Signature sismique et physique du transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne : investigations avec expériences de laboratoire et observations de terrain

Mountain rivers can be the place of very intense sediment transport which has the potential to strongly shape the landscape and impact the safety of inhabited areas. However, our understanding on the physics of the processes is limited by a lack of field observations, which is linked to the unpredictable and destructive nature of such events. The use of passive seismology has been proposed as an alternative to classical monitoring techniques. Fluvial processes exert force fluctuations on the riverbed, and these forces generate ground vibrations that can be detected continuously and remotely by seismometers. Although seismic signals contain unique information about their source, the potential of using seismic observations to investigate intense sediment transport has been explored only partially.In this PhD we investigate the physics of intense sediment transport in mountain rivers through a multidisciplinary approach involving seismic methods. We moved on two different but parallel tracks, that is, laboratory experiments and field observations, in order to explore the processes at different spatial scales and across a wide range of river settings.In the laboratory, we focused our analysis on steep low-order mountain rivers, which are episodically subject to massive sediment pulses from the destabilization of upstream sediment deposits. We observed that, more than by the hydraulic forcing, deposit destabilization and pulse propagation along the channel are driven by significant grain-to-grain interactions in which the action of fine particles play a central role. The seismic observations collected during the experiments showed non-trivial relationships between the basal force fluctuations generated by the body of the sediment pulses and several flow properties. However, most complexities were suppressed by the unique negative relationship exhibited by force fluctuations and solid concentration. We advance that solid concentration best describes force fluctuations as being a proxy for particle agitation, and we propose to interpret this link within the framework of the local μ(I) rheology of dense granular flows.In the field, we investigated the dynamics of flood events that occurred in the Séveraisse River (Écrins Massif) and in the Vésubie and Roya catchments (Maritime Alps), the latter of which was particularly extreme and devastating. On the Séveraisse River, we localized active areas of sediment transport at high resolution by means of a dense seismic array, and we inferred high sediment transport rates and morphological changes based on frequency-based scaling relationships between water discharge measurements and seismic power. On the Vésubie and Roya catchments, the seismic observations captured the general evolution of the extreme flood as depicted by the rainfall-runoff simulations, but they also unravelled intense sediment transport resulting from landscape perturbations that couldn’t be explained solely by the hydraulics.Finally, with this PhD we have shown that intense sediment transport in mountain rivers is characterized by a strong interplay between hydraulic forcing, sediment supply conditions, and interactions within the granular phase. In this complex scenario, we have demonstrated that seismic methods constitute a valid tool to resolve a diversity of processes that is difficult to explore through classical theories and monitoring techniques.Les rivières de montagne peuvent expérimenter phénomènes de transport sédimentaire très intense qui ont le potentiel de façonner fortement le paysage tout en constituant un aléa pour les zones habitées. Cependant, notre compréhension de la physique de ces processus est limitée par un manque d'observations de terrain, ce qui est lié à la nature imprévisible et destructrice de ces événements. L'utilisation de la sismologie passive a été proposée comme une alternative aux techniques de suivi classiques. Les processus fluviaux exercent des fluctuations de force sur le lit de la rivière, et ces forces génèrent des vibrations dans le sol qui peuvent être détectées en continu et à distance par des sismomètres. Bien que les signaux sismiques contiennent des informations uniques sur leur source, le potentiel de l’utilisation des observations sismiques pour étudier le transport sédimentaire intense n'a été que partiellement exploré.Dans cette thèse, nous étudions la physique du transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne par une approche multidisciplinaire impliquant des méthodes sismiques. Nous avons suivi deux voies différentes mais parallèles, au laboratoire et sur le terrain, afin d'explorer les processus à différentes échelles spatiales et dans un large éventail de contextes fluviaux.Au laboratoire, nous avons focalisé notre analyse sur les rivières de montagne à forte pente, qui sont susceptible de recevoir des bouffées sédimentaires provenant de la déstabilisation des dépôts sédimentaire en tête de bassin versant. Nous avons observé que, plus que par le forçage hydraulique, la déstabilisation des dépôts et la propagation des bouffées étaient dictées par de fortes interactions granulaires, au cours desquelles les particules fines jouent un rôle central. Les observations sismiques ont montré des relations non triviales entre les fluctuations de force basale générées par le corps des bouffées sédimentaires et plusieurs propriétés de l'écoulement. Cependant, au-delà de ces complexités, une relation négative unique a été obtenue entre les fluctuations de force et la concentration solide. Cette concentration apparait être un bon proxy de l'agitation des particules, comme le suggère la rhéologie locale μ(I) des écoulements granulaires denses.Sur le terrain, nous avons étudié la dynamique d'événements de crue qui se sont produits sur la Séveraisse (Massif des Écrins) et dans les bassins versants de la Vésubie et de la Roya (Alpes maritimes), ce dernier événement ayant été particulièrement extrême et dévastateur. Sur la Séveraisse, nous avons localisé des zones actives de transport sédimentaire à haute résolution avec un réseau sismique dense, et nous avons déduit des flux élevés de transport sédimentaire et des changements morphologiques en nous basant sur les relations à différentes bandes de fréquence entre les mesures de débit d'eau et la puissance sismique. Sur les bassins versants de la Vésubie et de la Roya, nous avons montré que les observations sismiques capturaient l'évolution générale de la crue telle qu'elle est décrite par les simulations pluie-débit, mais qu'elles permettaient également de mettre en évidence un transport sédimentaire intense résultant de perturbations du lit et des versants, qui ne pouvait être expliqué uniquement par l'hydraulique.Avec cette thèse nous avons montré que le transport sédimentaire intense dans les rivières de montagne est caractérisé par une synergie entre le forçage hydraulique, les conditions d'alimentation sédimentaire, et les interactions au sein de la phase granulaire. Dans ce scénario complexe, nous avons démontré que les méthodes sismiques constituent un outil unique pour résoudre une diversité de processus qui est difficile à explorer dans le cadre des théories et techniques de suivi classiques