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Science Tribune - Article - Août 1998

http://www.tribunes.com/tribune/art98/ledr.htm

La cartographie géologique numérique en 3-dimensions


Patrick Ledru

BRGM, DR/MGG, BP 6009, 45060 Orléans cedex 02, France
Tél : + 33 2 38 64 32 19, Fax : + 33 2 38 64 47 02
E-mail : p.ledru@brgm.fr



L'homme s'est développé à la surface de la Terre. Il doit beaucoup à cette surface qui, en dehors des zones urbanisées, présente un sol ou une roche, une végétation naturelle ou des cultures, qui lui offre et garantit ses moyens de subsistance. Cette surface est en fait une surface particulière de l'Univers, une interface d'échange permanent entre la Terre et l'Atmosphère. Et si l'homme a dédié le 20ème siècle à la conquête de l'espace, ses connaissances de la surface de la Terre et du monde souterrain restent partielles. Comment s'initient et s'amplifient les reliefs et les dépressions? Qu'y a t'il sous ses pieds à 100 m, 1, 10 ou 100 km de profondeur?


Prévisions sur le monde souterrain

De nombreuses expériences ont montré que nos prévisions sur le monde souterrain restaient très hasardeuses: problèmes rencontrés lors du percement des tunnels, difficulté de prévoir les risques naturels (glissement de terrain, tremblement de terre, éruptions volcaniques), investissements colossaux dans la recherche pétrolière...Le monde souterrain reste un mystère et un défi:
- un mystère qui touche notre imagination, nos rêves mais aussi nos peurs et nos angoisses. Du Voyage au Centre de la Terre de Jules Verne à Superman qui écarte les blocs de la faille de San Andreas pour limiter les effets du "Big One" - le grand tremblement de terre attendu et craint à San Francisco - les entrailles de la Terre continuent de nous faire rêver.
- un défi car, dans de nombreuses situations, il faut aujourd'hui être en mesure de prévoir l'extension en profondeur de phénomènes que nous observons en surface. Savoir comment se prolonge une faille est ainsi primordial pour le tracé d'un tunnel, connaître le circuit souterrain de l'eau qui jaillit d'une source est nécessaire à l'approvisionnement en eau de plus en plus de régions et de villes dans le monde.


Compléxité du monde souterrain

Ces difficultés de prévoir et cette connaissance limitée sont liées à la complexité du domaine souterrain. La Terre est une planète vivante et il en résulte différents ordres de complexité.

Une complexité de structure. Le domaine souterrain peut être assimilé à un ensemble hétérogène de couches et de blocs dont la géométrie sera de complexité proportionnelle à l'intensité des transformations subies par la roche (changements de forme et de minéralogie). Des strates de craie du Bassin de Paris, plongeant de quelques degrés vers le coeur du Bassin, aux schistes bleus intensément plissés de l'île de Groix, tous les stades de transformation sont identifiés. Leur caractérisation permet de reconstituer la formation des bassins et des chaînes de montagne, depuis la formation de la Terre, il y a plus de 4 milliards d'années.

Une complexité de comportement. La dynamique interne de la Terre génère un champ de gravité, des contraintes, un flux de chaleur et des champs de potentiel électrique et magnétique qui s'exercent en tout point du globe. Les manifestations en sont par exemple la chute de la pomme sur la tête de Newton ("l'attraction universelle") ou l'attraction de l'aiguille de la boussole par le Nord. Ces paramètres ne sont toutefois pas constants: la pression et la température croissent en profondeur, ils varient en fonction de la densité et de la conductivité électrique des roches. D'autre part, certains terrains ou zones de fractures conservent des perméabilités significatives à toutes les profondeurs et constituent des réservoirs pour les fluides, qu'ils soient d'origine profonde ou superficielle.


L'homme et la représentation de la Terre

Comment représenter ce qui est à la surface de la Terre? Comment connaître la structure et le comportement de ce qui est sous la surface de la Terre?



Une analogie: la pomme

On peut raisonner par analogie en imaginant que l'on cherche à représenter la surface d'une pomme et d'en identifier la structure interne. Divers types de projection planaire permettront tout d'abord d'en dresser une carte en faisant apparaître les variations de couleur et de relief (cartographie en 2D de la pomme). Reconstituer le trognon de la pomme sera ensuite possible en identifiant tout d'abord les deux dépressions situées à la surface de la pomme, puis en découpant la pomme en tranches. Chaque tranche constituera une coupe sur laquelle nous pourrons identifier les limites du trognon (cartographie en 2D du trognon). Finalement, le volume limité par la surface reliant les différentes limites tracées sur chaque tranche fournira une représentation en 3D du trognon. Cartes et coupes sont les outils qui permettent l'identification de la structure interne et la méthodologie que l'homme va développer pour explorer le sous-sol pour y puiser ses ressources, creuser les montagnes pour faire passer ses axes de communication, protéger ses habitations des risques naturels...


