Description
Mountainous reliefs at the surfaces of continents are the result of interactions between endogenous geodynamic processes, which drive crustal thickening or the development of topography, and erosive processes, which tend to cut into topographies, eventually erasing them, and are controlled, in part, by exogenous climatic variables. Despite a general framework that has been established for more than a century, numerous questions remain concerning the construction and flattening of terrestrial relief. In particular, the respective roles of endogenous and exogenous processes and the feedbacks that connect them remain poorly quantified, as well as the rates of processes that govern the evolution of mountain ranges, orogenic plateaus or rift shoulders.
The research theme Tectonics, Erosion, and the Evolution of Relief (TEER) aims to address these fundamental questions by deepening our understanding of multiple large, outstanding questions:
During the evolution of a mountain range, what roles do structural and lithological variables play (structural heritage, the presence of salt and the level of the décollement), and what laws govern the mechanisms of deformation on faults?
- Are these variables coupled with exogenous processes?
- How can we reconstruct the tectonic and/or erosional history of a continental surface (mountain range, rift shoulder, anorogenic zone) to identify a response to tectonic or climatic variations?
- Preliminary to or alongside the previous question, how can we, based on geomorphological observations and present-day natural and experimental measurements, construct conceptual or numerical models to understand erosive phenomena and the transport of sediments from reliefs to depositional basins.
- During the Cenozoic, have the physical and chemical erosion of terrestrial reliefs governed the evolution of Earth’s climate? Or, inversely, has the evolution of the climate conditioned the amplitude of erosion during the last millions of years?
To study and answer these questions, our research group uses a broad range of disciplines (geochemistry, geomorphology, tectonics, remote sensing, field work) to obtain an integrated vision of the studied problems. More specifically, we develop tools and methods that allow us to quantify the involved mechanisms at different spatial and temporal scales. To this end, we use a multi-method approach to date geologic objects, measure rates of deformation, erosion, and sedimentation, and trace provenances. This approach includes: field work spanning structural, sedimentary, and/or geomorphologic studies; chemical, isotopic, thermochronologic, cosmogenic, or magneto-stratigraphic analyses; the analysis of seismic records, satellite images, or topographic data; and, finally, numerical and experimental modelling.
LIFE IN THE THEME
CURRENT THESES
Marius Huber – Dynamique des grands glissements de versant : modélisation et étude de cas en Himalaya
Direction : Jérôme Lavé & Luc Scholtes (UCM)
Résumé : Les chaînes de montagne sont le lieu d’une activité érosive intense et à ce titre sont affectées par de nombreux mouvements et glissements de terrain. Ces mouvements de terrain présentent des tailles et des vitesses d’évolution extrêmement variables, pouvant donner lieu à des glissements catastrophiques comme à des effondrements lents et progressifs. Ces derniers concernent en général l’ensemble du versant d’une montagne et sont souvent précédés d’un début de fracturation à grande échelle du versant et de l’apparition de déformations de surface (DSGSD). La compréhension de ces phénomènes relève aussi bien de la recherche fondamentale pour définir les modalités de l’érosion à long terme des orogènes, que d’enjeux sociétaux en lien avec l’étude de l‘aléa gravitaire des régions montagneuses.
