Dossier expert sur les cavités souterraines

Les différents types de cavités

Notre sous-sol est traversé par un nombre considérable de cavités souterraines, naturelles ou liées aux activités humaines (173 800 cavités recensées à ce jour).

Cavités naturelles

La majorité des cavités naturelles sont créées par la dissolution des roches sédimentaires due à la circulation de l’eau formant des cavités de tailles très variables. On distingue trois types de cavités naturelles : les cavités de dissolution, les cavités de suffosion, et les cavités volcaniques.

• Les cavités de dissolution

Les cavités de dissolution, ou cavités karstiques, peuvent constituer un réseau de boyaux et de salles. Les plus grands réseaux s’étendent sur plusieurs kilomètres et les plus grandes salles sont hautes de plusieurs dizaines de mètres et couvrent plusieurs dizaines de mètres carrés. Ils résultent de la dissolution des roches alcalines souterraines par les eaux d'infiltration que leur charge en gaz carbonique rend légèrement acides. Ces « karsts » peuvent être vides, noyés ou obstrués/comblés par des sédimentations secondaires.

La dissolution est un processus dont les effets diffèrent en fonction des milieux. Dans le calcaire, c'est un long processus évolutif à l’échelle de temps géologique. Au contraire, dans le gypse, la vitesse de dissolution est bien plus rapide et une cavité est susceptible d’évoluer à l’échelle décennale, en particulier dans le cas de reprise de circulations d’eau. Dans le sel, l’évolution peut être encore plus rapide.

• Les cavités de suffosion

Les cavités de suffosion sont des cavités de plus petites dimensions, pouvant atteindre plusieurs m³. Formées par l'érosion due à la circulation de l'eau, les cavités de suffosion se développent particulièrement dans les formations sédimentaires meubles.

• Les cavités volcaniques

Comme les cavités karstiques, les cavités volcaniques sont constituées de boyaux et de salles. En revanche, elles sont de dimensions plus modestes et ne présentent pas d’évolution dans le temps du volume du vide, une fois l’activité volcanique terminée.

Cavités anthropiques

Les cavités anthropiques, c’est-à-dire d’origine humaine, sont multiples : des carrières (essentiellement à faible profondeur, de 5 à 50 mètres), des caves troglodytiques (à flanc de coteaux), des caves (en zones bâties), ainsi que des ouvrages militaires.

• Les carrières

Développées pour l'exploitation des matières premières minérales (pour la construction, l’industrie ou l’agriculture), les carrières sont à l'origine de cavités souterraines d'une surface parfois importante (jusqu'à plusieurs dizaines d’hectares) ou centrées autour d’un puits (par exemple dans le cas des marnières). Généralement situées à une profondeur comprise entre 5 et 50 mètres (parfois moins de 5 mètres en Gironde), les cavités souterraines issues de carrières peuvent localement atteindre 60 à 70 mètres dans certaines exploitations de craie (aux environs de Meudon et en Normandie) et de gypse (dans le Bassin de Paris, la Provence ou le Jura) et exceptionnellement plus d’une centaine de mètres pour certaines exploitations de roches dures situées à flanc de montagne dans le Jura, les Pyrénées et les Alpes.

• Les installations troglodytiques et les caves

Creusées pour des besoins de remisage, de stockage (caves vinicoles), d'activité industrielle (hors carrière) ou agricole, d'habitat, ou d'aménagement d’installations à usage collectif (églises, fours, pressoirs, etc.), les installations troglodytiques et les caves sont généralement proches de la surface et d'une superficie généralement limitée à 1 ou 2 pièces.

• Les ouvrages militaires enterrés (sapes, tranchées et galeries)

Creusés pour des besoins militaires (abri des troupes, pénétration des lignes ennemies), ces ouvrages (tranchées, galeries d'accès, salles souterraines) se situent en général dans des zones à topographie relativement plate. Si l’histoire et les archives nous indiquent les régions potentiellement affectées et permettent de localiser une partie des ouvrages, leur emplacement précis n’est le plus souvent pas connu. Répartis en véritables réseaux, ils étaient reliés entre eux d’une façon difficilement repérable.

Origines et conséquences des phénomènes associés

La présence d’une cavité engendre la modification de l’équilibre des éléments dans le sol. Pour tous les types de cavités, des dégradations sont à prévoir en raison de la diminution progressive de la résistance mécanique du matériau encaissant. Les cavités souterraines et les désordres qu’elles sont susceptibles d’entraîner constituent un risque majeur pour les aménagements et parfois pour la vie humaine.

