Influence des conditions météorologiques et des changements climatiques sur le développement des instabilités rocheuses des parois de flysch de la Haute-Gaspésie (Qc, Canada)

RÉSUMÉ : Depuis 1987, plus de 17 500 chutes de pierres atteignant les routes de la Haute-Gaspésie ont été répertoriées par le ministère des Transports du Québec (MTQ). Cet aléa naturel représente un danger quasi permanent pour les usagers. Les mesures d'atténuation traditionnelles peuvent s'avérer inefficaces sur des parois rocheuses hautement fracturées comme celles de la Gaspésie. La mise en place d'une gestion préventive du risque, basée sur les facteurs déclenchant les instabilités rocheuses, pourrait être la méthode la plus efficace pour réduire la vulnérabilité des usagers. Des études préliminaires ont montré que ces instabilités sont majoritairement déclenchées par des facteurs externes étroitement liés aux conditions météorologiques. Cette thèse vise 1) à mieux comprendre les processus pré-rupture qui contribuent au développement des instabilités rocheuses, 2) à améliorer notre capacité à prédire les chutes de pierres et 3) à anticiper l'influence du réchauffement climatique contemporain sur la météorisation et l'érosion des parois rocheuses. Un réseau de capteurs hydrométéorologiques a été déployé à la surface de cinq parois rocheuses d'orientations nord et sud et de structures géologiques variées allant du conglomérat massif aux parois sédimentaires stratifiées et hautement fracturées. Des thermistances introduites dans des forages horizontaux de 3 à 5,5 mètres de profondeur ont permis de mesurer le régime thermique de ces parois. Les déformations mécaniques affectant une séquence de flysch ont été enregistrées par des extensomètres pendant une période de 28 mois. La fréquence et la magnitude des chutes de pierres ont été quantifiées sur trois sites à l'aide d'un scanner laser terrestre (TLS) pendant 17 périodes météorologiques ciblées au préalable. Finalement, le régime thermique et le taux de météorisation par le gel d'une des parois rocheuses instrumentée a été modélisé entre 1950 et 2100. Les déformations irréversibles enregistrées en surface par les extensomètres sont principalement induites par les variations brèves et soutenues de la teneur en eau (pluies et fonte des neiges), par les fluctuations de température autour du point de congélation (cycles gel-dégel) et dans une moindre mesure, par les fortes amplitudes thermiques. Les tendances à long terme mettent en évidence les mécanismes qui conduisent à l'érosion différentielle des séquences de flysch. Le recul et le tassement progressifs des strates de siltstone provoquent la déstabilisation par glissement ou basculement de blocs des strates de grès sus-jacentes. Les relevés au TLS ont permis d'identifier 1287 chutes de pierres d'une magnitude supérieure à 0,005 m³ sur une surface scannée de 12 056 m² pendant une période de 18 mois. En été, la fréquence des chutes de pierres est 22 fois plus élevée lors d'une pluie de forte intensité que pendant une période sèche. En hiver, la fréquence des chutes de pierres est 12 fois plus élevée lors d'un dégel superficiel (< 30 cm) que lors d'une période froide où la température reste inférieure à 0°C. Ces redoux hivernaux se traduisent par le développement d'instabilités rocheuses de faible magnitude alors que le dégel printanier en profondeur entraîne une fréquence élevée d'événements de grande magnitude. Selon les scénarios RCP4.5 et RCP8.5, un réchauffement de 3,3°C à 6,2°C a été modélisé en Haute-Gaspésie au cours du 21ème siècle. Ce réchauffement rapide devrait se répercuter par une diminution d'un à deux mètres de la profondeur maximale atteinte par le front de gel saisonnier et par un raccourcissement de sa durée d'un à trois mois. La fréquence des redoux hivernaux pourrait être multipliée par 12 en janvier. L'efficacité de la fracturation par le gel devrait rester importante en surface, s'intensifier autour de 70 cm de profondeur et s'estomper au-delà (RCP4.5), ou bien diminuer dès 10 cm de profondeur (RCP8.5). Dans cette région soumise à des cycles gel-dégel saisonniers, la fréquence des chutes de pierres de faible magnitude pourrait considérablement augmenter en hiver mais être largement réduite à l'au omne et au printemps. Les processus associés au gel-dégel ne contribueront plus au développement d'instabilités de plus grande ampleur. Cette étude propose une classification des conditions météorologiques en fonction de leur capacité à déclencher des instabilités rocheuses de différentes magnitudes. Elle apporte également, dans le contexte du réchauffement climatique, une meilleure connaissance de l'évolution des périodes propices aux chutes de pierres d'ici la fin du 21ème siècle. Ces connaissances pourront être utilisées