Weathering and climate in the Himalaya since the Miocene - Insights from foreland basin sediments

par Natalie Vögeli

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Peter van der Beek.

Soutenue le 30-09-2016

à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'University of lancaster , 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 Peter van der Beek, Maarten Lupker, Pascale Huyghe, Yani Najman.

Les rapporteurs étaient Peter D. Clift, Christian France-Lanord.

  • Titre traduit

    Altération et climat dans l'Himalaya depuis le Miocène - Indications des sédiments du bassin d'avant-pays


  • Résumé

    La chaîne himalayenne est influencée par le climat global et régional et joue un rôle de barrière orographique pour les circulations atmosphériques. Son évolution tectonique et la mousson asiatique qui l’affecte en font un laboratoire idéal pour les études du lien entre la tectonique, le climat et l’érosion et leurs implications pour l’altération. Des variations latérales de taux d’exhumation ont été documentées et des études paléoclimatiques ont été réalisées dans les parties centrale et occidentale de la chaîne, mais l’initiation, l’évolution et les caractéristiques de la mousson sont encore débattues. Les intensités et les taux d’altération engendrés ont été peu étudiés, surtout dans la partie orientale de l’Himalaya.Cette thèse se focalise sur les variations latérales d’Ouest en Est de l’altération, de la végétation (évolution C3/C4) et du climat, le long de l’Himalaya depuis le Miocène à partir de l’enregistrement sédimentaire du bassin d‘avant-pays. Les données apportent des nouvelles avancées pour la compréhension de l’évolution de la mousson asiatique. Pour ce travail, j’ai étudié trois coupes pré-Siwalik et Siwalik dans l’ouest de la chaîne (les coupes Joginder Nagar, Jawalamukhi et Haripur Kolar à Himachal Pradesh, Inde), qui documentent un enregistrement sédimentaire de 20 Ma, et une coupe dans l’est (la coupe de la Kameng à Arunachal Pradesh), qui quant à elle documente 13 Ma.Les isotopes stable du carbone de la matière organique ont été utilisés pour reconstruire des changements de la végétation C3 à C4 et montrent des variations importantes entre l’ouest et l’est de la chaîne, avec une augmentation brutale des valeurs dans l’ouest à ~7 Ma, ce qui indique un changement de végétation des plantes C3 à C4. Au contraire, aucune variation n’est notée dans l’est, ce qui indique que la partie orientale caractérisée par une végétation C3 ne subit pas de changement majeur de végétation. Les variations indiquent un « asséchement » du climat et notamment une plus grande saisonnalité dans la partie occidentale de la paléoplaine. La partie orientale reste trop humide pour une évolution vers une végétation en C4, sans doute à cause de la proximité de source d’humidité du Golfe du Bengale.Le long de la coupe orientale de la Kameng, il a été nécessaire d’étudier les changements de provenance et la diagenèse, pour les éliminer, avant de reconstruire les paléo-régimes d’altération. L’analyse des minéraux lourds a permis de repérer les changements de source et de montrer que seule la partie basse de la coupe a été influencée par la diagenèse. L’évolution de la minéralogie des argiles et des éléments majeurs montre que l’altération augmente avec le temps avec une période remarquable à ~8 Ma.La compilation des trois coupes occidentales représente l’enregistrement le plus long du bassin d’avant-pays himalayen avec une durée de 20 Ma. L’évolution des argiles montre une tendance similaire entre les parties occidentale et l’orientale du bassin d’avant-pays, impliquant l’évolution vers un climat plus saisonnier à partir de ~8 Ma. Les éléments majeurs indiquent une augmentation du taux d’altération avec le temps, la partie occidentale étant généralement plus altérée que la partie orientale. Les résultats des éléments majeurs et des argiles sont cohérents avec les interprétations des isotopes stables du carbone, qui indiquent un climat plus saisonnier dans l’ouest.Enfin, une nouvelle approche permettant de reconstruire les taux d’altération à partir de la composition isotopique du lithium a été testée pour la première fois dans les sédiments miocènes du bassin d’avant-pays. Les résultats montrent à nouveau un changement dans l’ouest de la chaîne, où les valeurs isotopiques deviennent plus positives avec le temps, alors que les valeurs dans l’est restent stables. Dans l’ouest, le facteur limitant du système limitant devient l’altération, alors que dans l’est le facteur limitant est l’apport.


  • Résumé

    The Himalaya orogen has major impact on global and regional climate and acts as an orographic barrier for atmospheric circulations. The interplay of the Asian monsoon system and the tectonic evolution of the mountain belt make it an ideal laboratory to study interactions between tectonics, climate and erosion, and its implications on weathering and atmospheric CO2 drawdown. Lateral variations in exhumation rates have been observed and studies on paleoclimate have been conducted in the central and western Himalaya, but the onset, the evolution and the characteristics of the monsoonal climate are still debated. Paleo weathering rates and intensities are challenging to reconstruct and remain poorly studied, especially in the eastern part of the orogen.This thesis focuses on lateral variations in climate, weathering and vegetation along the Himalayan mountain range, on weathering regimes in the eastern Himalaya since Miocene times, and on the implications for the evolution of the Asian monsoon. The foreland basin sediments of the pre-Siwalik and Siwalik Groups contain a record of tectonics and paleoclimate. The approach focuses on a direct west-east comparison; we therefore sampled three previously dated sedimentary sections in the western Himalaya, namely the Joginder Nagar, Jawalamukhi and Haripur Kolar, which combine into a timespan of 20 Ma, and the Kameng river section in the east, which spans over the last 13 Ma.Stable carbon isotopes on organic matter are used to reconstruct changes in vegetation. Stable carbon isotopes show important lateral variations, with a change toward more positive values in the west at ~7 Ma and in contrast no change in the east, indicating a change in vegetation from C3 to C4 plant in the west but not in the east. These variations implicate a change towards a dryer and more seasonal climate in the western Himalaya, whereas the climate in the eastern part remained too humid for C4 plants to evolve, due to its proximity to moisture source (Bay of Bengal).In order to reconstruct paleo weathering regimes by analyzing foreland basin sediments, it is important to take into account changes in provenance and possible influences of burial diagenesis. Results of heavy-mineral and petrographic analyses of the Kameng section provide better insight into diagenesis and provenance, showing that the older part of the Kameng section is influenced by diagenesis. Changes in provenance do not correlate with changes in clay mineralogy and major elements, which are therefore indicating an overall increase in weathering over time, with a remarkable change at ~8 Ma.The compilation of the three sections in the west represent one of the longest sedimentary records in the Himalayas, spanning over 20 Ma. Clay minerals show similar trends in the west and the east, indicating the development of a more seasonal climate starting at ~8 Ma. Major elements show a trend toward stronger weathering over time in the west and the east, but the western Himalaya are generally more weathered than in the east, which is consistent with the interpretation of the stable carbon isotope data, suggesting the climate to be more humid in the east. More runoff and erosion inhibit extensive weathering of the sediments, whereas dry sea sons with little runoff allow sediments to weather.Lithium isotopic compositions were measured on bulk sediments as a new approach to reconstruct chemical weathering rates, applied for the first time on Siwalik sediments. Results show a change in weathering intensity in the west, where lithium isotopic values become more positive over time, whereas, they stay relatively constant in the east. More positive values in the west, suggest that the system becomes more weathering-limited and more incongruent.


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