Étude numérique des motifs dunaires associés au mécanisme de digitation granulaire

Numerical study of dune patterns associated with the granular digitation mechanism

• Auteur / Autrice : Olivier Rozier
• Direction : Clément Narteau, Sylvain Courrech du Pont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Ferrari, Alexandre Valance, Eric Galin, Sabrina Carpy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Valance, Eric Galin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automates cellulaires

Sédiments (géologie) -- Transport

Milieux granulaires

Dunes

Mots clés libres

Dunes linéaires

Digitation

Morphodynamique

Automates cellulaires

Motifs dunaires élémentaires

Linear dunes

Digitation

Morphodynamics

Cellular automata

Elementary dune patterns

Résumé

Que ce soit sur une plage ou en plein désert, les dunes éoliennes résultent de l'interaction complexe qui se déroule entre un milieu granulaire et un écoulement d'air. Elles peuvent prendre des formes variées selon les conditions de vent présentes et passées. L'objet de cette étude concerne les motifs dunaires engendrés par un régime de vent bimodal sur un sol non-érodable. De tels motifs tendent à s'allonger dans une direction proche de la résultante des transports sédimentaires, sous l'effet d'un mécanisme appelé digitation. Lorsque l'apport en sable est suffisant, cette élongation peut se poursuivre sur de très longues distances, comme en attestent les vastes champs de dunes linéaires présents dans la plupart des grands déserts terrestres et sur divers corps planétaires. Nous étudions les conditions nécessaires à l'élongation de ces dunes et à leur stabilité. Notre approche s'appuie sur un modèle numérique constitué de deux automates cellulaires couplés, afin de simuler les processus de transport sédimentaire et le flux éolien. Ce modèle permet de reproduire différents mécanismes de croissance tels que l'instabilité de lit plat, la digitation ou encore la coalescence. Ces mécanismes dépendent à la fois du régime de vent et de la disponibilité en sable. Nous montrons alors l'existence d'un état stationnaire pour les dunes s'allongeant depuis une source sédimentaire et décrivons la dynamique d'élongation issue des lois de transport. Ces résultats correspondent aux observations effectuées à l'aide d'images satellitaires dans le désert du Ténéré. Enfin, nous étudions un exemple de coexistence de deux motifs dunaires dans un champ de dunes complexes. Cet exemple conforte l'idée que les dunes sont formées d'un petit nombre de motifs dunaires élémentaires.

Whether on a beach or in the midst of a desert, aeolian dunes are the result of a complex interaction between a granular medium and the air flow. They can take various forms depending on present and past wind conditions. This study focuses on dune patterns generated by a bimodal wind regime on a non-erodible bed. Such patterns tend to elongate in a direction close to the resultant of sediment transport under the effect of a growth mechanism called digitation. When sand supply is sufficient, the elongation may occur over huge distances, as shown by the vast linear dunefields present in some of the major terrestrial deserts and on various planetary bodies. We study the necessary conditions for these dunes to elongate and for their stability. Our approach is based on a numerical model consisting of two coupled cellular automata, in order to simulate the sediment transport processes and the wind flow. This model allows to reproduce different growth mechanisms such as bed instability, digitation or coalescence. These mechanisms depend both on the wind regime and on the availability of sand. We show the existence of a stationary state for dunes elongating from a sedimentary source and describe the elongation dynamics derived from transport laws. These results are consistent with observations made using satellite images in the Ténéré desert. Finally, we study an example of coexistence of two dune patterns in a complex dunefield. This example supports the idea that dunes are formed from a small number of elementary dune patterns.