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Contours de l’équipe

Résultats récents

Publications 2006-2010

Thèses depuis 2006

Projets

Collaborations

Membres de l’équipe :

Christoff Andermann (doctorant), (MC, , Alain Crave (CR, CNRS), Philippe Davy (DR, CNRS), Dimitri Lague (CR, CNRS, animateur de l’équipe), Jean-Jacques Kermarrec (IE, CNRS), Jérome Leroux (doctorant), Jean Van Den Driessche (PR, Rennes 1)

Thèses soutenues depuis 2006 : P. Laguionie (2006), J. Brenot (2007, en coll avec Univ. Bourgogne), S. Rohais (2007, en coll avec équipe Bassins) J. Dreano (2009, en coll. avec Institut de Physique de Rennes), L. Moulin (2009)

Contours de l’équipe

Observation, mesure et modélisation des processus élémentaires d’érosion et de transport et des dynamiques géomorphologiques induites

La Géomorphologie,

des courtes et moyennes échelles de temps …

 de l’événement unitaire (e. g. crue) aux échelles de temps (1-10 ka) de nombreux forçages morphogéniques (e. g. D climat)

 dynamiques très riches (recoupement d’un méandre, formation des terrasses, captures fluviatiles, etc.)

 favorables aux observations et mesures

... aux échelles de temps géologiques (> Ma)

 intégration à long-terme des processus élémentaires

 au cœur des recherches sur les couplages entre climat, érosion et tectonique

Résultats récents

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I - INCISION FLUVIATILE ET MORPHOLOGIE DES RIVIERES A LIT ROCHEUX

Rôle des fluctuations de débit et d’apport sédimentaire sur l’incision. Les modèles d’incision fluviatile ont longtemps négligé l’effet de couverture, c’est-à-dire l’inhibition de l’incision par le transport sédimentaire. Nous avons proposé la première solution analytique permettant de calculer la largeur et la pente d’équilibre d’une rivière en incision en fonction de la vitesse de surrection tectonique et du flux sédimentaire (Turowski et al., 2007). Un nouveau modèle numérique d’évolution d’une rivière en incision a aussi été développé (Lague, 2010 ; SSTRIM : Stochastic Sediment Transport and River Incision Model) qui présente l’originalité (i) de considérer un apport d’eau (crues) et de sédiment (glissements de terrain) stochastique, (ii) de prendre en compte l’effet de couverture et (iii) de calculer l’incision verticale et latérale dans la rivière, permettant à la largeur d’évoluer dynamiquement (à l’opposé des modèles traditionnels imposant la largeur). En partant de distributions naturelles intensité-fréquences de crue et de glissements de terrain, le modèle prédit que le fond rocheux d’une rivière alterne entre un état complètement couvert de sédiment, sans incision, et un état découvert. Le code SSTRIM démontre ainsi l’existence de rivières en incision rapide à long-terme (> 1 mm/an) mais qui peuvent sur plusieurs semaines à années être couvertes par plusieurs mètres de sédiment, comme nous l’avons décrit sur le terrain à Taiwan (Turowski et al., 2008). Ces travaux illustrent aussi le rôle fondamental du transport sédimentaire (et du dépôt temporaire de sédiment) sur le partitionnement entre érosion verticale et latérale. Lague (2010) démontre et explique la raison pour laquelle les crues extrêmes ont un rôle négligeable sur l’incision verticale (mais dominant pour l’incision latérale), comme cela a été mesuré à Taiwan (Turowski et al., 2008). Finalement, Lague (2010) démontre aussi que la prise en compte de la stochasticité des débits d’eau et de sédiment se traduit par des lois d’incision à long-terme nettement plus non-linéaires que celles traditionnellement utilisées dans la modélisation de l’évolution des reliefs.

Vue de la rivière Liwu (Taïwan), avant et après le passage du Typhon LongWang en Octobre 2005 (Turowski et al., 2008).

