Les processus de transport de sédiments en suspension sous influence de la marée

WAVE DYNAMICS OVER ROBERTS BANK: PROCESSES AND MODELING 

Contexte

Les deltas représentent des environnements sédimentaires complexes qui font la liaison entre la terre et la mer et qui induisent une grande gamme d’environnements de dépôts marins (Tetzlaff et Harbaugh 1989). C’est une zone dynamique affectée par la plupart des processus existants dans la zone de « surf’ et ceux de la partie interne du plateau continental. De plus, il s’agit d’une zone où le régime sédimentaire peut être largement perturbé par de nombreuses pressions anthropiques. L’étude de la dynamique des sédiments, où de nombreux processus instationnaires sont mis en jeu et interagissent, est donc particulièrement complexe. S’il est difficile de les représenter avec exactitude, il est néanmoins possible de les mettre en évidence. La modélisation est un outil · qui permet d’évaluer les paramètres moteurs de l’hydrodynamisme côtier. En ce sens, la compréhension du système en est facilitée. Dans le cas du delta du Fraser, la connaissance des processus sédimentaires est nécessaire pour assurer la faisabilité de projets d’ingénierie côtière et pour comprendre la sensibilité environnementale de cette zone. Economiquement la partie Sud du delta du Fraser, Roberts Bank, est d’importance majeure. Des câbles électriques hautes tensions, qui alimentent l’île de Vancouver depuis le continent, traversent le marais, le front et la pente deltaïque sur la portion Sud. Le plus grand port d’exportation de charbon du Canada et le terminal de ferry de Tsawwassen sont également présents dans cette zone. La connaissance d’un maximum de paramètres concernant la stabilité sédimentaire de la zone apparaît donc vitale. Ce travail de thèse fait partie d’un vaste projet « The Georgia Basin Geohazards Initiative »‘, piloté par la Commission Géologique du Canada (Pacifique), qui a pour but de comprendre les processus géologiques et les conditions qui représentent un risque pour la population canadienne habitant autour du Bassin de Géorgie. Ce projet cherche à fournir une connaissance géoscientifique afin d’aider à prendre des décisions efficaces sur l’environnement et la gestion des ressources dans le Bassin de Géorgie.

Présentation du site d’étude

Le delta du Fraser est situé au Sud-Ouest de la Colombie Britannique, sur la côte Pacifique du Canada (Fig. 1-1). C’est un delta de taille modérée (1000 Jcm2), en bordure du détroit de Géorgie (séparant le continent de l’île de Vancouver). Vancouver et sa périphérie urbaine (1.9 millions d’habitants en 1998) se sont développés en bordure de mer. Le Fraser est le système fluvial le plus important de la côte Pacifique du Canada. Son delta, datant de moins de 10 000 ans, s’est construit par la migration continue des chenaux de distribution pendant l’événement postglaciaire de l’Holocène (fin de la glaciation du Wisconsin). La région est soumise à des tensions de cisaillements résultant de la subduction de la plaque de Juan de Fuca sous la plaque nord-américaine. La vitesse de déplacement des deux plaques l’une par rapport à l’autre (le taux de convergence) est approximativement de 45 mm an1 (Mosher et al. 2000). Ces caractères géophysiques font de la Colombie Britannique l’une des régions les plus sismiquement actives du Canada (Rogers 1994 ; Cassidy et Rogers 1999) .

