Mécanique de la banquise Arctique et des matériaux granulaires : deux milieux, deux approches

Mechanics of Arctic sea ice and granular materials : two media, two approaches

• Auteur / Autrice : Florent Gimbert
• Direction : David Amitrano, Jérôme Weiss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 07/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut des Sciences de la Terre
• Jury : Président / Présidente : Yves Gueguen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Amitrano, Jérôme Weiss, Stephane Santucci, David Marsan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farhang Radjaï, Daniel Feltham

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sciences de la Terre

Mots clés libres

Déformation

Banquise

Milieux granulaires

Rupture

Localisation

Strain

Sea ice

Granular materials

Fracture

Localization

Résumé

Dans cette thèse, deux approches de caractérisation d'un comportement mécanique sont présentées, l'une sur la banquise Arctique, l'autre sur les milieux granulaires. Premièrement, une analyse de type mécanique des milieux continus est réalisée sur la banquise de manière à extraire la physique qui, au premier ordre, explique l'augmentation récente des vitesses de dérive et de déformation. Une méthode originale pour accéder aux propriétés mécaniques de la couverture de glace aux grandes échelles de temps et d'espace, c'est à dire sur tout le bassin Arctique et au cours de ces 40 dernières années, est proposée en quantifiant l'amplitude de la composante inertielle du mouvement des bouées enchâssées dans la glace. Le point fort de cette méthode réside dans le fait qu'elle apporte des informations sur la friction moyenne de la couverture de glace qui, jusqu'à maintenant, n'étaient pas disponible à ces échelles spatio-temporelles. A partir d'un modèle simple, nous montrons qu'un affaiblissement mécanique de la banquise, se traduisant par des changements dans le degré de fracturation de la couverture de glace, intervient au premier ordre dans la cinématique et la dynamique des glaces de mer. Cette observation souligne la nécessité de prendre en compte cette composante de manière appropriée dans les modèles ainsi que de développer des outils spécifiques pour accéder à cette quantité à l'échelle locale. Deuxièmement, une analyse de type mécanique statistique est adoptée dans l'étude numérique et expérimentale des milieux granulaires frottants sous compression. La quantification des hétérogénéités associées aux champs de contrainte et de déformation ainsi que leur lien avec le comportement mécanique macroscopique de ce matériau est étudiée. Aux petites échelles de temps, de fortes concentrations de contrainte et de déformation sont mises en évidence. De plus, des propriétés multi-échelles spécifiques caractérisent ces champs à l'instabilité macroscopique. Ainsi, à ce point d'instabilité, ces champs de déformation observés aux petites échelles de temps présentent des propriétés très différentes de celles présentées par la bande de cisaillement, habituellement caractérisée aux grandes échelles de temps. Le lien entre ces deux comportements caractéristiques reste à élucider.

Two approaches to study the mechanical behaviour of Arctic sea ice in one hand, and of granular media on the other hand, are presented in this thesis. First, a continuum mechanics analysis is conducted on sea ice in order to extract the relevant physics that, to the first order, explains the observed recent acceleration of sea ice drift and deformation. An original method to determine the mechanical properties of the sea ice cover at large time and spatial scales, i.e. over the whole Arctic basin and over 40 years of record, is proposed by quantifying the amplitude of inertial motion of ice drifters. This method allows to estimate an average ice cover friction, that is currently not accessible through other means at those large spatio-temporal scales. We show that a genuine mechanical weakening of the Arctic sea ice, associated to changes in the degree of fragmentation of the ice cover, comes into play to explain the observed changes in terms of sea ice kinematics and dynamics. This underlines the necessity to take into account this component in modelling studies, as well as to develop specific tools to measure an internal friction at local scales. Second, a statistical mechanics analysis is adopted in order to characterize the mechanical heterogeneities associated to the macroscopic behaviour of frictional granular materials submit- ted to compressive loading. From numerical modeling and experimental studies, quantitative estimates of heterogeneities that develop in the shear stress and strain fields are provided. At short timescales, intense stress and strain localization is reported, associated at the macrosco- pic instability to specific multi-scale properties. Thus, at this flow instability, these strain field properties significantly differ from the shear band formation observed after the instability when considering large time scales. The connection between these two characteristic features remains to be understood.