Cours de Géologie

Transport des matériaux

Les matériaux produits par les phénomènes d'érosion sont généralement déplacés sous l'action de la gravité et de l'eau, plus accessoirement sous l'action du vent.

1. TRANSPORT PAR GRAVITE PURE

Ce mode de transport se rencontre dans les régions présentant des différences d'altitude créant des pentes, et où la désagrégation mécanique est forte, c'est à dire essentiellement en montagne et en régions désertiques. Les él&eacuttagne et en régions désertiques. Les éléments sont déplacés sur une faible distance, quelques centaines de mètres, exceptionnellement quelques km et s'accumulent en cônes d'éboulis: par exemple ceux de la Casse déserte au col de l'Izoart. Ils sont non usés et de toute taille; les plus gros descendent plus loin et forment la frange du cône: un certain grano-classement horizontal s'établit. La porosité des éboulis est grande et la percolation des eaux bonne. La cimentation est rapide, surtout en pays calcaire, et donne une brèche de pente à éléments anguleux.

Très souvent, à la suite de fortes pluies par exemple, à la gravité pure s'ajoute l'action de l'eau. Les éboulis comprenant une phase fine d'argile forment des coulées boueuses qui glissent sur les pentes et peuvent causer des dégâts considérables. Les éléments sont anguleux, mal classés (en vrac) et emballés dans une matrice argileuse. Ce sont les "coulées de débris" ou "coulées de solifluxion" aériennes qui peuvent apparaître dans tout matériel meuble à éléments fins situé sur une pente et remobilisé par les pluies: sols, cendres volcaniques. Les coulées de solifluxion forment les colluvions des fonds de vallée.

Lorsque la quantité d'eau incorporée est plus grande, les coulées sont plus fluides et passent aux "laves torrentielles" s'écoulant dans les lits des torrents au cours d'un orage: le terrain de camping du Grand Bornand (Savoie) a été ainsi envahi par une coulée boueuse qui a dévalé le lit du torrent de la Borne à la suite d'un fort orage en 1987. Les eaux très chargées en matériaux des rivières de pays désertiques ("wadi") constituent des écoulements intermédiaires entre le courant de traction classique d'un cours d'eau et la coulée de débris.


2. TRANSPORT PAR LA GLACE

Sous climat froid et humide, la neige se transforme en glace par compaction et fusion. La glace s'écoule comme un fluide visqueux et forme un glacier. La charge transportée dépend de l'approvisionnement en matériaux. En montagne, le glacier peut transporter des éboulis en telle quantité que ces derniers recouvrent et dissimulent complètement la glace (cas du Glacier Noir dans l'Oisans). La charge est beaucoup plus faible pour les glaciers polaires en calotte. La compétence d'un glacier est également grande: certains blocs dépassent plusieurs mètres. Ils sont abandonnés à la fonte des glaces et constituent des "blocs erratiques" caractéristiques du passage des glaciers. Citons ceux de la régions lyonnaise apportés des Alpes par le glacier du Rhône au cours des glaciations quaternaires.

Les matériaux transportés sont fortement hétérométriques et ne montrent pas de classement par taille. Les éléments ne sont pas usés par des séries de chocs entre eux, comme cela se produit dans un transport éolien ou aquatique, mais ils peuvent être broyés entre eux ou contre les parois de la vallée sous l'effet de la pression de la glace, jusqu'à former une "farine glaciaire" faite de quartz et autres éléments très fins qui sont une proie facile pour l'érosion torrentielle ou éolienne. La distance de transport est de quelques dizaines de km pour les glaciers de montagne mais elle peut dépasser la centaine de Km pour les grands systèmes glaciaires (glaciers du Groenland).


3. TRANSPORT PAR L'EAU

3.1 Eaux sauvages et eaux chenalisées

L'eau transporte des matériaux détritiques en suspension et des éléments en solution. La charge d'une rivière est en moyenne de 120 grammes par d'éléments en solution pour 510 g par m3 de suspension. Sa compétence est également bien plus faible que celle d'un glacier et dépasse rarement quelques dizaines de cm. Les matériaux détritiques sont transportés d'autant plus loin qu'ils sont plus petits, des milliers de km pour les grands fleuves: il s'établit un classement longitudinal. Ils se choquent et s'usent au cours du transport. On distingue deux grands types d'écoulement:

* l'écoulement non canalisé, ou "eaux sauvages", correspondant au ruissellement sur une pente. L'érosion est importante mais la longueur du transport est faible; très vite, les filets d'eau se rassemblent est forment un chenal. Le ruissellement apparait à la suite de fortes pluies; il est développé en montagne, en particulier dans les bassins de réception des torrents;lorsque la charge est grande, il évoluent en de véritables coulées boueuses. Les matériaux fins sont arrachés, ceux qui sont protégés par un bloc peuvent être épargnés, ils constituent alors un pilier sous le bloc appelé "demoiselle coiffélé "demoiselle coiffée" ou "cheminée de fée". Sous climat désertique, les orages provoquent des écoulements en nappes, ou sheet flood, peu chenalisés qui recouvrent de vastes surfaces mais sont très éphémères.

