# Master Sciences de la terre et des planètes, Environnement (M1+M2) Module Cryosphère Le permafrost de montagneENS-PSL

Florence Magnin

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Florence Magnin. Master Sciences de la terre et des planètes, Environnement (M1+M2) Module Cryosphère Le permafrost de montagneENS-PSL. Master. France. 2020. hal-03413345

HAL Id: hal-03413345

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# Le permafrost de montagne

23 novembre 2020

Florence Magnin

Laboratoire EDYTEM (CNRS, Université Savoie Mont Blanc)

florence.magnin@univ-smb.fr

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Pic : J.C Bèche
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# Structure et objectifs du cours

1. Contexte historique et définitions

2. Formation, évolution et dynamiques du permafrost

3. Distribution et évolution du permafrost, de l'échelle globale à l'échelle locale

4. Spécificités du permafrost de montagne

5. Enjeux sociétaux du permafrost de montagne

6. Méthodes d'investigations

→ Acquérir une connaissance fondamentale sur le permafrost et ses spécificités en montagne

→ Comprendre les approches et questions de la géomorphologie périglaciaire

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Pic : J.C Bèche
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# 1. Contexte historique et définitions

1. Contexte historique et éléments de définition

2. Permafrost et géomorphologie

3. Dégradation du permafrost

# 2. Formation du permafrost

1. Bilan d'énergie

2. Formation de la glace du permafrost
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# 1. Contexte historique et définitions

## 1. Contexte historique et éléments de définition

* **Permafrost** : Contraction de « **Permanently** » et « **Frozen** » ➔ **Pergélisol** en français
Le terme a été publié pour la 1ère fois en 1943 par Siemon Muller (géologue, géotechnicien américain)

* **Périglaciaire** : milieu dans lequel l'influence du gel et du dégel est prédominante (Tricart, 1968)

* **Géomorphologie** : étude des formes et de l'évolution du relief (extra-)terrestre et des processus qui le façonnent

* **Géomorphologie périglaciaire** : concerne l'étude des processus de gel, de la glace souterraine associée et des formes de relief qui en résultent. Le permafrost occupe une position centrale mais non essentielle à sa définition (French, 2013).

* 1ères descriptions scientifiques dès le 19ème s. mais l'essor académique au 20ème s. notamment avec les projets industriels d'après-guerre

* 1ère conférence internationale sur le permafrost tenue en 1963 (USA)

* Premières publications scientifiques sur le permafrost des Alpes européennes fin 1960s – début 1970s

* Encore très peu enseigné en France et largement méconnu des citoyens français
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# 1. Contexte historique et définition

## 2. Permafrost et géomorphologie

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UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

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# 1. Contexte historique et définition

## 3. Dégradation du permafrost

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→ Dégradation du permafrost :
approfondissement de la couche active,
réduction de l'extension spatiale
≠ réchauffement du corps du permafrost

Sols structurés

Palses

Glaciers rocheux
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ENS

PSL

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# 2. Formation du permafrost

## 1. Bilan d'énergie

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CNRS laboratoire
edytem
environnements dynamiques territoires montagnes

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UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

### Le bilan d'énergie dépend :

- des variables atmosphériques

- des couvertures de surface

- des type de substrat

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Rayonnement de
courte longueur d'onde

Sol

Formation superficielle

Roche
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# 2. Formation du permafrost

## 2. Formation de la glace du permafrost

La présence de glace n'est pas nécessaire pour définir un terrain comme permafrost (définition basée sur la température) mais c'est sur elle que repose les enjeux sociétaux (cf. partie 5 de ce cours)

### Deux origines principales de la glace :

* **Sédimentation (1) :**
  recouvrement d'un névé ou glacier.

* **Congélation :**
  regel des eaux infiltrées avec deux
  processus possibles :

* **Ségrégation (2) (migration et regel de l'eau le long du front de gel, forme des lentilles de glace)**

* **Glace interstitielle (3) (granulométrie grossière, ciment de glace)**

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Photo: R. Delaloye (juin 2007)

1

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Photo: C. Lambiel

1

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Murton and Ballantyne, 2017

3

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Photo: C. Lambiel

2
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# 3. Distribution et évolution du permafrost

3.1. Distribution du permafrost dans l'hémisphère nord

3.2. Evolution du permafrost dans l'hémisphère nord

3.3. Distribution et évolution du permafrost dans l'hémisphère sud

3.4. Distribution du permafrost dans les Alpes Européennes
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# 3. Distribution et évolution du permafrost

## 1. Distribution dans l'hémisphère nord

* 1ère carte en 1997 puis rééditée 2019

* **Permafrost continu** : > 90 % de couverture
  → Température moyenne de l'air < -6 à -8°C

* **Permafrost discontinu** : 50 à 90 %
  → Température moyenne de l'air < -1°C

* **Permafrost sporadique** : 10 à 50 %

* **Permafrost isolé** : 0-10 %

* De 15 à 22% de la surface émergée de l'hémisphère nord (14 à 21×10⁶ km²) d'après la toute dernière estimation.

