Laboratoire Morphodynamique Continentale et Côtière

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Qui sommes-nous ?


Le laboratoire Morphodynamique Continentale et Côtière (M2C) est un laboratoire de recherche fondamentale et appliquée de 50 permanents (environ 90 personnes avec les doctorants, post-doctorants, etc.). Le laboratoire est présent sur deux sites géographiques, Caen et Rouen. Nous sommes membres de l’Observatoire Ecce Terra, de la Fédération de Recherche SCALE et du Centre de recherche en Environnement Côtier. Nos domaines de compétences sont ceux des Géosciences et des Sciences de l’Environnement bâtis autour de personnels affiliés à 3 tutelles différentes (CNRS, Université de Caen Normandie et Université de Rouen Normandie).

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Actualités

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Approche multidisciplinaire et à plusieurs échelles spatio-temporelles des structures artificielles des énergies marines renouvelables dans un système de mer à fortes marées

La Manche est une mer à forte marée balayée par des vents dominants de secteur ouest offrant une opportunité de développement des énergies marines renouvelables, tel que le vent, les vagues et les courants de marée, notamment le long des côtes françaises et à proximité des caps où les courants de marée se renforcent. La présente publication porte sur l’énergie éolienne et marémotrice, en croisant les aspects de la modélisation numérique et de l’écologie benthique et de son insertion dans une approche écosystémique. La compréhension de ces interactions est fondamentale dans la connaissance des conditions hydro-sédimentaires et les liens avec la macrofaune benthique. La recherche sur ces sujets, réalisée au laboratoire Morphodynamique continental et côtier (M2C) (UMR 6143, France), est présentée sous forme d’une approche multidisciplinaire traitant : 1) les conditions hydrodynamiques et la macrofaune du Raz Blanchard ; 2) les effets du biofouling sur la performance des turbines marémotrices et leur influence sur le sillage turbulent 3) les impacts hydro-sédimentaires induits par un parc éolien offshore, comme l’affouillement, et 4) l’approche écosystémique des EMR, comme l’effet récif. D’un point de vue écologique, l’effet récif peut être responsable des principaux changements induits dans la structure et le fonctionnement de l’écosystème suite à la construction de parcs éoliens en mer.

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Sensibilité de la mesure polinsar aux bandes l et p

Une approche à double fréquence est proposée pour estimer la hauteur et la structure verticale de la forêt semi-boréale, ce qui constitue l'objectif principal de Pol-InSAR sur les forêts. Sur la base des informations sur la structure verticale, les espèces forestières ont été discriminées par rapport à la forêt boréale. Premièrement, il est indiqué que l'interaction se produit principalement avec la partie supérieure de la canopée au niveau de la bande L. De plus, l'interaction des ondes radar semble être moins dépendante de la polarisation. Cela signifie que, même si l'effet de l'hétérogénéité verticale est présent, la forêt hémi boréenne peut être approchée comme un milieu presque verticalement homogène en bande L. Par conséquent, la bande L est moins sensible à la structure de la forêt que la bande P. Deuxièmement, la topographie du sol sous-jacente est estimée à l'aide de la décomposition polarimétrique de sous-espace en bande P pour minimiser tout biais potentiel. Ensuite, le modèle de rétrodiffusion gaussienne est utilisé pour extraire la rétrodiffusion verticale de la forêt en bande P en utilisant deux paramètres structurels, l'écart type normalisé et l'élévation normalisée. Les profils inversés diffèrent considérablement entre les différents peuplements forestiers et dans les canaux polarimétriques, indiquant une sensibilité importante de la bande P à la structure verticale de la forêt. D'après ces mesures, il est montré que les essences d'arbres, comme les pins et les épicéas, présentaient des signatures différentes liées à la distribution verticale de leurs éléments structuraux. Au contraire, la sensibilité à l'hétérogénéité verticale de la forêt est faible en bande L, ce qui permet d'inverser avec précision la hauteur de la forêt à partir d'une fonction de structure empirique. Un workflow général tirant parti des deux fréquences est finalement proposé pour discriminer les espèces forestières.

