Mardi 26 Novembre, 14h30, Amphithéatre Pierre-Gilles de Gennes, Bâtiment Condorcet, niveau -1, 10 rue Alice Domon et Léonie Duquet, 75013 Paris.
Soutenance de Martin Chaigne
Érosion par dissolution à grand nombre de Reynolds : hydrodynamique, morphogenèse et propulsion
Thèse dirigée par Michael Berhanu (MSC, DSHE, CNRS, Université Paris Cité).
Résumé :
L’érosion des roches est à l’origine d’une grande diversité de paysages et structures géologiques à la surface de la Terre. Dans le cas de roches solubles comme le gypse ou le calcaire, le mécanisme principal d’érosion est la dissolution par un écoulement d’eau. Les couplages entre topographie des roches, écoulement et taux de dissolution peuvent alors conduire à l’apparition de motifs réguliers à différentes échelles. La thèse commence par une caractérisation sur le terrain de deux de ces motifs, les karren –cannelures parallèles que l’on retrouve sur des dalles calcaires- et les scallops –cavités concaves ornant les parois des grottes. Elle se propose ensuite d’expliquer certains aspects de la formation et de la morphologie de ces motifs, en confrontant modèles théoriques et numériques simplifiés avec des expériences utilisant des matériaux à dissolution rapide. Un modèle simple de propagation d’interface permet notamment d’expliquer la présence générique de crêtes en décrivant l’émergence de singularités de la surface en temps fini via un mécanisme géométrique. La compréhension des dimensions ou encore de l’asymétrie des motifs nécessite cependant d’étudier de manière plus spécifique les liens entre écoulements et morphogenèse, ce qui est fait par la suite. Deux configurations expérimentales sont mises en œuvre, dans lesquelles des blocs solubles se dissolvent avec un écoulement imposé ou sans –dans ce dernier cas, l’écoulement résulte de la convection solutale engendrée par les gradients de concentration dus à la dissolution. On décrit alors comment des paramètres comme la vitesse de l’écoulement imposé ou l’inclinaison des blocs modifient la formation de motifs à leur surface, avant de discuter de l’application potentielle des résultats au cadre naturel. Finalement, on présente brièvement un mécanisme de propulsion par dissolution, mis en évidence expérimentalement au cours de cette thèse en parallèle du sujet principal.
Abstract:
Rock erosion is responsible for a wide variety of geological landscapes and structures on the Earth’s surface. For soluble rocks such as gypsum or limestone, the main erosion mechanism is dissolution by a water flow. Couplings between rock topography, flow and dissolution rate can then lead to the appearance of regular patterns at different scales. The thesis begins with a field characterisation of two of these patterns, karren – parallel grooves found on limestone slabs – and scallops – concave cavities adorning cave walls. It then explains certain aspects of the formation and morphology of these patterns, by comparing simplified theoretical and numerical models with experiments using fast dissolving materials. In particular, a simple interface propagation model is used to explain the generic presence of crests by describing the emergence of surface singularities in finite time via a geometric mechanism. However, in order to understand the dimensions or asymmetry of the patterns, the links between flows and morphogenesis need to be studied more specifically, which is what we do next. Two experimental set-ups are implemented, in which soluble blocks dissolve with or without an imposed flow – in the latter case, the flow results from solutal convection generated by the concentration gradients due to dissolution. We then describe how parameters such as the velocity of the imposed flow or the inclination of the blocks modify the formation of patterns on their surface, before discussing the potential application of the results to the natural setting. Finally, we briefly present a propulsion mechanism based on dissolution, experimentally demonstrated during this thesis in addition to the main subject.
