Projet ANR WISPER / ANR Project WISPER

Water and Ice-related thermo-mechanical processes in the fractures of Steep alpine bedrock PERmafrost (ANR-19-CE01-0018-01)

(Scroll down for english)

PI: Florence Magnin http://edytem.cnrs.fr/pages-personnelles/florence-magnin/

WISPER a pour but d’améliorer la compréhension du régime thermique et des mécanismes de rupture des parois à permafrost (terrain dont la température est en permanence < 0°C) en questionnant le rôle des infiltrations et circulation d’eau.

Le projet se base sur les études récentes autour des écroulements rocheux observés en haute montagne, autour du permafrost de paroi dont la sensibilité au réchauffement atmosphérique est particulièrement exacerbée par l’absence de couverture végétale et nivale, et autour de la mécanique des roches gelées. Ces études ont démontré le lien entre la dégradation du permafrost et la déstabilisation des parois en supposant une roche saturée en glace. En revanche, les observations de terrain montrent la présence voire l’écoulement d’eau pendant les saisons chaudes, que ce soit dans les niches d’arrachement des écroulements rocheux, ou au niveau de certaines fractures en paroi.

Des questions autour du rôle de l’eau dans la dynamique thermique (évolution du permafrost) et les processus mécaniques (lien avec les écroulements rocheux) des parois de haute montagne se posent alors. Pour répondre à ces questions, WISPER est construit autour de trois Work Packages :

WP1. Modélisation couplée des processus thermiques et hydrologiques des parois à permafrost pour comprendre le rôle des circulations d’eau dans la dynamique thermique des parois et notamment la dégradation du permafrost (2020-2023).

==> Les premiers développements ont été soumis à la revue Journal of Geophysical Research: Earth Surface (version soumise disponible à https://www.essoar.org/doi/10.1002/essoar.10506956.1).

WP2. Le monitoring géoélectrique d’un site emblématique des parois de haut montagne : l’Aiguille du Midi (3842 m) pour visualiser les changements de température et de contenu en glace ou en eau au cours du temps (2020-2023).

==> Les câbles géoélectriques ont été déployés entre juin 2020 et mars 2021 sur les faces nord-ouest, est et sud de l’Aiguille du Midi. Une dizaine de jours de terrain ont été nécessaires pour cela. Le terramètre a ensuite été installé sur place et raccordé aux divers réseaux pour assurer des mesures régulières à distance.

Position des câbles géoélectriques et du terramètre (photos : Stephan Gruber). a : Câble déployé sur la face est (ligne jaune) et position du forage thermique de 10 m au nord-est (rond jaune); b : Câble déployé sur la face sud  (ligne rouge) et basculant dans la face nord-ouest (visible en c.), et  position du terramètre (carré rouge) ; c : Câbles déployés en face nord-ouest (jaune depuis le haut de cette face et rouge depuis la face sud) et position du  forage thermique de 10 m dans la face nord-ouest (rond jaune).

Position of the geoelectrical cables and of the terrameter (pictures: Stephan Gruber). a: Cable spread out in the east face  (yellow line) and  position of the 10 m deep thermal borehole on the north-east face (yellow circle); b: Cable spread out in the south face (red line) and turning into the  north-west face (visible on c.) and position of the terrameter (red square); c: Cables spread out in the north-west face (from the top of this face in yellow and  from the south face in red) and position of the 10 m deep thermal borehole in the north-west face.

Installation des câbles pour le monitoring the Tomographie de Résistivité Electrique à l’Aiguille du Midi (photos : Marc Cleriot, voir aussi https://www.facebook.com/themeltingiceproject pour plus de photos) a-b : Pierre-Allain Duvillard et Florence Magnin installant les câbles en face sud; c : Simon Alesina et Ludovic Ravanel installant  les câbles en face est ; d-e : Ludovic Ravanel et Emmanuel Malet installant les câbles en face nord-ouest. f : Florence Magnin fixant les câbles au sommet.

Installation of the cables for the Electrical Resistivity Tomography monitoring at the Aiguille du Midi (pictures from Marc Cleriot, see also https://www.facebook.com/themeltingiceproject for more pictures). a-b: Pierre-Allain Duvillard and Florence Magnin installing the cables in the south face; c: Simon Alesina and Ludovic Ravanel installing the cables in the east face; d-e: Ludovic Ravanel and Emmanuel Malet installing the cables in the north-west face. f: Florence Magnin fixing the cables at the top
Raccordement du terramètre (photos : Marc Cleriot, voir aussi https://www.facebook.com/themeltingiceproject pour plus de photos) a : Raphaël Gallet et Emmanuel Malet fixant les câbles au sommet; b : Florence Magnin, Raphaël Gallet et Emmanuel Malet préparant le  raccordement au réseau électrique; c : Emmanuel Malet et Bruno Galabertier préparant le raccordement au réseau informatique ;  d : Florence Magnin lançant les mesures sur site

Setting up of the terrameter connection (pictures from Marc Cleriot, see also https://www.facebook.com/themeltingiceproject for more pictures) a: Raphaël Gallet and Emmanuel Malet fixing the cables at the top; b: Florence Magnin, Raphaël Gallet and Emmanuel Malet preparing the connection to the electrical network; c: Emmanuel Malet and Bruno Galabertier preparing the connection to the computer network;  d: Florence Magnin performing measurements

WP3. Couplage des modèles thermiques et hydrologiques avec des modèles mécaniques pour comprendre l’effet des circulations d’eau et des changements de température associés dans les propriétés et processus mécaniques des parois gelées (2022-2023).

Ce projet est mené en collaboration avec l’Université d’Oslo (Norvège) et l’Université Technique de Munich (Allemagne).

English

WISPER aims at improving the understanding of the thermal regime and failure mechanisms of rock wall permafrost (i.e. ground permanently below 0°C) by addressing the role of water infiltration and circulation.

The project is based on recent studies on observed rockfalls in high-mountain, on rockwall permafrost which sensitivity to atmospheric warming is particularly exacerbated du to the absence of vegetation and snow cover, and on frozen bedrock mechanics.  These studies have shown the link between permafrost degradation and rockwall destabilization, assuming an ice-saturated rock media. However, field observations pointed out the presence or runoff of water during hot seasons, in rockfall scars or from bedrock fractures.

These observations thus raise questions on the role of water in the thermal dynamics (permafrost evolution) and mechanics (link with rockfalls) of high-elevated rockwalls. To tackle these questions, WISPER is built upon three Work Packages:

WP1. Coupled thermal and hydrological models of rockwall permafrost to understand the role of water flow in the thermal dynamics, and notably permafrost degradation (2020-2023).

==> First developments were submitted to Journal of Geophysical Research: Earth Surface (submitted version is available at https://www.essoar.org/doi/10.1002/essoar.10506956.1).

WP2. Geoelectric monitoring of the emblematic site of the Aiguille du Midi (3842 m a.s.l.) to visualize changes in bedrock temperature, ice and water content (2020-2023).

==> The geoelectrical cables were installed between June 2020 and March 2021 on the north-west, east and south faces of the Aiguille du Midi. About 10 days of field work were required for this installation.The terrameter was then connected to the networks to perform remote measurements.

WP3. Coupling of thermal and hydrological models with mechanical models to understand the effects of water circulation and the related temperature changes in the mechanical properties and processes of frozen rockwalls (2022-2023).

This project is lead in collaboration with the University of Oslo (Norway) and the Technical University of Munich (Germany).