Faculté des sciences

Effets de la circulation d'air par effet de cheminée dans l'évolution du régime thermique des éboulis froids de basse et moyenne altitude

Morard, Sébastien ; Delaloye, Reynald (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2011 ; no 1732.

Dans les Alpes suisses, le pergélisol – portion du sous-sol dont la température reste inférieure à 0°C durant au moins une année – est présent de manière discontinue au-dessus de 2'300 m d’altitude environ. Néanmoins des conditions de sol anormalement et durablement froides – indicatrices de l’existence possible de pergélisol sporadique – se rencontrent aujourd’hui en de... Plus

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    Résumé
    Dans les Alpes suisses, le pergélisol – portion du sous-sol dont la température reste inférieure à 0°C durant au moins une année – est présent de manière discontinue au-dessus de 2'300 m d’altitude environ. Néanmoins des conditions de sol anormalement et durablement froides – indicatrices de l’existence possible de pergélisol sporadique – se rencontrent aujourd’hui en de multiples endroits situés à des altitudes où la température moyenne annuelle de l’air est nettement positive. Ces différents environnements froids ont un point commun : ils se situent tous dans la partie inférieure d’accumulations de blocs aérées, essentiellement des pentes d’éboulis et des glaciers rocheux fossiles. Ils se retrouvent également à l’intérieur de réseaux souterrains. L’objectif principal de cette thèse réside ainsi dans l’identification et la compréhension des processus régulant la présence et déterminant l’évolution de ces environnements sur-refroidis situés aux étages collinéens et forestiers. Une dizaine de sites localisés dans la chaîne du Jura, les Préalpes et les Alpes suisses romandes ont été investigués par le biais de diverses méthodes, essentiellement des mesures thermiques et géophysiques. Les résultats obtenus soutiennent l’hypothèse que dans les éboulis (et autres formations sédimentaires poreuses) de basse et moyenne altitude, situés aux moyennes latitudes et dans un climat à alternance de saison, un processus de ventilation interne réversible (connu sous le nom d’effet de cheminée ou de tube à vent) permet le maintien d’environnements froids dans les parties inférieures des pentes d’éboulis. L’origine du courant d’air est essentiellement thermique, et sa vitesse et sa direction sont liées aux différences de températures existant entre l’intérieur du système ventilé (l’éboulis) et l’extérieur (l’atmosphère libre). Ainsi la circulation d’air par effet de cheminée se caractérise par une renverse du courant d’air lorsqu’un certain seuil thermique, caractérisant la température moyenne de l’ensemble du système ventilé, est atteint. Cette valeur est très proche de celle de la température moyenne annuelle de l’air extérieur. Deux grandes phases saisonnières peuvent être distinguées : on parle de régime ‘’hivernal’’ lorsque de l’air chaud est expulsé dans les parties hautes du système poreux et que de l’air extérieur froid est aspiré par ses ouvertures inférieures, même en présence de neige. Une aspiration forcée a lieu à travers le manteau neigeux et des vitesses de courant d’air aspirant ont même pu être enregistrées dans des trous à vent sous une épaisse couche de neige. Inversement, le régime ‘’estival’’ se caractérise par une décharge gravitaire d’air froid dans les parties basses du système, entraînant un afflux d’air extérieur plus chaud par ses entrées supérieures. A l’intérieur de ces deux grandes phases saisonnières, la ventilation peut néanmoins s’inverser durant de courtes périodes de redoux en hiver ou de temps froid en été. En conséquence ce processus entraîne la création d’une anomalie thermique annuelle du sol négative comprise entre 3 et 7.5°C selon les sites par rapport à la température moyenne annuelle de l’air extérieur dans les parties inférieures des pentes d’éboulis. A contrario, dans leurs parties hautes, une anomalie thermique annuelle du sol positive de 2 à 4°C s’observe. Le suivi thermique mené proche de la surface du sol sur plusieurs formations sédimentaires poreuses, depuis 1997 pour la plus longue série de mesures, a permis de montrer d’une part que le régime thermique est similaire entre les