Investigation of pore closure during polar firn densification

312 Pages·2017·31.14 MB·English

by  Alexis Burr

Investigation of pore closure during polar firn
densification
Alexis Burr
To cite this version:
Alexis Burr. Investigation of pore closure during polar firn densification. Earth Sciences. Université
Grenoble Alpes, 2017. English. ￿NNT: 2017GREAI089￿. ￿tel-01725405￿
HAL Id: tel-01725405
https://theses.hal.science/tel-01725405
Submitted on 7 Mar 2018
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE LA COMMUNAUTE UNIVERSITE
GRENOBLE ALPES
Spécialité : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil,
Électrochimie
Arrêté ministériel : 25 mai 2016

Présentée par
Alexis BURR

Thèse dirigée par Armelle PHILIP
codirigée par Christophe MARTIN

préparée au sein de l’IGE et du laboratoire SIMaP
dans l'École Doctorale I-MEP2

Investigation of pore closure
during polar firn densification

Étude de la fermeture des pores lors
de la densification du névé polaire

Thèse soutenue publiquement le 29 novembre 2017,
devant le jury composé de :
M. Christian GEINDREAU
Professeur, 3SR, Université Grenoble Alpes, Président
Mme, Dominique POQUILLON
Professeure, CIRIMAT, ENSIACET - INP Toulouse, Rapporteure
M. Martin SCHNEEBELI
Directeur de recherche, WSL/SLF, Davos, Suisse, Rapporteur
M. Samuel FOREST
Directeur de recherche CNRS, Centre des Matériaux, Mines Paristech,
Evry, Examinateur
M. Johannes FREITAG
Chargé de recherche, AWI, Bremerhaven, Examinateur
Mme, Amaëlle LANDAIS
Directrice de recherche CNRS, LSCE, Gif-sur-Yvette, Examinatrice
M. Christophe MARTIN
Directeur de recherche CNRS, SIMaP, Université Grenoble Alpes,
Co-directeur de thèse
Mme Armelle PHILIP
Maître de conférences, IGE, Université Grenoble Alpes, Directrice de thèse

Abstract
Densification from firn to ice is an essential phenomenon for the interpretation of the
climate record. A good knowledge of this mechanism is necessary for the precise dating
of the air embedded in the ice. Pore closure (or close-off) is the stage at which air
becomes entrapped in the ice. Typically, the close-off arises approximately 50-120m
under the ice sheet surface. Because of gas flow in the firn column above close-off, the
ice is older than the entrapped air. The difference between ice and gas is defined as
∆age and may reach several millennia in certain sites. The precise determination of the
∆age is mandatory to link temperature changes (recorded in the ice) and greenhouse gas
concentrations (recorded in the gas phase). This issue may be addressed through the
modeling of the firn densification processes that lead to pore-closure.
Firn densification consists of grain rearrangements, sintering and viscoplastic defor-
mation. Although the viscoplastic behavior of the ice crystal is strongly anisotropic, den-
sification models do not take into account this anisotropy. Firn also bears some granular
characteristicsthatmayaffectitsdensification. Theinteractionsbetweenporeclosureand
microstructural mechanisms in the firn are still misunderstood. The aim of this PhD the-
sis is to incorporate both the granular aspect of firn and its anisotropy into an innovating
approachoffirndensificationmodeling. Themutualindentationofviscoplasticmonocrys-
talline ice cylinders was experimentally carried out to propose a contact law that is based
onindentationtheoryandthattakesintoaccountthepreferentialviscoplasticdeformation
on the basal plane. We have integrated this contact law into a DEM (Discrete Element
Method) code for the prediction of firn densification. 3D X-ray micro-tomography was
performed on polar firn at different stages of the densification (ρ = 0.55 - 0.88g.cm−3)
and depths ( 23m – 130m). A thorough investigation of pore closure and of different
≈
morphologicalandphysicalparameterswasachievedfortheDomeCandthenewlydrilled
Lock In polar sites. In addition to these ex situ analyses, in situ X-ray micro-mechanical
experiments were carried out on firn extracted from Dome C in order to model its densi-
fication. Ex situ and in situ microstructural observations indicate significant differences
that can be explained by the relatively large strain rates imposed to the firn during in situ
tests. These large strain rates allow for a decoupling of the effects of diffusion kinetics
and of viscoplastic deformation. Their relative weights on the morphology of pores and
on their closure are discussed. To measure pore closure, we propose a connectivity index,
which is the ratio of the largest pore volume over the total pore volume. We show that
this index is better suited for X-ray tomography analysis than the classical closed porosity
ratio to predict the close-off density.
Key words : firn, densification, pore closure, anisotropy, X-ray tomography, discrete
simulations
iii

