Ce travail présente une analyse des systèmes turbiditiques actuels du Golfe d’Oman et de la marge est-africaine (océan Indien occidental), auparavant méconnus. Il se base sur une base de données acoustique (bathymétrie, imagerie multifaisceaux, sismique THR et multitraces) et sédimentologique (carottes küllenberg et calypso) issues de campagnes successives réalisées par le SHOM et l’IFP. L’architecture des systèmes de dépôts profonds et les processus associés ont révélé une grande diversité selon le contexte géodynamique et physiographique des marges étudiées (marge passive, marge transformante, marge active). Les différents systèmes étudiés illustrent notamment le rôle du contexte tectonique régional sur la répartition et la morphologie des dépocentres à plusieurs échelles d’observation. L'analyse détaillée des faciès et séquences sédimentaires a permis de mettre en évidence le fonctionnement sédimentaire des différents systèmes en lien avec les conditions physiographiques et environnementales régionales (influence des crues liées à la mousson sur le transfert sédimentaire). A travers la reconstruction des transferts sédimentaires dans ces systèmes turbiditiques, nous discutons de l’impact relatif des différents facteurs forçant la sédimentation gravitaire sous-marine à haute-fréquence (eustatisme, climat, et tectonique). Pour cela, une étude stratigraphique détaillée a été réalisée sur la base de différents outils (datation radiocarbone, géochimie élémentaire, biostratigraphie) permettant de contraindre dans le temps les séries sédimentaires gravitaires. L’évolution des apports sédimentaires et des processus de dépôt au cours du Quaternaire terminal, en relation avec les modifications paléo-environnementales continentales, a permis d’identifier l’impact, l’importance relative et les interactions entre les forçages externes sur le développement à haute-fréquence (103-104ans) de systèmes de dépôt gravitaires, dans divers contextes géodynamiques. Les connaissances acquises sur la sédimentation du Golfe d’Oman ont finalement permis d’alimenter une base de données sédimentologique conséquente. L’intégration de cette base dans un modèle numérique géoacoustique (« simulateur ») développé par le SHOM a permis d’évaluer quantitativement l’impact des variations sédimentaires à différentes échelles (distribution spatiale, lithologie, stratification, processus de dépôt) sur la propagation du signal acoustique pour différentes gammes de fréquence (de 300 Hz jusqu’à 3 kHz) et angles d’émission (de 0 à 90°). Ces travaux constituent une base pour la réalisation d’un modèle géoacoustique régional robuste. / This study focuses on the Late Quaternary turbidite systems of the Gulf of Oman and the East-African margin (western Indian Ocean), previously poorly studied. It is based upon a compilation of acoustic data (bathymetry, multibeam imagery, 3.5 kHz and multi-channel seismic) and sedimentological data (küllenberg and calypso piston cores) recovered during several cruises leaded by the SHOM and IFP institutes. Turbidite system architecture and sedimentary processes revealed a strong variability primarily related to the physiographic, hydro-climatic and geodynamic context of each margin. High-resolution stratigraphy has been achieved using a combination of radiocarbon dating, XRF geochemistry, biostratigraphy). This allowed to investigate the impact, the interaction and the relative importance of the external forcings on deep water sedimentation (i.e. tectonics, climate and eustasy) at high- frequency (103 -104 yrs) in different tectonic setting (active & passive margins). Finally, integration of the sedimentological data set in a geoacoustic numerical modelling leaded to a first quantitative estimation of the regional relationship between sea-floor properties (lithology, depositional environment, stratification) and propagation of acoustic signal at 300 Hz- 3kHz frequencies and 0-90°. This work constitutes a basis for future geoacoustic modelling in the area.

