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Bourse minéraux et fossiles de Sainte Marie aux Mines (Alsace) - 26>30 juin 2024

Pourquoi les galets ne sont-ils pas sphériques ?


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Je ne réponds pas de façon catégorique à cette question de physique un peu compliquée parce que ne suis pas assez calé pour contre-argumenter. Cette affaire d'ondes me semble quand même plutôt tirée par les cheveux et je pense qu'elle a un rôle négligeable. Je m'imagine lançant violemment une pierre sur un tas de cailloux. Je constaterais des petits éclats au point de choc entre la pierre lancée et celle qui a reçu l'impact, mais les autres pierres du tas ne seront pas sensiblement affectées. D' abord la pierre qui reçoit l'impact est en contact avec plusieurs autres pierres, et en plus elle n' a aucune vitesse par rapport aux pierres sur lesquelles elle repose. --------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------ ----------------- Mon frère, qui a vu ce que j'ai écrit sur Géoforum, se rappelle que notre père nous avait raconté qu'il y avait à Mirabel et Blacons, près de Crest (Drôme) une fabrique de billes en pierre - Voir sur ce site: http://jacques26.over-blog.com/article-36270216.html et aussi sur celui-ci où il y a plus de photos https://www.flickr.com/photos/12885328@N04/4884358899/in/photostream/lightbox/ Malheureusement il n'y a aucune explication, mais on comprend que les pierres étaient brassées dans ces espèces de bétonnières et devenaient des billes. M. Attal nous explique que des appareils semblables ont été utilisés pour calculer la vitesse d'abrasion des galets:

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et il en conclut:

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Donc les bétonnières produisent des billes, mais les mouvements des galets en rivière sont différents. Ils tendent à les réduire à une forme d'ovoïde aplati. Du moins c'est ce qui ressort pour le moment de mes réflexions, en attendant de trouver une documentation sur le sujet. Opinion qui peut éventuellement être modifiée par l'apparition d'un argument convainquant.
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Je ne réponds pas de façon catégorique à cette question de physique un peu compliquée parce que ne suis pas assez calé pour contre-argumenter. Cette affaire d'ondes me semble quand même plutôt tirée par les cheveux et je pense qu'elle a un rôle négligeable. Je m'imagine lançant violemment une pierre sur un tas de cailloux. Je constaterais des petits éclats au point de choc entre la pierre lancée et celle qui a reçu l'impact, mais les autres pierres du tas ne seront pas sensiblement affectées. D' abord la pierre qui reçoit l'impact est en contact avec plusieurs autres pierres, et en plus elle n' a aucune vitesse par rapport aux pierres sur lesquelles elle repose.

Je suis d'accord, je pense que c'est négligeable, mais il faudrait le confirmer (ou pas) par l'expérience. Et ça ne marche que si les galets ne sont pas tout à fait collés. Je cherchais juste tout ce qui pourrait provoquer une abrasion. :content:

Le principe est pas compliqué (la preuve, je le comprends!), je dois mal m'expliquer, mais tant pis.

Merci pour cette leçon de galet ! Je les verrai autrement maintenant !

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J'ai trouvé sur le net plusieurs sites en anglais de chercheurs qui traitent de la forme des galets et de son évolution.

C'est une satisfaction de voir que je ne suis pas le seul à m'être posé la question "pourquoi les galets ne sont-ils pas sphériques?".

Plusieurs facteurs entrent en jeu dans l'évolution de la forme des galets: le roulement, le glissement ou pour mieux dire frottement, la présence plus ou moins grande de sables, le brassage en masse, l'inhomogéinité de leur granulométrie, le tri naturel en bancs par dimension ou par forme, la dimension des galets en valeur absolue.

Ces chercheurs ont fait des expériences avec différents dispositifs, soit du genre tambour comme décrit au paragraphe 26, soit du genre cuve avec courant tourbillonnaire. Ils ont fait aussi des modélisations mathématiques. Mais chaque fois en isolant un des différents facteurs. Ils s'accordent pour dire que personne ne sait quelle est l'importance relative de chacun des facteurs dans la nature, et en plus que ce cette importance varie en fonction du cours d'eau ou de la portion de cours d'eau considérée. et que donc c'est logique que le résultat de leur expériences avec les appareils ainsi que les modèles mathématiques diffèrent de ce qu'on observe en réalité.

