Modelisation des ecoulements gravitaires catastrophiques par une approche objet dynamique : Erosion - Transport - Depot

Alexandre Hugot (1)

1 Laboratoire de Modelisation en Mecanique / Institut Francais du Petrole; division Geologie-Geochimie

In this thesis, we present a simple mathematical model for the sedimentation of deep water gravity deposits. The flow is treated as a deformable geometrical object. Main physical features of the model include : 1. Turbulence; 2. Spreading due to pressure forces; 3. Water incorporation at the suspension-ambient fluid interface; 4. Particle settling; 5. Particle erosion. Asymptotic analytical solutions of the non-linear differential system show the consistency of long times numerical solutions. Numerical tests allows the quantification of the impact of physical parameters, initial conditions and controling parameters (slope, granulometry). An inverse method is develop in order identify initial conditions and/or model parameters. Partial inversion (initial conditions identification) apply to small-scaled models, shows the good qualitative behaviour of the model, even out of his validitiy range. Total inversion (physical parameters and initial conditions identification) shows the good quantitative behaviour of the model on velocities and deposit thicknesses. Application of the inverse method to the Nice 1979 gravity flow (south-France), constrain by cable breaks and/or deposit thicknesses, leads, for example, to initial volume estimation or flow physical parameters (friction coefficient, modified turbulent Schmidt number ...). Despite some limitations, due to the geometrical simplification of the flow, this complete model constitutes a first step towards quantitative comprehension of the impact of external parameters on catastrophic gravity flow dynamics and on the organization of subsequent deposits. Due to its very short computational times, it is foreseeable to simulate series of events and therefore to form multi-event depositional sequences. It can be used to reconstruct the sedimentation processes and the resulting architecture of deep-water reservoirs.

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.

Mots clés: objet écoulement; équations différentielles; inversion; modèles réduits; analogue réel; écoulement gravitaire catastrophique; analogue réel.

Domaines: Modélisation et simulation; Géologie appliquée; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Alexandre Hugot. Modelisation des ecoulements gravitaires catastrophiques par une approche objet dynamique : Erosion - Transport - Depot. Modélisation et simulation. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2000. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00002677⟩