Les affaissements

Un affaissement est une déformation souple, sans rupture et progressive de la surface du sol se traduisant par une dépression en forme de cuvette, généralement à fond plat, et sur des terrains plutôt élastiques qui vont supporter la déformation sans rompre.

Ce type de désordre se développe parfois sur plusieurs hectares au droit de vastes carrières ou mines. Il s’agit souvent d’un phénomène symptomatique des carrières souterraines soit mal remblayées soit, lorsqu’elles sont profondes, recouvertes par des formations "souples".

Généralement, ce ne sont pas tant les affaissements à proprement parler (déplacements verticaux) qui affectent les bâtiments et infrastructures de surface, mais plutôt les déformations du sol (déplacements horizontaux, flexions, etc.)

Si des désordres sensibles peuvent affecter le bâti et les infrastructures (notamment les réseaux enterrés) présents dans l’emprise des cavités, les affaissements de surface ne présentent que très exceptionnellement et souvent indirectement un danger pour les personnes en raison de la progressivité du phénomène.

Illustration animée schématique d'un affaissement © BRGM

Les effondrements localisés

Un effondrement localisé se manifeste classiquement par l’apparition soudaine d’un cratère d’effondrement dont l’extension varie de moins d’un mètre de diamètre à quelques dizaines de mètres au maximum. Plusieurs phénomènes peuvent être à l'origine de ce type de désordre en surface : la remontée de cloche de fontis, le débourrage, et la suffosion.

• La remontée de cloche de fontis

Effondrement brutal et localisé se manifestant sous la forme d’un entonnoir ou d’un cratère, le fontis est le plus souvent provoqué par la remontée, plus ou moins lente, d'une cloche de vide vers la surface à la suite de la rupture du toit d’une cavité.

Illustration animée schématique d’une remontée de fontis à partir d’un karst © BRGM

Ce phénomène peut être à l’origine de dégâts importants aux ouvrages et de victimes en raison de la rapidité et des dimensions du phénomène.

• Le débourrage

Le plus souvent provoqué par des circulations d’eau massive, le débourrage correspond à l’entraînement gravitaire du matériau de comblement d’une cavité :

> poche d’argile dans une cheminée ou une fissure karstique ;

> bouchon remblayé d’un puits de marnière ou de carrière.

Ce phénomène peut conduire à l’apparition, brutale ou progressive, d’un vide en surface, généralement d’assez petite dimension (quelques m²). Il touche particulièrement les réseaux naturels de circulation d'eaux souterraines développés dans les massifs calcaires (réseaux karstiques). En effet, lors de précipitations importantes, la circulation d’eau dans les fissures et les cheminées karstiques incite au débourrage des matériaux de comblement de ces cavités.

 

lllustration animée schématique d’un débourrage dans un réseau karstique © BRGM

Les opérations de remblayage consécutives à la fin de l'exploitation de carrières et de marnières se limitent souvent aux puits, laissant les galeries et chambres d’exploitation souterraines vides. Avec ou sans action de l’eau, le remblai présent dans les puits dispose ainsi d’un vide dans lequel il est susceptible de débourrer. Ainsi, il arrive que des puits pourtant bouchés par le passé réapparaissent en surface, sous la forme d'effondrements localisés.

 

• La suffosion

Phénomène d’érosion interne, la suffosion affecte principalement les sables et les limons. Causée par des circulations rapides d’eau interstitielle, elle provoque le développement de boyaux de diamètre décimétrique par entraînement des particules fines dans la masse du sol. Lorsque la taille de ces vides devient trop importante, des effondrements brutaux de terrain peuvent localement survenir entraînant souvent des désordres en surface. La suffosion peut être provoquée par une circulation naturelle d’eau, mais elle est plus fréquente au droit de canalisations enterrées fuyardes.

Les effondrements généralisés

Les effondrements généralisés, également appelés effondrements en masse, se traduisent par un abaissement à la fois violent et spontané de la surface sur parfois plusieurs hectares et plusieurs mètres de profondeur, tout le terrain au-dessus de la cavité s’effondrant d’un coup. Généralement associés aux carrières présentant une extension latérale importante, les effondrements généralisés sont le plus souvent initiés par une rupture en chaîne des piliers de l’exploitation, le toit (plafond) descendant alors en masse.

Ils supposent l’existence d’une zone d’exploitation avec des taux de défruitement (rapport de la surface des vides à la surface totale) élevés, des volumes de vides importants et des configurations d’exploitation fragiles (piliers sous-dimensionnés, élancement important, etc.).

