Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Lettres et Sciences humaines. Géographie : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 502. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 118-133. Bibliogr. p. 169-174.

La ville du Havre et son agglomération sont implantées entre l'estuaire de la Seine et le plateau crayeux du Pays de Caux. Ce territoire côtier est soumis à des risques naturels typiques des zones littorales que sont les submersions marines et l'érosion des falaises. L'étude a été réalisée à partir de photographies aériennes et de relevés topographiques aériens LiDAR (laser altimétrique). Elle a visé à cartographier les zones de débordement et d'inondations historiques (1981, 1983 et 1984) et potentielles de la ville basse du Havre en superposant divers scenarii de niveaux d'eaux statiques et la topographie haute précision de la zone urbaine. Les falaises littorales de la pointe de Caux, situées entre le Cap de La Hève et le Cap d'Antifer subissent une dynamique gravitaire à mouvements de terrain récurrents. L'étude de la zone entre 1985 et 2008 (23 ans) montre un taux d'érosion moyen du haut de falaise de 18 cm/an. L'accumulation de dépôts d'éboulis a formé un talus continu en pied de falaise qui atteint un volume de 36,7 millions de m3. Les dépôts d'éboulis sont localement très variables en taille, volume et composition, du nord au sud du secteur d'étude et n’est atteint que sur 10 % du linéaire étudié lors des hautes mers de vive-eau. L'impact d'une augmentation du niveau marin au Havre (1,6 à 2,4 mm/an) est susceptible d'amplifier à long terme l'intensité de ces deux aléas côtiers, mais il apparaît cependant comme faible par rapport à l'influence des facteurs météorologiques. / Le Havre suburb is located between the Seine estuary and the chalk plateau of the Paris basin NW boundary. This coastal territory is submitted to typical natural hazards observed on coastal areas that are coastal floods and cliffs erosion. The study use data from aerial photographs and LiDAR surveys. The lower part of Le Havre town, built around historical tidal docks, is sensitive to coastal floods hazard. Three urban coastal floods occurred in 1981, 1983 and 1984 resulting to a combination between high water level of spring tides and surges produced by low air pressure and/or strong winds. The aim is to map, in the lower part of Le Havre town, the areas of potential overflow and flood. Different scenarii of static water levels have been applied on the accurate urban topography from LiDAR. Coastal cliffs, located between La Hève and Antifer Capes, showed recurrent gravitational movements. On the period 1985-2008 (23 years), the cliff top shows an average erosion rate of 18 cm/yr. The accumulation of sedimentary instabilities had formed a continuous wedge of 36.7 million m3. The wedge deposits are very variable in size, volume and nature, from north to south. At Le Havre, the impact of the sea-level rise may amplify, in long-term scale, the intensity of these two coastal hazards. However, the SLR impact appears to be low compared to the influence of meteorological factors.

A l'heure actuelle, l'étude d'une falaise instable nécessite la mesure sur place, à l'aide d'une boussole clinomètre, de sa fracturation. Ce n'est pas sans inconvénient pour des raisons d'accessibilité et de dangerosité de la mesure. Pour étudier la morphologie de ces falaises sans recourir à ces mesures in-situ, il faut faire appel à des méthodes de télédétection. Deux méthodes semblent a priori particulièrement adaptées pour ce faire. La photogrammétrie permet de calculer la position XYZ d'un point à partir de la position de l'image de ce point sur deux photographies prisent depuis des points de vue différents. Cette technique éprouvée connait un nouvel essor avec les progrès des appareils numériques. La scannerisation laser, quant à elle, consiste à calculer la position d'un très grand nombre de points de la paroi en mesurant le temps de trajet aller-retour d'une impulsion laser. Ces deux méthodes connaissent des limitations différentes en terme de résolution, de précision, de temps d'acquisition sur site et de traitement a posteriori. La photogrammétrie et la scannerisation laser ont été utilisées sur quatre sites afin de tester l'efficacité de ces méthodes sur des cas concrets de falaise instable. Le site du Rocher du Midi (Vercors, 38, France) a été étudié à l'aide de deux scans laser réalisés depuis le sommet de la paroi instable, avec des points de vue très rasants sur fa zone d'étude, ainsi qu'au moyen d'une couverture photographique réalisée avec un appareil argentique grand format depuis un hélicoptère. Le Ravin de L'aiguille (Chartreuse, 38, France) a été étudié à partir de deux scannerisations laser réalisées en tête de paroi, l'une depuis un point de vue très rasant et l'autre depuis un point de vue presque frontal, permis par la géométrie très échancrée de la ligne de crête, ainsi qu'avec une couverture photographique réalisée avec un reflex numérique depuis un hélicoptère. Le Rocher de la Bourgeoise (Vercors, 38 France) a été étudié au moyen d'une scannerisation laser héliportée et d'une couverture photographique réalisée en même temps avec un appareil numérique. Les gorges de Paganin (06, France) ont été étudiées au moyen de trois scannerisations laser réalisées depuis le pied de la paroi. Pour pouvoir exploiter les données de scannerisation laser issues de ces quatre sites, le concept d'image solide, développé par le Politecnico de Turin, a été réimplanté dans le logiciel ImageJ afin de développer aisément des greffons pour chacune des mesures utiles à l'exploitation. La comparaison des résultats obtenus par cette méthode avec ceux obtenus par photogrammétrie et ceux issus des mesures directe sur site valide l'efficacité des deux méthodes de télédétection, avec cependant quelques réserves. Les méthodes de télédétection, et en particulier l'image solide, apportent une plus value notable par rapport aux mesures in-situ en terme de capacité de support aux mesures géophysiques complémentaires et de réalisation d'un modèle géométrique complet en prélude à une simulation de stabilité. Cependant des développements restent à faire, tant sur l'exploitation des scannerisations laser que sur l'utilisation de la photogrammétrie, pour permettre de tirer le meilleur parti possible de ces deux techniques.