Nous nous sommes intéressés dans la présente thèse à l’étude de l’écoulement gravitaire de nappesliquides non guidées qui s’écoulent verticalement dans l’air ambiant. Après une synthèse bibliographique,nous avons réalisé une double étude, expérimentale et numérique, en considérant des liquidesde viscosités différentes (allant de 1 à 50 fois celle de l’eau) et de tension superficielle proche de cellede l’eau. Le nombre de Reynolds Rel du liquide a varié de quelques unités à quelques milliers alorsque le nombre de Weber du liquide allait approximativement de 0.1 à 10. Le dispositif expérimentalque nous avons mis en place nous a permis de créer et d’étudier les formes géométriques des nappesliquides. Nous avons employé une méthode expérimentale originale pour mesurer le champ d’épaisseurdes nappes. Nous avons mené, parallèlement aux expériences, des simulations numériques 2D et 3Dinstationnaires et diphasiques (VOF), utilisant le calcul parallèle. Nous avons trouvé que les nappesexpérimentales et numériques deviennent plus courtes (verticalement) et moins épaisses lorsque le débitdiminue. Expérimentalement, lorsque le débit du liquide devient suffisamment faible, des filamentsliquides commencent à apparaître à coté d’une nappe moins large qu’auparavant. Dans le cas desnappes d’eau, cette transition de régime d’écoulement a été précédée de l’apparition systématique detrous dans la partie inférieure des nappes. Pour les autres liquides newtoniens plus visqueux (solutionsaqueuses de glycérine), l’apparition des filaments liquides a été précédée d’une déstabilisation des bourreletsqui délimitent la partie plane des nappes. Nous avons étendu par la suite l’étude expérimentaleà celle de fluides au comportement rhéologique plus complexe en utilisant un liquide non newtonienrhéofluidifiant. Nous avons montré pour ce fluide rhéofluidifiant que le débit associé à la transition versle régime des filaments diminue en comparaison avec celui associé à un liquide newtonien de viscositésimilaire. Cela nous a conduit à suggérer que la présence des propriétés rhéofluidifiantes des nappesliquides peut représenter une solution pour les applications de "coating" pour lesquelles on cherche àproduire des nappes stables et sans percement dans des configurations d’écoulement de faibles débits. / In this thesis, unguided plane liquid sheets flowing vertically by gravity in an ambient air atmosphereare studied experimentally and numerically. First of all a litterature survey clearly identified themain issues regarding the dynamics and modelling of such flows. Subsequently, different liquids exhibitinga wide range of viscosity (1 to 50 times that of water) and a surface tension close to that of waterwere selected. The liquid flow regimes were characterized by a Reynolds number Rel ranging from afew units to a few thousand while the Weber number Wel was varied between 0.1 to 10. A dedicatedexperimental system was designed and operated to study the relevant sheet features (geometry, thickness)by means of an original optical method. In parallel, finite volume based 2D and 3D simulationsof the flows were undertaken. All rely on the volume of fluid method (VOF) combined with adaptivemeshing. The experimental and numerical sheets became shorter (vertically) and thinner as the massflow rate decreased. Experimentally, when the mass flow rate of the liquid becomes sufficiently low,liquid threads begin to appear next to a narrower sheet than before. In the case of water, this flowregime transition was preceded by the systematic appearance of holes in the lower part of the sheets.For the other more viscous Newtonian liquids (mixtures of water and glycerin), the appearance of theliquid threads was preceded by a destabilization of the rims which delimited the flat part of the sheets.The experimental study was then extended to fluids featuring more complex rheological behavior e.g.by the use of a non-Newtonian shear-thinning fluid. For such a fluid, it was shown that the criticalmass flow rate associated with the transition towards the threads regime was lower than its Newtoniancounterpart of similar viscosity. It is suggested that the presence of shear-thinning properties in liquidsheets may represent a solution for "coating" applications for which stable and non-pierced curtainsin flow configurations of low mass flow rates are targeted.

Nous proposons dans cette thèse un modèle mathématique simple adapté à la sédimentation des dépôts gravitaires en eaux profondes. L'écoulement est traité comme un objet géométrique déformable. Les principaux mécanismes physiques pris en compte par le modèle sont : 1. La turbulence ; 2. L'étalement dû aux forces de pressions ; 3. L'incorporation de fluide le long de l'interface suspension-fluide ambiant ; 4. La sédimentation de particules ; 5. L'érosion de particules. Les solutions analytiques asymptotiques du système différentiel non-linéaire montrent la consistance des solutions numériques sur les temps longs. Les tests numériques permettent de quantifier l'impact qualitatif et quantitatif des pramètres physiques du modèle, des conditions initiales et des parmètres de contrôle (pente, granulométrie). Une méthode d'inversion est mise en oeuvre pour l'identification des conditions initiales et/ou des paramètres du modèle. L'inversion partielle (détermination des conditions initiales) appliquée à des modèles réduits expérimentaux montre le bon comportement qualitatif du modèle et cela même hors du domaine de validité strict de ce dernier. L'inversion total (identification des paramètres physiques et détermination des conditions initiales) montre le bon comportement du modèle d'un point de vue quantitatif au niveau des vitesses de l'écoulement et des épaisseurs déposées. La méthode d'inversion est appliquée à l'effondrement de l'aéroport de Nice en 1979 pour tester des scénarios d'écoulement. Contrainte par les ruptures de câbles et/ou les épaisseurs déposées, elle permet, par exemple, d'estimer le volume initial ou les paramètres physiques de l'effondrement (coefficient de friction, nombre de Schmidt turbulent modifié...). Malgré quelques limitations, principalement dues aux simplifications géométriques de l'écoulement, ce modèle simple est un premier pas vers la compréhension quantitative de l'impact des paramètres externes -tel que la nature et la quantité des apports en sédiments, la géométrie du bassin- sur la dynamique des courants turbiditiques et l'organisation des séquences de dépôts résultantes. Grâce à ses faibles temps de calcul sur micro-ordinateur, il est envisageable de simuler des séries d'événements et de former ainsi des séquences de dépôt multi-événementielles. Il peut être utilisé pour reconstruire les processus de sédimentation et les dépôts résultants.

