Variabilité chimique et isotopique créée par les processus sédimentaires dans les sédiments de rivière Himalayennes

par Marion Garçon

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Catherine Chauvel.

Soutenue le 23-11-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (équipe de recherche) et de Institut des sciences de la Terre (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Guillot.

Le jury était composé de Steven Goldstein, Janne Blichert-Toft.

Les rapporteurs étaient Dominique Weis, Jerôme Gaillardet.


  • Résumé

    Les compositions isotopiques en Nd, Hf, Pb et Sr des sédiments de rivière sont souvent considérées comme étant représentatives de celles de leurs roches sources. Elles sont donc largement utilisées pour tracer la provenance des sédiments ou pour moyenner les compositions isotopiques des lithologies drainées. L'influence des processus sédimentaires sur les compositions isotopiques de ces sédiments est cependant mal connue. L'objectif de l'étude présentée ici est de caractériser l'ampleur de la variabilité isotopique pouvant être générée par les processus de tri minéralogique au cours du transport des sédiments dans le milieu fluviatile. Pour ce faire, nous avons analysé les concentrations en éléments traces et les compositions isotopiques en Nd, Hf, Pb et Sr dans différents types de sédiments de rivière (bedload, suspended load, bank) échantillonnés à plusieurs endroits dans le système fluviatile du Ganges qui draine une partie de l'orogène Himalayenne. Nous avons également mesuré les compositions chimiques et isotopiques de nombreuses fractions minérales et granulométriques séparées de ces sédiments afin de mieux comprendre l'influence de chaque espèce minérale dans le budget isotopique total d'un sédiment de rivière. Dans le cas où les lithologies drainées sont essentiellement cristallines et sédimentaires, nous montrons que les isotopes du Nd dans les sédiments de rivière sont très peu affectés par les processus de tri minéralogique puisqu'ils sont toujours contrôlés par les mêmes minéraux, à savoir la monazite et l'allanite. Au contraire, les systèmes isotopiques de l'Hf, du Pb et du Sr s'avèrent particulièrement touchés par les processus de tri minéralogique. Les isotopes de l'Hf et du Pb sont tous deux affectés par un effet zircon qui génère de larges variations isotopiques entre les sédiments de fond de rivières et ceux transportés en suspension. Pour le Sr, les variations observées entre les différents types de sédiments résultent des proportions variables de micas et feldspath-K qu'ils contiennent. Dans le cas où les principales lithologies drainées présentent de forts contrastes d'érodabilité i.e. basaltes versus roches cristallines, nous montrons que les effets combinés de l'érosion différentielle dans le bassin de drainage et du tri sédimentaire dans la colonne d'eau sont responsables d'importantes variations isotopiques en Nd, Hf et Pb entre les sédiments de fond de rivière et ceux transportés en suspension. Nos calculs suggèrent que les produits d'érosion basaltique, relativement fins, sont préférentiellement transportés en suspension, proche de la surface de l'eau, alors que les produits d'érosion des roches plus cristallines sont préférentiellement concentrés dans les sédiments de fond de rivière. Enfin, nous suggérons que les variations isotopiques observées entre les différents types de sédiments transportés par les rivières sur les continents pourraient avoir d'importantes implications pour les systématiques isotopiques des sédiments océaniques terrigènes et sur l'évolution à long terme du réservoir mantellique si ces derniers sont recyclés au niveau des zones de subduction.

  • Titre traduit

    Chemical and isotopic variability caused by sedimentary processes in Himalayan river sediments


  • Résumé

    Nd, Hf, Pb and Sr isotopic compositions of river sediments are often considered to be representative of those of their source rocks. Thus, they are widely used to trace sediment provenance or to average the isotopic compositions of the drained lithologies. The influence of sedimentary processes on the isotopic composition of these sediments is however poorly known. The aim of the present study is to characterize the extent of the isotopic variability that can be generated by mineral sorting process during sediment transport in fluvial system. To do this, we analyzed trace element concentrations and Nd, Hf, Pb and Sr isotopic compositions in river bank, bedload and suspended load sampled at several locations in the Ganga fluvial system draining part of the Himalayan orogen. We also measured the chemical and isotopic compositions of numerous mineral and granulometric fractions separated from these sediments to better understand the contribution of each mineral species to the bulk isotopic budget of river sediments. When the drained lithologies are mainly crystalline and sedimentary, we show that Nd isotopes are very little affected by mineral sorting processes because, whatever the sediment type, those isotopes are always controlled by the same minerals i.e. monazite and allanite. In contrast, Hf, Pb and Sr isotopic systems are significantly affected by mineral sorting processes. Both Hf and Pb isotopes are affected by a zircon effect that generates large isotopic variations between bedload and suspended load. For Sr, variations between the different sediment types more likely result from variable proportions of K-feldspar and mica. When the main drained lithologies are characterized by strong differences in erodibility i.e. basalts versus crystalline rocks, we show that the combined effects of differential erosion in the drainage basin and sediment sorting in the water column are responsible for significant Nd, Pb and Hf isotopic variations between bedload and suspended load. Our calculations suggest that basaltic erosion products are preferentially transported in suspension, near the water surface, whereas the erosion products of more crystalline rocks are preferentially concentrated in bottom sediments. Finally, we suggest that the isotopic variations observed between bedload and suspended load on continents may have important implications for the isotopic systematics of oceanic terrigenous sediments and the long-term evolution of the mantle if these latters are recycled in subduction zones.


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