Le canton de Genève a une surface de 282 km2 et compte environ 400000 habitants (dont un peu moins de 200000 pour la ville). Le territoire genevois forme une enclave entourée par la France, à savoir le département de Haute-Savoie au sud et celui de l'Ain au nord. Sa frontière partage plus de 100km avec la France alors qu'elle n'en a que 4,5 avec le reste de la Suisse ! Situé entre le Jura et les Alpes, Genève est traversé par deux cours d'eau principaux, le Rhône qui a ses sources en Valais et l'Arve dont les eaux proviennent du Mont-Blanc.
 
On peut en déduire que nous sommes en présence d'un territoire exigu, limité dans l'espace horizontal, où une forte concentration de population humaine s'est établie. Ces contraintes spatiales dans les dimensions x et y, auxquelles s’ajoute une tradition architecturale défavorisant les constructions hautes (dimension +z), confèrent une importance particulière au sous-sol (dimension –z). Celui-ci fournit des services environnementaux (Costanza et al., 1997, Folke et al. 1992, Pillet 1993) et des ressources matérielles telles que nappes phréatiques, gisements de gravier, substrat des constructions et géothermie, le tout dans un contexte spatial complexe. Comme l’exploitation de ces ressources est susceptible de générer des conflits d’usage, il est plus que nécessaire d'avoir des outils qui permettent de gérer au mieux ce monde souterrain.
Sur le canton de Genève, un travail colossal a déjà été réalisé pour collecter des informations sur les ressources de surface et les infrastructures réalisées par l'homme, dans un contexte essentiellement bi-dimensionnel. Pour se faire une idée du travail réalisé, on peut consulter le site du Système d'Information du Territoire Genevois (SITG)^[1] qui collationne toutes les informations intervenant dans l'organisation du territoire.
La distribution tri-dimensionnelle des formations géologiques du sous-sol genevois a une grande importance dans la gestion des ressources naturelles qui s’y trouvent. La stratigraphie et la géométrie des formations quaternaires et tertiaires peuvent être déchiffrées grâce aux affleurements ménagés par l’érosion et les divers travaux de génie civil, et également par des données ponctuelles en géophysique, ainsi qu'à l’aide de plus de 13000 forages ou fouilles répartis sur l’ensemble du territoire cantonal. Cet ensemble d’informations est géré par le Service Cantonal de Géologie (SCG)[2], avec lequel nous collaborons dans le cadre d’un travail de thèse, dont les objectifs principaux sont les suivants :

1. Clarifier le concept d’espace sur-sol / sous-sol.
2. Elaborer un inventaire critique des objets géologiques utilisés en cartographie ou en profil.
3. Modéliser conceptuellement, logiquement et logiciellement un Système d’Information Géologique 2D (=carte géol) et 3D, apte à stocker, modéliser, représenter et gérer les données géologiques genevoises. Acronyme : SIGGGe.
4. Peupler le SIG avec des données compilées/vérifiées et originales (affleurements, forages, géophysique), en vue d’une représentation volumique régionalisée des formations quaternaires et des nappes phréatiques.
5. Fournir des applications ou produits dérivés, tels que  

              - requêteur sur la nature du sous-sol,
              - traçage de profils par interpolation “intelligente” entre les sondages ou affleurements,
              - traçage des cartes isopachyques des formations ou des nappes phréatiques,
              - production à la demande d’extraits de carte géologique ou géotechnique (Kaufmann, 2002),
              - inventaire cartographique des dépôts d’origine anthropique (sites contaminés, remblais de gravières).
              - estimation des réserves en matériaux de construction,
              - prognose lithologique et géotechnique sur le tracé d’un tunnel ou emplacement de décharge,
              - carte de sismicité,
              - parcours d’excursions géologiques pour les écoles.
 
