Les forages dans le permafrost permettent d’obtenir une représentation exacte de la composition du sous-sol. Ils sont utilisés pour vérifier les hypothèses émises au travers des autres méthodes d’investigation comme la géophysique.

La méthode du marteau fond de trou (MFT) est décrite ici. Le forage avance avec un marteau à percussion qui détruit le matériel en avançant. Les débris – cuttings – sont remontés à la surface par de l’air comprimé et peuvent être récupérés pour analyse. Le processus est destructif et l’analyse des cuttings est un exercice difficile. Le MFT à l’avantage d’être rapide.

D'autres équipes ont en général carottés ce qui permet de ramener à la surface, si plusieurs précautions sont prises, des échantillons bien conservés (Arenson et Springman 2005).

• But :
  • Trouver la profondeur du toit du bedrock.
  • Déterminer le taux de glace dans le sous-sol.
  • Installer du matériel de mesure dans les forages (inclinomètres, balises d'ablation).
  • Calibrer la géophysique.
• Quand : Après les campagnes de géophysiques.
• Résultat :
  • Logs de forages.
  • Représentation synthétique de la composition du sous-sol.
• Prérequis :
  • Géophysique
  • Mesures de déplacement
  • Géomorphométrie et cartographie
• Utile pour : Calculer les volumes

• Diamètres de forage : Ø 145mm avec tubage à l’avancement, Ø 90mm et Ø 115mm pour le forage au marteau libre.
• Pas besoin de tubage une fois que les terrains sont glacés.
• Pour faciliter l'analyse de couches du sous-sol utiliser une caméra pour visionner les parois du forage. Un nettoyage du trou est nécessaire.
• Hélicoptère nécessaire pour déplacer le matériel sur ce type de terrain. 6 à 7 rotations nécessaires par forage.
• L’implantation des forages est basée sur :
  • les profils de géophysiques (pour la calibration),
  • la probabilité de trouver de la glace selon les différentes analyses préliminaires,
  • les possibilités d’équipement,
  • déterminer la présence de glace et du toit du bedrock à la rupture de pente.

Les cuttings sont récupérés à la sortie du forage. Pour chaque tige, un échantillon est conservé dans une boîte en plastique.

Le taux de glace dans les cuttings est estimé à l’œil.

Le temps de forage nécessaire pour une tige est chronométré.

Le feeling du foreur est important car il sent les réactions de la foreuse selon les matériaux traversés. Tous ces éléments doivent être combinés pour décrire et interpréter les couches du sous-sol.

• Formation de bouchons de limons et argiles glacés sur la tige de forage, empêchant la remontée des cuttings et stoppant l'avancée du forage. De la mousse de forage est utilisée pour aider la remontée des cuttings et empêcher la formation de bouchons.
• Pour éviter que du matériel reste bloqué dans le forage en raison des déplacements du terrain et du froid, il a été décidé de réalise les percements en une journée, en effet certains forages se sont bouchés en moins d’une heure après le retrait du train de tiges. Cette décision peut conduire à terminer un forage sans avoir toutes les garanties d’avoir touché le bedrock.
• L’utilisation de mousse de forage rend l’analyse des cuttings difficile, voire impossible.
• Difficulté pour faire la différence entre un éboulis grossier compact et le bedrock fissuré en analysant seulement les cuttings. La caméra résout ce problème.
• En comparant les estimations du taux de glace dans les cuttings et les images vidéo il apparait que les estimations de glace sont sous-estimées lorsqu’il y a beaucoup de matériaux fins.

Garder la possibilité de réaliser des carottes pour lever le doute dans les terrains où l’analyse des cuttings n’est pas suffisante.

Le marteau a gelé à plusieurs reprises. Ce problème a été résolu en utilisant de la mousse de forage qui facilite la remontée des cuttings, empêche l'agglomération des limons et des argiles et nettoie la tige.

Figure 5.1 Bouchon de matériaux glacés sur le marteau de forage (à droite). Mousse empêchant la formation d'un “cake” de glace.

