Experimental study of submarine channels
Étude expérimentale des chenaux sous-marins
Résumé
Many large sediment-laden rivers still exert a significant influence on the seabed hundreds of kilometers from their mouths. The density currents they generate are responsible for the formation of channel systems that can reach several kilometers in width. The initiation phase and dynamics of these channels remain relatively poorly understood. We experimentally reproduce, for the first time, the subaqueous incision of channels generated by a dense current. The experimental setup consists of an inclined plane, immersed in a water-filled tank, on which a uniform layer of sediment rests. A denser saline water current is injected at the top of the slope. In order to clarify the mechanisms and criteria of channel incision, several optical measurement techniques were developed. First, we characterize the dense current in the absence of a sediment layer by measuring flow width, velocity profiles, local density, and the shear stress exerted on the bed. We then relate the physical parameters of the flow to the characteristic quantities of channel formation, obtained through dynamic acquisition of the bed topography. We show that the critical Shields number, a criterion for the initiation of grain motion, also serves here as the criterion for channelization. We then propose three possible incision mechanisms and present two approaches to distinguish between them: a new experimental measurement based on photometry and a two-dimensional analytical model of the dense current.
De nombreux grands fleuves chargés en sédiments exercent encore, à des centaines de kilomètres de leur embouchure, une influence notable sur les fonds marins. Les courants de densité qu'ils engendrent sont en effet responsables de la formation de systèmes de chenaux pouvant atteindre plusieurs kilomètres de large. La phase d’initiation et la dynamique de ces chenaux sont encore relativement méconnues. Nous reproduisons expérimentalement pour la première fois l'incision sub-aquatique de chenaux à partir d'un courant dense. Le dispositif comprend un plan incliné, immergé dans une cuve remplie d'eau et sur lequel repose une couche uniforme de sédiments. Un courant d'eau salée, plus dense, est injecté en haut du plan. Dans le but de préciser les mécanismes et critères d’incision du chenal, plusieurs techniques optiques de mesure ont été mises au point. Nous caractérisons ainsi, dans un premier temps, le courant dense en l’absence de couche de sédiments par des mesures de largeur d’écoulement, de profils de vitesse, de densité locale, de cisaillement exercé sur le fond. Nous mettons alors en relation les paramètres physiques de l'écoulement avec les grandeurs caractéristiques de la formation du chenal, obtenues par acquisition de la topographie du lit de manière dynamique. Nous montrons que le nombre de Shields critique, critère de mise en mouvement des grains, est également ici le critère de chenalisation, puis nous donnons trois mécanismes d’incision possibles et présentons deux pistes pour les discriminer : une nouvelle mesure expérimentale par photométrie et un modèle analytique 2D du courant dense.
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