Dune emergence in multidirectional wind regimes

par Cyril Gadal

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Environnement. Géophysique

Sous la direction de Clément Narteau et de Philippe Claudin.

Le président du jury était Édouard Kaminski.

Le jury était composé de Clément Narteau, Philippe Claudin, Édouard Kaminski, Valérie Vidal, Bruno Castelle, Laurent Lacaze.

Les rapporteurs étaient Valérie Vidal, Bruno Castelle.

  • Titre traduit

    Emergence des dunes sous des régimes de vents multidirectionnels


  • Résumé

    Les dunes éoliennes résultent de l'entraînement et du dépôt des grains de sable transportés par le vent. Cet écoulement s'adapte à son tour à la forme du lit sédimentaire. Ce couplage entre topographie, hydrodynamique et transport contrôle la taille, orientation et morphologie des dunes, et ce particulièrement durant la phase initiale de leur croissance. Dans cette thèse, nous mettons en évidence l'influence de certains paramètres environnementaux, tel que le régime de vents, la disponibilité en sable et les conditions aux limites du champ de dunes sur la formation des dunes. Pour cela, nous utilisons une approche théorique, couplée à des expériences de laboratoire, des simulations numériques et des études de terrain.Tout d'abord, nous validons la description de l'émergence des dunes dans les zones de fortes disponibilités sédimentaire sous forme d'instabilité linéaire. Ces dunes prennent la forme d'ondes de surface, dont l'amplitude augmente temporellement ou spatialement, suivant si elles se forment au milieu du lit sédimentaire, ou sur sa bordure amont. Leur orientation, longueur d'onde et taux de croissance spatial/temporel sont alors principalement contrôlés par la distribution angulaire des flux de sables.Sur un sol non-érodable, les dunes se développent à partir de diverses source de sédiments (autres dunes, dépôts fluviaux, lacustres, etc ..). Sous des régimes de vents spécifiques, elles s'allongent pour former de longues crêtes linéaires. Nous montrons que l'organisation spatiale de ces dunes est contrôlée par la répartition des sources sédimentaires, et non par une échelle de longueur intrinsèque au mécanisme d'élongation. Ainsi, elles forment des champs de dunes périodiques sur les bordures aval des lits de sédiments, ou des structures isolés dans des zones de dépôt plus localisées. Dans ce dernier cas, elles peuvent atteindre un état d'équilibre stable, dont la morphologie est contrôlée par la période de réorientation des vents.Enfin, nous effectuons une analyse à grande échelle du désert du Namib en nous appuyant sur le cadre théorique du transport sédimentaire et de la morphodynamique dunaire, couplé à des données de vent issues de réanalyses climatiques. Nous comparons alors des observations de terrain à nos prédictions sur les flux de sable et sur les dunes (orientations, morphologies, taux de croissance). Ces résultats permettent ainsi de discuter la formation et l'évolution des mers de sable sur des échelles de temps couvrant plusieurs cycles climatiques. Plus généralement, cette méthodologie permet aussi d'inférer certaines informations sur les vents ou le matériel sédimentaire lorsque celles-ci ne sont pas directement mesurables, ainsi que d'avoir un aperçu de l'évolution et de la résilience des systèmes dunaires soumis à des changements climatiques ou anthropiques.


  • Résumé

    Aeolian dunes result from the erosion and deposition of sand grains transported by the wind. In turn, the flow adapts to the shape of the sedimentary bed. This coupling between topography, hydrodynamics and transport controls the dune size, orientation and morphology, particularly during the early stage of their growth. In this thesis, we highlight the influence of certain environmental parameters, such as wind regime, sand availability, and dune field boundary conditions on dune emergence. For this, we use a theoretical approach, coupled with laboratory experiments, numerical simulations and field studies.First, we validate the description of dune emergence in areas of high sediment availability as a linear instability. These dunes form as surface waves, whose amplitude increases temporally or spatially, depending on whether they form in the middle of the sedimentary bed, or on its upstream edge. Their orientation, wavelength and spatial/temporal growth rate are then mainly controlled by the angular distribution of sand fluxes.On a non-erodible ground, dunes develop from various sources of sediments (other dunes, river and lakes deposits, etc.). Under specific wind regimes, they elongate to form linear ridges. We show that the spatial organization of these dunes is then controlled by the distribution of sedimentary sources, and not by a length scale intrinsic to the elongation mechanism. Thus, they form periodic dune fields at the downstream edge of sediment beds, or remain isolated structures in zones of localized deposition. In the latter case, they can reach a stable equilibrium state, whose morphology is controlled by the wind reorientation period.Finally, we carry out a large-scale analysis of the Namib Sand Sea based on the theoretical framework of sediment transport and dune morphodynamics, coupled to wind data from climate reanalyses. We then compare field observations with our predictions on sand fluxes and dunes (orientations, morphologies, growth rates). These results allow us to discuss the formation and evolution of sand seas on time scales covering several climatic cycles. More generally, this methodology also makes it possible to infer information on winds or sedimentary material when these are not directly measurable, as well as to gain insight into the evolution and resilience of dune systems subject to climate or anthropogenic changes.


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