Cette thèse a pour but de comprendre quels processus contrôlent l'érosion des falaises côtières à deux échelles spatiales. Nous avons d'abord réalisé une étude locale de la falaise de flysch de Socoa (Pays Basque), dont la spécificité est un fort contrôle structural. Elle a été suivie annuellement par photogrammétrie pendant 6 ans. Cette falaise résistante recule lentement, à 3,4 mm/an. Son erosion est le fait de départ de blocs, majoritairement au niveau des arêtes libres. Ensuite, afin d'aborder l'échelle globale, une base de données (GlobR2C2, Global Recession Rates of Coastal Cliffs) a été créée. Elle est la première à recenser les taux d'érosion publiés et à les comparer à des forçages météo-marins issus de grilles mondiales. Nous l'avons traitée par analyse statistique exploratoire et par random forest. La résistance de la roche parait être le premier facteur contrôlant le taux d'érosion. Au second ordre, apparaissent le nombre de jours de gel par an et le marnage. / The aim of this PhD is to understand factors controlling sea cliff erosion at both local scale, based on Socoa cliff (Basque country) and at global scale. The specificity of Socoa's flysch cliff is its strong structural control. A 6 year photogrammetric study from annual records was conducted. This resistant cliff erodes slowly at 3.4 mm/yr and rockfalls occur mostly at cliff edge. A database called GlobR2C2 (Global Recession Rates of Coastal Cliffs) was set up. It is the first one to compile erosion rate data extracted from literature and to compare it to marine and continental forcing, extracted from worldwide grids and reanalyses. It was statistically analysed through exploratory analysis and random forest. At global scale, rock resistance appears to be the primary factor controlling cliff erosion. Second orders factors are the number of frost day per year and the average tidal range.

L'évaluation de la stabilité des falaises est complexe, du fait de l'incertitude des mécanismes de rupture et de la méconnaissance de l'état de fracturation interne du massif. Les méthodes géophysiques permettent d'obtenir de l'information sur la structure interne du massif. Le radar géologique a montré son efficacité pour détecter et caractériser les fractures. Plusieurs profils radar (réflexion, transmission, CMP) sont testés sur deux falaises verticales calcaires proches de Grenoble. La combinaison de profils verticaux et horizontaux permet de mieux contraindre la géométrie 3D du réseau de fractures. Les analyses de vitesses radar, déduites des acquisitions CMP, permettent de caractériser directement les larges fractures ouverture en profondeur. La tomographie radar fournit une image 2D de l'intérieur du massif, mais avec une trop faible résolution. Dans une gamme de fréquences donnée, la détection de fractures par le radar va dépendre de l'ouverture et du remplissage, qui contrôlent le coefficient de réflexion. Une stratégie de caractérisation des fractures est proposée en utilisant la sensibilité fréquentielle de la réflectivité. L'inversion des coefficients de réflexion radar, basée sur un algorithme de voisinage, permet de retrouver les paramètres caractéristiques des fractures modélisées. La méthode du rapport spectral entre un signal réfléchi (mesuré) et un signal de référence (connu), permet de calculer facilement le coefficient de réflexion. Une étude numérique 2D (FDTD) est menée pour le choix du signal de référence. L'inversion des coefficients de réflexion radar synthétiques est testée pour une configuration de fracture ouverte rencontrée sur le terrain.