* Effet marqué de la continentalité
  → concurrence avec les glaciers actuels et passés

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Obu et al., 2019
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# 3. Distribution et évolution du permafrost

## 1. Distribution dans l'hémisphère nord

* Etendue des glaciers au dernier maximum glaciaire (≈ 20 000 ans BP)

* Niveau de la mer environ 100 m plus bas

* Le permafrost le plus profond actuellement correspond aux terrains non englacés lors du dernier maximum glaciaire

* Epaisseur maximale du permafrost de 1,5 km relevée en Sibérie orientale, du fait de l'absence de glaciers au cours de la dernière glaciation

http://www.glyfac.buffalo.edu

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# 3. Distribution et évolution du permafrost

## 2. Evolution dans l'hémisphère nord

Biskaborn et al., 2019

Entre 2007 et 2016 :

* Le permafrost continu a connu +0.39°C ± 0.15°C

* Le permafrost discontinu a connu +0.20°C ± 0.1°C

* En montagne (à l'échelle globale) : +0.19°C ± 0.05°C

→ La chaleur latente retarde le réchauffement et le permafrost de type chaud (entre -2°C et 0°C) qui caractérise souvent le permafrost discontinu et celui de montagne se réchauffe donc moins vite!

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UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

# 3. Distribution et évolution du permafrost

## 3. Distribution et évolution dans l'hémisphère sud

* Bien moins connu et suivi que celui de l'hémisphère nord : manque de forages, notamment dans les Andes

* Dans les Andes : enjeux majeurs pour la ressource en eau

Obu et al., 2019

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MAGT (°C) = Mean Annual Ground Temperature

### Entre 2007 et 2016 :

* Le permafrost d'Antarctique s'est réchauffé de $0.37°C \pm 0.1°C$
  (Biskaborn et al., 2019)
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## 3. Distribution et évolution du permafrost

## 4. Distribution dans les Alpes Européennes

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* Occupe 5 à 6% du territoire (6220 km²)

* Occupe une surface 3 fois plus importante que celle des glaciers

* De la même manière qu'à l'échelle mondiale, une partie du permafrost actuel est en partie héritée de la dernière glaciation. Il s'agit des nunataks, les sommets pointant au-dessus des glaciers

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Biskaborn, B.K, et al., 2019. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications 10, 264.
https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4

Boeckli, L., Brenning, A., Gruber, S., Noetzli, J., 2012. A statistical approach to modelling permafrost distribution in the European Alps or similar mountain ranges. The Cryosphere 6, 125–140. https://doi.org/10.5194/tc-6-125-2012

French, H.M., 2013. Introduction, in: The Periglacial Environment. John Wiley & Sons, Ltd, pp. 1–15.
https://doi.org/10.1002/9781118684931.ch1

Murton, J.B., Ballantyne, C.K., 2017. Chapter 5 Periglacial and permafrost ground models for Great Britain. Geological Society, London, Engineering Geology Special Publications 28, 501–597. https://doi.org/10.1144/EGSP28.5

Obu, J., Westermann, S., Bartsch, A., Berdnikov, N., Christiansen, H.H., Dashtseren, A., Delaloye, R., Elberling, B., Etzelmüller, B., Kholodov, A., Khomutov, A., Kääb, A., Leibman, M.O., Lewkowicz, A.G., Panda, S.K., Romanovsky, V., Way, R.G., Westergaard-Nielsen, A., Wu, T., Yamkhin, J., Zou, D., 2019. Northern Hemisphere permafrost map based on TTOP modelling for 2000–2016 at 1 km2 scale. Earth-Science Reviews 193, 299–316. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.04.023

Tricart, J., 1968. Periglacial landscapes, in: Geomorphology. Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 829–833.
https://doi.org/10.1007/3-540-31060-6_279
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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 4.1. Caractéristiques générales

4.1.1. Facteurs de contrôle

4.1.2. Le rôle central de la topographie

## 4.2. Permafrost de parois et substrat rocheux

4.2.1. Généralités sur le régime thermique

4.2.2. Spécificités du régime thermique

## 4.3. Glaciers rocheux

4.3.1. Définition et origine

4.3.2. Morphologies

4.3.3. Un indicateur du climat

## 4.4. Permafrost azonal

4.4.1. Eboulis froids

4.4.2. Glacières / Grottes de glace

## 4.5. Autres formes

4.5.1. Moraines à cœur de glace

4.5.2. Sols structurés

4.5.3. Formes associées au gel-degel
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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 1. Caractéristiques générales

### 1. Facteurs de contrôle

La distribution du permafrost de montagne dépend de l'imbrication de 3 facteurs agissant à des échelles spatiales différentes

Gruber, 2005
Gruber et Haeberli, 2009

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**Le climat :**

La température de l'air, les précipitations, le rayonnement solaire, la nébulosité....