* les eaux canalisées qui coulent dans un ou plusieurs chenaux en fonction de la pente on parle généralement de torrent pour une pente et une vitesse forte, de rivière pour une pente et une vitesse faible.

3.2 Caractéristiques physiques d'un écoulement

Les paramètres principaux sont la vitesse et la viscosité du fluide en mouvement; ils déterminent le type d'écoulement.

a) La viscosité dépend de la quantité de matériaux transportés en suspension et en solution; elle a une valeur minimale pour une eau pure. Elle conditionne la compétence du fluide. Un écoulement à forte charge est trés visqueux et peut transporter des matériaux de grand taille.

b) La vitesse est fonction de la pente et de la viscosité du fluide: sur une même pente, une eau pure coule plus vite qu'une eau chargée. Un gradient de vitesse existe depuis le fond, où la vitesse est nulle, jusqu'à la surface où la vitesse est maximaleagrave; la surface où la vitesse est maximale. Un écoulement profond, quelques mètres par exemple, a peu d'action sur le fond; au contraire, une écoulement très superficiel, quelques décimètres, a une forte action érosive sur le fond qui est proche de la surface où la vitesse est grande. A vitesse égale en surface, l'action érosive des wadi en région aride est bien plus grande que celle des rivières de pays tempérés.

c) Le type d'écoulement est laminaire ou turbulent. Lorsque la vitesse d'écoulement est petite, les filets d'eau sont parallèles entre eux, leur vecteur vitesse est identique: l'écoulement est laminaire. La vitesse moyenne est égale à la vitesse instantanée. Pour une vitesse grande, il se produit des remous, les vecteurs vitesse varient en intensité, direction et sens; à un instant t, les particules d'eau ont des vitesses instantanées différentes: l'écoulement est turbulent. La vitesse moyenne de l'écoulement est égale à la somme algébrique des vitesses instantanées. Les variation de la vitesse instantanée en un point conditionne le déplacement d'un objet sur le fond. Lorsque la vitesse augmente, l'objet est soulevé et entraîné, lorsqu'elle diminue, il tombe: l'objet saute elle diminue, il tombe: l'objet saute sur le fond (saltation). Le passage de l'écoulement laminaire à l'écoulement turbulent dépend de la valeur de la formule (nombre de Reynolds):

    R = k HV/ µ

    H= hauteur de l'eau V= vitesse moyenne µ= viscosité

Un grand fleuve rapide aura un écoulement turbulent.

d) Modifications d'un écoulement dans un chenal Tout rétrécissement dans un chenal produit l'augmentation de la vitesse de l'eau et corrélativement celle de l'érosion des berges et du fond. Un élargissement au contraire est accompagné d'une diminution de vitesse qui favorise la sédimentation. Un torrent creuse en passant dans des gorges étroites, il dépose des matériaux à leur sorties. Dans un chenal courbé, la vitesse est plus grande à l'extérieur de la courbure qu'à l'intérieur: dans un méandre, la rivière creuse sa rive concave et dépose sur sa rive convexe.

 

Figure 4-1: Trajet des filets d'eau et coupe dans un méandre.

Toute irrégularité de la paroi du chenal et tout obstacle provoquent des turbulences. La vitesse augmente en avant de l'obstacle, c'est une zone d'érosion, des tourbillcle, c'est une zone d'érosion, des tourbillons se forment en arrière de l'obstacle et des matériaux peuvent se déposer dans la zone d'ombre (cas des remous en arrière des piles de pont responsables des noyades en rivière).

3.3 Action d'un écoulement sur le fond d'un chenal

Tout obstacle ou irrégularité du fond provoque une augmentation locale de la vitesse, donc une érosion. Si la vitesse générale de l'écoulement diminue par la suite, les cavités d'affouillement du fond sont comblées et moulées par les dépôts ultérieurs; elles sont conservées en empreintes à la base du corps sédimentaire qui donnera un banc après diagénèse. Parmi les nombreuses figures d'érosion on peut citer les flûtes (flute casts), les croissants de courant (moulage de cavité d'érosion devant un obstacle.