Les hauts de falaises littorales atlantiques présentent des végétations originales de pelouses aérohalines et de landes littorales adaptées aux fortes contraintes écologiques. Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le développement de nouvelles activités anthropiques, dont le tourisme, a provoqué la dégradation de ces habitats à forte valeur patrimoniale. De nombreux projets de restauration ont été lancés depuis les années 1990, fondés majoritairement sur la recolonisation spontanée de la végétation par mise en défens des zones dégradées, et complétés ponctuellement par des méthodes plus actives de génie écologique. Ce travail apporte des connaissances scientifiques pour évaluer et améliorer ces opérations de restauration et constitue une contribution à la discipline de l'écologie de la restauration. L'analyse de données diachroniques de points-contacts disponibles à long terme sur plusieurs sites en cours de recolonisation démontre que la restauration fondée sur la succession de la végétation est une méthode efficace à court ou à moyen terme. Plusieurs trajectoires de restauration sont mises en évidence selon le niveau d'exposition ou de dégradation initiale. L'utilisation du modèle des matrices des transitions permet de décrire la succession de manière probabiliste et de mettre en évidence les potentialités de prédiction de la dynamique végétale, montrant la difficulté de réaliser des prévisions à partir des premières années de succession. Plusieurs facteurs abiotiques et biotiques sont étudiés afin de déterminer leur implication sur le fonctionnement des végétations et sur leur capacité de résilience. La complexité de la topographie, combinée à la fluctuation des directions du vent, apparaissent responsables de fortes variations locales des gradients de contraintes qui doivent être prises en compte lors des projets de restauration, avec un rôle prédominant du dépôt de sel sur la nature de la végétation potentielle. L'étude de l'évolution de la végétation, de la banque de graines et du sol, en fonction du niveau de dégradation, met en évidence des seuils de dégradation biotique et abiotique. Les dégradations importantes provoquent la disparition des espèces cibles de la banque de graines, remplacées par des espèces pionnières tolérantes aux perturbations qui colonisent rapidement le sol nu dès l'arrêt de la perturbation. Les caractéristiques intrinsèques des sols de pelouse aérohaline et de lande induisent différentes réponses des paramètres édaphiques à la dégradation, le taux de carbone organique et le taux d'humidité sont des indicateurs pertinents pour évaluer le niveau de dégradation des sols. Les méthodes de restauration active les plus efficaces agissent sur les filtres biotique et abiotique environnementaux modifiés par la perturbation anthropique. Les expériences réalisées sur les modalités les plus communément utilisées pour la restauration de ces végétations montrent que l'apport de litière est la méthode la plus performante, avec le géotextile et l'apport de produit de fauche. Ces méthodes montrent une efficacité moindre en situation exposée, confirmant l'effet limitant des contraintes sur la restauration de la végétation. Les résultats de ce travail apportent de nombreux éléments permettant de mieux cerner la structure et le fonctionnement de ces écosystèmes et fournissent un cadre scientifique pour l'amélioration des opérations de restauration écologique.

Résumé La prédiction efficace des éboulements rocheux constitue un des moyens pour se prémunirvis-à-vis du risque naturel représenté par les chutes de blocs. Les joints rocheux jouant un rôle décisif dans le déclenchement de ces éboulements, il faut décrire du mieux possible le comportement mécanique de ceux-ci, et en particulier leur rupture. Une nouvelle loi de comportement de joint rocheux, incrémentalement non linéaire, est ainsi proposée, parallèlement à l'utilisation du critère du “travail du second ordre” pour détecter les conditions impliquant un éboulement. La définition de la loi se base sur un modèle numérique de joint rocheux, utilisant la méthode aux Éléments Discrets via le code Yade. Une fois le comportement des joints rocheux investigué grâce à ce modèle numérique (en lien avec des résultats expérimentaux), et la loi définie puis validée, cette-dernière est étudiée vis-à-vis de ce critère du travail du second ordre. L'existence de “directions instables” de sollicitation, susceptibles d'entraîner la rupture du joint rocheux avant le critère de Mohr-Coulomb, est ainsi mise en évidence. Ces directions instables dépendent tout particulièrement des couplages entre les directions normale et tangentielle du joint rocheux. Une falaise existante est enfin analysée : les “Gorges de Valabres”, situées dans les Alpes-Maritimes. L'analyse est effectuée en utilisant la nouvelle loi de comportement, et le critère du travail du second ordre, dans le cadre d'un modèle numérique discret de la falaise. On observe alors que des sollicitations du chargement simulé correspondent pour certains joints à des directions instables.

