PROJET SCIENTIFIQUE RECHERCHES … · modélisation prédictive de systèmes imparfaitement connues (incertitude épistémique) et très non linéaires (incertitude ... Le terme de

projet scientifique RISCE 23/07/2015

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PROJET SCIENTIFIQUE

RECHERCHES INTERDISCIPLINAIRES SUR LES SYSTEMES

COMPLEXES EN ENVIRONNEMENT (RISCE)1

Equipe porteuse du projet: Jean-Raynald de Dreuzy (CNRS, Hydrologie), Philippe Vandenkoornhuyse (Université de Rennes 1, Ecologie), Alexandre Valance2 (CNRS, Physique)

1. Origine du projet

Le projet d'unité RISCE a été à la fois inspiré par le Réseau Thématique de Recherche RISCE (2008-2014)

et par de multiples projets de recherche interdisciplinaires menés à Rennes ces 10 dernières années favorisés également par l'OSUR. Ils ont fait émerger des synergies très fortes, de nouveaux thèmes de recherche, une

nouvelle façon de travailler entre communautés, et des questions scientifiques cruciales pour les sciences environnementales aux interfaces (physique/écologie, écologie/hydrologie, modélisation/observation,...). Il

s'agit notamment de collaborations

entre physiciens et géomorphologues pour les questions de transports de grains, de dynamiques sédimentaires et érosives, du déplacement des dunes,

entre écologues et informaticiens sur la génomique environnementale,

entre physiciens et hydrologues sur l'imagerie de la dynamique des écoulements, du transport et de la

réactivité à l'échelle des pores,

entre écologues et hydrologues pour les relations entre diversité des microorganismes et qualité de l'eau,

entre sciences de l'environnement et sciences du numérique pour la modélisation quantitative des transferts dans les milieux souterrains.

L’école thématique interdisciplinaire de Rennes sur les systèmes complexes en environnement, organisée par le réseau RISCE, a joué un rôle important dans la construction d’une culture commune. Elle en est à sa 6ème édition, avec plus de 80 conférences par des chercheurs en mathématiques, physique, géologie, écologie,

biologie, sociologie, ou économie, qui ont été suivis par près de 200 chercheurs. Le réseau RISCE a aussi contribué à développer des projets de recherche financés par l’ANR et par des encadrements de thèses entre

groupes de différentes disciplines3. Cette étape est fondatrice dans notre expérience de l'interdisciplinarité.

2. Motivation pour une autre forme de recherche interdisciplinaire

Le projet RISCE est une extension logique des différentes structures promouvant l'interdisciplinarité. Ainsi,

il ne se substitue pas aux politiques d'incitation de l'OSUR ou de l'Université mais vient les compléter en concrétisant le souhait d'aller plus loin et de constituer un groupe de recherche sur le long terme pour la

recherche interdisciplinaire sur des processus clefs de l'environnement.

Les questions liées aux risques environnementaux, aux ressources et à leur évolution requièrent des approches cohérentes reposant sur les processus physiques, chimiques et biologiques fondamentaux,

incluant les structures et couplages à différentes échelles, et aboutissant à la modélisation mathématique et à la simulation numérique comme synthèse et capacité de prédictions. L'interdisciplinarité n'est pas vue

comme une fin en soi mais comme un moyen d'accéder à l'étude de certains processus dans leur ensemble pour en comprendre leur dynamique et leur évolution. Ce projet d’unité interdisciplinaire permet d’élargir les collaborations initiés dans le réseau RISCE à d’autres chercheurs et d’autres thématiques, avec l’objectif

1 Titre susceptible d'évoluer

2 Les implications plus spécifiques du Département Milieux Divisés (IPr sont soulignées en jaune

3 Il s'agit par exemple des questions de calcul haute performance et d'algèbre linéa ire des systèmes creux pour la modélisation du

cycle souterrain de l'eau à de grandes échelles. Les structures géologiques apportent des structures de systèmes originales e t

intéressantes en algèbre et essentielles pour la modélisation hydrogéologique


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de bâtir des projets interdisciplinaires dont l’ambition dépasse une simple thèse ou des contrats ANR et européens.

3. Une nouvelle perception de l'environnement

Au travers de ces multiples collaborations, c'est une nouvelle perception de l'environnement que nous

proposons. Il s'agit bien de perception puisque l'environnement n'est pas accessible en tant que tel mais uniquement à travers un ensemble d'informations incomplètes (données) et de représentations approximatives (modèles). C'est la recherche de cet équilibre entre informations et représentations, entre

données et modèles, qui motive notre objectif commun de percevoir l'environnement au delà d'un ensemble de processus comme un système d'émergence, d'interactions, et de rétroactions. C'est également l'opportunité

offerte par le développement rapide des méthodes d'acquisition et de traitement de données, d'expérimentation et de modélisation que nous souhaitons saisir pour accéder à une nouvelle compréhension et à une nouvelle maitrise des ressources et des risques environnementaux. Nous avons la conviction que les

moyens technologiques dans leur ensemble bouleversent notre perception de l'environnement.

RISCE est un projet ambitieux mais cohérent avec les compétences rassemblées sur le site de Rennes et la

volonté des chercheurs et enseignants chercheurs de s'impliquer dans la recherche aux interfaces autant que dans leur champ disciplinaire d'origine. Nous sommes convaincus que l'interdisciplinarité vécue au quotidien nous pousse à réinvestir nos thèmes de recherche. Nous avons cette expérience sur les questions

de couplage entre transfert et réactivité. Le passage classique du transport à la réactivité en utilisant la dispersion comme seul concept de modification physique des concentrations surestime massivement la

réactivité. Nous proposons des interfaces alternatives quantifiables et observables (front de réaction, lamelles). Il s'agit au sens propre comme au sens figure d'épaissir les interfaces entre domaines, entre disciplines.

4. Les projets interdisciplinaires: vers une approche systémique de l'environnement

La proposition RISCE est organisée autour des 5 processus clefs de l'environnement détaillés dans la

section 5.1 (imagerie et dynamique des interfaces, fracturations, hétérogénéité et réactivité, fluides et transferts, dynamiques environnementales et microorganismes; voir Figure 1). Les recherches sur ces processus font intervenir sur une large gamme d'échelle des mécanismes physiques, chimiques et

biologiques fondamentaux, des observations et des expériences jusqu'à l'échelle globale pertinente pour les questions de ressources et de risques. La diversité des échelles, des processus et des méthodes

d'investigation nécessite l'intégration de la physique, de la chimie, des sciences informatiques, des sciences de la terre, et de l'écologie au-delà des collaborations bi-disciplinaires actuelles. RISCE repose sur les compétences et collaborations existantes, propose une nouvelle ambition pour des processus emblématiques

de l'environnement, et une approche plus globale de ces processus et de leur interaction dans la caractérisation de la dynamique des ressources et des aléas environnementaux.

Au travers de ces 5 processus, c'est aussi une approche commune qui nous réunit. Les systèmes environnementaux auxquels nous nous intéressons résultent autant de la dynamique non linéaire de leurs composants que de comportements émergents issus de leurs interactions mutuelles. C'est le cas du couplage

des écoulements de fluides et de particules, de la fracturation, des évolutions symbiotiques en écologie, ou encore de la dynamique multi-échelle des interfaces entre fluides. Ils sont marqués par des phénomènes

d'émergence, d'auto-organisation, d'auto-régulation et de rétroaction typiques des systèmes complexes. La science des systèmes complexes a montré sa capacité à apporter des références, un langage et un cadre théorique commun. Elle est un support à la recherche où la connaissance des objets et systèmes d’étude dans

leur fonctionnement et leur hétérogénéité reste centrale.

Des questions communes identifiées comme des défis scientifiques et méthodologiques apparaissent dans

les différents processus. Ce sont par exemple les questions liées à l'arrivée de données massives et à la modélisation prédictive de systèmes imparfaitement connues (incertitude épistémique) et très non linéaires (incertitude aléatoire). Ces défis communs suscitent également une large ouverture de l'unité sur d'autres

disciplines (e.g. mathématiques, informatique).


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Figure 1: organisation de RISCE sur 5 objets et processus emblématiques

autour des ressources et des aléas de l'environnement

et nécessitant des apports supplémentaires dans des défis scientifiques et technologiques émergents

5. Structuration

Les grandes problématiques relatives à l’environnement continental contiennent cette complexité associée à

une imbrication de compartiments où chacun a sa propre dynamique tout en s’adaptant au comportement de l’ensemble. L'évolution des ressources et la prédiction des risques environnementaux, qui sont des

grands défis de société, passent par cette compréhension fine à la fois de la dynamique propre de

chacun et du comportement collectif émergent.

RISCE nécessite une structuration qui permet de trouver et maintenir le bon équilibre entre les recherches

disciplinaires et interdisciplinaires, une structuration destinée à promouvoir les travaux communs, favoriser l'émergence de nouvelles thématiques, proposer une information et une formation très largement accessibles et intégrer les apports de disciplines et approches extérieures. Nous proposons:

une organisation en projets autour de 5 grands processus environnementaux plutôt qu'en équipes disciplinaires (voir Figure 1). Ces projets se veulent interdisciplinaires, d'envergure,

ambitieux et évaluables. Ils seront animés par un responsable. Les membres de l'unité pourront appartenir à plusieurs projets et assurer ainsi une intégration forte entre projets.

Les projets seront des intégrateurs naturels des différentes disciplines. Les disciplines ne

disparaissent pas. Bien au contraire, l'interdisciplinarité permet de se centrer prioritairement sur ses compétences en bénéficiant de l'expertise et de la recherche des collègues sur les domaines connexes.

Un nouvel équilibre dans l'OSUR entre recherches disciplinaires et interdisciplinaires . La création de cette unité RISCE offrirait à l'OSUR un nouvel outil de recherche sur certains thèmes traités pendant un temps de façon interdisciplinaire avec des passerelles importantes entre unités. Les


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chercheurs et enseignants chercheurs intéressés sont ceux pour qui l'interdisciplinarité occupe une part déterminante dans leur activité de recherche ou ceux qui souhaitent qu'elle prenne une place

déterminante. Les relations avec les approches plus disciplinaires des autres composantes de l'OSUR et de l'Université de Rennes 1 seront maintenues, développées et renforcées.

Des défis scientifiques et méthodologiques émergents sur des nouvelles thématiques, méthodes, et objets de recherche. Ces projets émergents pourront périodiquement être intégrés à des projets piliers, devenir eux-mêmes des projets piliers, engager l'interdisciplinarité dans de nouvelles

directions.

Un hôtel à projet permettant une relation constante avec des approches plus disciplinaires et des

compétences externes à l'unité. Il s'agit de collaborations au sein de l'OSUR, avec les autres domaines scientifiques de l'Université de Rennes, et au travers des réseaux et projets nationaux et internationaux auxquels nous participons ou que nous animons.

Une formation très large des personnels à travers l'organisation annuelle d'une école thématique centrée à tour de rôle sur les différents projets constitutifs de l'unité. L'objectif est de développer une

culture commune et de maintenir l'émergence de nouveaux projets.

5.1. Organisation autour de 5 grands projets4

Les 5 projets constitutifs de l’unité sont focalisés sur de grands processus qui contrôlent l’évolution de notre environnement. Le terme de processus est compris dans sa définition fondamentale d'ensemble d'activités

corrélées ou interactives qui transforme des éléments d'entrée en éléments de sortie.

5.1.1 HÉTÉROGÉNÉITÉ ET RÉACTIVITÉ

Cette thématique est à l'interface entre microbiologie, biogéochimie et physique des transferts dans les sols et les milieux souterrains. Elle est emblématique des effets de l'hétérogénéité spatiale et de la variabilité

temporelle sur des réseaux d'interactions structurées et intermittentes où chaque élément du réseau a lui-même un comportement dynamique et adaptatif. La dispersion et la réactivité des contaminants sont

dominées par les hétérogénéités de l'échelle du pore à l'échelle des bassins versants. La dynamique des transferts, les processus biogéochimiques et le mélange entre masses d'eau et entre solutés structurent fortement les champs de concentrations, la réactivité et la fonctionnalité des sols et des milieux souterrains

via leur compartiment microbien.

La temporalité des échanges entre masses d'eau, l'intermittence des connexions entre compartiments

interviennent sur l'évolution des microorganismes et contribuent à leur différentiation induisant un couplage fort entre transferts, hétérogénéité, réactivité et diversité. La fonctionnalité des milieux souterrains résulte du mélange entre fluides et masses d'eau et des interactions physiques, chimiques et biologiques avec la roche.

Les interfaces entre fluides, la structure des biofilms et la dispersion fine des solutés deviennent accessibles à la métrologie et à la modélisation à différentes échelles et transforment profondément notre perception des

transferts et des fonctionnalités des milieux souterrains.