**La topographie :**

Modifie le climat régional (redistribution des précipitations, du rayonnement solaire, du vent...) et les caractéristiques de la surface

**Les caractéristiques de la surface du terrain :**

L'enneigement, la végétation, les formations superficielles, etc., qui impactent localement le bilan d'énergie et les transferts de chaleur en profondeur.
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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 1. Caractéristiques générales

## 2. Le rôle centrale de la topographie

* Altitude et température de l'air

* Exposition et rayonnement solaire

* Pente et rayonnement solaire

* Pente et redistribution des matériaux (neige, débris)

* Pente et redistribution des masses d'air de subsurface (effet cheminée → l'air froid dense coule vers le bas et l'air chaud remonte)

* Pente et écoulement de l'eau de subsurface

→ Le permafrost de montagne est discontinu par nature : peut être présent < 1500 m dans des éboulis froid et absent > 3500 m dans les parois ensoleillées

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ENS

PSL

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 2. Permafrost de paroi et substrat rocheux

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### 1. Généralités sur le régime thermique

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Glacier suspendu :
Unique indicator of surface temperature

* Contact direct avec l'atmosphère

* Transferts thermiques principalement par conduction

* Peu de glace et donc peu de chaleur latente

Différence de température de surface entre les expositions nord et sud :
8°C à 45°N ; 4°C à 60°N ; 2°C à 69°N

Magnin et al., 2019

Limite inférieure du permafrost :

* 45°N (Alpes européennes) : 2500/3500 m en face nord/sud

* 60°N (sud de la Norvège) : 1400/1800 m en face nord/sud

* 69°N (nord de la Norvège) : 600/800 m en face nord/sud
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ENS

PSL

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 2. Permafrost de paroi et substrat rocheux

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CNRS
laboratoire
edytem
environnements dynamiques territoires montagnes

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UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

### 1. Spécificités sur le régime thermique

#### Effets de la neige sur le bilan d'énergie

* Modifie considérablement le bilan d'énergie avec des effets très variables selon l'épaisseur d'accumulation et l'exposition au rayonnement solaire des parois

* Réchauffe les faces nord (prédominance de l'effet isolant quand l'accumulation est suffisante (> 50-60 cm))

* Refroidit les faces sud (effet prédominant de l'albédo, notamment au printemps)

Hasler et al., 2011
Magnin et al., 2015

#### Processus thermiques dans les fractures

* Infiltration d'eau : advection de chaleur qui réchauffe

* Circulation d'air : convection qui refroidit

* Joints de glace : chaleur latente localement marquée

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 3. Glaciers rocheux

### 1. Définition et origine

* Un mélange de débris rocheux et de glace qui s'écoule (généralement de qq cm/an) sous l'effet de la gravité et du comportement visco-plastique de la glace

* Forme emblématique du permafrost de montagne (≠ glaciers couverts)

* Origine glaciaire (enfouissement de la glace de glacier) ou périglaciaire (éboulis riches en glace)

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<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>Glacier couvert</figcaption></figure>

Bodin, 2007
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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 3. Glaciers rocheux

## 2. Morphologies et régime thermique

La morphologie des glaciers rocheux est définie par :

- La topographie

- La géologie (production de débris)

- Le climat (alimentation en glace, température)

- Permafrost tempéré

- Très sensible à l'enneigement (caractère précoce ou tardif en hiver, durée au cours de l'année)

- Importance de la teneur en glace souvent élevée

Barsch, 1996

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En langue

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Racine

En spatule

Front

NPS photo

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En lobe
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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 3. Glaciers rocheux

### 3. Un indicateur du climat

En France, le service RTM a recensé 3261 glaciers rocheux dont 814 actifs, 671 inactifs, 1776 fossiles

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ENS

PSL

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 4. Permafrost azonal

### 1. Eboulis froids

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UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

Delaloye, 2004

Morard, 2011

Fenêtres de fonte sous l'effet cheminée

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 4. Permafrost azonal

## 2. Glacières / grottes de glace

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 5. Autres formes

### 1. Moraines à cœur de glace

French, 2013

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http://www.antarcticglaciers.org

### 2. Sols structurés

Plus commun dans les terrains polaires (plats) mais peut aussi se retrouver en montagne

<figure><img src="image_84.png" /><figcaption>Relique – Carpathes (Roumanie)</figcaption></figure>

Ph: P. Urdea

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# 4. Spécificités du permafrost en montagne

## 2. Autres formes

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<figure><img src="image_88.png" /></figure>

## 3. Formes associées au gel-dégel

Propres aux milieux périglaciaires (alternance gel-dégel) mais pas nécessairement associées au permafrost (gel permanent)

<figure><img src="image_89.png" /><figcaption>Loupes / Coulées de gélifluxion (Valais suisse)</figcaption></figure>

French, 2013

<figure><img src="image_90.png" /><figcaption>Cryoclastie (Islande)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_91.png" /></figure>
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<figure><img src="image_93.png" /></figure>

<figure><img src="image_94.png" /></figure>

Barsch, 1996. *Rock-glaciers:Indicators of the present and former geoecology in high mountain environments*. Springer, Berlin, 331 p.

