La Dynamique des fluides
de croissance des spéléothèmes

Résumé

Façonnées par les siècles, les stalagmites qui jonchent le sol des grottes karstiques ne sont pas juste d’époustouflantes créations de la Nature. Elles peuvent en effet aider à améliorer notre compréhension de la paléoclimatologie. L’étude des différentes lamines constituant les stalagmites, couplée à la datation isotopique, peut se révéler particulièrement utile. D’autres techniques de datation permettant de mieux appréhender les mystères de la paléoclimatologie incluent la dendrochronologie, l’analyse sédimentaire ou encore l’analyse de carottes glaciaires. Ces dernières, par exemple, fournissent d’importants renseignements sur l’historique des gaz à effet de serre dans une région donnée, tandis que les variations visibles entre les lamines des stalagmites sont par essence liées aux écoulements locaux passés et à la couverture naturellement présente au-dessus des grottes. Les modèles de croissance de stalagmite existants ne considèrent pas l’aérodynamique et l’hydrodynamique des gouttes tombant du plafond des grottes sur les stalagmites. Ces gouttes sont pourtant essentielles à la croissance des stalagmites, puisque ce sont elles qui apportent les ions calcium à l’origine du processus de croissance. Les ions en solution dans le film mince d’eau recouvrant les stalagmites précipitent progressivement pour former de la calcite qui s’accumule petit à petit, permettant à la stalagmite de grandir par ce biais. Chacune des centaines de milliers de gouttes tombant sur une même stalagmite est donc responsable du renouvellement des ions calcium en solution, ainsi que du film mince d’eau sur la stalagmite.

Depuis son détachement au bout de la stalactite surplombant la stalagmite sur laquelle elle finit par atterrir, une goutte tombant dans une grotte n’a pas une vie que l’on pourrait qualifier de long fleuve tranquille. Cette goutte tombe librement dans l’air depuis une hauteur sous plafond lui permettant d’atteindre une vitesse suffisante pour générer du splash, ainsi que l’éjection de nombreuses gouttelettes, lors de son impact avec le film mince d’eau recouvrant la stalagmite sur laquelle elle s’écrase. Au cours de chaque impact, les ions en provenance de la goutte et du film se mélangent entre eux et sont redistribués dans le film. Parallèlement aux impacts de gouttes qui le remplissent progressivement, le film se déplète par drainage le long des parois de la stalagmite tandis que les ions en solution précipitent. À travers ce travail qui combine des mesures expérimentales prises sur terrain et en laboratoire, complétées par de la modélisation physique et numérique, nous proposons d’analyser chacune des parties importantes de la trajectoire d’une goutte dans une grotte. La présentation se concentrera sur les éléments les plus pertinents pour la reconstruction paléoclimatique, tandis que la dissertation disponible sur Orbi contient quelques détails supplémentaires (https://orbi.uliege.be/handle/2268/312828).

Membres du jury 

• Tristan Gilet (promoteur, Université de Liège)
• Vincent Terrapon (co-promoteur, Université de Liège)
• Dominique Toye (président, Université de Liège)
• Hanneke Gelderblom (Eindhoven University of Technology)
• Benoît Scheid (Université Libre de Bruxelles)
• Sophie Verheyden (Geological Survey of Belgium)

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