Université Paris CitéLieu de travail
Paris – FranceIntitulé du sujet
Érosion par dissolution : hydrodynamique et morphogénèse. // Erosion by dissolution: hydrodynamics and pattern formationChamps scientifiques
- Physique
Mots clés
Mécanique des fluides, Morphogenèse, nonlinear physics, geomorphology, material sciences
Fluid mechanics, morphogenesis,, nonlinear physics, geomorphology, material sciences
Description du sujet
La forme des paysages résulte de processus d’érosion hydraulique ou éolienne. Alors que l’érosion granulaire a été largement étudiée, en particulier le transport et le dépôt de grains par écoulement, l’érosion par dissolution reste un sujet beaucoup moins abordé d’un point de vue physique. L’érosion par dissolution ou érosion chimique se produit lorsqu’un solide soluble est en contact avec un écoulement d’eau. Ce type d’érosion joue un rôle important dans les zones recouvertes d’un minéral soluble tel que le calcaire dans les régions karstiques, où l’on observe des motifs remarquables propres à la dissolution (plateaux calcaires, cupules, cannelures de dissolution ou Rillenkarren, pinacles de dissolution, forêts de pierres ou Tsingy…) sur une large gamme d’échelles spatiales. D’un point de vue physique, lorsqu’une roche soluble est en contact avec de l’eau, les minéraux constituant la roche passent de la phase solide à la phase liquide sous forme ionique, pour atteindre la concentration de saturation connue des espèces dissoutes, correspondant à l’équilibre thermodynamique. Ainsi le taux de recul de l’interface solide, le taux de dissolution est en première approximation proportionnel à la différence entre la concentration à l’interface et la concentration de saturation, c’est-à-dire à la différence à l’équilibre. Dans la phase liquide, le transport des ions est décrit par une équation d’advection-diffusion couplant le champ de concentration au champ de vitesse, qui est une solution des équations de Navier-Stokes. Ainsi, le plus souvent, le transport du champ de concentration du soluté par un écoulement hydrodynamique prédit la dynamique de l’érosion par dissolution et explique l’émergence de formes caractéristiques.
Depuis quelques années au laboratoire (MSC) de l’Université Paris Cité, Michael Berhanu et Sylvain Courrech du Pont étudient l’hydrodynamique de l’érosion par dissolution. L’objectif est d’étudier la morphogenèse des modèles de dissolution au moyen d’expériences contrôlées en laboratoire. En choisissant des matériaux à dissolution rapide tels que le sel, le sucre ou le plâtre, les échelles de temps et d’espace peuvent être considérablement réduites, de sorte que des expériences modèles peuvent être menées en laboratoire. Grâce à des mesures quantitatives de l’écoulement et de la topographie des surfaces érodées, nous cherchons à identifier les mécanismes physiques expliquant l’apparition des motifs et donc à développer des modèles mathématiques et des simulations numériques. L’objectif est d’expliquer les formes complexes observées sur des exemples géologiques et de prédire l’évolution à long terme des paysages façonnés par la dissolution.
Le doctorant potentiel développera dans le groupe une ou plusieurs expériences modèles reproduisant les phénomènes d’érosion par dissolution. Les propriétés hydrodynamiques des écoulements seront caractérisées et l’évolution de la forme en 3D des surfaces érodées sera enregistrée à l’aide de scanners optiques. Un premier projet possible consiste à étudier les schémas de dissolution de corps solubles immergés soumis à un courant d’eau et à analyser le comportement de la couche limite de concentration en régime laminaire et turbulent. Le taux d’érosion local sera caractérisé en fonction des propriétés physiques, mécaniques et chimiques du matériau et de la géométrie de l’interface. Un second projet étudiera les motifs créés par les flux de ruissellement sur une surface soluble, lorsque le film d’eau est généré par une pluie artificielle. Cette étude sera la continuation de nos travaux précédents, qui démontrent la génération et l’évolution des sillons de dissolution résultant de la dissolution d’un bloc incliné par un mince film d’eau. Au cours de la thèse, des comparaisons quantitatives avec des exemples de terrain seront également effectuées dans des endroits appropriés pour étudier la morphologie à petite échelle des parois des grottes ou des chaussées calcaires.
