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Nature Geoscience : article de Stéphane Bonnet

L’article publié par Stéphane Bonnet dans la revue Nature Geoscience "Shrinking and Splitting of drainage basins in orogenic landscapes from the migration of the main drainage divide" (Nature Geoscience du 25 octobre 2009) concerne une thématique phare en Sciences de la Terre actuellement, l’existence possible d’un contrôle du climat sur la dynamique tectonique des chaînes de montagne.
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Relief modélisé


Photo d’un relief créé au laboratoire de modélisation de Géosciences Rennes (photo : Hubert Raguet)


L’idée que le climat, par le biais de son contrôle sur la nature et l’efficacité des processus d’érosion, puisse contrôler en partie la dynamique interne de la Terre, en particulier la structure et l’évolution tectonique des chaînes de montagne, agite la communauté des Sciences de la Terre depuis plus d’une décennie. Les modélisations numériques de déformation de la croute continentale montrent en effet que des variations spatiales de l’efficacité de l’érosion àla surface terrestre peuvent modifier la géométrie et la cinématique des structures tectoniques qui forment les chaînes de montagne ainsi que la remontée des roches métamorphiques d’origine profonde vers la surface terrestre.

Flanc aride de la Sierra Aconquija, Argentine

Photo du flanc aride de la Sierra Aconquija, Argentine, étudié dans ce travail. Les différentes étapes de segmentation des bassins versants consécutifs àla migration de la ligne de partage des eaux (ligne de crête sur la photo), mises en évidence expérimentalement, ont également été décrites ici (Photo : Sebastián Moyano) .


Les chaînes de montagne perpendiculaires aux vents dominants et d’altitude suffisamment élevées pour perturber les circulations atmosphérique sont le siège, par effet dit orographique, de très fortes variations spatiales de climat, et en particulier de taux de précipitation. Le climat est humide du côté exposé aux vents, où l’ascension et le refroidissement des masses d’air sont àl’origine de précipitations élevées. Du fait de cet effet barrière, un climat aride prévaut du côté sous le vent, en raison de l’assèchement des masses d’air après qu’elles aient franchi la crête de la montagne. La croissance des chaînes de montagne s’accompagne ainsi généralement du développement d’une très forte variation spatiale du climat, au fur àmesure qu’elles font barrière aux circulations atmosphériques. Dans ce contexte, les crêtes qui constituent la ligne de partage des eaux d’un relief sont un élément physiographique majeur àprendre en compte dans l’étude des relations entre climat, érosion et tectonique. La ligne de partage des eaux contrôle en effet la répartition des eaux issues des précipitations entre les bassins versants qui drainent les deux flancs opposés d’un relief. Associée àun effet orographique, elle délimite alors deux domaines ou les différences de précipitation et de régimes hydrologiques peuvent influencer directement la nature et la vitesse des processus d’érosion et de transport de matière. C’est via des contrastes de vitesse d’érosion de ce type que le climat pourrait jouer un rôle sur l’évolution tectonique des chaînes de montagne. Comprendre le devenir des lignes de crête dans les chaînes de montagne s’avère donc fondamental pour comprendre les interactions possibles entre géodynamique interne et externe.

Migration de la ligne de crête d'un relief créé en laboratoire
Migration de la ligne de crête d’un relief créé en laboratoire, consécutive de l’existence d’un gradient latéral de pluviométrie. L’asymétrie du relief se développe en direction des taux de précipitation les plus faibles. En haut, photos de côté de l’expérience ; en bas, vue de dessus de la topographie numérique de l’expérience. Image S. Bonnet


Les modélisations numériques suggèrent que les lignes de partage des eaux des reliefs migrent spatialement au cours du temps lorsque l’érosion d’un relief est contrôlée par un gradient de pluviométrie. Cette migration continue des lignes de crête est cependant très difficile àdocumenter dans les reliefs naturels, faute jusqu’àprésent de marqueurs connus de cette migration(1). Dans un article publié récemment dans la revue Nature geoscience, Stéphane Bonnet a abordé ce problème par l’étude de l’érosion de mini-reliefs, créés en laboratoire (2). Dans ces expériences les reliefs sont créés par le ruissellement d’eau issue de précipitations très fines produites artificiellement, alors que l’équivalent d’un soulèvement « tectonique  » est appliqué au modèle. Il en résulte la formation de reliefs d’aspect très réaliste, dont il est possible de suivre et de quantifier l’évolution au cours du temps. Lorsqu’un gradient transverse de pluviométrie est appliqué àune expérience de ce type, une migration continue de la crête principale du modèle en direction du côté le plus aride du relief est observée, en accord avec les prédictions théoriques. Cette étude montre que les bassins versants dont la taille diminue progressivement du fait de la migration de la ligne de partage des eaux (shrinking) se subdivisent en deux bassins versants indépendants (splitting) suivant un mécanisme décrit ci pour la première fois. Stéphane Bonnet montre que toutes les étapes de cette évolution, observées expérimentalement, peuvent être décrites dans la topographie de la Sierra Aconquija, relief tectoniquement actif du front Est des Andes, qui fait barrière aux masses nuageuses humides issues de l’Atlantique. Cette étude montre ainsi que la ligne de partage des eaux de cette montagne a migré àune vitesse de l’ordre du mm/an depuis que son altitude est suffisante pour perturber les circulations atmosphériques, soit depuis près de 3 millions d’années. Il est ainsi démontré que le climat peut induire le déplacement des lignes de crête des chaines de montagne àune vitesse qui est du même ordre de grandeur que les vitesses de leur soulèvement liées àla tectonique des plaques.

Modèle de réponse des bassins versants à la migration de la ligne de partage des eaux

Modèle de réponse des bassins versants àla migration de la ligne de partage des eaux (©Bonnet Nature geoscience 2009) .


Vue perspective d'un bassin versant de la Sierra Aconquija

Vue perspective d’un bassin versant de la Sierra Aconquija, segmenté en deux parties (flèche) en raison de la migration de la ligne de partage des eaux suivant le modèle présenté dans ce travail(S. Bonnet. Image : Goggle Earth)



Cette étude montre qu’il est possible de caractériser la migration des lignes de crête des chaines de montagne àpartir de l’étude géomorphologique des bassins versants et des réseaux de rivière associés.

Voir également la présentation de Mikael Attal (Université d’Edimbourg) de certaines implications du modèle présenté par Bonnet (2009) sur l’évolution morphologique des fronts de chaine de montagne et des systèmes sédimentaires associés(News and Views de Nature geoscience) :
"Geomorphology : Rivers split as mountains grow" (Nature Geoscience du 25 octobre 2009)


Implications du modèle présenté par Bonnet (2009) sur l’évolution morphologique des fronts de chaine de montagne et des systèmes sédimentaires associés (©Attal Nature geoscience 2009))



(1) Des déplacements de ligne de crête ont pu être déduits du changement de contenu minéralogique de sédiments préservés àl’exutoire de bassins versants ainsi que localement par la mise en évidence de captures fluviatiles.

(2) Voir par exemple Bonnet, S., and Crave, A. Macroscale dynamics of experimental reliefs. In : Buiter, S.J. H. & Schreurs, G. (eds), Analogue and numerical modelling of crustal-scale processes, J. Geol Soc. London Spec. Publ., 253, 327-339, 2006.



Référence complète :

Bonnet, S. Shrinking and splitting of drainage basins in orogenic landscapes from the migration of the main drainage divide - Nature geoscience, 2(11), 766 - 771, 2009.