Modélisation numérique de l'impact des courants tidaux sur le long-terme : application aux enregistrements sédimentaires Holocène de la rade de Brest

Numerical modelling of the impact of tidal currents over the long-term : application to Holocene sedimentary records from the bay of Brest

• Auteur / Autrice : Matthieu Guillaume Olivier
• Direction : Marina Rabineau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences marines
• Date : Soutenance le 10/05/2022
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géo-Océan (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : EPIC : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marina Rabineau, Jean-Yves Reynaud, Xavier Bertin, Mattias Green, Bernadette Tessier, Pascal Le Roy, Héloïse Muller, Estelle Leroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Reynaud, Xavier Bertin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holocène

Paléoenvironnement

Courants de marée

Sédiments des estuaires

Dynamique hydro-sédimentaire

Mots clés libres

Dynamiques sédimentaires

Estuaire

Courants de marée

Modélisation hydrodynamique et hydrosédimentaire

Reconstructions paléo-environnementales

Sedimentary dynamics

Estuary

Tidal currents

Hydrodynamic and hydro-sediment modelling

Paleoenvironmental reconstructions

Résumé

L’impact de la marée sur les processus hydrodynamiques et le remplissage sédimentaire long terme (quelques siècles à millénaires) des estuaires reste mal compris. Ces travaux de thèse sont une contribution à la compréhension de cet impact tidal et reposent sur une méthodologie en trois étapes appliquées à la rade de Brest, un estuaire macrotidal et protégé des vagues. (1) Des scénarii paléoenvironnementaux représentatifs d’étapes clefs de la dernière transgression marine (~9 ka BP. à actuel) sont construits. (2) Les courants marins et l’impact de la marée sur les sédiments sont simulés pour chaque scénario avec le modèle hydrodynamique MARS3D, puis hydro-sédimentaire MUSTANG. (3) L’impact du forçage tidal sur l’érosion, le transport et le dépôt des sédiments, est analysé en fonction de l’évolution de la morphologie de la rade suite à son ennoiement progressif au cours de l’Holocène. Au-delà des conclusions locales, l’étude a permis : (1) de confirmer le schéma conceptuel de dépôt de Dalrymple et al. (2012) à plusieurs stades d’une transgression ; (2) de montrer que la limite de dépôt entre les sédiments sableux et vaseux n’est pas égale à un seuil de profondeur d’eau, mais dépend de la distribution des courants, qui évoluent en fonction du niveau de la mer et de la largeur de la section active; (3) de confirmer une meilleure préservation des unités sédimentaires pendant les haut-niveaux marins (HST) que pendant les transgressions (TST) dans les estuaires dominés par la marée; (4) de mettre en place un laboratoire numérique réutilisable sur 9 ka. L’étude cherche ensuite à définir la (ou les) marée morphogène en rade de Brest au cours de l’Holocène. L’analyse de l’impact de la marée sur les variations du volume de sédiment a démontré que : (1) toutes les variations significatives se produisent durant les vives eaux fortes d’équinoxe et, dans de moindres proportions, durant les vives eaux modérées d’équinoxe et les vives eaux de solstice ; (2) les variations significatives se produisent quand la vitesse maximum de variation de la surface libre lors d’un cycle de flot et jusant dépasse ~1.25 m.h-1. Les deux groupes de marée sont prometteurs pour déterminer deux marées morphogènes et obtenir un forçage simplifié pouvant reproduire l’évolution morphologique de l’estuaire sur un an. Ce qui permettrait de réaliser un changement d’échelle temporel et simuler la morphodynamique des estuaires sur de longues durées (quelques siècles à millénaires).

The impact of tides on the hydrodynamic processes and the long-term (centuries to millennia) sediment infill of estuaries remains poorly understood.This thesis is a contribution to the understanding of this tidal impact, based on a three-step methodology applied to the bay of Brest, a macrotidal estuary protected from waves. (1) Paleoenvironmental scenarii representative of key stages of the last marine transgression (~9 ka BP. to present-day) are constructed. (2) Marine currents and tidal impact on sediment are simulated for each scenario with MARS3D hydrodynamic model, then MUSTANG hydro-sedimentary model. (3) The impact of tidal forcing on erosion, transport and deposition of sediments is analysed in relation to the evolution of the morphology of the bay following its progressive flooding during the Holocene. Beyond the local conclusions, the study allowed to: (1) confirm the conceptual depositionscheme of Dalrymple et al. (2012) at several steps of a transgression; (2) show that the depositional boundarybetween sandy and muddy sediments is not equal to a water depth threshold, but depends on currents distributions, which evolve according to sea-level variation and active flow section width; (3) confirm a better preservation of sedimentary units during high sealevel stages (HST) than during transgressions (TST) in tide dominated estuaries; (4) set up a reusable numerical laboratory over 9 ka. The study then seeks todefine the morphogen tide(s) in the bay of Brest during the Holocene. The analysis of the impact of tides onsediment volume variations revealed that: (1) all significant variations occur during equinoctial strongspring tides and, in lesser proportions, during equinoctial moderate and both solstitial spring tides; (2) significant variations occur when the maximum sea surface variations rate, during an ebb and flood cycle, exceeds~1.25 m.h-1. The two tidal clusters are promising to determine two morphogen tides and to obtain a simplified forcing that can reproduce the morphological evolution of the estuary over one year. This would allow a temporal upscaling and to simulate the morphodynamic of estuaries over long periods (a few centuries to millennia).