Cartes et coupes

Représenter la surface de la terre nécessite d'en dresser la carte, c'est-à-dire une représentation à l'échelle des types de roches que le géologue pourra identifier sur le terrain. Observer le domaine souterrain en le découpant en tranches n'est, bien sûr, pas possible. Les seules observations en profondeur dont dispose le géologue sont souvent très ponctuelles: forages, galeries et travaux miniers. A défaut de pouvoir observer, il est ainsi nécessaire d'interpréter et d'extrapoler ces informations. Les coupes sériées qui permettront de reconstituer la forme d'un corps géologique seront donc interprétatives et de plus en plus hasardeuses suivant l'ordre de complexité du domaine étudié.


La carte géologique

La carte géologique est une fenêtre ouverte sur le domaine souterrain qui peut être assimilé à un ensemble hétérogène de couches et de blocs. Dans la mesure où cet ensemble affleure à la surface de la Terre, le géologue représentera:
- les limites entre couches et blocs par des lignes (l'intersection d'une surface quelconque avec la surface de la terre étant par définition une ligne, naturellement courbe, exceptionnellement droite),
- les couches et les blocs par des surfaces (l'intersection entre un volume quelconque et la surface de la terre étant par définition une surface).
C'est ainsi qu'il élaborera une carte qui est en somme l'intersection entre le domaine souterrain et la surface de la terre. La carte géologique est une surface privilégiée de la modélisation 3D, fournissant l'image de la partie supérieure du modèle 3D.


De la version classique à la version numérique 3D de la carte géologique

La mise à disposition d'outils informatiques, logiciels et bases de données modifient peu à peu les techniques de cartographie classique. La surface de la terre est ainsi représentée par le "modèle numérique de terrain", base de données fournissant en chaque point du territoire étudié longitude, latitude et altitude. Le géologue dispose ainsi d'une représentation fidèle de la topographie en 3D. Les lignes et surfaces qu'il dessinera seront digitalisées et renseignées avec l'ensemble des attributs nécessaire à l'identification de la couche, du bloc ou de toute structure (nature de la roche, âge, composition minéralogique; nature du mouvement le long des failles).

Parmi ces informations, le géologue porte une attention particulière à l'orientation et au pendage des contacts entre couches et blocs qu'il peut mesurer sur le terrain. C'est par ces observations qu'il approchera la structure des terrains et qu'il pourra en extrapoler les extensions souterraines. Ainsi, les inflexions des pendages sur des sections verticales révèlent la présence de plis alors que de rapides changements d'orientation témoignent de discontinuités correspondant souvent à des failles.

La carte géologique a donc deux finalités:
1. fournir en chaque point une information sur la nature et les caractères de la roche située à l'affleurement (ou en proche sous-sol),
2. permettre une première évaluation de l'extension des structures en profondeur.

Sa version numérique ouvre de nouvelles possibilités de visualisation, de modélisation géométrique 3D et surtout de combinaison avec les imageries que l'on peut déduire de méthodes d'observation indirectes de la géophysique.


Les images des profondeurs de la Terre

Face à la difficulté de représenter les profondeurs de la terre, compte tenu des différents degrés de complexité, les chercheurs disposent d'une gamme de disciplines qui leur permettent d'imager de façon indirecte les extensions en profondeur de ce qu'ils observent en surface.

Les mesures acoustiques permettent l'échographie du domaine souterrain. C'est la méthode de représentation la plus spectaculaire; elle révèle l'extension des structures et la forme des blocs géologiques à 5, 10, 30 km de profondeur ou plus. La source de ces ondes peut être naturelle (liée aux séismes) ou artificielle (tirs d'explosifs). Les ondes émises se propagent à des vitesses différentes suivant la nature des roches, leur état thermique et leur porosité. Des capteurs, disposés de façon permanente ou momentanée en fonction des sources, enregistrent les ondes qui ont été réfléchies ou réfractées par les couches en profondeur. L'enregistrement est ensuite analysé et révèle la position des couches pour lesquelles les vitesses de propagation sont identiques.

Les développements les plus récents de cette méthodologie fournissent des images en 3D et révèlent les structures à l'échelle de la lithosphère. Les points chauds situés sous le Massif central ou encore le plongement de la plaque apulienne sous l'Europe alpine se trouvent ainsi suivis à plus de 200 km de profondeur. Des profils sismiques quadrillent peu à peu les territoires à la surface du globe, implantés en fonction des priorités économiques et scientifiques compte tenu de leur coût élevé, et les stations d'enregistrement de l'activité sismique sont de plus en plus déployées avec des applications pour la connaissance des risques sismiques.