Cette thèse porte sur la quantification de deux aléas que sont le recul des falaises crayeuses en Haute-Normandie et les inondations par la mer en Manche centrale et orientale. Ces phénomènes générateurs de dommages, interdépendants, ont un fonctionnement méconnu qui se manifeste par des événements d'intensité et de fréquence variées. La démarche quantitative adoptée s'appuie sur une approche systémique et par emboîtement d'échelles spatiales et temporelles. Ce travail intègre le rapport fréquence/intensité des événements, et par conséquent, l'efficacité des facteurs et des processus responsables de leur déclenchement. Ce travail vise à : 1) calculer les vitesses et les rythmes de recul des falaises ; 2) déterminer les facteurs responsables du déclenchement des mouvements gravitaires ; 3) quantifier la production de débris et les taux d'ablation du front de falaise ; 4) évaluer les évolutions en fréquence et en intensité des submersions marines ; 5) déterminer l'origine de ces évolutions ; 6) réfléchir sur les méthodes de cartographie de l'aléa " inondation par la mer " et " recul des falaises ".

Les Hautes Montagnes d’Asie (HMA) abritent la plus grande superficie de glaciers en dehors des régions polaires. Environ 15 % des ~100 000 km² de glaciers des HMA sont couverts de débris d’épaisseur variable. L’influence de cette couverture détritique sur la réponse des glaciers au changement climatique reste méconnue. Au-delà d’une épaisseur critique (quelques cm), les débris protègent les glaciers de la fonte par effet isolant. Mais ces glaciers présentent des structures qui pourraient sensiblement accentuer leur fonte : en surface ce sont les falaises où la glace est à nue et les lacs supra-glaciaires, alors qu’au cœur des glaciers c’est leur réseau hydrologique intra-glaciaire complexe. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers des HMA. Jusqu’à présent, cette influence a été évaluée à partir de changements de longueurs ou sur des échantillons de glaciers restreints, et aucune étude n’a quantifié l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers à grande échelle.Nous avons d’abord traité plus de 50 000 couples stéréoscopiques du capteur ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) pour dériver des modèles numériques de terrain (MNTs) sur la quasi-totalité des glaciers des HMA. Nous avons mesuré ainsi le bilan de masse régional entre 2000 et 2016 avec une résolution jamais atteinte auparavant. La perte totale est de 16.3 ± 3.5 Gt a-1 soit un bilan de masse moyen de -0.18 ± 0.04 m équivalent (éq.) eau a-1, très variable spatialement, avec une perte de masse record pour le Nyainqentanglha (-0.62 ± 0.23 m éq. eau a-1) et un léger gain pour le Kunlun (+0.14 ± 0.08 m éq. eau a-1).Cette variabilité spatiale des bilans de masse reflète au premier ordre la variabilité des climats, différents d’un bout à l’autre des HMA. Pour s’en affranchir, nous avons découpé cette région en 12 sous-régions supposées homogènes climatiquement, où nous avons étudié l’influence de la couverture détritique sur le bilan de masse des glaciers de plus de 2 km² (>6 500 glaciers soit 54 % de la surface englacée totale). Statistiquement, la couverture de débris n’est pas un bon prédicteur du bilan de masse. Dans quatre sous-régions, les glaciers couverts ont des bilans de masse plus négatifs que les glaciers blancs, c’est l’opposé dans le Tien Shan alors que pour les sept sous-régions restantes, les bilans ne sont pas différents statistiquement entre glaciers blancs et couverts. Souvent, la couverture détritique a une influence plus faible que la pente de la langue ou l’altitude moyenne du glacier, car les langues couvertes de débris descendent plus bas en altitude, là où l’ablation est la plus forte.Ce type d’étude statistique est intéressant pour se forger une intuition, mais reste peu informatif en termes de compréhension des processus glaciologiques. Pour mieux contraindre les contributions des processus responsables de la fonte, nous avons travaillé en parallèle à une échelle plus fine en nous intéressant au glacier du Changri Nup (2.7 km²) situé non loin de l’Everest au Népal. A partir de MNTs haute résolution dérivés d’images des satellites Pléiades ou acquises avec un drone, nous avons montré que les falaises de glace, bien qu’elles n’occupent que 7 à 8 % de la surface de la langue de ce glacier, ont contribué à ~23 ± 5 % de l’ablation nette totale au cours de deux années contrastées. Ces falaises sont donc des zones d’ablation préférentielle mais couvrent des surfaces trop faibles pour compenser la réduction d’ablation induite par la couverture détritique environnante. Si l’on observe des taux d’amincissement similaires sur les langues couvertes ou non de débris, c’est que la vitesse d’émergence est plus faible sur les langues couvertes ce qui compense un bilan de masse de surface moins négatif que sur les glaciers blancs. Il est néanmoins nécessaire de mieux comprendre la dynamique des langues couvertes de débris. / High Mountain Asia (HMA) hosts the largest glacierized