Abstract :
[en] Slopes in hilly or mountainous regions can present complex morphologies due to erosional, gravitational and seismotectonic processes. In seismically active regions, mountain ranges are usually characterised by numerous slope failures in the form of shallow to deep-seated landslides; yet, their origin is often not clearly established and must not necessarily be seismic.
This thesis investigates deep-seated landslides of unknown origin (and age) that hint at a probable co-seismic development in regard to their regional seismotectonic context, site-related structural and geological setting, and distinct geomorphological shape. Such investigations include the reconnaissance of surface as well as subsurface structures with a variety of methods; here, we analyse landslide surfaces with satellite imagery, through geomorphological observations and structural measurements, while multiple geophysical techniques are used to reveal subsurface structures and to infer geotechnical properties of the ground.
The work is focused on two study areas presenting rather ancient slope failures: the seismogenic Hockai Fault Zone in East-Belgium, with the Bévercé and the Pays de Herve landslides, and the seismic Vrancea-Buzau region in the Carpathian Mountains of Romania, with the Eagle's Lake and Balta landslides. A third study area, the Longmenshan Fault Zone in Central China with the Daguangbao and the Qinglincun landslides, is used as reference site to discuss landslides actually triggered by a recent earthquake, i.e. the 2008 Wenchuan event, and highlights mechanisms leading to co-seismic slope failure.
A decisive approach of this work is the integration of the collected data into 3D geomodels of the respective sites; these allow to link the geophysical subsurface information to observed surface structures, as well as to assess landslide dimensions and to estimate the volume of landslide debris still in place. For two study areas, the Bévercé and Balta landslides, we present a numerical back-analysis with distinct element modelling in the 2D and 3D domain, respectively, to further comprehend mechanisms influencing the genesis and development of slope collapses possibly induced by earthquakes. These computations are based on geomodelled pre-failure slope shapes, structural settings derived from field measurements and geotechnical properties inferred from geophysical measurements. For both sites, numerical computations indicate the necessity of ground acceleration to achieve similar failure patterns as observed in their actual post-failure state.
At last, we introduce conclusive key elements that link the observed markers deduced from the field measurements and numerical analyses to distinctive processes that are crucial components to comprehend the development of slope failures in seismic regions.
The larger interest beyond the direct scope of this study is the deeper comprehension of regional seismotectonic processes that were active in the past to allow for better constrained seismic hazard evaluations in the future.
[fr] Les régions vallonnées ou montagneuses peuvent présenter des pentes aux morphologies complexes dues aux processus sismotectoniques, d'érosion et de mouvements de masse. Les chaînes de montagnes en région sismiquement active sont généralement caractérisées par de nombreuses ruptures de pente se présentant sous la forme de glissements de terrain plus ou moins profonds. Cependant, leur origine, sans être nécessairement sismique, n'est pas souvent clairement établie.
Cette thèse étudie des glissements de terrain profonds, d'origine et d'âge inconnus, qui laissent entrevoir un développement co-sismique probable au regard du contexte sismotectonique régional, du cadre structurel et géologique lié au site et de leur forme géomorphologique distincte. Ces recherches comprennent la reconnaissance de structures de surface et souterraines par diverses méthodes. D’une part, les surfaces de glissement de terrain sont analysées aussi bien à l’aide d’images satellites que par le biais d’observations géomorphologiques et de mesures structurelles. D’autre part, de multiples techniques géophysiques sont utilisées pour révéler les structures souterraines et déduire les propriétés géotechniques du sol.
Les travaux se concentrent sur deux zones d'étude présentant des ruptures de pente anciennes : la zone sismogénique de la faille de Hockai en Belgique, avec les glissements de terrain de Bévercé et du Pays de Herve, ainsi que la région sismique de Vrancea-Buzau dans les Carpates en Roumanie, avec les glissements de terrain du Lac de l'Aigle (Eagle’s Lake) et de Balta. Ces sites sont comparés avec une troisième zone d'étude, la zone de faille de Longmenshan en Chine centrale dont les mouvements de masse de Daguangbao et de Qinglincun sont connus pour avoir été déclenchés par le tremblement de terre de Wenchuan en 2008. Cette zone de référence permet notamment de mettre en évidence les mécanismes menant à la rupture des pentes co-sismiques.