En effet ces études sont complexes et je suis loin d'avoir tout assimilé, pour cela il me faudrait beaucoup de temps. Il y a aussi certaines divergences entre les chercheurs. Par exemple le rôle de l'abrasion par le sable est négligeable pour les uns, important pour les autres.

Donc je ne réussis pas encore à faire un bref résumé pour répondre en quelques mots simples à ma question, comme je l'aurais voulu.

Si d'autres géoforumeurs plus versés en mathématiques que moi veulent le faire, voici les sites que j'ai trouvés:

http://arxiv.org/pdf/cond-mat/0607061.pdf

http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/14/42/39/PDF/PebblePRE.pdf

http://rspa.royalsocietypublishing.org/content/182/991/321.full.pdf+html

http://www.gomboc.eu/pebbles.pdf

http://www.omikk.bme.hu/collections/phd/Epiteszmernoki_Kar/2013/Szabo_Timea/ertekezes.pdf

http://doktori.bme.hu/bme_palyazat/2011/hallgato/szabo_timea_en.htm

Voici quand même des éléments que j'ai retenus:

Il y a la notion de forme d'équilibre (equilbrium shape). C'est la forme que le galet tend à acquérir. Une fois qu'il a cette forme, il la conserva tout en continuant a perdre de sa matière. Les chercheurs ne connaissent pas l'importance relative des différents facteurs exposés pus haut dans la réalité, mais concluent en général que:

le roulement produit des cylindres arrondis aux bouts

le glissement, des disques avec des rebords émoussés

le brassage en masse, des sphères

l'action du sable, un aplatissement

Dans la nature la combinaison de ces formes est souvent l'ovoïde aplati, mais pas nécessairement partout, puisque les conditions varient selon les cours d'eau et les parties de cours d'eau

Deux certitudes se dégagent:

1 puisque la proportion des différents facteurs est inconnue, les galets de rivière ne tendent donc jamais vers une forme sphérique. (les galets sphériques se forment dans des conditions particulières: certains dispositifs de laboratoire, usine de abrication de billes, marmite de géant, Luire)

2 La forme d'équilibre ne dépend pas de la forme initiale. Il y a seulement des galets plus ou moins "murs" Evidemment plus il y a de différences entre la forme initiale et la forme d'équilibre plus la proportion d'usure par rapport au volume initial sera grande pour atteindre la forme d'équilibre.

Enfin une remarque. Pour voir sur le terrain des formes qui se rapprochent de la forme d'équilibre il faut aller suifisament loin en aval dans une vallée de grande rivière ou de fleuve. Il est est évident qu'il faut une distance de parcours importante, à première vue au moins plusieurs dizaines de km . Justement ceci est encore un un autre aspect de l'érosion de l'érosion des galets qui reste à éclaircir, puisque la vitesse d'érosion en fonction de la distance varie dans un plage très large suivant les auteurs et est fonction aussi, bien évidemment, de la nature de la roche constituante. On pourrait objecter que des blocs frais peuvent se détacher des berges des grands cours d'eau. Je pense que cela est assez rare dans le contexte climatique actuel où après une érosion importante pendant les récentes périodes glaciaires et post-glaciaires, les grandes vallées se sont remplies d'alluvions que les cours d'eau remobilisent.

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Salam tout le monde. En lisant ce post très intéressant avec les nombreuses contributions passionnantes des membres de ce site, je me suis rappelé les formations terreuses sphériques que j'ai pu voir dans le lit de l'oued M'zi ici à laghouat, Algerie. L'oued M'zi est donc saharien avec des crues assez rares deux à trois fois par an, parfois moins. L'érosion éolienne n'est pas trop forte, le vent de sable proprement dit est assez rare ici (piémont sud de l'atlas saharien central).

