Targeting and mapping expansive soils (Loiret, France): geometrical analysis of laboratory soil spectra in the short-wave infrared domain (1100-2500 nm)

Identification et cartographie des argiles gonflantes (Loiret, France) : analyse géométrique des spectres de reflectance de sols dans le domaine de l’infrarouge à courte longueur d’onde (1100-2500 nm)

¹ Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), 3 avenue Claude Guillemin, 45060 Orléans cedex 2, France
² Géosciences Environnement Toulouse, CNES, 14 avenue Edouard Belin, F-31400, France

^* gregory.dufrechou@gmail.com

Received: 12 October 2015
Accepted: 3 March 2016

Abstract

Short-wave infrared (SWIR: 1100-2500 nm) reflectance spectra of soil samples, acquired under laboratory-controlled conditions, were used to estimate the swelling potentials of the soils and to use SWIR spectroscopy to improve a part of the swelling-risk map of France. A total of 332 samples were collected to the west of Orléans (France) in various geological formations and swelling-risk areas and along two (eastern and western) transects with different samples spacings. Comparisons between the swelling potentials of the soils and the swelling-risk areas of the map exhibit good correlation in the south of the sampling area; however, there are several inconsistencies in the north of the study area that highlight the necessity of locally redrawing the accepted swelling-risk map of France. The sampling interval (approximately 260 m) along the eastern transect was too sparse and does not appear to have effectively captured the smallest and/or isolated lithologies. The sampling interval along the western transect (approximately 50 m) revealed the presence of an unmapped swelling-potential zone, which was confirmed by several soil samples. The sample interval along the western transect appears to be more suitable for mapping the smallest lithologies. The presence of several samples in close proximity that exhibit the same swelling potential is a robust indication of the presence of a zone with constant swelling potential. A new swelling-risk map of the sampling area was produced based on the soil samples. The map produced by interpolation did not permit the representation of discrete lithological units, introduced spurious swelling-risk zones that however could be representative of tillage in agricultural zones. More samples are therefore needed to produce a reliable map on the scale of the sampling area. According to swelling potential uncertainty related to soil sampling and soil treatment, spectroscopy-based approach proposed here cannot be used to replace the existing swelling-risk map of France. This method permits however the rapid and low-cost estimation of the swell potentials of a large number of samples, which could be used at regional-scale to target areas where doubt remains or where infrastructure damages attributed to swelling behavior are known. At local scale, soil samples need to be properly and laboratory treated to accurately produce local revised and detailed swelling-risk maps.

Résumé

Les spectres de réflectance (domaine infrarouge à courtes longueurs d’onde) d’échantillons de sol mesurés en laboratoire, ont été utilisés pour estimer le potentiel de gonflement des sols. Ils ont ensuite été utilisés pour réviser une partie de la carte de risque de retrait-gonflement de la France. 332 échantillons ont été recueillis à l’ouest d’Orléans (France) dans diverses formations géologiques, différentes zones de risque de retrait-gonflement et le long de deux profils (Est et Ouest) avec différents intervalles d’échantillonnage. Le potentiel de gonflement des sols a été estimé à partir de la spectroscopie puis comparé avec la carte de risque de retrait-gonflement. Le potentiel de gonflement estimé par spectroscopie et le risque de gonflement défini sur la carte présentent une bonne corrélation dans le sud de la zone d’échantillonnage. Cependant, il y a plusieurs incohérences dans le nord de la zone d’étude qui mettent en évidence la nécessité de redessiner localement la carte de risque de retrait-gonflement. L’intervalle (environ 260 m) d’échantillonnage le long du profil Est était trop espacé et ne semble pas avoir effectivement capturé les lithologies les plus petites et/ou isolées. L’intervalle d’échantillonnage le long du profil Ouest (environ 50 m) a révélé la présence d’une zone de gonflement potentielle non cartographiée, qui a été confirmée par plusieurs échantillons de sol. L’intervalle d’échantillon le long du profil Ouest semble être plus approprié pour cartographier les plus petites lithologies. La présence de plusieurs échantillons à proximité immédiate, présentant le même potentiel de gonflement, est une indication forte de la présence d’une zone présentant un même potentiel de gonflement. Une nouvelle carte du risque de gonflement a été réalisée sur la base des échantillons de sol. La carte produite par interpolation ne permet pas la représentation des unités lithologiques discrètes, introduit des zones à risque de gonflement non supporté par des échantillons mais qui pourrait cependant être représentatifs du travail du sol dans les zones agricoles. Un plus grand nombre d’échantillons est donc nécessaire pour réaliser une carte fiable à l’échelle de la zone d’étude. Selon les incertitudes liées à l’échantillonnage et au traitement des sols, l’approche basée sur la spectroscopie proposée ici ne peut pas être utilisée directement pour reproduire et remplacer la carte des risques de retrait-gonflement existante de la France. Cette méthode permet cependant l’estimation rapide et à faible coût du potentiel de gonflement d’un grand nombre d’échantillons, qui pourraient être utilisés à l’échelle régionale pour cibler les zones (i) où des doutes sur la carte actuelle existes et (ii) où des dommages sur des infrastructures attribués au retrait-gonflement des sols sont connus. A l’échelle locale, les échantillons de sol doivent être correctement traités en laboratoire pour produire avec précision des cartes de risque de retrait-gonflement détaillées.