Soutenance mémoire
Processus d’érosion de falaise
Les différents mécanismes du processus d’érosion de falaise dépendent de la géométrie du système. Nous exposons dans ce chapitre la typologie des falaises maritimes et les différents facteurs qui affectent l’érosion des falaises. Nous développons les différentes manières dont les vagues peuvent impacter le front de falaise. Puis, nous présentons les différents mécanismes d’érosion par sapement de la falaise soumis à l’action des vagues. Une revue des travaux sur la création d’une encoche par les vagues en pied de falaise, sur la déstabilisation de la falaise en surplomb et sur l’évacuation des débris de falaise par la houle est exposée. Nous développons finalement une étude bibliographique sur les différents types de plate formes littorales associées à la falaise et sur leur morphodynamique.
Les falaises littorales
On peut définir les falaises littorales comme un volume de roches et de terre formant un escarpement au bord de la mer. La variété des falaises littorales est surtout liée à leur structure géologique. Elles peuvent être classées comme des falaises consolidées ou non consolidées, bien que dans la pratique, il existe un certain nombre de types intermédiaires (Sunamura (1992), Damgaard & Dong (2004)). Les falaises consolidées présentent un profil plus vertical, reculent moins vite et ont tendance à être formées de roches cohérentes qui se déforment difficilement comme la craie, le granite, le grès et le calcaire. Ces falaises sont souvent de grande taille ; les plus hautes falaises, qu’on appelle mégafalaises, dépassent les 600 mètres et certaines atteignent 1 kilomètre (Fig. 1.1). Les falaises non-consolidées ont une pente moins raide et sont formées de roches meubles, moins résistantes ou de matériaux non consolidés tels que l’argile ou le sable (Collins & Sitar (2008)) (Fig. 1.2) ; elles se déforment plus facilement et sont donc sujettes à de fréquents affaissements et éboulements, ce type de falaise occupe une proportion importante des falaises dans le monde. Des falaises composées de grès cimenté grossier d’une hauteur d’environ hr = 8 m, ont été observées au “Solana Beach”, en Californie (Fig. 1.3, Young & Ashford (2008)). (ii) Des falaises de toutes tailles jusqu’à hr = 23 m sont situées sur des îles, aux “Boston Harbor Islands”, au Massachusetts (Fig. 1.4, Himmelstoss et al. (2006)). Ces falaises sont composées de graviers, de sable, de limon et d’argile et la vitesse de recul peut atteindre 0,5 m/an. (iii) Les côtes du “Suffolk” et du “North Norfolk”, en Angleterre, présentent des falaises avec des hauteurs allant de 5 m à environ 60 m donnant sur des plages sableuses (Fig. 1.5, Lee (2008)). Ces falaises sont composées de matériaux non consolidés tels que du sable, des graviers et de l’argile. Leur vitesse de recul peuvent dépasser les 7 m/an par endroit.
Les dunes littorales peuvent être considérées comme des falaises très peu consolidées, elles ne sont pas ou que très peu cohésives et présentent donc une faible résistance. Leur profil a une pente faible qui est proche de la pente d’avalanche d’un sable sec, soit environ 30◦ (Fig. 1.6). Dans notre étude, nous avons choisi d’étudier la falaise avec un profil vertical.
Nous cherchons à savoir comment varie la résistance d’une falaise et à quelle vitesse une falaise recule. Les vitesses de recul de falaise couvrent plusieurs ordres de magnitude selon le type de falaise, du millimètre par an pour des falaises consolidées à plusieurs mètres par an pour des falaises composées de matériaux moins consolidés (Bird (2008)). Les falaises de granite reculent avec une vitesse moyenne de l’ordre du millimètre par an, celles de calcaires ou de schistes de l’ordre du centimètre par an, celles de craie jusqu’au mètre par an, et celles composées de cendres volcaniques peuvent reculer de plus de dix mètres par an (Sunamura (1992)).
Les différents processus du cycle de recul de la falaise sont caractérisés par l’interaction entre la dynamique des vagues et la résistance mécanique de la falaise liée à sa composition lithologique à travers la densité, la cohésion et le frottement interne entre les grains du matériau. Pour estimer la résistance d’une falaise, il faut connaître la cohésion du matériau liée à la granulométrie et la teneur en eau. La résistance d’une falaise est aussi commandée par différents agents d’érosion (Fig. 1.7). Un des principaux est l’action des vagues, qui a un rôle majeur sur l’érosion des falaises. D’autres facteurs entrent en compte modifiant la résistance de la falaise, les précipitations (Duperret et al. (2002), Costa et al. (2004), Young et al. (2009)) qui peuvent changer la teneur en eau dans la falaise, l’alternance de gel et de dégel qui altère la roche, les organismes vivants (Nesteroff & Mélières (1967)) qui peuvent fracturer ou consolider la falaise, les discontinuités en densité du matériau (stratification) ou structurales (failles) (Duperret et al. (2004)), l’eau salée qui peut agir par corrosion (Kanyaya & Trenhaile (2005)), le sel peut aussi se cristalliser et exercer une pression sur les parois qui peut provoquer l’éclatement de la roche, mais la roche peut également être fragilisée par les modifications anthropiques. On peut aussi citer l’action des vagues par création d’ondes de pression dans le massif qui du coup alterne chargement/déchargement, ce qui l’affaiblit (Adams et al. (2005)). Ces nombreux facteurs contribuent à la complexité de la dynamique d’érosion de la falaise. L’action des vagues étant un moteur important du recul des falaises, nous avons choisi, dans cette étude, de prendre en compte uniquement l’influence de l’attaque des vagues. La manière dont les vagues impactent le front de falaise dépend de la géométrie du système (Fig. 1.8).