D'autres difficultés apparaissent lorsque le forage traverse des terrains aérés en profondeur. L'air comprimé s'échappe dans les cavités et l'avancement du forage est ralenti.

Les informations pouvant être extraites des forages n’est représentative que pour un faible périmètre autour du trou. Il est en effet apparu, au “Glacier” Bonnard, une très forte hétérogénéité entre les forages, même proches. La coupe synthétique du sous-sol ci dessous illustre cette variabilité et doit nous inciter à la prudence lors de l'extrapolation des résultats.

Figure 5.2 Répartition des terrains et de leur association au glacier Bonnard. Les pentes sont partiellement respectées, mais il n’y a pas d’échelle continue en X. L’échelle en Z (Profondeur) est, elle, respectée.

L’inclinomètre permet de mesurer la déformation verticale le long d’un forage. En équipant le trou du forage d’un tube en pvc munis de deux rainures, il est possible de descendre une sonde inclinométrique qui mesure l’angle d’inclinaison du tube. Ces angles sont ensuite convertis en déplacement. Il est ainsi possible d’obtenir une représentation du mouvement des couches du sous-sol.

• But : Déterminer les mouvements des couches du sous-sol. En particulier mettre en évidence les plans de cisaillement/glissement.
• Quand : A la fin d’un forage, avant qu’il ne se rebouche.
• Résultat : Un profil vertical des déformations dans le forage avec la localisation précise des plans de cisaillement.
• Prérequis : Forage
• Utile pour :
  • Calibrer la sismique réfraction et réflexion.
  • Calculer les volumes.

• Tube inclinométrique en PVC à 4 bossages
• Inclinomètre Digitilt® fabriqué par DGSI

Les mesures des inclinomètres sont converties en déplacement cumulés le long de l’axe vertical. Les plans des cisaillements sont interprétés ensuite.

Les inclinomètres de Ø 85 mm n’ont pas pu être installé dans les forages de Ø 90 mm.

• Pour orienter correctement les tubes lors de la pose (alignement du bossage avec l'axe de déformation) il est nécessaire d'estimer les ces derniers à partir des vitesses de surface.
• Garder une marge de sécurité lors du choix du Ø de forage par rapport au Ø du tube. Si les Ø sont trop proche la mise en place devient difficile.
• Prévoir du matériel (sable ou bentonite) pour pouvoir sceller le tube inclinométrique contre les parois du forage pour éviter de mesurer des déformations du tube au lieu des déformations du terrain.
• Bien marquer l’emplacement des forages avec des témoins visuels suffisamment longs, capables d’être aperçu même avec une épaisse couverture de neige.
• Estimer les déplacements à partir des vitesses de surface pour réaliser la 2ème mesure avant le cisaillement des tubes.
• Relever la position du forage avec précision pour pouvoir continuer l'analyse des déformations même après le cisaillement du tube.

La fonte de la glace sur l’axe verticale peut-être mesurée en relevant la différence de niveau le long de tubes posés dans les forages à des moments différents.

• But : Mesurer la fonte verticale.
• Quand : Après le percement d'un forage.
• Résultat : Pour chaque point mesuré, la perte de glace due à la fonte.
• Prérequis : Forage
• Utile pour :
  • Volume d'ablation de la glace.
  • Prévisions à moyen et court terme sur l'évolution du système étudié.

• Installer un tube PVC dans le forage ou mesurer l’ablation sur les tubes inclinométriques.
• Marquer un point de mesure de référence à la surface lorsque la surface est irrégulière (couverture de blocs).

Il n’y a pas de traitement à réaliser sur les mesures. Si la densité de mesure est suffisante une spatialisation de l'information peut être réalisée et un bilan de masse esquissé (par ex. Valla et al. 1999).

L'erreur sur la mesure peut être grande, les blocs de référence en surface et le tube dans le sous-sol pouvant bouger sans représenter la fonte de la glace.

L’ablation peut être mesurée sur toute la surface en soustrayant deux MNT de haute précision/résolution pris à deux moments différents.