L’objectif de la thèse est de mieux comprendre la dynamique des grands glissements de versant depuis les premiers stades de fracturation, jusqu’aux méga-glissements catastrophiques, en passant par la phase de mouvements lents et évolutifs. Il s’agit entre autre de comprendre l’influence des différents facteurs (anisotropie de structure, géométrie de la vallée, altération profonde, etc) sur cette dynamique. La thèse se propose d’aborder cette compréhension par deux leviers : un volet de modélisation numérique, complété par un volet d’étude de glissements en Himalaya. Le volet de modélisation numérique s’appuie sur un code aux éléments discrets (code open source YADE DEM) dont l’intérêt principal est sa capacité à décrire explicitement les mécanismes de rupture progressive (initiation, coalescence et propagation des fractures) à l’origine des grands glissements. La démarche vise à étudier de manière systématique et paramétrique les conditions requises pour créer, propager et déstabiliser de grands glissements de versant. Le volet dédié à l’étude d’objets naturels s’intéresse à l’étude de glissements bien identifiés dans l’Himalaya central, qu’ils en soient au stade précoce sous forme de grands glissements de versant lents et évolutifs de type DSGSD, ou qu’ils aient déjà donné lieu à des grands glissements catastrophiques. Dans le détail, il s’agit de caractériser l‘activité des versants à partir de topographies numériques haute résolution, d’étude de terrain pour décrire les objets et leur contexte structural, et de datation des miroirs de fractures par isotopes cosmogéniques (CRN). En complément, la description et la datation de quelques très grands dépôts de glissements (stade ultime de la déstabilisation du versant) par 14C, CRN ou OSL seront effectuées afin d’estimer leur fréquence moyenne d’occurrence ainsi que les volumes mobilisés.
Julien Léger –
Direction :
Etienne Large – Taux de dénudation passés en Afrique tropicale
Direction : Julien Charreau & Pierre-Hanri Blard
Résumé : La dénudation est un paramètre clé contrôlant l’évolution de la surface de la Terre , la production des sols ou encore l’évolution des orogènes. Sur des échelles de temps géologiques, elle influence également l’évolution de la teneur en CO2 de l’atmosphère. Déterminer “comment, quand et où” les taux de dénudation réagissent aux changements climatiques est donc essentiel. Parmi les changements climatiques majeurs qui se sont produits dans le passé, le refroidissement global qui s’est produit au cours de la fin du Néogène, et qui se caractérise par le début des glaciations et des oscillations quaternaires, a été l’un des refroidissements les plus rapides et les plus importants. Or, les volumes de sédiments dans le bassin marins et continentaux semblent montrer une augmentation apparente par 3 au cours des 3 à 4 derniers Ma, suggérant des changements drastiques dans les taux de dénudation. L’hypothèse de recherche est que cette accélération de la dénudation est liée au début des cycles climatiques quaternaires à haute fréquence et non à l’érosion des glaciers eux-mêmes.
L’objectif de la thèse est donc de tester cette hypothèse de recherche en fournissant un enregistrement fiable, détaillé et direct de la dénudation de la fin du Néogène à l’actuel dans une région qui n’a été ni recouverte de glace ni significativement active tectoniquement au Quaternaire : l’Afrique tropicale.
Pour atteindre ces objectifs, Etienne Large reconstruit les taux de dénudation récents (102-105a) et plus long termes (0-800ka et 0-10Ma) à partir des analyses des concentrations de nucléides cosmogéniques de sédiments actuels et passés associés des rivières associées aux bassins de l’Ogooué (Gabon), du Congo et au SO de Madagascar.
DEFENDED THESES
21 janvier 2020 – Apolline Mariotti
Impact du dernier cycle glaciaire interglaciaire sur la dénudation dans les Alpes Maritimes Françaises.
