Tectonique, érosion et évolution du relief

Dans la tectonique des plaques les marges des continents sont en évolution continuelle. Elles peuvent être soumises à des cycles d’extension-convergence qui verront des phases de création de rift, puis de collision avec création de chaîne de montagne. Les chantiers de ce thème se penchent sur les grandes questions relatives à l’évolution des marges continentales,  à l’initiation de leurs inversions et de la collision qui en suit.

Rifting: le cas du rift de Corinthe : (M. Ford)

A travers ce chantier, les grandes questions qui seront abordées concernent la géodynamique et la tectonique distensive de la croûte dans une zone de rifting peu évoluée : comment se matérialise et se localise l’ouverture ? Quel est le rôle des structures préexistantes dans la localisation de la déformation ? Quel est le contrôle postérieur sur la migration de l’activité des failles vers le centre du rift ?  Comment des segments de failles naissent puis se connectent pour former des épaules de rift continues ? Pour répondre à ces questions les chercheurs du thème impliqués développeront une approche pluridisciplinaire comprenant l’étude des séries sédimentaires exhumées au mur des failles normales, celle de coupes sismiques et forages dans le Golfe de Corinthe pour étudier les séries déposées en mer (collaboration Rob Gawthorpe) et la reconstruction de l’histoire de l’exhumation via des analyses thermochronologiques.

Phase précoce de la collision: le cas des Alpes (M. Ford)

Si l’histoire de la formation des Alpes est maintenant relativement bien documentée, plusieurs interrogations demeurent concernant les premiers stades de la collision. En particulier, la réponse flexurale 3D précoce de la marge européenne jusqu’au début de la collision avec la plaque Adriatique reste encore mal contrainte. Pour mieux documenter cette flexure, en collaboration avec C. Carpentier (GéoRessource) notre équipe se propose d’étudier et d’évaluer, via une approche tectono-stratigraphique principalement de terrain, les paramètres climatiques et structuraux qui contrôlent le développement de carbonates transgressives au début des bassins d’avant pays

L’âge de l’initiation de la collision Alpine et les mécanismes associés seront étudiesThermochronologie détritique sur des archives sédimentaires pré et L’étude de la flexuration par une analyse tectonosédimentaire

Déformations post- et intersismiques (S. Daout, J. Charreau, J. Lavé)

La croûte supérieure se déforme pour bonne part de manière cassante à la faveur de ruptures sismiques. Même si le comportement de la croûte est étudié depuis plus d’un siècle, la géodésie et la sismologie très basse fréquence ont permis assez récemment d’enrichir notre vision de cette déformation et du cycle sismique, relativement au couplage sismique, aux lois de comportements des failles, à la notion de séismes lents, aux différents types de déformations post-sismiques et intersismiques… Le modèle classique simplifié du cycle sismique associe la déformation de la croûte supérieure à la phase co-sismique. De nombreuses zones tectoniques montrent néanmoins, que de manière pérenne ou temporaire, certains segments de failles glissent de asismiquement, ou qu’une part non négligeable de la déformation se fait durant la phase post-sismique.

Pour comprendre la dynamique en profondeur et les lois qui gouvernent les déformations sur les failles et en dehors,  il est nécessaire de pouvoir quantifier les déformations intersismiques ou post-sismiques en surface de manière continue?

Bien que cette thématique ne soit pas historique au CRPG, l’arrivée au laboratoire de S. Daout (MCF) en 2021 permettra d’ouvrir ces nouveaux axes de recherches grâce notamment au développement d’approche en télédétection, nouvelles au CRPG.

En effet, l’interférométrie InSAR en série temporelle permettra d’identifier des taux de déformations de faible amplitude. La déformation en 3D pourra être reconstruite en combinant InSAR et corrélation d’images. Ces méthodes pourront être couplées et associées aux approches morphotetconiques historiquement développées au CRPG qui permettent de quantifier les déformations sur des échelles de temps géologique (ka à Ma).à. Modélisation de la déformation d’un prisme tectonique au cours du cycle sismique avec un modèle incluant rhéologies visco-elasto-plastiques et loi de friction de type « rate and state » (coll. à définir)

La sensibilité des processus érosifs aux différents forçages, en particulier climatique, conditionne l’évolution des surfaces continentales aux changements climatiques du Quaternaire comme elle conditionne d’une certaine manière la réponse aux changements futurs du climat. Comprendre cette sensibilité est donc clé pour mieux gérer nos environnements dans le futur et l’habitabilité de notre planète. Cela passe par plusieurs approches sur les différents éléments du paysage : versant, glaciers, réseau hydrographique, plaine de dépôt … Le thème se propose d’aborder quelques aspects de ce vaste problème.