5.1.2 IMAGERIE ET DYNAMIQUE DES INTERFACES DANS L'ENVIRONNEMENT

Les méthodes d'observation de l'environnement évoluent actuellement très rapidement grâce à de nombreux développements technologiques et scientifiques (e.g. LIDAR fullwaveform terrestre et aéroporté, fibre

optique, télescope à muons, tomographie électrique fréquentielle, observation spatiale géodésique, mesure fine des déformations). L'afflux de ces nouvelles données transforme notre perception de l'environnement et

particulièrement celle des interfaces comme la surface terrestre, les interfaces air/eau dans les sols et le milieu souterrain, les interfaces biotique/abiotique, l'endommagement autour des ouvrages de stockage, l'interface entre systèmes magmatique et hydrologique.

Ces nouvelles données sont certes abondantes à la fois dans le temps et dans l'espace mais ne sont en général qu'une conséquence des processus environnementaux. Le LIDAR permet d'identifier finement les interactions

entre les sols, l'eau et la végétation, mais ne renseigne pas en tant que tel sur la morpho-dynamique des

4 Une description détaillée de ces 5 projets est fournie dans l'annexe 1.


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rivières. Pour que l'environnement profite de ces développements technologiques rapides, nous proposons de développer de nouvelles relations entre données et modèles, entre information et perception.

Aux méthodes classiques d'identification et de calibration (problème inverse), nous proposons d'adjoindre de nouvelles approches d'apprentissage et de sélection, de couplages multi-échelles, de réduction de modèles.

L'approche originale que nous proposons est de contraindre ces approches jusque dans leurs éléments essentiels (noyaux de projection, métriques) par la connaissance de leur dynamique. C'est par exemple en progressant sur la compréhension des structures d'échanges nappe-rivière que nous pourrons adapter les

méthodes d'interprétation des signaux thermiques, extraire des informations locales sur les transferts, et identifier les hot-spots réactifs au cœur des problématiques de services environnementaux des hydro- et éco-

systèmes.

5.1.3 FLUIDES ET TRANSFERTS

Les transferts dans l'environnement s'appuient sur des écoulements dynamiques de fluides. Les éléments transportés (grains, sédiments, bactéries,...) interagissent avec le fluide, sont alternativement mélangés et

dispersés faisant émerger aux échelles supérieures des comportements collaboratifs, des systèmes d'action et de rétroaction complexes. Cette thématique touche notamment aux questions de géomorphologie, de dynamique sédimentaire, de transport éolien, d'effet de la turbulence sur la chaîne trophique. Elle a

traditionnellement était abordée par les sciences physiques et numériques.

Mais l'étude des écoulements naturels fait apparaître la nécessité de prendre en compte le rôle des

interactions biotique/abiotique et l'hétérogénéité naturelle des particules transportées et des structures d'écoulement (e.g. turbulence) sur la dynamique des transferts. Une question essentielle est le rôle de la végétation dans les transferts de particules tant en contexte fluvial qu'éolien et les rétroactions des

écoulements sur la dynamique des écosystèmes (e.g. structure des communautés planctoniques, restauration des ressources halieutiques en rivière, extension de la végétation dans les estuaires).

La nouvelle unité offrira la possibilité d'aborder ces thématiques en développant la modélisation des écoulements naturels et avec comme perspectives les questions de ressources et d'aléas (voir section 5.2).

5.1.4 FRACTURATIONS

La fracturation est l’un des processus géologiques les plus importants, qui contrôle la dynamique interne de

la croûte terrestre mais aussi sa structure et ses propriétés mécaniques, hydrologiques et biogéochimiques. C’est aussi un processus emblématique des systèmes complexes, à la fois par sa non-linéarité et par sa dynamique résultante qui implique une gamme extrêmement large d’échelles spatiales (de la dislocation

minérale aux grandes failles lithosphériques) et temporelles (du tremblement de Terre à la tectonique).

La caractérisation des systèmes fracturés naturels, de leurs structures topologiques et de leurs conséquences

sur la stabilité mécanique et les transferts de fluides et de solutés est au cœur d'un certain nombre de problématiques industrielles ou sociétales. Les fractures peuvent être vues comme un risque (risque sismique, glissements de terrain) ou une opportunité (e.g. ressources minérales ou en eau, stockage

souterrain de déchets). Entre l'impératif de forger une certaine maîtrise et les fortes incertitudes aléatoires et dynamiques, nous proposons une identification systématique des éléments critiques (goulots d'étranglement,

chemin percolant, localisation et accumulation de contrainte).

A plus petite échelle, les questions de nucléation et de propagation de la fracturation font intervenir des couplages forts avec la chimie et la biologie. Les interactions thermodynamiques entre pression et chimie,

les effets de la croissance biologique sur les contraintes mécaniques sont des causes essentielles de rupture et de modification brutale des propriétés physico-chimiques de notre environnement.

Le thème fracturations émerge d'une grande quantité de processus à différentes échelles qui nécessitent des recherches en mathématique, physique des processus, hydrologie, biologie et géomorphologie.

5.1.5 DYNAMIQUE ENVIRONNEMENTALE ET MICROORGANISMES

S'appuyant sur un savoir-faire en metagénomique/metatranscriptomique, il est maintenant possible de

transcender les niveaux hiérarchiques de l'écologie. Désormais, pour aborder le développement d'une


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écologie des systèmes qui se veut holistique, nous pouvons/voulons tirer profit de l'interdisciplinarité des compétences regroupées sur les systèmes complexes, en physique, en modélisation, et en informatique qui

s'additionnent à des compétences en écologie et biogéochimie. L'objectif ambitieux sera d'explorer la possibilité d’existence de propriétés émergentes de communautés de microorganismes en systèmes

simplifiés in vitro mais aussi sur des microbiotes in natura. Cette recherche sera centrée sur les microorganismes puisqu'ils représentent le plus grand réservoir de diversité du vivant et qu'ils impactent de manière considérable le fonctionnement de l'ensemble des écosystèmes, notamment à travers les grands

cycles biogéochimiques. Nous développerons des travaux centrés sur les modifications dynamiques des microorganismes résultant des contraintes environnementales. De fait, ce thème prospectif entretiendra des

liens forts avec les thèmes "Hétérogénéité et Réactivité" (section 5.1.1) et "Fluides et Transferts" (section 5.1.3).

5.2. Grandes questions à l'interface sciences et société5

Seule une fine enveloppe de la Terre est accessible à l’homme, à l’interface entre lithosphère et atmosphère.

Cette zone où se concentrent les ressources essentielles à l'humanité (eau, énergie, vivant) est le théâtre de processus physiques, chimiques et biologiques qui sont au cœur des 5 grands processus constitutifs de notre

projet (section 5.1). Dans un contexte d'exploitation croissante de ces ressources, mesurer et prédire leur évolution en termes de quantité et qualité est un enjeu sociétal critique qui constitue un point focal majeur de notre projet. A cette question, s'ajoute la prédiction de certains aléas anthropiques, climatiques et telluriques

et de leurs impacts sur les ressources et les sociétés.

L'eau apparait comme un dénominateur commun au travers des 5 grands processus constitutifs via la

question de la ressource (e.g. quantité, qualité chimique et biologique) et des aléas (e.g. surexploitation/pollution, interaction eau/volcanisme, crues). Elle correspond à une expertise existante forte sur les volets physique et biologique. Le projet RISCE vise à développer les interrelations entre ces

compartiments (e.g. impact et restauration des écosystèmes) et à bénéficier des interactions avec les mathématiques appliquées pour la question de la prédiction. Dans ce cadre, les recherches spécifiques sur les

questions de changement d’échelle, de comportement équivalent, des relations stock-flux (fonctionnement des écosystèmes) et d'articulation modèle/données sont essentielles. A terme, nous souhaitons développer des interfaces de recherche avec les SHS autour de la gestion et de l'appréciation de la ressource, dans un

contexte d’interactions avec les sphères économiques, sociologiques, juridiques et politiques.

5.3. Défis scientifiques et méthodologiques émergents

Plusieurs questions apparaissent de façon récurrente dans nos thèmes de recherche comme le "big data", la

modélisation stochastique, les processus thermodynamiques fondamentaux. Sans être le focus principal de notre projet, ces questions n'en restent pas moins essentielles et pourront faire l'objet de collaborations plus structurées avec des unités de recherche du site Rennais non directement impliquées dans RISCE. Deux

exemples de défis émergents sont donnés à titre illustratif.

5.3.1 "BIG DATA" EN ENVIRONNEMENT

Projets de recherche potentiels avec l'INRIA et l'IRISA.

Le "big data" en environnement est un exemple de sujet prospectif avec des besoins méthodologiques, technologiques et scientifiques qui impliquent les sciences de l'environnement, l'informatique et les mathématiques. C'est une nouvelle perception de l'environnement qui émerge à travers un nouveau flux

important de données spatiales et temporelles. La transformation de l'observation en information et, in fine, en prédiction requiert une évolution profonde du statut des relations entre observations, informations,

modèles, compréhension et prédiction.

La transformation de l'observation en information et, in fine, en prédiction requiert une évolution profonde du statut des relations entre observation et modélisation et des moyens mis en œuvre. Les besoins

concernent le développement d'interfaces pour les utilisateurs, de mise en œuvre de méthodes numériques, de couplage logiciel entre modèles, de systèmes de visualisation et de fouilles de données.

5 Une description détaillée est fournie dans l'annexe 2


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5.3.2 MODÉLISATION STOCHASTIQUE DES SYSTÈMES DYNAMIQUES

Projets de recherche potentiels avec l'IRMAR et les équipes associées à l'ENS Rennes.

Les systèmes environnementaux font intervenir des systèmes d'équations différentielles ou aux dérivées

partielles non linéaires avec des structures d'interaction et de rétroaction qui font une grande partie de la dynamique des processus environnementaux. L'étude et le contrôle de ces systèmes sont des éléments indispensables dans les démarches de compréhension et de prédiction.

6. Gouvernance promouvant l'interdisciplinarité

La proposition de gouvernance repose sur une implication très forte de l'ensemble des membres de

l'unité au travers du conseil scientifique . Il se réunit mensuellement et intègre la participation de personnalités scientifiques externes (~2 fois par an), qui apportent un regard complémentaire notamment

dans les disciplines connexes comme les mathématiques. Les missions du conseil scientifique sont de partager l'information, d'organiser la formation dans les différentes disciplines, de réaliser une veille et une prospective constantes sur les nouvelles technologies, de conseil sur les choix et les orientations de la

recherche de l'unité. C'est un fonctionnement cohérent avec une unité de 25-50 chercheurs et enseignants chercheurs.

Le conseil scientifique fonctionne sur des réunions courtes hebdomadaires à date, heure et salle fixe qui participeront à l'unité à travers les différents sites. Elles sont destinées à partager l'information, apporter des flashs sur des questions techniques et scientifiques destinées à se prolonger hors conseil, développer une

culture commune, faciliter les échanges. Des réunions mensuelles plénières sont organisées autour du fonctionnement scientifique et administratif de l'unité.

L'unité est constituée essentiellement par des équipes-projet centrées sur les 5 processus affichés et les grands thèmes environnementaux (ressources et aléas) (section 5.2). Les personnels pourront contribuer à plusieurs équipes-projet en fonction de leur intérêt et de leur compétence, renforçant également les

passerelles entre les thématiques de l'unité.

L'unité se compose de chercheurs membres de l'unité et aussi de chercheurs associés qui adhèrent au projet de l'unité, participent et s'impliquent dans les projets de recherche, dans la prospective et dans la vie de

l'unité. Les projets seront progressivement renforcés par des discussions scientifiques régulières. Les chercheurs associés pourront envisager un détachement temporaire.

L'essentiel du potentiel de recherche est constitué par les chercheurs et enseignants chercheurs eux-mêmes, par leur capacité à s'investir, à évoluer et à mobiliser des moyens autour de leurs thématiques de recherche. Les activités reposent également sur les ressources contractuelles des projets de recherche (ANR, Europe,

Région, collaborations industrielles). Les moyens propres de l'unité sont mis prioritairement sur les projets interdisciplinaires et sur des actions de nature à promouvoir les échanges au quotidien (animation

scientifique, lieu de vie commun...). Les mobilités thématiques et l'accueil des jeunes chercheurs sont particulièrement encouragés.

7. Relations entre enseignement et recherche

Le projet RISCE est fortement connecté à la formation des étudiants de l'Université de Rennes 1 à travers l'investissement dans les enseignements des différentes UFR. Il contribuera de façon essentielle à

"l'adossement recherche" des Masters SCNI (Systèmes Complexes Naturels Industriels) et H3 (Hydrogéologie, Hydrobiogéochimie, Hydropédologie), Sciences de la Terre, RMP (Ressources Minérales et

Pétrolières), EFCE (Ecologie Fonctionnelle, Comportementale et Evolutive), MODE (Modélisation en Ecologie), READ (REssources Aquatiques et exploitation Durable) et GHBV (Gestion des Habitats et des Bassins Versants).

