Seuils de mise en mouvement

a) Vitesse cisaillante critique

Le seuil critique de mise en mouvement est un paramètre clé pour comprendre et interpréter les conditions environnementales qui contrôlent la construction et l'évolution d'un corps sédimentaire (Kench et McLean, 1996). Pour chaque échantillon sédimentaire, le débit du canal est augmenté jusqu'à atteindre l'initiation du transport sédimentaire. Un prol de vitesse est alors réalisé. Il en est extrait la vitesse cisaillante critique u∗

crit. Ces données sont analysées par rapport aux diamètres de tamis et de sédimentation des particules (Figure IV.24). Elles sont comparées à la courbe moyenne de vitesse cisaillante critique, établie par Paphitis et al. (2001) d'après une compilation de 19 études sur les seuils de mise en mouvement de sables silicoclastiques de tailles variables (inférieures à 1mm). Concernant les sédiments bioclastiques, Paphitis et al. (2002) étudie également les vitesses cisaillantes critiques des petits débris coquilliers, en considérant à la fois les diamètres de tamis et de sédimentation (Figure IV.24). Pourtant, seules des particules de taille inférieure au millimètre sont utilisées. Notre travail complète cette étude avec des particules bioclastiques plus grossières.

Les valeurs de vitesse cisaillante critique des huit échantillons sont en bonne continuité avec les données expérimentales de Paphitis et al. (2002). Elles sont contenues dans l'en-veloppe de Paphitis et al. (2001) pour des sables silicoclastiques lorsqu'elles sont tracées

Fig. IV.24 Vitesses cisaillantes critiques de mise en mouvement des 8 échantillons bioclastiques en fonction de la taille des particules (diamètre de tamis et diamètre équivalent de sédimentation), et données expérimentales de Paphitis et al. (2002) pour des particules bioclastiques.

IV.4. Comportement d'un lit sédimentaire bioclastique sous un écoulement unidirectionnel en fonction des diamètres de tamis (carrés pleins, Figure IV.24), et ce jusqu'aux sédi-ments les plus grossiers (S315). Lorsque les valeurs de vitesse cisaillante sont tracées en fonction des diamètres de sédimentation (cercles pleins, Figure IV.24), elles s'écartent de l'enveloppe (valeurs expérimentales supérieures à la prédiction), et ce d'autant plus que le sédiment est grossier. En d'autres termes, le diamètre équivalent ne semble pas être la bonne longueur pour caractériser la surface que les particules bioclastiques orent à l'écoulement lorsqu'elles sont imbriquées dans le lit sédimentaire. Cette observation est en accord avec les conclusions tirées de l'étude sur la rugosité équivalente (IV.4.4).

Du fait de la très grande asymétrie des particules bioclastiques, trois longueurs ca-ractéristiques interviennent dans la description des débris coquilliers : (i) une longueur intermédiaire qui est déterminée par l'analyse au tamis ; (ii) une grande longueur qui confère aux particules leur grande surface projetée. Cette grande surface est à l'origine des faibles vitesses de sédimentation, mais elle confère aussi aux particules une bonne sta-bilité sur le fond, les empêchant de rouler. (iii) La petite longueur représente l'épaisseur des débris coquilliers, où encore la hauteur de corde associée à la convexité des particules reposant sur un fond plat.

Ainsi, il est dicile de comparer les seuils de mise en mouvement des particules bio-clastiques et des particules silicobio-clastiques. Puisque les débris coquilliers ont une forme s'éloignant fortement de la sphère, diérentes longueurs caractéristiques peuvent être uti-lisées, amenant à des résultats très diérents. Ici, la longueur intermédiaire estimée par l'analyse au tamis semble être le meilleur paramètre pour caractériser le comportement des particules bioclastiques organisées en lit sédimentaire.