Direction : Pierre-Henri Blard & Julien Charreau (CRPG)
Contact actuel : apolline.mariotti@univ-lorraine.fr (contractuelle CRPG)
MAJOR PROJECTS
ANR PANTERA – Taux de dénudation passés en Afrique tropicale
P.I: J.Charreau
Résumé: La dénudation est un paramètre clé contrôlant l’évolution de la surface de la Terre. Déterminer “comment, quand et où” les taux de dénudation réagissent aux changements climatiques est donc essentiel. Parmi les changements climatiques majeurs qui se sont produits dans le passé, le refroidissement global qui s’est produit au cours de la fin du Néogène, et qui se caractérise par le début des glaciations et des oscillations quaternaires, a été l’un des refroidissements les plus rapides et les plus importants. Or, les volumes de sédiments dans le bassin marins et continentaux semblent montrer une augmentation apparente par 3 au cours des 3 à 4 derniers Ma, suggérant des changements drastiques dans les taux de dénudation. Ces accélérations de volumes ont été observées dans divers contextes tectoniques, climatiques et dans les régions glaciaires et non glaciaires. L’hypothèse de recherche est donc que cette accélération de la dénudation est liée au début des cycles climatiques Quaternaires à haute fréquence et non à l’érosion des glaciers eux-mêmes. Cependant, la réalité de cette accélération des taux de dénudation est encore très controversée et ceci principalement parce que, dans les enregistrements reconstruits, le signal lié uniquement aux oscillations climatiques est oblitéré par ceux liés à la tectonique et / ou à la dynamique des glaciers. Afin de révéler ce signal propre aux oscillations et ainsi tester l’hypothèse de recherche, il est nécessaire de quantifier les taux de dénudation passés dans des régions qui n’ont jamais été ni englacées ni tectoniquement actives au cours du Quaternaire.
L’objectif de PANTERA est donc de tester cette hypothèse de recherche en fournissant un enregistrement fiable, détaillé et direct de la dénudation de la fin du Néogène à l’actuel dans une région qui n’a été ni recouverte de glace ni significativement active tectoniquement au Quaternaire : l’Afrique tropicale. Pour atteindre ces objectifs, le projet reconstruira les taux de dénudation récents à partir des analyses des concentrations de nucléides cosmogéniques de sédiments présents et passés associés à trois bassins principaux avec, du nord au sud, l’Ogooué, le SE du basin du Congo et SO de Madagascar. Le projet aura pour objectif de reconstruire les taux de dénudation sur des échelles de temps courtes (0-900ka) afin d’étudier plus spécifiquement l’influence de la cyclicité Quaternaire. Il aura aussi objectif de reconstituer les taux de dénudation sur des échelles de temps plus longues (0-10Ma) afin d’identifier l’impact de l’installation des glaciations.Nous analyserons les sédiments échantillonnés dans des carottes marines forées par SHOM (Ogooué: 0-200ka) et l’ifremer (Madagascar: 0-900ka). Nous analyserons également plusieurs archives continentales notamment des affleurements naturels du Néogène, des terrasses fluviales du Pléistocène mais aussi des carottes forées dans des sédiments Néogènes au centre du bassin du Congo. Par ailleurs, les taux de dénudation récents seront déterminés par des analyses du sable de rivière modernes. Le projet comprend également une analyse quantifiée des processus de transport via de la modélisation d’évolution des paysages et en couplant plusieurs nucléides cosmogéniques (14C, 10Be, 21Ne, 26Al). Le projet reconstruira aussi les sources des sédiments et l’histoire du soulèvement. Il s’appuiera pour cela sur une double datation U-Pb / U-Th / He sur les grains de zircon détritiques et sur des mesures géochimiques. Le projet permettra de mieux comprendre l’impact des glaciations quaternaires sur les taux de dénudation mais devrait également intéresser un plus large public travaillant sur les flux dans les grands bassins, les processus sédimentaires, la tectonique, les changements paléoenvironnementaux en Afrique et l’impact anthropique.