De part ses liens privilégiés avec la tutelle ENS de Rennes, RISCE est aussi destiné à être le support recherche du département de Sciences de l'Environnement de l'ENS, en cours de création, et du magistère

associé, qui sera mis en place en symbiose avec l'Université de Rennes 1.

projet scientifique RISC-E 23/07/2015

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8. Chercheurs et Enseignants Chercheurs engagés dans le projet scientifique

Nom Prénom Unité d'origine Organisme

Ammi Madani IPR UR1

Aquilina Luc Géosciences Rennes UR1

Bour Olivier Géosciences Rennes UR1

de Brémond d'Ars Jean Géosciences Rennes CNRS

Canot Edouard IRISA CNRS

Corpetti Thomas Costel CNRS

Crave Alain Géosciences Rennes CNRS

Davy Philippe Géosciences Rennes CNRS

Delannay Renaud IPR UR1

Dufresne Alexis Ecobio CNRS

de Dreuzy Jean-Raynald Géosciences Rennes CNRS

Emile Janine IPR UR1

Erhel Jocelyne IRISA INRIA

Gibert Dominique Géosciences Rennes CNAP

Lagadeuc Yvan Ecobio UR1

Lague Dimitri Géosciences Rennes CNRS

Laverman Anniet Ecobio CNRS

Le Borgne Tanguy Géosciences Rennes CNAP

Le Gonidec Yves Géosciences Rennes CNRS

Longuevergne Laurent Géosciences Rennes CNRS

McNamara Sean IPR UR1

Méheust Yves Géosciences Rennes UR1

Nicollin Florence Géosciences Rennes UR1

Oger Luc IPR CNRS

Pannard Alexandrine Ecobio UR1

Pichot Géraldine IRISA INRIA

Pinay Gilles Ecobio CNRS

Quaiser Achim Ecobio UR1

Steer Philippe Géosciences Rennes UR1

Tabuteau Hervé IPR CNRS

Valance Alexandre IPR CNRS

Vandenkoornhuyse Philippe Ecobio UR1

Wolf Cédric Ecobio UR1


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Répartition des chercheurs et enseignants chercheurs par origine et par organisme:

CNRS UR1 INRIA CNAP TOTAL

Géosciences Rennes 7 5 2 14

Ecobio 3 5 8

IPR 3 4 7

IRISA 1 2 3

COSTEL 1 1

TOTAL 15 14 2 33

9. Projets existant entre partenaires

Dynamique du transport de grains (éolien, hydraulique): A. Valance, R. Delannay

(Physique), D. Lague, A. Crave (Géomorphologie).

Dispersion, mélange et réactivité à l'échelle des pores: T. Le Borgne, Y. Méheust

(Hydrogéologie), H. Tabuteau (Physique).

GDR Transport solide Naturel, Animation: A. Crave (Géosciences), A. Valance (IPR)

Modélisation numérique des transferts dans les milieux fracturés: P. Davy, J.-R. de Dreuzy (Hydrogéologie), J. Erhel, G. Pichot (IRISA/INRIA).

Génomique environnementale: P. Vandenkoornhuyse, A. Dufresne, A. Quaiser (Ecologie), Plateforme bio-informatique, équipe GenScale (IRISA/INRIA).

Effet de la diversité des microorganismes sur la qualité de l'eau: L. Aquilina (Hydrogéologie), P. Vandenkoornhuyse, A. Dufresne (Biologie).

Imagerie acoustique, interfaces rugueuses: R. Delannay, S. McNamara (Physique), Y. Le Gonidec (Géophysique).

Transfert de chaleur dans les milieux poreux avec changement de phase, R. Delannay, S. McNamara (Physique), E. Canot (IRISA).

Etude des processus physiques, biologiques et chimiques aux interfaces dans les systèmes

environnementaux. G. Pinay (Ecologie), J.-R. de Dreuzy (Hydrogéologie), Z. Thomas (Agronomie), L. Aquilina (Hydrogéologie), Gérard Gruau (Géochimie).


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10. Financements en cours

Source Acronyme Période Nom Partenaires (RISCE) Autres partenaires

EU MC INTERFACES 2013-2016 Etude des processus physiques, biologiques et chimiques aux interfaces dans les systèmes environnementaux

Ecobio (G. Pinay), Géosciences (J.-R. de Dreuzy), Z. Thomas (Agrocampus)

Univ. Birmingham

ANR MN H2MNO4 2013-2016 Méthodes Eulériennes et Lagrangiennes pour la modélisation du transport réactif

INRIA (J. Erhel, G. Pichot), Géosciences (J.-R. de Dreuzy)

Univ. Poitiers & Univ. Lyon

ANR SEED Stock-en-Socle 2014-2018 Détermination du potentiel de stockage thermique saisonnier de l'énergie thermale dans les milieux cristallins

Géosciences (O. Bour, L. Aquilina)

BRGM, ANTEA, BURGEAP

ANR JC 2015-2018 Subsurface Mixing and Reaction Géosciences (T. Le Borgne, Y. Méheust), IPR (H. Tabuteau)

ANR JC EROQUAKE 2015-2018 Interactions érosion, processus de surface et sismologie

Géosciences (P. Steer)

ANR DS0102 DIAPHANE 2015-2018 Imageries structurelle et fonctionnelle de volcans avec des rayons cosmiques

Géosciences (D. Gibert, J; de Bremond d'Ars, F. Nicollin, Y. Le Gonidec)

Institut de Physique Nucléaire (Lyon), IPG (Paris)

ANR JC COLMAT 2013-2016 Physique du colmatage à l'échelle du pore IPR (H. Tabuteau) CNES 2012-2019 des réarrangements au sein de

suspensions concentrées sous sollicitation mécanique

IPR

QNRF 2014-2017 Microbial stabilization of mobile dunes for infrastructure protection and environmental preservation

IPR Université de Cornell (New-York state, USA)

EC2CO Hmm 2013-2014 Hétérogénéité à micro-échelle et microfluidie (Hmm)

EcoBio (Y Lagadeuc, P Vandenkoornhuyse), IRISA

UMR IRISA, UMR LINA Univ Nantes, MIT (USA)

EC2CO MIME 2014-2015 MIcrobial MEdiation of the diversity-productivity relationship : toward a plant-neodomestication (MiMe)

EcoBio (P Vandenkoornhuyse , A Quaiser, A Dufresne)

UMR IRISA, UMR LINA Univ Nantes, Univ Arizona (USA)

MC Marie Curie Initial Training Network DS0102 Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux

MN Modèle Numérique QNRF Qatar National Research Fund

JC Jeune Chercheur SEED Systèmes énergétiques efficaces et décarbonés


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11. Publications communes

Ecobio/Géosciences

Nunes F., Aquilina L., de Ridder J., Dufresne A., Francez A.J., Quaiser A., Caudal J.P. and Vandenkoornhuyse P., Hydrological forcing impacts the geochemistry and bacterial community structure of peat soils (soumis).

Bougon N., Aquilina L., Molénat J., Marie D., Delettre Y., Chancerelle E. and Vandenkoornhuyse P., Influence of depth and time on diversity of free-living microbial community in the variably saturated zone of a granitic aquifer, FEMS Microbial Ecology 80 (2012) 98-113.

Bougon N., Auterives C., Aquilina L., Marmonier P., Derrider J. and Vandenkoornhuyse P., Nitrate and sulphate dynamics in peat subjected to different hydrological conditions: batch experiments and field comparison, J. of Hydrology 411 (2011) 12-24.

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Imbert D, McNamara S. and Le Gonidec Y., Fictitious domain method for acoustic wave propagation through a granular suspension of movable rigid spheres, Journal of Computational Physics 280 (2014) 676-691.

IRISA/Géosciences

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Beaudoin, A., de Dreuzy J.-R., Erhel, J. and Pichot, G., Convergence analysis of macrospreading in 3D heterogeneous porous media, ESAIM Proceedings, 41, 59-76, 2013

de Dreuzy J.R. and J. Erhel, Efficient algorithms for the determination of the connected fracture network and the solution to the steady-state flow equation in fracture networks, Computers & Geosciences 29 (2003) 107-111.

de Dreuzy J.R., Pichot G., Poirriez B. and Erhel J., Synthetic benchmark for modeling flow in 3D fractured media, Computers & Geosciences 50 (2013) 59-71.

Erhel J., de Dreuzy J. R. and Poirriez B., Flow Simulation in Three-Dimensional Discrete Fracture Networks, SIAM Journal on Scientific Computing 31 (2009) 2688-2705.

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12

Pichot G., Erhel J. and de Dreuzy J.R., A Generalized Mixed Hybrid Mortar Method for Solving Flow in Stochastic Discrete Fracture Networks, SIAM Journal on Scientific Computing 34 (2012) B86-B105.

IRISA/Ecobio

Mahé S., Duhamel M., Le Calvez T., Guillot L., Sarbu L., Bretaudeau A., Collin O., Dufresne A., Kiers E.T. and Vandenkoornhuyse P., PHYMYCO-DB: a curated database for analyses of fungal diversity and evolution. PloS one 7 (2012) e43117.

Pannard, A., Beisner, B. E., Bird, D. F., Braun, J., Planas, D., & Bormans, M. (2011). Recurrent internal waves in a small lake: Potential ecological consequences for metalimnetic phytoplankton populations. Limnology & Oceanography: Fluids & Environments, 1 (2011), 91-109

IRISA/IPR

Muhieddine M., Canot É., March R. and Delannay R., Coupling heat conduction and water–steam flow in a saturated porous medium, International Journal for Numerical Methods in Engineering 85 (2011) 1390–1414.

Tankeo M., Richard P. and Canot É., Analytical solution of the mu(I)-rheology for fully developed flows in simple configurations, Granular Matter 15 (2013) 881-891.

http://epubs.siam.org/doi/abs/10.1137/100804383

http://epubs.siam.org/doi/abs/10.1137/100804383


13

Annexe 1: Description détaillée des 5 grands processus environnementaux

Hétérogénéité et réactivité

Animation et synthèse: Tanguy Le Borgne, Luc Aquilina

Personnes impliquées: Luc Aquilina, Olivier Bour, Philippe Davy, Jean-Raynald de Dreuzy, Alexis

Dufresne, Jocelyne Erhel, Anniet Laverman, Tanguy Le Borgne, Laurent Longuevergne, Yves Méheust, Alexandrine Pannard, Gilles Pinay, Achim Quaiser, Philippe Vandenkoornhuyse

Personnes associées: Pauline Gueutin (EHESP), Zahra Thomas (AgroCampus)

INTERDISCIPLINARITE: cette thématique est à l'interface entre microbiologie, biogéochimie et physique des transferts. Elle est emblématique des effets de l'hétérogénéité spatiale et de la variabilité temporelle sur des

réseaux d'interactions structurées et intermittentes où chaque élément du réseau a lui-même un comportement dynamique et adaptatif. L'originalité de notre approche repose sur l'identification des

structures dynamiques de transferts, de concentrations, de mélange, et leur impact sur la réactivité et la diversité.

Dans une vision classique d'interactions en trois pôles physique, chimie et écologie, les questions les plus

abordées ont concerné les interactions entre chimie et microbiologie, physique et chimie. L'originalité de notre approche est de considérer les interactions mutuelles entre physique des transferts, réactivité chimique

et écologie dans une approche systémique des actions et interactions entre processus élémentaires. Il s'agit des interactions des paramètres environnementaux variables dans le temps et dans l'espace avec la diversité et le fonctionnement (métabolisme) des microorganismes dans une vision de l'écosystème dans son

ensemble. Nous nous intéressons à l'impact de la structure des transferts et de la dynamique des mélanges à plusieurs échelles, des temps de résidence, de la distribution des flux, du taux de recharge, de la compartimentation des masses d'eau sur la diversité des microorganismes, et de l'impact sur la réactivité

globale des milieux sur le fonctionnement des systèmes.

La temporalité des échanges entre masses d'eau, l'intermittence des connexions entre compartiments

interviennent sur l'évolution des microorganismes et contribuent à leur différentiation induisant un couplage fort entre transferts, hétérogénéité, réactivité et diversité. Les perturbations (stochastiques et régulières) et les évolutions sur des durées variables interviennent à différents niveaux dans la structure et le

fonctionnement des écosystèmes. Les écosystèmes s'adaptent et se structurent localement aux conditions environnementales, structures qui en retour

conditionnent les fonctionnalités biogéochimiques des systèmes (Figure 2). L'effet de la dynamique des transferts et de ses conséquences sur l'évolution biogéochimique des milieux est

au cœur des mécanismes de résilience des écosystèmes sous contraintes anthropiques et climatiques.

La modélisation, à la fois expérimentale et numérique, est essentielle pour caractériser les processus fondamentaux d'interactions entre le transport, la géochimie

et la biologie (diversité). Si l'observation s'est fortement développée à travers l'OSUR, l'identification des processus

par une intégration très forte de l'expérimentation, de la simulation et de la modélisation sont des éléments prospectifs. Les expériences et le développement de nouvelles méthodes

métrologiques (visualisation, imagerie) offrent de nouvelles observables des interfaces, de leur création à leur destruction dynamique (Figure 3). La caractérisation des

structures de concentration et l'analyse de leur relation avec la dynamique des écoulements et de la dispersion sont des avancées majeures sur laquelle une nouvelle phénoménologie des transferts et des interactions avec la biogéochimie peut être construite.