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Sédimentation lacustre : des preuves d'épisodes centenaires d'euxinie hypolimnétique dans des conditions climatiques chaudes du début et du milieu de l'Holocène en Haute Asie centrale (Lac Son Kol, Kirghizstan)

Peu d'enregistrements sédimentaires sur le développement de la méromixie sont disponibles dans les archives paléolimnologiques, car les observations à long terme sont limitées dans le temps et les données sédimentaires de substitution incontestables de l'anoxie hypolimnétique sont encore rares. Nous utilisons ici l'imagerie hyperspectrale dans le visible et le proche infrarouge (VNIR) et dans l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) combinée à des analyses par balayage XRF à ultra-haute résolution pour reconstituer l'historique de la stratification des lacs, leur état trophique et les changements des conditions de mélange dans la colonne d'eau du lac Son Kol (Kirghizstan, montagnes Tien Shan) en haute Asie centrale au cours des 8500 dernières années. En particulier, la détection de la bactériophéophytine a (Bphe a), un pigment produit par des bactéries phototrophes anoxygéniques à la chimiocline des lacs méromictiques, met en évidence des épisodes d'anoxie hypolimnétique multi-décennale à centennale dans le lac Son Kol pendant les conditions climatiques plus chaudes du début et du milieu de l'Holocène. Les phases d'anoxie hypolimnétique sont déduites du dépôt de sédiments organiques foncés (enrichis en pigments Bphe a) dans un système lacustre stratifié, qui s'est produit pendant les périodes de fonte des neiges accrue (et de précipitations hivernales abondantes) et de températures plus chaudes au printemps/été qui ont favorisé les crues et le transport de matières terrestres vers le lac, favorisant ainsi la disponibilité des nutriments. Des conditions euxiniques prolongées dans les eaux de fond (et donc la présence d'une chimiocline) sont signalées à 8500, 8400, 8200-7800, 7700-7500, 7300-7000, 6500-6100, 6000-5700, et 5500-5250 cal. BP. A partir de 5250 cal. BP, la chimiocline a disparu lorsque le lac Son Kol a basculé dans un régime où les conditions étaient principalement plus fraîches et bien mélangées (prédominance de phototrophes oxygénées), parallèlement à une augmentation du niveau du lac. La disparition de l'anoxie hypolimnétique dans le lac Son Kol coïncide avec un renforcement des conditions de vent qui implique un renversement accru du lac et un mélange ascendant des nutriments dans toute la colonne d'eau. Cette étude révèle le fort potentiel de l'imagerie hyperspectrale, en combinaison avec d'autres approches paléolimnologiques, pour reconstruire l'histoire trophique et de mélange du lac et explorer les mécanismes de contrôle à l'œuvre sur des échelles de temps allant de la décennie au siècle. Nos résultats montrent comment des changements abrupts dans les écosystèmes peuvent se produire même en l'absence de changement climatique anthropique.

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Etude morphodynamique des dunes intertidales sous l’effet combiné des forçages de houle et marée. Le cas de la baie de Somme

Dans cette recherche, les dunes hydrauliques de la Baie de Somme ont été étudiées sur différentes échelles temporelles (cycles semi-diurnes) et spatiales (formes de fond sur-imposées) en se basant sur des données de scanner-laser, associées à cinq campagnes durant un cycle total de mortes-eaux - vives-eaux, et des mesures hydrodynamiques in-situ. Le but était d’identifier les différentes formes associées, ainsi que la migration résultante. Les résultats ont montré que les dunes sont caractérisées par une longueur d’onde de 12m, une hauteur de 0.4 m avec une orientation orthogonale à la ligne de côte. L’analyse spectrale a mis en évidence quatre classes de structures morphologiques : 1) petites formes de longueur d’onde ~ 1.6 m et développées parallèlement aux dunes durant les phases de drainage ; 2) moyennes formes de longueur d’onde ~ 3.2 m construites perpendiculairement aux dunes suite aux évènements énergétiques ; 3) formes à grande échelle de longueur d’onde ~ 6.4 m qui résulte du développement des formes moyennes ; 4) sinuosité de la crête des dunes de longueur d’onde ~25 m induite par le changement de leur orientation suite à l’effet des fortes conditions de houle et de marée. L’évolution des dunes durant un cycle mortes-eaux - vives-eaux est en forte relation avec les mécanismes physiques de transport sédimentaire responsables de la migration des dunes et leur auto-organisation. La composante de migration des dunes est essentiellement parallèle à leur forme, ce qui représente 65% du mouvement total des dunes. Ces mouvements révèlent une forte relation physique avec les conditions hydrodynamiques de houle et de marée en particulier pour les dunes au large dont la réponse morphodynamique semble produite sur des échelles temporelles plus rapides que celle de dunes à proximité de la côte.

