Modélisation expérimentale de la dynamique long terme des reliefs en réponse aux forçages climatiques et tectoniques

par Bérangé Moussirou

Thèse de doctorat en Science de la terre et des planètes solides

Sous la direction de Stéphane Bonnet.


  • Résumé

    Les reliefs continentaux sont des interfaces dynamiques entre la lithosphère et l'atmosphère où interagissent une grande diversité de processus en lien avec la géodynamique interne et la géodynamique externe. Ils sont au cœur de la problématique des interactions entre le climat et la tectonique, dont une meilleure compréhension passe nécessairement par une meilleure appréhension des effets du climat et de ses variations sur la morphologie des reliefs et leur érosion. Nous présentons dans ce travail les résultats d'une étude expérimentale, en laboratoire, de la dynamique des reliefs, sous l'effet de forçages tectoniques (taux de surrection) et climatiques (taux de précipitations). A partir de l'élaboration d'une base de données conséquente d'expériences réalisées sous des conditions de surrection et de précipitations différentes, nous montrons que les hauteurs moyennes d'équilibre des reliefs, que leur temps de mise à l'équilibre et que leur morphologie déduite d'analyses de type pente-aire drainée sont des fonctions non- linéaires de la surrection, avec un effet des précipitations qui reste à préciser. Nous montrons que l'altitude moyenne d'équilibre des reliefs expérimentaux est contrôlée par le rapport entre taux de précipitation et de surrection (" water-to-rock ratio ") selon une loi non linéaire bien contrainte par plus de 80 données expérimentales. Le problème de la réponse des reliefs aux variations climatiques a été abordé en considérant l'effet d'une chute de pluviométrie sur un relief initialement à l'équilibre, en considérant différentes durées de chute, à taux de surrection constant. Nous montrons que plus la durée de chute de pluviométrie n'est importante, plus la réponse érosive (chute de vitesse d'érosion) est décalée dans le temps et amoindrie en amplitude. Ce résultat implique que sur les très longues échelles de temps (> quelques Ma), les variations climatiques n'ont probablement que très peu d'impact sur les vitesses d'érosion. Nous montrons également que cette réponse est contrôlée dans nos expériences par un seuil d'érosion. Nous avons également abordé l'impact de variations spatiales de précipitation sur la mobilité des réseaux de rivières et de crêtes. Nous montrons que de telles variations sont à l'origine d'une dissymétrie des vallées et d'une migration des réseaux de drainage qui peuvent aboutir à des captures entre bassins versants. Ces phénomènes observés dans les expériences sont tout à fait cohérents avec les caractéristiques géomorphologiques des vallées du piedmont nord-pyrénéen. Ces différents résultats mettent en évidence le rôle du climat, en l'occurrence les précipitations, sur la dynamique à long-terme des surfaces topographiques.

  • Titre traduit

    Experimental modeling of the long-term dynamics of landscape in response to climatic and tectonic forcings


  • Résumé

    Continental reliefs are dynamic interfaces between the lithosphere and the atmosphere here a great diversity of processes interact with internal geodynamics and external geodynamics. They are at the essence of the problem of interactions between climate and tectonics. A better understanding of this interactions suggests a better understanding of effects of climate and its variations on the morphology of the landforms and their erosion. We present in this work the results of an experimental study in laboratory of the dynamics of the reliefs, under the effect of tectonic forcing (uplift rate) and climatic (rainfall rate). From the development of a consistent database of experiments carried out under different conditions of uplift and precipitation, we show that the mean steady-state of the reliefs, their update time and their morphology, deduced from slope-area analyzis, are non-linear functions of the uplift, with a rainfall effect that needs to be specified. We show that the mean equilibrium altitude of the experimental landscape is controlled by the ratio between rainfall and uplift "water-to-rock ratio", according to a nonlinear law constrained by more than 80 experimental data. The problem of the response of reliefs to climatic variations was approached by considering the effect of a decrease of rainfall rate on a landscape initially at steady-state, considering different durations of the decrease, with constant rate of rise. We show that more the deacreasing of rainfall asts in time, more the erosive response (erosion rate) is shifted in time and decreases in amplitude. This result implies that over very long-time scales (> a few Ma), climatic variations probably have very little impact on erosion rates. We also show that this response is controlled in our experiments by an erosion threshold. We also discussed the impact of spatial rainfall variations on the mobility of river and ridge networks. We show that such variations lead to a dissymmetry of the valleys and a migration of the drainage networks, which can cause catches between catchments. These phenomena observed in the experiments are in agreement with the geomorphological characteristics of the valleys of the north-Pyrenean piedmont. These results highlight the role of climate, in this case precipitation, in the long-term dynamics of topographic surfaces.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

Modélisation expérimentale de la dynamique long terme des reliefs en réponse aux forçages climatiques et tectoniques


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  • Sous le titre : Modélisation expérimentale de la dynamique long terme des reliefs en réponse aux forçages climatiques et tectoniques
  • Détails : 1 vol. (258 p.)
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