Bodin, X. Géodynamique du pergélisol de montagne : fonctionnement, distribution, et évolution récente (...). L'exemple du massif du Combeynot (Hautes Alpes),
thèse de Doctorat, Université Paris Diderot Paris 7, 274 p

Delaloye, R., 2004. Contribution à l'étude du pergélisol de montagne en zone marginale. Thèse de Doctorat, Université de Fribourg, 240 p

French, H.M., 2013. The Periglacial Environment. John Wiley & Sons, Ltd, https://doi.org/10.1002/9781118684931.ch5

Gruber, S., 2005. Mountain permafrost: transient spatial modelling, model verification and the use of remote sensing, Thèse de Doctorat, Université de Zurich, 121 p.
https://doi.org/10.5167/uzh-18100

Gruber, S., Haeberli, W., 2009. Mountain Permafrost, in: Margesin, R. (Ed.), Permafrost Soils, Soil Biology. Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 33–44.

https://doi.org/10.1007/978-3-540-69371-0_3

Hasler, Andreas, Gruber, S., Font, M., Dubois, A., 2011. Advective Heat Transport in Frozen Rock Clefts: Conceptual Model, Laboratory Experiments and Numerical Simulation: Advective Heat Transport in Frozen Rock Clefts. Permafrost and Periglac. Process. 22, 378–389. https://doi.org/10.1002/ppp.737

Hasler, A., Gruber, S., Haeberli, W., 2011. Temperature variability and offset in steep alpine rock and ice faces. The Cryosphere 5, 977–988.

https://doi.org/10.5194/tc-5-977-2011

Lismonde, B., 2002. Aérologie des systèmes karstiques. CDS Isère, 362 p

Luetscher, M., 2005. Processes in ice caves : and their significance for paleoenvironmental reconstructions (Dissertation). Luetscher, Marc. Processes in ice caves : and their significance for paleoenvironmental reconstructions. 2005, University of Zurich, Faculty of Science. University of Zurich, La Chaux-de-Fonds.

https://doi.org/10.5167/uzh-163383

Magnin, F., Deline, P., Ravanel, L., Noetzli, J., Pogliotti, P., 2015. Thermal characteristics of permafrost in the steep alpine rock walls of the Aiguille du Midi (Mont Blanc Massif, 3842 m a.s.l). The Cryosphere 9, 109–121. https://doi.org/10.5194/tc-9-109-2015

Magnin, F., Etzelmüller, B., Westermann, S., Isaksen, K., Hilger, P., Hermanns, R.L., 2019. Permafrost distribution in steep slopes in Norway: measurements, statistical modelling and geomorphological implication. Earth Surface Dynamics Discussions 1–35. https://doi.org/10.5194/esurf-2018-90

Morard, S., 2011. Effets de la circulation d'air par effet de cheminée dans l'évolution du régime thermique des éboulis froids de basse et moyenne altitude. Thèse de Doctorat, Université de Fribourg, 224 p.

Noetzli, J., Gruber, S., Kohl, T., Salzmann, N., Haeberli, W., 2007. Three-dimensional distribution and evolution of permafrost temperatures in idealized high-mountain topography. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 112. https://doi.org/10.1029/2006JF000545
<figure><img src="image_95.png" /></figure>

<figure><img src="image_96.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

5.1. Propriétés mécaniques : généralités

5.2. Ecoulements rocheux et autres ruptures de versant

5.3. Impacts socio-économiques des instabilités de paroi

5.3.1. Atteintes directes des infrastructures

5.3.2. Modifications des pratiques de la haute montagne

5.4. Aléas en cascade

5.5. Surge (accélération) et rupture de glaciers rocheux

5.6. Dépressions et lacs thermokarstiques
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# 5. Enjeux sociétaux

## 1. Propriétés mécaniques : généralités

* Le comportement mécanique (contrainte-déformation) dépend principalement de la teneur en glace, mais aussi de la teneur en eau (surfusion), laquelle dépend en grande partie de la liaison granulaire et des caractéristiques du gel

* Du fait du caractère invisible de la glace du permafrost, ses propriétés mécaniques sont encore mal comprises, notamment car les propriétés physiques de la glace sont très variables et difficiles à définir

Arenson, 2007

<figure><img src="image_99.png" /></figure>
<figure><img src="image_100.png" /></figure>

<figure><img src="image_101.png" /></figure>

www.permasense.ch

Facteur de sécurité

<figure><img src="image_102.png" /></figure>

Facteur (ou
coefficient) de
sécurité :
résistance/contrainte

Davies et al., 2001

# 5. Enjeux sociétaux

## 2. Ecoulements rocheux et autres ruptures de versant

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Pic : J.C Bèche

<figure><img src="image_104.png" /></figure>

<figure><img src="image_105.png" /></figure>

<figure><img src="image_106.png" /></figure>

UNIVERSITÉ
SAVOIE
MONT BLANC

Altération mécanique
des « joints de glace » :
perte de lien, baisse de
la résistance au
cisaillement avec
l'élévation de la
température, rupture

<figure><img src="image_107.png" /></figure>
<figure><img src="image_108.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 2. Ecoulements rocheux et autres ruptures de versant

Un rôle certain mais mal compris :

* Des pressions hydrostatiques

* De la visco-plasticité des joints de glace

* Des liaisons granulaires aux interfaces roche-glace, roche-roche et glace-glace