Ces phénomènes, heureusement exceptionnels, sont susceptibles de générer des conséquences très dommageables pour les personnes et les biens situés dans leur emprise car la répercussion du désordre en surface se fait généralement de manière soudaine et brutale.

Illustration animée schématique d’un effondrement généralisé © BRGM

Plus de 500 000 cavités recensées (hors mines) parsèment le sous-sol français. Toutes les régions françaises sont concernées par ce risque.

Cependant, selon la nature des sols, la répartition des cavités varie, qu’elles soient d’origine naturelle (formation de réseaux karstiques dans les calcaires du Sud de la France par exemple) ou dues aux activités humaines (anciennes carrières d’exploitation, creusement de caves pour le stockage de vin dans le Val de Loire, exploitation de la craie à des fins d’amendement des terres agricoles en Normandie, etc.).

L’inventaire, la détection et la caractérisation des cavités permettent de les localiser, d’évaluer leur degré de fragilité et d’anticiper d’éventuelles dégradations pouvant remonter jusqu’en surface.

Exposition du territoire

Toutes les régions françaises recèlent des cavités souterraines. Toutefois, du fait de la nature de leur sous-sol (granites, schistes, grès…), les régions de socles géologiques anciens (Bretagne, Auvergne, Morvan, Corse, Vosges et Ardennes) sont moins pourvues en cavités non minières (les mines métalliques y étant nombreuses).

Les cavités souterraines non minières ont une répartition privilégiant certains territoires :

• carrières : Ile-de-France (4 700 ha environ sous minés), Hauts-de-France (2 000 ha rien que pour le département du Nord) Nouvelle-Aquitaine (dont 2 000 ha en Gironde), Normandie ;
• marnières (carrières de craie pour l’amendement) : la Normandie présenterait environ 120 000 marnières selon les services de l’État ;
•  caves : le Val de Loire comporte plusieurs milliers de caves ayant servi de champignonnières, de caves à vins ou d’habitations troglodytiques ;
• sapes de guerre : les lignes de front successives de la première guerre mondiale ont conduit à laisser plusieurs milliers de sapes de guerre dans les Hauts-de-France ;
• cavités naturelles : les grands massifs calcaires du Jura, des Alpes, des Pyrénées, et de la bordure Sud du Massif Central (Ardèche, Cévennes, Causses) contiennent plusieurs dizaines de milliers de cavités karstiques.

La base de données Cavités

Afin de recenser, localiser et décrire ces cavités souterraines, l’État a confié au Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) l’établissement d’une base de données nationale. Département par département, la base de données Cavités recense les cavités souterraines abandonnées (hors mines) sur l’ensemble du territoire hexagonal et met à disposition les informations de base permettant l’étude des phénomènes liés aux cavités. Elle est accessible dans la rubrique « données » de Géorisques. Il est possible de télécharger l’inventaire complet par département ou de faire une recherche par identifiant de la cavité.

Qu’il s’agisse de vides naturels ou anthropiques (dans des anciennes carrières), l’État met en œuvre une politique de prévention des risques liés aux cavités souterraines. La protection des populations et la gestion des terrains exposés à ces risques constituent l’une des préoccupations fortes des services de l’État dans les politiques de prévention relatives aux risques naturels majeurs.

Qu’il s’agisse de vides naturels ou anthropiques (dans des anciennes carrières), l’État met en œuvre une politique de prévention des risques liés aux cavités souterraines. La protection des populations et la gestion des terrains exposés à ces risques constituent l’une des préoccupations fortes des services de l’État dans les politiques de prévention relatives aux risques naturels majeurs.

L’information sur l’existence d’une cavité souterraine est obligatoire

« Toute personne qui a connaissance de l’existence d’une cavité souterraine ou d’une marnière dont l’effondrement est susceptible de porter atteinte aux personnes ou aux biens, ou d’un indice susceptible de révéler cette existence, en informe le maire, qui communique, sans délai, au représentant de l’Etat dans le département et au Président du Conseil Général les éléments dont il dispose à ce sujet. »  (article L.563-6 du code de l’environnement).

Maîtrise de l’urbanisation : le plan de prévention des risques

Le plan de prévention des risques naturels (PPRN) a pour objectif de réduire l’exposition au risque ainsi que la vulnérabilité des personnes et des biens. Sa prescription, sa réalisation et son approbation sont sous la responsabilité du préfet. Constituant une servitude d’utilité publique, le PPRN délimite des zones et dans lesquelles sont fixées des contraintes constructives et/ou d’urbanisme à respecter

Le guide méthodologique « Plan de prévention des risques naturels - Cavités souterraines abandonnées » est disponible ici.