Résumé
Ilestessentieldecomprendreleprocessusdedensificationdunévéenglaceafind’interpréter
les enregistrements climatiques. Une bonne connaissance des mécanismes permet une
datation précise de l’air capturé dans la glace lors de la fermeture des pores. La glace
est plus vieille que l’air capturé car le transport des gaz dans la colonne de névé est plus
rapide que la densification de celui-ci. Cette différence d’âge entre la glace et le gaz est
généralement appelée le ∆age. La densification de la neige est un processus complexe
de réarrangement de grains, de frittage et de déformation viscoplastique. Bien que le
comportement viscoplastique du cristal de glace soit fortement anisotrope, les modèles
de densification actuels ne tiennent pas compte de cette anisotropie. De plus, le carac-
tère granulaire du névé affecte aussi sa densification. La relation entre la fermeture des
pores et les mécanismes microstructuraux sous-jacents est encore méconnue. Le but de
cette thèse est d’incorporer à la fois l’aspect granulaire et l’anisotropie du cristal de glace
dans une approche de modélisation innovante de la densification. Des expériences sur
l’indentation viscoplastique de cylindres monocristallins de glace ont été réalisées pour
proposer une loi de contact basée sur la théorie de l’indentation, et prenant en compte la
déformation préférentielle du cristal de glace sur les plans basaux. Cette loi de contact a
été implémentée dans un code utilisant la méthode des éléments discrets pour prédire la
densification du névé.
La micro-tomographie aux rayons X a été utilisée pour caractériser ex situ le névé
polaire en trois dimensions à différentes étapes de la densification (ρ = 0.55 - 0.88g.cm−3),
i.e. pour différentes profondeurs ( 23m – 130m). Une étude fine de la fermeture des
≈
pores et de différentes caractéristiques morphologiques et physiques a été réalisée pour
les sites polaires Dome C et Lock In. Des essais mécaniques ont aussi été réalisés in situ
sur du névé extrait de Dome C dans le but de modéliser la densification du névé. Les
observations microstructurales des expériences ex situ et in situ révèlent d’importantes
différences dues aux vitesses relativement importantes utilisées lors des essais mécaniques.
Ces vitesses élevées permettent de découpler la contribution des cinétiques de diffusion
de la contribution viscoplastique de la déformation. Les effets de ces contributions sur
la morphologie des pores et leur fermeture sont discutés. Pour caractériser la fermeture
des pores, cette thèse propose un indice de connectivité défini par le ratio entre le volume
du plus gros pore sur la porosité totale. En effet, cet indice est plus approprié lors de
l’utilisation de la tomographie aux rayons X que le ratio de pores fermés pour prédire la
densité au close-off.
Mots clés : névé, densification, fermeture des pores, anisotropie, tomographie X, sim-
ulations discrètes
v

Le vent, pareil à l’enfance, se joue de l’arbre moqueur ...
Kaamelott, Alexandre Astier
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Remerciements - Acknowledgements
Ces trois années de thèse ont été longues et riches en émotions : de la joie, de l’envie, de
la motivation, mais aussi de la tristesse et du désespoir. Non, je n’essaie pas de démotiver
un nouveau thésard avide de découvrir le contenu de ce manuscrit de 300 pages ! Je mets
juste des mots sur mon ressenti. Je vais d’ailleurs m’autoriser dans ces remerciements un
peuplusdefantaisieetd’opinionspersonnellesquejenelefaisdanslecorpsdumanuscrit.
Eneffet, lessixprochainschapitresvisentàdonnerunaperçurigoureuxdutravaileffectué
pendant ces 36,25 mois, à destination de la communauté scientifique mais aussi de toute
personne s’intéressant au sujet. Dans ces quelques pages plus personnelles, je vais donc
un peu plus me lâcher.
La thèse, c’est une vraie rentrée définitive dans le monde du travail, tout en ayant à
prouver qu’on peut obtenir un diplôme supplémentaire (encore un ! Si tu es jeune thésard,
il est encore temps de t’arrêter !). Il y a de la joie d’aller faire ce que l’on aime, i.e. faire
presque uniquement de la science (il y a toujours une partie administrative et humaine
contraignante mais bon...). Il y a de l’envie d’aller plus loin, de repousser les limites de
la recherche, là où personne n’a exploré avant ("where no man has gone before" - Star
Trek), un peu à la manière d’un James T. Kirk de la recherche. Pour cela, il faut de la
motivation, qui se doit de rester intacte tout au long de la thèse. Cependant, ce n’est
pas si évident. De petits accrocs nous ramènent à la réalité, comme un Mr Spock qui
serait sur notre route et nous stopperait dans notre élan. Ces petits accrocs ce sont les
aléas de toute thèse : des problèmes expérimentaux et numériques (car aucun domaine
n’est épargné !), qu’on ne sait pas trop comment résoudre. C’est aussi éventuellement des
problèmes humains à gérer au mieux.
De temps en temps, tout se produit en même temps, si bien qu’on peut penser être le
thésard le plus génial de tous les temps et sortir un Nature dans les prochains mois, ou
à l’inverse vouloir tout claquer car on se sent mauvais, le monde de la recherche n’étant
définitivement pas notre truc.
Heureusement, pourrésoudrecesproblèmes, etnousfaireavancerquandonestbloqué,
il y a d’autres personnes. Non, je n’ai pas été tout seul pendant ces trois ans derrière mon
ordinateur ... Le manuscrit présenté n’est pas que le fruit de mon seul travail. D’autres
personnes y ont contribué de manières plus ou moins lointaines, et ce sont ces personnes
que j’aimerais remercier.
Il s’agira donc ici comme dans tous remerciements de lire entre les lignes pour savoir
qui est particulièrement bien remercié, et qui ne fait ici que de la figuration. Je vous
laisse gentiment démêler tout ça. J’ai décidé de faire des remerciements assez longs, pas
du tout formels, et totalement avec mes mots. Ne vous étonnez pas si cela paraît décousu,
d’ailleurs, cela le sera.
Je remercie d’abord mes directeurs pour m’avoir fait confiance lors du choix de cette
ix