Sensibilité de la largeur des rivières au forçage tectonique. Nous avons exploré la sensibilité de la largeur (et de la pente) d’une rivière en incision à partir d’expériences en laboratoire, de réanalyses de données publiées et d’un modèle numérique d’une section de rivière ou la contrainte cisaillante est calculée en chaque point et évolue dynamiquement au cours de la simulation (Turowski et al., 2006 ; 2009). Nous mettons en évidence expérimentalement une réduction de la largeur de rivière avec la vitesse d’incision et l’existence possible d’une largeur minimale. En réinterprétant des données naturelles, nous montrons que la sensibilité de la largeur avec la vitesse de surrection tectonique est probablement une loi de puissance, en accord avec les prédictions théoriques. Enfin nous prédisons plus généralement que la largeur est non-seulement une fonction de la vitesse d’incision, mais aussi du flux de sédiment, ce qui rend l’utilisation de la largeur comme marqueur de la vitesse de surrection assez difficile.

Bassin expérimental à l’équilibre et variation de largeur du chenal en fonction de la vitesse de surrection (Turowski et al., 2006). II- CONTRAINTES NATURELLES ET MODELISATION DE L’EVOLUTION DES RIVIERES

Lois d’érosion fluviatile déduites de l’étude de systèmes naturels. A la fin du Messinien, la chute considérable (1500m) et rapide (105 ans) de la Méditerranée a entraîné la propagation d’une incision fluviatile, par exemple dans la vallée du Rhône. L’analyse morphologique et la simulation numérique (€ros) de cet évènement (Loget et al., 2006) montrent que le meilleur accord données/simulations est obtenu pour une relation non linéaire entre incision et aire drainée et pour une faible longueur de transport des sédiments. La courte longueur de transport, deux ordres de grandeur inférieure à la longueur du Rhône, suggère que son profil longitudinal s’est relaxé suivant un mode diffusif, expliquant l’absence de préservation de « knickpoint » le long du Rhône messinien. La loi d’érosion déduite de cette étude a été utilisée pour valider l’hypothèse d’une cause érosive dans la réouverture du Détroit de Gilbraltar à la fin du Messinien (Loget and Van den Driessche, 2006).

Modélisation numérique (code €ros) de la réponse du Rhône à la crise messinienne (Loget et al., 2006). Par rapport aux contraintes naturelles, la meilleure simulation est obtenue pour les paramètres de loi d’érosion suivants : m=1.5 ; n=1 ; longueur de transport = 4 km)

L’étude de la réponse érosive de toute une série de bassins versants du pourtour méditerranéen à la crise messinienne, couvrant trois ordres de grandeur de superficie (103 à 106 km2), montre le rôle dominant de l’aire drainée (relation en racine carrée) dans le contrôle de la migration de l’incision (Loget et Van den Driessche, 2009). A partir d’une compilation des vitesses moyennes de propagations de knickpoint sur des gammes de temps allant de 102 à 107 ans, cette étude montre une relation du même ordre, qui implique que des trains d’ondes successifs peuvent migrer à l’intérieur d’une rivière, éliminant dans un premier temps la couverture alluviale, puis correspondant dans un second temps à l’incision du socle, et constituant ainsi le temps de réponse réel des rivières.

Compilation de vitesses de recul de ruptures de pente dans les réseaux hydrographiques en fonction de la superficie drainée en amont (Loget and Van den Driessche, 2009).

Dans le même esprit que dans les études précédentes, nous avons utilisé le modèle SSTRIM (Lague, 2010) pour aborder l’incision des vallées glaciaires perchées dans les Alpes depuis le dernier maximum glaciaire (Valla et al., 2010). Différents modèles théoriques ont été testés pour déterminer leur capacité à reproduire l’état actuel des profils d’incision. Nous montrons que l’incision post-glaciaire est incompatible avec le modèle d’incision fluviatile classiquement utilisé en Sciences de la Terre, purement advectif (‘Detachment-limited model’). Au contraire, c’est un modèle diffusif (‘transport-limited model’) ou un modèle advectif dans lequel les variations dynamique de largeur et l’effet de couverture sont pris en compte, qui permettent de reproduire correctement les profils actuels de rivières. Comme dans l’exemple messinien (Loget et al., 2006), cette étude souligne les fortes limitations du modèle purement advectif utilisé traditionnellement en Sciences de la Terre.

