Thèse Érosion par Dissolution Hydrodynamique et Morphogénèse. H/F

Université Paris Cité

Établissement : Université Paris Cité
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Matière et Systèmes Complexes
Direction de la thèse : Michael BERHANU ORCID 0000000190992135
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

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.

L'équipe d'accueil possède une expertise reconnue sur le sujet de l'érosion par dissolution.
Plusieurs projets abordés par l'équipe demandent à être approfondis.
Le sujet est actuellement très dynamique avec des interactions fructueuses avec les géosciences.
De plus la dissolution d'un solide dans l'eau est fortement analogue à la fonte de la glace. C'est pourquoi les expériences proposées de formation de motifs ont de fortes synergies avec celles de fonte de la glace en présence d'un écoulement d'eau.

Expliquer la forme et prédire l'évolution d'objets solides en dissolution en fonction des paramètres de l'écoulement d'eau. A partir d'expériences de laboratoire, il s'agira d'établir des modèles permettant de comprendre des motifs de dissolution dans la nature.

Il s'agit principalement de mettre en place et exploiter des expériences modèles en laboratoire étudiant l'érosion par dissolution sur des matériaux à dissolution rapide (sel, sucre, plâtre). Ces expériences seront complétées par des simulations numériques dans des géométries simples, des modèles théoriques simplifiés et des mesures de terrain sur des sites choisis.