Ro

ch

e n

ue

image MEB

Bio

film

Figure 2: A gauche : observation du

développement d’un biofilm en forage

dans un front de mélange souterrain, à

droite : image MEB de la structure du

biofilm prélevé in situ (thèse Olivier

Bochet)


14

vitesses d’écoulement

(particle tracking)

champ de concentration

(fluorescence)

taux de réaction

(chemiluminescence)

Figure 3: schéma du dispositif expérimental milli-fluidique (de Anna et al. 2014) mis en place en collaboration entre Yves

Méheust, Tanguy Le Borgne (Géosciences Rennes) et Hervé Tabuteau (IPR). Ce dispositif est unique car il permet pour la

première fois la mesure conjointe de la distribution spatiale des vitesses, des concentrations et des taux de réaction dans l es

milieux poreux (thèses Pietro de Anna, Regis Turuban et postdoc Joaquin Jimenez).

La diversité des conditions physiques et chimiques des différents compartiments de l'hydrosystème (sol, zone non saturée, aquifères superficiel et souterrain, zone hyporhéique et riparienne) associée à la variabilité temporelle des forçages extérieurs (flux hydrauliques et chimiques) induit des interactions sur de larges

gamme d'échelles temporelles et spatiales. Alors que les processus ont essentiellement été abordés indépendamment aux différentes échelles, une nouvelle perspective d'intégration des échelles apparait et

donne l'opportunité d'identifier les structures d'échange et de dispersion pertinentes en fonction des fonctionnalités étudiées. Il s'agit par exemple des questions d'échange à l'échelle entre zones oxiques et anoxiques dans la zone non saturée dont l'effet sur les capacités de dénitrification doit être comparé aux

transitions majeures entre compartiments hydrologiques (zone non saturée/zone saturée, aquifère/rivière).

CONNEXIONS AVEC LES AUTRES PROCESSUS: Ce thème est directement connecté au thème "imagerie et

dynamique des interfaces dans l'environnement" à travers la forte réactivité aux interfaces entre compartiments, fluides et masses d'eau (interactions nappe/rivière, déplacement et rôle des interfaces eau-air dans la zone insaturée, développement et évolution des interfaces de mélanges dans le milieu poreux

souterrain). Il est également relié au thème "fluides et transferts" dans le cas où la réactivité et la diversité proviennent plus d'une dynamique rapide de fluides complexes (e.g. turbulence) que des processus plus lents

de dispersivité dans les sols et le milieu souterrain.

PROJETS FINANCES

De l’échelle du pore et du biofilm au milieu poreux

Dynamique des interfaces de mélange dans les milieux souterrains, observation des couplages micro-

échelles écoulement-mélange-réaction et modélisation de leur impact sur la réactivité globale effective:

expérimentations in situ et au laboratoire, approches numériques et théoriques couplées (projet ANR

jeune chercheur Tanguy le Borgne 2014-2019).

Impact des structures porales sur les mécanismes de biodégradation à l'échelle du microcosme

dynamique (thèse Tristan Babey, projet ANR H2MNO4)

Dispersion et mélange dans la zone insaturée, et implications pour la réactivité (Chaire internationale de

la fondation Rennes 1, Joaquin Jimenez, projet EC2CO).

Condition d’apparition du mélange chaotique dans les milieux poreux 3D (thèse Régis Turuban).

Du milieu poreux à l'échelle locale (puits, parcelle)


15

Imagerie géophysique in situ des processus de transport dans les milieux de géométrie complexes (e.g.

fractures) (collaboration T. Le Borgne, N. Linde, Université de Lausanne).

Mélange des masses d'eau, front de réactivité et évolution de la réactivité microbienne: caractérisation

in situ par traçage réactif et application à la dynamique du colmatage (thèse Olivier Bochet, projet

Ademe geoclogging 2015-2018).

Interactions entre micro-organismes et virus dans les eaux souterraines (thèse Flore Ballaud).

Du puits au bassin versant et à l'échelle régionale

Impact de l'isolement et du renouvellement des masses d'eau sur la diversité des communautés

microbiennes (expérimentation sur les sites de Betton et Carantan). Ploemeur et St Brice en Coglès ;

travaux expérimentaux sur les marais du Cotentin). (thèse Nolwen Bougon (2008), Jo Derrider (2012) et

Sarah Ben Maamar (en cours) ; projet EC2CO Aquadiv, projet « Carentan »).

Compartimentation hydrologique, diversité et réactivité de l'échelle du versant à l'échelle régionale (ZA

Pleine Fougères, EC2CO « caractérisation hydrologique et biogéochimique de la dénitrification dans les

paysages », EU ITN Marie-Curie INTERFACES).

PROJETS EN COURS D'EVALUATION

Projet ERC consolidator ReactiveFronts Tanguy Le Borgne 2014, sélectionné pour la deuxième phase

d’évaluation (entretien).

ENIGMA, projet européen réseau Marie Curie ITN 2015, European training network on innovative

imaging methods for heterogeneous aquifers.

Thèse CIFRE (2015-2018) Antea group – géosciences Rennes, Etude des risques de colmatage et

optimisation des procédés de traitement des doublets géothermiques sur nappes superficielles.

Projet CNRS Pietro de Anna 2015 : transport, croissance et dynamique des micro-organismes dans les

milieux poreux.

PUBLICATIONS

Boisson A., de Anna P., Bour O., Le Borgne T., Labasque T. and Aquilina L., Reaction chain modeling of denitrification reactions during a push–pull test, J. of Contam. Hydrol. 148 (2013) 1–11

Bougon N., Aquilina L., Molénat J., Marie D., Delettre Y., Chancerelle E. and Vandenkoornhuyse P., Influence of depth and time on diversity of free-living microbial community in the variably saturated zone of a granitic aquifer, FEMS Microbial Ecology 80 (2012) 98-113.

Bougon N., Auterives C., Aquilina L., Marmonier P., Derrider J., Vandenkoornhuyse P., Nitrate and sulphate dynamics in peat subjected to different hydrological conditions: batch experiments and field comparison, J. of Hydrology. 411 (2011) 12-24.

Bougon N., Aquilina L., Briand M.P., Coedel S. and Vandenkoornhuyse P., Influence of hydrological fluxes on the structure of nitrate-reducing bacteria, Soil Biology & Biochemistry (IP 4.4) 41 (2009) 1289–1300.

Clement J.C., Aquilina L., Bour O., Plaines K., Burt T. and Pinay G., Hydrological flowpath and Nitrate removal rates within a Riparian floodplain along a fourth-order stream in Brittany (France), Hydrological Processes 17 (2003) 1177-1195.

de Anna P., Dentz M., Tartakovsky A. and Le Borgne T., The filamentary structure of mixing fronts and its control on reaction kinetics in porous media flows, Geophys. Res. Lett. 41 (2014) 4586-4593.

de Anna P., Jimenez-Martinez J. ,Tabuteau H., Turuban R., Le Borgne T., Derrien M. and Méheust Y., Mixing and reaction kinetics in porous media : an experimental pore scale quantification, Environ. Sci. Technol. 48 (2013) 508–516 .

Le Borgne T., Ginn T. and Dentz M., Impact of Fluid Deformation on Mixing-Induced Chemical Reactions in Heterogeneous Flows, Geophys. Res. Lett. (2014) in press.

Lefebvre S., Marmonier P., Bour O. and Aquilina L., Comparison of in stream biological activities in granitic and schists rivers. Archiv für Hydrobiologie 164 (2005) 169-191.


16

Legout C., Molenat J., Lefebvre S., Marmonier P. and Aquilina L., Investigation of biogeochemical activities in the soil and unsaturated zone of weathered granite, Biogeochemistry 75 (2005) 329-350.

Nunes F., Aquilina L., de Ridder J., Dufresne A., Francez A.J., Quaiser A., Caudal J.P., Vandenkoornhuyse P., Hydrological forcing impacts the geochemistry and bacterial community structure of peat soils (soumis).

Sébilo M., Mariotti A., Mayer B. and Pinay G. 2013. Long term release of nitrate from agricultural plant-soil system, Proceeding of the National Academy of Science , 110 (45): 18185-18189.

Tritthart M., Welti N., Bondar-Kunze E., Pinay G., Hein T. and Habersack H. 2011. Modelling highly variable environmental factors to assess potential microbial respiration in complex floodplain landscapes, Environmental Modelling & Software, 26: 1097-1111.


17

Fluides et Transferts

Animation et synthèse: Renaud Delannay, Dimitri Lague

Personnes impliquées: Madani Ammi, Alain Crave, Philippe Davy, Renaud Delannay, Yvan Lagadeuc, Dimitri Lague, Luc Oger, Alexandrine Pannard, Alexandre Valance, Philippe Steer, Yves Le Gonidec, Jean

de Brémond d'Ars, Yves méheust, Hervé Tabuteau, Janine Emile, Edouard Canot, Florence Nicollin, Dominique Gibert.

Personnes associées: Etienne Mémin, Dominique Heitz, Cédric Herzet (Fluminance, IRISA), Pascal Dupont (LGCGM, INSA).

INTERDISCIPLINARITE: la compréhension et la prédiction des écoulements et transferts dans des

environnements naturels requièrent de pouvoir associer des composantes à la fois de physique et mathématiques appliquées (modélisation de la dynamique des fluides, régimes chaotiques et bifurcation,

instabilité des régimes d'écoulement), de géosciences (hydrologie, morphologie, volcanologie) et de biologie (e.g. végétation, micro-organismes) ainsi que la prise en compte de niveaux d'hétérogénéité réalistes (e.g. distribution polydisperse de taille de particules, de leur forme et de leur nature, échelles de vorticité, reliefs

et rugosité d'interfaces). Ce projet entre autres sur les techniques multi-échelles d'imagerie spatio-temporelle (optique, acoustique, thermiques, par muons) pour aborder le changement d'échelle inhérent à

l'étude des processus depuis l'échelle de la particule (e.g., physique du grain de sable) jusqu’à celui des plus grandes structures turbulentes (e.g., géomorphologie des rivières, instabilité des reliefs) et des systèmes dynamiques instables (volcans, systèmes hydrothermaux).

Dans l'environnement, plusieurs systèmes multiphasés coexistent et peuvent interagir entre eux à travers des processus de couplage complexes, résultant par exemple de circulation de fluides, de transport particulaire ou encore de transfert d'énergie.

Les systèmes multiphasés comportant une phase solide dispersée dans une matrice fluide constituent un domaine important de la mécanique des fluides en raison des enjeux environnementaux et industriels

associés. En effet, leur dynamique complexe résulte d’interactions particule-fluide et particule-particule à petite échelle (e.g. grain de sable, plancton, végétation), donnant lieu à l'émergence de formes parfois instables (bifurcation des régimes d'écoulement) et de phénomènes de plus grande échelle (e.g. structuration

des communautés de micro-organismes, dunes, réseau hydrographique, paysages, dômes volcaniques). Il s'agit d'un domaine dans lequel la physique granulaire et l'hydrologie ont pendant longtemps poursuivi des

chemins parallèles. Le réseau RISCE a contribué localement puis nationalement, notamment via le GDR TRANSport NATurel, à rapprocher ces deux communautés et à développer une véritable culture interdisciplinaire de ces phénomènes. L'objectif est désormais d'explorer trois grandes orientatio ns :

1- Les couplages entre écoulement, transferts de particules

et dynamique du vivant. Le vivant intervient à de multiples

échelles dans les transferts de matière.

A l'échelle du grain, la composante biotique altère les propriétés mécaniques des agrégats (e.g. biofilms, système racinaire) et modifie

les écoulements tant en intensité qu'en nature (e.g. génération de friction par la végétation). Les écoulements influencent aussi la

dynamique biologique (e.g. seuils d'arrachement, optimisation de la forme des individus et des communautés en fonction de l'hydraulique). Des couplages dynamiques bio-hydro- physiques

émergent sur des temps longs et des échelles spatiales plus grandes (Figure 4). C'est le cas par exemple du couplage entre niveau

marin, ensablement des estuaires et dynamique de la végétation halophile qui requiert une approche holistique du système. Dans de nombreux types d'écoulements, les mécanismes élémentaires ont déjà été abordés dans un champ disciplinaire particulier, mais la dynamique

couplée reste encore peu étudiée faute de réussir à assembler la gamme de compétence nécessaire tant sur la

Figure 4: microbes morts ou

dormants (rouge/orange) sur un

grain.


18

compréhension des phénomènes, que dans la modélisation et la mise en équation des processus particulaires, hydrauliques et biologiques.

2- Le rôle de l'hétérogénéité dans les flux de matière . Les particules, les organismes et les écoulements ont une distribution de taille très étendue. La mesure de cette hétérogénéité est au cœur des sciences

environnementales (biologie, sciences de la Terre) alors qu'elle est généralement simplifiée au profit d'une approche visant à extraire des lois de comportement élémentaires sur des systèmes homogènes par les sciences physico-chimiques. Hors, l'existence d'une gamme étendue de tailles tant pour les particules

abiotiques/biotiques que pour les structures d'écoulements se traduit par des vitesses de transfert, des temps de résidence et des échelles d'interactions qui peuvent fondamentalement modifier la dynamique des

transferts naturels par rapport à l'approche homogène équivalente. Nous souhaitons donc faire travailler ensemble sciences dures et sciences naturelles pour aborder des questions autour de l'origine de la poly-dispersivité des grains dans les transports hydrauliques, éoliens et gravitaires et ses conséquences sur la

physique des écoulements, les conséquences de la turbulence multi-échelle sur la dynamique des micro-organismes et les temps de résidence des particules dans les réseaux hydrographiques.

