Landslides, fluid overpressure and incisions : geological caracterisation and modelling : the example of the Waitawhiti complex, New Zealand

Les glissements de terrain sont un des principaux facteurs d’érosion des chaînes de montagne. L’étude des facteurs de déclenchement et des paramètres contrôlant l’évolution des instabilités gravitaires est donc un enjeu très important dans la compréhension des processus de dénudation des reliefs et dans la prévention du risque naturel associé. De nombreuses instabilités gravitaires affectent la Chaîne Côtière de l’île du Nord de Nouvelle-Zélande. L’analyse détaillée du complexe glissé de Waitawhiti, situé au cœur du synclinal de Tawhero, a permis de mettre en évidence un mécanisme de glissement original dans ce domaine émergé de marge active. Les glissements du complexe sont bordés en bas de pente par des vallées profondément incisées, dont la direction est perpendiculaire à la direction de mouvement des glissements. Trois zones d’échappement de fluides, mettant en évidence la migration vers la surface de gaz thermogéniques, ont été découvertes dans la région. Ces fluides peuvent se trouver confinés à la base de niveaux silteux peu perméables, et ainsi entrer en régime de surpression. De telles surpressions réduisent de façon critique la résistance au cisaillement de ces niveaux peu perméables et facilitent alors le glissement de la couverture sus-jacente. De plus, les fortes incisions fluviatiles érodent les butoirs distaux et éliminent ainsi toute force résistant au mouvement en bas de pente des glissements.Des modélisations analogiques ont montré que la combinaison de surpressions de fluide et d’incision favorise le déclenchement de glissements, même le long de faibles pentes basales. Des failles normales se forment le long des flancs de la vallée, et se propagent ensuite de façon rétrogressive vers le haut de pente. L’étendue de la déformation augmente avec l’augmentation de la pression de fluide et/ou de l’angle de base. Nous avons également développé un modèle analytique de glissement afin de détailler les forces mises en jeu et l’impact de la pression de fluide sur l’évolution des glissements en l’absence d’un butoir distal. Les résultats analytiques montrent, à l’instar des modèles expérimentaux, que le mouvement peut être initié dans ce cas lorsque de faibles pressions sont appliquées à la base de la couverture potentiellement mobile. La longueur de glissement augmente quand la pression de fluide augmente.L’incision fluviatile conduisant à la mise à l’affleurement de niveaux soumis à des surpressions de fluide et dont la résistance au cisaillement est réduite, et à l’absence de résistance en bas de pente, est identifiée ici comme un facteur important de déclenchement d’instabilités gravitaires de grande ampleur.Landsliding is a major erosional factor in mountain ranges. The study of the triggering factors and of the parameters controlling the evolution of gravitational instabilities is therefore an important stake in the understanding of the processes leading to the denudation of reliefs and in the prevention of the associated natural hazard. Multiple gravitational instabilities affect the Coastal Ranges of the North Island of New Zealand. The detailed analysis of the Waitawhiti sliding complex, located in the core of the Tawhero syncline, permits to reveal an original sliding mechanism in this emerged active margin setting.In this complex, the landslides are bounded downslope by deep-incised valleys having directions perpendicular to the sliding directions. Three gas seeps, evidencing upward migration of thermogenic gases to the surface have been discovered in the area. These fluids might be confined at the base of low-permeability siltstone layers, and be overpressured. Such fluid overpressure critically decrease the shear strength of these low-permeability layers and facilitate sliding of the overlying cover. Furthermore, deep fluvial incisions erode downslope buttresses, therefore removing any force resisting sliding at the base of the slope.Analogue modelling show that combined fluid overpressure and incision promote sliding, even on low-angle basal slopes. Normal faults form on the valley flanks, and propagate retrogressively upslope. The extent of the deformation increases with increasing fluid pressure and/or basal slope angle. We have also developed an analytical model of gravity sliding in order to detail the forces in presence and the influence of fluid pressure on the evolution of landslides in the absence of any downslope buttress. The analytical results show, as observed in the experimental models, that sliding might be triggered in this case where low pressures are applied at the base of the potentially mobile cover. The sliding-sheet length increases with increasing fluid pressure.Fluvial incision, leading to the exposure of mechanically weak layers subjected to fluid overpressure and to the removal of the force resisting sliding at the base of the slope, is identified in this study as an important triggering factor for large-scale gravitational instabilities