ANR WIVA – The width of valleys
P.I: S. Carretier (GET), P.I. au CRPG: J. Lavé
Résumé: Rivers flow in valleys of varying width, which they have not only deepened but also widened over time. The widening of river valleys (without a glacial legacy) occurs when the river comes into contact with the edges of the valley. This occurs during extreme floods but also through slow lateral migration of the channels. The evolution of the width of the valleys plays a major role in the transfer rates of sediments to the basins, in the capture of CO2 over geological time or in the evolution of ecosystems. However, due to the different time scales involved (day->ka) and the lack of methods to quantify average lateral erosion over millennia, the processes of valley widening and the corresponding lateral erosion law are very poorly understood. The objective of the WIVA project is to establish an average valley widening rate law and to implement this law in landform dynamics models. This law will be constrained by quantifying for the first time the long-term lateral erosion of valley sides (>ka) by their 10Be content at slowly eroding sites (Andes-France), by experimenting with relief dynamics in a scale model, by monitoring current lateral erosion by innovative methods (Lidar and erosion sensors) at rapidly eroding sites (Siwaliks-N. Zeeland), by 1:1 scale experiments of lateral erosion by coarse sediment impact and by modelling the fluvial dynamics to link these scales of observation. In our consortium we have brought together developers of these approaches and specialists of the studied field sites. By implementing these laws in dynamic landform models we will unlock outstanding and old questions (formation of river terraces, buffering of sediment fluxes towards the basins, role of extreme events in the erosion hazard and on the long-term levelling of the topography) of interest to a broad community on the topographic and sedimentological record of pre-anthropic palaeoenvironmental variation and erosion hazard.
COFFEE TALKS (Cafés TEER)
Future talks:
Past talks:
| Date et heure | Description |
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17 May 2023 13:30 |
Etienne Large (CRPG) Pleistocene evolution of denudation rates of south-western Madagascar |
| Date et heure | Description |
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28 March 2023 13:00 |
Dominique De Rauw (Liège Université) Interferométrie SAR : Séries temporelles et application |
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14 March 2023 13:00 |
Mara Limonta (CRPG) Sediment generation and recycling at convergent plate boundaries (Indo-Burman-Andaman-Nicobar and Barbados Ridges) |
| Date et heure | Description |
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14 February 2023 13:00 |
Simon Bufféral (ENS Paris) The sprawl of the Peloponnese or how I learned to stop worrying and love gravity tectonics Résumé: The Peloponnese (Southern Greece) belongs to the External Hellenides, an alpine orogeny that reached the late phase of its evolution during Miocene times. As it is the case for most of the alpine belts spread along the southern Eurasian margin, its deformation is now dominated by the gravitational collapse of its topography and the subsequent exhumation of deep metamorphic units. Southern Greece, however, is simultaneously located on the overriding plate of the Hellenic subduction, where the slab rollback already delaminated the Aegean part of the chain by a factor of two or more in the Neogene. The Peloponnese, still at a less advanced, more brittle stage of collapse, is therefore a remarkably suitable playground for studying the competition between volume and boundary forces in the early stages of orogeny dismantling. In this framework, I will present a series of morpho-structural observations that point to reevaluating the role of gravity tectonics in the collapse of the External Hellenides orogenic prism since the Pliocene. In a second part, I will present an updated strain field in the Peloponnese, obtained through a significant increase in the GNSS network density. These results confirm the present-day continuity of the External Hellenides sprawl, with dominant ~east–west extension, but also, to a lesser extent, in the other directions.
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| Date et heure | Description |
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24 January 2023 13:00 |