6. Mise en valeur et diffusion de l’information géologique aux praticiens.
 
Dans le cadre de cette communication, notre propos est plutôt informatif, centré sur ce qui a été fait et ce qui est en cours de réalisation. Après avoir présenté les informations à la base du système, la démarche suivie et l’élaboration des isohypses des limites inter-formationnelles, nous signalerons les produits que l'on peut obtenir à partir de ces données géologiques et montrerons leur utilisation dans différents domaines.

Le territoire genevois est constitué en majorité de dépôts quaternaires d’origine glaciaire, fluviatile ou lacustre, avec de rares affleurements de grès et marnes faisant partie des formations molassiques d’âge tertiaire (Paréjas 1938, Jayet 1964, Lombard 1965).
La série lithologico-stratigraphique du sous-sol genevois est résumée sur la figure 1. Ces diverses formations ou corps sédimentaires ne sont pas présentes partout sur le territoire, et leur épaisseur varie fortement. Nous avons abordé cette géométrie complexe par le biais des surfaces représentant les limites entre les quatre principales entités lithologiques. Elles sont indiquées en couleur sur la figure 1, et décrites ci-dessous.

Toit de la Molasse (Tmo)
 
Cette subsurface représente les grands traits de la paléotopographie pré-quaternaire, modifiée par endroit par l’érosion des premières avancées glaciaires. Elle existe déjà sous forme de courbes isohypses, originellement  interpolées manuellement par le SCG et désormais stockées sous forme de polylignes. Elle n’a pas encore été validée systématiquement par comparaison avec d’autres couches telles que le MNA. Sa mise-à-jour, suite à l’arrivée de nouveaux forages, est encore manuelle (édition de shapes).
Nous avons interpolé Tmo sur la base de des isohypses et des sondages corrigés, afin d’utiliser cette surface à des fins de contrôle pour Taa.
 
Toit de l’Alluvion ancienne (Taa = unité C, fig. 1)
 
La définition de surfaces-limites est difficile et ambiguë au sein des formations quaternaires. La colonne stratigraphique de Maystre et Vergain (1992) de la figure 1 représente de manière synthétique les grands termes lithologico-génétiques, mais il n’existe pas de critère univoques pour définir  leur interface ni sur le terrain ni, a fortiori, en forage. Il incombe donc au géologue de se donner une série de critères et de s’y tenir. Ceux-ci doivent  être incorporés dans la méta-information, laquelle doit indiquer, entre autres, le degré de fiabilité de la limite définie dans les sondages.
Cette surface a été cartée sous forme de courbes de niveau par G.F. Amberger dans les années 80, et la notice explicative de la feuille française St Julien-en-Genevois y fait référence (Donzeau et al., 1997).
 
La formation graveleuse de l’Alluvion ancienne a une grande importance,  car elle abrite les nappes phréatiques exploitées dans le Canton et en France voisine. Une simple opération de différence entre les surfaces Taa et Tmo donnera l’épaisseur des Unités C +(A+B) (carte isopaque).
 
Toit de la Moraine argileuse (Tma = unité D, fig. 1))
 
Bien qu'aucune donnée numérique ne soit à disposition pour cette formation et qu'elle ne soit pas non plus cartographiée sur un support papier en raison du fait qu'elle ne contient que des nappes phréatiques superficielles peu importantes, elle sera dans un proche avenir modélisée afin de mieux définir ses épaisseurs.
Surface topographique actuelle (St)
Celle-ci représente la limite supérieure des diverses formations lorsqu’elles sont affleurantes, telles qu’indiquées sur la carte géologique. Nous avons établi une version vectorielle de cette dernière, après numérisation des trois feuilles de l’Atlas géologique de la Suisse (1 :25'000) couvrant le Canton[3]
Ainsi,suivant les cas, St peut représenter le toit de l’une ou l’autre des unités lithologiques quaternaires ou tertiaires.

Nous avons disposé des données suivantes pour la cartographie de la subsurface (tableau 1).

Notons que les données de base 1 et 3 ont été fortement modifiées de manière interactive au fur et à mesure des opérations de vérification. Elles sont donc à distinguer des isohypses et de la BD corrigées obtenues au terme de notre travail.

