborées. Il s'agit des cartes piézométriques et des variations des teneurs en éléments chimiques. Par ailleurs, le recours au traitement statistique des données chimiques par l'Analyse en Composantes Principales montre que la minéralisation des eaux souterraines augmente de l’amont (sud) vers l'aval (nord).

Figure 9. Corrélation entre les glissements plans profonds et les écoulements souterrains (G1,2,… : glissements).


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Les corrélations, au niveau spatial, entre le sens de glissements et les directions des lignes d’écoulements souterrains dévoilent un sens conforme (Fig. 9). De plus, dans l’arrière pays les glissements se présentent là où les gradients hydrauliques sont les plus importants.

- Structure géologique : pour vérifier le rôle de la structure géologique dans l’apparition des glissements, un schéma structural a été réalisé en utilisant la méthode morphostructurale (Colbeaux et Sommé, 1981 et Deffontaines, 1990). La fracturation relevée sur la carte géologique du Rif Central (Andrieux et Mégard, 1973) et sur les schémas structuraux des Bokoya (Mourier, 1982) et du Rif Central (Besson, 1984), a été complétée par l’analyse des traits morphologiques en se basant sur les directions, les nombres et les longueurs cumulées des oueds, des thalwegs et des ravins. Ce schéma a permis d’identifier les directions qui ont caractérisé la structuration de la chaîne rifaine. Ces directions sont marquées par les orientations N-S à sub-méridiennes, E-W, NE-SW, ENE-WSW et NW-SE (Aït Brahim et Chotin, 1989). L’examen de la fracturation indique par endroit la délimitation des glissements par une ou plusieurs failles qui contribuent directement ou indirectement à leur apparition : c’est le cas du glissement de Torrès (G5).

Figure 10. Corrélation glissements et morphologie du charriage.

Par ailleurs, l'altitude du niveau sommital de la Nappe de Chouamat, repérée et interprétée sur les forages et les cartes géologiques, a permis de réaliser la carte de la morphologie du charriage tectonique. La superposition de cette carte et de celle des glissements montre que ceux de l’arrière pays (au sud) se démarquent par des pendages de charriage élevés (Fig. 10). Par contre, au niveau du littoral, les glissements semblent être liés à l’appel au vide, suite à la mise en affleurement du charriage (confirmé par les observations de terrain).


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3.2. Identification des mécanismes micro-déstabilisateurs Les analyses portent sur l’eau recueillie et les matériaux échantillonnés. Cette étude aboutit à l’identification des mécanismes générant l’instabilité (Fig. 11), qui interviennent au niveau microscopique, d’où la dénomination mécanismes micro-déstabilisateurs.

Figure 11. L’étude en laboratoire. Les observations de terrain ont révélé la présence systématique au pied des glissements, de matériaux remaniés appartenant aux formations sommitales de la Nappe de Chouamat. Ce constat a orienté notre étude de laboratoire vers la caractérisation des schistes intacts et remaniés de la série de Chouamat (Photo. 1), par une identification physique et mécanique.

Photo. 1. Schistes remaniés à l’interface Chouamat-Tisirène.

L’identification physique des deux matériaux schisteux de Chouamat ne révèle pas de grandes différences sur le plan qualitatif. Avec une composition d’une part chimique très proche et d’autre part minéralogique marquée par la présence de : kaolinite, illite, chlorite, quartz et interstratifiés (illite/smectite, chlorite/smectite, illite/vermiculite et chlorite/vermiculite). Néanmoins, une nette différenciation au niveau de la microstructure est observée (Photo. 2). Les schistes intacts se

ETUDE EN LABORATOIRE

IDENTIFICATION MECANIQUE

ELABORATION DE CARTES DE SYNTHESE

Intact

MATERIAU

Remanié

IDENTIFICATION PHYSIQUE

Analyse quantitative

Analyse qualitative

EAU

Analyse chimique

Caractéristiques mécaniques

Caractéristiques physiques

Caractéristiques chimiques

IN SITU


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caractérisent par une microstructure très compacte orientée selon la schistosité S1. Alors que, les schistes remaniés montrent une microstructure très lâche en agrégats non orientés.

A : schiste intact (état initial), B : schiste remanié (état final), C : schiste à éléments intacts (état intermédiaire).

Photo. 2. Différents états des schistes de Chouamat. Ainsi, les schistes intacts se transforment en schistes remaniés en passant par des états intermédiaires (Photo. 3). L’état final se distingue par la disparition de la schistosité S1 et l’apparition d’une porosité inter et intragrégats à l’image de celle décrite par Delage (1985) pour les argiles sensibles du Canada. Cette transformation est à l’origine d’un affaiblissement des caractéristiques mécaniques (Tableau 1) et hydrauliques des matériaux schisteux (El khattabi, 2001).

Tableau 1. Quelques caractéristiques mécaniques des schistes de Chouamat.

