Cartographier et modéliser les aléas liés à la dégradation de la cryosphère dans les Alpes Françaises : Une approche multiscalaire combinant permafrost, lacs glaciaires et écroulements rocheux pour contribuer à l'identification de secteurs à risque

In the French Alps, the degradation of the cryosphere partly results in glacier retreat and permafrost degradation. Glacier retreat can lead to the formation of new lakes, while permafrost degradation can cause rockwalls destabilisations. In this context, rockfalls and rock avalanches can generate cascading hazards, spreading down to the valley floors. Anticipating these events and their devastating effects, is a challenge for stakeholders and populations living in mountainous regions. In this context, the objectives of this work are (i) to identify the areas at risk to be impacted by rockfalls, rock avalanches and their potential cascading hazards, and (ii) to deepen fundamental knowledge on the processes predisposing, triggering, and propagating rockfalls or rock avalanches from permafrost rockwalls.We propose an integrated approach that links field observations, in-situ measurements, numerical modelling, and regional mapping of rockfalls and rock avalanches in permafrost contexts in the French Alps. To do so, we follow a multi-scale spatio-temporal approach, ranging from the regional scale (French Alps) to the local scale (slope), and considering past, current, and future cryospheric conditions (by the end of 21st century).At the regional scale, release areas maps show that unstable slopes could extend between 34 km² (scenario considering only the most unstable slopes) and 284 km² (most conservative scenario) under current permafrost conditions. Propagation maps shows that rockfalls (>100 m3) could reach between 472 km² to 586 km² depending on the chosen propagation scenario. Thus, between 53 and 90 lakes could potentially be impacted by rockfalls. Considering a +4°C warming of the rockwalls by the end of the 21st century, release areas would extend to 43.2 km², while propagation zones could reach between 196 km² and 245 km² depending on the propagation scenario. Thus, under future cryospheric conditions, 27 to 51 lakes could be in a rockfall path.At the site scale, we used an approach combining methods at different spatio-temporal scales to understand the thermal and hydrological processes involved in the triggering and propagation mechanisms of rock slope failures. The retro-analyses of two study cases located in the Étache valley (Savoie) and at the Grangettes ridge (Hautes Alpes) shows a warming of the permafrost since the 1990s, which has significantly intensified since the 2010s (e.g. up to +0.06°C/year at 30 m depth in the Étache valley). In the case of the Étache valley, the rock avalanche occurs in a context of transition from cold to temperate permafrost, and with water infiltration that may have led to high hydrostatic pressure and ice erosion in fractures. Investigations conducted at the Grangettes ridge show a warming of permafrost towards the melting point, which may have caused ice joint ruptures. These studies also highlight the difficulty of assessing the role of snow and water in the predisposing, triggering, and propagating mechanisms of slope instabilities.The results offer valuable insights for both the scientific community and stakeholders, facilitating a deeper understanding of the hazards associated with cryosphere degradation and contributing to the development of concrete solutions to support populations in addressing these challenges.Dans les Alpes françaises, la dégradation de la cryosphère se traduit en partie par le recul généralisé des glaciers et la dégradation du permafrost. Le retrait glaciaire peut conduire à la formation