Influence des paramètres du milieu

La taille, ainsi que l’évolution des dunes sous-marines dépend principalement de la granulométrie du sédiment dunaire, de la vitesse des courants et de la profondeur d’eau.

I.1.3.1 Rôle des courants

L’existence, la taille et la forme des figures sédimentaires en milieu sous-marin dépendent principalement du régime d’écoulement du fluide, ainsi que de la granulométrie du sédiment (Chamley, 1987). Deux types de régimes d’écoulements sont distingués (Figure I.7) : i) le régime d’écoulement inférieur dans lequel la résistance des particules au mouvement est élevée et leur déplacement modéré, et ii) le régime d’écoulement supérieur dans lequel les particules sont entraînées en abondance, presque indépendamment de leur taille. Selon la vitesse de l’écoulement et son régime, différentes figures sédimentaires se mettent en place. Les dunes se développent lorsque l’intensité du courant augmente à partir de rides de plus petites dimensions (Figure I.7).

Amos et King (1984) indiquent que, pour permettre la formation de tels corps sédimentaires, les vitesses de l’écoulement près du fond doivent être comprises entre 0,4 et 1 m.s-1

pour des sables moyens, entre 0,5 et 1 m.s^-1 pour des sables grossiers et entre 0,6 et 1 m.s^-1 pour des sables très grossiers.

L’intensité du courant n’est pas la seule caractéristique hydrodynamique influençant l’évolution des dunes. Il semble que la variabilité de sa direction soit également importante. Par exemple, Terwindt (1971) a attribué la disparition des dunes dans le Sud de la Mer du Nord à une diminution de l’asymétrie de l’ellipse tidale.

La morphologie de la dune est également fortement dépendante de l’intensité des courants : en fonction de l’intensité des courants, les dunes peuvent montrer des formes bi- ou tri-dimensionnelles (cf. § I.1.2.3).

Figure I.7 : Principales formes sédimentaires en fonction du régime d'écoulement unidirectionnel. (Chamley, 1987).

La taille des figures sédimentaires n’est pas à l’échelle.

I.1.3.2 Influence des caractéristiques sédimentaires

Les dimensions des dunes dépendent du disponible sédimentaire (Belderson et al., 1982), mais elles vont également dépendre des propriétés granulométriques des apports sédimentaires. Les dunes tidales ne sont présentes que dans des milieux sédimentaires non-cohésifs. Terwindt (1971) note qu’aucune dune n’est observée en Mer du Nord dès lors que la proportion de silts est supérieure à 15%. Bokuniewicz et al. (1977) font le même constat dans l’estuaire de Long Island, aux USA.

La taille des grains composant les dunes est très variable et est généralement comprise entre les sables fins et les graviers (Carling et al., 2006).

Flemming (2000) a montré que plus le sédiment est grossier, plus les dimensions des dunes sont importantes. Dans cette étude, la compilation des paramètres descriptifs de 1500 dunes de divers environnements lui permet de proposer un modèle statistique sans discontinuité des rides aux dunes géantes (Figure I.8) à partir duquel il peut prévoir les dimensions maximales d’une dune (hauteur et longueur d’onde) en fonction de la granulométrie. Ainsi, pour un sédiment dont le diamètre moyen est de 0,125 mm, la hauteur et la longueur d’onde maximales sont respectivement de 0,8 m et 7 m, alors que pour un sédiment de 1 mm, il prévoit des grandeurs maximales de 30 m et 600 m respectivement.

Figure I.8 : Amplitude et longueur d’onde des dunes en fonction de la taille du sédiment (Flemming, 2000b)

Kleinhans et al. (2004) remarquent que la relation entre la granulométrie du sédiment dunaire et la hauteur des structures sableuses s’observe même pour des petites dunes telles que les hummocks liées aux houles.

Bartholdy et al. (2004) ont établi une relation liant la hauteur H et la longueur d’onde L des dunes, surimposées à de très grandes dunes au large du Danemark, au grain moyen MZ (en unité phi) du sédiment dunaire : H = 0,17MZ 1,68 et L = 7,90MZ 0,68 .

La distribution granulométrique d’un sédiment va également influencer les caractéristiques des structures sédimentaires. Foti & Blondeaux (1995) montrent que les rides formées dans un sédiment homogène ont une longueur d’onde plus faible que dans le cas du sédiment mélangeant deux tailles de grain dont le grain moyen est cependant identique au sédiment homogène.

