GÉOMORPHOLOGIE QUANTITATIVE

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1 Licence S UE «Tectonique et Tectonophysique» GÉOMORPHOLOGIE QUANTITATIVE Jacques Déverchère UBO Brest PLAN 1. Introduction: Tectonique et géomorphologie A. Définition de la géomorphologie B. Intérêts, principe C. Problématique: la compétition entre érosion et tectonique 2. Marqueurs géomorphologiques A. Définition et usage des marqueurs B. Marqueurs planaires Terrasses et rivages marins Rivages lacustres Deltas Terrasses de rivière Eventails alluviaux Colluvions de faille Surfaces diverses C. Marqueurs linéaires Rivières et crêtes Moraines glaciaires D. Paléosismologie sous-marine: les turbidites 1

2 1. INTRODUCTION: TECTONIQUE ET GÉOMORPHOLOGIE A. Définition de la géomorphologie tectonique Etude des processus agissant en compétition, soit pour élever, soit pour abaisser la surface terrestre, et de ses implications en terme d évolution des paysages et de géodynamique -> Science «intégrative» -> Science s intéressant à des processus «profonds» et superficiels -> Science en pleine évolution par l apport de techniques nouvelles B. Intérêts, principe Comprendre l évolution du paysage» Pourquoi une forme donnée?» Quelles forces responsables? et plusieurs techniques de quantification récentes» Spatiale (imagerie, GPS, interférométrie radar)» De datation (méthodes isotopiques, Traces de fission sur apatite, )» géologiques (tranchées, érosion, sédimentation)» Climatologie Une science intégrant plusieurs disciplines» Sismologie (et paléosismologie)» Changements climatiques Quaternaires» Géochronologie» Géologie et géomorphologie structurale» Géodésie» Sédimentologie» Paléobotanique» Mécanique des failles 2

3 C. Problématique Processus tectoniques à identifier: - Déformation relativement localisée (ici, hors volcanisme) - Mouvements: entre plaques, sur faisceaux de faille, sur faille unique, ductile («souple»), MAIS AUSSI processus isostatiques: Erosion Réajustement isostatique Illustration: remontée isostatique des sommets (canyons) de montagne par analogie H avec un cube de glace = croûte E - 2 (phase théorique): l altitude moyenne baisse, la masse diminue - 3: l altitude moyenne (par rapport à 1) baisse, les sommets sont plus hauts! H= 1/10 E = manteau C. Problématique Compétition entre érosion et tectonique: Variations climatiques à différentes échelles de temps -> Pas d empreinte climatique, déformation bien visible Echelle des temps couverts par la géomorphologie tectonique Holocène : Avantages: enregistrement complet, terrasses préservées, datations précises, taux des différents processus facilement accessibles Inconvénients: signal trop faible pour événements lents ou rares, taux peut-être pas représentatifs du long terme, temps de réponse des systèmes géomorphologiques peut-être plus longs -> fortes empreintes sur le paysage -> Paysages «moyennés» 3

4 C. Problématique Compétition entre érosion et tectonique: Variations climatiques à différentes échelles de temps Causes des glaciations : en relation avec les oscillations périodiques de l'orbite de la Terre (paramètres de Milanković, paramètres astronomiques), associées à des variations périodiques dans le rayonnement solaire ou les effets d'un déplacement d'importantes masses continentales vers les régions polaires (paramètres tectoniques) Variations du climat global depuis 540 millions d années (source wikipedia) Variations des températures et du volume des glaces durant les derniers cycles glaciaires et interglaciaires C. Problématique Compétition entre érosion et tectonique: Modèles de développement des paysages Modèles théoriques pouvant s appliquer à différentes échelles (ex: escarpement sismique chaîne bassin de drainage) ~1900 -> Tectonique par impulsion dans un cycle géomorphologique Climax ~1950 -> Tectonique croît puis décroît dans un cycle géomorphologique -> Equilibre dynamique entre taux de montée des reliefs et taux d érosion ~1990 -> Hiérarchie des réponses temporelles et «inertie» topographique 4

5 2. Marqueurs géomorphologiques A. Définition et usage des marqueurs - Eléments ou surfaces géomorphologiques fournissant une référence initiale pour la déformation (géométrie et âge) - La plupart des marqueurs se forment en réponse à des contrôles climatiques ou tectoniques -> Utilisation conjointe pour géométrie et âge Exemple: Terrasses marines ou fluviatiles, récifs coraliens, cônes de déjection, - Durée de vie, sensibilité, temps de réponse des marqueurs: très variables -> Usage selon les durées de déformation recherchées, plus ou moins délicat (fragments) Démarche - 1. Reconnaître - Observer les marqueurs morphotectoniques (escarpements de faille, géoformes [terrasses, moraines, cônes, talwegs, plis], réseaux de drainage) - Acquérir des données (images satellitales, photos aériennes, cartes topographiques, tranchées, ) - 2. Analyser - Mesurer des déplacements (géodésie GPS, théodolite, photogrammétrie.) - Dater les marqueurs de la déformation récente - 3. Interpréter - Modèles: recherche des interactions érosion tectonique - Taux de déformation: régularité (prédiction sismique), amortissement des structures, échelles de temps, incertitudes 5