3- Le couplage entre différentes approches méthodologiques et instrumentales pour contraindre les

dynamiques multiéchelles spatiales et temporelles des transferts environnementaux

Il s'agit d'une part d'approches discrètes, permettant de décrire la dynamique d'un ensemble de grains à une

échelle "mésoscopique" (Figure 5), d'une approche fluide complexe (i.e., modèles effectifs), et de développement de modèles adaptés pour prendre en

considération le changement d'échelle (upscaling et downscaling). La combinaison d’observations in situ, d’expériences de laboratoire et de modèles numériques est corrélée aux

autres thèmes du projet : "imagerie et dynamique des interfaces dans l'environnement", "hétérogénéité et réactivité" (pour la zone non

saturée), "Fracturations" (les débris solides qui entrent dans le transport sont souvent issus du processus de fracturation des roches), "Micro-organismes et dynamique environnementale" (effet de

l’écoulement sur le milieu vivant et réciproquement).

Les fluides jouent également un rôle essentiel dans le transfert

d'énergie entre différents compartiments environnementaux. Ce transfert d’énergie, couplé au transfert de masse et à un éventuel changement de phase, joue un rôle

fondamental dans le séchage des sols (ainsi que dans les altérations du sol provoquées par des foyers ou des incendies).

Les fluides magmatiques, lave et gaz, sont le vecteur principal du transport d'énergie des chambres magmatiques vers la surface : l'écoulement de ces fluides est fortement contrôlé par les

structures existantes et la nature des matériaux formant les édifices volcaniques. Les cratères sommitaux de l'Etna sont

formés de cônes de granulats dans lesquels les chemins de percolation des fluides hydrothermaux sont en perpétuelle réorganisation à cause de leur colmatage progressif causé par

l'altération des matériaux. Là encore, la compréhension de la dynamique d'interactions entre grains

rejoint directement les objectifs décrits ci-dessus. Dans les volcans d'arc, la Soufrière de Guadeloupe est un exemple typique. L'eau y joue un rôle prépondérant. Un système hydrothermal structuré en sous-systèmes empilés

échange énergie et matière de la chambre magmatique vers la surface : ces sous-systèmes ont des capacités de transport limitées et peuvent soudainement bifurquer pour évacuer des surplus d'énergie. La dynamique

des systèmes hydrothermaux plus superficiels devient chaotique en raison de la forte activité de liquides, des vapeurs et des gaz magmatiques au sein de structures géologiques moins résistantes car fortement altérées.

Figure 5: transport (fluvial) de

sédiments, formation et migration

de rides

Figure 6: suivi des variations de

température dans le gouffre Tarissan au

sommet du dôme de la Soufrière de

Guadeloupe. La dynamique de ce système

peut subitement évoluer en réponse à un

apport d'énergie en profondeur (insert:

dégazage intense en 1976).


19

Des explosions récentes et totalement imprévues sont survenues en 2013 sur le Mayon (Philippines) et en 2014 sur le Ontaké (Japon). Elles montrent que ces systèmes sont susceptibles de bifurquer vers des

dynamiques catastrophiques. C'est un défi en volcanologie où des compétences pluridisciplinaires sont nécessaires pour développer et adapter les méthodes de monitoring, élaborer des modèles d'évolution des

édifices volcaniques pour contraindre la bifurcation du système, identifier des précurseurs, et prévenir l'aléa volcanique (ANR DIAPHANE).

PROJETS FINANCES

INSU/EC2CO 2012-2103: Dynamique des couplages biogéomorphologiques dans les prés salés (PI : D.

Lague, geomorpho, math app, physique granulaire et biologie végétale)

INSU/ALEAS 2014: SEDIQUAKE : Impact des grands tremblements de terre sur l’aléa

hydrosédimentaire dans les rivières. Application aux Alpes du Sud de Nouvelle-Zélande, Dimitri Lague.

Projet ANR DIAPHANE 2015-2018, Géosciences, Physiciens: "Imageries structurelle et fonctionnelle

de volcans avec des rayons cosmiques", (responsable : D. Gibert, participants : J. De Bremond d'Ars, Y.

Le Gonidec et F. Nicollin).

Projet ANR JC Collmat 2013-2016: « Physique du colmatage à l'échelle du pore » (Responsable: Hervé

Tabuteau)

Projet CNES 2012-2019: « Dynamique des réarrangements au sein de suspensions concentrées sous

sollicitation mécanique » (Responsable: Hervé Tabuteau, Participants: R. Delannay, A. Valance, L.

Oger, J. Emile)

Projet QNRF (Qatar National Research Fund) 2014-2017: « Microbial stabilization of mobile dunes for

infrastructure protection and environmental preservation » (Responsable: M. Louge (Cornell);

Participants: A. Hay (cornell), A. Valance, Jiannong Fang (EPFL)).

RESEAUX, GROUPEMENTS (E.G. LIA, GDR):

GDR « Transport Solide Naturel » 2013-2016: Responsables: Alexandre Valance et Alain Crave.

ECOS-SUD: Argentine (2012-2014), ECOS-SUD: Chili (2014-2016), Renaud Delannay et Edouard

Canot

LIA Franco-Argentin: « Physique et Mécanique des Fluides », Luc Oger

PHC CEDRE (Liban) Modnum: « Modélisations numériques», Renaud Delannay, Edouard Canot,

Jocelyne Erhel

PUBLICATIONS

Emile J., Casanova F., Tabuteau H. and Emile O., Profile of the liquid film wetting a channel, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 074107.

Carbone D., Gibert D., Marteau J., Diament M., Zuccarello L. and Galichet E., An experiment of muon radiography at Mt Etna (Italy), Geophys. J. Int. 196 (2013) 633-643.

Guignier L., Niya H., Nishimori H., Lague D. and Valance A., Sand dunes as migrating string, Phys. Rev. E

87 (2013) 052208.

Imbert D, McNamara S. and Le Gonidec Y., Fictitious domain method for acoustic wave propagation through

a granular suspension of movable rigid spheres, Journal of Computational Physics 280 (2015) 676-691.

Jenkins J.T. and Valance A., Periodic trajectories in aeolian sand transport, Physics of fluids 26 (2014)

073301.

Louge M., Valance A., Ould El Moctar A., Xu J., Hay A.G. and Richer R., Temperature and Humidity

measurements within a mobile barchan sand dune, Journal of Geophysical Research: Earth Surface 118 (2013) 2392-2405.


20

Muhieddine M., Canot É., March R. and Delannay R., Coupling heat conduction and water–steam flow in a saturated porous medium, International Journal for Numerical Methods in Engineering 85 (2011)

1390–1414.

Zaitsev V, Richard P., Delannay R., Tournat V. and Gusev V.E., Pre-avalanche structural rearrangements in

the bulk of granular medium : experimental evidence, Europhys. Lett. 83 (2008) 64003.

Lague D., The Stream Power River Incision model: evidence, theory and beyond, Earth Surface Processes and Landforms 39 (2014) 38-61.

Andermann C., Longuevergne L., Bonnet S., Crave A., Davy P., Gloaguen R., “Impact of transient groundwater storage on the discharge of Himalayan rivers” Nature geosciences, 5, 127–132 (2012)

Andermann C., Crave A., Gloaguen R. Davy P., Bonnet S., « Connecting source and transport: suspended sediments in the Nepal Himalayas » Earth and Planetary Science Letter., 351-352, pp. 158-170 (2012)


21

Imagerie et dynamique des interfaces dans l'environnement

Animation et synthèse: Thomas Corpetti, Dominique Gibert, Alexandre Valance

Personnes impliquées: Olivier Bour, Jean de Bremond d'Ars, Edouard Canot, Thomas Corpetti, Alain Crave,

Janine Emile, Dominique Gibert, Dimitri Lague, Tanguy Le Borgne, Yves Le Gonidec, Yves Méheust, Florence Nicollin, Luc Oger, Géraldine Pichot, Hervé Tabuteau

Personnes associées: Cédric Herzet, Etienne Mémin (IRISA), Romain Tavenard (Costel).

INTERDISCIPLINARITE: l’imagerie de la Terre, notamment via ses techniques avancées d’acquisition (e.g. images satellites, LIDAR fullwaveform, télescope à muons) permet de visualiser un grand nombre

d’interfaces environnementales : interface Terre/atmosphère, eau/air, milieu poreux/milieu vivant, poisson-habitat/écoulement. Ces données contiennent une richesse d’information liée à des processus complexes faisant intervenir une grande variété de disciplines, d’échelles spatiales et temporelles, de processus et

d’objets. Que ce soit à des fins de compréhension des phénomènes observés, de mise en équation de leur dynamique ou de visualisation, l’analyse de ces données nécessite l'adaptation et le développement de

nouvelles méthodes de traitement su signal et de mathématiques appliquées intégrant physique, hydrologie, biologie et géophysique.

L’analyse des interfaces environnementales requiert des systèmes d’observation variés : imagerie satellite

(interfaces Terre/atmosphère), LIDAR, spectroscopie (interface air/eau, surface terrestre), tomographie électrique fréquentielle (milieu poreux), tomographie, télescope à muons (volcanologie, zone non saturée),

imagerie sismique (ondes de cisaillement), expérimentation numérique (cf illustration de droite pour un modèle d’empilement) dont certains sont des outils de mesure unique que nous possédons (LIDAR fullwaveform, télescope à muons notamment, cf illustration de gauche). Cet ensemble produit une quantité

de données numériques de plus en plus importante et en raison de la nature même des interfaces, les informations contenues mettent en jeu des processus variés. A titre d’exemple, l’analyse du rôle de la

végétation dans l’interface terrestre implique des disciplines liées à l’hydrologie et à la sédimentologie (écoulements de surface), à la géologie (rôle sur le relief), à la physique des écoulements ou encore à la biologie (interactions entre végétation et son environnement). L’analyse de ces différents processus nécessite

des acquisitions variées (quelques données LIDAR par an pour avoir des informations sur les propriétés morphologiques de la végétation, des séries d’images à plus haute résolution temporelle pour étudier les

transferts et écoulements sédimentaires, …) et cela conduit à une quantité d’informations à analyser extrêmement hétérogène qui met en jeu nombre d’objets

complexes à des échelles spatiales et temporelles variées (Figure 7). Il est ainsi impossible d’exploiter

les outils conventionnels d’imagerie et de traitement du signal pour exploiter ces données et en extraire des informations pertinentes.

Quel que soit l’objectif considéré (estimer une quantité physique, une variable d’un modèle, détecter de

phénomènes émergents, identifier des processus particuliers, …), il est primordial ici de prendre en compte la nature des phénomènes que l’on observe en vue de

correctement conditionner les problèmes d’analyse de données qui en découlent. Ces derniers sont en effet dans la plupart des cas sous-déterminés et afin de les « fermer » correctement, la prise en compte des

propriétés physiques des phénomènes étudiés s’avère primordiale. C’est la démarche envisagée dans ce thème qui combine modélisation physique, hydrologie, biologie, géophysique et traitement d’images.

Figure 7: interaction Végétation/Sédimentation

dans les prés salés de la baie du Mont Saint

Michel observée par des données LIDAR.


22

D’un point de vue méthodologique, plusieurs aspects seront abordés. On peut en particulier citer les questions liées aux couplages données/multi-modèles, sélection de modèles, problèmes inverses .

L’observation des interfaces nécessite la mise au point de systèmes d’observation complexes. Dans la plupart des cas, les processus que l’on cherche à observer ne sont pas directement mesurés et l’accès à une

information d’intérêt requiert une étape d’analyse et de modélisation. Ainsi par exemple, la tomographie par rayons cosmiques permet de reconstruire la structure en densité des objets radiographiés (Figure 8). Outre le fait de construire des télescopes adaptés aux conditions hostiles (déjà appliqués sur les volcans actifs comme

Soufrière de Guadeloupe, Mayon aux Philippines, Etna en Sicile, ...), il est nécessaire ici de développer des algorithmes de modélisations et de traitements des données qui prennent en considération des connaissances

sur les objets à analyser (modèles physiques, statistiques,…). Il en est de même pour la tomographie électrique fréquentielle qui permet de déterminer l'impédance complexe

des milieux, propriété physique très sensible à la microstructure (la tortuosité et la taille des pores contrôlent les effets

capacitifs) et aux propriétés physico-chimiques des électrolytes.

Citons enfin la modélisation de l’évolution des reliefs (définition des lois géomorphologiques pertinentes sur le long-terme, interactions

entre déformation de la lithosphère et érosion, amélioration des solutions numériques, …) et des rivières plus

particulièrement (instabilités méandriformes et en tresse, rôle de la végétation dans la dynamique des rivières) qui mettent en jeu de nombreux modèles (hydrologie, géologie, biologie, …) à de vastes échelles spatiales et temporelles. Pour

analyser ces données, de nombreux défis restent à relever dans le couplage avec des modèles et la sélection de ces derniers, en raison d’une part de la complexité des données à traiter et d’autre part de la complexité et

du choix des modèles à manipuler.

