Suite

6.2.4 : Fissures de boue - Géosciences


Figure (PageIndex{1}): Fissures de boue modernes

Figure (PageIndex{2}): Fissures de boue modernes dans une plage

Figure (PageIndex{3}): Une vue plus rapprochée des fissures de boue modernes dans une plage

Figure (PageIndex{4}): Fissures de boue antique

Figure (PageIndex{5}): Anciennes fissures de boue dans les vues verticales et en plan

Figure (PageIndex{6}): Anciennes fissures de boue et crêtes ondulées

Figure (PageIndex{7}): Copeaux de boue ancienne en grès

Figure (PageIndex{8}):Copeaux de boue ancienne en grès

Figure (PageIndex{9}):Fissures de synérèse dues à la déshydratation de la boue sous l'eau


Retour à Structures sédimentaires


Chapitre 6 Estuaires et rivières à marée dominés par les marées

Les processus physiques et biologiques dans presque tous les estuaires sont influencés par les marées. Le degré d'influence est régi par la morphologie estuarienne, l'amplitude des marées, le débit d'eau et de sédiments, les vents et les processus de plateau. Les estuaires dominés par les marées sont ceux dans lesquels les courants de marée jouent un rôle dominant dans le devenir des sédiments fluviaux, entraînant un transport en amont appréciable de sédiments de charriage et, dans les cas extrêmes, peu ou pas de circulation due à la densité. Les rivières à marée, qui présentent bon nombre des mêmes caractéristiques morphologiques et sédimentologiques, sont des estuaires qui se trouvent dans les cours inférieurs des grandes rivières où la pénétration de la marée s'étend plus loin que la pénétration en amont du sel et est découplée de celle-ci. Ici, la sédimentation deltaïque subaquatique est courante.

La plupart des estuaires et rivières à marée dominés par les marées ont une forme d'entonnoir, un transport sédimentaire bidirectionnel, des voies de transport mutuellement évasives, un maximum de turbidité induit par la marée ou la densité et de vastes régions de dépôt de sédiments à grains fins, souvent sous forme de boue fluide. Les sédiments du fond vont de la boue au gravier. Au fur et à mesure que les marées se déplacent vers l'amont à travers des zones transversales plus petites, les courants de marée deviennent progressivement plus asymétriques en vitesse et en direction. Dans de nombreux cas, cela conduit à un transport net vers les terres des sédiments de charriage. Les formes de lit caractéristiques comprennent les crêtes de sable de marée, les grandes vagues de sable et les méga-ipples. Les structures sédimentaires caractéristiques comprennent la stratification croisée, la stratification de la marée, les surfaces de réactivation et la stratification flaser, ondulée et lenticulaire. Les vasières, les mangroves ou les herbes des marais forment généralement les bords des estuaires.

Des exemples d'estuaires et de rivières à marée dominés par les marées peuvent être trouvés dans une grande variété de contextes : par exemple, dans les rivières à marée du Rio de la Plata et de l'Amazone, où les amplitudes respectives des marées sont inférieures à 1 m et 4 à 8 m, une grande partie de la sédimentation se produit sous forme de deltas subaquatiques qui se sont construits sur et autour des sables transgressifs de la Gironde, où le marnage est de 4 m, un maximum de turbidité très transitoire caractérise l'estuaire pourtant 60% des sédiments en suspension quittent l'estuaire et s'accumulent sur le plateau de la Severn, où l'amplitude des marées est de 8 m, les taux de sédimentation sont si faibles que le substratum rocheux exposé couvre de vastes sections de l'estuaire et, dans la baie Cobequid-Salmon River, où l'amplitude des marées peut dépasser 12 m, une progradation importante se produit à partir de sables dérivés du large de l'estuaire.


Instrumentation de diffraction des rayons X sur poudre (XRD) - Comment ça marche ?