Principes du code SSTRIM développé par Dimitri Lague (Lague, 2010)

Définition et de test de nouveaux modèles théoriques d’évolution des rivières. Nous avons proposé un nouveau formalisme théorique pour modéliser l’évolution des rivières aux échelles de temps géologiques (Davy and Lague, 2009). Il repose sur la séparation des termes d’érosion et de dépôt de sédiment dans le bilan de masse, avec la particularité d’introduire une notion de longueur de déséquilibre pour le terme de dépôt. Nous montrons comment cette longueur est reliée à la physique du transport sédimentaire, et comment elle varie avec le débit d’eau. Ce formalisme unique permet d’explorer des comportements purement advectif (‘detachment-limited’), diffusifs (‘transport-limited’), ou intermédiaires. Différentes études (Loget el al., 2006 ; Valla et al., 2010) suggèrent que ce régime intermédiaire est plus fréquent que précédemment envisagé. Par ailleurs, nous montrons comment cette longueur de transport influence la morphodynamique de l’écoulement fluviatile (e. g. géométrie des barres sableuses des rivières en tresse).

Différentes formes de lit fluvial modélisé par le code €ROS en fonction de la longueur caractéristique de transport (Davy and Lague, 2009). III - RELIEF DES CHAINES DE MONTAGNE / INFLUENCE DU CLIMAT ET DE LA SEDIMENTATION DE PIEDMONT

Modélisation expérimentale.Les modèles originaux d’évolution de relief en laboratoire que nous développons (Babault et al., 2007 ; Bonnet and Crave, 2006 ; Bonnet, 2009 ; Turowski et al., 2006 ; 2009), même si leur analogie avec les reliefs naturels n’est pas possible, présentent l’intérêt de pouvoir explorer des dynamiques géomorphologiques « naturelles » qui ne sont pas simulées à priori numériquement tant que des lois de comportement adéquates ne sont pas introduites dans les modèles. Dans ce sens, les modèles expérimentaux ont un aspect cognitif très fort et sont très riche d’enseignement pour l’analyse et l’interprétation des reliefs naturels.

Vues perspectives des MNT de topographies crées expérimentalement en laboratoire et relations pente-aire drainées correspondantes (Bonnet & Crave, 2006).

Contrôle climatique sur l’érosion et la dynamique des reliefs. Nous avons abordé ce problème à partir d’une double approche expérimentale et d’analyse de systèmes naturels. Au laboratoire, nous montrons que l’altitude d’équilibre d’une surface topographique est dépendante du climat via une dépendance inverse avec la pluviométrie moyenne (Bonnet and Crave, 2006). En contexte de soulèvement actif, il en résulte qu’une aridification du climat induit un soulèvement de la topographie (« climatically-induced surface uplift » de Bonnet and Crave, 2003) en raison d’une diminution temporaire de la vitesse d’érosion. Nous avons confronté ce modèle « climatique » de soulèvement topographique à l’évolution fini-cénozoïque du Bhutan (Est Himalaya) à partir d’une analyse structurale, morphologique et thermochronologique (Grujic et al., 2006). Nous montrons que les surfaces d’érosion de faible relief perchées à haute altitude dans l’Est du Bhutan ont été soulevées suite à une décroissance de la vitesse d’érosion à 5.9 Ma. Nous proposons que ce soulèvement résulte d’une chute fini-Miocène de la pluviométrie au Bhutan suite à l’effet d’écran à la mousson induit par le soulèvement du plateau du Shillong.

Topographie et structures principales du Bhutan (Gruijic et al., 2006). Les données thermochronologiques (traces de fission sur apatite) sont indiqués par les points rouges et bleus Les pointillés blancs délimitent des surfaces de faible relief perchées à haute altitude (> 4500 m) et qui ont soulevées suite à une décroissance de la pluviométrie il y a 5.9 Ma.