Plan national cavité

Dans l’objectif de structurer la politique de prévention dédiée au risque liés aux cavités souterraines et à la suite d’une large consultation nationale, le ministère chargé de l’écologie a publié en juillet 2013 un plan national d’actions pour la prévention des risques liés aux effondrements de cavités souterraines. Ce dernier est décliné en trois axes :

• Mieux connaitre et mieux partager, améliorer le savoir et mieux partager la connaissance
•  Informer, former et sensibiliser les acteurs de la prévention du risque
• Favoriser l’émergence de stratégies locales de prévention du risque portées par les collectivités

Programme d’Actions de Prévention des RIsques CAvités (PAPRICA)

Ce plan national cavité pour la prévention des risques liés aux effondrements de cavités souterraines a mis en place un appel à projet « Programme d’actions de prévention des risques cavités » (PAPRICA) et à la définition d’un cahier des charges associé.

Cet appel à projets propose une démarche globale et proactive, portée par les collectivités ou leurs groupements, pour engager une politique de prévention des risques proportionnée à l’échelle d’un territoire exposé. Il est ouvert à toute commune ou communauté de communes ayant des territoires exposés aux mouvements de terrains liés à la présence de vides souterrains naturels ou anthropiques (hors concessions minières ou cavités relevant du régime des installations classées).

Ce dispositif inspiré du programme d’actions de prévention des inondations (PAPI) est un moyen pour les collectivités de s’investir durablement dans la prévention du risque lié aux cavités en se proposant d’être porteuses du programme de prévention tout en bénéficiant d’un appui de la part de l’État, grâce au fonds de prévention des risques naturels majeurs (FPRNM).

Le cahier des charges du dispositif a été établi en 2020 par la direction générale de la prévention des risques (DGPR) et l’institut national de l’environnement industriel et des risques (Ineris). Il fait suite à une phase de test conduite avec / sur la métropole européenne de Lille.

La gestion du risque lié aux cavités souterraines

Dans le cadre du plan national pour la prévention des risques liés aux effondrements de cavités souterraines, un guide à l'usage des collectivités a été réalisé par le Cerema.

Ce guide destiné principalement aux élus et aux services techniques des collectivités est consacré à la gestion territoriale du risque cavités, sur les différents aspects de la prévention : connaissance des cavités et du risque associé, prise en compte dans l’aménagement du territoire et la gestion de l’urbanisme, information du citoyen, planification et gestion d’un événement.

Détection et reconnaissance de cavité

Il est nécessaire de recourir à des investigations pour la détection et la reconnaissance de celles-ci lorsque la méconnaissance des cavités peut engendrer un risque pour un projet, un bien ou des personnes. La démarche globale de détection et de reconnaissance des cavités s’organise en quatre phases successives, plus ou moins développées selon les enjeux potentiellement impactés ainsi que la typologie et l’importance des cavités (dimension, nombre, profondeur…).

Phase 1 : Etudes documentaires

Les études documentaires sont un préalable indispensable à toute recherche ou reconnaissance de cavités. Elles se déroulent en deux étapes :

• l’expertise géologique, qui consiste à porter un avis sur la nature des matériaux présents en sous-sol et sur la structure du terrain concerné, permet d'une part, de déterminer la possibilité de présence de cavités naturelles et/ou anthropiques et d'autre part, de cibler les méthodes adaptées à la détection des cavités ;
• la phase d’enquête, qui consiste à exploiter toutes les sources d'information disponibles (inventaires de cavités, archives historiques, photographies aériennes, ...), permet de documenter les cavités et les phénomènes survenus en lien avec celles-ci. Elle peut comporter une enquête orale auprès de la population locale, ainsi que des visites de terrain.

Phase 2 : Reconnaissance par méthode de terrain directe : relevés de géométrie des cavités visitables

Lorsque la phase d'enquête a mis en évidence l’existence de cavités localisées et visitables et que la situation le nécessite, une opération de relevé géométrique peut être entreprise.

Selon l’accessibilité de la cavité et le niveau de précision requis, le relevé sera réalisé soit par un géomètre expert, soit par arpentage soit par un spéléologue.

 

Phase 3 : Reconnaissance par méthodes de terrain indirectes : investigations par méthodes géophysiques

Les méthodes de reconnaissance décrites ci-dessous sont généralement réalisées par des bureaux d’études en géotechnique et/ou en géophysique possédant les qualifications spécifiques dans la maîtrise des techniques.

