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Observations et conditions d’apparition des croissants de plage sur le littoral de la mer d’Iroise

Observation and conditions of beach cusps formation along the Iroise sea shoreline
Aurélie Dehouck
p. 7-16

Résumés

Lors d’une campagne de mesures intensives de l’évolution morphologique de la plage de Trégana et des forçages hydrodynamiques, les conditions de formation d’un système rythmique de croissants de plage ont été observées. On a constaté une séquence d’évolution s’apparentant à un cycle de vie des croissants de plage avec la destruction du système initial lors d’un coup de vent, l’initialisation et le développement d’un nouveau système à l’étale de pleine mer postérieurement au pic d’énergie des vagues. L’analyse des conditions d’agitation suggère la présence d’une onde sub-harmonique ponctuellement stationnaire lors des étales de pleine mer contribuant au développement des croissants tant en taille qu’en rythmicité.

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Notes de la rédaction

Cet article a été reçu le 15 décembre 2005 et définitivement accepté le 13 octobre 2006.

Texte intégral

1Les croissants de plage sont des formes rythmiques d’accumulation sédimentaire observées sur de nombreuses plages à travers le monde et notamment en mer d’Iroise (côte ouest du Finistère, France). Dès les premiers temps de leur observation (Johnson, 1910 ; Evans, 1938 ; Kuenen, 1948 ; Guilcher, 1949), les conditions de leur formation ont fait l’objet d’une littérature dense parmi laquelle deux théories sont fréquemment discutées (Holland et Holman, 1996 ; Coco et al., 1999 ; Masselink et al., 2004 ; Coco et al., 2003). La première théorie (Guza et Inman, 1975 ; Inman et Guza, 1982) implique un forçage direct par les vagues, précisément une onde de bord stationnaire, sub-harmonique ou synchrone, modulant l’excursion horizontale de la zone de swash. A l’inverse, la seconde théorie rend compte de processus d’auto-organisation entre la topographie et les courants de swash au moyen de rétroactions (Werner et Fink, 1993).

2Toutefois, de nombreux auteurs s’accordent dorénavant sur la possible conjonction des deux mécanismes (Inman et Guza, 1982 ; Coco et al., 2000), l’onde de bord stationnaire initialisant une topographie irrégulière du haut de plage, la circulation tri-dimensionnelle du swash favorisant des rétroactions positives conduisant au développement et au maintien des croissants de plage (Masselink et Pattiaratchi, 1998).

3À partir des observations issues de la campagne de mesures intensives sur la plage de Trégana, les principaux objectifs de cet article sont de décrire la morphodynamique de croissants de plage et de déterminer les processus hydrodynamiques contrôlant leur formation. Les deux premières parties décrivent les caractéristiques morphologiques et hydrodynamiques du site et les méthodes d’acquisition et d’analyse des données de terrain. Dans les deux parties suivantes, sont présentés l’évolution morphodynamique de la plage, les conditions d’agitation lors de l’initialisation d’un nouveau système de croissants et les éléments en faveur de l’une et l’autre des deux théories, formation par une onde de bord sub-harmonique et/ou par des processus d’auto-organisation. Les résultats sont alors discutés et les perspectives méthodologiques sont évoquées.

Présentation du site d’étude

  • 1  Acronyme de la base de données historiques d’états de mer mesurés in situ par des houlographes, gé (...)

4La mer d’Iroise est un environnement macrotidal (7 m de marnage en vives-eaux), fort agité soumis aux longues houles formées par les dépressions de l’Atlantique Nord. La hauteur significative (Hs) des vagues extrêmes est de 7 m au large de l’île de Ouessant (quantile 99 % issu de la base de données CANDHIS 1). Les plages sont caractérisées par des conditions d’agitation plus modérées (Hmax = 1,5 à 2 m mesuré sur le bas d’estran ; Dehouck et al., 2005), du fait de la position semi-abritée induite par le découpage de la côte finistérienne et de la dissipation de l’énergie des vagues sur un plateau continental large (isobathe -100 m à 30 km de la côte) (fig. 1).