Les ‘glissements de type écoulement' (flow-like landslides) constituent un risque naturel majeur dans la plupart des zones de montagne. Ce terme générique regroupe un ensemble de phénomènes variés (glissement-coulée, coulée de débris, lave torrentielle) qui peuvent s'enchaîner dans le temps ; leur trait commun caractéristique est le transport en masse d'un mélange très concentré d'eau et de particules solides. L'énergie considérable mise en jeu rend souvent peu efficace les solutions techniques de stabilisation ou de protection. Il est donc indispensable de mettre en place dans les zones exposées des stratégies de prévention-surveillance. Diverses études dans le domaine de la modélisation ont permis de progresser dans cette voie, sans toutefois conduire à des résultats véritablement satisfaisants. Des approches par la mécanique des sols ou la mécanique des fluides permettent d'obtenir des représentations généralement convenables des écoulements au laboratoire, mais la généralisation de ces modèles à l'échelle du terrain, sur des évènements réels, est souvent délicate. Des travaux scientifiques ont été engagés sur la base d'une meilleure connaissance du fonctionnement hydro-mécanique de ces objets. Pour cela, nous avons développé une approche fondée sur des mesures in-situ, le traitement statistique de séries temporelles, des essais de caractérisation hydrodynamique, géomécanique et rhéologique, et une modélisation numérique. Le site expérimental du glissement-coulée de Super-Sauze (Alpes du Sud), représentatif des aléas gravitaires à composante visqueuse (roches marneuses et schisteuses), est notre observatoire d'étude. Un modèle conceptuel hydro-mécanique de comportement des glissements-coulées est proposé. Des lois de comportement des matériaux sont définies pour différents gradients de cisaillement. Le modèle conceptuel est introduit dans plusieurs codes de calculs pour représenter les différents stades du mouvement (glissement lent, écoulement rapide, étalement). La complexité de ces phénomènes ne permet pas d'utiliser un seul code couplé. Les fluctuations de pressions interstitielles sont modélisées à l'aide du modèle hydrologique spatialisé à base physique STARWARS. Le modèle hydrologique est calé (teneurs en eau, pressions interstitielles) sur différents pas de temps et sites de mesures. Les données simulées sont utilisées en conditions initiales de plusieurs modèles géomécaniques (GefDyn). Les simulations indiquent qu'une loi de comportement élastoplastique avec effet visqueux doit être introduite pour représenter les vitesses de déplacement. Les modèles sont calés à l'échelle d'une année. Dans certaines conditions topographiques et géométriques, la génération de surpressions interstitielles conduit à de forts déplacements et à la liquéfaction du matériau. La propagation et l'étalement des écoulements rapides libérés sont représentés avec les modèles rhéologiques Bing et Cemagref-1D / 2-D. Les distances de parcours et hauteurs d'écoulement sont bien représentés avec une loi de comportement viscoplastique (Herschel-Bulkley). Des prédictions et des scénarios d'évènements sont proposés. Utilisés en chaîne, ces différents modèles permettent de représenter les stades successifs d'évolution des glissements-coulées. Ils fournissent ‘individuellement' de bonnes simulations et sont calés sur des observations réelles. Ce calage croisé permet de justifier leur performance, la validité de leur formalisation numérique et de dégager leurs avantages et inconvénients pour l'expert en charge de la gestion de l'aléa.