Les principales données utilisées pour l’élaboration des surfaces inter-formationnelles sont représentées cartographiquement sur la figure 2. Quant à la démarche suivie, elle est résumée par l’organigramme de la figure 3. On voit que les opérations sont complexes, principalement du fait que les données de bases sont de type divers, et qu’il est nécessaire d’assurer la cohérence géométrique de l’ensemble (par exemple, l’altitude d’une surface inter-formationnelle quelconque ne peut-elle dépasser celle de la surface topographique).

La figure 4 montre le modèle géologique du toit de l’Alluvion ancienne (Taa) après interpolation sous forme de GRID.

A partir des surfaces inter-formationnelles et des diverses autres informations stockées dans le SIGGGe, il est possible de dériver des produits cartographiques sur mesure pour les différents métiers touchant à la gestion des ressources naturelles, la protection de l’environnement et la planification territoriale. En voici trois exemples :
 
Carte de protection des eaux
 
La figure 5 représente une carte isopaque qui est le résultat de la soustraction de la surface topographique (St) avec la surface du toit de l’Alluvion ancienne (Taa), cette dernière formation abritant la nappe phréatique principale du Genevois. Cette carte isopaque représente en fait l’épaisseur des formations imperméables (unités D-F, figure 1) surmontant l’Alluvion ancienne. Les variations de couleurs indiquent le changement d'épaisseur du corps sédimentaire argileux de surface qui protège les nappes phréatiques. Comme la carte de protection des eaux doit permettre la mise en évidence des secteurs vulnérables de la ressource en eau souterraine destinée à la boisson, la connaissance de l'épaisseur de cette couche de protection est très importante. En effet, plus l'épaisseur de ce corps sédimentaire est faible, plus la vulnérabilité de la nappe sous-jacente est grande. Comme on peut le voir sur la figure 5, la variation d'épaisseur est plus où moins directement liée à l'action érosive des cours d'eau. Sur des zones à forte activité humaine, on verrait le même effet qu'une rivière mais avec un contraste généralement beaucoup plus fort (par exemple, les tranchées réalisées dans le sol)! Bien que cette carte ne soit qu'un avant-projet encore perfectible, on peut déjà dire qu'il est prometteur dans le sens qu'il permet d'avoir un inventaire exhaustif des zones à protéger. Elle permettra, lors de la réalisation d'ouvrages profonds, de définir les mesures à mettre en œuvre pour protéger les nappes d'eau.

Il est intéressant de comparer la carte de référence cantonale actuelle "Secteurs de protection des eaux"[4], réalisée à partir de l'interprétation visuelle des données géologiques de surface et des sondages, avec la carte que nous proposons ici (figure 6).

Comme on peut le voir en comparant les deux cartes de la figure 6, pour la carte de gauche, la zone de protection des eaux suit la rivière de façon assez simplifiée et incomplète vers le nord ; de plus il manque au sud-est d’autres zones de protection.
 
 
Carte des sols de fondation
 
Cette carte a été réalisée, sur la base des différents modèles géologiques présentés ici, par Michel Meyer du Service Cantonal de Géologie à Genève (figure 7). Pour avoir une notice explicative et les principes de sa réalisation, on peut se référer au document "Carte des sols de fondation"[5]. Pour celles et ceux qui seraient intéressés à obtenir cette carte et avoir plus de détails sur la méta-information qui est associée à ce type de carte, ils peuvent se référer au "Dictionnaire de données"[6] du SITG.

Profils automatiques
 
En géologie et dans les domaines du génie civil, il est important de pouvoir tracer des profils pour bien comprendre la géométrie des corps géologiques. Ainsi, en utilisant les modèles numériques peut-on réaliser en section un aperçu du sous-sol.
Le profil de la figure 8 a été fait au moyen de l'extension "Av Profiler" qui a été écrite par Joseph Bowles[7].