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Simulations numériques tri-dimensionnellles d’une hydrolienne non-déformable à rotation induite par le fluide

Le potentiel global hydrolien dépend en partie des technologies de turbines utilisées. L'un des points problématiques est la vitesse d'écoulement minimale requise pour mettre le rotor en mouvement. La nouveauté de cet article est la mise en place d'une méthode innovante pour modéliser les interactions fluide-structure pour les hydroliennes. La première partie de ce travail visait à valider le modèle numérique pour les cas classiques de rotation (rotation forcée), en particulier, à l'aide d'une étude de convergence des maillages. Une fois le modèle rendu indépendant du maillage, les résultats numériques ont été testés par rapport à des données expérimentales pour des hydroliennes à axe vertical et horizontal. Une bonne correspondance est obtenue entre les sorties de modèle et les données expérimentales pour les coefficients de puissance et de traînée. Dans le sillage, les tourbillons ont bien été capturés. Ensuite, une modélisation de la rotation de la turbine induite par le fluide a été implémentée. Les résultats correspondent au comportement physique attendu. Les deux turbines ont tourné dans le bon sens avec une accélération cohérente. Cette étude montre les différences fondamentales de fonctionnement entre une hydrolienne à axe horizontal et une à axe vertical. Le manque d'expériences pour une hydrolienne à vitesse de rotation libre est une limitation, et dans l’avenir un frein numérique pourrait être mis en œuvre pour surmonter cette difficulté.

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Sur une île en Polynésie

Dans le cadre du projet de prospection en eau mené en collaboration avec un bureau d’étude TPCONSEIL, l’UMR METIS de Sorbonne Université et l’UMR M2C de l’Université Rouen Normandie (Fayçal Rejiba), une prospection hydrogéophysique a été réalisée en août 2020 sur le bassin versant de Temae sur l’île de Moorea (Polynésie Française). Le projet a pour objectif la recherche de nouvelles ressources dans le bassin versant de Temae à travers le déploiement de trois méthodes géophysiques. Cela permet d’étudier la structuration des formations volcaniques et leur possible influence sur la circulation des eaux souterraines ainsi que la géométrie des réservoirs afin d’affiner la définition des sites favorables et des ouvrages adaptés à l’extraction des eaux souterraines sur le bassin versant. La campagne a eu lieu entre le 17 et le 26 août 2020 et a permis de mettre en œuvre de la tomographie électrique, du géo-radar, et des sondages électromagnétiques en domaine temporel. Les premiers résultats et la superposition des logs géologiques, analysés d’après les carottes prélevées, sur les panneaux électriques montrent sans ambiguïté la différentiation entre limons de surface et les matériaux basaltiques, et permettent de fixer la position verticale de leur interface. La résolution des images électriques ne permet pas de distinguer finement la qualité plus ou moins vacuolaire ou scoriacée de ces derniers. La résistivité des limons de surface est systématiquement inférieure à 30 Ohm.m, tandis que celle des basaltes est supérieure à une limite comprise entre 50 et 70 Ohm.m et monte à 150, voire 200 Ohm.m sur le profil P1. Il est néanmoins difficile d’affirmer si la résistivité moins élevée du toit des basaltes peut être reliée à une propriété intrinsèque ou bien à un artefact de l’inversion des données électriques qui tendra toujours à amortir les gros contrastes de résistivité électrique. Les niveaux piézométriques repérés après stabilisation de la nappe sont très proches de la position de l’interface. La résistivité des basaltes apparaît relativement représentative du caractère saturé de ceux-ci.

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Au large de la côte ouest du Cotentin.

La mission Stockline 2 s’est déroulée du 12 au 26 octobre 2020 à bord du NO Antéa (Flotte Océanographique Française). L’objectif principal de cette mission était d’examiner les stocks sédimentaires présents le long de la côte ouest du Cotentin. Cette mission fait suite à la mission Stockline 1 réalisée en juin 2019 à bord du NO Thalia (cf. lettre Infos scientif. Juin 2019) entre Dieppe et la Baie des Veys. Les deux missions s’inscrivent dans le cadre du projet régional SELINe (porteur S. Leourd) qui vise à quantifier et caractériser les sources sédimentaires et leur transferts participant à la construction des littoraux normands. L’une des actions principales du projet SELINe est de quantifier les volumes des stocks sédimentaires du domaine subtidal le long des côtes normandes et de relier ces stocks aux tendances évolutives des littoraux adjacents. Cette action constitue l’objectif principal de la thèse d’Elise Grenard Grand (M2C, Dir. B. Tessier / S. Le Bot). La mission Stockline 2 a été consacrée pendant 10 jours à la quantification par prospection sismique des stocks sédimentaires subtidaux entre Barneville-Carteret et les entrées de la Baie du Mt St Michel (participants : E. Grenard Grand, B. Tessier, et T. Kaci – Doctorante d’A. Duperret – LOMC Le Havre – dont la thèse porte sur la morpho-structuration du Cotentin). Au cours de la deuxième partie de la mission, réalisée par Y. Méar, E. Poizot (Intechmer) et T. Kaci, des prélèvements de sédiments ont été réalisés dans le Passage de la Déroute (entre Jersey et la Côte) dans l’objectif de modéliser les transferts sédimentaires (action du projet SELINe). Plan de position des profils sismiques (Elise Grenard Grand, 2020) (Figure à gauche). Il a fallu « jongler » entre les faibles profondeurs de la zone, le tirant d’eau de l’Antéa et les grandes marées du moment...pas facile. Initialement prévue en juin à bord du Thalia, la mission a été annulée (covid..) et reprogrammée sur l’Antéa en octobre. Nous craignions le pire avec la météo...finalement jamais nous n’aurions pu rêver mieux...mer d’huile pendant 7 jours (Figure à droite).

