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Définition des paramètres sédimentologiques mesurés au scanographe densitométrique et estimation de la contrainte de cisaillement sur une ride sableuse.

Montreuil, Stéphane (2014). Définition des paramètres sédimentologiques mesurés au scanographe densitométrique et estimation de la contrainte de cisaillement sur une ride sableuse. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 340 p.

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Résumé

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Cette thèse est fondée sur les mesures réalisées avec un scanographe tomodensitométrique ("CT-scanner') à travers lequel est inséré un canal. Le canal est rempli d'une couche de sable au-dessus de laquelle circule un fluide formant, par sa circulation, un champ de rides. De ces mesures découlent la définition des paramètres sédimentologiques présentant plus en détails l'architecture des rides sableuses en migration sous un courant unidirectionnel et constant. Les paramètres sédimentologiques sont présentés sur des profils de densité couvrant, en continu, le sommet de la colonne d'eau jusqu'à la base du lit sédimentaire. L'architecture des rides sableuses est ainsi redéfinie en tenant compte du comportement hydraulique de l'environnement de la ride, le tout se fondant sur les bases établies dans la littérature. Cette étude utilise pour ce faire deux canaux hydrauliques. L'un est vertical, en boucle fermée de 3048 mm de long et 1219 mm de haut. La section intérieure rectangulaire du canal (152 mm par 304 mm) est introduit dans le statif coulissant du scanographe. Ensuite, la partie inférieure du canal est partiellement rempli d'une couche de sable de quartz de 30 mm d'épaisseur et le régime d'écoulement est ajusté avec un moteur électrique et contrôlé par un débitmètre Doppler. Dans ce canal, l'élément de volume ("voxer') a été fixé à 0.39 mm par 0.60 mm par 1.00 mm. Les profils de densité mesurés par le scanographe sont obtenus d'une matrice de mesures de 512 x 512 x 512 voxels ayant un volume de 305 x 305 x 200 mm. Le second canal est un canal à surface libre de 300 x 300 x 7000 mm, en boucle fermé. La section rectangulaire du canal (300 x 300 mm) est passée au travers du statif coulissant du scanographe. La dimension des voxels est de 0.6 x 0.6 x 0.6 mm. Le flot continu est mesuré par un débitmètre Doppler installé dans le circuit de pompage. Le scanographe permet ainsi de mesurer en continu le transport par suspension et le transport par charriage sans interférence hydraulique sur l'eau ou sur les sédiments. L'imagerie à rayons X du scanographe mesure l'atténuation linéaire du rayons X traversant le volume de mesure. Le résultat est un groupe de tranches mesurées formant une matrice de densité tridimensionnelle. Le rayon X est atténué en fonction de la densité du matériau, son numéro atomique effectif et de l'épaisseur de l'échantillon analysé. Dans cette étude, deux techniques différentes sont utilisées afin de réaliser des mesures pseudo-instantanées. L'approche globale de mesure du transport ("Global Volume Technique", AGVT) , qui utilise le scanographe pour mesurer un volume important donnant une image d'ensemble de la ride sableuse, à un moment précis. Cette technique donne une image tridimensionnelle de la ride sableuse sur une longueur allant jusqu'à 1500 mm. Pour mesurer un champ de rides, le scanographe doit se déplacé le long du canal. La deuxième technique, la technique périodique à volume fixe ("Periodic Single Volume Technique", PSVT) , fournit une représentation eulérienne de l'architecture durant la migration de la ride sableuse. Pour réaliser cette mesure, un volume formé de 30 tranches (chaque tranche de 300 x 300 x 0,6 mm) est mesuré, en gardant la position fixe (le statif coulissant du scanographe reste immobile). Chaque volume obtenu a été mesuré avec un intervalle en secondes ou minutes selon la vitesse de migration de la ride. Les valeurs fournies par le scanographe sont des densités relatives exprimées en Unité Hounsfield (HU). Sous cette unité, les valeurs de l'air et l'eau sont respectivement -1000 HU et O HU. Le sable de quartz utilisé dans cette étude a une densité relative similaire à celle de l'os humain et de la colonne vertébrale (1477 HU). Les densités relatives mesurées sont donc converties en densité (g cm-3). Les résultats de l'étude indiquent donc que les paramètres sédimentologiques mesurés au scanographe révèlent des couches importantes dans la compréhension du transport sédimentaire. La forme des profils de densité aux rayons X concorde avec les mesures au profileur par résistivité in situ. La première observation est la mesure de la couche supérieure du transport par charriage, qui donne une mesure de l'épaisseur du transport par charriage actif. Cette couche varie en épaisseur discontinue selon sa position sur la ride et redéfinit la notion de contrainte de cisaillement, qui est théoriquement fonction, d'une surface solide de la ride. L'étude des profils de viscosité indique une forme différente de contrainte de cisaillement. Il en découle une équation modifiée donnant la contrainte de cisaillement en fonction de la couche supérieure du transport par charriage. [ symboles mathématiques ] où T0 est la contrainte de cisaillement à une élévation Yo de la surface solide du lit, V est la vitesse moyenne du fluide, p est la densité de l'eau à 24°C et KUBTZ , une mesure de l'épaisseur de la couche supérieure de transport par charriage le long de la ride de sable (quartz). KUBTZ est fonction du courant, de la position sur la ride et de la granulométrie. Une seconde observation révèle une pseudo-liquéfaction de la matrice sédimentaire dans la section d'érosion. Cette pseudo-liquéfaction indique une déstabilisation causée par l'intrusion de l'eau dans la matrice, ce qui facilite la mise en transport du sédiment. Des mesures révèlent que la pseudo-liquéfaction efface temporairement et partiellement la stratification du lit sédimentaire, confirmant du même coup l'hypothèse de la circulation de l'eau dans la matrice sédimentaire. Ces observations sont associées à des profils de porosité de forme exponentielle ayant des valeurs de 0.60 à 0.51 dans le flanc d'érosion. La couche supérieure de transport par charriage est caractérisée en fonction de ses profils de transition par des indices et globalement (section de ride) par des indicateurs de transition. La lecture de ces paramètres indique que la référence (base de la ride, "datum'') utilisée dans le calcul du transport qui est basé sur la géométrie de la ride, est discontinue le long de la ride et qu'elle est située sous la surface visible, à la surface stricto sensu de 1.90 à 2.20 g cm-3 de densité. Ceci entrai ne donc une estimation plus importante du transport sédimentaire.

