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Géosciences Rennes
UMR 6118
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Accueil du site > Français > Recherche > Le rapport d’activités 2002-2005 > Erosion continentale

Erosion continentale

Personnels impliqués : S. Bonnet, J. Braun, A. Crave, P. Davy, A. Dia, D. Lague, J. Van Den Driessche
Doctorants : J. Babault, J. Brénot, S. Castelltort, P. Laguionie, N. Loget, J. Turowski



1. ENJEUX

La dynamique des reliefs terrestres résulte de couplages entre érosion, tectonique et climatique. Cette thématique a été initiée dès 1995 àGéosciences Rennes comme un complément logique des études de tectonique et de sédimentologie. En 10 ans, elle est devenue une thématique de recherche centrale (et transversale) de l’unité. La plupart des études se sont concentrées sur le rôle joué par les systèmes fluviatiles, en raison de leur potentiel érosif considérable et de leur fonction dans le transfert des sédiments. L’effort de ces quatre dernières années s’est porté sur deux thèmes principaux :

- la compréhension des couplages entre érosion, tectonique et climat (thématique initiée lors du précédent quadriennal),

- et (2) la dynamique des systèmes fluviatiles, dont la complexité est liée àleur forte sensibilité aux paramètres climatiques et tectoniques d’une part, et àleur propre dynamique interne d’autre part.

La réalisation aux cours des années précédentes d’un laboratoire expérimental et d’un modèle numérique original très performants ont été des atouts majeurs de Géosciences-Rennes. Ces derniers ont permis (1) de réaliser une démarche couplée de paramétrisation et quantification des systèmes naturels, d’expérimentation et de modélisation et (2) d’appréhender la dynamique de l’érosion (fluviatile) depuis l’échelle locale, (c’est àdire des processus physiques ou chimiques élémentaires) jusqu’àcelle des systèmes géologiques. Les résultats majeurs obtenus sont regroupés en conséquence suivant trois rubriques : processus élémentaires, dynamique érosive àl’échelle d’un système fluviatile, dynamique de l’érosion des systèmes géologiques (chaînes de montagnes). Une quatrième rubrique regroupe les résultats obtenus, àtravers l’analyse de la dynamique de l’érosion, sur l’évolution du relief terrestre.


2. COLLABORATIONS

Universités et instituts de recherches français : IFP Reuil-Malmaison, IRD Bondy, Joseph Fourier Grenoble, CRPG Nancy, Lille 1, La Réunion, Paris 6 et Paris 7 - IPGP, Strasbourg

Universités et instituts de recherches étrangers : Cambridge (UK), Canterbury (Christchurch, Nouvelle Zélande), Dalhousie (Halifax, Canada), Edimbourg (U.K.), ETH Zürich (Suisse), Michigan (Ann Arbor, USA), Victoria (Wellington, Nouvelle Zélande), Roma 3 (Italie), Yaoude (Cameroun)


3. RESULTATS

3.1.Processus élémentaires

temps < 103ans
espace < 101m

(1) Erosion chimique. Les stades précoces de l’altération et de l’érosion ont été étudiés en conditions climatiques extrêmes (2 à12m de précipitations selon l’exposition, végétation abondante, température élevée...) au Mont Cameroun. Une étude géochimique, couplant des analyses de coulées basaltiques historiques (20ème siècle), de sols contenant des niveaux datés (14C) et d’eaux, a permis de dégager un certain nombre de résultats parmi lesquels : (i) une absence de mobilité des éléments chimiques àl’échelle de la centaine d’années, donc une limitation de l’érosion chimique, malgré des conditions climatiques extrêmes (Chauvel et al., 2005) ; (ii) une estimation des vitesses d’altération, variables selon l’altitude, mais atteignant 100 mm/ka. Ces vitesses sont en accord avec l’âge des paléosols et les estimations faites àpartir de modèles de transport réactif (Benedetti et al., 2003) ; (iii) l’efficacité des rapports 234U/238U comme traceur dans les eaux de surface, des flux provenant des nappes profondes (Riotte et al., 2003) ; (iv) la quantification d’un apport de poussières atmosphériques (sahariennes, en l’occurrence) aux sols du Mont Cameroun, atteignant 8%. Ceci correspond àune vitesse moyenne de dépôt de poussières comprises entre 0.8 et 1.3g/cm2/ka, soit des valeurs plus élevées que ce qui a pu être récemment estimé pour des sols hawaïens. Ceci suggère que des corrections des apports éoliens devraient être effectuées avant de réaliser des bilans d’érosion (Dia et al., 2006).