Même s’il est évident que les formes des dunes dépendent fortement des caractéristiques du courant, Garlan (2004) indique que les caractéristiques sédimentaires sont encore plus déterminantes. Par exemple, Blom et al. (2000) remarquent que lorsque le courant ne peut pas mobiliser l’ensemble des particules sédimentaires, les dunes sont de forme barkhanoïde, alors qu’elles présentent une forme rectiligne lorsque le courant est saturé en sédiments.

I.1.3.3 Influence de la profondeur d’eau

La profondeur d’eau va être un paramètre limitant pour la croissance des dunes. En effet, lorsque le milieu est peu profond, les courants induits par la houle de surface s’ajoutent aux courants tidaux et leur action est destructrice sur la crête des dunes (Langhorne, 1982). La présence de dunes géantes dans des fonds dont la bathymétrie est inférieure à 10 m est donc fortement contrariée (Dewez, 1988). Malgré de nombreuses études, il n’existe aucune formulation permettant de relier, de façon universelle, la profondeur d’eau aux dimensions des dunes observées in situ. Pour que de telles relations soient vérifiées, il faudrait que les conditions d’équilibre soient atteintes, ce qui est rarement le cas dans la réalité. Seules les dimensions maximales (Hmax et λmax), atteintes en conditions d’équilibre, peuvent être prédites en fonction de la profondeur d’eau (z, cf Figure I.1). Ainsi, à partir d’expérimentations et d’observations en rivières, Yalin (1964) établit les relations :

Hmax= 0,167z et λmax= 6z.

I.1.3.4 Domaines de stabilité des dunes

De nombreux auteurs ont cherché à déterminer les conditions de courant, de sédiment et de profondeur d’eau nécessaires à l’apparition des corps sédimentaires. Les champs de stabilité des différents corps sédimentaires vis-à-vis des conditions hydrodynamiques sont aujourd’hui relativement bien contraints, en particulier sous courant unidirectionnel. Boguchwal & Southard (1990) réalisent une synthèse très complète de 39 études en canaux réalisées depuis 1935, sous la forme de diagrammes tridimensionnels adimensionnés (taille de grain, profondeur, vitesse d’écoulement), qui sont aujourd’hui largement utilisés dans la littérature comme référence et base de travail (exemple en

A partir d’une compilation de travaux en canal et d’observations in situ en Baie de San Francisco, Rubin & McCulloch (1980) ont défini un diagramme de stabilité et d’amplitude des dunes en fonction des vitesses de courant, de la granulométrie du sédiment dunaire et de la profondeur d’eau (Figure I.9).

Figure I.9 : Diagramme de stabilité et d'amplitude des dunes en fonction de la vitesse du courant, de la granulométrie du sédiment et de la profondeur d’eau (Rubin & McCulloch, 1980).

I.1.3.5 Zonation des corps sédimentaires

En fonction des conditions environnementales, les dunes présentent des caractéristiques diverses, mais s’associent également à d’autres types de structures sédimentaires. En se basant sur des observations in situ, Belderson et al. (1982) ont noté qu’en fonction de la vitesse des courants et du disponible sédimentaire, différents types de corps sédimentaires se succédaient (Figure I.10). Dans le cas de fortes vitesses de courants (supérieures à 1,5 m.s^-1), des figures d’érosion ou des rubans sableux peuvent structurer les fonds marins. Ces derniers sont des structures longitudinales, étirées et aplaties qui reposent fréquemment sur une semelle de sédiments résiduels. Dans le cas de faibles vitesses d’écoulement, des tâches sableuses, peu épaisses, de formes et de tailles variables, peuvent se mettre en place.

Figure I.10 : Principaux corps sédimentaires façonnés par les courants de marée en fonction de la vitesse des courants et du disponible sédimentaire (a : fort ; b : faible) (Belderson et al., 1982).

Le Bot (2001) rappelle que les dunes peuvent être des corps secondaires surimposés aux rubans, ou encore être recouvertes de plus petites dunes, elles-mêmes surimposées de rides et qu’il est fréquent d’observer la superposition suivante : rides > petites et moyennes dunes > grandes et très grandes dunes > bancs sableux.