Licence S5 2010-2011 Géomorphologie quantitative Jacques Déverchère UBO Brest UE «Tectonique et Tectonophysique» 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, tranchées Surfaces diverses C. Marqueurs linéaires Rivières et crêtes Moraines glaciaires D. Paléosismologie sous-marine: les turbidites Partie N 2 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 1
Exemple en Mongolie: Tranchée dans un cône alluvial C. Marqueurs linéaires 1. Rivières et crêtes Utilisation fréquente dans le cas des failles décrochantes: décalage horizontal Crêtes: Evaluation du décalage vertical San Andreas MAIS difficulté: les captures 2. Moraines glaciaires Rivières abandonnées en aval (Faille de Wairarapa, Nouvelle Zélande) Corrélations parfois difficiles entre les avancées du glacier et l enregistrement climatique global 2
D. Paléosismologie soussous-marine Principe: repérer et dater spatiallement des turbidites ou instabilités et les corréler avec de grands séismes sousmarins ou côtiers Corrélations souvent difficiles! Chantier «pilote»: Les Cascades D après N. Babonneau Chantiers Brest: Golfe de Cadix Mer de Marmara Algérie Identification d instabilités gravitaires: CHIRP Echo-facies Gabriela DAN, 2006 IFREMER-UBO E2.05 N E4 10 Algiers N36 35 Stratified echo-facies Chaotic echo-facies Rough echo-facies Transparent echo-facies 3
11-16 September 2010 Principe d identification de paléoséismes: les paléoturbidites des grands fonds Obergurgl, Austria Submarine Paleoseismology: The Offshore Search of Large Holocene Earthquakes www.esf.org/conferences/10313 -> 10-12 turbidites Holocène à grande extension au large de Boumerdes PSM-KS27 PSM-KS21 Ca Area (XRF counts) Corrélation sur la base d une interprétation d un échosondage Chirp et sur l analyse semi-quantitative (XRF core scanner) par éléments sur les carottes 10/12 10/12 Ca Area (XRF counts) Ca Area (XRF counts) 10/12 e base Holocen? 12/14 CHIRP 40/42 39/41 Datation radiocarbone (14C) de foraminifères sur les intervalles pélagiques entre les dépôts de turbidites Comparaison aux résultats à terre en paléosismologie CHIRP (Babonneau et al., 2010) Résultats à terre disponibles: Séquence Holocène de El Asnam 8 events M > 7 before 1980, over ~7 kyrs - 4 well established (d) - 4 uncertain (p) Paleoscarps Uplifted terraces Sediment flows Meghraoui et al., 1988 C. Authemayou, pers. Com.2010 -> Repeated coseismic displacements -> Minimum uplift rate : 0.6 mm/yr (average) -> M > 7 return period: 350-500 yr («cluster» periods) 1000-1800 yr («quiet» periods) Meghraoui et al., 1988 www.esf.org/conferences/10313 4
Plan 3. Datations: méthodes, intérêt A. Présentation des méthodes et des «horloges» B*. Méthodes biogéochimiques: dendro- et téphro-chronologie C. Méthodes radio-isotopiques D. Méthodes cosmogéniques E. Traces de fission sur apatite * Voir: http://paleolithique.free.fr/dossier/datation/ 3. Datations: Méthodes, intérêt 3A. Présentation des méthodes et des horloges - Datations relatives (semi-quantitatives) - Pas d âge donné surfaces positionnées en référence à une autre - Exemples: mesures de vitesses, densité, épaisseurs d altération,, indicateurs pédogéniques - Datations absolues: - Principe: processus se produisant à un taux régulier (horloge) - Enregistrements possibles: - Physiques: anneaux de croissance biologiques, géologiques (varves) - Horloges atomiques - Horloges cosmiques - ou les deux - Concept des horloges atomiques: - Décroissance spontanée d atomes parents par fission - Le nombre d atomes parents N dépend du temps, du nombre d atomes s initial N 0 et de la constante de désintégration λ: N = N 0 e -λt - Notion de demi-vie: N = N 0 /2 -> t 1/2 = 0.693/λ (car e = 2.718) 5
