The Okavango delta through the deformation of its surface : multi-proxy approach from hydrology to tectonics

par Anne-Morwenn Pastier

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et des planètes

Soutenue le 02-02-2018

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes) , en partenariat avec Université Bretagne Loire (ComuE) et de Géosciences (Rennes) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Le delta de l'Okavango à travers la déformation de sa surface : une approche multi-proxy de l'hydrologie à la tectonique


  • Résumé

    Le Delta de l'Okavango est un système endorhéique formant un cône alluvial dans la dépression du Kalahari. L'écosystème y est rythmé par une crue annuelle en provenance de l'Angola et entravée par l'escarpement des failles normales du graben de l'Okavango. Ce régime annuel est très variable, car la répartition de la crue annuelle diffère tous les ans. À plus grande échelle temporelle, du millénaire au Ma, l'endorhéisme du Delta peut varier entre des marais (actuel), un mega-lac ou perdre son caractère endorhéique (rivière). Les processus pouvant contrôler ces variations de régime sont 1) l'hydrologie du système, 2) l'activité des failles du graben, 3) l'apport sédimentaire et 4) l'écosystème. Cette étude apporte des contraintes quantifiées éclairant deux de ces processus à travers l'observation de la déformation de la surface terrestre par l'enregistrement de stations GPS permanentes. Le signal observé est annuellement impacté par la charge hydraulique résultant de la saison des pluies, et inter-annuellement par les variations de cette charge, ainsi que l'activité tectonique du graben. Les satellites GRACE fournissent un enregistrement quasi-continu de la variation du stock d'eau continentale, rendant possible la modélisation de la déformation élastique de la surface terrestre sous l'effet de cette charge. Le signal de déformation ainsi modélisé est comparable au signal saisonnier enregistré, validant les données satellitaires GRACE et révélant un important aquifère dans le bassin de l'Okavango. GRACE fournit ainsi un nouveau proxy permettant de suivre l'évolution de l'aquifère, et de valider le modèle hydrologique calibré précédemment pour le bassin. Les variations inter-annuelles d'eau souterraine dans le bassin validées par GRACE confirment le rôle de tampon des variations climatiques joué par l'aquifère sur la modulation des variations climatiques. La phase des variations du stock d'eau met de plus en évidence un effet de seuil dans la recharge de ce stock, en fonction de l'intensité des premières pluies. La faible résolution spatiale des variations du stock d'eau continental fournie par GRACE peut finalement être mieux contrainte par un examen plus détaillé des signaux GPS dans le bassin. Les vitesses de déformation horizontales de part et d'autre du graben révèlent une déformation tectonique faible sur l'ensemble du graben, de 1 mm/an exclusivement décrochante dextre. Une si faible déformation exclut une influence significative de l'activité tectonique et sismique du graben sur la variabilité de la distribution de la crue. Cette déformation observée remet en question le modèle géodynamique admis dans la région, soit une phase précoce de rifting liée à la propagation d'une branche SW du Rift Est-Africain. Un recensement des nombreuses études géophysiques réalisées dans la région dans la dernière décennie et un réexamen de la sismicité de l'Afrique australe n'amène aucune preuve significative de rifting dans le graben de l'Okavango. Un autre modèle géodynamique pour l'Afrique australe est proposé, basé sur l'accommodation lointaine de la déformation associée à l'ouverture à taux différentiels du Rift Est-Africain et le déplacement du craton du Kalahari par rapport au reste de la plaque nubienne.


  • Résumé

    The Okavango Delta is an endorheic system forming an alluvial fan in the Kalahari depression. The local ecosystem is paced by the annual flood coming from the Angolan highlands, blocked downstream by the normal faults scarps of the Okavango graben. This annual regime is highly variable, with the spatial distribution of the flood differing every year. At the geological time scale, from millenary to mega-annual, the Delta's endorheism can also vary between wetlands (current regime), mega-lake or loose its endorhism to turn into a river. Processes driving these regime variations are 1) the hydrological system, 2) the faulting of the graben, 3) the sedimentary input and 4) the ecosystem. This study brings quantitative constraints regarding two of these processes through the deformation of the Earth's ground surface monitored by permanent GPS stations. The observed signal is impacted seasonally by the hydrological loading resulting from the rainy season, and inter-annually by the variations of the terrestrial water storage, as well as the tectonic activity of the graben. GRACE satellites provide a quasi-continuous record of the variations of the Earth's continental water storage, allowing the modelling of the elastic deformation imposed on the Earth's crust by loading. The resulting modelled deformation signal is well correlated to the observed seasonal signal, hence validating the GRACE data products and revealing a large aquifer in the Okavango basin. GRACE thus provides a new proxy to monitor the evolution of water storage, and to validate more robustly the hydrological model calibrated for the basin. The variations in terrestrial water storage (TWS) in the basin validated by GRACE confirm the buffer effect of the aquifer in the modulation of climatic variations. The phase of the TWS variations moreover highlights a threshold in the recharge of TWS during the rainy season, depending on the intensity of the first rains. Finally, the poor spatial resolution of TWS variations provided by GRACE can be further constrained by a detail examination of the GPS signals in the basin. Horizontal displacements rates across the graben reveal a low tectonic deformation rate, of 1 mm/yr, exclusively along a dextral strike-slip component. Such a low deformation rate excludes a significant influence of the graben faulting on the variability of the flood distribution. The observed deformation calls into question the current geodynamic model for the area, i.e. incipient rifitng due to the propagation of a southwestern branch of the East African Rift System. A review of the numerous geophysical studies in the study area over the last decade, as well as a re-examination of the seismic data in southern Africa does not provide significant evidence for rifting in the Okavango graben. An alternative geodynamic model is proposed, based on the far-field accommodation of the deformation resulting from the differential extension rates in the Rift Valley, and the displacement of the Kalahari craton relative to the Nubian plate.


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