L’arrivée de données massives requiert également de nombreux développements méthodologiques en apprentissage statistique,

fusion de données et gestion des incertitudes. En effet, ces points sont primordiaux pour appréhender le cas de la

reconnaissance sur des données de dimension importante (par exemple : reconnaître automatiquement un type de comportement dynamique dans un flot de données, l’objet sur lequel

des données issues de l’imagerie ont été acquises, …). A l’heure actuelle la capacité des méthodes de reconnaissance dans les données

complexes à appréhender de tels volumes est problématique et un frein à leur usage. Ainsi par exemple, pour l’analyse des interfaces avec la tranche d’eau (turbidité, biologie), les questions liées à la détection de

changement sur données volumineuses (imagerie optique, infrarouge, LIDAR, mesures locales), la caractérisation des objets

(granulométrie), l’analyse spatialisée intelligente sur gros volumes de données (relations végétation, hydraulique, sédimentation à grande échelle, …) et la gestion des incertitudes seront centrales.

Les données temporelles permettent de leur côté d’affiner l’observation des interfaces (séquences d’images, profils temporels de croissance de végétation, profils d’évolution de vitesses, …). A l’heure actuelle, la

spécificité des séries résultantes n’est que trop peu prise en compte dans les méthodes de traitement de données. Ces séries possèdent en effet de fortes corrélations temporelles et bien que des outils de traitement de données évolués existent, ils ne sont pas optimaux ici. En effet, les questions liées à la comparaison de

séries de tailles variables ou à la définition de métriques robustes aux déformations/décalages temporels sont ouvertes et seront abordées.

Les questions liées à l’analyse multi-échelles (par exemple le cycle de l’eau, le transport de polluants dans les sols, le transport éolien avec migration des dunes du grain de sable au désert, le transfert de sédiments

Figure 8: radiographie par muons

de la Soufrière de Guadeloupe et

trajets des rayons utilisés

Figure 9: simulation d'un

empilement complet où les trois

couleurs correspondent à trois

gammes différentes sphère de

vitesses instantanées


23

sur les plages ou dans les rivières, …) sont également au cœur des interfaces. Jusqu’à présent elles ont majoritairement été abordées via des techniques espace-échelles (ondelettes, fractales, …) mais afin de

mieux structurer le contenu des données, nous souhaitons exploiter des techniques efficaces et récentes de réduction de dimension basés sur des fonctions noyau comme par exemple les Diffusion Maps pour

manipuler et caractériser des motifs complexes à différents niveaux d’échelles.

Enfin, la visualisation de ces masses de données est un point capital pour l’interprétation de la dynamique des interfaces. En effet, de par leur complexité, les données environnementales échappent la plupart du

temps à une interprétation riche si elles ne sont pas prétraitées. Parmi les modalités possibles d’exploration des données, l’analyse visuelle constitue une forme particulièrement adaptée au système cognitif humain

d’appréhension des données. Le passage de la donnée à sa représentation visuelle représente un challenge en soi, qui nécessite des outils d’analyse statistique de l’information (développés dans les points précédents), des notions d’ergonomie des représentations ainsi que l’utilisation de l’ordinateur et des cartes graphiques

pour synthétiser les images dynamiques correspondantes.

Ces aspects mentionnés ci-dessus sont les points clés liés à la définition de méthodologies nouvelles pour

analyser les dynamiques des interfaces environnementales. Nous avons déjà une certains expertise dans ce domaine, comme en témoigne les différents projets dans lesquels nous sommes impliqués (quelques exemples sont listés ci-dessous).

PRINCIPAUX PROGRAMMES DE RECHERCHE

ANR Jeunes Chercheurs ASTERIX (2014-2018) : Analyse spatio-temporelles de données complexes

pour l’environnement (responsable : Sébastien Lefèvre, IRISA, participants : R. Tavenard, T. Corpetti)

CNES TOSCA VEGIDAR (2015-2018): analyse de la végétation en ville par couplage de données

LIDAR, PLEIADES (responsable : Thomas Corpetti, participants : T. Corpetti, R. Tavenard)

MAE Cai YuanPei (2012-2015) : analyse de la dispersion de la pollution en milieu urbain en Chine

(responsable : T. Corpetti)

SELUNE (2014-2018) : projet de suivi Lidar dans le cadre de l'arasement des barrages et de la

restauration de la rivière Sélune (Basse Normandie, responsable : A. Crave)

Projet 3D-VEROS (2009-2012) sur l’analyse de données LIDAR terrestre (responsable : D. Lague,

participants : D. Lague, A. Crave)

ANR "DIAPHANE" 2015-2018 : "Imageries structurelle et fonctionnelle de volcans avec des rayons

cosmiques", (responsable : D. Gibert, participants : J. De Bremond d'Ars, Y. Le Gonidec et F. Nicollin,

autres partenaires : Institut de Physique Nucléaire de Lyon et Institut de Physique du Globe de Paris).

Software opensource CANUPO et M3C2 sur l’analyse de données LIDAR (responsable : D. Lague)

Projet MOA (financement Swisstopo et Andra) "Exploitation de sources naturelles pour le monitoring

pluri-échelle à long terme de sites en condition de stockage", 2011-2015, responsable : Y. Le Gonidec,

participants : D. Gibert et F. Nicollin.

COLLABORATIONS INDUSTRIELLES ET INTERNATIONALES MAJEURES :

Projet avec EADS Pékin sur l’évaluation des ressources en déchets agricoles pour leur réutilisation en

bio-carburants sur le territoire chinois par télédétection (30 k€).

Equipe commune avec le LIAMA (laboratoire sino-européen de recherche en informatique, automatique

et mathématiques appliquées) associant la CAS (Chinese Academy of Sciences) via l’IRSA (Institute of

Remote Sensing and Applications) et l’Université de Tsinghua (département de mécanique des fluides).

Nom de l’équipe : CARIOCA (Climate and lAnd coveR InteractiOns with Complex datA).

Mise en place d’un consortium de recherche avec Fit-Conseil pour la mise en œuvre du lidar aéroporté.

PUBLICATIONS SIGNIFICATIVES DANS LE PROJET

Oger L., Vidales A.M., Uñac R.O. and Ippolito I., Tilting process with humidity: DEM modeling and

comparison with experiments, Granular Matter 15 (2013) 629–643.


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Emile J., Casanova F., Tabuteau H. and Emile O., Profile of the liquid film wetting a channel, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 074107.

Emile J., Sane A., Tabuteau H. and Emile O., Experimental investigation of a moving contact line in a channel, Soft Matter 9 (2013) 10229-10232.

Ker S., Le Gonidec Y. and Gibert D., Multiresolution seismic data fusion with a generalized wavelet-based method to derive subseabed acoustic properties, Geophysical Journal International 195 (2013) 1370-1383.

Lesparre N., Gibert D., Nicollin F., Nussbaum C. and Adler A., Monitoring the excavation damaged zone by three dimensional reconstruction of the electrical resistivity, Geophysical Journal International 195

(2013) 972-984.

Lesparre N., Gibert D., Marteau J., Komorowski J.-C., Nicollin F. and Coutant O., Density Muon Radiography of La Soufrière of Guadeloupe Volcano: Comparison with Geological, Electrical

Resistivity and Gravity data, Geophysical Journal International, 190 (2012) 1008-1019.

Le Gonidec Y., Schubnel A., Wassermann J., Gibert D., Nussbaum C., Kergosien B., Sarout J., Maineult A.

and Guéguen Y., Field-scale acoustic investigation of a damaged anisotropic shale during a gallery excavation, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 51 (2012) 136–148.

Zille P., Corpetti T., Shao L., Xu C. Observation models based on scale interactions for optical flow

estimation, IEEE Transactions on Image Processing 23 (2014) 3281-3293.

Corpetti T. and Mémin E., Stochastic uncertainty models for the luminance consistency assumption, IEEE

Trans. on Image Processing 21 (2012) 481-493.

Brodu N. and Lague D., 3D Terrestrial LiDAR data classification of complex natural scenes using a multi-scale dimensionality criterion: applications in geomorphology, Journal of Photogrammetry and

Remote Sensing 68 (2012) 121-134.

Lague D., Brodu N. and Leroux J., Accurate 3D comparison of complex topography with terrestrial laser

scanner: application to the Rangitikei canyon (N-Z), ISPRS journal of Photogrammmetry and Remote Sensing 80 (2013) 10-26.

Logiciels CANUPO et M3C2 (implementation dans Cloudcompare, APP envisagée) liés à la classification

de nuages de points


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Fracturations

Animation et synthèse: Philippe Davy, Philippe Steer, Luc Oger, Géraldine Pichot.

Personnes impliquées: Olivier Bour, Renaud Delannay, Jean-Raynald de Dreuzy, Jocelyne Erhel, Dominique

Gibert, Tanguy Le Borgne, Yves Le Gonidec, Laurent Longuevergne, Sean McNamara, Yves Méheust, Florence Nicollin.

Personnes associées: Manuel Buisson (Equipe Mécanique et Verre, IPR)

INTERDISCIPLINARITE : ce projet est à l’interface des disciplines de la physique (mécanique, milieux divisés), de la géophysique (hydrogéologie, géomorphologie), et des mathématiques fondamentales ou

appliquées. Il met en jeu des concepts théoriques sur l’évolution des systèmes dynamiques hors d'équilibre, le couplage de processus, la dynamique des interfaces, le traitement des données massives, qui dépassent le simple cadre des sciences de la Terre et peuvent être appliqués à de nombreux systèmes.

La fracturation est l’un des processus géologiques les plus importants, qui contrôle la dynamique interne de la croûte terrestre mais aussi sa structure et ses propriétés mécaniques, hydrologiques et biogéochimiques.

C’est aussi un processus emblématique des systèmes complexes, à la fois par sa non-linéarité et par sa dynamique résultante qui implique une gamme extrêmement large d’échelles spatiales (de la dislocation minérale aux grandes failles lithosphériques) et temporelles (du tremblement de Terre à la tectonique). C’est

enfin un processus clé pour un certain nombre de problématiques industrielles ou sociétales, qui peut être vu comme un risque (risque sismique, les glissements de terrain) ou une opportunité (ressources minérales ou

en eau, stockage souterrain de déchets, etc). La fracturation est évidemment très étudiée en physique, en géophysique mais aussi en mathématiques sensu lato. Nous souhaitons développer plusieurs approches autour de la thématique « fracturation » qui concerne à la fois sa dynamique et les propriétés émergentes

mécaniques ou hydrauliques. La fracturation sera aussi abordée dans le couplage entre les différentes enveloppes externes (hydrosphère et atmosphère) et internes (lithosphère) de la terre, thème très prospectif.

Cette problématique fait intervenir mathématique, physique des processus, hydrologie, géophysique et géomorphologie.

Projets autour de la dynamique de la fracturation, genèse et organisation de la fracturatio n

Fracturation de surface, causes et conséquences : la densité de fracturation augmente assez fortement

près de la surface terrestre mais les causes et les modalités de ces variations restent encore peu

comprises. Sur les causes de ce phénomène, le projet explorera le rôle des contraintes topographiques,

de la sismicité, de la circulation de fluide, des forçages externes et à plus petite échelle de l’impact des

“grains” (approche DEM (Discrete Element Method ou PFC3D, Particle flow Code d’ITASCA). Les

conséquences sur l’érosion (abrasion, distribution de taille de grains des glissements de terrains), la

réactivité (bio-)géochimique (altération, scellement des failles/fractures) et sur les transferts sont

potentiellement très importantes.

Processus fondamentaux liés à la fracturation: propagation locale des fractures (vitesse de propagation,

bifurcation, énergie élastique bloquée), propagation des fractures et interactions entre fractures,

fragmentation, mécanismes de glissements de terrain (Figure 10).

L’impact de l’érosion sur le cycle sismique : en modifiant les contraintes, les transferts de masse ont un

impact potentiel sur le cycle sismique, qui n’a jamais été vraiment exploré.

Génération et évolution de la fracturation liées à l'exploitation du sous-sol pour des applications

énergétiques, couplage hydraulique-mécanique. Application de la stimulation hydraulique pour les

énergies carbonées (gaz non conventionnels) et décarbonées (géothermie, séquestration géologique du

CO2).


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PROJETS AUTOUR DES PROPRIETES DES ROCHES FRACTUREES, FLUX ET TRANSFERTS:

Ecoulement, dispersion, transport et réactivité dans les milieux fracturés : impact de la fracturation sur

la compartimentation des milieux souterrains, connectivité entre réservoirs géologiques et

environnementaux (zone critique) (Figure 11).

Propriétés mécaniques, hydrauliques et électriques (module d’élasticité, seuil de rupture, perméabilité,

résistivité) des roches fracturées en fonction de la densité et de la géométrie des fractures,

caractérisation in-situ à différentes échelles, étude de l'impact de l'hétérogénéité à toutes les échelles sur

les propriétés à l'échelle du milieu.