**Shear force**

A. gravitational force

B. hydrostatic pressure

C. ice segregation

**Shear resistance**

force needed for

1. creep and fracture of **ice** itself

2. fracture along **rock-ice** contacts

3. friction along rock fractures (**rock-rock**)

4. fracture of rock bridges (**rock-rock**)

Krautblatter et al., 2013

<figure><img src="image_109.png" /></figure>

→ la baisse de la résistance des joints de glace et de la liaison roche – glace lors du réchauffement reste l'hypothèse la plus acceptée

<figure><img src="image_110.png" /></figure>

<figure><img src="image_111.png" /></figure>
<figure><img src="image_112.png" /></figure>

ENS

PSL

<figure><img src="image_113.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 2. Ecoulements rocheux et autres ruptures de versant

* Les types de **mouvements de masse** associés à la dégradation du permafrost sont variés : écoulements, glissements, avalanches rocheuses

<figure><img src="image_114.png" /></figure>

stuff.co.nz

<figure><img src="image_115.png" /></figure>

cnrs

laboratoire

edytem

environnements dynamiques territoires montagnes

<figure><img src="image_116.png" /></figure>

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<figure><img src="image_117.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 3. Impacts socio-économiques des instabilités de paroi

### 1. Atteintes directes des infrastructures

<figure><img src="image_118.png" /><figcaption>a</figcaption></figure>

Massif du Mont Blanc

Ravanel et al.,
2013

Refuge des Cosmiques
3613 m

<figure><img src="image_119.png" /><figcaption>b</figcaption></figure>

Massif du Mont Blanc

<figure><img src="image_120.png" /><figcaption>c</figcaption></figure>

PGHM

Implantation
hydro-
électrique

C. Taillard

<figure><img src="image_121.png" /><figcaption>d</figcaption></figure>

Nouvelle Zélande

http://www.stuff.co.nz

a. Ecroulement de Taconnaz en novembre 2018 menaçant une implantation hydroélectrique

b. Déstabilisation du refuge des Cosmiques suite à un écroulement en août 1998

c. Déstabilisation du bivouac des Périades suite à un écroulement en juillet 2019

d. Ensevelissement partiel d'un bivouac dans le secteur du Mont Cook en Nouvelle Zélande suite à un écroulement en juillet 2014
<figure><img src="image_122.png" /></figure>

ENS

PSL

<figure><img src="image_123.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 3. Impacts socio-économiques des instabilités de paroi

## 2. Modification des pratiques de la haute montagne

<figure><img src="image_124.png" /></figure>

<figure><img src="image_125.png" /></figure>

<figure><img src="image_126.png" /></figure>

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Les effets combinés du retrait glaciaire et de la dégradation du permafrost conduisent à :

* Une modification des pratiques de alpinisme : devient dangereux en été

* Une adaptation des guides en matière de saisonnalité de leur activité (report des activités de fin d'été sur l'hiver et diversification des activités).

<figure><img src="image_127.png" /><figcaption>Massif du Mont Blanc</figcaption></figure>

<figure><img src="image_128.png" /><figcaption>Massif des Ecrins</figcaption></figure>

a. Ecroulement du Pilier Bonatti aux Drus en juin 2005 (voie normale en rouge)

b. Ecroulement obstruant la voie normale de la Meije en août 2018 (voie normale en rouge)
<figure><img src="image_129.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 4. Aléas en cascade

Avalanche rocheuse du Piz Cengalo en août 2017 (Suisse)

→ impact du glacier sous-jacent → liquéfaction de la masse en mouvement

→ entrainement du matériel détritique (moraine à l'aval du glacier)

→ lave torrentielle dévastatrice

<figure><img src="image_130.png" /></figure>

• ≈ 100 personnes évacuées

• 8 morts

<figure><img src="image_131.png" /></figure>

<figure><img src="image_132.png" /><figcaption>Marcello Negrini</figcaption></figure>

Lien vers vidéo de l'avalanche rocheuse du Piz Cengalo en août 2017: https://www.geopraevent.ch/project/rockfall-and-debris-flow-monitoring-bondoval-bondasca/?lang=en
<figure><img src="image_133.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 4. Aléas en cascade

Avalanche rocheuse dans le fjord Karrat (Groenland) en juin 2017
→ vague de 100 m → tsunami sur plusieurs dizaines de km

<figure><img src="image_134.png" /><figcaption>Schiemier, 2017</figcaption></figure>

<figure><img src="image_135.png" /><figcaption>Oliina Angie K. Nielsen</figcaption></figure>

32 km plus loin

<figure><img src="image_136.png" /></figure>

Les « mégatsunamis » sont une menace tout à fait réelle qui ont fait des centaines voire milliers de morts dans les fjords de Norvège, Groenland, Alaska...
<figure><img src="image_137.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 5. Surge et rupture de glaciers rocheux

Accélération (surge → déplacement de plusieurs mètres/an) puis rupture du glacier rocheux de la Bérard en 2006 (vallée de l'Ubaye)

<figure><img src="image_138.png" /><figcaption>Figure 6 : Rupture du glacier rocheux du Berard (04) (source : J-M Krysiecki., 2008)</figcaption></figure>