Caractéristiques morphologiques

Le site étudié est Roberts Bank (Fig. 1-1) qui couvre le delta intertidal entre le bras principal du Fraser et la pointe du cap Robert. Notre intérêt porte sur les zones morphologiques suivantes du delta sous-marin (Hart et al. 1995) : • Le front deltaïque qui s’étend jusqu’à approximativement 10 m de profondeur, est à la limite du marais deltaïque. • La pente deltaïque, typiquement de 2 à 30, est une portion du delta sous le front deltaïque qui évolue au large jusque dans la zone du prodelta (typiquement <10). Il est donc compris entre 10 m et 100 m de profondeur sur Roberts Bank. Des chenaux sous-marins actifs et inactifs incisent le front deltaïque ainsi que la pente deltaïque entre 30 m et 90 m, augmentant localement la pente jusqu’à 230 . Ces chenaux sousmarins sont créés par l’apport de masse d’eau et de sédiments depuis les différents bras et chenaux de distribution (Hart et al. 1992). Roberts Bank est ainsi limité au Nord par le chenal sous-marin de Sand Heads (Fig. 1-1 ; Hart et Barrie 1997) juste à l’embouchure du bras principal du Fraser. Plus au Sud, le chenal de Roberts Bank, actuellement en phase de remplissage, s’est formé à partir d’un chenal de distribution actuellement abandonné. Trois autres petits chenaux sous-marins sont situés au large du passage dit de Canoë. Les deux chenaux les plus au Nord sont inactifs tandis que celui au Sud reste actif. Différents auteurs (Mathews et Shepard 1962 ; Evoy et al. 1993 ; Kostaschuk et al. 1995) suggèrent que ces chenaux sous-marins servent de conduit pour le transport sédimentaire. Des courants turbides créés par des glissements à l’embouchure d’un passage ou d’un bras fluviatile vont former des levées et aider à la construction du prodelta.
En plus des complexes stratigraphiques liés à l’embouchure du fleuve (Hart 1993), une structure massive faillée résultant de processus d’instabilité de la pente se situe le long de la pente de Roberts Bank au niveau du port d’exportation de charbon (Hart et al. 1992 ; Hart et al. 1995 ; Currie et Mosher 1996 ; Christian et al. 1997 ; Hart et al. 1998). L’instabilité de la zone est augmentée par l’existence de forts gradients de pente et par la présence de gaz dans la colonne sédimentaire (Hart et al. 1992).

Caractéristiques hydrosédimentaires.

La morphologie du fond sous-mann et les corps sédimentaires reflètent l’interaction de différents processus de transport sédimentaire et de déformation. La charge annuelle du fleuve (environ 17.3.106 tonnes) consiste en 65 % de silt et 35 % de sables, principalement transportés lors des crues printanières. A l’embouchure du bras principal et pour des conditions de basse mer en vives eaux, l’écoulement relativement fort provenant du fleuve génère des courants dirigés vers le large dont la vitesse est de 2.5 m S-I_ Pour de faibles marées, ces courants sont modérés et ont des vitesses de l’ordre de 1 à 1.5 m1 • Lors du flot, le panache sédimentaire est dévié vers le Nord en direction de Sturgeon Bank sous l’effet de l’action de la force de Coriolis (Thomson 1981). Le sable fin est transporté en suspension avec la fraction argileuse. Même lors du jusant, les faibles courants sont contrebalancés par l’action de la force de Coriolis. Les sédiments fins sont alors transportés au large. Les sédiments les plus grossiers sont transportés par charriage et déposés près de l’embouchure. Trois jetées ont été construites à travers la zone intertidale du delta (Fig. 1-1) au cours des 40 dernières années. Ces constructions ont créé des barrières permanentes aux transports sédimentaires et aux courants de marée à travers et le long du front. Le plus gros port d’exportation de charbon du Canada ainsi que le terminal de ferry de Tsawwassen ont été construits à la limite du marais deltaïque. La jetée de Steveston au Nord du chenal principal empêche la décharge sédimentaire de s’effectuer directement à l’embouchure. La partie Sud du bras principal n’est pas construite, et le transport de sédiment grossier par charriage peut s’effectuer à proximité dans la partie supérieure de la pente. Le transport en suspension est favorisé par la chenalisation du fleuve et le transport « longshore » (le long de la côte) est limité (Milliman 1980). Plusieurs auteurs (Hart et Barrie 1997 ; Barrie et Currie 2000) concluent que l’endiguage de l’embouchure a créé une zone d’instabilité et de glissements. Ils montrent également que la quantité de sédiments sableux actuellement entrant dans Roberts Bank est négligeable sauf à l’embouchure même.
La partie supérieure du front deltaïque de Roberts Bank est composée de sables fins à moyens. La granulométrie médiane est de 3 ~ (unité phi) ou 0.125 mm (Barrie et Currie, 2000). Les sables fins sont progressivement remplacés par des silts vers l’estuaire. Sur la pente, les sédiments sont de plus en plus fins vers le large, à l’exception du Sud de Roberts Bank où le sable domine (Barrie, 2000). Mathews et Shepard (1962) ont observé, à l’embouchure du Fraser, à l’aide de prélèvements en bouteilles Niskin, la présence de larges pourcentages de fibres végétales et de mica, parfois associés en agrégats. Les taux de sédimentation et d’érosion basés sur les mesures de Cs 137 par Hart et al. (1998) montrent que la pente et le prodelta de Roberts Bank sont des zones de non-déposition ou d’érosion. Enfin un large champ de dunes sous-marines recouvre le complexe faillé de Roberts Bank (Currie et Mosher 1996 ; Hart et al. 1998 ; Barrie 2000). Les dunes migrent vers le Nord-Ouest et Kostaschuk et al. (1995) suggèrent alors que la seule source de sédiment disponible provient de l’érosion du lit sédimentaire et du clapage local (notamment vers les terminaux au Sud).