La géométrie d'un diffractomètre à rayons X est telle que l'échantillon tourne dans le trajet du faisceau de rayons X collimaté à un angle θ tandis que le détecteur de rayons X est monté sur un bras pour collecter les rayons X diffractés et tourne à un angle de 2 θ . L'instrument utilisé pour maintenir l'angle et faire pivoter l'échantillon est appelé un goniomètre. Pour les modèles de poudre typiques, les données sont collectées à 2 θ à partir de

5 ° à 70 ° , angles préréglés dans la radiographie.


Perméabilité à pression contrôlée dans un conduit rempli de brèche hydrothermale fracturée reconstruite à partir de la balistique de Whakaari (White Island), Nouvelle-Zélande

4 × 10 −15 m 2 (figure 6). Bien qu'il existe une tendance générale à l'augmentation de la perméabilité avec l'augmentation de la porosité, comme observé dans les études précédentes sur la perméabilité des roches volcaniques [57,58], il existe également une dispersion substantielle au sein et entre les lithologies (Figure 6). Par exemple, la perméabilité des échantillons avec une porosité de

4 × 10 −15 m 2 (figure 6a). La balistique de lave relativement inchangée a généralement une porosité et une perméabilité inférieures à celles de la lave altérée, du tuf de cendres altérée et du flux de soufre (figure 6a). Par rapport aux roches collectées à la surface (données de [13,59] indiquées en gris sur la figure 6a), les échantillons balistiques (symboles jaunes sur la figure 6a) ont généralement une porosité plus faible et une plage de perméabilité plus étroite. Les échantillons présentant des fractures de traction créées expérimentalement sont de 4 à 5 ordres de grandeur plus perméables que les roches non fracturées à des pressions de confinement de 1 et 3 MPa (Figure 6a,b). Quelle que soit la perméabilité initiale, les perméabilités des échantillons fracturés sont très similaires aux faibles pressions de confinement (

10 -12 m 2 à 1 et 3 MPa Figure 6a,b).

1 ordre de grandeur dans la lave non altérée et la lave non altérée fracturée, une diminution de 1 à 2 ordres de grandeur dans la lave altérée non fracturée et une diminution de la perméabilité de 2 à 4 ordres de grandeur dans la lave altérée fracturée (Figure 7). Fait important, nos données montrent que la réduction de la perméabilité en tant que pression de confinement est plus importante dans les échantillons altérés fracturés que dans les échantillons non altérés fracturés (Figure 7).

3.3. Résumé des résultats


Les fissures de dessiccation et leurs modèles : formation et modélisation dans la science et la nature

Sujata Tarafdar a rejoint la faculté de l'Université Jadavpur, Kolkata, en 1990 et y est actuellement professeur de physique. Ses intérêts de recherche couvrent : les fractales et les systèmes désordonnés, la formation de motifs dans la nature, les doigtés visqueux et les réseaux de fissures, la matière molle condensée, les milieux poreux et les électrolytes polymères. Elle est coordinatrice du Centre de recherche en physique de la matière condensée de l'Université de Jadavpur et secrétaire générale de la Société indienne des analystes non linéaires. Elle est membre du comité de rédaction de Frontiers in Physics (groupe d'édition Nature) en tant que rédactrice en chef.

Akio Nakahara est professeur agrégé de physique à l'Université Nihon, au Japon. Après avoir obtenu son doctorat à l'Université de Kyushu, il a passé quatre ans en tant que PostDoc à l'Université de Chuo, puis a rejoint l'Université Nihon. Il a travaillé sur la physique de la formation de motifs et a récemment trouvé une méthode pour contrôler la morphologie des motifs de fissures en utilisant l'effet mémoire du fluide plastique.

Tapati Dutta est professeur agrégé au département de physique du St. Xavier's College, à Kolkata, en Inde. Après avoir obtenu sa maîtrise de l'Université de Calcutta et son doctorat de l'Université de Jadavpur, elle a rejoint le département de physique du Collège St. Xavier en 1990 et continue depuis. Elle était auparavant chef du département et est actuellement doyenne de la recherche du St. Xavier's College. Elle est membre du comité académique du Centre de recherche en physique de la matière condensée de l'Université de Jadavpur. Le Dr Dutta est également membre de l'Indian Society of Non-linear Analysts. Ses intérêts de recherche sont la physique de la matière condensée et la dynamique non linéaire.