Figure 4-2: Action des irrégularités des parois et des obstacles sur un écoulement. Formation d'une flûte et d'un croissant de courant .

Les objets présents sur le fond peuvent être déplacés et accumulés en fonction de leur taille, de la vitesse du courant et de la profondeur de l'écoulemeurant et de la profondeur de l'écoulement. La surface du dépôt présente des formes particulières, les figures de courant. Prenons l'exemple d'une rivière dont le fond est couvert de grains de sable d'une taille de 0,2 mm. Le type de figures est fonction de la vitesse du courant et permet de définir 2 régimes d'écoulement: un haut régime, rapide, un bas régime, lent.




Figure 4-3 :Figures sédimentaires formées sur le fond selon le régime de l'écoulement.


 
 

Ces figures sédimentaires peuvent être conservées dans les sédiments anciens, sauf les antidunes dont la conservation est exceptionnelle. On les trouvera à la surface d'un banc, ou en contre-empreintes à la base du banc suivant. On pourra ainsi connaître la vitesse d'un écoule-ment ancien, sa direction (fond plat de haut régime donnant une linéation de délit) et son sens (dissymétrie des rides et des dunes).


Figure 4-4: Distribution des figures sédimentaires sur le fond d'un écoulement de 20 cm de profondeur en fonction de la vitesse.

3.4 Transport des solutions

Cet aspect du transport d'une rivière est souvent négligé. Pourtant la quantité de matière transportées en solution est considérable. En climat tempéré, une rivière de plaine transporte plus de matière en solution qu'en suspension: c'est le cas de la Seine dont l'eau contient une quantité importante d'effluents industrielles. La quantité totale de matière en solution apportée par les fleuves aux océans a été chiffrée à des milliard de tonnes par an. La répartition des éléments chimiques diffère de celle de l'eau de mer: l'eau de rivière est comparativement plus riche en silice et carbonates dissous.



eau de mer
eau douce
Cl
19000
8
Br
65
_
SO4
2650
11
HCO3
140
58
H3BO3
26
_
Mg
1270
4
Ca
400
15
Sr
8
_
K
380
2
Na
10560
6
Fe
_
2
SiO2
6
13
TOTAL
34500
120 ppm

Tableau 1: composition chimique comparée de l'eau de mer et de l'eau douce (ppm)

Cette différence de composition explique que les dépôts évaporitiques des cuvettes endoréiques, alimentées par les eaux continentales, ont une composition différente de celle des lagunes littorales.

3.4 Transport des éléments solides

La quantité des éléments transportés dépend des caractères du fluide, vitesse et viscosité, et de ceux des éléments eux-mêmes, taille, forme, densité. L'écoulement de l'eau produit sur l'élément une force verticale, dirigée de bas en haut, qui s'oppose à son poids apparent et tend à le soulever. Cette force est proportionnelle à la vitesse du courant. Les petits éléments (argiles, sables) sont arrachés du fond et suspendus dans l'eau. Toute diminution de vitesse produit leur chûte. Ce transport par suspension est celui des particules de petite taille. Letransport par suspension est celui des particules de petite taille. Les éléments plus gros ne s'élèvent pas au dessus du fond, sauf épisodiquement, à la suite d'une brusque élévation de la vitesse instantanée (saltation), ils roulent ou rampent sur le fond. Le diagramme de Hjulström illustre le comportement des particules en fonction de leur taille et de la vitesse du courant. Pour des vitesses fortes, les particules sont arrachées du fond (érosion) et transportées. Pour des vitesses plus faibles, les petites particules déjà arrachées sont transportées, les plus grosses restent sur le fond. On remarque que les particules argileuses demande une plus forte énergie d'arrachement que les sables car elles sont plus cohérentes entre elles et offre à l'eau une surface plus lisse que les sables.



Figure 4-5: Diagramme de Hjuström (simplifié).