Les grands glissements de terrain (J. Lavé, S. Daout)

Dans les chaînes de montagne actives, les glissements gravitaires sont le principal processus d’érosion des versants, processus qui limite les pentes et l’altitude des reliefs. Habituellement cette contribution majoritaire à l’érosion est associée à des glissements rapides qu’ils soient déclenchés par des précipitations soutenues ou des séismes. Néanmoins le catalogue des types de glissements est très étendu et inclut notamment les processus de versant lents et progressifs. Si les études cas dans les Alpes de grands glissements de versant lents sont nombreuses, beaucoup de questions demeurent.

Par exemple, quels sont les facteurs à l’origine des  grands glissements de versant ? Quels facteurs conduisent à un glissement lent plutôt qu’à un glissement rapide ? Quelle est la contribution des glissements lents à l’évolution des paysages de montagne et au bilan érosif ?

Répondre à ces questions est crucial pour mieux comprendre la dynamique de ces grands glissements qui représentent un aléa naturel important dans des milieux montagneux de plus en plus anthropisés.

Pour cela le thème associera des études de terrain en Himalaya (peu étudié et possibilité de tester les contrôles climatiques ou sismiques), des datations cosmogéniques sur escarpement, de l’InSAR et de la télédétection à de la modélisation numériques par éléments discrets en incluant le rôle de l’eau et de l’altération profonde.

Incision et évolution des rivières de montagne (J. Lavé, Postdoc X)

Pour comprendre et prédire le comportement des rivières et du paysage aux forçages tectoniques ou climatiques, il est essentiel de quantifier les processus d’érosion, notamment l’incision fluviale, et de définir les lois physiques qui les gouvernent. Pour répondre à cette problématique des approches expérimentales sont menées dans deux canaux annulaires instrumentés afin d’évaluer le rôle des différents paramètres impliqués dans l’érosion (taille et flux de charge sédimentaire, nature du substrat, vigueur de l’écoulement) et de construire un modèle physique de l’érosion fluviale instantanée. En parallèle, pour effectuer une transposition d’échelle, c’est à dire comprendre ce qui contrôle l’évolution à court et long termes des rivières, ces relations sont implémentées dans des codes numériques d’évolution 2D des rivières (i.e. le profil en long de la rivière et la section transverse du chenal).

De tels modèles intégrés sont ensuite confrontés à des mesures d’érosion réalisées dans des rivières himalayennes très actives. Des développements menés sur un capteur d’érosion permettent notamment de suivre au cours des crues l’amplitude de l’érosion des berges ou du fond des rivières. L’objectif final est d’étudier les formes résultantes des paysages, et la sensibilité de ces formes tout comme celle de l’érosion, vis à vis des forçages climatiques et tectoniques, et ensuite de fournir un cadre interprétatif aux nombreux systèmes naturels étudiés dans le thème ou ailleurs.

Erosion et évènements extrêmes (P.-H. Blard, J. Charreau)

Nombres d’études théoriques sur l’érosion des versants ou du réseau hydrographique pointent vers un rôle important des évènements extrêmes (sismiques ou climatiques) dans l’érosion du paysage (longues périodes de semi-quiescences entrecoupées d’évènements sporadiques et morphogènes). Si tel est le cas, l’augmentation des évènements extrêmes prédite comme associée au réchauffement climatique en cours pourrait avoir un impact géomorphologique et sociétal majeur. Bien comprendre l’impact de ces évènements extrêmes apparaît alors comme un enjeu important.

Pour cela il est nécessaire de bien documenter et caractériser  l’empreinte morphologique qu’un évènement extrême laisse dans le paysage. Quelle est sa contribution au bilan érosif des reliefs ? Quelle mémoire garde le système morphologique de cet évènement extrême ? Peut-on retrouver/identifier des évènements extrêmes dans le passé et quels sont les temps de retour associés ? Ces informations permettront de mieux prévoir l’avenir et mieux gérer les infrastructures de nos territoires.

Par exemple, l’occurrence de la tempête Alex en 2020 a eu un impact majeur sur la vallée de la Vésubie. L’analyse du signal cosmogénique dans les sables de rivière a pu garder une trace de cet évènement. Or, les signaux 10Be pré-Alex du bassin du Var et de la Vésubie ont été bien caractérisés au cours de la thèse d’Apolinne Mariotti. Un échantillonnage sur plusieurs mois et années, suite à cette tempête, permettra de suivre comment le sédiment garde mémoire de la tempête et à quelle vitesse les sédiments sont exportés jusqu’au Var.   Une analyse d’archives sédimentaires marines, en collaboration avec Geoazur, l’Ifremer et d’autres laboratoires permettra, sur la base des caractéristiques géochimiques et géomorphologique de l’évènement Alex, d’identifier d’autres événements extrêmes similaires dans le passé et ainsi de préciser les temps de retour possibles de ce genre d’aléa climatiques.

