Erosion et flux sédimentaires associés dans un bassin versant soumis à un régime de mousson : l'exemple de la Tista (Inde), du Sikkim au mégafan

par Rachel Abrahami

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Pascale Huyghe et de Peter van der Beek.

Soutenue le 06-05-2015

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

Le président du jury était Stéphane Guillot.

Le jury était composé de Isabelle Coutand, Peter G. DeCelles.

Les rapporteurs étaient Sanjeev Gupta, Sébastien Carretier.


  • Résumé

    L'évolution d'une chaîne de montagne résulte des rétroactions entre le climat et la tectonique via l'érosion. La chaîne Himalayenne, soumise à des processus climatiques et tectoniques très actifs est un chantier d'étude idéal pour comprendre ces interactions. Dans cette étude nous nous sommes intéressés à l'évolution topographique de la région du Sikkim (Inde) ainsi qu'aux processus de formation et de développement du mégafan Quaternaire de la Tista, dépôt fluviatile situés au pieds de ces reliefs. Nos résultats indiquent qu'à l'échelle géologique, les taux d'exhumation (obtenus par les traces de fission sur apatite) les plus forts sont concentrés dans le Sud-Ouest du Sikkim (1.2 ± 0.6 mm/an) suggérant un contrôle tectonique lié à la formation du duplex du Moyen-Pays (« Rangit Duplex »). Les taux d'érosion à l'échelle millénaire (obtenus par 10Be) les plus forts (≈ 5 mm/an) sont enregistrés au niveau de la « Main Central Thrust Zone », mais les zones sources de ces échantillons semblent affectées par des glissements de terrain menant à une surestimation de ces taux. Des taux d'érosion importants sont également enregistrés au Nord du Sikkim (1 à 2 mm/an) et coïncident avec les fortes valeurs de l'indice ksn, localisées au niveau de l'altitude d'avancée maximale des glaciers durant le Dernier Maximum Glaciaire. Nous en concluons que l'érosion millénaire au Sikkim soit en partie liée à l'héritage géomorphologique glaciaire. Le mégafan de la Tista stocke les produits d'érosion du Sikkim et s'étend sur plus de 16 000 km2 depuis le front de la chaîne, où il est fortement incisé, jusqu'à la confluence de la Tista avec le Brahmapoutre. Nous présentons un scénario de développement du mégafan avec le développement successifs de deux lobes distaux en aval d'un lobe proximal commun, développé au front de la chaine depuis au moins 50 000 ans et incisé par la Tista depuis 4000+600/-400 ans. Le lobe distal occidental a été formé tôt dans l'histoire du mégafan, par des rivières drainant le Sikkim et se jettant dans le Gange, et a été abandonné au début de l'Holocène (10 000 – 11000 ans). Le lobe distal oriental, très peu incisé et plus récent (< 1000 ans), s'est construit quand le réseau de drainage principal du Sikkim a migré vers l'Est grâce à d'importantes avulsions. Les périodes d'aggradation et d'incision des rivières sont compatibles avec un guidage climatique, où les périodes de forte intensité de mousson et de forts flux sédimentaires associés coïncident avec des phases d'aggradation dans l'avant-pays. Les phases initiales et terminales de ces périodes de fortes moussons sont caractérisées par de l'incision dans l'avant pays. En revanche, le rôle de l'activité tectonique sur l'alluvionnement et l'incision du mégafan semble mineur. Les résultats pétrographiques et isotopiques (Sr et Nd) utilisés pour contraindre les sources des sédiments du mégafan indiquent une forte différence avec les sédiments actuellement transportés par la Tista qui pourrait s'expliquer par l'influence de roches sédimentaires téthysiennes crétacés exposées au nord du Sikkim, et actuellement drainées par la Kosi. Cela suggère que cette zone ait été récemment (4000 ans) capturée par la Kosi, provoquant l'incision récente et importante du mégafan, due au rééquilibrage du profil de la Tista. Cette hypothèse préliminaire permettrait d'expliquer également la taille disproportionnée du mégafan comparée à celle de son bassin versant actuel. Par ailleurs, nos résultats montrent que les variations de l'érosion et de l'altération chimique répondent à des variations climatiques globales et régionales. Les périodes de fortes intensités de précipitations de mousson se traduisent au Sikkim par une plus forte pénétration des précipitations dans la haute chaîne et une plus forte altération chimique des silicates. Depuis le dernier maximum glaciaire, la région du Sikkim est caractérisée par une augmentation de l'érosion et de l'altération chimique.