Différentes méthodes de géophysique peuvent s'appliquer à la recherche de vides souterrains (microgravimétrie, reconnaissance sismique, prospection électrique, électromagnétisme). Les caractéristiques des cavités (taille, profondeur, remplissage…) et de leur environnement (géologie, zone urbaine, présence de matériaux conducteurs…) déterminent la méthode à mettre en œuvre.

Les mesures obtenues par les méthodes géophysiques fournissent une image des couches géologiques du sous-sol. L’interprétation de cette image permet la détection d’anomalies géophysiques pouvant s'expliquer par la présence de cavités souterraines.

 

Phase 4 : Reconnaissance par forage

Les anomalies mises en évidence par les méthodes géophysiques peuvent ensuite faire l’objet d’investigations par forage (destructif ou carotté) pour identifier directement les formations présentes et les vides éventuels. Lorsqu'ils sont de diamètre suffisant, les forages permettent aussi d’ausculter par des moyens vidéos la cavité traversée.

 

Méthodes de traitement visant à réduire la vulnérabilité des territoires

La démarche de sécurisation des personnes et des biens concerne toutes les surfaces sous-cavées. Elle oblige soit à prendre des mesures préventives de sauvegarde, soit au contraire à engager des travaux de protection.

Cette démarche est indispensable, pour garantir la sécurité des personnes, la pérennité du bâti existant ou le développement de projets d’urbanisation. Dans chaque cas d’exposition à un risque d’effondrement, le choix de la méthode de traitement la plus adaptée à la situation se pose non seulement sur le plan purement technique, mais aussi sur le plan décisionnel en définissant clairement les objectifs visés quant à la destination du site et le niveau de protection adapté aux enjeux.

Les méthodes de traitement peuvent s'appliquer en phase préventive (lorsque l’on a connaissance de la présence de vides mais que les affaissements ou effondrements n’ont pas eu lieu) comme en phase de crise, après effondrement par exemple.  Les méthodes présentées ici s'appliquent aux cavités anthropiques à faible profondeur. Concernant les cavités naturelles, les méthodes de comblement sont encore à l’état de recherche, en particulier du fait de problèmes liés à l’environnement. Pour plus de détails, on se reportera au "Guide sur les solutions de mise en sécurité des cavités souterraines abandonnées d’origine anthropique », disponible en téléchargement sur le site de l'INERIS.

• Surveillance

Lorsque les cavités sous-cavent le milieu urbain ou périurbain, l’importance des volumes des vides souterrains est telle qu’il n’est pas toujours envisageable de les traiter de façon systématique par des solutions définitives. En attente d’une solution pérenne, une surveillance peut être mise en place afin de prévoir au mieux le processus d’évolution des conditions de stabilité de la cavité avant que les premières manifestations de sa rupture se produisent. Cette surveillance peut se faire par le biais d’une instrumentation ou par une inspection visuelle effectuée par un géotechnicien. Pour mettre en place ces deux types de solutions, l’accès à la cavité doit être possible et sécurisé.

• Consolidation

Les méthodes de consolidation ont pour objectifs d’améliorer l’état des ouvrages dégradés et d’augmenter la portance de certaines parties importantes de la cavité. Les domaines d’utilisation de ces techniques sont limités par l’accessibilité en souterrain et les conditions de sécurité et de salubrité des ouvrages dans la cavité à traiter.

• Suppression des vides

Les méthodes de suppression des vides visent à assurer une amélioration de la stabilité et à diminuer les conséquences en cas de déstabilisation de la cavité.

• Protection passive

Les techniques de protection passive s'appliquent aux constructions soumises au risque d’instabilité de cavités souterraines remontant en surface.

Les acteurs de la prévention du risque cavités souterraines

Cerema

Ineris

Université Gustave Eiffel

BRGM

Infoterre du BRGM

Ministère de la Transition écologique - Risques naturels

Pour en savoir plus

Ministère de l'Écologie, du Développement durable et de l’Énergie. (2012). Plan de prévention des risques naturels - Cavités souterraines abandonnées - Guide méthodologique.

Guide technique du LCPC/Ineris/MEDD (2002). Évaluation des aléas liés aux cavités souterraines

Guide Ineris/Cerema (2018) : Dissolution naturelle du gypse dans le sous-sol, Analyse et gestion des aléas mouvements de terrain de type affaissement et effondrement

Guide Ineris/Cerema (2018) : Aléa versant rocheux sous-cavé. Caractérisation et évaluation

Guide méthodologique BRGM/Cerema (2023). Aléa mouvements de terrain d’origine karstique en contexte carbonaté - évaluation et cartographie