mesure des mouvements post-mine sur le bassin houillier du

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’ingénieur, Lille 2004 (28 - 30 juin)

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Mesure des mouvements post-mine sur le bassin houil lier du Nord/Pas de Calais par interférométrie radar Raucoules D. 1, Guise Y. 2, Le Mouelic S.3, Carnec C.1, 1 BRGM ARN 117 avenue de Luminy, 13276 Marseille cedex 09– [email protected] 2 Charbonnages de France, 100 avenue Albert 1°- BP 2 20 – 92503 Rueil Malmaison cedex 3 Université de Nantes - 2 rue de la Houssiniere 44322 Nantes cedex 3 RÉSUMÉ - Dans le cadre du projet RESUM, un suivi des subsidences minières résiduelles par la technique de l'interférométrie radar satellitale a été effectué. La comparaison des résultats de l'interférométrie avec des mesures de nivellement de terrain a mis en évidence, pour des mouvements très faibles, des erreurs d'interprétation réalisées à la seule lecture des mesures effectuées par les géomètres de terrain. 1. Introduction Cet article décrit les résultats obtenus par interférométrie radar (InSAR) sur le secteur de Lens/Billy-Montigny/Courrières/Ostricourt. Ce site test, localisé dans le bassin Houiller du Nord / Pas de Calais, a été proposé comme zone d’étude du projet ReSUM par Charbonnages de France. L’interférométrie radar satellitale est un outil particulièrement adapté à la mesure de déformations de surface de faible amplitude (millimètres à decimètres) couvrant de grandes étendues (Massonnet et Feigl, 1998, Le Mouelic et al., 2002, Raucoules et al., 2003a). Plusieurs tests effectués dans le contexte mine/post-mine (Wright et Stow, 1999; Carnec et al., 1999, Carnec et Delacourt, 2000; Colesanti et al., 2004) ont montré l’intérêt de la méthode et sa complementarité avec les méthodes de surveillance traditionnelles (nivellement, GPS,…). La première partie décrit les paramètres utilisés pour le traitement des images radar. Ces mesures interférométriques, qui seront détaillées par la suite, mettent en évidence des phénomènes de subsidence de 3 à 4,5 cm sur la période étudiée (1992-2000) sur les secteurs de Lens, Billy-Montigny, Courrières et Ostricourt. Une confrontation entre les estimations issues de l’interférométrie et des données indépendantes obtenues par nivellement sur le secteur de Courrières sera présentée dans une troisième partie. L’analyse comparative montre une bonne correspondance entre les deux types de mesures si l’on considère des valeurs relatives. En revanche, la comparaison directe des valeurs absolues de nivellement et de l’interférométrie radar fait ressortir l’existence d’un biais qui devra être pris en compte dans l’interprétation des mesures altimétriques. 2. Traitement des données Dans le cadre de cette étude, 10 images ERS1 et ERS2 ont été acquises (track 466, frame 2586). Pour retirer la composante topographique de la phase et géocoder les produits interférométriques, nous avons utilisé un MNT produit par l’IGN avec un pas de 50 m. Les images finales ont été produites à une résolution de 25 mètres par pixel, les coordonnées étant données dans le système de projection Lambert II étendu. Parmi toutes les combinaisons interférométriques générées, nous en avons sélectionné 8 qui nous sont apparues les plus intéressantes en ce qui concerne leur qualité (bruit faible, faible composante atmosphérique, fort degré de cohérence) et les possibilités d’interprétation en terme de suivi de la déformation (périodes couvertes). Le tableau 1 donne les caractéristiques de ces paires interférométriques.


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Tableau I. combinaisons interférométriques sélectionnées. En gris les composantes perpendiculaires des écarts orbitaux en mètres, en clair l’écart en jours entre les images

orbite date 6623 8627 11132 20494 7334 18489 17254 20360 44542 27875 6623 1992-10-21 - 37 20 8 8627 1993-03-10 - 11132 1993-09-01 315 - 11 24 47 20494 1995-06-16 653 - 18 7334 1996-09-14 1424 - 30 18489 1998-02-21 - 17254 1998-08-15 1809 - 20360 1999-04-13 2334 1366 - 44542 2000-01-21 2333 1224 - 27875 2000-08-19 -

3. Resultats et interprétation 3.1 Déformations détectées sur la période 1992-2000 La comparaison des interférogrammes 6623-20360 (figure 1) et 11132-44542 (figure 2) permet de détecter et de quantifier des mouvements de subsidence sur l’ensemble de la période d’étude (1992-2000). Du fait que ces interférogrammes sont totalement indépendants (dates d’acquisition distinctes), on peut rejeter l’éventualité que les signatures détectées sur les interférogrammes soient des effets atmosphériques : les détections sont donc fiables.

Figure 1: interférogramme 6623-20360 (21-10-1992/13-04 –1999). Les secteurs sur lesquels des déformations (subsidence) ont été détectées sont agrandis. 1 frange (cycle complet de

couleur) = 3cm de déformation verticale.