de nouveaux lacs, tandis que la dégradation du permafrost peut déstabiliser les parois rocheuses qui les surplombent. Dans ce contexte, des écroulements ou avalanches rocheuses peuvent générer des aléas en cascade, se propageant jusqu'au fond des vallées. L'anticipation de ces évènements aux effets parfois dévastateurs, constitue un véritable enjeu pour les acteurs et les populations des milieux montagnards. Face à ces défis sociétaux, les objectifs de ce travail doctoral sont (i) d'identifier les secteurs à risque en termes d'écroulements et d'avalanches rocheuses et des aléas en cascade qu'ils peuvent entrainer, et (ii) d'approfondir la connaissance fondamentale sur les processus physiques qui prédisposent, déclenchent, et propagent les écroulements ou avalanches rocheuses en contexte de permafrost.Nous proposons une approche intégrée qui fait le lien entre des observations de terrain, des mesures in-situ, de la modélisation numérique et de la cartographie des écroulements et avalanches rocheuses en contexte de permafrost dans les Alpes françaises. Nous suivons une logique multi-scalaire spatio-temporelle, allant de l'échelle régionale (Alpes françaises), à l'échelle locale (versant) ; en considérant les conditions environnementales passées, actuelles, et futures (horizon de la fin du 21ème siècle).A l'échelle régionale, la cartographie des zones de départ montre que les secteurs instables pourraient s'étendre entre 34 km² (scénario considérant uniquement les parois les plus instables) et 284 km² (scénario le plus conservateur) dans les conditions actuelles de permafrost, tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 472 km² à 586 km² selon le scénario de propagation choisi. Selon le scénario de propagation, entre 53 et 90 lacs pourraient être atteints par des potentiels écroulements rocheux. En considérant un réchauffement +4°C des parois d'ici la fin du 21ème siècle, les zones de départ s'étendraient sur 43,2 km², tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 196 km² et 245 km² selon le scénario de propagation. Ainsi, dans les conditions futures de la cryosphère, 27 à 51 lacs pourraient se trouver dans la trajectoire d'un écroulement rocheux.A l'échelle du site, notre approche combine des méthodes à différentes échelles spatio-temporelles afin de mieux comprendre les processus thermiques et hydrologiques impliqués dans les mécanismes de déclenchement et de propagation d'écroulements rocheux et d'avalanches rocheuses. La rétro-analyses de deux cas d'étude situés dans le vallon d'Etache (Savoie) et à la crête des Grangettes (Hautes Alpes) a révélé un réchauffement du permafrost depuis les années 1990 qui s'est accentué depuis les années 2010 (e.g. jusqu'à + 0.06 °C/an à 30 m de profondeur au vallon d'Étache). Dans le cas du vallon d'Étache, la déstabilisation du versant peut être attribuée à une transition entre un permafrost froid vers un permafrost tempéré, et à des infiltrations d'eau qui ont pu entraîner une augmentation de la pression hydrostatique et/ou participer à l'érosion de la glace dans les fractures. Les investigations menées à la Crête des Grangettes ont quant à elles montré un réchauffement du permafrost vers le point de fusion qui a pu entrainer une rupture des joints de glace. Ces études soulignent enfin la difficulté d'évaluer le rôle de la neige et de l'eau dans les mécanismes qui prédisposent, déclenchent et propagent mouvements de versants.Les résultats obtenus ont pour but de fournir, à terme, des informations précieuses pour la communauté scientifique et les acteurs du territoire, afin d'approfondir la compréhension des aléas liés à la dégradation de la cryosphère et de contribuer à mettre en œuvre des solutions concrètes pour aider les populations à y faire face