Couplages hydromécaniques dans les milieux

fracturés : déformations associées à

l’écoulement (rebond de surface post-

sécheresse) et écoulements induits par la

déformation des roches et du réseau poreux

(modification de la perméabilité) ou le

changement d’état des contraintes (écoulements post-

sismiques).

LA SIMULATION ET LA MODELISATION :

La modélisation de ce phénomène complexe est un élément important de ces recherches. Les enjeux concernent les

interactions entre un nombre important d'éléments (fractures),

Figure 10: a) topographie et failles de chevauchement du piedmont ouest de Taiwan, b) taux d'érosion de

surface et c) chargement annuel en contraintes des failles due à l'érosion (Steer et al., 2014).

Figure 11: maillage et pression dans un

réseau de fractures calculés par le logiciel

H2OLAB


27

qui peuvent être modélisés comme des structures géométriques entre de multiples plans de fracture 2D délimitant des blocs 3D complexes. Les défis mathématiques sont à la fois dans la création de maillages

conformes et non conformes, dans le développement de schémas de discrétisation 2D/3D des processus mécaniques, hydrauliques et de transferts thermiques et chimiques. Plusieurs projets menés dans l'OSUR ou

en collaboration concernent cette thématique :

Projet DFM3D : modélisation numérique à haute-résolution spatio-temporelle de la fracturation et des

propriétés hydromécaniques (en collaboration avec ITASCA).

Projet €ROS : modélisation de l’érosion.

Projet H2OLAB : modélisation numérique transferts hydrogéologiques (en collaboration avec l’INRIA).

MSFRAC: analyse de la fracturation

Utilisation de codes open-source LIGHHTS+CFDEM+LAMMPS, YADE ou commerciaux PFC,

ABAQUS

SUR LE PLAN DE L’OBSERVATION, les chercheurs de l’unité utilisent ou développent des méthodes qui permettent soit une observation de haute résolution, soit une observation globale :

Observation à haute-résolution spatio-temporelle de la surface terrestre (Lidar, satellites Pléiades,

inclinomètre, déformation locale).

Observation à haute résolution spatio-temporelle des flux hydrogéologiques (fibre optique, traçage).

Observation des évolutions spatio-temporelles d'une zone d'endommagement (méthodes acoustiques

actives/passives et électriques).

Observation globale du champ de gravité (satellite GRACE) et de la déformation lithosphérique

(catalogue sismicité, GPS, Insar, GRACE).

PROJETS FINANCES

ANR jeune chercheur EROQUAKE (2014-2018) : érosion et séismes (P. Steer, D. Lague, P. Davy)

EU REFRESH (soumis): écoulements de fluides complexes (en particulier, suspensions) dans les

fractures, modélisation de la fracturation hydraulique, transferts hydrauliques couplés à la fracturation et

changement d'échelle (T. Le Borgne, Y. Méheust, P. Davy).

EU GEOPRISM (soumis): modélisation et simulation de la mécanique de la fracturation en interaction

avec les transferts hydrauliques et thermiques, homogénéisation et localisation des processus

(G. Pichot).

Projet MOA Swisstopo Andra (2011-2015): Exploitation de sources naturelles pour le monitoring pluri-

échelle à long terme de sites en condition de stockage (Yves Le Gonidec, D. Gibert, F. Nicollin).

Collaboration ITASCA/SKB, POSIVA (collaboration 2006-...): structure des réseaux de fractures,

fracturation, et conséquences sur les transferts.

Collaboration LIA franco-argentine Physique et Mécanique des Fluides sur les transports dans les

milieux poreux et sur les précurseurs d’avalanche en forte présence d’humidité (et crédits

"collaborations internationales" UR1, L. Oger)

PUBLICATIONS

Bonnet E., Bour O., Odling N.E., Davy, P., Main I., Berkowitz B. and Cowie P., Scaling of Fracture Systems

in Geological Media, Rev. Geophys. 39 (2001) 347-384.

Bour O. and Davy P., Connectivity of random fault networks following a power-law fault length

distribution, Water Resour. Res. 33 (1997) 1567-1583.

de Dreuzy J.R., Pichot G., Poirriez B. and Erhel J., Synthetic benchmark for modeling flow in 3D fractured media, Computers & Geosciences 50 (2013) 59-71.

Le Gonidec Y., Sarout J., Wassermann J. and Nussbaum C., Damage initiation and propagation assessed from stress-induced microseismic events during a mine-by test in the Opalinus Clay, Geophysical

Journal International 198 (2014) 126–139.


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Lesparre N., Gibert D., Nicollin F., Nussbaum C. and Adler A., Monitoring the excavation damaged zone by three dimensional reconstruction of the electrical resistivity, Geophysical Journal International 195

(2013) 972-984.

Longuevergne L., Florsch N., Boudin F., Oudin L. and Camerlynck C., Tilt and strain deformation induced

by hydrologically active natural fractures: application to the tiltmeters installed in Sainte-Croix-aux-Mines observatory (France), Geophysical Journal International 178 (2009) 667-677.

Oger L., Vidales A.M., Uñac R.O. and Ippolito I., Tilting process with humidity: DEM modeling and

comparison with experiments, Granular Matter 15 (2013) 629–643.

Pichot G., Erhel J. and de Dreuzy J.R., A Generalized Mixed Hybrid Mortar Method for Solving Flow in

Stochastic Discrete Fracture Networks, SIAM Journal on Scientific Computing 34 (2012) B86-B105.

Steer P., Simoes M., Cattin R. and Shyu J.B.H, Erosion influences the seismicity of active thrust faults, Nature Communications 5 (2014) 5564.

Cowie P. A., Scholz C.H., Roberts G.P. and Faure Walker J.P. and Steer P., Viscous roots of active seismogenic faults revealed by geologic slip rate variations, Nature Geoscience 6 (2013) 1036-1040.


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Dynamiques environnementales et Microorganismes

Animation et synthèse: Philippe Vandenkoornhuyse

Personnes impliquées: Luc Aquilina, Alexis Dufresne, Yvan Lagadeuc, Anniet Laverman, Tanguy Le

Borgne, Alexandrine Pannard, Gilles Pinay, Achim Quaiser, Alexandre Valance, Cédric Wolf

Personnes associées: Claire Lemaitre, Pierre Peterlongo, Dominique Lavenier (équipe Genscale,

IRISA/INRIA) ; Anne Siegel (équipe Dyliss, IRISA/INRIA)

Interdisciplinarité

Flux biogéochimique, diversité microbienne, processus écologique.

Evolution des microbiotes et processus écologiques: dynamique temporelle des communautés, aspects évolutifs.

Les travaux de recherche se limitent généralement à un seul niveau d'organisation écologique. Ils ont permis d'identifier les composantes de nombreuses interactions, mais restent limités à ce seul niveau d'organisation. L'objectif prospectif principal est de développer une écologie des systèmes ou le paradigme à adopter serait

de faire l'antithèse du paradigme réductionniste, notamment en intégrant l'ensemble des niveaux d'organisation hiérarchiques de l'écologie. L'approche réductionniste, toujours parfaitement valide et

justifiée, a le désavantage de ne pouvoir offrir de concept convaincant ou de méthodes pour comprendre les propriétés émergentes d'un système écologique. Il est désormais nécessaire de développer une approche holistique, prenant en compte l'ensemble des niveaux hiérarchiques de l'écologie et intégrant les processus

physiques et chimiques aux différentes échelles spatiales et temporelles. Seule une approche interdisciplinaire permettra une vision globale du système et à terme de mettre en évidence les propriétés

émergentes de ce système.

Le pluralisme des causes et des effets sur les réseaux biologiques doivent être mieux observés par différentes approches de manière simultanée et intégrés dans des modèles mathématiques. Peu de laboratoires en France

ont envisagé cet objectif car il constitue un défi pluridisciplinaire intégrant écologie, informatique, mathématique, physique, biogéochimie et systèmes complexes.

Pour parvenir à cet objectif prospectif ambitieux, nous aborderons les microorganismes car ils constituent l'immense majorité de la biosphère terrestre. Dans tous les écosystèmes, ils interagissent pour former des réseaux complexes échangeant matière, énergie et matériel génétique. Le fonctionnement et la dynamique de

ces réseaux sont intimement liés au fonctionnement des écosystèmes et aux changements environnementaux qui en résultent. Cette dynamique environnementale est une contrainte majeure pour les micro-organismes

qui doivent en permanence s'adapter aux variations de leurs habitats. Nous appliquerons les concepts et approches -omiques qui permettent de déterminer avec un niveau de résolution sans précédent les composants (gènes, espèces, et niveaux hiérarchiques ascendants) de tout système biologique et écologique.

La richesse des données moléculaires issues de ces approches -omiques nécessite le développement de méthodes mathématiques nouvelles pour analyser les données et déduire les interactions entre composants

afin de reconstruire un réseau dont on pourra décrire les propriétés. Dans ce sens, nous relierons aussi la diversité de microorganismes aux processus écologiques et aux flux biogéochimiques par la complémentarité de compétences rassemblée en écologie microbienne

(métagénomique/métatranscriptomique) en hydrologie et biogéochimie. Les flux de matières à l'échelle des microorganismes nécessitent une prise en compte explicite des propriétés physiques du milieu à micro-

échelle. La viscosité versus les forces de mouvement et d'inertie, qui contrôlent les vitesses de transfert, va dépendre en effet à la fois des forçages physique (turbulence) et biologique (interactions antagonistes ou positives). La modélisation intégrerait l'ensemble de ces éléments (réseaux d'interactions moléculaires

enrichi des informations physiques et biogéochimiques générées).

La prise en compte de la dynamique temporelle des microorganismes partageant un habitat donné permettra

de quantifier les conséquences des processus évolutifs sur le fonctionnement des systèmes. Ces aspects liés aux dynamiques environnementales prennent aussi en compte les connexions entre microorganismes partageant un habitat donné, les flux, les transferts et d'autres phénomènes physiques tels que par exemple la


30

turbulence, l'érosion, la sédimentation. Progresser sur la connaissance de la dynamique des microbiotes ou communautés microbiennes permettra donc de quantifier les changements, leurs temps caractéristiques et

leurs conséquences qui, dans une démarche holistique, visera à définir la part des phénomènes stochastiques relativement à la part des changements déterministes prédictibles ou explicables.

Les objets d’étude concerneraient principalement les communautés de microorganismes des sols, des eaux de surface ou des aquifères, les microbiotes associés aux plantes.

Connexions avec les autres processus: les recherches envisagées ici sont fortement complémentaires et en

interaction avec d'autres objectifs prospectifs (notamment "Flux et transferts" et "Hétérogénéité et réactivité") puisque l'impact des flux et des transferts sur la diversité et la dynamique des microorganismes

est ici envisagée et qu'une conséquence des connaissances accumulées pourrait être par exemple l'utilisation de marqueurs génomiques comme traceurs des circulations hydrologiques "Hétérogénéité et réactivité").

PROJETS FINANCÉS

Evolution of Cooperation behaviour in plant symbionts; ANR (2012-2014); Coordinateur Ph

Vandenkoornhuyse

Rôle des exopolysaccharides de phytoplancton dans les FLUX de C, N, P à MICRO-échelle

(MICROFLUX); CNRS EC2CO. Coordinateur A. Pannard

Hétérogénéité à micro-échelle et microfluidie (Hmm); CNRS EC2CO (2013-2014); Coordinateur Y

Lagadeuc

MIcrobial MEdiation of the diversity-productivity relationship (MiMe); CNRS EC2CO (2014-2015).

Coordinateur Ph Vandenkoornhuyse

Effets des arasements sur le fonctionnement des réseaux trophiques; Agence de l’Eau Seine Normandie

(2014-2018). A Pannard, participante

Dynamique de la matiere organique dans le bouchon vaseux de l’estuaire de Seine en lien avec les

nutriments et les contaminants organiques; CNRS EC2CO; A Laverman, Participante

Caractérisation fonctionnelle et rôle des Procaryotes Associés au Biofilm microphytobenthique des

vasières intertidales dans les Cycles de l’azote et du carbone ; CNRS EC2CO; A Laverman, Participante

Utilisation de la génomique environnementale et de la biologie des systèmes pour la compréhension de

la dénitrification dans les aquifères (AQUASYST); CNRS PEPII (Projets Exploratoires

Pluridisciplinaires Inter-Instituts); Coordinateur Alexis Dufresne

Diversité Virale dans les Aquifères par une approche de GénomiqUe Environmentale; CNRS INEE

APEGE (Appel à Projets en Génomique Environnementale); Coordinateur Alexis Dufresne

Relations entre le temps de renouvellement des eaux souterraines et la diversité des communautés

stygobies et microbiennes dans les systèmes souterrains hétérogènes; (Aquadiv); CNRS EC2CO;

Coordinateur Luc Aquilina

PROJET EN COURS D'EVALUATION (EXEMPLE)

Microorganisms functions and interactions: the niche theory revisited (2015-2017); ANR Y Lagadeuc &

Ph Vandenkoornhuyse

PUBLICATIONS (SELECTION, CHRONOLOGIQUEMENT) :

Vandenkoornhuyse P, Dufresne A, Quaiser A, Gouesbet G, Binet F, Francez AJ, Mahé S, Bormans M, Lagadeuc Y, Couée I 2010. Integration of molecular functions at the ecosystemic level : breakthroughs

and future goals of environmental genomics and post-genomics Ecology Letters 13:776-791

Fromin N., Pinay G., Montuelle B., Landais D., Ourcival J.M., Joffre R. and Lensi R. 2010. Impact of

seasonal sediment dessication and rewetting on microbial processes involved in greenhouse gas emissions. Ecohydrology, 3:339–348

Kiers ET, Duhamel M, Beesetty Y, Mensah JA, Franken O, Verbruggen E, Fellbaum CR, Kowalchuk GA,

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32

Annexe 2: Ressources et Aléas

Animation et synthèse: Laurent Longuevergne, Dimitri Lague

ASPECTS FEDERATEURS: les questions environnementales sont par essence interdisciplinaires, d’une part vu la diversité des ressources essentielles à l’homme et/ou impactées par son action (eau, sol, énergie,

biologie), mais également parce qu’elles font intervenir l’observation, la représentation des processus et la modélisation, comme clefs de voute de notre capacité à prédire la réponse de l’environnement à des sollicitations à court terme (extrêmes) et à long terme (impact).