On voit ainsi sur le lit de l'oued des boules de terres (incrustée de petits gravillons) sous forme sphérique et certaines de ces boules sont des sphères parfaites. Elles semblent provenir des parois de l'oued qui sont des alluvions terreux ( sableux et argileux, type" torba") et qui constituent une zone d'épandage. J'imagine que pendant une crue, des morceaux de terre sont arrachés des parois de l'oued et sont roulés sur le lit. Après la décrue le vent peut intervenir pour façonner. Le probleme est qu'il y a aussi des graviers dans le lit de l'oued subissant les memes conditions d'érosion mais ils sont loin d'avoir une forme spherique ou meme qui s'y rapproche! Il me semble que dans ce cas précis de l'oued M'zi c'est la nature, minéralogique et surtout la dureté, qui a été déterminante pour produire ces boules de terre souvent sphériques et parfois sphères parfaites. J'espère avoir contribué utilement.Merci.

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Bonjour Dergu,

Sans aucun doute ta contribution est très utile.

Voillà un cours d'eau d'aspect très différent de nos rivières européennes. Un lit plan et unforme au lieu de la succession de bancs, de seuils et de mouilles qu'on voit habituellement ici. Les conditions d'abrasion sont donc aussi différentes, et ont tendance à transformer les éléments transportés en sphères.

J'ai lu que le brassage en masse produit des sphères (voir # 28). Je crois que c'est ce qui se passe dans cet oued. Quand il est actif les fragments détachés des falaises des berges roulent et se frottent les uns sur les autres sur une certaine épaisseur, égale à plusieurs fois leur diamètre, tandis qu'au dessus d'eux il y a seulement les petites particules (sable et argile) en suspension dans l'eau qui doit être très chargée. Quand la crue cesse une faible proportion de boules reste à la surface, peut-être justement seulement les plus sphériques.

Si cette hypothèse est correcte en creusant dans le lit de l'oued on devrait trouver une couche de boules assez dense. Les galets de roche dure ne sont pas sphériques parce qu'ils n'ont pas parcouru une distance suffisante depuis l'introduction du du galet originel dans le courant d'eau, et en plus, étant brassés surtout avec les fragments de terre, l'abrasion qu'il subissent est beaucoup plus faible que pour ces derniers.

Ils serait intéressant aussi d'être sûr que les boules de "terre" sont de même nature que les falaises des berges.

Quelle est en général la profondeur de l'eau lors des crues?

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Bonsoir. Je vais revoir l'oued pour vérifier de plus près la nature des dépôts des berges ( j'habite laghouat même), et fouiller dans le lit pour voir s'il y a des boules sous le sable. La profondeur de l'eau est très variable ( je n'ai pas de statistique), 20 à 30 cm parfois plus. Fin décembre 2013 une crue de un mètre de profondeur d'eau a durée quatre jours. Lors des crues violentes de 1986 et 1991 l'eau a dépassée les cinq mètres de profondeur pendant plus de dix jours!

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Oui, les galets des marmites deviennent sphériques. C'est un des cas particuliers que j'ai mentionné aux # 18 et 28. Le cas de l'oued Mzi en serait un autre.

Malheureusement je n'ai pas retrouvé sur le net l'article dont j'ai tiré au # 28 quelques conclusions simples sur les différentes formes d'équilibres en fonction du facteur d'abrasion.

Il y a finalement eu plusieurs chercheurs qui se sont intéressés à ce problème. En parcourant leurs articles j'ai acquis la conviction que, de même qu'il existe pour les cours d'eau un profil d'équilibre, il y a pour les galets une forme d'équilibre, comme je le pressentais. C'est une une notion importante, mais la question de la forme, ou plutôt des formes d'équilibre des galets est très complexe. J'espère trouver un jour le temps de relire, de trier et d'assimiler ces textes, qui en plus sont en anglais,et d'en dégager un résumé sur les différents processus et les différentes variables, à moins qu'une autre géoforumeur ne le fasse, ce que j'espère.

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  • 7 years later...

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Enfin un galet sphérique! Et un gros en plus! Une exception inattendue.

    Je l'ai trouvé dans le lit du Cricov Dulce, affluent de la rivière Ialomita, elle-même affluent du Danube.  

