Étude théorique et numérique de la dynamique des tsunamis sismiques

Theoretical and numerical study of seismic tsunami dynamics

• Auteur / Autrice : Marine Le gal
• Direction : Damien Violeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 17/02/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines) - Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant / Saint-Venant Laboratory for Hydraulics / Saint-Venant
• Jury : Président / Présidente : Didier Clamond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Violeau, Mario Ricchiuto, Hélène Hébert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephan Grilli, Denys Dutykh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Séismes

Tsunamis

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Modélisation

Tsunamis

Mécaniques des fluides

Modeling

Tsunamis

Fluid mechanics

Résumé

Dû à leur impact destructeur et meurtrier, il est important de comprendre la dynamique des tsunamis afin d'améliorer les modèles de prévention et d'alerte. Le peu de données disponibles in situ rend la génération des tsunamis peu connue. Les modèles de générations, notamment la génération sismique qui est considérée ici, simplifient les phénomènes mis en jeu. De nombreux effets sont négligés, parmi eux la cinématique de déformation du fond. Deux paramètres temporels peuvent être définis pour d écrire ce mouvement: la vitesse de propagation de rupture vp qui est propre à l' évènement sismique, et le temps d' élévation tr. Respectivement, ces paramètres caractérisent le mouvement horizontal et vertical. Une étude linéaire et théorique, puis non-linéaire et numérique, révèle un phénomène de résonance pour de courts tr et des vp de l'ordre de la célérité des ondes longues. Dans ces conditions, l'amplitude des vagues générées est amplifié e par rapport à celle de la déformation du fond marin, et des phénomènes dispersifs apparaissent. Pour illustrer ce phénomène, le cas du tsunami de 1947, qui frappa la Nouvelle Zélande, est simulé avec les modèles de Saint-Venant puis de Boussinesq du système Telemac2D. Rejoignant la théorie, l'influence de vp est nettement observable tandis que les faibles valeurs de tr ont un impact limité. Bien que des effets dispersifs soient attendus durant cet évènement, ils ne sont pas observés avec le modèle numérique. En parallèle de cette étude sur les échelles temporelles, cette thèse a permis de contribuer à la validation des modèles numériques du système Telemac dans le cadre du projet TANDEM. Ainsi, les modèles issus de Telemac2Det Telemac3D sont testés sur des cas tests représentant la génération, la propagation ou le run-up d'un tsunami. Il s'avère que dans la plupart des cas, les modèles numériques proposent de résultats très corrects. Cependant, on note une certaine dépendance aux paramètres numériques pour les cas délicats comme celui de la propagation d'une onde solitaire. En plus des cas idéalisés, le modèle de Saint-Venant de Telemac2D est utilisé pour modéliser l'évènement de Tohoku-Oki de 2011, pour lequel les résultats sont satisfaisants

The impact of tsunamis on mankind is well known. During recent years, several events showed us the disasters they can trigger which reiterate the importance of understanding their dynamics. Due to the lack of in-situ data, the generation is the least known aspect of tsunamis. As a result, simplified models of the source are used for numerical tsunami modeling, as for seismic generation for which the traditional approach neglects several phenomena, among which is the kinematic deformation of the sea floor. This motion canbe characterized by two temporal parameters: the rupture velocity vp and a hydraulic rise time tr. The novelty here, is to investigate both parameters simultaneously and to extend the linear theoretical development to a non-linear numerical study. From these works, a resonance zone is identified for small tr and vp close to the long wave celerity. For these particular values, the waves are amplified beside the sea floor deformation and dispersive effects develop. To illustrate this theory, the 1947 New Zealand tsunami is simulatedwith the Non-Linear Shallow Water and Boussinesq models of Telemac2D. This seismic event corresponds to a tsunami earthquake with slow kinematics of deformation. Four generation models, with different values of vp and tr are compared. The impact of vp on the generated wave amplitudes is strong whereas the influence due to tr is significantly smaller. Additionally, it was found that the expected dispersive effects did not develop during the numerical modeling. Meanwhile, in the scope of the TANDEM project, the validation of the Telemac system is performed through test cases, covering: generation, propagation and run-up of tsunamis. Globally, the models from the Telemac system match the validation data, however we note a reliance on numerical parameters for sensitive cases as the propagation of a solitary wave. Finally, the Non-Linear Shallow Water model of Telemac2D is used to simulate the Tohoku-Oki tsunami that hit Japan in 2011. Thenumerical model succeeds in representing this real event incorporating all the stages of tsunami life, from generation to flooded areas. Some limitations in using the method were found, which one discussed in detail within the present manuscript