Figure 1 : Localisation de la plage de Trégana en mer d’Iroise
Location of Trégana beach in the Iroise Sea

Figure 1 : Localisation de la plage de Trégana en mer d’IroiseLocation of Trégana beach in the Iroise Sea

5La série de profils de plage issue du suivi morphologique à moyen terme indique que la variabilité événementielle et saisonnière de la plage de Trégana est associée à la dynamique transversale et longitudinale de ses croissants de plage (Dehouck et Rihouey, soumis). Au début de la campagne de mesures (20 mai 2005), un unique système de croissants s’étendait sur tout le haut de plage depuis les niveaux de pleine mer de vives-eaux jusqu’aux mortes-eaux (fig. 2). L’observation d’une séquence d’évolution morphologique complète des systèmes de croissants de plage (destruction, initialisation, développement) a été réalisée suite à la forte agitation provoquée par un coup de vent de secteur sud (Hs≈ 1,6 m) (fig. 3b).

Figure 2 : Modèles numériques de terrain illustrant l’évolution morphologique de l’estran de Trégana du 20 au 27 mai 2005
Digital elevation models showing Trégana beach morphological change between May 20th and 27th 2005

Figure 2 : Modèles numériques de terrain illustrant l’évolution morphologique de l’estran de Trégana du 20 au 27 mai 2005Digital elevation models showing Trégana beach morphological change between May 20th and 27th 2005

Méthodes d’acquisition et d’analyse

6L’objectif de cette expérimentation, réalisée au printemps 2005 (fin mai), était d’acquérir des données à haute fréquence d’évolution de la morphologie des estrans, conjointement à des données hydrodynamiques de manière à qualifier la morphodynamique des plages à court terme. Pour cela, la topographie de l’estran a été levée au DGPS (précision centimétrique) tous les jours lors des basses mers diurnes (fig. 2). Les données de courants et de vagues ont été acquises à 2 Hz par un courantomètre électromagnétique équipé d’un capteur de pression (S4DW). Localisée initialement en bas d’estran sur les niveaux de basse mer de mortes-eaux (+ 2,6 m C.M.), la potence a migré vers le haut de plage (+5,3 m C.M.) lors du paroxysme d’énergie dans la nuit du 24 au 25 mai (fig. 2). L’enfouissement de la potence au cours de l’expérience a par ailleurs provoqué un changement de la hauteur du capteur au-dessus du fond, de +55 cm le 20 mai à +18 cm le 27 mai.

7Les données d’élévation de la surface libre (fig. 3a) sont analysées dans le domaine spectral par une transformée de Fourier après avoir supprimé le signal de marée sur chaque acquisition de 10 minutes. Il en résulte une série de spectres de densité d’énergie, représentation de la distribution de l’énergie des vagues dans l’espace fréquentiel. La hauteur significative des vagues Hs (fig. 3b) est calculée à partir du spectre d’énergie des vagues en prenant une fréquence de coupure haute de 1 Hz (fréquence de Nyquist).

Figure 3 : (a) Hauteur d’eau au-dessus du capteur et (b) hauteur significative des vagues à Trégana du 20 au 27 mai 2005
(a) water height above sensor, (b) significative wave height at Trégana beach between May 20th and 27th 2005

Figure 3 : (a) Hauteur d’eau au-dessus du capteur et (b) hauteur significative des vagues à Trégana du 20 au 27 mai 2005(a) water height above sensor, (b) significative wave height at Trégana beach between May 20th and 27th 2005

8Différentes paramétrisations fondées sur des paramètres morphologiques et hydrodynamiques sont utilisées pour décrire la morphodynamique des croissants de plage. La théorie de formation des croissants de plage par une onde de bord stationnaire a été exposée par R. T. Guza et D. L. Inman (1975) lesquels ont respectivement associé l’alternance de zones d’érosion (baie des croissants) et de dépôt (corne) à ses nœuds et ses ventres. La longueur d’onde du système de croissants prédite (Lc) selon cette théorie est :

ei

9Pour ensuite déterminer le caractère progressif ou stationnaire de l’onde infragravitaire, les co-spectres sont utilisés afin d’étudier les relations de phase et la cohérence entre les signaux d’élévation de la surface libre et la vitesse du courant, sur une bande fréquentielle donnée. Si les deux signaux sont significativement corrélés et en phase, l’onde est progressive ; s’ils sont en opposition de phase, l’onde est stationnaire (Oltman-Shay et Guza, 1987).

