Marco PIANTINI

Soutenance en 2023

Signature sismique et physique du transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne : investigations avec expériences de laboratoire et observations de terrain

Seismic signature and physics of intense sediment transport in mountain rivers : insights from laboratory experiments and field observations

Encadrants/Supervisors : Alain Recking et Florent Gimbert

Résumé
Les rivières de montagne peuvent expérimenter phénomènes de transport sédimentaire très intense qui ont le potentiel de façonner fortement le paysage tout en constituant un aléa pour les zones habitées. Cependant, notre compréhension de la physique de ces processus est limitée par un manque d’observations de terrain, ce qui est lié à la nature imprévisible et destructrice de ces événements. L’utilisation de la sismologie passive a été proposée comme une alternative aux techniques de suivi classiques. Les processus fluviaux exercent des fluctuations de force sur le lit de la rivière, et ces forces génèrent des vibrations dans le sol qui peuvent être détectées en continu et à distance par des sismomètres. Bien que les signaux sismiques contiennent des informations uniques sur leur source, le potentiel de l’utilisation des observations sismiques pour étudier le transport sédimentaire intense n’a été que partiellement exploré.Dans cette thèse, nous étudions la physique du transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne par une approche multidisciplinaire impliquant des méthodes sismiques. Nous avons suivi deux voies différentes mais parallèles, au laboratoire et sur le terrain, afin d’explorer les processus à différentes échelles spatiales et dans un large éventail de contextes fluviaux.Au laboratoire, nous avons focalisé notre analyse sur les rivières de montagne à forte pente, qui sont susceptible de recevoir des bouffées sédimentaires provenant de la déstabilisation des dépôts sédimentaire en tête de bassin versant. Nous avons observé que, plus que par le forçage hydraulique, la déstabilisation des dépôts et la propagation des bouffées étaient dictées par de fortes interactions granulaires, au cours desquelles les particules fines jouent un rôle central. Les observations sismiques ont montré des relations non triviales entre les fluctuations de force basale générées par le corps des bouffées sédimentaires et plusieurs propriétés de l’écoulement. Cependant, au-delà de ces complexités, une relation négative unique a été obtenue entre les fluctuations de force et la concentration solide. Cette concentration apparait être un bon proxy de l’agitation des particules, comme le suggère la rhéologie locale μ(I) des écoulements granulaires denses.Sur le terrain, nous avons étudié la dynamique d’événements de crue qui se sont produits sur la Séveraisse (Massif des Écrins) et dans les bassins versants de la Vésubie et de la Roya (Alpes maritimes), ce dernier événement ayant été particulièrement extrême et dévastateur. Sur la Séveraisse, nous avons localisé des zones actives de transport sédimentaire à haute résolution avec un réseau sismique dense, et nous avons déduit des flux élevés de transport sédimentaire et des changements morphologiques en nous basant sur les relations à différentes bandes de fréquence entre les mesures de débit d’eau et la puissance sismique. Sur les bassins versants de la Vésubie et de la Roya, nous avons montré que les observations sismiques capturaient l’évolution générale de la crue telle qu’elle est décrite par les simulations pluie-débit, mais qu’elles permettaient également de mettre en évidence un transport sédimentaire intense résultant de perturbations du lit et des versants, qui ne pouvait être expliqué uniquement par l’hydraulique.Avec cette thèse nous avons montré que le transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne est caractérisé par une synergie entre le forçage hydraulique, les conditions d’alimentation sédimentaire, et les interactions au sein de la phase granulaire. Dans ce scénario complexe, nous avons démontré que les méthodes sismiques constituent un outil unique pour résoudre une diversité de processus qui est difficile à explorer dans le cadre des théories et techniques de suivi classiques.