(2) L’érosion des sols. La quantification de l’érosion des sols viticoles de Bourgogne, abordée sur une échelle pluridécennale, a montré que les vitesses d’ablation atteignent plusieurs mm/an. Une cartographie a pu être obtenue avec au pas métrique en utilisant le déchaussement des pieds de vigne comme marqueur de l’érosion. L’analyse de cette base de données la plus importante jamais réalisée a montré qu’il existait deux régimes principaux pour l’érosion : aux pentes faibles, les vitesses d’érosion sont principalement contrôlées par des paramètres locaux (pente, pédologie, etc.), alors que pour les pentes importantes, supérieures à10°, l’érosion des sols dépend àla fois des mêmes paramètres locaux et aussi des conditions amont (Brenot et al).

(3) L’érosion des versants montagneux (Siwaliks, Népal). Partant d’un jeu de données exceptionnel combinant taux de surrection connus précisément et MNT de précision (20 m), nous avons étudié quantitativement la sensibilité de la forme des versants aux variations spatiales de surrection tectonique. Nous démontrons que le modèle traditionnel de pente critique de glissement de terrain n’est pas vérifié. Les versants ont une pente moyenne qui augmente a peu près linéairement avec le taux de surrection. Nous en déduisons la première loi d’érosion pour les processus de versants de type "coulée de débris" (Lague et Davy, 2003).

(4) L’érosion des rivières sur socle (Taiwan). L’étude des taux d’érosion actuels àTaiwan, basée sur l’analyse des données de station de jaugeage sur 30 ans, montre que les facteurs d’ordre 1 contrôlant les flux de sédiment àcette échelle de temps sont la sismicité et la fréquence des typhons. La carte obtenue sur 30 ans, diffère significativement des données d’exhumation (FT) ou des données d’incision quaternaire. Ceci souligne l’importance de comparer les différentes données de flux d’érosion, climatiques et tectoniques aux mêmes échelles de temps (Hovius et al., 2003).

(5) Le rôle de la variabilité des débits sur l’érosion des rivières. Nous avons exploré la sensibilité des rivières incisant le socle àla variabilité et la moyenne des débits d’eau. A partir d’un modèle théorique et de données de terrain sur la fréquence d’incision dans une rivière Taiwanaise, nous montrons que le facteur climatique dominant est la moyenne des débits, la variabilité ayant un rôle secondaire. Cette faible sensibilité vient de l’importance relativement faible des événements extrêmes sur l’incision àlong terme. Ceci contredit l’hypothèse formulée par P. Molnar en 2001 selon laquelle un changement climatique vers un climat plus aride mais plus variable entraînerait une augmentation des vitesses d’incision. P. Molnar a récemment publié un article (Molnar et al., 2006) qui confirme nos conclusions. Nous présentons aussi la première loi d’érosion àlong-terme prenant explicitement en compte la variabilité àl’échelle journalière des débits dans une rivière (Lague, Hovius and Davy, 2005).

3.2. Dynamique de l’érosion àl’échelle d’un système fluviatile

103 < temps < 106 ans
101 < espace < 106m

(6) Contrôle climatique et/ou tectonique sur la sédimentation. En simplifiant un système « sédimentaire  » naturel en trois sous-systèmes où dominent respectivement d’amont en aval l’érosion, le transfert et la sédimentation, nous avons examiné l’influence potentielle de variations climatiques fréquentes sur les variations haute fréquence du flux sédimentaire en sortie du système. Nous montrons le rôle prépondérant de la zone en transfert qui relie la zone en érosion au bassin. En appliquant un modèle diffusif àun grand nombre de rivières àtravers le monde, nous montrons que les premiers résultats obtenus sur quelques grandes rivières d’Asie s’appliquent àune gamme beaucoup plus larges de rivières (> 300 km), àsavoir que la zone en transfert agit comme un tampon pour les courtes périodes de pulses sédimentaires (104 à105 ans) (Castelltort et Van Den Driessche, 2003). La simulation du comportement des rivières àl’aide du modèle numérique €ros montre que le transport advectif de sédiments àpetite échelle de temps et d’espace dans les rivières alluviales peut être approché par un comportement diffusif àlong terme car le temps de réponse de ces rivières expérimentales est proportionnel au carré de leur longueur (Castelltort, Van Den Driessche et Davy, 2004).

(7) L’“expérience†Messinienne. Lorsque le niveau de la mer chute, les rivières sont les premiers constituants d’un paysage àrépondre en incisant la topographie. A la fin du Messinien, la chute considérable (1500m) et rapide (105 ans) de la Méditerranée a entraîné la propagation rapide et très en amont de l’incision fluviatile, en particulier dans la vallée du Rhône. L’analyse morphologique et la simulation numérique de cet évènement montrent que la meilleure corrélation entre les données géologiques et les résultats de la simulation est obtenue pour une relation non linéaire entre l’incision et l’aire drainée et pour une faible longueur de transport des sédiments. La courte longueur de transport, d’au moins deux ordres de grandeur inférieure àla longueur du Rhône, suggère que le profil longitudinal de celui-ci s’est relaxé suivant un mode diffusif, expliquant l’absence de préservation de « knickpoint  ». Si la propagation de l’incision après une chute du niveau de base est très rapide (105 ans) àl’échelle des temps géologiques, du fait de la nature diffuse de la réponse des rivières, le retour àun profil d’équilibre est un processus très long (Loget, Van den Driessche et Davy, 2005 ; Loget, Davy et Van Den Driessche, 2006).