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La variabilité muti-échelle des événements extrêmes le long des côtes de la Manche

Cette recherche examine le comportement non-stationnaire de la dynamique des événements extrêmes le long des côtes de la Manche et leur lien avec les modèles climatiques à différentes échelles de temps par l'utilisation d'une analyse spectrale multi-résolution. Ceci a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes physiques de circulation atmosphérique globale contrôlant la variabilité locale des extrêmes mensuels. Cette variabilité met en évidence différentes composantes oscillatoires interannuelles (1.5, 2-4, 5-8 ans) à l'inter-décennales ( 12-16 ans) avec des variances moyennes expliquées par 25 -32 % et 2 - 4 % de la variabilité totale, respectivement. En utilisant les deux hypothèses selon lesquelles les mécanismes physiques de la circulation atmosphérique changent avec les échelles de temps et les liens avec la variabilité locale, nous avons démontré des relations statistiquement significatives de ~1.5, 2-4, 5- 8 et 12-16 ans avec les différentes oscillations climatiques de pression au niveau de la mer (SLP), vent zonal (ZW), oscillation de l'Atlantique Nord (NAO) et Oscillation atlantique multi-décennale (AMO), respectivement. Ces liens physiques ont été utilisés pour le développement des modèles de distribution GEV en fonction du temps via la non-stationnarité des paramètres statistiques. Ces informations climatiques, introduites dans les paramètres des modèles GEV, ont considérablement amélioré la prévision des évènements extrêmes avec une variance expliquée supérieure à 60%. Cette amélioration montre leur relation non linéaire avec la circulation atmosphérique à grande échelle.

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Les analyses XRF et hyperspectrales comme moyen automatique de détection des crues dans les carottes de sédiments

Les changements à long terme de l'activité des crues ont souvent été reconstitués pour comprendre leurs relations avec les changements climatiques. Pour ce faire, il faut identifier les dépôts de crues en fonction de certaines caractéristiques (par exemple, la texture, la composition géochimique, la taille des grains), puis les compter à l'aide d'une observation à l'œil nu. Cette méthode est toutefois longue et intrinsèquement caractérisée par une faible résolution qui peut entraîner des biais et des erreurs d'identification. Pour surmonter cette limitation, des approches analytiques à haute résolution peuvent être utilisées, telles que la spectroscopie de fluorescence X (XRF), la tomographie par ordinateur à rayons X ou l'imagerie hyperspectrale (IHS). Associée à des algorithmes discriminants, l'IHS permet l'identification automatique des dépôts d'événements. Nous proposons ici une nouvelle méthode d'identification et de comptage des dépots de crue basée sur la combinaison des analyses de carottes par IHS et XRF, appliquée à une séquence de sédiments du lac du Bourget (Alpes françaises). Nous utilisons un capteur hyperspectral couvrant l'infrarouge à ondes courtes pour créer un modèle de discrimination entre les dépôts d'événements et la sédimentation continue. Cette première étape permet d'estimer une carte de classification, avec une précision de prédiction de 0,96, puis de reconstruire automatiquement une chronique fiable des dépôts (y compris leur épaisseur et leur fréquence). Les signaux XRF sont ensuite utilisés pour distinguer les dépôts de crue parmi tous les dépôts d'événements identifiés, en fonction des éléments géochimiques spécifiques au site (dans le cas du lac du Bourget : Mn et Ti). Il en résulte une chronique des crues générée automatiquement. Les changements dans l'occurrence des crues et l'épaisseur des événements au cours du temps sont en bon accord avec la chronique générée à l'œil nu. Dans le détail, les différences reposent sur un plus grand nombre de crues détectées (augmentation de 9 % du nombre de dépots détectées) et sur une estimation plus précise de l'épaisseur des dépots, grâce à une résolution plus élevée. La méthodologie développée ouvre donc une voie prometteuse pour augmenter à la fois l'efficacité (gain de temps) et la robustesse (précision accrue) des reconstructions des paléo-crues à partir des sédiments lacustres. De plus, cette méthodologie peut être appliquée pour identifier des dépôts spécifiques (par exemple, varve, téphra, turbidite à mouvement de masse, tsunami) et, par conséquent, elle a une implication directe dans la paléolimnologie, l'hydrologie des paléocrues et la paléosismologie à partir des archives de sédiments. »

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