Le même problème de dénition de taille peut apparaître entre deux études utilisant le même matériel. Ici, le nombre de Reynolds de grain est déni en terme de longueur équivalente de rugosité (ks). Paphitis et al. (2002) utilisent quant à eux un nombre de Reynolds de grain en terme de diamètre équivalent de sédimentation (Dsettling). En utili-sant ces deux dénitions, Re∗ peut varier d'un facteur 10, particulièrement dans le cas de matériel bioclastique où les diamètres de sédimentation sont très diérents des diamètres de tamis ou longueur de rugosité. Ceci peut amener à des interprétations diérentes des seuils de mise en mouvement de sédiment.

b) Nombre de mobilité

Komar et Clemens (1986) dénissent un nombre de mobilité Mn (Equation IV.29) qui est un rapport entre la vitesse cisaillante critique et la vitesse de sédimentation du sédiment : M_n= ^u ∗ w_s ⁼ r τcr ρ ^. 1 w_s (IV.29)

L'utilisation de ce paramètre permettrait d'introduire, à travers la vitesse de chute du sédiment, l'eet de la forme des particules sur leur mise en mouvement. Les nombres de mobilité des 8 échantillons sont calculés et tracés (Figure IV.25) en fonction du nombre de Reynolds de grain (Re∗ - Equation IV.10). Leurs valeurs sont comparées à la courbe synthétique de Van Rijn (1993) et de son enveloppe, interpolée d'après de nombreuses études de seuils de mise en mouvement sur des sables silicoclastiques.

Comme évoqué dans la Partie IV.4.5-a), plusieurs longueurs caractéristiques peuvent être utilisées pour dénir le nombre de Reynolds de grain. Pour illustrer les diérences que que cela peut entraîner, les nombres de mobilités sont tracés en fonction de nombres de Reynolds de grain calculés avec ks, Dsieve et Dsettling. A titre de comparaison, les données expérimentales de Paphitis et al. (2002) sur un sédiment bioclastique n sont également reportées sur le graphique.

Les données expérimentales sont sans exception au-dessus de l'enveloppe de la courbe

Fig. IV.25  Nombres de mobilité des 8 échantillons bioclastiques en fonction du nombre de Reynolds de grain, et données expérimentales de Paphitis et al. (2002) pour des particules bio-clastiques.

IV.4. Comportement d'un lit sédimentaire bioclastique sous un écoulement unidirectionnel synthétique de Van Rijn (1993), et ce peu importe la dénition du nombre de Reynolds utilisé. La mauvaise représentation du seuil de mise en mouvement des particules bioclas-tiques semblerait venir du nombre de mobilité lui-même, plutôt que de la formulation du nombre de Reynolds de grain. En eet, ce nombre de mobilité fait intervenir la vitesse de sédimentation du matériel étudié. Comme il l'a été démontré précédemment (IV.4.4), la chute d'une particule dans un uide et son érosion sur un lit plan sont régies par des processus physiques diérents. Si les particules plates ont des vitesses de chute très faibles, cela ne veut pas dire pour autant qu'elles sont facilement érodables une fois strucuré en lit. Si les données expérimentales reposent au-dessus de l'enveloppe de Van Rijn (1993), c'est parceque le nombre de mobilité est surestimé par une valeur de ws petite.

Les données expérimentales ne sont pas en continuité avec les valeurs de Paphitis et al. (2002) pour un sédiment plus n, et composé de particules moins aplaties. Il apparaît une nouvelle fois que l'utilisation de la vitesse de sédimentation pour le calcul du nombre de mobilité n'est pas approprié pour des particules bioclastiques grossières.

Un protocole expérimental est établi pour quantier les contraintes cri-tiques de mise en mouvement du sédiment, et étudier les eets de la rugosité d'un fond sédimentaire bioclastique sur la couche limite de fond. Un écoulement unidirectionnel est généré dans un petit canal en verre, et les vitesses dans la couche limite sont mesurées par Vélocimétrie Doppler Laser. Le même protocole de mise en place du sédiment, de mise en eau du canal, et d'acquisition des données est utilisé pour les huit échantillons étudiés. Les éventuels biais et erreurs liés à l'installation expérimentale ou au protocole sont identiés et quantiés. Ils ne constituent pas d'obstacle majeur à l'analyse et à l'interprétation des données. L'analyse des prols de vitesse et de contrainte permet de dénir la rugosité d'un fond sédi-mentaire bioclastique. La quantication des seuils de mise en mouvement montre une bonne résistance du sédiment à l'écoulement, et ce malgré des diamètres de sédimentation faibles. Cette résistance est à relativiser dès qu'apparaissent des gradients de pression normaux à la surface (cas de la houle, du déferlement,...), où la forme plate des particules faciliterait leur mise en suspension. Le diamètre de sédimentation n'est pas la longueur caractéristique à considérer pour les processus d'érosion de particules bioclastiques très plates.