Marcer et al., 2019

<figure><img src="image_139.png" /></figure>

<figure><img src="image_140.png" /></figure>

<figure><img src="image_141.png" /></figure>

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Des marques d'accélération dans le fluage sont visibles

<figure><img src="image_142.png" /></figure>
<figure><img src="image_143.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

## 5. Surge et rupture de glaciers rocheux

Rupture frontale du glacier rocheux du col du Lou (massif de la Vanoise) le 14 août 2015 et lave torrentielle

<figure><img src="image_144.png" /></figure>

Suite à 3 semaines de pluie
consécutives à une vague de
chaleur

<figure><img src="image_145.png" /></figure>

Ribeyre, 2016

<figure><img src="image_146.png" /></figure>
<figure><img src="image_147.png" /></figure>

# 5. Enjeux sociétaux

# 6. Dépressions et lacs thermokarstiques

<figure><img src="image_148.png" /></figure>

<figure><img src="image_149.png" /></figure>

<figure><img src="image_150.png" /></figure>

* **Thermokarst** : dépression qui résulte de la dégradation d'un permafrost roche en glace ou la fonte de glace massive, généralement de la glace de glacier enterrée qui subsiste grâce à des conditions de permafrost.

* **Lac thermokarstique** : se forme dans une formation thermokarstique, la présence de glace de subsurface forme un niveau imperméable

* Le fluage (1) et les thermokarsts (2) des terrains sur lesquels sont implantés les infrastructures provoquent des inclinaisons (a), des subsidences (2) et des fissures (2)

Duvillard et al., 2019

<figure><img src="image_151.png" /><figcaption>Massif de la Vanoise (Tignes et Val Thorens)</figcaption></figure>

Col de Vés (2014)

1

<figure><img src="image_152.png" /></figure>

Grand Fond (2014)

<figure><img src="image_153.png" /></figure>

Thorens (2016)
<figure><img src="image_154.png" /></figure>

## 5. Enjeux sociétaux
## 6. Vidange de lacs thermokarstiques

<figure><img src="image_155.png" /></figure>

* Exemple d'une vidange brutale du lac Chauvet (vallée de l'Ubaye) en juillet 2008 causant une crue torrentielle en aval). Ph: M. Peyron
<figure><img src="image_156.png" /></figure>

<figure><img src="image_157.png" /></figure>

Arenson, L.U., Springman, S.M., Sego, D.C., 2007. The Rheology of Frozen Soils. Applied Rheology 17, 12147–1. https://doi.org/10.1515/arh-2007-0003

Davies, M.C.R., Hamza, O., Harris, C., 2001. The effect of rise in mean annual temperature on the stability of rock slopes containing ice-filled discontinuities. Permafrost and Periglacial Processes 12, 137–144. https://doi.org/10.1002/ppp.378

Duvillard, P.-A., Ravanel, L., Marcer, M., Schoeneich, P., 2019. Recent evolution of damage to infrastructure on permafrost in the French Alps. Reg Environ Change. https://doi.org/10.1007/s10113-019-01465-z

Krautblatter, M., Funk, D., Günzel, F.K., 2013. Why permafrost rocks become unstable: a rock-ice-mechanical model in time and space. Earth Surface Processes and Landforms 38, 876–887. https://doi.org/10.1002/esp.3374

Marcer, M., Serrano, C., Brenning, A., Bodin, X., Goetz, J., Schoeneich, P., 2019. Evaluating the destabilization susceptibility of active rock glaciers in the French Alps. The Cryosphere 13, 141–155. https://doi.org/10.5194/tc-13-141-2019

Mourey, J., Marcuzzi, M., Ravanel, L., Pallandre, F., 2019. Effects of climate change on high Alpine mountain environments: Evolution of mountaineering routes in the Mont Blanc massif (Western Alps) over half a century. Arctic, Antarctic, and Alpine Research 51, 176–189. https://doi.org/10.1080/15230430.2019.1612216

Ravanel, L., Deline, P., Lambiel, C., Vincent, C., 2013. Instability of a High Alpine Rock Ridge: the Lower Arête Des Cosmiques, Mont Blanc Massif, France. Geografiska Annaler: Series A, Physical Geography 95, 51–66. https://doi.org/10.1111/geoa.12000

Ribeyre, C., 2016. La lave torrentielle du 24 août 2015 (Lanslevillars, Savoie): un cas de dégradation du pergélisol dans le contexte du réchauffement climatique? Étude de l'évolution des dynamiques du glacier-rocheux du col du Lou entre 1970 et 2016: approche par photogrammétrie. Mémoire de Master, Université Grenoble Alpes, 78 p.dumas-01520648

Schiermeier, Q., n.d. Huge landslide triggered rare Greenland mega-tsunami. Nature News. https://doi.org/10.1038/nature.2017.22374
<figure><img src="image_158.png" /></figure>

<figure><img src="image_159.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 6.1. Pour détecter le permafrost