10La seconde théorie, développée plus récemment, repose sur l’auto-organisation de la topographie en fonction des courants dans la zone de swash. Les études de B. T. Werner et T. M. Fink (1993) et de G. Coco et al., (2000) ont montré, à partir de modèles numériques, le développement d’une topographie de croissants de plage dont la rythmicité est forcée par la longueur d’excursion du swash :

swashet albswashbbsswash c2swashswashswash

Évolution du contexte morphodynamique

11L’évolution morphologique de la plage de Trégana au cours de l’expérimentation se décompose en deux grandes phases liées aux courants induits par les vagues et modulés par la marée. Lors des cinq premiers jours (du 20 au 24 mai), le système de croissants régresse progressivement (fig. 2 et 4a) alors que les conditions énergétiques deviennent fortes, soutenues et que les marnages augmentent (fig. 3). Le système de croissants, initialement très ample et rythmique (Lc = 27 à 31 m) s’efface peu à peu aplanissant le haut de plage. La destruction partielle des cornes des croissants est soulignée par une érosion généralisée du haut de plage, de 25 à 50 cm, entre +3 m et +5 m NGF (fig. 4a). Le pic d’énergie dans l’après-midi du 24 mai (Hs ≈ 1,6 m) est fatal à la rythmicité du système, l’un des croissants étant totalement lessivé par le déferlement des vagues. Le bilan sédimentaire de cette première phase est, bien que significativement déficitaire (-280 ± 100 m3), relativement faible dans la mesure où les zones d’érosion (haut de plage) et de dépôt (mi-plage) sont assez proches l’une de l’autre.

Figure 4 : Changement de l’élévation de la plage (en mètre) lors des deux grandes phases (a) de destruction du système initial de croissants et (b) de développement d’un nouveau système
Elevation change in meter (a) during initial beach cusps destruction phase and (b) new system development phase

Figure 4 : Changement de l’élévation de la plage (en mètre) lors des deux grandes phases (a) de destruction du système initial de croissants et (b) de développement d’un nouveau systèmeElevation change in meter (a) during initial beach cusps destruction phase and (b) new system development phase
sscswashc2swash3

Conditions d’agitation et test des théories de formation

12L’instant de l’initialisation de la nouvelle ligne de croissants et de son développement ont été précisément identifiés par les observations visuelles et les levés topographiques quotidiens. En étudiant les signaux d’élévation de la surface libre et de vitesse du courant, il est alors possible de tester la théorie de formation des croissants de plage par une onde de bord sub-harmonique stationnaire. La figure 5 présente les spectres d’énergie des vagues lors de l’initialisation (fig. 5a) et le développement des croissants de plage (fig. 5b). Aux étales de pleine mer, les spectres sont énergétiques et étroits centrés autour de 0,1 Hz (25 mai 4 h 34) et 0,1-0,12 Hz (26 mai 5 h 04). Ces conditions d’agitation (Hs ≈ 0,8 m ; Ts = 8 à 11 secondes) se maintiennent du 25 au 27 mai. Lors de ces deux pleines mers, on observe un pic d’énergie spectrale autour de 0,05-0,06 Hz qui pourrait correspondre à l’onde sub-harmonique de l’onde primaire.

Figure 5 : Spectres d’énergie des vagues à Trégana aux pleines mers (a) du 25 mai au matin (initialisation), (b) du 26 mai au matin (développement) (Les flèches indiquent les pics d’énergie sub-harmonique)
Density energy spectra at Trégana beach at high tides (a) May 25th am (initialization), (b) May 26th am (development) (Arrows indicate subharmonic energy peaks)

Figure 5 : Spectres d’énergie des vagues à Trégana aux pleines mers (a) du 25 mai au matin (initialisation), (b) du 26 mai au matin (développement) (Les flèches indiquent les pics d’énergie sub-harmonique)Density energy spectra at Trégana beach at high tides (a) May 25th am (initialization), (b) May 26th am (development) (Arrows indicate subharmonic energy peaks)

13En transposant ces paramètres de vagues dans les équations (1) à (3), les longueurs d’onde théoriques du système de croissants sont calculées pour chacune des deux hypothèses de formation (tableau 2). La valeur des paramètres hydrodynamiques utilisés est reportée dans le tableau 1, la période incidente des vagues étant la période du pic spectral, la hauteur des vagues au déferlement (Hb) assimilée à la hauteur significative, la pente de la zone de swash calculée comme la pente moyenne au niveau du système de croissants.