Alors Kitsunezaki est professeure agrégée au département de physique de l'université pour femmes de Nara, au Japon. Après avoir obtenu son doctorat à l'Université de Kyoto en 1997, il a enseigné à l'université jusqu'à maintenant. Il est spécialisé dans la dynamique non linéaire et la formation de motifs. Il a étudié la formation de motifs de fissures de boue et de joints colonnaires d'amidon, théoriquement et expérimentalement, et ses intérêts actuels incluent la mécanique de la rupture des matériaux pâteux et granulaires humides.

Lucas Goehring dirige un groupe de recherche à l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation et enseigne à la Georg-August Universität Göttingen toute proche. Il a obtenu son doctorat à l'Université de Toronto, pour ses travaux sur l'assemblage de colonnes, et a récemment été membre du Wolfson College, à l'Université de Cambridge. Là, il a travaillé sur le séchage et le craquage de films colloïdaux. Ses intérêts de recherche actuels portent sur la formation de motifs, les écoulements multiphasiques, la physique de la matière molle et la géophysique.


Formation de motifs dans les géosciences

La formation de motifs est une propriété naturelle des systèmes dynamiques non linéaires et hors équilibre. Des exemples géophysiques de tels systèmes couvrent pratiquement toutes les échelles de longueur observables, de la bande rythmique d'espèces chimiques dans un seul cristal minéral à la morphologie des cuspides et des flèches le long de centaines de kilomètres de côtes. Cet article présente brièvement les principes généraux de la formation de motifs et explique comment ils peuvent être appliqués aux problèmes ouverts des sciences de la Terre. Des exemples particuliers sont ensuite discutés, qui résument le contenu du reste de ce numéro thématique.

1. Formation de motifs

Les modèles existent dans toute la nature et sont attrayants pour l'œil d'observation entraîné du scientifique. Bon nombre des questions qui sont présentées dans ce numéro sur la formation de modèles étaient déjà sous l'attention des premiers membres de la Royal Society. L'origine des sources « descendant par les vallées ou les gouttes entre les crêtes des collines, et venant s'unir pour former de petits ruisseaux ou ruisseaux » a été discutée par Edmund Halley [1], tandis que les formes prismatiques des joints colonnaires ont d'abord été introduites dans les dossiers de la Société par les rapports des voyageurs transmis par Sir Richard Bulkeley [2]. L'étude quantitative de tels modèles, cependant, est maintenant un domaine de recherche active. Par exemple, Petroff et al. [3] démontrent ici que les sources qui s'érodent dans une pente se diviseront ou bifurqueront de manière générique à un angle de 2π/5, tandis que je présente un mécanisme d'ordonnancement des fissures qui relie les joints colonnaires au terrain polygonal et aux fissures de boue [4]. Il existe de nombreuses autres situations où des motifs réguliers sont générés, des plus grandes échelles de géomorphologie, telles que les arcs de subduction incurvés de la croûte terrestre [5] ou les méandres des réseaux fluviaux, aux ondulations sur la plage [6] et aux précipitations chimiques périodiques. motifs [7]. Les détails de ces modèles peuvent fournir des informations quantitatives sur les systèmes dans lesquels ils se forment et les mécanismes qui les sous-tendent.