LENS /AVION

BILLY-MONTIGNY

COURRIERES

OSTRICOURT


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Figure 2 : interférogramme 11132-44542 (01-09-1993/21-01-2000). Cet interférogramme couvre

pratiquement la même période que celui de la figure 2. Il est généré à partir d’images totalement indépendantes, ce qui permet de confirmer la détection des zones de subsidence

sur les secteurs encadrés (la possibilité que ces structures soient dues à des artéfacts atmosphériques est rejetée grâce à l’indépendance des images).

Tableau II : Mouvements totaux détectés

Localisation (Lambert II étendu - km) Extension (km) Amplitude de la déformation (cm)

Lens (X=634,3 Y=260,3 ) Courrières (X=643,9 Y=2607,1) Billy-Montigny (X=638,5 Y=2602,3) Ostricourt (X=638,8 Y=2602,3)

2,5km 1,5km 3,5 km 3,0 km

-4,5 cm (1,5 frange) -4,5 cm (1,5 frange) -3 cm (1 frange) -3 cm (1 frange)

On notera que la précision de ces estimations est d’environ un centimètre et que les déformations de faible étendue (typiquement < 200m) ne peuvent pas être détectées compte tenu de la résolution du système (~20m) et du bruit sur la mesure de phase. 3.2 Evolution des déformations L’examen des couples interférométriques à plus faible base de temps fournit une information supplémentaire sur l’évolution temporelle des déformations. Les conclusions que l’on peut tirer de l’analyse des interférogrammes de la figure 3 sont résumées sur le tableau 2.


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figure 3: Interferogrammes correspondant au cadre bleu de la figure 1. A) 21-10-1992 /01-09-1993 B) 01-09-1993 /11-06-1995 C)11-06-1995/13-04-1999 D) 01-09-1993 /15-08-1998.E)

19921021-19960914. une frange represente 3 cm déformation verticale.

Tableau III: Evolution des déformations d’après l’interprétation de la figure 3 localisation Période d’observation Amplitude (cm)

Courrières 1992-1995 (figures A et B) 1995-2000 (figures C et D)

-4,5 cm absence de mouvement

Lens 1992-1996 (figure E) 1996-2000 (figure C )

-3 cm -1 cm

Billy-Montigny 1992-1996 (figure E) 1996-2000 (figure C)

-2 à -3 cm -1 cm

Ostricourt 1992-1995 (figure A et B) 1995-2000 (figure C)

-3 cm absence de mouvement

4. Confrontation avec des données de nivellement et interprétation Afin d’effectuer une comparaison avec les mesures interférométriques, Charbonnages de France nous a fourni une série temporelle (période 1991-2000) de mesures de nivellement sur un réseau de points couvrant la zone étudiée (figure 4).

A B

C D

E


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Figure 4 – Image SAR (amplitude) du secteur et localisation des points de nivellement - fond IGN 1 :25000 Tableau IV : Evolution des altitudes (en mètres – système NGF) des points de nivellement sur la période

1991-2001. année

Points

1991 1993 1994 1996 1997 1998 1999 2000 2001

196 26,833 26,837 26,836 26,838 26,838 26,84 26,839 26,844 26,844 197 29,888 29,889 29,887 29,891 29,89 29,896 29,893 29,897 29,896 199 28,88 28,884 28,88 28,883 28,881 28,888 28,885 28,888 28,888 198 28,374 28,369 28,361 28,361 28,36 28,365 28,364 28,367 28,367 273 25,473 25,479 25,479 25,483 25,475 25,484 25,479 25,479 25,479 200 29,251 29,248 29,244 29,247 29,245 29,252 29,248 29,25 29,25 272 25,498 25,503 25,504 25,506 25,498 25,507 25,502 25,501 25,501 477 22,935 22,937 22,938 22,94 22,94 22,938 22,937 22,937 22,937 387 29,695 29,703 29,704 29,711 29,706 29,717 29,712 29,714 29,714 La comparaison directe de l’évolution des altitudes fait ressortir un désaccord entre la mesure interférométrique et le nivellement. En effet, l’évolution temporelle des points de nivellement (notamment le point 197 – figure 5) contredirait l’hypothèse d’un affaissement suivi d’une période stable. Il fait ressortir au contraire une période relativement stable avant 1996 suivi d’un gonflement se poursuivant jusqu’en 2001.

Figure 5: évolution de l’altitude du point 197 d’après les mesures de nivellement (mesure absolue)

29 ,886

29 ,888

29,89

29 ,892

29 ,894

29 ,896

29 ,898

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002

Alti

tude

(m

)

273

387

272

197

200 199

198

196

477

1 km N


482

5. Prise en compte des déformations relatives Pour une meilleure comparaison des deux types de mesures, il faut tenir compte du fait que l’interférométrie radar (de même que le nivellement qui suppose un point d’accroche fixe) mesure des variations relatives d’altitude et non des valeurs absolues. Il est donc plus pertinent de comparer des déformations relatives rapportées à un point. On choisira par la suite comme référence le point 387. L’analyse des l’interférogrammes montre qu’à l’échelle du secteur étudié, ce point ne semble pas affecté par une déformation de la surface du sol (pas de structure de frange à cet endroit). Les valeurs retenues pour la comparaison des mesures radar et des mesures de nivellement sont donc cette fois-ci les écarts entre les altitudes des points considérés et l’altitude du point 387. La série temporelle du point 197 rapportée à ce système (figure 6 a) montre que dans ce cas, le phénomène d’affaissement antérieur à 1996, révélé par les images radar, est en fait confirmé par le nivellement. La figure 6b relative au point 198, montre la concordance de l’évolution cinématique pour les 2 types de mesures (nivellement et InSAR).