Schiste intact Schiste remanié Type d’essai CU CD CU CD

Teneur en eau W (%) 15% 17% 16% 21% Cohésion (kPa) Cu = 33 C’ = 30 Cu = 44 C’ = 13

Angle de frottement (degrés) ϕCU = 44 ϕ’ = 39 ϕCU = 13 ϕ’ = 25

Du point de vue comportemental, les matériaux remaniés sont très sensibles à la présence de l'eau. Ainsi, à l'essai CU (Consolidé Non Drainé) le schiste remanié présente une cohésion supérieure à celle du schiste intact; ceci serait lié aux pressions développées par l'eau qui englobe les amas d'agrégats et qui justifie la faible valeur de l'angle de frottement (ϕCU ). L’essai CD (Consolidé Drainé), quant à lui, illustre des valeurs de cohésion et d’angle de frottement toujours inférieures dans les schistes remaniés. 4. Synthèse Des relations entre les glissements plans et les facteurs potentiels d'instabilité, sont décelées par corrélation cartographique. Ces relations ont permis de distinguer deux secteurs :

- l’arrière pays (versants internes), marqué par des pentes très raides, des précipitations et infiltrations considérables, un charriage à pendage assez marqué et des gradients hydrauliques importants. Toutefois, les glissements n'interviennent qu'au niveau des zones où l'épaisseur de la Nappe de Tisirène décroît considérablement ;

- la zone littorale (falaises), où le seul appel au vide lié à la mise en affleurement de la Nappe de Chouamat et la transformation des matériaux schisteux, est à l’origine des glissements observés.

La réalisation de coupes géologiques à l’aide du logiciel Visual Modflow, a permis de procéder à des interprétations structurales et à la vérification des relations entre les différents ensembles et l’apparition des glissements profonds. Dans la région des fenêtres (Fig. 11), non affectée par ces glissements, la pente topographique et le pendage du charriage sont moins élevés et l’épaisseur de la


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nappe de Tisirène demeure quasiment constante. Cette configuration dévoile le rôle de la butée dans ce type de mouvement (Fig. 12).

A : zone sud affectée par un glissement B : zone des fenêtres non affectée par les glissements.

Figure 12. Coupes Nord-Sud. La configuration de la zone des fenêtres est liée à une tectonique de blocs qui correspondrait selon Morel (1987) à des réajustement isostatiques dans le Rif. Ainsi, sur la coupe E-W, on peut déceler dans cette zone le jeu vertical de la faille régionale de Rouadi-Jbel Hmam qui délimite deux blocs (Fig. 13).

Figure 13. tectonique de bloc de la région (Ri-J.H : faille Rouadi-Jbel Hmam).

En plus des facteurs macro-déstabilisateurs identifiés, les mécanismes micro-déstabilisateurs se manifestent par la transformation progressive des matériaux schisteux intacts en matériaux remaniés, sous l’action de l’eau. Cette transformation est également facilitée par les anisotropies et les surcharges (Nappe de Tisirène). Ceci induit dans le matériau une cinétique, orientée par les anisotropies, qui provoque un remaniement de type "bréchification" où des éléments de nature différente s’imbriquent avec création de vides non connectés (porosité secondaire). La première conséquence majeure se manifeste par l’action de l’eau. En effet, dans les schistes intacts, l’organisation minéralogique sous forme de feuillets bien compacts et orientés, leur confère une faible sensibilité à l’eau. La disparition de la schistosité dans les matériaux remaniés diminue les circulations, provoquant une chute de la perméabilité qui évolue entre 10-9 m/s et 10-11 m/s. A saturation, l’eau provoque des pressions qui ont tendance à écarter les agrégats, à l’origine d’un coefficient de gonflement plus important. Par conséquent, les caractéristiques mécaniques du matériau s'affaiblissent.


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5. Conclusions et perspectives

Au terme de l'étude détaillée, les facteurs potentiels d'instabilité ainsi que les mécanismes associés sont identifiés. Des relations entre les différents facteurs ont été prouvées, à l’image du contrôle des écoulements souterrains par la structure. Les différents facteurs correspondent à :

• la sismicité qui se justifie par l'intense activité sismique à laquelle est soumise la région et par la néotectonique;

• la pluviométrie qui est significative dans la direction N-S; • la pente topographique, • les conditions hydrauliques, qui concernent les écoulements souterrains et surtout les

gradients hydrauliques, très importants au sud, • la structure géologique qui se manifeste d'une part par l'intermédiaire d'une fracturation

intense dans laquelle interviennent différentes directions (N-S à sub-méridiennes, E-W, NE-SW à ENE-WSW et NW-SE) et d'autre part, par le pendage du charriage.

La zone de charriage intervient directement dans l'apparition des instabilités. Elle constitue le facteur majeur d’instabilité dans le Rif Central. A son contact, les matériaux schisteux de Chouamat subissent des transformations d'ordre structurel provoquant leur remaniement. Ces changements sont à l'origine d'un affaiblissement des caractéristiques mécaniques et hydrauliques des matériaux. Les mécanismes sont ainsi identifiés. Tous ces facteurs qui interviennent directement ou indirectement dans le déclenchement des glissements plans profonds ont été intégrés dans un modèle de calcul à la rupture. Les simulations effectuées permettent de suivre l’évolution du coefficient de sécurité Fs dans un modèle spatio-temporel qui tient compte des écoulements souterrains définis selon des équations spécifiques (El Khattabi, 2001 ; El Khattabi et al. 2002a-2002b). 6. Bibliographie Aït Brahim L. et Chotin P, Genèse et déformation des bassins néogènes du Rif central (Maroc) au

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