L'ensemble de ces modèles de surfaces inter-formationnelles est potentiellement utilisable dans de nombreux contextes. Par soustraction et diverses méthodes d'estimation, l’on peut relativement facilement obtenir différentes cartes. Parmi les produits dérivés actuellement en phase de développement, nous pouvons citer :
 
Carte du potentiel géothermique (basse température)

Pour arriver à cette étape, il faudra au préalable avoir construit tous les modèles géologiques. Ensuite il faudra réaliser, pour chaque entité géologique, une carte isopaque indiquant son épaisseur.  Finalement, par l'intermédiaire de données relatives à la présence d'eau et à la conduction de chaleur des différentes roches, on pourra créer une carte qui montrera les lieux potentiellement intéressants à l'implantation de sondes géothermiques. On peut penser que les ressources en énergie géothermique sont nettement sous évaluées et que la réalisation de ce type de cartes ne pourra qu'inciter les propriétaires de biens immobiliers à s'ouvrir à ces technologies. D'autant qu'une sonde géothermique peut aussi bien être utilisée pour se chauffer en hiver, qu'en été pour refroidir à moindre coût un bâtiment.
 
 
Carte de ressource en matériaux de construction (sable et graviers).
 
Par l'intermédiaire des différents modèles géologiques et des modèles de nappes aquifères il sera possible de réaliser un bilan des volumes de sables et graviers disponibles sur le canton de Genève. Et cela, tout en tenant compte des règles en vigueur en matière de protection des eaux. Dans un second temps, il sera aussi possible d'améliorer l'estimation des volumes de déchets inertes qui sont utilisés pour remblayer les gravières au fur et à mesure de leur progression.
 
 
Remerciements
 
Je tiens à remercier tout d'abord mes deux superviseurs de thèse, Jean-Michel Jaquet pour ses précieux conseils et son enthousiasme sans limite pour les SIG, et Walter Wildi pour ses remarques méthodologiques et géologiques. Ma gratitude va aussi au Service Cantonal de Géologie, en la personne de son chef Michel Agassiz, et de Michel Meyer (pour ses compétences, ses connaissances de terrain et son entregent), sans lesquels ce projet n'aurait pas vu le jour. En effet, ils m'ont permis d'accéder à leurs données et en partie financé ma thèse sous la forme de mandats. Et bien sûr, je remercie ESRI de m'avoir proposé de présenter une partie de mon travail de thèse.

Costanza R. et al, 1997. The value of the world’s ecosystem services and natural capital. Nature, 387 :253-260
 
Donzeau M., Wernli R., Charollais J. et Montjuvent G., 1997. Notice explicative, Carte géol. de France (1/50000), feuille St Julien-en-Genevois (633). Orléans, BRGM, 144 p.
 
Folke C. and Berkes F., 1992. Cultural Capital and Natural Capital Interrelations. Ecological Economics 5: 1-8. http://www.dieoff.org/page117.htm
 
Hottinger M., 1998. Etude hydrogéologique de la nappe alluviale de l’Allondon genevoise. Dip. Diplôme post-grade en hydrogéologie, CHYN, Université de Neuchâtel, 122 p, annexes et cartes.
 
Jayet A., 1964. Notice explicative de la feuille Coppet de l’Atlas Géologique de la Suisse.
 
Kaufmann O., 2002. Digitalisation et modélisation de la carte géotechnique du Canton de Genève au 1 :5000 (feuille 38 : Pont Butin). Travail de stage en géomatique, 11 p, un projet ArcView sur CD.
 
Lombard A., 1965. Notice explicative de la feuille Genève de l’Atlas Géologique de la Suisse.
 
Maystre D. et  Vergain J., 1992. Les dépôts glaciaires et proglaciaires dans la partie occidentale du bassin genevois: genèse et chronologie. Eclog. Geol. Helv., 85(1): 169-194.
 
Paréjas E., 1938. Notice explicative de la feuille Chancy de l’Atlas Géologique de la Suisse.
 
Pillet G.,1993: Economie écologique. Georg éditeurs, Genève, 223 p.