Table des matières

REMERCIEMENTS
SOMMAIRE
1. INTRODUCTION
1.1. Contexte
1.2. Présentation du site d’étude
1.2.1. Caractéristiques morphologiques
1.2.2. Caractéristiques hydrosédimentaires
1.3. Objectifs de l’étude
1.3.1. Les processus de transport de sédiments en suspension sous influence de la marée
1.3.2. Dynamique de la houle et des vagues de vent sur Roberts Bank: processus et modélisation
1.3.3. Processus sédimentaires sur le front du delta du Fraser: mesures de terrain et modélisation
2. SUSPENDED SEDIMENT TRANSPORT PROCESSES ON THE FRONT OF THE TIDE INFLUENCED FRASER RIVER DELTA, BRITISH COLUMBIA, CANADA Abstract 
2.1. Introduction 
2.2. Background
2.2.1. Patterns of sedimentation and erosion
2.2.2. Roberts Bank slope morphology
2.3. Methods
2.3.1. The acoustic backscatter signal
2.4. Current regime
2.4.1. Flood tide
2.4.2. Ebb tide
2.4.3 . Slack water
2.4.4. Remnant flow structures
2.5. Sediment transport processes, suspended sediment distribution
2.5.1. Resuspension during flood tide
2.5.2. Suspension during ebb tide
2.5.3 . Cross-shore transport
2.5.4. Internai waves
2.6. Discussion
2.6.1. Flood resuspension
2.6.2. Ebb transport events
2.7. Conclusion
3. WAVE DYNAMICS OVER ROBERTS BANK: PROCESSES AND MODELING  Abstract
3.1. Introduction
3.1.1. Physical Setting
3.2. Methods
3.2.1. Field measurements and processes
3.2.2. Wave propagation model
3.3 . Results
3.3 .1. Field measurements
3.3.2. Model results
Condition
3.4. Discussion
3.5. Conclusion 
4. SEDIMENT PROCESSES ON THE FRONT OF THE TIDE-DOMINA TED FRASER RIVER DEL TA, BRITISH COLUMBIA, CANADA: FIELD EXPERIMENTS AND MODELLING  Abstract 
4.1. Introduction 
4.1.1 . Study area
4.1.2. Previous measurements
4.2. Methods
4.2.1. Field measurements
4.2.2. Current model
4.3. Sediment processes
4.3. 1. Acoustic backscatter signal
4.3.2. Estimation ofbed shear velocity under combined-flow
4.4. Field measurements results
4.4.1. Fair-Weather Conditions
4.4.2. Moderate Storm Conditions
4.4.3 . Major Storm Conditions
4.5. Field measurements and combined-flow models
4.6. Current modelling and combined-flow models
4.6.1. Tidal flows
4.6.2 . Wave-modified tidal flows
4.6.3. Combined current-wave shear velocity
4.6.4. Shear velocity induced wave-modified tidal flows
4.7. Discussion
4.7.1. Tidal current only sediment transport
4.7.2. Wave and «  »ave-cUITent sediment transport
4.8. Conclusion 
5. DISCUSSION
5.1. Processus sédimentaires lors du flot de marée
5.2. Processus sédimentaires lors du jusant de marée
5.3. Processus sédimentaires associés à la recombinaison houle-courant
6. CONCLUSION ET PERSPECTIVES
LISTE DES FIGURES
ANNEXE

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