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.
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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.
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.
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.
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.
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.
IPR/Géosciences
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 .
Dreano J., Valance A., Lague D. and Cassar C., Experimental study on transient and steady-state dynamics of bedforms in supply limited configuration, Earth Surface Processes and Landforms 35 (2010), 1730-1743.
Guignier L., Niya H., Nishimori H., Lague D. and Valance A., Sand dunes as migrating string, Phys. Rev. E 87 (2013) 052208.
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.
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
Beaudoin, A., de Dreuzy J.R. and Erhel J., An efficient parallel tracker for advection-diffusion simulations in heterogeneous porous media, Euro-Par 2007 Parallel Processing, Springer Berlin Heidelberg (2007) 717-726.
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.
Pichot G., de Dreuzy, J. R. and Erhel, J., Flow simulation in 3D multi-scale fractured networks using non-matching meshes, SIAM Journal on Scientific Computing 34 (2012) B86-B105.
projet scientifique RISC-E 23/07/2015
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.
projet scientifique RISC-E 23/07/2015
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)
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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)
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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)
projet scientifique RISC-E 23/07/2015
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.
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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
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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
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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
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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,
Hart MM, Bago A, Palmer TM, West SA, Vandenkoornhuyse P, Jansa J, Bucking H 2011. Reciprocal Rewards Stabilize Cooperation in the Mycorrhizal Symbiosis Science 333, 880-882.
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Monard C, Vandenkoornhuyse P, Le Bot B, Binet F 2011. Relationship between bacterial diversity and function under biotic control: the soil pesticide degraders as a case study. ISME Journal 5, 1048-1056
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, 91–109
Bougon N., Aquilina L., Molénat J., Marie D., Delettre Y., Chancerelle E. and Vandenkoornhuyse P., 2012 - Influence of depth and time on diversity of free-living microbial community in the variably saturated
zone of a granitic aquifer. FEMS Microbial Ecology 80-1, 98-113.
Gu, C., Laverman A. M. and C.P. Pallud C.P. 2012 Environmental Controls on Nitrogen and Sulfur Cycles
in Surficial Aquatic Sediments. Frontiers in Microbiology 3: 1-11.
Laverman A. M., Pallud C.P., Abell, J. and Van Cappellen, P 2012 Comparative survey of potential nitrate and sulfate reduction rates in aquatic sediments. Geochimica Et Cosmochimica Acta 77, 474-488
Mahe S, Duhamel M, Le Calvez T, Guillot L, Sarbu L, Bretaudeau A, Collin O, Dufresne A, Kiers ET, Vandenkoornhuyse P 2012. PHYMYCO-DB: A Curated Database for Analyses of Fungal Diversity
and Evolution. PLoS ONE 7 : e43117
Duhamel M, Pel R, Ooms A, Bücking H, Jansa J, Ellers J, van Straalen NM Tjiaf Wouda, Vandenkoornhuyse P, Kiers ET 2013. Do fungivores trigger the transfer of protective metabolites from
host plants to arbuscular mycorrhizal hyphae? Ecology 94:2009-2029.
Duhamel M & Vandenkoornhuyse P 2013. Sustainable agriculture: possible trajectories from mutualistic
symbiosis and plant neodomestication. Trends in Plant Science 18:597-600
Roose-Amsaleg C., C.Yan, Anne-Marie Hong, A. M. Laverman 2013. Chronic exposure of river sediments to environmentally relevant levels of tetracycline affects bacterial communities but not denitrification
rates. Ecotoxicology (22)10: 1467-1478
Sebilo M, Mayer B, Nicolardot B, Pinay G, Mariotti A 2013. Long-term fate of nitrate fertilizer in
agricultural soils. Proceedings National Academy Sciences USA 110: 18185–18189
Yan C. Q.T. Dinh M. Chevreuil J. Garnier, C. Roose-Amsaleg, P. Labadie, A. M. Laverman 2013. Fate of environmental and therapeutic antibiotics in river sediments and their effect on nitrate reduction rates.
Water Research (47) 3654-3662.
Ciobanu MC, Burgaud G, Dufresne A, Breuker A, Rédou V, Ben Maamar S, Gaboyer F, Vandenabeele-
Trambouze O, Lipp JS, Schippers A, Vandenkoornhuyse P, Barbier G, Jebbar M, Godfroy A, Alain K (2014) Microorganisms persist at record depths in the subseafloor of the Canterbury Basin. ISME Journal, 8:1370–80
Quaiser A, Bodi X, Dufresne A, Naquin D, Francez A-J, Dheilly A, et al. 2014 - Unraveling the stratification of an iron-oxidizing microbial mat by metatranscriptomics. PLoS One. 9(7):e102561
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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.
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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).
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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
crystalline basement and relationships with surrounding reservoirs, J. Hydrology 509 (2014) 42-54
Scanlon B.R., Faunt C.C., Longuevergne L., Reedy R., Alley B., Guire V. L. and Mahon P.B., Groundwater
Depletion and Sustainability of Irrigation in the US High Plains and Central Valley, Proc. Nat. Acad. Sciences 109 (2012) 9320-9325.
Taylor R.G., Scanlon B.R., Döll P., Rodell M., van Beek R., Wada Y., Longuevergne L., Leblanc M.,
Famiglietti J.S., Edmunds M., Konikow L., Green T.R., Chen J., Taniguchi M., Bierkens M.F.P., Macdonald A., Fan Y., Maxwell R.M., Yechieli Y., Gurdak J.J., Allen D., Shamsudduha M., Hiscock K.,
Yeh P.J.F., Holman I. and Treidel H., Groundwater and climate change, Nature Climate Change 3 (2013) 322-329.