Erica Erlanger (CRPG/GFZ) Lithology and Tectonics: Building the inorganic carbon budget of a young mountain range Erica Erlanger, Aaron Bufe, Guillaume Paris, Ilenia D’Angeli, Luca Pisani, Preston Kemeny, Jessica Stammeier, Negar Haghipour, Niels Hovius Résumé: Mountain building has classically been linked with CO2 drawdown from chemical weathering of silicate minerals in the critical zone, although recent views on mountain building recognize the importance of rock-derived CO2 emissions from the weathering of petrogenic organic carbon and inorganic carbonate. However, the focus on near-surface weathering reactions within the orogenic carbon factory does not consider the emission of metamorphic CO2 from subduction processes in the deep crust and mantle. Such deep carbon sources could dwarf the surficial drawdown and release of carbon, in particular in actively extending mountain ranges that subduct large volumes of carbonate rock. Thus, accounting for weathering processes at depth and in the critical zone in parallel is crucial to fully assess how mountain-range uplift impacts the carbon cycle. Here, we quantify the exchange of CO2 between rock and the atmosphere from subduction-related processes and from critical zone weathering reactions in two major river systems in the central Apennine Mountains of Italy. The catchments straddle a geodynamic gradient across the subduction zone that is expressed as changes in surface heat flow and crustal thickness, whereas climatic boundary conditions are relatively constant. At the regional scale, we find that metamorphic CO2 sources outpace critical zone inorganic carbon sources and sinks by 2 orders of magnitude above a window in the subducting slab that is characterized by high heat flow and low crustal thickness, and could have driven efficient degassing over the last 2 Ma. In contrast, surficial weathering processes dominate the carbon budget where crustal thickness is greater and heat flow is lower. Importantly, the difference in metamorphic degassing fluxes across the geodynamic gradient is multiple orders of magnitude larger than the difference in critical zone weathering fluxes. Thus, modulations of metamorphic decarbonation reactions are the most efficient process by which tectonics can regulate the inorganic carbon cycle in the Apennines. Both near-surface and deep sources of CO2 must be considered when constructing the carbon budget of orogenic systems that include the subduction of carbonate rock. |
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17 January 2023 13:00 |
Aude Gebelin (GeoRessources) Reconstructing topography of the Equatorial Variscan belt
Résumé: The first stable isotope paleoaltimetry estimates have been recently acquired for the internal zones of the eroded Variscan Belt of Western Europe (Limousin region) based on the hydrogen isotope ratios (δD) of muscovite from syntectonic leucogranites that have been emplaced at ~315 Ma. The results point to locally sourced waters that originated at high elevations (3.4 ± 0.7 km) in an area with strong relief, most likely forming a Late Carboniferous topographic high within the Variscan hinterland. Although we are limited in extrapolating isotope elevation relationships into the distant past, our results indicate that this Variscan area was high enough to block air masses from the SE and induces an orographic rainshadow to the North.A minimum mean elevation of ~ 3.4 km is reinforced using a new empirical relationship between elevation and the stable isotope composition of precipitation and surface waters (-1.5‰/km for δ18O & -14‰/km for δD) established across the Western Southern Ecuadorian Andes, which, like the Variscan belt was during the Carboniferous, is located at (or near) the Equator. |
| Date et heure | Description |
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16 December 2022 11:00 |
Julien Ackerer (IGE grenoble) Explorer l’évolution géomorphologique d’un bassin versant de montagne par la modélisation du 10Be in situ dans des profils d’altération à haute résolution, des sols et des sédiments de rivière (Observatoire du Strengbach, OHGE, Vosges, France) Résumé: Une riche base de donnée combinant des analyses de 10Be in situ dans des profils d’altération à haute résolution spatial, des échantillons de sol et des sédiments de rivière a été interprétée pour explorer l’évolution géomorphologique d’un bassin versant de montagne (Observatoire du Strengbach, OHGE, Vosges, France). La variabilité spatiale des taux de dénudation indique que la géomorphologie du bassin évolue d’une