3.3. Dynamique de l’érosion des systèmes géologiques

106 ans < temps
106 m < espace

(8) Modélisations analogiques. A travers la réalisation de modèles analogiques, nous mettons en relation les temps caractéristiques d’évolution d’un système géomorphologique et les lois d’érosion gouvernant son évolution. Ces lois ont été obtenues àpartir de l’analyse des topographies àl’équilibre. Nous mettons en évidence l’importance d’un seuil d’érosion dans la dynamique des expériences, et son importance sur les relations entre l’altitude moyenne àl’équilibre et le taux de surrection. Pour lever l’ambiguïté sur le modèle d’évolution pertinent (limité par le transport de sédiment, ou par l’incision, ou par un mixte des deux), nous comparons les expériences àdes simulations numériques. Ces expériences soulignent l’intérêt d’utiliser des modèles qualitativement analogues pour étudier la dynamique des reliefs naturels (Lague, Davy et Crave, 2003).

(9) Surrections climatiques. La variation d’altitude d’une surface continentale au cours du temps est définie par le bilan entre la quantité de soulèvement d’origine tectonique et la quantité d’érosion en chaque point de la topographie. Nous montrons par une approche expérimentale que l’altitude d’équilibre d’une surface topographique, lorsque l’érosion compense exactement le soulèvement, est dépendante du climat via la pluviométrie moyenne. Toute condition étant égale par ailleurs, nous montrons que l’altitude moyenne d’équilibre d’un relief est inversement proportionnel àla pluviométrie. Il en résulte qu’àsoulèvement tectonique constant, un changement climatique caractérisé par une chute de la pluviométrie induit une chute de la vitesse d’érosion qui entraîne le soulèvement de la surface topographique (Bonnet et Crave, 2003). L’étude structurale, thermo-chronologique et géomorphologique du Bhutan (Est Himalaya) nous a permis de démontrer l’existence d’un tel soulèvement climatique de la topographie sur un système naturel. Ce soulèvement topographique fait suite àune chute fini-Miocène des précipitations, et a eu un fort impact sur l’évolution tectonique de ce segment de l’Himalaya (Grudjic et al. 2006).

(10) Rôle des zones de piedmont (1). A l’inverse du modèle classique de la pénéplaination d’une chaîne de montagne comme résultant d’un processus érosif àlong terme impliquant une réduction de son altitude proche du niveau marin (Davis, 1889), nous montrons àtravers l’analyse de l’évolution géologique et géomorphologique des Pyrénées, que le lissage du relief n’équivaut pas nécessairement àune diminution de l’altitude des chaînes, mais que les reliefs montagneux peuvent être lissés àhaute altitude. Un tel processus résulte de l’aggradation des produits d’érosion au pied des chaînes qui entraîne une élévation de leur niveau de base et une diminution relative de leur altitude moyenne, en même temps que la diminution progressive de l’érosion potentielle de leur réseau de drainage. Ceci peut en partie expliquer le paradoxe rencontré dans un certain nombre de chaînes de la présence de surfaces àfaible relief àdes altitudes élevées et interprétés abusivement comme la trace d’un soulèvement post-tectonique (Babault et al. 2005a).

(11) Rôle des zones de piedmont (2). L’aggradation de sédiments détritiques au pied d’un relief en surrection est susceptible de modifier le niveau de base de l’érosion et en conséquence la dynamique de celle-ci. A travers une approche expérimentale nous montrons que l’aggradation de piedmont modifie la vitesse de surrection relative du relief (défini comme la différence entre la vitesse de surrection appliquée et la vitesse d’aggradation) que la dénudation tend àcontrebalancer. Le relief est dénudé àune vitesse plus faible que la vitesse de surrection appliquée, et en conséquence l’élévation moyenne de la topographie augmente. Les résultats de ces expériences suggèrent que dans la nature la sédimentation de piedmont peut contribuer àla forte élévation des montagnes autour de hauts plateaux et que la transition de bassins d’avant-pays marins àcontinentaux peut entraîner une diminution de la vitesse de dénudation d’un relief sans impliquer une quelconque réduction de la vitesse de surrection (Babault et al., 2005b).

