Mécanismes du Transport des Sédiments

Introduction

Les marées et les vagues génèrent des courants marins dont l'énergie permet le début du détachement des sédiments et leur transport au-dessus du fond du lit. Le transport des sédiments s'effectue différemment selon la nature du sédiment et la taille du grain, à des niveaux variables de profondeur et de proximité du fond. Ce phénomène dépend essentiellement de deux paramètres: la vitesse de cisaillement et la taille du grain des sédiments. Nous allons donc commencer par définir et décrire les différents sédiments marins, expliquer la formation et le rôle de la couche limite de l'écoulement au niveau du fond de la mer puis présenter les mécanismes proprement dits du transport des sédiments.


Les Sédiments Marins

Il est important dans le cadre de notre étude de classer les sédiments selon leur taille, c'est-à-dire leur diamètre apparent (diamètre minimal de la sphère entourant le sédiment) par exemple, selon l'échelle de Wentworth. On peut distinguer 3 grands types de sédiments:

Cette distinction provient de la particularité des vitesses de chûte de ces sédiments. En effet, les sables correspondent à la zone intermédiaire entre les vases pour lesquelles la résistance hydrodynamique varie proportionnellement à la vitesse de chûte, c'est-à-dire tombent en régime laminaire et les galets qui tombent en régime turbulent.

D'autre part, il faut distinguer 2 configurations de sédiments :

La cohésion des sédiments a un effet significatif sur l'érosion des sédiments et résulte de la présence d'argile (même en faible proportion: 5 à10 % du total des sédiments déposés). Les particules ont tendance à former des conglomérats dans lesquels les flocons sont liés entre eux par de fortes forces électrostatiques

Les sédiments non cohésifs contiennent des sédiments de grosse taille, non soumis à des forces d'interactions leur permettant de bouger indépendamment les uns des autres. Ils incluent le sable et les limons.


L'écoulement et l'étude de la couche limite

La force de l'écoulement se décompose en une force de flottabilité verticale ascendante (portance) et une force de frottement de l'eau sur les sédiments, horizontale dans le sens de l'écoulement (traînée). Pour qu'il y ait transport de sédiments il faut que cette force soit suffisante pour compenser à la fois la force de gravité à laquelle les sédiments sont soumis et la force de frottement des sédiments en contact avec le fond.

Lorsque l'eau est en contact avec le fond et les sédiments qui y sont déposés, l'écoulement est perturbé et la force de frottement de l'eau sur les sédiments ralentit l'écoulement au fond. En théorie, sans présence de sédiments, la vitesse de l'écoulement au fond du lit devrait être nulle. On observe une variation verticale de la vitesse de l'écoulement, qui croît en s'éloignant du fond jusqu'à atteindre une une valeur constante. La couche limite est délimitée par le fond et la profondeur à laquelle la vitesse de l'écoulement ne varie plus. C'est la force de frottement et plus particulièrement sa composante tangentielle, le cisaillement Tau qui est responsable de ce gradient de vitesse. Tau0, la valeur de la contrainte tangentielle au fond est directement proportionnelle au gradient de vitesse dans la couche limite.

Généralement, la couche limite s'étend entre 1 et 10 mètres au-dessus du fond de la mer.

Nous avons jusqu'ici considéré un écoulement permanent, cependant en réalité pour les écoulements marins, on peut considérer qu'il existe une couche inférieure très fine juste au-dessus du fond où l'écoulement est laminaire (Tau y est maximum), puis lorsque la vitesse de l'écoulement augmente, l'écoulement devient turbulent et tridimensionnel tout en gardant une direction préférentielle. Au-dessus de cette fine sous-couche visqueuse, le profil des vitesses est courbé et le taux de variation de la vitesse décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne du fond. Tau n'y est pas constant puisque le rapport du/dz change et est défini par la vitesse de cisaillement:

Dans cette sous-couche visqueuse, le profil de vitesse est quasi-linéaire et Tau est quasi-constant. Bien qu'elle soit très fine, elle affecte de façon considérable le mouvement des sédiments.En effet, si le diamètre apparent des grains est inférieur au tiers de l'épaisseur de la sous-couche visqueuse, alors celle-ci n'est pas perturbée. On peut le comprendre en imaginant que l'écoulement turbulent ne "perçoit" pas la présence des sédiments pour les mettre en mouvement. Mais si les grains ont une taille supérieure au tiers de la sous-couche visqueuse, les sédiments perturbent l'écoulement laminaire du fond du lit et les tourbillons s'étendent plus en profondeur. Ces tourbillons sont alors capables "d'arracher" les sédiments du fond et de les transporter.


Les Mécanismes de Transport des Sédiments: Erosion et Dépôt

Il faut distinguer 2 types de transport des sédiments:


L'érosion des Sédiments

Le mouvement des sédiments dans le lit de la mer débute lorsque la contrainte de cisaillement Tau est suffisamment grande pour compenser le poids des sédiments et la force de frottement des sédiments avec le fond marin. On appellera Tauc, la valeur de la contrainte tangentielle critique et u*c, la valeur de la vitesse critique qui déterminent le début du transport des sédiments.

La vitesse critique définie ci-dessus dépend de la taille du grain des sédiments. Quand les grains sont petits ou que l'écoulement est relativement lent, les grains sont protégés par l'action de la sous-couche visqueuse et il n'y a pas de mouvement.

Lorsque la vitesse de cisaillement augmente, la sous-couche visqueuse est de plus en plus fine (comme nous l'avons expliqué précédemment), les tourbillons arrachent les sédiments de grosse taille du fond du lit; les sédiments roulent, glissent tout en restant au fond: c'est le transport par charriage.Finalement, la vitesse de cisaillement peut être assez grande pour que les sédiments se détachent du fond et pour porter temporairement les grains en suspension avant qu'ils ne se redéposent dans le fond. On définit la vitesse de dépôt ws correspondant à la vitesse à laquelle les sédiments en suspension retombent dans le fond.

Le graphe ci-dessous obtenu expérimentalement montre bien la nature du transport en fonction de la taille du grain et de la vitesse de cisaillement. Les paramètres utilisés sont la densité des particules de quartz égale à 2.65 10^3 Kg/m^3, la densité de l'eau de mer égale à 1.025 10^3 Kg/m^3 à 15°C, la viscosité égale à 10^(-3) Ns/m² et g égal à 9.8 m/s².

Les grains des sédiments cohésifs sont fortement liés entre eux et ne peuvent se détacher du fond qu'en grosses bouffées de vase, sous l'action d'une vitesse de cisaillement très forte. Il est démontré que la vitesse critique de cisaillement varie avec la concentration des sédiments déposés au fond. En dépit de la petite taille des sédiments, la boue est difficilement érodée.

La cohésion joue un rôle important pour le dépôt des sédiments dans les estuaires comme nous le verrons plus tard.


Le dépôt des Sédiments

Les mouvements marins ne sont pas stables et en particulier à cause des marées. Après avoir atteint leur vitesse maximale, les courants de marée décélèrent et en conséquence les tourbillons du fond ne sont plus assez puissants pour maintenir les particules en suspension: les sédiments se déposent.

Pour une taille donnée des grains, les sédiments vont arrêter de bouger et retomber dans le fond dès que la contrainte tangentielle de dépôt critique Taud sera atteinte, dans ce cas Taud = Tauc.

Lorsque Taud est atteint, les sédiments vont alors retomber sur le lit. Mais Taud dépend de la taille du grain. Les gros grains retombent dès que la gravité est plus forte que la portance mais ils peuvent rester en suspension au niveau de la couche de charriage grâce à l'action des tourbillons. On en déduit que dans ce cas Taud est supérieur à Tauc.

Il apparaît alors un phénomène de retard de dépôt. Les grains de taille différente ne vont pas atteindre le fond au même moment.