Une approche importante de ce travail est l'intégration des données collectées aux différents sites dans des géomodèles 3D. Ceux-ci permettent de relier les informations géophysiques du sous-sol aux structures de surface observées, d'évaluer ainsi les dimensions des glissements de terrain et d'estimer le volume des débris de glissement encore en place. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui influencent la genèse et le développement des effondrements de pente potentiellement induits par des tremblements de terre, nous présentons, pour les glissements de Bévercé et de Balta, une rétro-analyse numérique avec une modélisation par éléments distincts dans les domaines 2D et 3D. Ces calculs se basent sur les morphologies de pentes géomodélisées avant leur rupture, les paramètres structurels dérivés de mesures de terrain et les propriétés géotechniques déduites des mesures géophysiques. Pour les deux sites, les calculs numériques indiquent la nécessité d'une accélération sismique du sol pour retrouver les morphologies de rupture et de glissement similaires à leur état actuel.
Enfin, en reliant les marqueurs déduits des mesures de terrain et l’analyse numérique de processus distincts, nous introduisons des éléments clés cruciaux pour la compréhension de l'évolution des ruptures de pente en milieu sismique. L'intérêt plus large de cette recherche, bien au-delà de ses objectifs précis, est d’approfondir nos connaissances sur les processus sismotectoniques régionaux, actifs dans le passé, afin de permettre, à l’avenir, de meilleures évaluations des aléas sismiques.
[de] Hänge hügeliger und gebirgiger Regionen können aufgrund von erosions- und gravitationsbedingten sowie seismotektonischen Prozessen komplexe Morphologien aufweisen. In seismisch aktiven Gebieten weisen Bergflanken meist zahlreiche Hangrutschungen variabler Mächtigkeiten auf (oberflächlich bis massiv); dennoch ist ihre Entstehung oftmals nicht geklärt und ist nicht unbedingt seismischer Natur.
Diese Dissertation untersucht massive Erdrutsche unbekannten Ursprungs (und Alters), die aufgrund ihres regionalen seismotektonischen Hintergrunds und ihrer lokalen strukturellen, geologischen und geomorphologischen Eigenschaften auf eine seismische Entstehungsgeschichte hinweisen. Solche Untersuchungen beinhalten die Erfassung von Oberflächen- und Untergrundstrukturen und basieren auf einer Vielzahl von Methoden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Oberflächenstrukturen mit Satellitenbildern, sowie mit geomorphologischen und strukturellen Beobachtungen analysiert, wogegen Untergrundstrukturen und geotechnische Parameter des Bodens mithilfe geophysikalischer Messmethoden ermittelt werden.
Der Fokus der Arbeit liegt auf den folgenden zwei Untersuchungsgebieten, die eher ältere Rutschungen aufweisen: die seismogene Hockai Störungszone im Osten Belgiens mit den Bévercé und Pays de Herve Rutschungen, und die seismische Vrancea-Buzau Region in den rumänischen Karpaten mit den Eagle's Lake und Balta Rutschungen. Ein drittes Untersuchungsgebiet, die Longmenshan Störungszone in China mit den Daguangbao und Qinglincun Rutschungen, wird als Referenzgebiet fur seismische Erdrutsche eingeführt; anhand des 2008 Wenchuan Erdbebens werden Mechanismen, die zu co-seismischem Hangversagen beitragen, erläutert.
Die maßgebliche Methodik ist die Integrierung der gesammelten Daten in 3D Geomodelle der jeweiligen Untersuchungsgebiete; diese ermöglichen die Zuordnung der Resultate der geophysikalischen Bodenerkundung zu den strukturellen Oberflächenmerkmalen, sowie das Abschätzen der Erdrutsch-Dimensionen und des Volumens des verbleibenden Rutschungsmaterials. Zwei Fallstudien, Bévercé und Balta, werden zudem mittels einer 2D und 3D numerischen Modellierung (distinkte Elemente Methode) analysiert, um weitere Komponenten des durch Erdbeben ausgelösten Hangversagens zu untersuchen. Die Grundlage dieser numerischen Modelle bilden geomodellierte Hang-Topographien, die den Hang in ihrem Zustand vor dem Versagen abbilden, sowie strukturelle Daten und geotechnische Materialeigenschaften, die von den Feldmessungen abgeleitet werden. Beide numerische Fallstudien können nur mithilfe von Erdbeben-Simulationen wirklichkeitsnahe Ergebnisse erzielen.
Schlussfolgernd werden entscheidende Kernpunkte herausgefiltert, die die beobachteten Merkmale (sei es durch Feldmessungen oder Modellierung) mit charakteristischen Prozessen in Ver-bindung bringen. Diese Prozesse erläutern konkrete Vorgänge, die in der Entwicklung von Erdrutschen in seismisch aktiven Regionen eine maßgebende Rolle spielen. Im weiteren Sinne ist das Ziel dieser Dissertation, ein fundierteres Verständnis regionaler seismo-tektonischer Prozesse der Vergangenheit zu schaffen, und somit die Variablen zukünftiger seismischer Gefährdungen gezielter einzuschätzen.