La science de la formation des motifs, une étude motivée physiquement des motifs spatio-temporels et une tentative d'expliquer comment, pourquoi et quand ils surviennent, a été formalisée au cours de la seconde moitié du XXe siècle [8]. La rétroaction peut faire bien plus qu'amplifier ou contrôler un signal, et à mesure que la compréhension des systèmes dynamiques non linéaires s'est développée, des caractéristiques universelles inattendues de ces systèmes ont été découvertes. La réponse complexe de systèmes même simples, comme un double pendule, ou le premier modèle atmosphérique à trois composants de Lorenz [9], où les conditions initiales arbitrairement proches divergent rapidement, est maintenant connue sous le nom de chaos. Dans d'autres situations, des interactions complexes peuvent donner lieu à des motifs réguliers simples. C'est le cas sur lequel nous nous concentrons ici, bien que souvent le chaos et les modèles puissent être trouvés dans le même système (voir [7] sur les modèles de précipitations géochimiques). Dans les deux cas, les systèmes sont généralement dynamiques, non linéaires et hors d'équilibre : les modèles sont des états dissipatifs produisant de l'entropie, entraînés par un flux d'énergie entre une source d'énergie externe et un dissipateur thermique.

Les modèles surviennent généralement à la suite de la compétition entre deux forces opposées. La convection de Rayleigh-Bénard est le résultat d'une compétition entre la flottabilité, qui agit pour soulever des fluides plus chauds et plus légers, et la dissipation visqueuse, qui tend à amortir tout mouvement. Les rapports de ces forces définissent les groupes sans dimension grâce auxquels un système dynamique peut être paramétré. Dans la plupart des cas, le nombre pertinent de ces groupes est petit, car lorsque les groupes sont trop dissemblables en importance, les termes les plus faibles ont généralement (mais pas toujours) un effet négligeable. Ainsi, par exemple, Wells et Cossu [10] décrivent comment un équilibre entre les forces centrifuges et de Coriolis est capturé par un nombre de Rossby sans dimension et expliquent comment la force motrice dominante, et la morphologie qui en résulte, de la canalisation sous-marine diffère aux nombres de Rossby élevés et faibles. .

Enfin, les conditions dans lesquelles les modèles changent de forme se sont révélées particulièrement révélatrices. La théorie de telles bifurcations, ou transitions entre états, a été développée à l'origine par Poincaré [11], et l'utilisation physique moderne est née d'applications spécifiques de ces idées aux changements de phase dans la physique de la matière condensée [8]. Les bifurcations peuvent fréquemment être classées dans l'un des quelques types d'instabilité, sur la base de considérations de dimensionnalité et de symétrie. Celles-ci dictent quelles peuvent être les principales contributions non linéaires et quel type générique de réponse est attendu autour d'un point critique. Par exemple, dans de nombreux cas, une instabilité dans un système avec une symétrie de réflexion (par exemple gauche-droite ou haut-bas) conduit à sa classification en tant que bifurcation en fourche. Près des points critiques des bifurcations, les comportements de divers systèmes peuvent se réduire à ceux de quelques réponses universelles, qui sont indépendantes de la physique détaillée de ces systèmes (c'est-à-dire que tous les membres d'une même classe d'universalité partagent le même comportement à proximité d'une bifurcation supercritique) . Par exemple, la transition d'une fissure droite à une fissure ondulée [12], et l'apparition d'oscillations lors de certaines réactions chimiques [8,7] sont des bifurcations de Hopf et près de leurs transitions, ces problèmes très différents peuvent être mappés les uns sur les autres. Tout comme les points critiques sont la clé pour comprendre le comportement des diagrammes de phases thermodynamiques classiques, ils sont généralement un outil très puissant pour établir et tester la physique de tout système de formation de motifs.

2. Pourquoi les modèles géophysiques sont-ils intéressants ?

La Terre n'est pas en équilibre thermodynamique. La chaleur s'écoule du noyau fondu vers la croûte, à travers un manteau de convection. Les vents soufflent, la pluie tombe et les montagnes s'érodent, tandis que l'énergie du Soleil est traitée et re-rayonnée vers le fond plus frais de l'espace. La vie arrive et, ce faisant, change le monde. Les moyens qui ont façonné la géographie que nous voyons aujourd'hui sont dynamiques, complexes, non équilibrés et non linéaires. Ce sont les conditions naturelles dans lesquelles s'attendre à une auto-organisation, et les modèles que l'on peut trouver nous renseignent sur la physique de ces systèmes. De plus, les mécanismes de formation de motifs peuvent être très robustes, ils ne sont pas seulement observés dans des situations de laboratoire contrôlées, mais survivent également (et peuvent même prospérer) au bruit des environnements géomorphiques du monde réel.