L'amortissement des déplacements et des déformations de l'avant-pays d'une chal ne de collision est étudié grâce à l'utilisation conjointe de plusieurs méthodes. Les déformations à l'échelle de l'affleurement sont analysées par des mesures microstructurales. Les déplacements horizontaux et les déformations à l'échelle des méga-structures sont quantifiés par l'analyse des bilans géométriques d'une coupe. Les déplacements verticaux du socle sont étudiés grâce à un modèle de flex ion d'une plaque Iithosphérique. La zonation des déformations de la couverture est reliée, grâce à des modèles mécaniques à l'influence respective des forces de surface et des forces de volume. Chacune de ces méthodes est d'abord présentée, puis détaillée de manière à faire partie d'une méthode d'aide à la conception de coupes géologiques, basées sur l'utilisation d'un micro-ordinateur. Le problème des relations entre la formation du Jura et celle des Alpes est ensuite étudié. Différentes hypothèses sur la genèse du Jura sont analysées grâce aux méthodes présentées précédemment. Ce travail conduit à exclure certaines d'entreelles, et à proposer un schéma cinématique et dynamique compatible avec les observations structurales et stratigraphiques, les données géophysiques disponibles, et les résultats de modèles. mécaniques. Si la déformation du Jura interne peut correspondre à un chevauchement Alpin propagé jusqu'à cette région périphérique par le décollement généralisé de la couverture du bassin molassique, la déformation du Jura Externe ne peut être reliée de la même manière à la formation des Alpes, et doit être expli- . quée par une tectonique du socle, liée aux régimes successifs d'extention (formation des fossés Bressan et Rhénan) et de corn· pression (formation des Alpes) qui se produisent régionalement.

[néant]

Ce travail présente une analyse de la dynamique sédimentaire du système turbiditique actuel de l’Ogooué (Golfe de Guinée), secteur encore très peu exploré à l’heure actuelle. Il se base sur l’interprétation de données géo-acoustiques (sondeur multifaisceaux et sismique chirp), sédimentologiques (carottes küllenberg et interface) et courantométriques issues de campagnes océanographiques réalisées par le SHOM. L’analyse morpho-bathymétrique détaillée a révélé la diversité des structures morphologiques le long de la marge. Ces observations, associées aux données sédimentaires et courantométriques ont permis de préciser les différents processus de dépôt. La configuration du plateau continental, dont la largeur se réduit fortement vers le Nord va entraîner une variabilité des transferts sédimentaires en profondeur le long du système turbiditique de l’Ogooué. La très faible extension du plateau continental à l’extrémité de l’île Mandji et l’action de la dérive littorale favorisent une sédimentation gravitaire active sous la forme d’écoulements turbiditiques dans le canyon du Cap Lopez ou de glissements sous-marins. Grâce à la comparaison de données bathymétriques à différentes échelles de temps, il a été possible de documenter à très haute résolution les mécanismes d’initiation et de développement d’instabilités ainsi que les processus sédimentaires à l’origine du développement des méandres. En plus des apports détritiques, les écoulements gravitaires initiés dans ce secteur vont également transporter de grandes quantités de matière organique. / This work presents an analysis of the sedimentary dynamic in the Ogooué turbidite system (Gulf of Guinea), previously poorly studied. It is based upon the interpretation of geo-acoustic (multibeam bathymetry and imagery, seismic chirp), sedimentological (Küllenberg and interface cores) and current-meter data recovered during oceanographic cruises conducted by the SHOM. The detailed morpho-bathymetric analysis reveals the diversity of morphological structures along the margin. These observations, combined with current meter and sedimentological data allowed us to determine various depositional processes. The decreasing width of the continental shelf toward the North involves a variability of sediment transfer along the Ogooué turbidite system. The very small extension of the continental shelf at the extremity of the Mandji Island and the action of longshore drift promote active gravitary sedimentation dominated by turbiditic flows in the Cap Lopez canyon or submarine slides.By comparing bathymetric data at different time scales, we document the mechanisms responsible for the initiation and development of instabilities and the sedimentary processes related to meander growth. In addition to detrital fraction, the gravity flows initiated in this area also carry large amounts of organic matter.