Processus de transport et de stockage sédimentaire au niveau d’une marge (C. France Lanord)

A la limite entre domaines continental et marin, la marge et la zone deltaïque d’une grande rivière exportant les sédiments issus de l’érosion d’une chaîne de montagne jouent un rôle essentiel de tampon et de transfert des sédiments vers les cônes sous-marins profonds. C’est le lieu d’accommodation des variations eustatiques, à la limite entre des processus de transport sédimentaires très distincts. De nombreuses questions demeurent.Comment se fait le transfert et l’export des sédiments au niveau d’une zone deltaïque et de la marge associée ? Est-ce contrôlé par les crues et apports sédimentaires en amont, ou plutôt par la dynamique côtières, les évènements de tempêtes et de typhons ?

Pour répondre à ces questions l’équipe s’appuie sur des missions océanographique avec carottage pour prélever et analyser les archives sédimentaires, sur l’étude des flux des rivières par ADCP immergé, échantillonnage des sédiments dans la colonne d’eau, géochimie des sédiments…

L’érosion qui façonne nos paysages et nos environnements répond en particulier aux forçages climatiques et tectoniques. Si la réponse au forçage tectonique est assez bien comprise, la réponse au forçage climatique est davantage discutée : l’impact du refroidissement tardi-Cénozoïque est assez largement débattue tant au niveau mondial qu’au niveau local. Mieux comprendre cette réponse érosive lors de ces changements climatiques majeurs permettra probablement de mieux prévoir l’évolution de nos paysages dans le futur en réponse à des changements climatiques d’amplitude similaires.  

Histoire érosive et réponse aux forçages climatiques d’une zone anorogénique (J. Charreau, PH Blard)

Pour s’affranchir de la composante tectonique, et étudier l’impact du climat, l’étude de zones anorogéniques ou faiblement orogéniques apparaît comme une évidence. Parmi les surfaces continentales tectoniquement stables, l’Afrique de par la diversité des climats qui l’affectent, et l’absence d’englacements quaternaires permet de tester et d’isoler le rôle des cycles d’intensité de précipitations au cours du Quaternaire sur l’érosion des sols. L’équipe TEER tentera de déterminer si ces zones particulières ont subi des changements érosifs en lien avec le refroidissement tardi-Cénozoique.

Les paleotaux d’érosion seront reconstruits à partir des nucléides cosmogéniques mesurés dans les enregistrements sédimentaires offshore ou onshore (collaboration IFREMER) en divers bassins africains (Ogooué, Congo, Madagascar) et dans les sables actuels des rivières. Ces mesures seront associées à des traçages de sources par double datations et proxy géochimiques et les processus de transport seront étudiées via une modélisation numérique du paysage (coll. S. Carretier au GET).

Histoire érosive et réponse aux forçages tectoniques et climatiques d’une zone orogénique (C. France Lanord, A. Galy, J. Lavé)

La collision Inde-Asie représente un laboratoire de choix concernant les problématiques d’interactions entre tectonique, climat et érosion. On y trouve des climats très arrosés comme en flanc sud himalayen à très arides sur la bordure nord-nord-ouest du plateau tibétain. La variété des situations permet d’envisager différents cas d’études notamment la différence de comportement entre un bassin aride endoréique et un bassin très arrosé. Dans le premier cas, comme par exemple le bassin du Qaidam, l’enregistrement sédimentaire va permettre d’identifier l’endoréisme, en lien éventuel avec la surrection d’un pli ? Comment combiner les informations des apports fluviaux et celles des apports éoliens ?

Dans le deuxième cas, il s’agit de capitaliser sur 25 ans de recherches sur l’érosion en Himalaya au CRPG pour produire une synthèse de la production et de l’export des sédiments entre l’Himalaya et le cône du Bengale.

Dans le système himalayen, des variations dans les enregistrements chimiques (carbonates, altération) ou isotopiques (Nd, Sr) sont visibles depuis 20Ma dans les forages du cône du Bengale : qu’est-ce que cela nous dit l’évolution de l’érosion dans la chaîne himalayenne, quelle part est imputable au transport dans la plaine d’avant pays, sur la marge ou dans le cône sous-marin ?