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The shape of landscapes results from hydraulic or wind erosion processes. While granular erosion has been extensively studied, particularly the transport and deposition of grains by flow, dissolution erosion remains a far less addressed subject from a physical point of view. Dissolution erosion or chemical erosion occurs when a soluble solid is in contact with a water flow. This type of erosion plays an important role in areas covered by a soluble mineral such as limestone in karst regions, where remarkable patterns specific to dissolution are observed (limestone pavements, scallops, dissolution flutes or Rillenkarren, dissolution pinnacles, stone forests or Tsingy…) on a wide range of spatial scales. From a physical point of view, when a soluble rock is in contact with water, the minerals constituting the rock pass from the solid phase to the liquid phase in ionic form, to reach the saturation concentration known of the dissolved species, corresponding to the thermodynamic equilibrium. Thus the rate of retreat of the solid interface, the rate of dissolution is in first approximation proportional to the difference between the concentration at the interface and the concentration of saturation, that is to say to the difference to the equilibrium. In the liquid phase, ion transport is described by an advection-diffusion equation coupling the concentration field to the velocity field, which is a solution of the Navier-Stokes equations. Thus, most often, the transport of the solute concentration field by a hydrodynamic flow predicts the dynamics of erosion by dissolution and explains the emergence of characteristic forms.
Since few years at the laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC) of the Université Paris Cité, Michael Berhanu and Sylvain Courrech du Pont have been studying the hydrodynamics of erosion by dissolution. The aim is to study the morphogenesis of dissolution patterns by means of controlled laboratory experiments. By choosing rapidly dissolving materials such as salt, sugar or plaster, the time and space scales can be reduced considerably, so that model experiments can be conducted in the laboratory. Through quantitative measurements of the flow and topography of the eroded surfaces, we seek to identify the physical mechanisms explaining the appearance of the patterns and thus to develop mathematical models and numerical simulations. The goal is to explain the complex shapes observed on geological examples and to predict the long-term evolution of landscapes shaped by dissolution.
The potential PhD student will develop in the group, one or several model experiments, reproducing dissolution erosion phenomena. Hydrodynamic properties of the flows will be characterized and the 3D shape evolution of eroded surfaces will be recorded using optical scanners. A first possible project consists in studying dissolution patterns for immersed soluble bodies subjected to a water current and analyze the behavior of the concentration boundary layer in laminar and turbulent regime. The local erosion rate will be characterized in relation with the physical, mechanical and chemical properties of the material and also with the interface geometry. A second project will investigate the patterns created by the run-off flows on a soluble surface, when the water film is generated by an artificial rain. This study will be the continuation of our previous work, which demonstrate the generation and the evolution of dissolution grooves resulting from the dissolution of an inclined block by a thin film of water. During the PhD, quantitative comparisons with field examples will also be performed in appropriate locations to study the small scale morphology of cave walls or of limestone pavements.
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Début de la thèse : 01/10/2025
Nature du financement
Contrat doctoral
Précisions sur le financement
Concours pour un contrat doctoral
Présentation établissement et labo d’accueil
Université Paris Cité
Etablissement délivrant le doctorat
Université Paris Cité
Ecole doctorale
564 Physique en Ile de France
Profil du candidat
On recherche un étudiant de master avec des connaissances solides en physique macroscopique et/ou en mécanique des fluides. Un intérêt pour les sciences de la Terre et/ou la physique des matériaux sera apprécié mais pas indispensable. Le projet de thèse étant à dominante expérimentale, des compétences pour mener des expériences de laboratoires sont souhaitées. Il est aussi nécessaire de savoir analyser informatiquement des données scientifiques en utilisant Python ou Matlab. Des connaissances minimales en programmation pour les sciences sont indispensables.
I am looking for a Master’s student with a solid background in macroscopic physics and/or fluid mechanics. An interest in earth sciences and/or materials physics will be appreciated, but is not essential. As the thesis project is predominantly experimental, skills in conducting laboratory experiments are desirable. Computer analysis of scientific data using Python or Matlab is also required. Minimal knowledge of programming for the sciences is requested.Date limite de candidature
18/04/2025