La croissance d’une chaîne de montagne s’accompagne généralement du développement d’un gradient de précipitations par effet orographique. Nous montrons expérimentalement que l’application d’un gradient transverse de pluviométrie à un relief en surrection induit une migration continue de sa crête principale vers le côté aride. Nous montrons que les bassins versants dont la taille diminue progressivement (shrinking) se subdivisent en deux bassins versants indépendants suivant un mécanisme (splitting) décrit ici pour la première fois (Bonnet, 2009). Toutes les étapes de cette évolution, définies expérimentalement, ont été décrites dans la topographie de la Sierra Aconquija (Argentine), relief tectoniquement actif du front Est des Andes qui fait barrière aux masses nuageuses humides issues de l’Atlantique. Bonnet (2009) montre que la ligne de partage des eaux de ce relief a migré à une vitesse de l’ordre du mm/an depuis que son altitude est suffisante pour perturber les circulations atmosphériques ( 3 Ma). Le climat peut donc induire le déplacement des lignes de crête des chaines de montagne à une vitesse du même ordre de grandeur que leur soulèvement. Cette étude montre qu’il est maintenant possible de caractériser la migration des lignes de crête des reliefs à partir de l’étude géomorphologique des bassins versants et des réseaux de rivière associés.

Migration de la ligne de partage des eaux d’un relief expérimental et modèle de séparation des bassins versants consécutive à cette migration ("splitting" ; Bonnet, 2009). Bas : Vue du flanc aride de la Sierra Aconquija (Argentine), ou toutes les étapes de ce processus ont été observées et sont en cours d’étude actuellement (projet SysTer S. Bonnet).

Origine des surfaces de faible relief perchées à haute altitude dans les chaînes de montagne. La présence de telles surfaces (« relict landscapes ») est une caractéristique morphologique assez fréquente dans les domaines orogéniques, qu’ils soient actifs (e.g. Est Tibet) ou non (e. g. Pyrénées). Ces topographies sont classiquement considérées comme des reliques d’une topographie préexistante, soulevées passivement suite à un changement des conditions de soulèvement tectonique. L’étude que nous avons mené sur le Bhutan (Grujic et al., 2006) et en laboratoire (Bonnet and Crave, 2003 ; 2006), montre que ces topographies peuvent être soulevées pour des raisons climatiques. Des expériences en laboratoire nous ont permis de mettre en évidence un troisième mécanisme par lequel des surfaces de faible relief peuvent être formées, sans qu’il ne s’agisse cette fois de topographies reliques comme dans les deux autres cas (Babault et al., 2007). Nous montrons que l’aplanissement d’un relief peut se produire syn-soulèvement, et de façon primaire en altitude, lorsque les produits d‘érosion s’accumulent au pied des reliefs, entrainant une élévation de leur niveau de base. Dans ce cas, il n’est donc pas nécessaire d’invoquer une phase de soulèvement postérieure à leur formation, comme c’est le cas habituellement. Ce modèle de planation syn-surrection des reliefs vient à l’appui de l’interprétation géomorphologique que nous avons donné des Pyrénées (Babault et al., 2005 ; 2006a), interprétation novatrice qui a conduit à animer un débat dans les revues internationales (e ; g. Babault et al., 2006b ; 2009).

Modélisation expérimentale de l’aplanissement syn-soulèvement d’un relief, induit par la sédimentation de piedmont (Babault et al., 2007)

Morphologie « terre-mer » des orogènes. La comparaison des caractéristiques morphologiques (profils de rivière, relations pente-aire drainée) de la partie aérienne et sous-marine de la partie Sud-Est de Taiwan (Ramsey et al., 2006) montre que le prisme a une pente constante entre la partie aérienne et sous-marine. Nous notons aussi une très grande similarité entre l’organisation du relief aérien et sous-marin avec en particulier des lois d’échelles entre pente et aire drainée qui ne sont pas fondamentalement différentes. Le réseau de vallées sous-marin est dendritique avec des versants et des chenaux bien distincts qui semblent sculptés essentiellement par des processus sous-marins (l’apport de sédiment depuis la zone subaérienne étant minime). Nous quantifions aussi le rôle systématique des variations lithologiques sur la relation entre pente et aire drainée des versants et des rivières, et comparons en quoi les mécanismes d’érosion dominant dans chacun des domaines sont responsables des lois d’échelles observées.

PUBLICATIONS 2006-2010

Babault, J., Loget, N., Van den Driessche, J., Castelltort, S., Bonnet, S., and Davy, P. Did the Ebro basin connect to the Mediterranean before the Messinian Salinity Crisis ? Geomorphology, 81, 155-165, 2006

Babault, J., Van den Driessche, J., Bonnet, S., Castelltort, S., and Crave, A., Origin of the highly elevated Pyrenean peneplain. Reply to the Comment by Yanni Gunnel, and Marc Calvet, Tectonics, vol. 25, TC3003, doi:10.1029/2005TC001922, 2006.