Abstract

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This thesis is based on measures carried out with X-ray computed tomography (CT-Scanner) through which is inserted a channel. The channel is filled with a layer of sand on top of which a fluid circulates forming a field of ripples. These measures stem from the definition of sedimentological parameters presenting more in detail the sand ripple architecture in migration under a steady unidirectional flow. The sedimentological parameters are presented on the profiles of density covering, continuously, the summit of the water column to the base of the sedimentary bed. The sand ripple architecture will therefore be redefined, considering the hydraulic behaviour of the ripple environment while based on foundations established in the literature. This study has used two hydraulic channels. The first one was a vertical flume, closed-Ioop of 3048 mm long and 1219 mm high. The rectangular interior section of the flume (152 mm x 304 mm) is passed by the mobile gantry of CT-Scanner. The lower part of the canal has been partially filled with a layer of quartz sand of 30 mm of thickness. The flow regime is adjusted with an electric motor and controlled by a Doppler flow meter. In this channel, the element of volume (Voxel) has been fixed at 0.39 mm x 0.60 mm x 1.00 mm. The profiles of density measured by the CT-Scanner extracted from a matrix of measures of 512 x 512 x 512 voxels have a volume of 305 x 305 x 200 mm. The second flume was an open channel of 300 x 300 x 7000 mm in closed loop. The rectangular section of the channel (300 x 300 mm) is passed through the CT-Scanner mobile gantry; here the size of the voxels is 0.6 x 0.6 x 0.6 mm. The continuous flow is measured by a Doppler flow meter installed in the pumping circuit. The CT-Scanner has enabled us to continuously measure the transport by suspension and bedload without hydraulic interference on the water-sediment mixture. The imaging to X-ray measures the linear attenuation of the ray across the volume of measurement. The group of slices measured form a matrix of density with a three-dimensional in shape. The X-ray attenuation is a function of the material density, its atomic number, and the thickness of the sample analysed. In this study, two different techniques have been used in order to achieve pseudo-instantaneous measures. The technique for measuring by volume (Global technical volume, GVT) uses the CT-Scanner in order to measure a large volume, giving a global view of the sand ripple at a specific time. This technique gives a 3D picture of the ripple carvings on a length available to 1500 mm. To measure a ripple field, the CT-Scanner moves along the canal. The second technique, the periodic single technical volume (PSVT), provides an Eulerian architecture representation during the sand ripple migration. To perform this measurement, a volume form of 30 slices (each slice of 300 x 300 x 0.6 mm) is measured bearing the fixed position (the gantry of the CT-Scanner remains immobile). Each volume is therefore measured with a delay in seconds or minutes depending on the speed of ripple migration. The values supplied are relative densities expressed in Hounsfield Unit (HU). Under this unit, the values of the air and water are respectively -1000 HU and 0 HU. The quartz sand used in this study has a relative density similar to human bones and spine (1477 HU). The relative densities measured are converted into density (g cm-3 ), leading to a new definition considering the dynamic processes above and inside the sand ripple. Therefore, the study results indicate that sedimentological parameters measured by CT-scanner reveal areas of importance to the understanding of sediment transport. The shapes of X-ray density profiles are consistent with in situ resistivity profiler measurements. The first observation is the measurement of the upper bedload transport zone which gives a measure of the thickness of the active bed load transport. This layer varies in thickness depending on its position on the ripple. This layer also redefines the concept of shear stress which depends, in theory, on the visible surface of the ripple, which is not the case. The study of viscosity profile shows a different form of shear stress and the result is a modified equation that gives the shear stress according to the upper bedload transport layer. [ symboles mathématiques ] where to is the shear stress at elevation Yo from the sol id ripple surface, V is the averaged flow velocity, pis the water density at 24°C and KUBTZ , is a measure of upper bedload transport layer along a quartz sand ripple. KUBTZ is a function of flow, position along the ripple and the grain size. A second observation reveals a pseudo-liquefaction of the sediment matrix in the erosion section. This pseudo-liquefaction indicates a destabilization caused by the intrusion of water into the sediment matrix, which facilitates sediment transport. The measures reveal that the pseudo-liquefaction temporarily and partially erases the stratification of the sediment bed, confirming at the same time the assumption of flow of water inside the bedform. These observations are associated with porosity profiles, of exponential form, with values from 0.60 to 0.51 on stoss-side. Finally, the upper bedload transport layer is characterized in terms of its transition profiles by indices and on ripple section by transition indicators. Reading these parameters indicates that the datum used in the calculation of transport is based on ripple geometry, is discontinuous along the ripple and is located below the visible surface, at the surface stricto sensu, with a density between 1.90 to 2.20 9 cm-3. This therefore leads to a higher estimate of sediment transport.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Long, Bernard
Informations complémentaires: Résumé avec symbole
Mots-clés libres: scanographe tomodensitométrique; sédiment; rides sableuses
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 29 mai 2014 20:37
Dernière modification: 24 nov. 2015 21:25
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2274

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