Glissements de terrain, surpressions de fluide et incisions (caractérisation géologique et modélisation)

Les glissements de terrain sont un des principaux facteurs d érosion des chaînes de montagne. L étude des facteurs de déclenchement et des paramètres contrôlant l évolution des instabilités gravitaires est donc un enjeu très important dans la compréhension des processus de dénudation des reliefs et dans la prévention du risque naturel associé. De nombreuses instabilités gravitaires affectent la Chaîne Côtière de l île du Nord de Nouvelle-Zélande. L analyse détaillée du complexe glissé de Waitawhiti, situé au cœur du synclinal de Tawhero, a permis de mettre en évidence un mécanisme de glissement original dans ce domaine émergé de marge active. Les glissements du complexe sont bordés en bas de pente par des vallées profondément incisées, dont la direction est perpendiculaire à la direction de mouvement des glissements. Trois zones d échappement de fluides, mettant en évidence la migration vers la surface de gaz thermogéniques, ont été découvertes dans la région. Ces fluides peuvent se trouver confinés à la base de niveaux silteux peu perméables, et ainsi entrer en régime de surpression. De telles surpressions réduisent de façon critique la résistance au cisaillement de ces niveaux peu perméables et facilitent alors le glissement de la couverture sus-jacente. De plus, les fortes incisions fluviatiles érodent les butoirs distaux et éliminent ainsi toute force résistant au mouvement en bas de pente des glissements.Des modélisations analogiques ont montré que la combinaison de surpressions de fluide et d incision favorise le déclenchement de glissements, même le long de faibles pentes basales. Des failles normales se forment le long des flancs de la vallée, et se propagent ensuite de façon rétrogressive vers le haut de pente. L étendue de la déformation augmente avec l augmentation de la pression de fluide et/ou de l angle de base. Nous avons également développé un modèle analytique de glissement afin de détailler les forces mises en jeu et l impact de la pression de fluide sur l évolution des glissements en l absence d un butoir distal. Les résultats analytiques montrent, à l instar des modèles expérimentaux, que le mouvement peut être initié dans ce cas lorsque de faibles pressions sont appliquées à la base de la couverture potentiellement mobile. La longueur de glissement augmente quand la pression de fluide augmente.L incision fluviatile conduisant à la mise à l affleurement de niveaux soumis à des surpressions de fluide et dont la résistance au cisaillement est réduite, et à l absence de résistance en bas de pente, est identifiée ici comme un facteur important de déclenchement d instabilités gravitaires de grande ampleur.Landsliding is a major erosional factor in mountain ranges. The study of the triggering factors and of the parameters controlling the evolution of gravitational instabilities is therefore an important stake in the understanding of the processes leading to the denudation of reliefs and in the prevention of the associated natural hazard. Multiple gravitational instabilities affect the Coastal Ranges of the North Island of New Zealand. The detailed analysis of the Waitawhiti sliding complex, located in the core of the Tawhero syncline, permits to reveal an original sliding mechanism in this emerged active margin setting.In this complex, the landslides are bounded downslope by deep-incised valleys having directions perpendicular to the sliding directions. Three gas seeps, evidencing upward migration of thermogenic gases to the surface have been discovered in the area. These fluids might be confined at the base of low-permeability siltstone layers, and be overpressured. Such fluid overpressure critically decrease the shear strength of these low-permeability layers and facilitate sliding of the overlying cover. Furthermore, deep fluvial incisions erode downslope buttresses, therefore removing any force resisting sliding at the base of the slope.Analogue modelling show that combined fluid overpressure and incision promote sliding, even on low-angle basal slopes. Normal faults form on the valley flanks, and propagate retrogressively upslope. The extent of the deformation increases with increasing fluid pressure and/or basal slope angle. We have also developed an analytical model of gravity sliding in order to detail the forces in presence and the influence of fluid pressure on the evolution of landslides in the absence of any downslope buttress. The analytical results show, as observed in the experimental models, that sliding might be triggered in this case where low pressures are applied at the base of the potentially mobile cover. The sliding-sheet length increases with increasing fluid pressure.Fluvial incision, leading to the exposure of mechanically weak layers subjected to fluid overpressure and to the removal of the force resisting sliding at the base of the slope, is identified in this study as an important triggering factor for large-scale gravitational instabilities.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