Cartographier et modéliser les aléas liés à la dégradation de la cryosphère dans les Alpes Françaises : Une approche multiscalaire combinant permafrost, lacs glaciaires et écroulements rocheux pour contribuer à l'identification de secteurs à risque

In the French Alps, the degradation of the cryosphere partly results in glacier retreat and permafrost degradation. Glacier retreat can lead to the formation of new lakes, while permafrost degradation can cause rockwalls destabilisations. In this context, rockfalls and rock avalanches can generate cascading hazards, spreading down to the valley floors. Anticipating these events and their devastating effects, is a challenge for stakeholders and populations living in mountainous regions. In this context, the objectives of this work are (i) to identify the areas at risk to be impacted by rockfalls, rock avalanches and their potential cascading hazards, and (ii) to deepen fundamental knowledge on the processes predisposing, triggering, and propagating rockfalls or rock avalanches from permafrost rockwalls.We propose an integrated approach that links field observations, in-situ measurements, numerical modelling, and regional mapping of rockfalls and rock avalanches in permafrost contexts in the French Alps. To do so, we follow a multi-scale spatio-temporal approach, ranging from the regional scale (French Alps) to the local scale (slope), and considering past, current, and future cryospheric conditions (by the end of 21st century).At the regional scale, release areas maps show that unstable slopes could extend between 34 km² (scenario considering only the most unstable slopes) and 284 km² (most conservative scenario) under current permafrost conditions. Propagation maps shows that rockfalls (>100 m3) could reach between 472 km² to 586 km² depending on the chosen propagation scenario. Thus, between 53 and 90 lakes could potentially be impacted by rockfalls. Considering a +4°C warming of the rockwalls by the end of the 21st century, release areas would extend to 43.2 km², while propagation zones could reach between 196 km² and 245 km² depending on the propagation scenario. Thus, under future cryospheric conditions, 27 to 51 lakes could be in a rockfall path.At the site scale, we used an approach combining methods at different spatio-temporal scales to understand the thermal and hydrological processes involved in the triggering and propagation mechanisms of rock slope failures. The retro-analyses of two study cases located in the Étache valley (Savoie) and at the Grangettes ridge (Hautes Alpes) shows a warming of the permafrost since the 1990s, which has significantly intensified since the 2010s (e.g. up to +0.06°C/year at 30 m depth in the Étache valley). In the case of the Étache valley, the rock avalanche occurs in a context of transition from cold to temperate permafrost, and with water infiltration that may have led to high hydrostatic pressure and ice erosion in fractures. Investigations conducted at the Grangettes ridge show a warming of permafrost towards the melting point, which may have caused ice joint ruptures. These studies also highlight the difficulty of assessing the role of snow and water in the predisposing, triggering, and propagating mechanisms of slope instabilities.The results offer valuable insights for both the scientific community and stakeholders, facilitating a deeper understanding of the hazards associated with cryosphere degradation and contributing to the development of concrete solutions to support populations in addressing these challenges.Dans les Alpes françaises, la dégradation de la cryosphère se traduit en partie par le recul généralisé des glaciers et la dégradation du permafrost. Le retrait glaciaire peut conduire à la formation