Du coup je me suis rappelé de la question que j'avais posée en 2014, et qui n'avait pas abouti à une véritable conclusion.  Aussi je vous fais part des réflexions que j'ai faites depuis, en essayant d'être aussi clair et concis que possible:

A première vue on pense au gros caillou qu'on lance vigoureusement dans une forte pente (après avoir vérifié que personne ne passe sur le sentier plus bas): il touche le sol par ses arêtes, par ses parties qui sont les plus loin de son centre. Par conséquent elles s'érodent d'abord. On suppose que le même processus joue pour l'érosion des galets, et que la quantité de chocs et de frottements qu'il subissent sur un point donné  de leur surface  est d'autant plus grande que ce point est éloigné de leur centre, donc le galet devrait devenir un sphéroïde en s'érodant. 

  Or, bien évidemment, l'observation sur le terrain nous montre qu'il n'en est rien. La forme courante  sa rapproche d'un ovoïde aplati. J'ai en tête ceux qu'on voit dans la moyenne vallée du Rhône. Je veux dire par là qu'il ne faut pas considérer pour ce sujet les galets d'un torrent de montagne. Ils n'en sont qu'au début de leur processus d'érosion et ne sont pas significatifs. Il faut regarder ceux qui ont parcouru quelques dizaines, ou mieux quelques centaines de km.

Certains ont écrit que la forme du caillou initial et la structure de la roche le constituant ont une une importance primordiale et conditionnent la forme du galet qu'il deviendra. En effet, on voit mal un feuillet d'ardoise ou une plaque de schiste se transformer en boule. Cependant, ce sont des cas extrêmes. Il y a une majorité de galets constitués de roches de texture homogènes, surtout à l'échelle de quelques centimètres: granite, quartzite, calcaire... Et on a beau chercher, on ne trouve pas de sphéroïdes parmi les galets. Logiquement, on devrait au moins en trouver quelques si leur non-sphéricité était due uniquement aux caractéristiques du caillou d'origine. Cela démontre qu'il existe d'autres causes.

   Mais je connais quelques exceptions de  galets subsphériques qui sont conformes à ma première supposition intuitive. Ce sont: 

 

   Reste à trouver la caractéristique commune à ces différentes exceptions, qui ne contrecarre pas leur évolution en forme de boule.

  C'est simple: les objets en question ne sont pas soumis à la pesanteur.

  - Soit à cause de leur densité qui les fait flotter ou rester entre deux eaux: la boule de ma photo est en béton cellulaire de densité inférieure à l'eau, les boule de posidonie sont en matière végétale, et je pense que les boules de l'oued M'zi doivent aussi être peu denses.

  - Soit parce qu'il sont soumis à un fort courant qui l'annule (galets de la Luire dans un courant ascendant)

   - Soit, pour les galets de marmites, parce que la pesanteur n'est pas la force prépondérante qui contribue à leur abrasion. Je suppose qu'ils sont animés par une importante vitesse de rotation sur eux-mêmes, provoquée par le tourbillon de la marmite, qui les érode au contact avec la paroi lisse de la marmite à la façon d'une pièce à usiner sur  un tour. Cela reste à étudier, mais de toutes façons ce sont des conditions d'érosion très particulières.

   -  Soit, pour l'expérience de Douglas, parce la troisième dimension de l'espace, verticale, n'y est pas prises en compte.

 

  Puisque la neutralisation de l'effet de la pesanteur permet l'érosion des galets en forme de boule, c'est bien la pesanteur qui l'en empêche, car dans le cas général elle n'est pas du tout neutralisée, mais au contraire elle contraint les galets à rester au fond du lit, ou à y retomber rapidement si la force du courant les en a éloignés.

C'est donc bien leur position au fond du lit et les frottement et les chocs qui s'y produisent sous l'action du courant qui tendent à donner une forme d'ovoïde aplati aux galets de rivière, et non pas la forme du caillou d'origine, car les galets des exceptions n'ont pas non plus une forme d'origine qui les rapprocherait d'une sphère.

 

  Il faut voir quelles sont les causes qui tendent à les éroder en forme d'ovoïde aplati, que j'appellerai forme d'équilibre, c'est à dire qu'en continuant à s'éroder ils se rapprochent de plus en plus de cette forme d'équilibre.