area outside the polar regions. Approximately 15 % of the ~100 000 km² of HMA glaciers is covered by a debris layer of various thickness. The influence of this debris on the HMA glacier response to climate change remains debated. In principle, the presence of a thick layer of debris reduces the melt of the ice beneath it, due to the insulating effect. However, other processes such as ablation of bare ice cliff faces, subaqueous melt of supraglacial ponds and internal ablation due to englacial hydrology could substantially contribute to enhance the debris-covered glacier mass losses. The aim of this PhD work is to assess the impact of the debris on glacier mass balance in HMA. Up to now, the influence of the debris cover has been assessed through glacier front position changes or on a restricted sample of glaciers, and no large scale study of the influence of the debris cover on the glacier-wide mass balance is available.As a starting point, we derived glacier mass changes for the period 2000-2016 for the entire HMA, with an unprecedented resolution, using time series of digital elevation models (DEMs) derived from Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) optical satellite imagery. We calculated a total mass loss of -16.3 ± 3.5 Gt yr-1 (-0.18 ± 0.04 m w.e. yr-1) with contrasted rates of regionally-averaged mass changes ranging from -0.62 ± 0.23 m w.e. yr-1 for the eastern Nyainqentanglha to +0.14 ± 0.08 m w.e. yr-1 for the western Kunlun Shan.At the scale of HMA, the pattern of glacier mass changes is not related to the presence of debris, but is linked with the climatology. Consequently, we studied the influence of the debris-cover on mass balance within climatically homogeneous regions. Based on the mass balances of individual glaciers larger than 2 km² (more than 6 500 glaciers, which represent 54% of the total glacierized area), we found that debris-covered glaciers have significantly more negative mass balances for four regions out of twelve, a significantly less negative mass balance for one region and non-significantly different mass balances for the remaining seven regions. The debris-cover is generally a less significant predictor of the mass balance than the slope of the glacier tongue or the glacier mean elevation. The influence of the debris is not completely clear and complicated to untangle from the effect of the other morphological parameters, because heavily debris-covered tongues are situated at lower elevations than debris-free tongues, where ablation is higher.However, such a statistical analysis of the influence of the debris-cover on the glacier-wide mass balance variability is not very informative in terms of glaciological processes. In order to better constrain the contribution of the different ablation processes on debris-covered tongues, work at a finer scale is required. For the debris-covered tongue of Changri Nup Glacier, Everest region, Nepal, we quantified the contribution of ice cliffs to the ablation budget. Using a combination of very high resolution DEMs derived from Pléiades images and an unmanned aerial vehicle, we found that ice cliffs contributed to ~23 ± 5 % of the total net ablation of the tongue, over two contrasted years, although they occupy only 7 to 8 % of its area. Ice cliffs are large contributors to the ablation of a debris-covered tongue, but they cannot alone explain the so-called debris cover anomaly, i.e. the fact that debris free and debris covered tongues have similar thinning rates. This anomaly is probably due to smaller emergence velocity over debris-covered tongues than over debris-free tongues, resulting in similar thinning rates, despite less negative surface mass balance rates. We advocate for more measurements of ice thickness of debris-covered tongues in order to better understand their dynamics.

La complexité morpho-stratigraphique de la falaise côtière de Pointe-au-Bouleau (Charlevoix Est) a été étudiée en lien avec la morphologie et la dynamique de la côte. Les analyses ont permis d’identifier des liens entre les propriétés lithostratigraphiques des sédiments qui composent les falaises, la variabilité spatiale des taux de recul côtier ainsi que la géométrie des falaises. Cette étude montre que la lithologie des unités stratigraphiques, leur origine, leur épaisseur, leur position ainsi que la nature des contacts entre elles expliquent une forte proportion de la variabilité spatiale du recul de la côte. Le développement d’une approche intégrant le LiDAR terrestre (2013), le LiDAR aéroporté (2005-2010), les photographies aériennes (1964-2012), l’analyse de coupes stratigraphiques et le suivi horaire (caméras de surveillance) a permis d’identifier des unités stratigraphiques à fort potentiel d’érosion. Les relations mises en évidence entre la lithostratigraphie, la variabilité spatio-temporelle des processus subaériens et marins ainsi que les valeurs de recul côtier ont finalement permis de développer un modèle conceptuel géomorphologique de l’évolution côtière de la falaise de Pointe-au-Bouleau.