de nouveaux lacs, tandis que la dégradation du permafrost peut déstabiliser les parois rocheuses qui les surplombent. Dans ce contexte, des écroulements ou avalanches rocheuses peuvent générer des aléas en cascade, se propageant jusqu'au fond des vallées. L'anticipation de ces évènements aux effets parfois dévastateurs, constitue un véritable enjeu pour les acteurs et les populations des milieux montagnards. Face à ces défis sociétaux, les objectifs de ce travail doctoral sont (i) d'identifier les secteurs à risque en termes d'écroulements et d'avalanches rocheuses et des aléas en cascade qu'ils peuvent entrainer, et (ii) d'approfondir la connaissance fondamentale sur les processus physiques qui prédisposent, déclenchent, et propagent les écroulements ou avalanches rocheuses en contexte de permafrost.Nous proposons une approche intégrée qui fait le lien entre des observations de terrain, des mesures in-situ, de la modélisation numérique et de la cartographie des écroulements et avalanches rocheuses en contexte de permafrost dans les Alpes françaises. Nous suivons une logique multi-scalaire spatio-temporelle, allant de l'échelle régionale (Alpes françaises), à l'échelle locale (versant) ; en considérant les conditions environnementales passées, actuelles, et futures (horizon de la fin du 21ème siècle).A l'échelle régionale, la cartographie des zones de départ montre que les secteurs instables pourraient s'étendre entre 34 km² (scénario considérant uniquement les parois les plus instables) et 284 km² (scénario le plus conservateur) dans les conditions actuelles de permafrost, tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 472 km² à 586 km² selon le scénario de propagation choisi. Selon le scénario de propagation, entre 53 et 90 lacs pourraient être atteints par des potentiels écroulements rocheux. En considérant un réchauffement +4°C des parois d'ici la fin du 21ème siècle, les zones de départ s'étendraient sur 43,2 km², tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 196 km² et 245 km² selon le scénario de propagation. Ainsi, dans les conditions futures de la cryosphère, 27 à 51 lacs pourraient se trouver dans la trajectoire d'un écroulement rocheux.A l'échelle du site, notre approche combine des méthodes à différentes échelles spatio-temporelles afin de mieux comprendre les processus thermiques et hydrologiques impliqués dans les mécanismes de déclenchement et de propagation d'écroulements rocheux et d'avalanches rocheuses. La rétro-analyses de deux cas d'étude situés dans le vallon d'Etache (Savoie) et à la crête des Grangettes (Hautes Alpes) a révélé un réchauffement du permafrost depuis les années 1990 qui s'est accentué depuis les années 2010 (e.g. jusqu'à + 0.06 °C/an à 30 m de profondeur au vallon d'Étache). Dans le cas du vallon d'Étache, la déstabilisation du versant peut être attribuée à une transition entre un permafrost froid vers un permafrost tempéré, et à des infiltrations d'eau qui ont pu entraîner une augmentation de la pression hydrostatique et/ou participer à l'érosion de la glace dans les fractures. Les investigations menées à la Crête des Grangettes ont quant à elles montré un réchauffement du permafrost vers le point de fusion qui a pu entrainer une rupture des joints de glace. Ces études soulignent enfin la difficulté d'évaluer le rôle de la neige et de l'eau dans les mécanismes qui prédisposent, déclenchent et propagent mouvements de versants.Les résultats obtenus ont pour but de fournir, à terme, des informations précieuses pour la communauté scientifique et les acteurs du territoire, afin d'approfondir la compréhension des aléas liés à la dégradation de la cryosphère et de contribuer à mettre en œuvre des solutions concrètes pour aider les populations à y faire face