L'une des forces de l'approche moderne des motifs est son universalité. La même instabilité peut apparaître dans une grande variété de situations. L'article fondateur de Turing sur « La base chimique de la morphogenèse », par exemple, a décrit les conditions nécessaires pour générer une instabilité linéaire dans un système avec deux morphogènes chimiques réactifs et diffusants [13]. En général, il s'applique à deux (ou par une généralisation simple, plus) champs en interaction vous et v, où

L'universalité des systèmes de formation de motifs peut également être un défi. Le sol modelé des sols de pergélisol a une structure évidente. Des modèles numériques détaillés peuvent bien reproduire les formes de ce terrain. Cependant, comme discuté par Hallet [17], de tels modèles peuvent générer un modèle similaire à la suite du soulèvement dû au gel ou de la convection des eaux souterraines. Le modèle gel-soulèvement est désormais privilégié, mais uniquement à la suite de cycles de prédiction et de validation. Dans un autre exemple, certains motifs labyrinthiques dans les graminées ressemblent superficiellement aux motifs de végétation basés sur la réaction-diffusion de plantes plus grandes, mais peuvent résulter du mécanisme entièrement différent de la convection en milieu poreux [18]. La similitude de forme seule, quelle que soit sa beauté, est insuffisante pour la preuve - un modèle utile de formation de motifs est nécessairement quantitatif et décrit des caractéristiques supplémentaires telles que la sélection de la longueur d'onde, la mise à l'échelle, les taux ou l'emplacement des points de bifurcation entre les motifs dans l'espace des paramètres. À leur tour, ces détails quantitatifs guident les tests supplémentaires des modèles par rapport aux mesures sur le terrain et aident à la conception d'expériences analogiques significatives. Une fois qu'une compréhension est acquise et testée, on peut se tourner vers l'interprétation, et ici les modèles peuvent être de puissants diagnostics de conditions qui n'existent plus ou qui (par exemple d'autres planètes, des échelles de temps longues) sont difficiles d'accès directement.

3. Contenu de ce numéro

Ce numéro est consacré à l'application des outils de formation de motifs aux problèmes géophysiques. Richard Feynman s'est souvenu de ses années d'étudiant qu'il avait acquis une « réputation de faire des intégrales, uniquement parce que ma boîte à outils était différente de celle de tout le monde, et qu'ils avaient essayé tous leurs outils dessus avant de me donner le problème » [19]. Bien que la formation de motifs en physique et en mathématiques appliquées soit un domaine mature et que les phénomènes inclus ici soient pour la plupart très bien connus, ce n'est que relativement récemment que cette boîte à outils, comprenant l'analyse de stabilité linéaire, la théorie de la bifurcation, les symétries et la brisure de symétrie, et la dynamique théorie des systèmes, a été mis à contribution sur des problèmes géophysiques. Les progrès ont été impressionnants, comme on l'espère le démontrer. Cependant, malgré l'utilisation de méthodes similaires, les applications ici ont également eu tendance à être développées au coup par coup et représentent une communauté croissante avec des opportunités considérables d'apprendre les unes des autres. Un objectif supplémentaire de ce numéro thématique est de rassembler ces sujets.

