Les grands lacs périalpins: archives du fonctionnement de la zone critique

The large peri-alpine lakes: archives of the Earth's critical zone evolution

• Auteur / Autrice : William Rapuc
• Direction : Fabien Arnaud, Pierre Sabatier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Terre, Univers et Environnement
• Date : Soutenance en 2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Bertrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie Revel, Christophe Colin, Stéphanie Girardclos, Matthias Hinderer, Anthony Dosseto, Fabien Arnaud, Pierre Sabatier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Revel, Christophe Colin

Mots clés

Mots clés libres

Sédimentologie

Holocène

Alpes

Holocene

Sedimentology

Geochemistry

Résumé

Par ses effets sur la zone critique et sur les sociétés humaines avec notamment la détérioration des sols, des stocks de carbone dans les sols, et de la production alimentaire, l'érosion est devenue un sujet scientifique de première importance à l'échelle globale, et en particulier dans les zones de montagne où ses effets sont amplifiés. Les préoccupations croissantes concernant les effets délétères de l'érosion ont conduit l'Europe et les Nations Unies à classer l'érosion des sols comme l'une des principales menaces pour l'humanité et à appeler à une évaluation quantitative de la perte de sol sur de grandes échelles spatiales et temporelles. Ces évaluations permettront de mieux apprécier les effets relatifs des principaux facteurs de contrôle de l'érosion à court ou moyen terme que sont le climat (i.e., à travers les régimes de précipitations et les avancées et retraits des glaciers) et les activités humaines (à travers l'utilisation des terres et la gestion du couvert végétal). Cette thèse propose de fournir des éléments quant à l'évaluation des taux d'érosion sur des périodes pluri-centennales à millénaires dans les Alpes Européennes à partir d'archives sédimentaires lacustres et d'interroger les effets des différents facteurs forçant l'érosion au cours du temps. Une analyse multi-indicateurs des séquences sédimentaires a été conduite sur deux grands lacs périalpins, ceux du Bourget (France) et d'Iseo (Italie), utilisées comme archives de l'érosion de la zone critique sur de grand bassin versants. Cette méthode est combinée à une approche « source-puits » offrant la possibilité de suivre les sources des apports de sédiments (sous-bassins versants et/ou types de roches) vers un puits (le lac) à travers le temps. Cette approche permet de démêler les impacts relatifs du climat et des activités humaines sur les taux d'érosion, à condition que chaque source de sédiments soit sensible à un type donné de forçage. La comparaison des taux d'érosion obtenu avec des modèles d'érosion actuelle ainsi qu'avec des données déjà disponibles permet la validation de nos résultats. Enfin, l'utilisation de modèles de mélanges issus de données de la composition isotopique des sédiments, permet l'obtention d'information quantitative quant à l'impact de ces différents facteurs forçant. Cette thèse s'est tout d'abord intéressée à l'identification et la description des processus sédimentaires à l'œuvre dans les grands lacs périalpins, peu étudiés dans le passé du fait de la complexité que représentaient les prélèvements sédimentaires à ces profondeurs. Ces processus ont un impact direct sur la qualité du signal d'érosion enregistrés dans les lacs et leur interprétation correspond au premier verrou scientifique levé par ce travail. Une méthodologie d'identification semi-automatisée a ainsi été mise en place. Ici nous avons démontré que la disponibilité en sédiment dans le lac et son bassin versant avait un impact direct sur l'enregistrement des événements extrêmes comme les crues ou l'activité sismique. Une fois les événements extrêmes identifiés et décrits, l'érosion continue des bassins versants a pu être étudiée. Au cours de l'Holocène, les taux d'érosion dans les Alpes augmentent progressivement à partir de 4.2 ka BP avant d'augmenter drastiquement aux alentours de la période Romaine et du Moyen-Age. Bien que l'évolution climatique régionale, avec une humidification progressive à partir de 4.2 ka BP, favorise l'augmentation des taux d'érosion, elle ne peut expliquer seule les taux mesurés. L'Homme, par la transformation des paysages et l'utilisation des sols, dû à l'agriculture, le pastoralisme et l'extraction de minerai notamment, a impacté la zone critique et induit une augmentation de l'érosion sans précédent au cours de l'Holocène.

Erosion has become a scientific subject of prime importance worldwide due to its impacts on the Critical Zone and on human societies. Among other impacts, by destroying soils, erosion alters ecosystems services, the soils carbon stocks, and the food production. More than elsewhere the impacts of erosion are amplified in mountainous environment. Increasing concern about these deleterious effects have led Europe and the United Nations to rank soil erosion as one of the main threats to mankind, and to call for quantitative evaluation of soil loss over large spatial and long temporal scales. These evaluations imply notably to better assess the relative effects of the main factors controlling erosion. In particular, climate (e.g., through the precipitation regimes and glaciers advances and retreats) and human activities (through land-use and vegetation cover management) have been identified as major controls on long-term changes in erosion rates. This work offers to provide (i) a quantitative evaluation of erosion rates over centennial to multi-millennial time scales in European Alps from lake sediments and (ii) to disentangle the impact of the different factors forcing the erosion. A multi-proxy analysis of the lake sediments was led on Lake Bourget (France) and Lake Iseo (Italia), two large peri-Alpine lakes, used as archives of the critical zone erosion over large catchments. The combination with a “source-to-sink” approach offers the possibility to track the sources of sediment inputs (sub-catchments and/or rock types) to a sink (e.g., a lake) through time, making it in turn possible to disentangle the relative impacts of climate and human activities upon erosion rates, provided that each sediment source is sensitive to a given type of forcing. The comparison between erosion rates measured with the results of current modelled rates and with data from the literature allows for the validation of our results. Then, quantitative information on the impact of each forcing factors on erosion are obtained from the use of mixing models from sediments isotopic composition. First, this work focussed on the identification and the description of the sedimentary processes occurring in the deep and large peri-Alpine lakes, sparsely studied before, due to the high complexity of the coring at such depths. These processes have a direct impact on the quality of the erosion signal recorded in lake sediments. Interpretating these sedimentary processes was the first scientific problem resolved by this work. By doing so, a new semi-automatised methodology of identification of the event layers was also developed during this PhD. The sediment availability in lakes and catchments was identified as the first driver of extreme event (i.e., flood and earthquakes) recording in lake sediments. Once the extreme events identified and described, the continuous erosion of the catchments could have been studied. During the Holocene, erosion rates in the Alpes progressively increase from 4.2 ka BP before rising drastically around the Roman Period and the Middle Ages. Regional climate evolution has favoured the increase of the erosion rates from 4.2 ka BP due to a progressive increase of the precipitation amounts but cannot explain alone the erosion rates measured. Human activities, by the transformation of the landscapes and the land use, due to agriculture, pastoralism and ore mining for instance, impacted the Critical Zone and led to an unprecedented increase of the erosion over the Holocene.