Les questions environnementales liées aux ressources et aux aléas émergent directement des 5 grands processus constitutifs de notre projet, mais motivent également des recherches spécifiques. Notre

prospective est de renforcer l'intégration avec les questions sociétales par le biais de l’interdisciplinarité.

Les 5 grands processus adressent directement des questions sur les ressources et les aléas : la "fracturation" est à la fois à l'origine de risques et de ressources, l’hétérogénéité et réactivité" adresse des questions de

qualité de l'eau dans le sol et le milieu souterrain, la problématique "fluides et transferts" participe à la prédiction de l'aléa d'inondation de la qualité des eaux de surface, de l'érosion des sols et des interactions

entre fluides et magma. La thématique "imagerie et dynamique des interfaces dans l'environnement" est à la base de la caractérisation des ressources.

Si l’aspect "ressources" revêt différentes composantes (énergie, sol, biologie), l’eau, en tant que bien

commun, non substituable pour certains usages, est un exemple emblématique des grands défis que nous souhaitons aborder, à différentes échelles, sur différents volets (quantité, qualité, impact sur la biologie et la

biodiversité) et différentes dynamiques (naturelle, sous exploitation). De plus, l’eau est un vecteur asymétrique qui interagit avec son environnement. Elle est le lien entre les ressources géologiques, pédologiques, écologiques, mais également entre les territoires (paysage, ville, littoral) qui ont des

structures, des usages et des modes d’organisation, spatiales comme sociales, très différents. Les objectifs sont de donner une information objective sur les stocks, les flux, les qualités et l’impact des usages. Cette

information est une base nécessaire pour créer une interface efficace avec les SHS sur l’appréciation, la gestion et l’encadrement de l’usage de la ressource au sein de nos sociétés. Ces thématiques interdisciplinaires sont au cœur du projet de LIA entre l'OSUR et l'INRS (Québec) (pilotage Luc Aquilina).

RESSOURCES

La détermination du capital que représentent ces ressources est le premier élément de l’analyse (Figure 12).

Ce diagnostic se base donc sur une compréhension fine du cycle général et des capacités de stockage qu’offrent les systèmes souterrains, en conditions naturelles (genèse, stock, flux de renouvellement) ou en conditions d’usages (renouvelable/fossile, modification du milieu). L’analyse est difficile parce que les

systèmes afférents sont complexes et interconnectés aussi bien au niveau des cycles naturels que des usages ou de leurs conséquences (pollution). Tous les systèmes ne sont pas identiques et dépendent entre autres du

rapport entre le stock et le flux de renouvellement (ex. système fluvial vs eau souterraine), de la valeur patrimoniale (ex. diversité génomique), de la valeur environnementale et économique, etc. Les verrous de connaissance concernent la nature de la ressource elle-même et son évolution, mais également sa valeur en

termes de services écosystémiques et patrimoniales.

Les ressources énergétiques sont d’une importance stratégique pour les sociétés humaines et concernent à la

fois les énergies décarbonées (stockage temporaire de l'énergie sous forme géothermale), les risques d’exploitation des énergies carbonatées et la sécurité des sites de stockages de déchets nucléaire. Les verrous scientifiques de ce défi sociétal majeur sont particulièrement complexes, car ils imposent de relier des

échelles spatiales et temporelles des processus géologiques à celles des écosystèmes de surface, et sont intimement reliés aux questions posées par les sciences humaines et sociales. Les défis sont donc multiples

et concernent presque tous les domaines des sciences, qu’ils soient de la Terre et de l’environnement, du vivant, humaines et sociales, de la mesure, de la modélisation, sans compter le recul historique qu’apportent l’archéologie et l’histoire.


33

Figure 12: évolution long-terme (2003 – 2012) des stocks d’eau observés par la mission satellite gravimétrique GRACE dans les

principales régions agricoles mondiales, par différents auteurs. En superposition, carte des p ourcentages de surface équipée pour

l’irrigation par pompage dans les systèmes aquifères (Siebert et al., 2010). Adapté de Wei (2014), thèse de doctorat de

l’Université Paul Sabatier.

ALEAS

L'évaluation de l'aléa représente la première étape de l'estimation

des risques sociétaux. En ce qui concerne les événements extrêmes (e.g. crues, sécheresses, éruptions, séismes) et les conséquences des changements séculaires des conditions

limites des systèmes naturels (e.g. changement climatique), l'évaluation de l'aléa nécessite expressément un couplage

étroit entre mesure (observation de la dynamique actuelle et passée) et modélisation pour prédire la dynamique environnementale dans un contexte qui n'a jamais (ou presque) été

mesuré. Les développements méthodologiques autour du Big Data, des équations stochastiques, de la simulation d'ensemble et de l'assimilation des données sont au cœur des

problématiques de l'estimation de l'aléa (Figure 13). Un enjeu central, par exemple, est la prise en compte des incertitudes

sur les données mesurées (e.g. connaissance du milieu) et les modèles mathématiques des phénomènes en jeu (e.g. compréhension des phénomènes prépondérants), afin de les propager dans une estimation de l'incertitude de l'aléa tout aussi importante pour les décideurs

que l'estimation de l'aléa elle-même.

Un autre aspect abordé concernera l'aléa anthropique en lien étroit avec l'aspect ressources. Il s'agit d'étudier

les conséquences des surexploitations de la ressource en eau, des aménagements de l'environnement (e.g. barrages) ou des conséquences de l'exploitation des ressources carbonées (e.g. exploitation des gaz de schiste) ou non carbonées (e.g. stockage d'énergie thermique saisonnier) sur la connectivité du milieu

souterrain et la dynamique des systèmes environnementaux afin d’accompagner les prises de décision sur l’exploitation de ces ressources.

OBJETS D’ETUDE

Les ressources disponibles et les aléas sont déterminés à la fois par le milieu et par sa réponse aux sollicitations internes (aléa tellurique), climatiques ou anthropiques. Ces interactions s’expriment à plusieurs

échelles spatiales, de l’échelle du km² (suivi des bassins versants dans la zone atelier armorique (ZAA),

Figure 13: application des méthodes

LIDAR pour suivre l’érosion rapide dans

la « Rangitikei river canyon ». (Lague et

al., 2013).


34

Observatoire de Recherche en Environnement en Hydrogéologie (ORE H+)), de plusieurs centaine de km² (Soufrière, ETNA), jusqu’à l’échelle continentale (évaluation des stocks et des surexploitations par les

données satellitaires de type GRACE).

L’anticipation des évolutions des systèmes naturels et anthropisés est un verrou important à lever pour nos

sociétés. Cela nécessite la mise en place d’un grand programme d’observation des évolutions actuelles qui s’appuiera sur les systèmes d’observation labellisés (SO INSU, Zone Atelier Armorique, Observatoire de la Soufrière, EQUIPEX CRITEX) et d’un programme de modélisation de scenarii d’évolution dans un contexte

de changement global des conditions environnementales et sociétales (Figure 14).

Nous nous appuierons ainsi sur des outils d’observation innovants de l’environnement, stables et capables de

résoudre des signaux ténus, en particulier pour mieux contraindre des comportements particuliers (« hot spots », « hot moments », « tipping point ») et globaux (distribution des temps de réponse des systèmes), questions centrales des projets d’Equipex CRITEX, EU ITN Marie-Curie INTERFACES et ANR Diaphane).

Dans le prochain quinquenal, de nouveaux objets seront également abordés en lien avec l'arrivée de nouvelles techniques de mesure (e.g. Lidar topo-bathymétrique aéroporté): estimation de l'aléa d'inondation,

suivi de l'évolution du fond des rivières, des matières en suspension dans la tranche d'eau et de la ripisylve dans le cadre de l'arasement des barrages de la Sélune (projet de restauration de rivière emblématique pour les ressources halieutiques).

De plus, divers outils de modélisation seront améliorés (transferts sédimentaires €ROS, écoulement dans les milieux hétérogènes H2Olab) pour aborder les questions de prédiction (e.g. l'aléa hydrosédimentaire --

érosion de berge, avulsion -- associé aux grands tremblements de Terre (ANR Eroquake)). Ces approches font appel à des développements en mathématiques appliqués et en simulation numérique qui bénéficieront de l'approche pluridisciplinaire au cœur du projet d'UMR.

Enfin, d'un point de vue stratégique, un enjeu du projet d'UMR sera de se rapprocher des SHS dans les 5 années à venir pour développer sur le long-terme des thèmes de recherche communs pour optimiser le

transfert des acquis des sciences dures vers la sphère sociale et politique, et injecter dans nos réflexions un volet juridique lié aux ressources et aux aléas.

Figure 14 : variations de surface des zones humides du Parc Naturel des Marais du Cotentin et du Bessin modélisées, pour

différents scénarii de gestion et climatique (actuel, impacts respectifs d’une augmentation des prélèvements, du changement

climatique et proposition de gestion alternative). Cette figure souligne le compromis nécessaire entre préservation des

écosystèmes, prélèvements et changement climatique (Armandine Les Landes et al., 2014).

PROJETS EN COURS

Financés

ITN Marie Curie INTERFACES (PI : G. Pinay)

EQUIPEX CRITEX (PI : J. Gaillardet)


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ANR Diaphane (PI : D. Gibert)

ANR Eroquake (PI : P. Steer)

H+ (Système d’observation labellisé INSU)

Observatoire de la Soufrière (Système d’observation labellisé INSU)

Zone Atelier Armorique (Système d’observation labellisé INEE)

Soumis

ANR PRCE FLOODAR (PI : D. Lague)

ANR JC SURGE (PI : L. Longuevergne)

ANR International GEOPRYME

LIA entre l'OSUR et l'INRS (Québec) (PI : L. Aquilina).

PUBLICATIONS

Armandine les Landes A., Aquilina L., De Ridder J., Longuevergne L., Pagé C. and Goderniaux P.,

Investigating the respective impacts of groundwater exploitation and climate change on wetland extension over 150 years, J. Hydrol. 509 (2014) 367-378

Ker S., Le Gonidec Y., Marsset B., Westbrook G.K., Gibert D. and Minshull T.A., Fine-scale gas distribution in marine sediments assessed from deep-towed seismic data, Geophysical Journal International (2014) ggt497.

Lague, D. Brodu N. and Leroux J., Accurate 3D comparison of complex topography with terrestrial laser scanner: application to the Rangitikei canyon (N-Z), ISPRS journal of Photogrammmetry and Remote

Sensing 80 (2013) 10-26.

Leroux J., Goffe B., Lague D. and Davy P., Human impact on secular expansion of mega-tidal salt marshes in the NW coast of France, Geomorphology (soumis).

Lesparre N., Gibert D., Marteau J., Komorowski J.C., Nicollin F. and Coutant O., Density Muon Radiography of La Soufrière of Guadeloupe Volcano: Comparison with Geological, Electrical Resistivity

and Gravity data, Geophysical Journal International 190 (2012) 1008-1019.

Long D., Longuevergne L. and Scanlon B.R., Evaluation of evapotranspiration from Land Surface Modeling and Remote Sensing using Water Budget Closure and GRACE satellites, Water Res.Res (2014) sous

presse.

Longuevergne L., Wilson C.R., Scanlon B.R. and Crétaux J.P., GRACE water storage estimates for the

Middle East and other regions with significant reservoir and lake storage, HESS 17 (2013) 4817-4830

Roques C., Bour O., Aquilina L., Dewandel B., Leray S., Schroetter J.M., Longuevergne L., Le Borgne T., Hochreutener R., Labasque T. and Lavenant N., Hydrological behavior of a deep sub-vertical fault in

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Documents

PROJET SCIENTIFIQUE RECHERCHES … · modélisation prédictive de systèmes imparfaitement connues (incertitude épistémique) et très non linéaires (incertitude ... Le terme de