Les mesures éléctriques indiquent la répartition des corps conducteurs en profondeur. Elles fournissent des représentations en fonction des propriétés de conduction électrique des roches. Principalement appliquée dans la reconnaissance à faible profondeur, cette technique est encore peu répandue pour l'étude des structures profondes compte tenu des sources électriques importantes qui doivent être utilisées et de la perturbation des courants naturels par l'activité humaine.

Les mesures des "poids des roches" donnent la cartographie des corps lourds et légers. Les variations du champ de gravité terrestre témoignent de la nature des roches en profondeur et il suffit d'un contraste de densité de quelques dixièmes, comme entre un granite (densité moyenne 2.7) et un basalte (densité moyenne 2.9), pour obtenir l'image des 5 premiers kilomètres. Cette méthode a pris son essor dans les années 40 ayant des applications balistiques évidentes. Des cartes sont aujourd'hui disponibles à différentes échelles avec néanmoins une grande hétérogénéité de répartition (1). Des méthodes de mesure aéroportées sont maintenant mises en application avec de plus en plus de précision. Ainsi, un survol des Alpes a été réalisé en février 1998 dans le cadre du programme de recherche scientifique national GéoFrance 3D. Les données ainsi mesurées doivent être interprétées en fonction de la densité des terrains à l'affleurement et de leur extension probable en profondeur. Les solutions ne sont jamais uniques.

Les mesures de magnétisme tracent l'extension des minéraux magnétiques. Le magnétisme des roches peut être aisément mesuré par des méthodes aéroportées qui garantissent une homogénéité de couverture et une résolution très fine. Ces méthodes ont des applications en matière de cartographie des corps magnétiques et d'identification des grandes zones de faille. Les données mesurées doivent être interprétées en fonction de la susceptibilité magnétique des terrains à l'affleurement et de leur extension probable en profondeur. Les solutions ne sont là aussi jamais uniques.


GéoFrance 3D, à la conquête de l'espace souterrain

Les objectifs du programme GéoFrance 3D (a) sont:
- prévoir l'extension en profondeur des structures et des phénomènes géologiques,
- bâtir une nouvelle image de la géologie (cartes géologiques en 3D) de la France
en utilisant des méthodes d'analyse géologiques et géophysiques complémentaires (2). Chaque méthode contribue à améliorer la résolution et la fiabilité du modèle construit.

1. La carte géologique numérique, plaquée sur le "modèle numérique de terrain", fournit la partie supérieure du cube.
2. La visualisation 3D, puis la réalisation de coupes et enfin de volumes, conduisent à une présentation complètement inédite en 3D des premiers kilomètres de l'écorce terrestre.
3. Les images géophysiques apportent ensuite des renseignements sur les profondeurs de la terre.

Plusieurs régions exemplaires ont déjà été étudiées:
- Massif armoricain (région de la Baie de St Brieuc (3)),
- les Alpes (Alpes occidentales des Massifs cristallins externes aux montagnes de Dora Maira),
- Massif central (notamment le Limousin (4)).
Les prochaines cibles ont été fixées:
- l'ensemble du Massif armoricain
- le Fossé rhénan.
A terme, c'est une révision complète de la géologie de la France qui est envisagée.

Le programme développe, par ailleurs, des outils d'analyse et de modélisation géométrique qui permettront au géologue de traiter numériquement l'information géologique qu'il aura récolté sur le terrain et de bâtir progressivement sa carte en 3D en intégrant l'ensemble des données géologiques et géophysiques disponibles. Il sera ainsi équipé pour partir à la conquête de l'espace souterrain.


Notes

a. GéoFrance 3D a été lancé en 1994 par le BRGM, l'INSU/CNRS et le Ministère en charge de la Recherche scientifique.


Références

1. Grandjean G, Mennéchet C, Debeglia N, Bonijoly D. Gravity data compilation: guaranteeing quality. EOS, vol. 79 (num.18), 217, 1998.

2. Groupe de Recherche Géofrance 3D. L'imagerie géologique et géophysique 3D du sous-sol de la France Mém Soc Géol France, 172, 53-71, 1997.

3. Bitri A, Brun JP, Chantraine J, Guennoc P, Marthelot JM, Perrin J, Pivot F, Truffert C. Structure crustale du bloc cadomien de Bretagne Nord (France), sismique réflexion verticale et sondage magnétotellurique, projet GéoFrance 3D. C R Acad Sci, 325, 171-177, 1997.

4. Milési JP, Bouchot V, Ledru P. Cartographie et métallogénie 3D du Massif central. Chron Rech Min 528, 3-11, 1997.


Illustrations

Le document de départ est la carte géologique (exemple extrait de la carte 50 000ème d'Orcières, Alpes)

La carte géologique numérique est projetée sur le Modèle Numérique de Terrain ( représentation numérique de la topographie naturelle)

Les surfaces limitant les principales unités géologiques et les failles sont construites à partir des coupes.

La troisième Dimension est révélée par la représentation des volumes du domaine souterrain.

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