6 B. Marqueurs planaires 1. Terrasses et rivages marins Résultent des variations du niveau de la mer -> Changements eustatiques = globaux (volume des glaces) - Ex.: Pléistocène: m (max. à ans) -Terrasses érosives par attaque du rivage: Rampe d abrasion (~1 ): Transport au large des produits d érosion Marqueur = encoche marine = indicateur paléo-horizontal du géoïde Bord externe de la plateforme beaucoup plus instable: mauvais marqueur Encoche marine actuelle sur une plage de Crozon - Terrasses construites (coraux) - Eaux à ~18, taux de croissance rapides (>10 cm/an) -> Si niveau de la mer assez constant, coraux indicateurs du paléoniveau Corrélation entre stratigraphie coralienne et changements du niveau marin A. Niveau stable B. Pendant une montée -> Stabilisation nécessaire du nm Temps de réponse du corail rapide Terrasses construites en ~1000 ans C. Pendant une descente -> Terrasses formées quand équilibre entre taux de mouvement vertical et taux de changement du nm sont équivalents -> Si l histoire des nm connue: alors taux verticaux de déformation déduits 6

7 Exemple: Terrasses récifales soulevées au Vanuatu Photo: Th. Corrège, IRD Coraux: exemple récent d étude D après Cabioch et al.,

8 CORAUX: EXEMPLE RÉCENT D ÉTUDE PLAN 1. Introduction: Tectonique et géomorphologie A. Définition de la géomorphologie B. Intérêts, principe C. Problématique: la compétition entre érosion et tectonique 2. Marqueurs géomorphologiques A. Définition et usage des marqueurs B. Marqueurs planaires Terrasses et rivages marins Rivages lacustres Deltas Terrasses de rivière (alluviales) Eventails alluviaux Colluvions de faille Surfaces diverses C. Marqueurs linéaires Rivières et crêtes Moraines glaciaires D. Paléosismologie sous-marine: les turbidites 8

9 2. Rivages lacustres Marqueurs = paléorivages similaires à ceux des terrasses marines Difficultés: (1) variations locales importantes des paléonivaux car effets de seuil fréquents; (2) Isolation des océans Variations relatives difficiles à corréler 3. Deltas (mers ou lacs) Témoins de niveaux d eau stabilisés pendant un certain temps ->Avantage: grandes structures, donc souvent préservées -> Inconvénient: extension spatiale limitée (valeur locale) Surface fossile horizontale -> Corrélation nécessaire avec d autres deltas de même âge Exemple: les deltas «Gilbert» en Méditerranée au Messinien Foresets Canyons Messiniens perchés (Huesti, vallée de la Vésubie) 9

10 4. Terrasses de rivières Marqueurs non horizontaux au départ -> attention! - Puissance du courant = Taux de transfert d énergie potentielle proportionnelle à la pente et au débit de la rivière Réponse fréquente à des cycles climatiques Terrasse d agradation = de remplissage, abandonnée Terrasse d érosion - Agradation: dépôt de la charge - Dégradation: creusement, transport - Equilibre: hauteur constant des bancs - Facteurs d évolution: changement du débit, de la pente, de la taille ou la charge des sédiments, ou de la rugosité des dépôts - Profil d équilibre de la rivière: concave vers le bas -> Rivières «alluviales» ou «de roche-mère» Paires Impaires Rôle des méandres, de la lithologie Terrasses d érosion plus difficiles à exploiter: à-coups de soulèvement tectonique? Evénements locaux (glissements de terrain)? Datation aussi plus difficile Quoi, où mesurer? - Terrasses en 3D (modélisation, BRGM) - Terrasses alluviales décalées par faille décrochante: séisme de Superstition Hills, Californie - Terrasses alluviales décalées par faille normale: Bordures du rift Baïkal, Sibérie Image SPOT2 10

11 5. Eventails alluviaux (cônes de déjection) Surfaces assez similaires aux terrasses de rivières, mais dépôts très irréguliers dans le temps et dans l espace Exemple: faille décrochante active de Kunlun, Asie Fonctionnement du cône: décalage au cours du temps de la limite entre dépôt et érosion vers le haut ou le bas du cône dû à l alimentation irrégulière Contrôle sédimentaire, climatique, tectonique -> «Mosaïque» de surfaces fossiles à corréler et dater, marqueurs de la déformation entre (ou postérieure à) ces événements D après J-F. Ritz, Univ. Montpellier Exemple en Mongolie: surfaces soulevées par plusieurs déplacements > Histoire des soulèvements tectoniques 11

12 6. Colluvions de failles actives Formation liée à la dégradation d un escarpement b. Drapage c. Coin colluvial d. Remplissage de fissure Disposition Evolution morphologique d un escarpement Mise en place d une succession de colluvions sur une faille Observez Expliquez -> Profil morphologique (théodolite, GPS) ou tranchées peuvent permettre de retrouver la trace des ruptures passées D après J-F. Ritz, Univ. Montpellier Sédimentation faible Erosion forte, remplissage local faible Sédimentation forte Erosion faible, remplissage local fort 12

13 Colluvions INVESTIGATION PAR TRANCHÉES: POURQUOI, COMMENT? La paléosismologie à terre: un travail de «terrassier» O. Bellier, CEREGE Niveaux successifs au contact de la faille = histoire sismique Tranchées à travers la trace de faille Exemple en Mongolie: Tranchée dans un cône alluvial 13