Nous commençons par un examen de l'un des modèles géophysiques les plus connus et les plus couramment observés, celui des dunes de sable. Lorsque le fluide s'écoule sur un lit granulaire, les grains peuvent être ramassés et transportés avec le flux. Si le lit a une surface inégale, les grains peuvent être de préférence érodés à partir des régions à plus forte pression du vent et déposés ailleurs. Andreotti & Claudin [6] examinent comment ce mécanisme conduit à l'instabilité linéaire des dunes de longueur d'onde bien définie. Ils montrent comment ces dunes évoluent sous différents fluides, tels que l'eau liquide ou les atmosphères de la Terre, de Mars et de Vénus, et comment ces dunes de faible amplitude croissent et grossissent jusqu'à ce qu'elles soient limitées par l'épaisseur de la couche de fluide qui s'écoule. Enfin, ils discutent des défis actuels dans la modélisation des ondulations subaquatiques, qui peuvent se situer entre des conditions d'écoulement turbulent et laminaire, et résument les extensions de ces idées à d'autres situations, par exemple l'alternance de barres fluviales.

Thomas et al. [20] considèrent le même forçage hydrodynamique qui donne naissance aux dunes mais l'appliquent au substrat viscoélastique des tapis microbiens. Dans leur article sur le kinneyia [20], ils considèrent la formation d'une classe de biofilms fossiles ridés qui sont communs dans les archives fossiles du Précambrien mais absents des temps plus modernes. En couplant la théorie de la stabilité linéaire à des expériences analogiques et à des observations sur le terrain, ils montrent comment la kinneyia peut se former à travers une instabilité générique de type Kelvin–Helmholtz d'une interface cisaillée. Cela soulève des questions intéressantes quant à savoir si ces fossiles peuvent être utilisés pour interpréter les conditions prédominantes dans lesquelles ils se sont formés et pourquoi ils ne sont plus observés.

Tout comme les sables et les biofilms sont déplacés par l'écoulement, les sédiments près du rivage peuvent être transportés par l'action des vagues. Cela conduit à une instabilité des côtes à des perturbations périodiques et à la croissance de petites bosses dans les flèches et les baies cuspidées, par exemple. Murray & Ashton [21] passent en revue les travaux récents sur les modèles de côtes auto-organisées. Ils montrent comment le flux de sédiments le long des côtes peut être simplifié sous la forme d'une équation de diffusion non linéaire, qui devient instable aux emplacements ou aux conditions où la diffusivité effective change de signe. Ils montrent ensuite comment les formes d'amplitude finie de cette instabilité ont été explorées numériquement, dans une gamme de conditions allant des côtes ouvertes avec forçage des vagues symétriques ou fortement asymétriques, aux lacs fermés, où les caractéristiques du littoral de chaque côté d'un plan d'eau peuvent interagir de manière surprenante.

Le flux de sédiments près des côtes dans les régions de marée peut également être contrôlé par des conditions plus locales, y compris la végétation. Da Lio et al. [16] décrivent comment la compétition entre espèces spécialisées dans de telles zones humides peut conduire à la stabilisation d'une série de plates-formes de marais salés de différentes hauteurs, chacune dominée par une espèce de végétation. Ils explorent un modèle dynamique qui associe la biomasse de différentes espèces à la production et au transport de sédiments, et montrent comment des solutions stables et attrayantes décrivant une série de plates-formes se développeraient naturellement. Comme l'élévation du niveau de la mer est une préoccupation d'actualité pour les marais littoraux, ils étudient également les effets du taux relatif d'élévation sur la stabilité de la structure des marais salés et démontrent que la rétroaction biogéomorphique peut rendre ces modèles de zones humides plus résilients qu'on ne le pensait auparavant.

Dans d'autres situations, la rétroaction entre la vie et son environnement peut également donner lieu à des modèles, et les modèles de végétation dans les paysages sont devenus bien étudiés ces dernières années. Dans les milieux arides, ceux-ci prennent généralement la forme de taches, de bandes ou de labyrinthes d'alternance de végétation et de sol nu (e.g. [22]). Zelnik et al. [14] recensent un large éventail de modèles qui ont été développés pour décrire l'interaction des taches végétatives avec l'eau, compte tenu d'un taux de précipitation limite. En particulier, ils étudient le processus de désertification, qui dans ces modèles résulte de plusieurs états stables, et d'hystérésis, dans le couvert végétal. En étudiant plusieurs modèles, ils tentent de répondre à la question de savoir si la désertification doit procéder par la croissance progressive des parcelles désertiques, ou par le changement rapide non local entre les modèles. En termes de changement de phase peut-être plus familier comme la congélation, ceux-ci sont équivalents à une nucléation hétérogène et homogène, respectivement.