Mapping and modelling hazards related to the degradation of the cryosphere in the French Alps : A multiscale approach combining permafrost, glacial lake, and rockfall to contribute to the identification of areas at risk

Dans les Alpes françaises, la dégradation de la cryosphère se traduit en partie par le recul généralisé des glaciers et la dégradation du permafrost. Le retrait glaciaire peut conduire à la formation de nouveaux lacs, tandis que la dégradation du permafrost peut déstabiliser les parois rocheuses qui les surplombent. Dans ce contexte, des écroulements ou avalanches rocheuses peuvent générer des aléas en cascade, se propageant jusqu'au fond des vallées. L'anticipation de ces évènements aux effets parfois dévastateurs, constitue un véritable enjeu pour les acteurs et les populations des milieux montagnards. Face à ces défis sociétaux, les objectifs de ce travail doctoral sont (i) d'identifier les secteurs à risque en termes d'écroulements et d'avalanches rocheuses et des aléas en cascade qu'ils peuvent entrainer, et (ii) d'approfondir la connaissance fondamentale sur les processus physiques qui prédisposent, déclenchent, et propagent les écroulements ou avalanches rocheuses en contexte de permafrost.Nous proposons une approche intégrée qui fait le lien entre des observations de terrain, des mesures in-situ, de la modélisation numérique et de la cartographie des écroulements et avalanches rocheuses en contexte de permafrost dans les Alpes françaises. Nous suivons une logique multi-scalaire spatio-temporelle, allant de l'échelle régionale (Alpes françaises), à l'échelle locale (versant) ; en considérant les conditions environnementales passées, actuelles, et futures (horizon de la fin du 21ème siècle).A l'échelle régionale, la cartographie des zones de départ montre que les secteurs instables pourraient s'étendre entre 34 km² (scénario considérant uniquement les parois les plus instables) et 284 km² (scénario le plus conservateur) dans les conditions actuelles de permafrost, tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 472 km² à 586 km² selon le scénario de propagation choisi. Selon le scénario de propagation, entre 53 et 90 lacs pourraient être atteints par des potentiels écroulements rocheux. En considérant un réchauffement +4°C des parois d'ici la fin du 21ème siècle, les zones de départ s'étendraient sur 43,2 km², tandis que les zones de propagation pourraient atteindre entre 196 km² et 245 km² selon le scénario de propagation. Ainsi, dans les conditions futures de la cryosphère, 27 à 51 lacs pourraient se trouver dans la trajectoire d'un écroulement rocheux.A l'échelle du site, notre approche combine des méthodes à différentes échelles spatio-temporelles afin de mieux comprendre les processus thermiques et hydrologiques impliqués dans les mécanismes de déclenchement et de propagation d'écroulements rocheux et d'avalanches rocheuses. La rétro-analyses de deux cas d'étude situés dans le vallon d'Etache (Savoie) et à la crête des Grangettes (Hautes Alpes) a révélé un réchauffement du permafrost depuis les années 1990 qui s'est accentué depuis les années 2010 (e.g. jusqu'à + 0.06 °C/an à 30 m de profondeur au vallon d'Étache). Dans le cas du vallon d'Étache, la déstabilisation du versant peut être attribuée à une transition entre un permafrost froid vers un permafrost tempéré, et à des infiltrations d'eau qui ont pu entraîner une augmentation de la pression hydrostatique et/ou participer à l'érosion de la glace dans les fractures. Les investigations menées à la Crête des Grangettes ont quant à elles montré un réchauffement du permafrost vers le point de fusion qui a pu entrainer une rupture des joints de glace. Ces études soulignent enfin la difficulté d'évaluer le rôle de la neige et de l'eau dans les mécanismes qui prédisposent, déclenchent et propagent mouvements de versants.Les résultats obtenus ont pour but de fournir, à terme, des informations précieuses pour la communauté scientifique et les acteurs du territoire, afin d'approfondir la compréhension des aléas liés à la dégradation de la cryosphère et de contribuer à mettre en œuvre des solutions concrètes pour aider les populations à y faire face.In the French Alps, the degradation of the cryosphere partly results in glacier retreat and permafrost degradation. Glacier retreat can lead to the formation of new lakes, while permafrost degradation can cause rockwalls destabilisations. In this context, rockfalls and rock avalanches can generate cascading hazards, spreading down to the valley floors. Anticipating these events and their devastating effects, is a challenge for stakeholders and populations living in mountainous regions. In this context, the objectives of this work are (i) to identify the areas at risk to be impacted by rockfalls, rock avalanches and their potential cascading hazards, and (ii) to deepen fundamental knowledge on the processes predisposing, triggering, and propagating rockfalls or rock avalanches from permafrost rockwalls.We propose an integrated approach that links field observations, in-situ measurements, numerical modelling, and regional mapping of rockfalls and rock avalanches in permafrost contexts in the French Alps. To do so, we follow a multi-scale spatio-temporal approach, ranging from the regional scale (French Alps) to the local scale (slope), and considering past, current, and future cryospheric conditions (by the end of 21st century).At the regional scale, release areas maps show that unstable slopes could extend between 34 km² (scenario considering only the most unstable slopes) and 284 km² (most conservative scenario) under current permafrost conditions. Propagation maps shows that rockfalls (>100 m3) could reach between 472 km² to 586 km² depending on the chosen propagation scenario. Thus, between 53 and 90 lakes could potentially be impacted by rockfalls. Considering a +4°C warming of the rockwalls by the end of the 21st century, release areas would extend to 43.2 km², while propagation zones could reach between 196 km² and 245 km² depending on the propagation scenario. Thus, under future cryospheric conditions, 27 to 51 lakes could be in a rockfall path.At the site scale, we used an approach combining methods at different spatio-temporal scales to understand the thermal and hydrological processes involved in the triggering and propagation mechanisms of rock slope failures. The retro-analyses of two study cases located in the Étache valley (Savoie) and at the Grangettes ridge (Hautes Alpes) shows a warming of the permafrost since the 1990s, which has significantly intensified since the 2010s (e.g. up to +0.06°C/year at 30 m depth in the Étache valley). In the case of the Étache valley, the rock avalanche occurs in a context of transition from cold to temperate permafrost, and with water infiltration that may have led to high hydrostatic pressure and ice erosion in fractures. Investigations conducted at the Grangettes ridge show a warming of permafrost towards the melting point, which may have caused ice joint ruptures. These studies also highlight the difficulty of assessing the role of snow and water in the predisposing, triggering, and propagating mechanisms of slope instabilities.The results offer valuable insights for both the scientific community and stakeholders, facilitating a deeper understanding of the hazards associated with cryosphere degradation and contributing to the development of concrete solutions to support populations in addressing these challenges