  • Titre traduit

    Erosion and associated sedimentary fluxes in a region submitted to the monsoon climate : the example of the Tista (India) : from the Sikkim to the Megafan


  • Résumé

    Understanding the relative strengths of tectonic and climatic forcing, as well as the interactions between these controls, at different spatial and temporal scales is important to understand the evolution of orogenic topography. The Himalayas, subjected to both tectonic and climatic phenomena very active, is one of the most popular sites for the study of these interactions. The focus of this project is to understand (1) the evolution of orogenic topography of Sikkim (India), (2)the processus of formation and development of th quaternary Tista megafan. Our results show that long-term exhumation rates obtained by thermochronology (apatite fission tracks) do not correlate with any geomorphic or climatic parameters. We suggest a tectonic control where high rates in southwest Sikkim (1.2±0.6 mm/yr) may be linked to the building of the lesser Himalaya Rangit Duplex. The highest erosion rates recorded at millennial timescales (10Be ∼5 mm/yr) occur in catchments spanning the Main Central Thrust Zone but appear to be strongly influenced by recent landsliding. High erosion rates (1-2 mm/yr) also occur in north Sikkim and may be linked to a strong glacial inheritance on the landscape, as attested by high channel-steepness values close to the maximum extent of glaciers during the Last Glacial Maximum. In contrast, variations in precipitation rate do not seem to strongly influence either short-term erosion or long-term exhumation rates in Sikkim. The Tista megafan spreads over more than 16 000 km2 form the mountain front, where it is strongly incised, to the confluence of the Tista River with the Brahmaputra River, and stores sediments produced in the Sikkim Himalaya. We propose a scenario for the formation and abandonment of the Tista megafan based on new Infra-Red Stimulated Luminescence (IRSL) and 10Be cosmogenic age constraints. We suggest that two distal lobes developed successively downstream from a common proximal lobe. Deposition took place since ~50 ka assuming a constant sedimentation rate of 0.88±0.10 mm.yr-1 and incision began at 〖4.0〗_(-0.4)^(+0.6) ka at an average rate of 〖10.5〗_(-1.8)^(+0.6) mm yr-1. The western distal lobe of the megafan was deposited early in the history of the megafan, possibly when the Sikkim Himalaya catchments were drained by rivers that where tributaries of the Ganga River, and was abandoned in the early Holocene (10-11 ka). The eastern poorly incised and recent (<1ka) may have been built when the main Tista drainage system had shifted eastward through possible nodal avulsions. Tectonic processes seem to play a minor role in guiding the Tista River course and driving incision of the megafan deposits. Abandonment and incision of megafan surfaces and hinterland terraces appears associated to both the onset and the ending of phases of strong monsoon precipitation, during which the balance between water and sediment discharge changes rapidly. Petrographic ans isotopic (Nd and Sr) used to constrain sources of the megafan deposits display a significant difference with sediments actually transported by the Tista River, which could be explained by the influenced of tethyan sedimentary rocks exposed North to Sikkim, and actually drained by the Kosi River. This suggests that this area has been recently (4000 years) captured by the Kosi River, inducing a recent and important incision of the megafan in its proximal part due to the balancing of the river profile. This preliminary hypothesis could also explain the higher size of the megafan comparing to the one of its catchment. Otherwise, our results show that the variations of erosion and chemical alteration respond to global and regional climatic variations. Periods of strong summer monsoon and heavy rainfall are traduced in Sikkim by the more penetration of precipitation into the relief and a strong chemical weathering. Since the Last Glacial maximum, the Sikkim Himalaya is characterised by an augmentation of erosion and chemical weathering.


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