Bien que la formation de motifs dans la végétation soit courante, les tests d'observation des prédictions théoriques concernant de tels paysages sont peu nombreux. Penny et al. [15] présentent une étude sur le terrain des modèles dans les terres arides du Texas, où des bandes alternées de couverture végétale et de sol nu couvrent plusieurs versants. À l'aide des méthodes de Fourier, ils analysent les directions des rayures et les comparent aux pentes locales. Les bandes sont généralement perpendiculaires aux pentes, mais elles montrent des excursions locales de ce comportement qui dépendent d'autres hétérogénéités de l'environnement. Par exemple, les auteurs montrent que la profondeur ou le type de sol peut être important dans les rétroactions des bandes végétatives, des caractéristiques qui n'étaient pas considérées comme importantes auparavant.

Ayant maintenant considéré la formation de motifs dans les déserts, les terres arides, les zones humides et les rivages, nous nous tournons vers les motifs de surface dans les régions glacées. Hallet [17] présente une étude de terrain des cercles triés dans le pergélisol. On pense que ce modèle résulte d'un renversement du sol semblable à une convection pendant de nombreuses années, une instabilité provoquée par les cycles de gel-dégel. Fait intéressant, contrairement aux modèles de végétation, il peut également se manifester sous forme de rayures sur les flancs des collines, mais qui sont perpendiculaires aux contours topographiques. Hallet étudie la dynamique de ce motif sur les plaines du Spitzberg depuis plus de 20 ans, et il présente ici une série de mesures à longue échelle de temps de l'évolution de leur forme, du déplacement et de la rotation des traceurs à leur surface et à l'intérieur. , ainsi que les relevés de température locaux. Ceux-ci se comparent bien aux modèles numériques d'instabilités de cercles triés et aident à quantifier notre compréhension du transport près de la surface des sols dans les environnements polaires.

Le terrain polaire est modelé par deux mécanismes différents, le mécanisme de gel-dégel que nous venons de considérer et les cycles de contraction thermique. Le sol cimenté par la glace qui sous-tend fréquemment la couche active de pergélisol est dur et résistant, mais peut se fissurer sous les contraintes causées par les variations saisonnières de température. Ici, je considère l'ordre de ces modèles de fracture, et d'autres structures de fissures ordonnées hexagonalement, à travers des expériences analogues sur l'argile en train de sécher [4]. Je montre comment un modèle simple de fissuration, où les fissures s'ouvrent et se cicatrisent de manière répétée, guidée par leurs positions précédentes mais changeant leur ordre d'apparition, peut expliquer mécaniquement les détails quantitatifs de ces réseaux.

Des réseaux similaires peuvent également être trouvés dans des endroits surprenants, par exemple dans le mélange de fluides. Fu et al. [23] présentent une étude numérique de la dissolution du CO2 attendu du fait du captage et du stockage du carbone dans les aquifères souterrains. Le mélange convectif sélectionne initialement une longueur d'onde la plus instable, mais le motif se développe rapidement en un réseau cellulaire bien défini de doigts colonnaires de CO2-liquide riche. Le grossissement de ce réseau se produit par des règles cellulaires discrètes qui s'avèrent similaires à la façon dont les mousses et les motifs de fissures grossissent, et donne lieu à un état stationnaire de non-équilibre avec une mise à l'échelle universelle.