6.1.1. *Bottom Snow Temperature*

6.1.2. Mesures de température in-situ

6.1.3. Mesures géophysiques

## 6.2. Pour suivre l'évolution du permafrost

6.2.1. Monitoring de la température dans les forages

6.2.2. Répétition de mesures géoélectriques

6.2.3. Suivi de la vécuité des glaciers rocheux

## 6.3. Modélisation statistique pour cartographier le permafrost

6.2.1. A partir d'inventaires de glaciers rocheux

6.2.2. A partir de mesures de température de surface

## 6.4. Modélisation numérique pour prédire l'évolution passée ou future

6.4.1. Bilan d'énergie

6.4.2. Simulation des transferts thermiques
<figure><img src="image_160.png" /></figure>

# 1. Bottom Snow Temperature

* Méthode développée dans les années 1970s dans les Alpes et qui consiste à mesurer la température à l'interface neige-terrain sous un manteau d'au moins 80-100 cm au milieu de l'hiver. Une règle générale à alors été établie :

- < -3°C : présence de permafrost probable

- de -3 à -2°C : présence de permafrost possible

- > -2°C : présence de permafrost improbable

# 6. Méthodes d'investigation

## 1. Pour détecter le permafrost

Haeberli, 1973

<figure><img src="image_161.png" /></figure>
<figure><img src="image_162.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 1. Pour détecter le permafrost

## 2. Mesures de température in-situ

* La méthode de détection la plus directe : mais au moins une année complète de mesure à pas de temps horaire est nécessaire

* Une température annuelle moyenne à la surface < 0°C indique la présence de permafrost

* Mais le plus évident reste une mesure en profondeur

<figure><img src="image_163.png" /></figure>

<figure><img src="image_164.png" /></figure>
<figure><img src="image_165.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 1. Pour détecter le permafrost

### 3. Sondages géophysiques

* Parmi les différentes méthodes géophysiques, la géoélectrique est la plus utilisée du fait d'une très haute résistivité de la glace

* La résistivité dépend de la lithologie, la porosité (teneur en eau/glace potentielle) et la température (état de l'eau)

<figure><img src="image_166.png" /></figure>

Kneisel et al., 2008
Magnin et al., 2015

<figure><img src="image_167.png" /></figure>

<figure><img src="image_168.png" /></figure>

<figure><img src="image_169.png" /></figure>
<figure><img src="image_170.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 2. Pour suivre l'évolution du permafrost

### 1. Monitoring de la température dans des forages

* La méthode de suivi la plus directe

* Il s'agit de suivre l'évolution de la profondeur de couche active (dégel saisonnier) et l'évolution de la température du corps du permafrost

<figure><img src="image_171.png" /><figcaption>Drilling a 10-m deep borehole on the top of Fuji volcano.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_172.png" /><figcaption>Forage à l'Aiguille du Midi</figcaption></figure>

<figure><img src="image_173.png" /></figure>

<figure><img src="image_174.png" /></figure>

<figure><img src="image_175.png" /></figure>

<figure><img src="image_176.png" /><figcaption>Evolution de la température à 20 m (BAMS, 2020)</figcaption></figure>
<figure><img src="image_177.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 2. Pour suivre l'évolution du permafrsot

### 1. Monitoring de la température dans des forages

Evolution de la couche active
au Schilthorn en Suisse (la
barre d'erreur situe la
profondeur des capteurs de
température entre lesquels est
interpolée la profondeur de la
couche active)

<figure><img src="image_178.png" /></figure>

PERMOS, 2019

<figure><img src="image_179.png" /></figure>

<figure><img src="image_180.png" /></figure>

<figure><img src="image_181.png" /></figure>

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<figure><img src="image_182.png" /></figure>

Evolution de la température
dans un forage à l'Aiguille du
Midi (massif du Mont Blanc)
<figure><img src="image_183.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 2. Pour suivre l'évolution du permafrsot

## 2. Répétition des mesures géoélectriques

* Un abaissement de la résistivité est associé à une augmentation de la température

<figure><img src="image_184.png" /></figure>

PERMOS, 2019
Mollaret et al., 2019

<figure><img src="image_185.png" /></figure>
<figure><img src="image_186.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 2. Pour suivre l'évolution du permafrsot

<figure><img src="image_187.png" /></figure>

<figure><img src="image_188.png" /></figure>

<figure><img src="image_189.png" /></figure>

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## 3. Suivi de la vitesse des glaciers rocheux

* Une augmentation de la vitesse est associé à un réchauffement de la glace interstitielle

* Plusieurs méthodes de suivi sont possibles : interférométrie radar différentielle (images satellitaires), GPS différentiel (mesures ponctuelles), photogrammétrie, laserscanning terrestre....