- Datations absolues, quelques méthodes courantes: Méthodes Gamme d âges Matériaux Bio-géochimiques Dendrochronologie Téphrochronologie ~10 ka, selon chrono. locale 0- plusieurs Ma Bois Cendres volcaniques Paléomagnétiques Inversions Variations séculaires > 700 ka 0-700 ka Sédiments, coulées volcaniques Sédiments fins Radio-isotopiques 14 C U/Th Thermoluminescence Luminescence optique Cosmogéniques 10Be, 26Al He, Ne 36Cl 35 ka 10-350 ka 30-300 ka 0-300 ka 3 à 4 Ma illimitée 0-4 Ma Bois, coquillages Carbonates (coraux, spéléothèmes) Quartz Quartz Quartz Olivine, quartz - Dendrochronologie - Principe: Changement de densité du bois en fonction des saisons - «Séries temporelles» bâties par compilation d arbres vivants et morts et recouvrement des échelles de temps par régions «climatiques» - Diminution fréquente du taux de croissance avec le temps - Recherche possible d événements passés (éruptions surtout, inondations) par corrélation des séries temporelles issues des anneaux externes d arbres fossiles Climat local NO Pacifique pins Douglas 6
Séries temporelles Un laboratoire de Dendrochronologie: http://www2.ulg.ac.be/dendro/ - Datations radio-isotopiques: Radiocarbone ( 14 C) - Méthode la plus utilisée pour les âges inférieurs à 40 000 ans - Atmosphère: mélange par interaction de radiations cosmiques avec l azote N -> «réservoir» où l abondance relative est: - 12 C = 98.9 % - 13 C = 1.1 % - 14 C = 1.17 10-10 % - Plantes: (1) Fixation du CO 2 par photosynthèse -> carbone organique reproduit ces rapports isotopiques (2) Mort: Fermeture du système -> début de la désintégration (t 0 ) - 2 méthodes de mesure : - Méthode 1 (classique): Désintégration β: 14 C devient 14 N en émettant un électron -> Mesure de l activité A -> Accès au temps t 0 Problème: l incertitude sur les âges devient grande pour les faibles activités APPLICATION: Faire courbe de décroissance de concentration du 14 C en fonction du temps (T 1/2 = 5735 ans Activité initiale (mort de la plante) Ex.: Après 7 ½ vies (~40 ka), 14 C restant < 1% -> passage de 15 désint./mn à 7 désint./heure -> Mesure difficile car pollution par radiation cosmique actuelle! 7
- Méthode 2 (récente): Spectrométrie de masse (AMS = Accelerator Mass Spectrometry): Carbone mesuré par son poids isotopique (et pas par sa radioactivité) -> Taille des échantillons peut décroître jusqu au milligramme -> 14 C/ 12 C mesuré -> Datations possibles jusqu à ~50 ka au mieux Problème: Méthode plus précise mais plus chère! t = log(n 0 /N)/λ - Autres sources d incertitude : - Rapport 14 C/ 12 C : variations temporelles du taux de production de 14 C par radiation cosmique - Causes d incertitude liées aux variations du flux de rais cosmiques: - Variations bien connues dans les dernières décennies seulement! - Pour des âges jusqu à 10 ka: calibration par mesure dans les anneaux de croissance du bois - Pour des âges plus anciens: calibration par datation des dépôts du carbonate de calcium (coraux) en utilisant AMS et U/Th - connaissance parfois imprécise ou ambiguë des taux passés en raison des fluctuations temporelles importantes du taux de production de 14 C -> Recouvrements - Datations radio-isotopiques: Datation Uranium / Thorium - Plusieurs isotopes générés à taux variés Demi-vies en années - Eléments «fils» ultimes des chaînes: isotopes du Plomb - Désintégrations indépendantes de la température, du champ magnétique, du soleil, des variations de l environnement - Méthode complémentaire du 14 C et de la dendrochhronologie: de 10 ka à 350 ka (temps de demi-vie beaucoup plus longs: 238 U: 7 10 8 ans; 230 Th: 1.4 10 10 ans) - mais beaucoup plus chère 8
TD: Commentez! - Comparaison de 2 horloges: U/Th et 14 C Bard et al., 1990 U se substitue au Ca dans le réseau carbonaté Problème des systèmes «ouverts»: tous les carbonates ne «retiennent» pas les atomes «parents» et «fils» au cours du temps! -> Utilisation optimale: pour certains coraux non recristallisés mesuré par AMS et désintégration β Barbades -> Biais de la méthode 14 C fort après 9000 ans (âges trop jeunes) -> Résolution temporelle des datations U/Th peut être < 10 ans 9