Tableau 1 : Paramètres hydrodynamiques et morphologiques lors de l’initialisation et le développement du système de croissants (* double pic spectral)
Hydrodynamic and morphological parameters during initialization and development of beach cusps system (asterisk indicates double spectral peak)

Tableau 1 : Paramètres hydrodynamiques et morphologiques lors de l’initialisation et le développement du système de croissants (* double pic spectral)Hydrodynamic and morphological parameters during initialization and development of beach cusps system (asterisk indicates double spectral peak)

Tableau 2 : Longueurs d’onde observée et prédites des croissants selon les deux théories
Observed and predicted beach cusp wavelength according to edge wave and self-organization theories

Tableau 2 : Longueurs d’onde observée et prédites des croissants selon les deux théoriesObserved and predicted beach cusp wavelength according to edge wave and self-organization theories

14On constate que chacun des tests est très sensible au choix des paramètres (Coco et al., 1999) particulièrement à la période pic. La longueur d’onde observée du nouveau système de croissants (Lc = 23,5 m) est proche de celle prédite par la théorie de l’onde de bord sub-harmonique et pour les conditions d’énergie de la pleine mer du 26 mai au matin. Les autres tests ne sont pas concluants.

15La nature des pics d’énergie identifiés au cours de ces deux pleines mers est étudiée, puisque l’une de ces ondes sub-harmoniques pourrait avoir favorisé le développement et contrôlé la longueur d’onde du nouveau système. Au cours des cinq pleines mers postérieures à l’initialisation des formes d’accumulation (fig. 6), seules celles du 25 mai au soir et du 27 mai au matin indiquent l’existence d’une onde stationnaire à l’étale de pleine mer (phase = ± 90°). Lors des deux situations analysées précédemment, le caractère hautement ponctuel de la stationnarité de l’onde ne permet pas de conclure sur sa nature.


Phase and coherence relationships between sea surface elevation () and cross-shore flow (U) in 0.05-0.06 Hz band during beach cusps formation. Grey bands are for the observation of a standing sub-harmonic wave

Discussion

16La campagne de mesures à Trégana a permis d’observer les conditions de formation d’un nouveau système rythmique de croissants de plage postérieurement au pic de tempête. On a constaté la grande réactivité du haut de plage aux changements des conditions d’agitation avec l’apparition quasi-immédiate d’embryons de cornes de croissants en aval du système initial, lors de la pleine mer suivant le pic d’énergie. Cette réactivité se traduit également par des ajustements directionnels de l’axe des cornes des croissants en fonction de l’obliquité des vagues incidentes. Ceci suggère également la possible translation longitudinale du système sous l’effet de vagues obliques comme G. Masselink et C. Pattiaratchi (1998) ont pu l’observer, ce qui est illustré à Trégana par la forte variabilité des profils de plage (Dehouck et Rihouey, soumis).

17Lors du développement des croissants de plage, le maintien d’une agitation constante, la détection de pics d’énergie sub-harmonique et du caractère stationnaire de ces ondes à certaines étales de pleines mers sont autant d’éléments confortant l’hypothèse de formation par une onde de bord sub-harmonique stationnaire. Cependant, à l’instant de l’initialisation des croissants de plage, aucune évidence de l’implication de cette onde n’a pu être démontrée. En outre, la paramétrisation de la morphodynamique (tri-dimensionnelle) de la zone de swash suggère l’importance des processus d’auto-organisation dans le développement des croissants en amplitude, avec des rétroactions positives entre l’embryon de morphologie et les courants de swash. Bien qu’il soit difficile d’identifier clairement le(s) processus responsable(s) de l’initialisation des croissants de plage, on a mis en évidence les rétroactions positives entre la circulation tri-dimensionnelle du swash et les embryons de croissants auxquelles se superpose une onde de bord sub-harmonique stationnaire à certaines étales de pleine mer. Comme suggéré par D. L. Inman et R. T. Guza (1982) et G. Coco et al., (2000), les deux types de processus ne sont pas antagonistes et peuvent donc co-exister simultanément, favorisant le développement ultra-rapide des croissants.

18Les limites majeures de cette expérimentation sont constituées par des contraintes matérielles qui induisent d’elles-mêmes des contraintes méthodologiques. En effet, l’objectif initial de la campagne de mesures étant de caractériser le contexte morphodynamique de la plage à l’échelle tidale et événementielle, la localisation du capteur en zone de déferlement et de levée des vagues n’est pas adaptée pour décrire les processus hydrodynamiques dans la zone de swash. Comme le rappellent G. Masselink et al., (2004), l’observation d’une onde de bord stationnaire dans la zone de surf ne prouve pas nécessairement son existence dans la zone de swash.