Les différents types d’érosion de falaise par la houle
Nous pouvons distinguer deux mécanismes d’érosion de la falaise par l’impact des vagues, suivant la hauteur des vagues H, et la hauteur de falaise hf (Hansom et al. (2008), Hall et al. (2008)).
– H ≤ hf : Les vagues impactent la base de la falaise avec une pression qui dépend du type de vague (Sunamura (1992)), les vagues érodent la falaise par sapement. La création d’une encoche engendre la mise en porte-à-faux d’une partie de la falaise au dessus de cette encoche. Son développement va mener à une déstabilisation du bloc de falaise en surplomb qui va finalement s’effondrer à l’avant de la falaise.
– H ≈ hf : Les vagues peuvent atteindre le sommet de la falaise, l’eau peut pénétrer dans le matériau et ainsi fragiliser la falaise sur toute la hauteur. Si H ≤ 0, 88d, les vagues ne déferlent pas (Fig. 1.12a), et lorsqu’une vague arrive au niveau du front de falaise, elle va être déviée vers le sommet de la falaise et une onde solitaire peut se propager sur le sommet de la falaise (Fig. 1.9a). Ce mécanisme entraîne une érosion du front et du sommet de la falaise par abrasion. Si H ≈ d, les vagues déferlent sur le front de falaise (Fig. 1.12b) et au moment de l’impact d’une vague, un jet vertical mince est éjecté au-dessus du sommet de la falaise (Fig. 1.9b). Ce jet peut redescendre sur le bord de la falaise produisant de grandes forces d’impact vertical pouvant créer des fractures au sommet de la falaise.
La force impactante d’une vague sur le front de falaise peut également provoquer un arrachage de bloc en sommet de falaise qui peut être entraîné par le jet vertical sur le sommet de la falaise (Hansom et al. (2008)).
– H ≥ hf : La falaise est en grande partie immergée, elle représente donc plutôt l’escarpement d’un fond où les vagues se propagent sur le dessus. Dans ce cas, la partie supérieure de la falaise est considérée être une plate-forme d’abrasion marine, c’est-à-dire un fond rocheux.
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Table des matières
Introduction Générale
1 Processus d’érosion de falaise
1.1 Les falaises littorales
1.2 Les différents types d’érosion de falaise par la houle
1.3 Mécanismes d’érosion d’une falaise par sapement
1.3.1 Formation de l’encoche en pied de falaise (Phase 1)
1.3.2 Déstabilisation et effondrement de la falaise (Phases 2 et 3)
1.3.3 Evacuation des débris et modification de la morphologie du fond (Phase 4)
2 Dispositif expérimental et paramètres de l’étude
2.1 Dispositif expérimental
2.1.1 Canal à houle
2.1.2 Système à marée
2.2 Métrologie
2.2.1 Sondes capacitives de mesure de hauteur d’eau
2.2.2 Mesures optiques
2.2.3 Mesure de l’interface entre le sable et les fluides environnants
2.2.4 Mesure de la position de la surface libre
2.3 Choix des paramètres de l’étude
2.3.1 Paramètres de l’étude
2.3.2 Choix du matériau de la falaise
2.3.3 Modélisation physique
2.4 Campagnes de mesures
2.4.1 Mise en place de la falaise
2.4.2 Organisations pratiques
3 Recul de la falaise
3.1 Erosion de la falaise dans la phase initiale
3.2 Influence du forçage des vagues sur le recul de falaise
3.2.1 Erosion de la falaise
3.2.2 Géométrie des évènements d’érosion de la falaise
3.3 Influence de la taille de grain du matériau sur le recul de falaise
3.4 Conclusions
4 Morphodynamique du fond
4.1 Méthode de caractérisation des fonds
4.1.1 Singularités morphologiques
4.1.2 Longueurs caractéristiques morphologiques
4.2 Corrélations morphologiques et hydrodynamiques
4.3 Typologie morphologique du fond en fonction du forçage de houle
4.4 Oscillation auto-entretenue des barres sédimentaires
4.5 Variation de la taille de grain du matériau
4.5.1 Taille du grain et morphologie du fond
4.5.2 Taille du grain, morphologie du fond et recul de la falaise
4.6 Influence de la variation du niveau d’eau moyen sur la morphologie du fond
4.6.1 Pour un fond de type T3
4.6.2 Pour un fond de type T43 stationnaire
4.6.3 Pour un fond de type T41 instationnaire
4.7 Conclusions
5 Volume de sédiment érodé : Quel effet sur le système ?
5.1 Prélèvement de la barre sédimentaire
5.2 Influence de la hauteur de falaise
5.2.1 Morphologie du fond
5.2.2 Recul de la falaise et volume de sable érodé
5.2.3 Profondeur d’évènements d’effondrement
5.3 Conclusions
Conclusion générale
