Thèse Etude Expérimentrale et Numérique des Rétroactions Hydromécaniques Confinées dans les Sédiments Sous-Glaciaires H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE) Direction de la thèse : Julien CHAUCHAT ORCID 0000000259790620 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-15T23:59:59 La dynamique des glaciers et des calottes glaciaires est fortement influencée par les systèmes hydrologiques sous-glaciaires, qui régulent la traction basale, le transport sédimentaire et, en fin de compte, l'écoulement de la glace. Malgré leur importance pour la prévision de l'élévation future du niveau de la mer, les rétroactions hydromécaniques régissant l'écoulement de l'eau et la mobilisation des sédiments sous les glaciers restent mal comprises, en particulier dans les couches sédimentaires confinées soumises à une pression. Ce projet de thèse vise à développer une compréhension quantitative et mécanistique de ces processus en associant une modélisation numérique avancée à des expériences contrôlées en laboratoire.

La recherche se concentre sur les interactions entre les forces d'infiltration, la contrainte effective et la déformation des sédiments, qui déterminent les transitions d'un écoulement poreux distribué vers un drainage canalisé localisé. Au cours de la première phase, un cadre hydromécanique en deux phases sera développé à l'aide de la plateforme open source sedFOAM. Des simulations numériques permettront d'étudier les seuils de mobilisation des sédiments et la dynamique de canalisation dans des conditions de forçage stationnaires et transitoires, y compris des impulsions de pression et des charges cycliques. Ces simulations généreront des cartes de régimes prédictifs établissant des liens entre le confinement, le forçage hydraulique et la localisation de l'écoulement.

La deuxième phase consistera en une validation expérimentale à l'aide d'une installation à grande échelle dédiée à l'écoulement confiné. Des expériences systématiques en laboratoire seront menées sous des contraintes normales et des gradients de pression contrôlés afin de mesurer l'évolution de la pression interstitielle, la déformation des sédiments et l'initiation de la canalisation. Des observations à haute résolution fourniront des ensembles de données de référence pour évaluer les prédictions du modèle dans des conditions hydrauliques tant stationnaires que transitoires.

La phase finale intégrera les résultats de la modélisation et des expériences afin d'affiner le cadre hydromécanique et d'établir un critère validé de mobilisation contrôlé par la contrainte effective. Le projet aboutira à un cadre prédictif capable de décrire les transitions entre les états sédimentaires statique, partiellement mobilisé et canalisé. En approfondissant la compréhension de la dynamique des sédiments sous-glaciaires, cette recherche contribuera à améliorer la représentation des processus au niveau du lit des glaciers dans les modèles de calotte glaciaire et à affiner les prévisions concernant la réponse des glaciers aux changements climatiques. The future contribution of glaciers and ice sheets to global sea-level rise remains one of the major uncertainties in climate projections. A key factor controlling glacier motion is the hydrological system at the ice-bed interface, where water flow regulates basal friction and sediment transport. In many glaciated environments, the bed consists of water-saturated, deformable sediments whose mechanical behavior is strongly influenced by pore-water pressure and effective stress. While the dynamics of subglacial drainage systems have been extensively studied, the hydromechanical feedbacks that govern sediment mobilization and the transition from distributed seepage flow to channelized drainage remain poorly understood. Addressing this knowledge gap is essential for improving predictions of glacier dynamics and developing physically based models of subglacial processes.
The primary objective of this project is to develop a quantitative understanding of the hydromechanical feedbacks that govern fluid flow and sediment mobilization in confined subglacial environments. By combining two-phase continuum modelling with controlled laboratory experiments, the research aims to identify the mechanisms through which pore-pressure variations, seepage forces, and effective stress interactions drive the transition from distributed porous flow to channelized drainage. The project will establish predictive relationships between hydraulic forcing, sediment deformation, and flow localization, ultimately delivering a validated framework for describing and predicting the behavior of water-saturated sediments beneath glaciers.
The PhD candidate will focus on three main objectives over the course of the project.

During the first 18 months at Université Grenoble Alpes (UGA), the candidate will develop a two-phase hydromechanical framework. This involves adapting and extending the open-source sedFOAM framework to model confined, pressure-driven sediment layers. The candidate will implement an effective stress-sensitive mobilization criterion tailored for pressure gradient-driven systems under confinement. They will also simulate transient forcing conditions, such as step changes, pulses, and cyclic variations, to investigate pore-pressure evolution, mobilization thresholds, and channelization patterns. The ultimate goal of this phase is to generate predictive regime maps that link confining stress, forcing amplitude, and localization thresholds.

In the subsequent 18 months at Swansea University, the candidate will conduct experimental benchmarking under controlled confinement. Using a large-format confined flow platform, they will perform systematic experiments under controlled normal stress and pressure gradients. The candidate will measure spatial pore-pressure evolution, bed deformation, and channel initiation using high-resolution instrumentation. They will test model predictions by reproducing steady and transient forcing conditions, such as step changes and pulses, to establish a reproducible benchmark dataset for model validation.

In the final joint phase (Months 26-36), the candidate will integrate modeling and experimental results to identify discrepancies and refine the continuum framework. The focus will be on analyzing mobilization thresholds, spatial patterns, and the onset of channelization under both steady and transient forcing. The candidate will also validate the effective stress-controlled mobilization criterion for confined, pressure-driven systems, ensuring the framework is both physically robust and quantitatively accurate.

Qualifications requises
- Master (ou équivalent) en mécanique des fluides, géophysique, génie civil/environnemental, mathématiques appliquées ou dans un domaine connexe.
- Solides connaissances en modélisation numérique, en mécanique des milieux continus ou en dynamique des fluides expérimentale.
- Expérience en programmation scientifique (par exemple, Python, C++, MATLAB) et en analyse de données.
- Une connaissance des écoulements multiphasiques, des matériaux granulaires ou de la glaciologie est un atout.
- Excellentes compétences en communication écrite et orale en anglais (la maîtrise du français n'est pas obligatoire mais constitue un atout pour la phase à l'UGA).
- Capacité à travailler de manière autonome et en collaboration au sein d'une équipe internationale.

Compétences souhaitées
- Expérience avec OpenFOAM ou des outils CFD similaires.
- Connaissance des techniques expérimentales (par exemple, capteurs de pression, imagerie optique, capteurs de force).
- Intérêt pour la recherche interdisciplinaire à l'interface entre la géophysique, la mécanique des fluides et les sciences du climat.

• Python
• C++
• Programmation
• Anglais
• Analyse de données
• Mécanique des fluides
• MATLAB
• Chimie