afin de mettre en place une gestion préventive du risque naturel qui permettrait de diminuer la vulnérabilité des usagers des routes de la Haute-Gaspésie. -- Mot(s) clé(s) en français : déformation mécanique, chutes de pierres, paroi rocheuse, flysch, régime thermique, conditions météorologiques, réchauffement climatique, extensomètre, TLS, LiDAR. -- \nABSTRACT : Since 1987, more than 17 500 rockfalls hitting the roads have been inventoried by the Ministère des Transports du Québec (MTQ) in northern Gaspésie. This natural hazard represents a nearly permanent danger for users. Traditional mitigation measures can be ineffective on poorly consolidated, deformed and highly fractured rockwalls such as those found in the area. Implement a preventive risk management based on the factors that trigger rock instabilities could be the most effective method to limit the vulnerability of road users. Preliminary studies have shown that these instabilities are often triggered by external factors that are closely related to meteorological conditions. This thesis aims 1) to better understand the pre-failure processes that contribute to rockfall development, 2) to improve our ability to predict and anticipate rockfalls and 3) to explore the influence of climate warming on rockwall erosion. A network of hydrometeorological sensors has been deployed at the surface of five north and south facing rockwalls with changing structural geology from massive conglomerate to highly stratified sedimentary rocks. Their thermal regimes have also been measured using thermistor sensors inserted in horizontal boreholes 3 to 5.5 meters deep. Mechanical deformations of a flysch sequence composed of sandstone and siltstone have been recorded by crack-meters during a 28-month period. Rockfall frequency and magnitude have been quantified on three sites using a terrestrial laser scanner (TLS) during specific pre-targeted meteorological conditions. Finally, the thermal regime and the rate of frost damage of one of the studies rockwall has been modeled between 1950 and 2100. Irreversible deformations recorded at the rock surface by crack meter are mostly induced by large and sustained changes of water content (rainfall and snowmelt), by temperature fluctuations around the freezing point (freeze-thaw cycles) and to a lesser extent, by large thermal variations. The long-term trends recorded in the sandstone and siltstone strata highlight mechanisms that lead to differential erosion of flysch sequences. Gradual retreating and settling of the weak rock strata (clayey siltstone) cause destabilization of the resistant rock strata (sandstone) above and the eventual slide or topple of sandstone blocks. Over a period of 18 months, 17 surveys using TLS have allowed to identify 1287 rockfalls with a magnitude above 0.005 m³ on a scanned surface of 12 056 m². In summer, rockfall frequency was 22 times higher during a heavy rainfall event than during a period mainly dry. In winter, rockfall frequency was 12 times higher during a superficial thaw (< 30 cm) than during a cold period in which temperature remained below 0°C. These winter thaws result in the development of small magnitude rock instabilities while deep spring thaw result in a high frequency of large magnitude events. According to the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, a warming of 3.3°C to 6.2°C is respectively expected in northern Gaspésie during the 21st century. This rapid warming should result in a reduction of one to two meters in the maximum depth reached by the seasonal frost front and a shortening of its duration by one to three months. The frequency of sporadic freeze-thaw cycles could be multiplied by 12 in January. The effectiveness of frost weathering should intensify around 70 cm depth and fade beyond (RCP4.5) or decrease from 10 cm depth (RCP8.5). In this region subject to seasonal freeze-thaw cycles, the frequency of small magnitude rockfalls could increase considerably in winter but be greatly reduced in autumn and spring. Freeze-thaw associated processes will no longer contribute to the development of larger magnitude instabilities. This study provides a classification of meteorological conditions based on their ability to trigger rockfalls of different magnitudes. It also allows, in the global warming context, to anticipate the evolution of the favorable periods of rockfall by the end of the 21st century. This knowledge could be used to implement an a equate preventive risk management strategy and thus reduce the vulnerability of road users in Haute-Gaspésie. -- Mot(s) clé(s) en anglais : rock deformation, rockfall, rockwall, flysch, thermal regime, weather conditions, climate warming, crack meter, TLS, LiDAR.

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