Au cours de leur transport, les grains s'entre-choquent et s'usent: c'est l'abrasion. Ce phénomène est faible pour les sables; leur masse varie peu, leur forme reste plus ou moins anguleuse, leur surface montre des traces de choc en coup d'ongle. L'usure est nulle pour les particules fines; elle est en revanche importante pour les graviers et les galets qui diminuent de taille par éclatement, broyage, ér éclatement, broyage, écaillage ou dissolution et deviennent arrondis. L'abrasion dépend de la nature et la taille des galets, l'énergie de la rivière, sa charge solide et la nature du fond de son lit. exemples: des éboulis decimétriques de granodiorite deviennent arrondis après un transport un torrent de 10 km. En revanche, des grains de quartz inférieurs à 1 mm ne montrent pas de différence notable après un transport de plus de 200 km.

3.6 Transport par courant de densité

On range dans cette rubrique les courants de turbidité et les coulées de débris. Ce sont des écoulements sub-aquatiques, également aériens pour les coulées de débris, déplaçant une forte charge solide. Les matériaux d'origine sont en position instable sur une pente. Leur mouvement est déclenché par un déséquilibre du à l'apport de nouveaux éléments, un séisme, un évènement hydrodynamique de haute énergie (tempête). Un courant de turbidité débute brutalement, il érode la pente et arrache de nouveaux matériaux qui forme une sorte de nuage qui roule en remous (vortex), se développe et diffuse dans l'eau environnante. Sa vitesse au départ peut être de l'ordre de 50 km/h. La vitesse dim;tre de l'ordre de 50 km/h. La vitesse diminue ensuite et l'ensemble se dépose. On distingue les courants de faible densité (jusqu'à 150 g/l de sédiments) et les courants de forte densité dont la charge atteint 250 g/l. Le courant de turbidité qui s'est déclenché sur la côte niçoise en 1979, et dont la cause principale était la surcharge produite par le remblaiement artificiel du site de l'aéroport, s'est déplacé sur plus de 100 km en direction de la Corse.



Figure 4-6: cupule d'érosion produite par un courant de turbidité; des cavités sont ensuite comblées et forment des "flute-casts" à la base des bancs.

Les coulées de débris ont des concentration supérieures à 250 g/l. Elles peuvent déplacer de gros blocs qui sont supportéspar la matrice argileuse visqueuse ("support de matrice"). Elles accompagnent souvent les éruptions volcaniques de type explosif. Les fortes pluies qui se déclenchent sur le volcan entrainent les cendres et les blocs non consolidés sur les pentes et forment des coulées boueuses qui dévalent les vallées (lahar). En 1985, le lahar suivant l'éruption du Nevado del Ruiz a fait 20 000 victimesu Nevado del Ruiz a fait 20 000 victimes en Colombie.


4. TRANSPORT PAR LE VENT

L'air est un fluide transporteur de faible viscosité; sa charge et sa compétence seront faible: les particules transportées ont des tailles de quelques 1/10ème de mm, quelques cm par vent violent. Le choc des grains entre eux est plus violent que dans un transport aquatique (l'eau amortit les chocs). Les grains présentent des traces de choc en "V" et prennent une surface dépolie. L'érosion et le transport éolien prennent une grande importance dans le cas de sédiment meuble, non protégé par la végétation, ni rendu plus cohérent par une imprégnation d'eau. Ces conditions sont rencontrées dans les régions désertiques où la désagrégation mécanique produit des matériaux de toute taille; les particules fines sont balayées (déflation), les éléments plus grossiers restent sur place et forment les surfaces caillouteuses, des regs. Les particules de l'ordre de 0,1 à 1 mm transportées par le vent érodent les roches qu'elles rencontrent: cette action de "sablage" est visible aussi bien sur des panneaux entiers de roches (falaises, monument comme le Sphinx du Caire) que sur les cailloux au sol qui prennent un aspect dépoli et présentent des surfaces planes ( galets à facettes ou "dreikanter"). Elles peuvent être accumulées plus loin en dunes. Quand les poussières sont entrainées à haute altitude, elles sont disséminées trés loin: les poussières sahariennes, de quelques dizaines de microns, tombent parfois sur la France et colorent la pluie en rouge. Les zones de plage, constituées de matériaux sableux et soumises au vent, constituent également un domaine d'action privilégié pour le vent. Les grains sont prélevés sur les zones exondées (inter- et supratidales); ils sont transportés généralement vers l'intérieur des terres et déposés en dunes littorales. Les cendres émises par une éruption volcanique sont largement disséminées à la surface du globe par les vents et colorent les couchers de soleil; en 1982, l'éruption du vocan mexicain El Chichon a projeté 500 millions de tonnes de poussières volcanique dans l'atmosphère.

La source de cet article :

http://www.u-picardie.fr/~beaucham/cours-sed/sed-4.htm

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