différents sites investigués et d’autre part que le facteur clé d’évolution est la température de l’air extérieur durant la période hivernale. Des périodes de temps froid prolongés et très intenses en hiver favorisent le gel profond du sol. En conséquence de cette aspiration forcée en hiver, un réservoir de froid se forme dans les éboulis. Une partie de l’énergie amenée par le courant d’air durant l’hiver est emmagasinée par conduction dans les sédiments fins sous-jacents aux éboulis ainsi que dans les débris rocheux. Il existe également une relation bien déterminée entre le refroidissement hivernal de l’éboulis et les conditions thermiques régnant en été proche de la surface et à l’intérieur de l’accumulation sédimentaire. On peut notamment souligner qu’un hiver doux avec un gel du sol limité comme en 2006-2007 entraîne une augmentation significative des températures de la surface du sol durant l’été et l’automne. Répondant directement à des conditions météorologiques hivernales contrastées, la croissance d’un pergélisol tempéré à la base de l’éboulis de Dreveneuse d’en Bas a également été reportée par des mesures en forage en 2004-2006. Ce dernier disparut à la suite de l’hiver doux 2006-2007, puis s’est reformé dès 2010 suite à l’hiver très froid 2009- 2010. En revanche, les températures de l’air extérieur en été ainsi que l’importance de l’enneigement ne contribuent que très modérément à l’évolution du régime thermique des parties basses sur-refroidies des éboulis, contrairement aux terrains situés dans la zone du pergélisol discontinu à haute altitude (par ex. les glaciers rocheux actifs). La répétition de mesures géophysiques (tomographie de résistivité électrique et sismique réfraction) à intervalle de temps rapproché permet d’illustrer en deux dimensions la dynamique rapide du refroidissement induit par la circulation d’air en profondeur. Les résistivités électriques de la moitié inférieure de l’éboulis connaissent ainsi une augmentation exponentielle lorsque la température du sous-sol décroît sous le point de congélation. Un réservoir de froid se forme durant l’hiver, dont la taille dépend directement des températures extérieures. L’éboulis connaît également un assèchement durant la période hivernale, alors qu’une quantité importante de glace interstitielle se forme lors de la fonte des neiges au printemps. La validité des mesures de température à la surface du sol et de géophysiques a été confirmée par des mesures directes à l’intérieur de la petite glacière dynamique des Diablotins, un système perméable ventilé par un effet de cheminée. Les mesures thermiques montrent clairement que l’aérologie des éboulis se rapproche de celle des réseaux souterrains à plusieurs entrées dénivelées. L’hiver se caractérise par un fort refroidissement et un assèchement de la glacière avec une diminution significative du volume de glace par sublimation. La roche qui entoure les galeries joue un rôle primordial de réservoir de chaleur. A contrario, la masse de glace augmente et demeure stable durant le printemps et l’été à la suite de la congélation des eaux de percolation. Des mesures continues du climat hypogé initiées en juin 2009 ont également montré le rôle prédominant des conditions atmosphériques hivernales dans les modifications saisonnières de la masse de glace. Ainsi l’état déglacé de la galerie inférieure au début des années 1990 s’est produit suite à des hivers doux et peu enneigés, alors que le fort accroissement de la masse de glace en 1994 et 1995 fait suite à des hivers froids et bien enneigés. Une partie de cette thèse s’est aussi attelée à des questions d’ordre méthodologique. Une approche multi-méthodologique s’est avérée particulièrement efficace pour la compréhension du processus complexe de circulation d’air par effet de cheminée. L’importance de la répétition de mesures géophysiques dans des intervalles de temps rapprochés ainsi que l’application systématique de tests de qualité et la confrontation des résultats acquis par le biais de différentes méthodes sont indispensables pour éviter une surinterprétation ou une mauvaise interprétation des résultats. Pour la géoélectrique, l’analyse des courbes de sondages verticaux est notamment un bon contrôle de qualité des tomographies de résistivités électriques.