  Il y a diffférents facteurs dont l'importance relative varie selon l'inclinaison du lit, la vitesse du courant, la profondeur d'eau, la durée de périodes d'immobilisation, la charge du cours d'eau en particules plus ou moins grosses, et qui varie aussi selon les conclusions de chercheurs qui ont étudié les galets, notamment en canal circulaire, parce qu'ils se sont surtout intéressé à la répartition de la granulométre, à la vitessse d'érosion, au temps de parcours des galets dans différents secteurs d'une rivière, mais beaucoup moins à l'évolution de leur forme.

  D'après Mikaël Attal ( https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00004097/document ), les causes d'érosion des galets sont:

  • Eclatement: Ne joue pas sur l'évolution vers la forme d'équilibre, mais crée de nouveaux cailloux à arêtes vives qui vont commencer à évoluer à partir du moment de leur formation.

  • Broyage: Ne joue pas su l'évolution vers la forme d'équilibre car les résidus du broyage sont des grains de sable ou des particules encore plus petites.

  •  Détachement d’éclats: Ils résultent de chocs entre deux galets dont au moins l'un d'entre eux est en mouvement.

  •  Microfracturation: des cônes de percussion et des fractures apparaissent en surface du galet sous l’effet des chocs, les éléments individualisés restent en contact (cracking):l'effet est le même que celui du détachement d'éclats, mais différé

  •  Usure par friction: elles a lieu quand un galet se déplace en frottant sur un autre galet ou sur un fond sableux.

  •  Abrasion par les particules en suspension: concrètement dans un courrant suffisamment fort qui entraîne des grains de sables en suspension: Elle est négligeable (Voir Mikaël Attal et mon  post du 28 mai 2014).
  • Action chimique (dissolution et altération) des galets restant immobilisés de longues périodes, surtout pour les galets calcaires: Ne joue pas su l'évolution vers la forme d'équilibre, car elle enlève une couche de matière sensiblement égale sur toute le surface du galet. 

    Donc les causes prépondérantes d'érosion des galets de rivière sont les chocs entre eux et l'abrasion par frottement. Voyons maintenant pourquoi ces causes tendent à leur donner la forme d'équilibre d'ovoïde aplati.

  En se référant à la définition des 3 axes d'un galet copiée du site  https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/361017/filename/THESE-DUBILLE_02-2009.pdf  ,

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le grand axe GAr est nettement plus long que l'axe AMr. On comprend aisément pourquoi en se représentant un oeuf posé sur une table, sur lequel on souffle vigoureusement. Il se déplacera en roulant et en maintenant son grand axe horizontal et parallèle à la surface de la table. A aucun moment son grand axe ne sera vertical, c'est-à-dire qu'il ne roulera jamais sur ses petits bouts, parce que son centre de gravité tend à rester à la même hauteur.

 Si le galet ne prend pas la forme d'un cylindre, c'est parce que le fond des cours d'eau n'est pas plat comme un table. Au contraire le galet cogne et frotte d'autres galets sur tous les points de sa surface, et notamment sur les angles qui s'arrondissent. D'une façon plus générale, les rayons de courbure des parties convexes de sa surface tendent toujours à s'agrandir.  Cela explique l'arrondi de ses extrémités, sans rien changer au fait que  statistiquement l'occurence des chocs  ayant une direction plus ou moins perpendiculaire à l'axe GAr est plus grande que celle de des chocs de direction parallèle au même axe.   

             Enfin pourquoi son axe AMr n'est-il pas égal à son axe PAr, autrement dit pourquoi le galet ne prend pas la forme d'un oeuf ou d'un ballon de rugby?

 Parce que lors de son transport vers l'aval, le galet passe par des périodes d'arrêt sur le fond où  il ne roule plus. Quand la force du courant diminue parce qu'il entre dans une zone plus profonde, ou en fin de crue, il se positionne préférentiellement sur sa la face ayant une courbure plus faible (autrement dit quand son axe PAr est proche de la verticale), parce qu'à ce moment-là le courant a encore une puissance suffisante pour le faire basculer si AMr est vertical, mais pas si AMr est horizontal.