The Coulomb critical taper theory applied to gravitational instabilities

International audienceThe critical Coulomb wedge theory has been widely applied to the structural evolution of accretionary wedges and fold and thrust belts, but it also predicts the spreading of a wedge under gravity. This solution may be applied to the formation of gravitational spreading and gliding along passive margins, where elevated porefluid pressure is common. Following the initial hypotheses of the theory, we provide an alternative expression of the exact solution for a noncohesive wedge, better suited to slope instabilities. Our formulation allows a direct calculation of the fluid pressure required for the system to deform and predicts two kinds of gravitational deformation: shallow slumping and/or deep gravitational spreading rooting on the basal detachment. To verify the predictions of the model, we performed scaled experiments with pore pressure under conditions close to the critical taper hypotheses. The good agreement between our experimental results and the theory confirms the applicability of the critical taper model to the formation of gravitational structures in sedimentary wedges subjected to pore fluid pressure

Geostatistical analyses of fluvial deposits in valleys: a lever for the restoration large river systems

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Bi-assisted nucleation of GaAs grown on 5°off (001) silicon substrates by molecular beam epitaxy

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Structural consequences of cohesion in gravitational instabilities triggered by fluid overpressure: Analytical derivation and experimental testing

International audienceThe critical taper theory of Coulomb wedges has been classically applied to compressive regimes (accretionary prisms/fold-and-thrust belts), and more recently to gravitational instabilities. Following the initial hypothesis of the theory, we provide an alternative expression of the exact solution for a non-cohesive wedge by considering the balance of forces applied to the external surfaces. Then, we use this approach to derive a solution for the case of cohesive wedges. We show that cohesion has conspicuous structural effects, including a minimum length required for sliding and the formation of listric faults. The stabilizing effect of cohesion is accentuated in the foremost thin domain of the wedge, defining a required Minimum Failure Length (MFL), and producing sliding of a rigid mass above the detachment. This MFL decreases with less cohesion, a smaller coefficient of internal friction, larger fluid overpressure ratio, and steeper upper and basal surfaces for the wedge. Listricity of the normal faults depends on the fluid overpressure magnitude within the wedge. For moderate fluid overpressure, normal faults are curved close to the surface, and become straight at depth. In contrast, where fluid overpressure exceeds a critical value corresponding to the fluid pressure required to destabilize the surface of a noncohesive wedge, the state of stress changes and rotates at depth. The faults are straight close to the surface and listric at depth, becoming parallel to the upper surface if the wedge is thick enough. We tested some of these structural effects of a cohesive wedge on gravitational instabilities using analogue models where cohesive material was subjected to pore-fluid pressure. The shape of the faults obtained in the models is consistent with the predictions of the theory

Gravitational instabilities triggered by fluid overpressure and downslope incision – Insights from analytical and analogue modelling

International audienceFluid overpressure at the base of low-permeability strata reduces effective stress, allowing for gravitational sliding of the overlying cover. The force driving sliding is the slope-parallel component of the weight of the cover, whereas the resisting forces are the friction at the base of the cover and the buttressing resistance to shortening, which can be critically reduced by incision at the base of the slope. We developed an analytical model and undertook a series of analogue experiments to better understand the evolution of a sedimentary cover sliding above a low-permeability layer subjected to fluid overpressure. Where a downslope buttress was present, the sliding sheet length decreased with increasing pore-fluid pressure. In the absence of such buttress, the slide's length increased exponentially with increasing pore-fluid pressure. Another important difference dealt with geometry and kinematics. Buttressed slides consisted of one large slope-parallel mass rigidly translated and bounded by downslope thrusts and upslope normal faults. With increasing pore-fluid pressure, the contractional structures propagated upslope. By contrast, non-buttressed slides showed intense strain: deformation started with normal faults forming near the incision, then propagating upslope throughout the slide's evolution

Le remplissage sédimentaire des plaines alluviales: un levier pour la restauration de la Loire et de ses affluents.

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Le remplissage sédimentaire des plaines alluviales: un levier pour la restauration de la Loire et de ses affluents.

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