(12) Inversion des données thermochronologiques. L’interprétation de données thermochronologiques àbasse température, telles que celles obtenues par datation U-Th/He dans l’apatite, permet de contraindre l’âge d’un relief et la vitesse àlaquelle il s’est développé. Grâce àun modèle numérique de l’évolution thermique de la croà»te terrestre tenant compte de la géométrie complexe de la surface, nous pouvons prédire la relation qui existe entre les âges mesurés dans les roches de surface et la topographie. Cette relation peut alors être interprétée pour obtenir l’âge de formation du paysage. Cette méthode a été utilisée pour dater le relief de régions diverses telles que le Dabie Shan (Chine), l’Ile du Sud de la Nouvelle Zélande, les Alpes françaises et la Sierra Navada californienne ( Braun, 2005 ; Braun et Robert, 2005).

3.4. Evolution du relief terrestre

(13) Pyrénées. L’analyse de l’évolution géomorphologique des Pyrénées montre qu’àla fin du Miocène, la rugosité du relief des Pyrénées était beaucoup plus faible qu’aujourd’hui. La réjuvénation de ce relief est d’âge plio-quaternaire, et est àrelier au changement climatique qui caractérise cette période (Babault et al. 2005 a).

(14) Ebre. L’absence d’incision messinienne àl’intérieur du bassin d’avant-pays de l’Ebre montre que celui-ci n’était toujours pas connecté àla Méditerranée au moment de l’assèchement de celle-ci. La comparaison entre volume érodé au niveau du versant sud des Pyrénées, du bassin de l’Ebre et de ses marges, et volume sédimenté dans le delta de l’Ebre et la fosse de Valence suggère une connexion àpartir du Pliocène (Babault et al. 2006).

(15) Méditerranée. Les relations entre incisons messiniennes et le réseau de drainage actuel autour de la Méditerranée occidentale montrent que les pentes régionales étaient dirigées dans la même direction au Miocène supérieur et que la dimension des bassin versants de cette même époque étaient comparables àl’actuel (Loget, Van Den driessche et Davy, 2005 ; Loget, Davy et Van Den Driessche, 2006).

(16) Gibraltar et la fin du Messinien. La fin de la crise messinienne est le résultat de l’intense érosion régressive qui s’est développée suite àla chute dramatique du niveau de base de la Méditerranée. L’incision fluviatile qui s’est inévitablement développée dans la région de Gibraltar a eu pour résultat l’ouverture du détroit et la capture des eaux de l’Atlantique sans qu’il soit nécessaire d’invoquer une quelconque cause d’ordre tectonique (Loget, Van Den Driessche et Davy, 2005 ; Loget et Van Den Driessche, 2006).


Influence de la sédimentation de piedmont sur la dynamique de l’érosion dans les Pyrénées. a) (haut et bas) : exemple de remplissage sédimentaire d’une paleovallée sur le flanc sud des Pyrénées. b) Schéma illustrant le mécanisme de formation de surface àfaible relief en altitude. e) Modèle expérimental montrant l’influence de la sédimentation de piedmont sur lissage d’une topographique en surrection. (Babault et al, 2005 a et b)



Exemple de comparaison entre évolution d’une expérience en relaxation (a), et les différents modèles d’évolution existant : (b) : modèle limité par le détachement, (c) : modèle limité par le transport, (d) modèle intermédiaire. La topographie finale est identique, mais la dynamique transitoire est trés différente (Lague et al., 2003)




PUBLICATIONS

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Babault J., Bonnet S., Crave A. & Van Den Driessche J. (2005). Influence of piedmont sedimentation on erosion dynamics of an uplifting landscape : an experimental approach. Geology, v. 33 ; no. 4 ; p. 301-304 ; doi : 10.1130/G21095.1

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Thèses

S. Castelltort. (2003). Origine et modification des cycles stratigraphiques àhaute fréquence (10’s à100’s ka). Rôle des déformations courte longueur d’onde et modélisation du comportement des systèmes fluviatiles. Mémoire Géosciences Rennes n° 104, 193 p.

J. Babault (2004). Dynamique de l’érosion dans une chaîne de montagnes : influence de la sédimentation de piedmont. L’exemple des Pyrénées. Mémoire de Géosciences Rennes n° 112, 218 p.

N. Loget (2005). Dynamique de l’érosion fluviatile consécutive àune chute du niveau de base. L’exemple de la crise messinienne. Mémoire de Géosciences Rennes n°119, 226 p.

J. Brénot (2003-). Dynamique de versants anthropisés : les versants viticoles de Bourgogne.

S. Rohais (2004-). Contrôle de l’érosion continentale sur l’architecture stratigraphique : exemples naturels (sédimentation pléistocène du Golfe de Corinthe) et modélisations