  Il est alors érodé par les autres galets qui le heurtent, qui roulent ou qui glissent sur lui, sauf sur sa face en contact avec le fond. Le courant peut aussi le pousser et le faire frotter  sur le fond sableux ou sur d'autres galets, ce qui contribue à l'aplanir davantage, c'est-à-dire à réduir son axe PAr.

 

   J'espère avoir ainsi expliqué, non seulement  pourquoi les galets de rivière ne sont pas sphériques, mais aussi pourquoi ils ne peuvent pas le devenir.

 Les particularités lithologiques peuvent retarder leur évolution vers la forme d'équilibre, mais la tendance à s'en rapprocher existe toujours.

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  • 11 mois après...
  • 1 mois après...

on pourrait pas formuler un truc du genre :

 

les aretes d'un galets subissent une abrasion plus forte que le reste du galet

plus les aretes s'emoussent , plus la difference de vitesse d'abrasion entre aretes et reste du galet s'attenue

quand cette difference d'abrasion tend vers zero , le galet conserve sa forme ; seul son volume diminue de façon presque homogene sur toute sa surface , ce qui l'empeche de devenir spherique.

ça tient la route?

 

la forme finale du galet est hautement dépendante de sa forme de départ

 

par contre la planéité de la surface d'abrasion permet d'obtenir les exceptions : plus la surface du galet recevant le choc est "plane" et plus la surface d'abrasion sur laquelle il vient se cogner l'est aussi , plus la force du choc est répartie sur une grande surface et plus la quantité de matiere enlevée a l'endroit du choc est faible . cela maintien une abrasion (ou bouchardage) plus importante sur les aretes (ou ce qu'il en reste) du galet , lui permettant de se rapprocher de la forme spherique , voire de l'acquerir.

 

bon c'est quand meme simpliste ma théorie de comptoir , mais ça fait passer le temps pour un samedi 🙂

 

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Il y a 2 heures, Sim a dit :

bon c'est quand meme simpliste ma théorie de comptoir , mais ça fait passer le temps pour un samedi 🙂

C'est le principal.

Par contre, dire que la forme n'est pas sphérique n'est probablement pas une observation assez détaillée pour qu'on puisse raisonner dessus de manière inductive.

J'ai le vague souvenir d'innombrables sédimentologues ayant tente de définir, et de quantifier la morphologie des galets et des grains de sable le long des cours d'eau.

Ils ont défini moult indices morphologiques, via de savantes considérations mathématiques. Du très beau travail académique. Peu d'application.

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Le 28/06/2014 à 23:02, Christophe Reuss a dit :

Bonjour Dergu,

Sans aucun doute ta contribution est très utile.

Voillà un cours d'eau d'aspect très différent de nos rivières européennes. Un lit plan et unforme au lieu de la succession de bancs, de seuils et de mouilles qu'on voit habituellement ici. Les conditions d'abrasion sont donc aussi différentes, et ont tendance à transformer les éléments transportés en sphères.

J'ai lu que le brassage en masse produit des sphères (voir # 28). Je crois que c'est ce qui se passe dans cet oued. Quand il est actif les fragments détachés des falaises des berges roulent et se frottent les uns sur les autres sur une certaine épaisseur, égale à plusieurs fois leur diamètre, tandis qu'au dessus d'eux il y a seulement les petites particules (sable et argile) en suspension dans l'eau qui doit être très chargée. Quand la crue cesse une faible proportion de boules reste à la surface, peut-être justement seulement les plus sphériques.

Si cette hypothèse est correcte en creusant dans le lit de l'oued on devrait trouver une couche de boules assez dense. Les galets de roche dure ne sont pas sphériques parce qu'ils n'ont pas parcouru une distance suffisante depuis l'introduction du du galet originel dans le courant d'eau, et en plus, étant brassés surtout avec les fragments de terre, l'abrasion qu'il subissent est beaucoup plus faible que pour ces derniers.

Ils serait intéressant aussi d'être sûr que les boules de "terre" sont de même nature que les falaises des berges.

Quelle est en général la profondeur de l'eau lors des crues?

Bonjour est ce que les calcaires à nodules,ont une formation approchante de ces formations terreuses,évoquées par Derju?

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