    Summary
    In the Swiss Alps, mountain permafrost – subsurface materials remaining at negative ground temperatures throughout the year – is encountered discontinuously above about 2300 m.a.s.l. Nevertheless, abnormally cold ground conditions indicating possible occurrence of isolated permafrost patches have been reported in many locations at much lower elevation where the mean annual air temperature is definitely positive. All these cold environments are inside caves or are located in the lower parts of debris accumulations, mostly talus slopes and relict rock glaciers. The main objective of this thesis is to identify and try to understand the processes governing the presence and determining the evolution of these overcooled environments located below the timberline. Twelve sites located in the Jura Mountains, the Prealps and the Alps in western Switzerland were investigated through various types of measurements, mainly thermal records and geophysics. The results support the hypothesis that a process of reversible internal air circulation (called chimney effect or wind tube) allows the occurrence of cold environments in the lower parts of debris accumulations located a middle and low elevation in mid-latitude areas. The origin of the airflow, as its velocity and direction, are essentially driven by thermal difference between the air inside the ventilated system (the talus slope) and the external air (the atmosphere). Thus the chimney effect air circulation is characterized by a reverse of the airflow direction when a thermal threshold is reached. This value could be seen as the average temperature of the whole porous system and is closed to the mean annual external air temperature. Two major seasonal phases can be distinguished: during winter, an ascent of relatively warm light air tends to occur in the upper part of the debris accumulation. This leads to a dynamic low in the lower part, causing a forced aspiration of cold external air deep inside the ground, even trough a thick – but porous – snow cover. Airflow velocities indicating aspiration of external air were recorded in wind hole during winter under the snowpack. Conversely, the summer phase is characterized by a gravity discharge of dense cold air in the lower parts of the system, causing an inflow of warmer external air in the upper parts of the talus slope. Within these two major seasonal phases, ventilation can still reverse during short periods of mild weather in winter or during colder meteorological conditions in summertime. As a consequence, this process leads to a negative annual ground surface thermal anomaly reaching 3 to 7.5°C depending on the site in the lower parts of talus slopes, compared to the mean annual air temperature. Conversely in their upper parts, a positive annual ground surface thermal anomaly from 2 to 4°C is observed. The thermal monitoring conducted at the ground surface in several porous debris accumulations, since 1997 for the longest series of measurements, has shown that the thermal regime is similar between the different investigated sites, and also that the key factor of evolution is the temperature of the external air during the winter. Periods of prolonged and very intense cold weather in winter promote a deep freezing of the ground. As a consequence of this forced aspiration of air during wintertime, a cold reservoir formed deep inside the talus slope. A part of the heat advected by the airflow is transmitted by conduction to the rock debris and the finer sediments located below the porous debris accumulation. A well-defined relationship is also recorded between the winter cooling of the talus slope and the ground thermal conditions prevailing in summertime. It may be noted that a particularly mild winter with limited freezing of the ground as in 2006/2007 causes a significant increase in ground surface temperatures during summer and fall. The growth of temperate permafrost below the porous talus slope of Dreveneuse d’en Bas has been reported in two boreholes in 2004-2006. Following the mild winter 2006-2007, this frozen ground disappeared and finally reformed in 2010 consecutively to the very cold winter 2009-2010. On the other hand the external air temperature in summer and the importance of snow cover contribute very modestly to changes in the thermal regime in the lower parts of the debris accumulations. This particular thermal behaviour significantly differs from the thermal regime observed in conventional permafrost situations (eg. rock glacier) at high altitude. Repeated time-lapse geophysical measurements (electrical resistivity and seismic refraction tomography) illustrate the two-dimensional rapid cooling of the whole talus slope by air ventilation. Electrical resistivities in the lower half of the talus slope increase exponentially as the ground temperatures decrease below the freezing point. A cold reservoir formed during the winter, whose size is directly dependent on external air temperatures. The talus slope also dries during winter, while a significant amount of interstitial ice is formed during the snowmelt periods in spring. The validity of geophysics and temperature measurements at the ground surface was confirmed by direct measurements inside the small dynamic Diablotins ice cave, a permeable system ventilated by chimney effect. The thermal measurements clearly show that the effects of air circulation are similar between the inside of the ice cave and the porous debris accumulations. During winter, the ice cave is strongly cooled and dried, and a significant decrease in the ice mass by sublimation is observed. The rock walls surrounding the gallery act as a reservoir of heat. In contrast, the ice mass increases and remains stable during the spring and summer as a result of refreezing of snowmelt percolating water. Continuous measurements of the cave climate initiated in June 2009 also showed the predominant role of winter meteorological conditions in seasonal changes of the ice mass. Thus the ice-free state of the cave in the early 1990 occurred during mild winters with little snowfall, while the strong increase of ice mass in 1994 and 1995 follows cold and very snowy winters. A part of this thesis was also devoted to methodological issues. A multi-methodological approach has been particularly effective for understanding the complex process of air circulation by chimney effect into porous environments. The importance of repeated thermal and geophysical measurements (monitoring), the systematic application of quality testing and the comparison of results obtained through different methods are needed to avoid over-interpretation or misinterpretation of results. Concerning the geoelectrical methods, the analysis of vertical electrical sounding curves is a good quality control of electrical resistivity tomography.