Figure 6: gauche : évolution de la mesure de nivellement du point 197 par rapport au point 387. droite : comparaison des mesures InSAR et nivellement sur le point 198 (référence 387)

La figure 7 met également en évidence la forte similitude entre la carte de déformation obtenue par interpolation des mesures relatives de nivellement et l’interférogramme.

Figure 7: gauche : interpolation des mesures de nivellement (variation d’altitude en cm par rapport au point 387) sur Courrières de 1992 à 1999 . Droite : interferogramme 21 octobre 1992

/ 13 avril 1999. Déformation en cm.

0,0

-1,5 -3,0

387

272

198

196

197

200

199

477

-2,0 -1,0

-3,0


483

6. Discussion L’écart entre les deux types de mesures sur le site de Courrières peut être attribué au mouvement des points de référence du réseau de nivellement. De tels biais dus à une taille insuffisante des réseaux d’auscultation semblent fréquents pour les cas de mouvements lents affectant de grandes surfaces où l‘identification de zones stables a priori est problématique (Raucoules et al., 2003b). En fournissant une vue synoptique du phénomène, l’interférométrie radar permet d’effectuer une telle sélection. Les critères qui sont implicitement employés (en l’absence de toute autre information a priori) pour distinguer sur un interférogramme les zones en mouvement des zones stables sont :

• les surfaces en mouvement sont fermées. C’est-à-dire que les franges sur l’interférogramme sont des courbes fermées. • La superficie d’une zone en mouvement est plus faible que le reste de l’image.

Dans la pratique, l’interprétation résulte d’un compromis lorsque ces critères sont soumis à des dégradations (bruit, déformation en limite d’image,…) affectant la continuité des franges ou lorsque les deux critères sont contradictoires, comme par exemple dans le cas d’une déformation d’étendue proche de la taille de l’image. Toutefois les cartes de déformation obtenues peuvent permettre d’optimiser les réseaux de nivellement ( Raucoules et al., 2003b). 7. Conclusion L’étude par interférométrie Radar a permis de localiser et quantifier des mouvements de terrain susceptibles de correspondre à des affaissements miniers résiduels d’étendues moyennes (1 à 4 km) en phase de stabilisation sur le bassin houiller du Nord - Pas de Calais. Ils concernent les secteurs de Lens, Billy-Montigny, Courrières et Ostricourt. Les amplitudes des mouvements vont de 3 à 4,5 cm sur la période 1992-1996 et de 0 à 1cm de 1996 à 2000. La comparaison sur le secteur de Courrières des résultats interférométriques et des variations relatives d’altitudes obtenues par nivellement met en évidence une bonne concordance des deux types de mesures en ce qui concerne la détection d’un affaissement résiduel faible suivi d’une stabilité. Toutefois la comparaison des mesures interférométriques avec les mesures de nivellement absolues a mis en évidence la présence d’un biais systématique très probablement du à un artéfact sur la mesure de nivellement (points de référence du réseau de nivellement choisis sur une zone instable). Les résultats de cette étude montrent donc l’intérêt de l’interférométrie radar pour le contrôle mais également pour l’implantation des réseaux d’auscultation par nivellement : l’information interférométrique permettrait d’optimiser la disposition des profils de nivellement de façon à réduire la possibilité de biais liés à la position des points de départ des profils. La possibilité de retrouver à posteriori l’historique des mouvements constitue également un point fort de l’interférométrie radar. Remerciements : Cette étude a été effectuée dans le cadre du projet RESUM (http://resum.brgm.fr) avec le soutient du CNES et des réseaux technologiques RTE et RGCU. 8. Références Bibliographiques Carnec C., Massonnet D. and King C., 1999, two examples of the use of SAR interferometry on

displacement fields of small spatial extent, Geophysical Research Letters, 23,3579-3582 Carnec C. et Delacourt C., 2000, Three years of mining subsidence monitored by SAR

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Colesanti C., Le Mouélic S., Bennani M., Raucoules D., Carnec C.,Ferretti A., 2003, Detection of mining related ground instabilities using the Permanent Scatterers technique - A case study in the East of France, International Journal of Remote Sensing, sous presse

Massonnet D. et Feigl K., 1998, Radar Interferometry and its applications to changes in Earth’s surface. Reviews of Geophysics, 4, 441-494

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Raucoules D., Maisons C., Carnec C., Le Mouélic S., King C., Hosford S., 2003b, Monitoring of slow ground deformation by ERS radar interferometry - The case of Vauvert (France), Remote Sensing of Environment, 4, 468-478

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