Pétrof et al. [3] considèrent également la dynamique d'un réseau, lors de l'analyse de la ramification des sources et des ruisseaux. En appliquant une méthode de potentiel complexe à l'infiltration des eaux souterraines autour d'une source, ils mappent cette dynamique au problème plus général de la croissance dans un champ de potentiel. Ils trouvent une instabilité de la pointe du cours d'eau (comme la source ou la source du cours d'eau) et prédisent qu'elle devrait donner lieu à un angle de branchement du cours d'eau de 2π/5. Ce résultat est comparé à d'autres systèmes de scission de pointe, tels que la solidification d'un bain de fusion ou de réseaux vasculaires, et l'angle de ramification de plusieurs milliers de cours d'eau est mesuré et trouvé en accord précis avec leur modèle.

Nous clôturons ce numéro avec deux autres articles de revue. Le méandre sinueux des rivières est une autre des instabilités les plus connues de la nature. Cependant, la sinuosité n'est pas seulement présente dans les cas fluviaux, mais aussi dans les canalisations sous-marines. Wells & Cossu [10] passent en revue des observations récentes intéressantes qui montrent que les canaux de haute latitude sont significativement plus droits que les canaux de basse latitude. Ils relient cela au mécanisme de rupture de symétrie de la force de Coriolis et montrent comment un nombre de Rossby sans dimension, qui décrit l'importance relative de cette force, devient significatif aux hautes latitudes.

Enfin, L'Heureux [7] passe en revue une classe de patrons géochimiques liés au cas des anneaux de Liesegang à précipitation périodique. Il montre que la même instabilité de réaction-diffusion générique peut conduire à la formation de bandes rythmiques de précipités dans les roches volcaniques, sédimentaires et métamorphiques, et présente un récit particulièrement détaillé de ce processus dans les sapropels. Ces processus peuvent également se produire lors de la précipitation de monocristaux et un bref examen de cette bande oscillante est également donné.

4. Remarques finales

Nous avons tenté de rassembler une collection représentative de sujets dans ce numéro thématique sur la formation de motifs dans les géosciences. Il n'est pas exhaustif, mais donne un aperçu de ce qui est possible lorsque les techniques de formation de motifs et de dynamique non linéaire sont appliquées à des problèmes géophysiques. Certains sujets ont été bien étudiés depuis plusieurs décennies, comme les dunes de sable et les rivières sinueuses. Les résultats qui sont présentés ici montrent comment la compréhension de ces idées, une fois développées, peut être appliquée de manière fluide dans d'autres contextes, tels que les bancs de sable [6] ou les canaux sous-marins [10]. L'inclusion de kinneyia [20] montre comment de nouvelles applications de la théorie de la stabilité linéaire peuvent donner un aperçu des processus qui se sont produits il y a longtemps dans le passé de notre planète. De même, les articles sur le pergélisol [4,17] et les modèles de végétation [15] sont pertinents pour l'étude d'emplacements éloignés, tels que les régions polaires et désertiques de la Terre, ou Mars, où l'imagerie satellitaire est disponible mais les études directes peuvent être difficiles.

Les systèmes discutés ici sont dynamiques et on peut s'attendre à ce que leurs états stables évoluent à mesure que les conditions changent. La prédiction, et dans certains cas même le contrôle, des modèles géophysiques est un domaine où les développements futurs devraient être particulièrement influents. Les systèmes de formation de motifs peuvent être sensibles à des changements de régime catastrophiques [22], tels que le processus de désertification étudié par Zelnik et al. [14], lorsqu'un point de bifurcation est atteint. Alternativement, les approches de Murray & Ashton [21] à la migration du littoral, ou Da Lio et al. [16] au développement des zones humides utilisent une rétroaction non linéaire pour faire des prédictions testables explicites, ce qui sera important dans les tentatives de minimiser la perturbation des régions côtières par les changements climatiques. Enfin, des expériences à grande échelle sur le captage et le stockage du carbone nécessiteront une compréhension et une ingénierie des modèles de flux de milieux poreux réactifs sur plusieurs kilomètres cubes et une modélisation inspirée telle que celle de Fu et al. [23].

Nous espérons que cette collection servira à démontrer les forces de la recherche actuelle de ce domaine hautement multidisciplinaire et à encourager son potentiel de développement futur.


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