Regards croisés sur les risques liés à la dégradation du permafrost de paroi : entre perception, observation, modélisation et anticipation de l'aléa

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Mapping release areas and mobility of rockfall and rock avalanches in the French Alps high mountain.: Modelling Rock Wall Permafrost to Understand Rock Slope Failure.

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Mapping potential release areas and runout path of rockfalls and rock avalanches in the French Alps

International audienceHigh mountain environments of the European Alps have been increasingly affected by rockfalls (V > 100 m3) over the past decades, in conjunction with the atmospheric warming and the resulting permafrost degradation. These processes, and their potential cascading effects, constitute a threat for population and infrastructure, especially in the frequented massifs such as those of the French Alps.The aim of this study is to characterize the distribution and propagation of rockfalls in order to map the potential release and deposit areas in the French Alps. To do so, we used a rockfalls database (>1000 events) that occurred in the Mont Blanc massif during the period 2007-2020. From this dataset, we analyze the topography and permafrost conditions the most prone to trigger a rockfall, considering the altitude, orientation, slope and MARST (Mean Annual Rock Surface Temperature) mapped with a statistical model. The topographic profile of rockfalls for which we know the precise deposit location is deeply analyzed to characterize the runout path according to the volume of the events. These results are then used to map potential release and deposit areas with a multicriteria approach in a GIS. These maps, combined with infrastructure or mountaineering routes, could be used to point out “hot spots” where more detailed analysis would be required to estimate the possible risks.This work aims to provide a baseline for future researches and for decision makers in short- and long-term planning to anticipate rockfall hazards at present and in the near future

IDENTIFICATION OF POTENTIAL FUTURE LAKES AND ASSOCIATED HAZARDS IN THE MONT BLANC MASSIF

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Modelling glaciers bed overdeepenings as sites for possible future lakes in deglaciating landscapes of the French Alps

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Mapping release and propagation areas of permafrost-related rock slope failures in the French Alps: A new methodological approach at regional scale

International audiencePermafrost-affected rockwalls are increasingly impacted by the effects of climate change and rising air temperature leading to rock slope failures, threatening human lives and infrastructure. Populations and policy makers need new methods to anticipate these potential hazards and their consequences.  The aim of this study was to propose a mapping approach of susceptible release areas of rock slope failures and resulting runout distances at a regional scale to identify hotspots for hazard assessment. To do so, we used an inventory of 1389 rock slope failures (volume > 102 m3) recorded in the Mont-Blanc massif from 2007 to 2019 and determined the topographical and permafrost conditions that are most prone to their triggering using a digital terrain model and a permafrost map. These conditions are used in a multi-criteria GIS approach to identify potential unstable slopes at the French Alps scale. Then, the potential release area map is used as input to map the runout of potential events, using a propagation model based on a normalised area dependant energy line principle. The resulting maps of release and propagation areas could be used to point out human assets and lakes which could be impacted by rock slope failure hazards. In this communication we will show how theses maps can be used to identify potential hotspots for a regional hazard assessment. This work is a first step to identify hot spots for a regional hazard assessment where more detailed analyses will be required to evaluate potential risks at a local scale

Cartographier des zones de départ d’écroulements rocheux dans des parois à permafrost et modéliser leur trajectoire à l’échelle régionale, application aux Alpes Françaises.

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