manière dynamique : une érosion fluviale régressive incise la partie aval du bassin versant alors que les zones sommitales s’érodent moins rapidement. L’étude permet également de détecter la présence de régolithe mobile le long des pentes, et montre comment la structure actuelle de la zone critique est impactée par ce processus important. La diversité des approches permet également d’estimer l’impact d’une hypothèse fréquemment réalisée dans la communauté des isotopes cosmogéniques : l’hypothèse d’état stationnaire des concentrations de 10Be. Notre étude montre que les états stationnaires pour les concentrations de 10Be, pour le bilan de masse du régolithe et pour la géomorphologie d’un bassin versant ne sont pas toujours atteint dans la même fenêtre temporelle. Dans le cas du Strengbach, un état stationnaire pour l’épaisseur des sols est atteint avant celui des concentrations de 10Be in situ, démontrant que cette hypothèse d’état stationnaire des concentrations de 10Be in situ doit être prudemment utilisée dans des contextes de montagne. |
| Date et heure | Description |
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29 November 2022 13:00 |
Audrey Bennelye (GeoRessources) How to localize deformation in claystones ? experiments from the micro to the macro scale |
| Date et heure | Description |
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25 October 2022 13:00 |
Zakari Mustapha (CRPG) A Scharfetter Gummel based efficient and accurate numerical model for glacier ice flow modeling |
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4 October 2022 13:00 |
Feng Li (CRPG/Zheijiang University) Transverse drainage on growing fold: a case study of the Tugerming anticline in southern Tian Shan foreland |
Members
Researchers
POST-DOCTORATE FELLOWS
PHD STUDENTS
RECENT PUBLICATIONS BY THEME RESEARCHERS
Geomorphic expression of transverse drainages across the Tugerming anticline, southern Tian Shan: Implications for the river-fold interaction in the foreland
Li, F.; Shi, X.; Charreau, J.; Cheng, X.; Yang, R.; Chen, H.; Ge, J.; Wang, J. Journal of structural Geology, 2024, 180,105081
Along-strike variations of strain partitioning within the Apennines determined from large-scale multi-temporal InSAR analysis
Daout, S.; D’Agostino, N.; Pathier, E.; Socquet, A.; Lavé, J.; Doin, M.P.; Riesner, M.; Benedetti, L. Tectonophysics, 2023, 867, 230076
Precipitation of cerianite crystals and its effect on the rheology of a simplified nuclear glass melt
Jiusti, J.; Regnier, E.; Machado, N.M.; Ghazzai, M.L.; Malivert, V.; Neyret, M.; Faure, F. International Journal of Applied Glass Science, 2023, 14, 502-521
Natural denudation versus anthropogenically accelerated erosion in Central Brazil: A confrontation of time and space scales
Siame, L.L.; Rosa, L.E.; Soares Cherem, L.P.; de Oliveira, J.G.; Evrard, O.; Barthoumi, H.; Leanni, L.; Divivier, A.; Blard, P.H.; et al. Earth’s Future, 2023, 11, 8, e2022EF003297
Dust transport enhanced land surface weatherability in a cooling world
Yang, Y.; Galy, A.; Zhang, J.; Lambert, F.; Zhang, M.; Zhang, F.; Fang, X. Geochemical Perspectives Letters, 2023, 26
Corrigendum to “Metric, kilometric and large-scale coherence of metamorphic conditions from graphitic phyllite in the Upper Lesser Himalaya of Nepal: Contribution to the estimation of carbon stored during Himalayan orogeny” [Chemical Geology 623 (2023) 121378]
Thapa, S.; Girault, F.; Deldicque, D.; Losno, R.; France-Lanord, C.; Groppo, C.; Rolfo, F.; Tamang, S.; Rigaudier, T.; Debret, B.; Paudyal, K.R.; Adhikari, L.B.; Perrier, F. Chemical Geology, 2023, 626, 121442
Deciphering source-to-sink history from a solute perspective: A Sr isotope approach in the Qaidam Basin, NE Tibet
Liu, Y.; Yang, Y.; Yang, R.; Galy, A.; Jin, Z.; Fang, X.; Song, B. Gondwana Research, 2023, 118, 76-91
Cenozoic shortening and propagation in the Eastern Kuqa Fold-And-Thrust Belt, South Tian Shan, NW China
Li, F.; Cheng, X.; Shi, X.; Li, Y.; Charreau, J.; Weldon, R. Tectonics, 2023, 42, e2022TC007447
Proposal thesis : InSAR monitoring and modeling of solifluction processes in Tibet
InSAR monitoring and modeling of solifluction processes in Tibet Etablissement – Université de Lorraine École doctorale SIReNa – SCIENCE ET…
Data report: major and trace element composition of silicates and carbonates from Bengal Fan sediments, IODP Expedition 354
Tachambalath, A.P.; France-Lanord, C.; Galy, A.; Rigaudier, T.; Charreau, J. Proceedings of the International Ocean Discovery Program, 2023, 354