Le sulfure d’hydrogène (H2S) est un gaz malodorant, dangereux, et responsable de la corrosion du béton dans les canalisations d’eaux usées. Ce dernier phénomène est très coûteux pour les collectivités. Le composé H2S est généré sous forme soluble dans les zones anaérobies des réseaux d’assainissement (biofilms, sédiments, zones stagnantes ou conduites forcées) et est ensuite émis dans l’atmosphère des canalisations sous forme gazeuse dans les conduites gravitaires. Des modèles sont nécessaires pour améliorer la conception et la gestion des systèmes de collecte des eaux usées. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de transfert d’H2S lors de l’écoulement gravitaire d’un liquide saturé en gaz dissous. Nous avons développé des techniques de mesure du coefficient de transfert à l’interface liquide-gaz pour le sulfure d’hydrogène et pour l’oxygène. L’influence des conditions hydrodynamiques (vitesse d’eau), aérauliques (vitesse d’air) et de la surface d’échange a été étudiée dans différentes géométries : une cuve agitée de 5 L et une canalisation de 10 mètres de longueur. Nous avons ainsi pu établir la forte influence de la vitesse d’eau sur le coefficient de transfert global. Cette approche expérimentale a été complétée par une approche de modélisation. En utilisant la mécanique des fluides numérique, nous avons essayé de comprendre l’évolution du coefficient de transfert à partir des fluctuations hydrodynamiques locales observées à proximité de l’interface liquide gaz. Les paramètres les plus pertinents pour expliquer les observations effectuées semblent être les grandeurs liées à la turbulence. L’application future de ce type de corrélation serait l’estimation et la prévision des zones d’émissions d’H2S. Ainsi serait-il possible d’identifier les points nécessitant une surveillance et une maintenance particulière. / Hydrogen sulfide (H2S) is a harmful and odorous compound which is also responsible for concrete corrosion in sewers. This phenomenon is costly for the communities. H2S is generated in anaerobic zones in sewer networks (biofilms, sediments, forced mains or stagnant zones), and released into the atmosphere under the form of H2S(g) in gravity pipes. Knowledge-based models are needed to improve the design and the management of wastewater collection systems. The objective of this PhD work is to better understand the mass transfer mechanisms of a water flow saturated in H2S when the flow becomes free. We plan to develop a technique to access the global mass transfer coefficient at the liquid- gas interface for H2S and O2. The effect of hydrodynamic, aeraulic conditions and the liquid-gas surface area on the transfer coefficient were studied in different geometries: small batch reactor of 5L and 10 meter sewer pipe device. A strong influence of the flow velocity on the global transfer coefficient was observed. This experimental approach was completed with a numerical approach. The use of computational fluid dynamics permitted to understand the behavior of transfer coefficient from local hydrodynamics fluctuations observed near the liquid/gas interface. The direct application of this kind of correlation would be the estimation of the transfer fluxes and the localization of hazardous areas for H2S concentration. Consequently it could be possible to identify the sensitive zones requiring a follow-up of the system or a strengthening of the structures.

Les trois étapes distinctes de la diffusion en France des réseaux d'assainissement par dépression, c'est-à-dire leur émergence à la fin du XIXème siècle, l'absence totale de nouvelles installations entre 1935 et 1970, enfin leur réapparition dans les années 1970, coïncident avec trois événements clefs dans l'histoire de l'assainissement : la révolution pastorienne qui fait du microbe le premier acteur de l'assainissement ; la normalisation progressive du tout-à-1'égout gravitaire, officialisée avec la mise au point de la circulaire Caquot en 1949 ; et, dans les années 1970, le passage obligé de nonnes de procédés à des normes de résultats. L'étude de la diffusion de cette innovation consiste alors à montrer pourquoi une technique bannie a retrouvé aujourd'hui un nouveau droit de cité. L'analyse historique des facteurs qui ont présidé à la marginalité des premiers procédés pneumatiques révèle que la normalisation du gravitaire a eu une portée plus importante qu'une simple réglementation des tracés et des dimensionnements des conduites. Cependant, le contexte actuel de l'assainissement en France apparaît favorable au développement du réseau sous vide. Le réseau à dépression, comme système de desserte territoriale apparaît d'ailleurs comme un système d'avenir, là même où le gravitaire ne peut être installé facilement. Enfin, le jeu des acteurs industriels promoteurs du pneumatique traduit une succession d'adaptations subies et/ou "initiées" par l'ensemble des acteurs de l'assainissement. Le développement actuel du réseau par dépression ne remet pas en cause les performances des techniques traditionnelles. Il correspond plutôt à l'apparition de nouveaux besoins et de nouvelles exigences, que les procédés gravitaires et autonomes ne peuvent pas entièrement satisfaire.