Bonnet, S., and Crave, A. Macroscale dynamics of experimental reliefs. In : Buiter, S.J. H. & Schreurs, G. (eds), Analogue and numerical modelling of crustal-scale processe, J. Geol Soc. London Spec. Publ., 253, 327-339, 2006.

Brenot, J., A. Quiquerez, C. Petit, J.-P. Garcia, and P. Davy. Soil erosion rates in Burgundian vineyards, Boll. Soc. Geol. It., Vol. Spe. n. 6, 169-173 (2006).

Grudjic, D., Coutand, I., Bookhagen, B., Bonnet, S., Blythe, A., and Duncan, C. Climatic forcing of erosion, landscape, and tectonics in the Bhutan Himalayas. Geology, 34, 801-804, 2006.

Loget N. and Van Den Driessche J. On the origin of the Strait of Gilbraltar. Sedim. Geol. 188, 341-356, 2006.

Loget N, Davy P. and Van den Driessche, J. Mesoscale fluvial erosion parameters deduced from modeling the Mediterranean sea level drop during the Messinian (late Miocene). Journal of Geophysical Research – Earth Surface 111, F03005, 2006.

Turowski, J., Lague, D., Crave, A. and Hovius, N., Experimental Channel Response to Tectonic Uplift, Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 111, F04006, 2006.

Turowski, J., Lague, D. and Hovius, N.Cover effect in bedrock abrasion : A new derivation and its implications for the modeling of bedrock channel morphology. Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 112,F04006, 2007.

Ramsey, L., Hovius, N., Lague, D., Char-Sine, L., Topographic characteristics of the submarine Taiwan orogen, Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 111, F02009, 2006.

Babault, J., Bonnet, S., Van den Driessche, J., and Crave, A. High elevation of low-relief surfaces in mountain belts : does it equate to post-orogenic surface uplift ? , Terra Nova, 19, 272-277, 2007.

Turowski, J.M., Hovius, N., Meng−Long, H. Lague, D. and Men−Chiang, C., Distribution of erosion across bedrock channels, Earth Surf. Proc. and Landforms, 33,3,2008.

Andermann, C. and Gloaguen, R. Estimation of erosion in tectonically active orogenes. Example from the Bhotekoshi catchment, Himalaya (Nepal), International Journal of Remote Sensing, vo. 30, 12, 3075-3096, 2009.

Babault, J., Bonnet, S., Ruiz, G., and Van den Driessche, J. A comment on “Late-to post-orogenic exhumation of the Centran Pyrenees revealed through combined thermochronological data and modelling” by M. Gibson, H. D. Sinclair, G. J. Lynn and F.M. Stuart. Basin Research, 21, 139-141, 2009.

Bonnet, S. Shrinking and splitting of drainage basins in orogenic landscapes from migration of the main drainage divide. Nature Geosci., 2, 766–771, 2009.

Davy, P. and Lague, D., The erosion/transport equation of landscape evolution models revisited, Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 114, F03007, 2009.

Loget N, Van Den Driessche J. Wave train model for knickpoint migration. Geomorphology 106, 376-382, 2009.

Turowski, J., Lague, D. and Hovius, N., Channel response to tectonic forcing : Insights from a numerical model, theoretical considerations and comparison with field data, Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 114, F03016, 2009.

Lague, D., Reduction of Long-Term Bedrock Incision Efficiency by Short-Term Alluvial Cover Intermittency, Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 115, F02010, 2010.

Valla P., Van den Beek, P. and Lague, D., Fluvial incision into bedrock : insights from morphometric analysis and numerical modeling of gorges incising glacial hanging valleys (Western Alps, France), Journal of Geophysical Research – Earth Surface, 115, F02011, 2010.

Simoes, M., Braun, J. and Bonnet, S., Continental-scale erosion and transport laws : a new approach to quantitatively investigate macro-scale landscapes and associated sediment fluxes over the geological past. G3, accepted manuscript, 2010.