<figure><img src="image_190.png" /></figure>

<figure><img src="image_191.png" /></figure>

PERMOS, 2019
Strozzi et al., 2020

<figure><img src="image_192.png" /></figure>

<figure><img src="image_193.png" /></figure>
<figure><img src="image_194.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

# 3. Modélisation statistique pour cartographier le permafrost

# 1. A partir d'inventaires de glaciers rocheux

Boeckli et al., 2012

<figure><img src="image_195.png" /></figure>

Distribution des glaciers rocheux intacts (actifs et inactifs) et reliques en fonction de certaines variables topoclimatiques : MAAT (température annuelle moyenne de l'air), PISR : rayonnement solaire incident potentiel, PRECIP : précipitation, SEASONAL : saisonnalité des précipitations

Coefficients et statistiques calculés à partir d'un échantillon de d'environ 3500 glaciers rocheux et leurs conditions topoclimatiques

<table><thead><tr><th></th><th>Debris model 1</th><th>Debris model 2</th><th>Debris model 3</th></tr></thead><tbody><tr><td>Intercept</td><td>0.817 (0.192)***</td><td>0.821 (0.182)***</td><td>1.366 (0.320)***</td></tr><tr><td>MAAT [°C]</td><td>-0.906 (0.046)***</td><td>-0.882 (0.035)***</td><td>-0.885 (0.035)***</td></tr><tr><td>PISR [W m<sup>-2</sup>]</td><td>-0.007 (0.001)***</td><td>-0.007 (0.001)***</td><td>-0.007 (0.001)***</td></tr><tr><td>cPRECIP [mm]</td><td>0.001 (0.0002)***</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>SEASONAL</td><td>-</td><td>-</td><td>-0.391 (0.187)*</td></tr><tr><td>AUROC</td><td>0.91</td><td>0.90</td><td>0.90</td></tr><tr><td>AUROC<sub>cv</sub></td><td>0.91</td><td>0.91</td><td>0.90</td></tr><tr><td>Inventory-level standard deviation</td><td>0.212</td><td>0.413</td><td>0.442</td></tr><tr><td>Residual standard deviation</td><td>1.758</td><td>1.377</td><td>1.372</td></tr></tbody></table>

Significance of Wald test: * < 0.05, ** < 0.01, *** < 0.001

<figure><img src="image_196.png" /></figure>

Implémentation d'un modèle statistique dans un système d'information géographique pour cartographier le permafrost

<figure><img src="image_197.png" /></figure>

Blue: Permafrost in nearly all conditions

Purple: Permafrost mostly in cold conditions

Yellow: Permafrost only in very favorable conditions
<figure><img src="image_198.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 3. Modélisation statistique pour cartographier le permafrost

### 2. A partir de mesures de température de surface

**MARST-MAAT** : Température annuelle moyenne de surface -
Température moyenne annuelle de l'air (surface offset)

**PISR** : Rayonnement solaire incident potentiel

Température de
l'air (°C)

<figure><img src="image_199.png" /></figure>

Rayonnement
solaire (W.m⁻²)

<figure><img src="image_200.png" /></figure>

<figure><img src="image_201.png" /></figure>

Température
de surface (°C)
des pentes
> 40°

<figure><img src="image_202.png" /></figure>

<figure><img src="image_203.png" /></figure>

<figure><img src="image_204.png" /></figure>

<figure><img src="image_205.png" /></figure>

<figure><img src="image_206.png" /></figure>

MARST-MAAT [°C]

<figure><img src="image_207.png" /></figure>

PISR [Wm⁻²]

<figure><img src="image_208.png" /></figure>
<figure><img src="image_209.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

# 4. Modélisation numérique pour prédire l'évolution

## 1. Bilan d'énergie

* Très difficile à simuler dans les formations superficielles en raison de l'importance des processus de convection en d'advection agissant verticalement mais aussi latéralement

A) Steep rock Gruber, 2005

<figure><img src="image_210.png" /></figure>

* L<sub>in/out</sub>: Long-wave radiation (incoming/outgoing)

* S<sub>in/out</sub>: Short-wave radiation (incoming/outgoing)

* Q<sub>h</sub>: Sensible heat flux

* Q<sub>le</sub>: Latent heat flux

* Q<sub>g</sub>: Ground heat flux

* Q<sub>dg</sub>: Geothermal heat flux

* Q<sub>m</sub>: Melt heat flux

* Q<sub>a</sub>: Lateral advection of heat

B) Coarse blocky surface

<figure><img src="image_211.png" /></figure>

Haberkorn et al., 2016

<figure><img src="image_212.png" /></figure>

<figure><img src="image_213.png" /></figure>

<figure><img src="image_214.png" /></figure>

<figure><img src="image_215.png" /></figure>
<figure><img src="image_216.png" /></figure>

# 6. Méthodes d'investigation

## 4. Modélisation numérique pour prédire l'évolution

### 2. Simulation des transferts thermiques

* Très difficile à simuler dans les formations superficielles en raison de l'importance des processus de convection en d'advection agissant verticalement mais aussi latéralement

<figure><img src="image_217.png" /></figure>

<figure><img src="image_218.png" /></figure>

Magnin et al., 2017
<figure><img src="image_219.png" /></figure>

<figure><img src="image_220.png" /></figure>

<figure><img src="image_221.png" /></figure>

Biskaborn, B.K. et al., 2019. Permafrost is warming at a global scale. Nature Communications 10, 264. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08240-4

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Gruber, S., 2005. Mountain permafrost: transient spatial modelling, model verification and the use of remote sensing (Dissertation). Gruber, S. Mountain permafrost: transient spatial modelling, model verification and the use of remote sensing. 2005, University of Zurich, Faculty of Science. University of Zurich.
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