19Dans le futur, de nouvelles campagnes de mesures sur la plage de Trégana seront planifiées dans le respect des résultats acquis au cours de cette première expérience et des contraintes mises en évidence. En effet, pour éclairer les conditions d’initialisation des croissants de plage, il est indispensable de disposer de lignes de capteurs installées transversalement et longitudinalement dans la zone de swash de manière à étudier la structure des ondes sub-harmoniques (Oltman-Shay et Guza, 1987 ; Holland et Holman, 1999) et à qualifier l’énergie qui leur est associée (Holland et Holman, 1996 ; Masselink et al., 2004), mais aussi afin d’être en mesure d’étudier les processus d’auto-organisation en analysant les délais pouvant exister entre le signal de swash au niveau des cornes et des baies (Coco et al., 2003) qui résultent d’une circulation tri-dimensionnelle divergente du swash (Masselink et Pattiaratchi, 1998).

Conclusion

20Au cours d’une campagne de mesures intensives sur la plage de Trégana, l’évolution morphodynamique d’un système rythmique de croissants de plage a été constatée. Deux phases se distinguent, la première caractérisée par la destruction partielle du système initial lors de fortes conditions d’énergie, la seconde par l’initialisation de nouveaux croissants dès la pleine mer consécutive au coup de vent et à leur développement par faible agitation. L’étude des spectres d’énergie des vagues a mis en évidence la présence d’une onde sub-harmonique stationnaire lors de certaines pleines mers postérieurement à l’initialisation des croissants. La morphologie finale du système suggère que des processus d’auto-organisation sont également actifs, les courants de swash contribuant à l’amplification des croissants et vice-versa. Ainsi, si les deux processus (onde de bord stationnaire et auto-organisation) semblent co-exister et participer au développement des croissants de plage, les modalités de leur initialisation ne sont, à ce stade, toujours pas établies avec certitude.

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Bibliographie

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Notes

1  Acronyme de la base de données historiques d’états de mer mesurés in situ par des houlographes, gérée par le CETMEF (Centre d’Études Techniques Maritimes Et Fluviales).

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Table des illustrations

Titre Figure 1 : Localisation de la plage de Trégana en mer d’IroiseLocation of Trégana beach in the Iroise Sea
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Titre Figure 2 : Modèles numériques de terrain illustrant l’évolution morphologique de l’estran de Trégana du 20 au 27 mai 2005Digital elevation models showing Trégana beach morphological change between May 20th and 27th 2005
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Titre Figure 3 : (a) Hauteur d’eau au-dessus du capteur et (b) hauteur significative des vagues à Trégana du 20 au 27 mai 2005(a) water height above sensor, (b) significative wave height at Trégana beach between May 20th and 27th 2005
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Titre Figure 4 : Changement de l’élévation de la plage (en mètre) lors des deux grandes phases (a) de destruction du système initial de croissants et (b) de développement d’un nouveau systèmeElevation change in meter (a) during initial beach cusps destruction phase and (b) new system development phase
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Titre Figure 5 : Spectres d’énergie des vagues à Trégana aux pleines mers (a) du 25 mai au matin (initialisation), (b) du 26 mai au matin (développement) (Les flèches indiquent les pics d’énergie sub-harmonique)Density energy spectra at Trégana beach at high tides (a) May 25th am (initialization), (b) May 26th am (development) (Arrows indicate subharmonic energy peaks)
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Titre Tableau 1 : Paramètres hydrodynamiques et morphologiques lors de l’initialisation et le développement du système de croissants (* double pic spectral)Hydrodynamic and morphological parameters during initialization and development of beach cusps system (asterisk indicates double spectral peak)
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Titre Tableau 2 : Longueurs d’onde observée et prédites des croissants selon les deux théoriesObserved and predicted beach cusp wavelength according to edge wave and self-organization theories
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Pour citer cet article

Référence papier

Aurélie Dehouck, « Observations et conditions d’apparition des croissants de plage sur le littoral de la mer d’Iroise », Norois, 201 | 2006, 7-16.

Référence électronique

Aurélie Dehouck, « Observations et conditions d’apparition des croissants de plage sur le littoral de la mer d’Iroise », Norois [En ligne], 201 | 2006/4, mis en ligne le 01 décembre 2008, consulté le 11 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/norois/1732 ; DOI : 10.4000/norois.1732

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Auteur

Aurélie Dehouck

Géomer – UMR 6554 CNRS LETG, Université de Bretagne Occidentale, Institut Universitaire Européen de la Mer – Technopôle Brest-Iroise, place Nicolas-Copernic – 29 285 Plouzané, France,
aurelie.dehouck@univ-brest.fr

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Droits d’auteur

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