Thèses soutenues depuis 2006 / en cours

Laguionie, P. Mesures in situ et Modélisation du transport des sédiments en rivière. Application au bassin versant de la Vilaine. Thèse Univ. Rennes 1 (Directeurs A. Crave et P. Davy), Decembre 2006. Prix de thèse « Henri Milon » 2008 de la Société Hydrotechnique de France

Rohais, S. Architecture stratigraphique et flux sédimentaires sur la marge Sud du Golfe de Corinthe (Grèce) : analyse de terrain, modélisations expérimentales et numériques. Thèse Univ. Rennes 1 (Directeurs F. Guillocheau, M. Ford et S Bonnet), Février 2007. Prix de thèse « Yves Chauvin » de l’Institut Français du Pétrole 2007. Prix de thèse GDF-SUEZ « Yvonne Guebler » de l’Assocuiation des Sédimentologues Français 2009

Brenot, J. Quantification de la dynamique sédimentaire en contexte anthropisé : l’érosion des versants viticoles de Côte-d’Or. Thèse Univ. Bourgogne (Directeurs A. Quiquerez, P. Davy et J.-P. Garcia), Mai 2007. Moulin, L. Instabilités en tresses des systèmes fluviatiles : études de rivières de Nouvelle-Zélande et modélisation. Thèse Univ. Rennes 1 (Directeurs P. Davy, S. Bonnet et D. Lague), Juin 2009

Dreano, J. Dynamique et morphologie de dépôts sédimentaires en chenal expérimental . Thèse Univ. Rennes 1 (Directeurs D. Lague et A. Vallance ), Decembre 2009.

Thèse en cours

Andermann, C. Estimation de l’érosion au Népal imagerie satellite. Cotutelle Univ. Rennes 1 et Univ. Freiberg, Allemagne (Directeurs S. Bonnet et R. Gloaguen). Thèse en cours (prévu Sept 2011) Leroux Jérome. Thèse Univ. Rennes 1, en cours (prévue Sept. 2013).

HDR2006-2010

Crave, A. La modélisation expérimentale de la dynamique des reliefs. Univ. Rennes 1, Mars 2006

Lague, D. Dynamique des rivières et des reliefs : de la crue à l’orogenèse. Univ. Rennes 1, Juin 2009

Projets financés depuis 2006 / en cours

 « Inondation dans le bassin de la Vilaine : paramètres hydrogéomorphologiques et flux terrigènes » IAV (2005-2007) Resp. A. Crave

 « MICMAC : Empilements statiques et écoulements de surface dans les milieux granulaires, conséquences pour les transferts sédimentaires naturels. » ANR (2006-2009) Resp. R Delannay (IPR)

 « Développement méthodologique de la mesure de transport de fond dans les rivières » (2007 – 2008) Resp. A. Crave

 « DRH : Dynamique des Réseaux Hydrographiques » CNRS-INSU « RELIEFS » (2007-2009) Resp. D Lague

 « Quantification des altitudes de la chaîne hercynienne ouest-européenne » CNRS-INSU « RELIEFS » (2007-2009) Resp. S. Bonnet.

 « 3D-VEROS : Erosion rates measurements with terrestrial laser scanner » CNRS-INSU(2009). Resp. D Lague

 « Dynamique des Reliefs en contexte de fort gradient climatique : Observations, mesure (Sierra Aconquija, Argentine) et modélisations » CNRS-INSU SysTer (2010-2013). Resp. S. Bonnet

Collaborations

 Nationales : IPR (Rennes), INSA (Rennes), LGCA/LGIT (Grenoble), LMTG (Toulouse), IPGP (Paris),

 Internationales : Freiberg University (Allemagne, R. Gloaguen), Université de Cambridge (UK, N. Hovius), ETH Zurich (Suisse, S. Castelltort), WSL Birmensdorf (Suisse, J. Turowski), Delft Uni. Technology (Pays-Bas, J. Wallinga), Victoria University, Wellington (Nouvelle Zélande, U. Rieser), Canterbury University, Christchuch (Nouvelle Zélande, T. Davies), Dalhousie University, Halifax (Canada, D. Grujic, I. Coutand), Université de Tucuman (Argentine, R. Mon, S. Moyano), CONICET (Argentine, G. Bonorino), Universitat Autonoma de Barcelona (Espagne, J. Babault), , UNALM (Perou, E. Chavarri).