L’érosion et l’altération en Himalaya et leur évolution depuis le tardi-pléistocène : analyse des processus d’érosion à partir de sédiments de rivière actuels et passés au Népal central

Erosion and weathering in the Himalaya and their evolution since Late Pleistocene : Analysis of erosion processes from past and present river sediment in Central Nepal

• Auteur / Autrice : Guillaume Morin
• Direction : Christian France-Lanord, Jérôme Lavé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 09/12/2015
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Albert Galy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Huyghe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Chabaux, Jérôme Gaillardet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Himalaya (Népal)

Sédiments (géologie) -- Transport

Érosion

Météorisation (géomorphologie)

Mots clés libres

Érosion

Altération

Climat

Transition climatique

Glissements de terrains

Glaciers

Transport sédimentaire

Hydratation

Impact anthropogénique

Erosion

Weathering

Climate

Climatic transition

Landslides

Glaciers

Sedimentary transport

Hydration

Human impact

Résumé

L’altération chimique et l’érosion physique de la croûte continentale mobilisent de grandes quantités de matière sous formes solide et dissoute. Première productrice de sédiments sur le globe, la chaîne Himalayenne délivre ~1 Gt/a de sédiments aux océans. L'importance des différents facteurs qui contrôlent les flux érodés et celle des processus d’érosion (glaciers, glissements de terrain, sols) sont pourtant encore mal définies. Il en va ainsi des facteurs climatiques, en particulier de leur impact au cours des transitions climatiques. Afin de répondre à ces questions, ce travail s’attache à comparer la composition géochimique des produits de l’érosion à celles des sédiments actuels de rivière et des archives sédimentaires de la plaine du Gange. Un premier bilan des processus d’érosion a été établi petite échelle dans le bassin Haut-Himalayan de la Khudi. L’érosion actuelle conséquente de ce bassin de ~3mm/a se produit lors de la mousson, correspond pour l'essentiel à l’érosion des sols et surtout à l'intense activité d'une zone de glissement de terrain. Grâce au développement d'une nouvelle méthode de destruction de la matière organique, la mesure de l’hydratation des silicates a pu être utilisée comme traceur inédit des sols. Sur cette base, l’inversion des compositions des sédiments de la rivière démontre que l’érosion physique est dominée à ~80% par le glissement de terrain, l’érosion de sols étant mineure et comparable aux taux d’érosion des autres bassins alentours. L’érosion chimique qui conduit à un flux d'éléments dissous de 7.9 kt/a (soit une érosion équivalente de 0.02 mm/a) semble dériver de l’altération profonde du substrat rocheux. Néanmoins les flux d'éléments dissous dessinent également une relation marquée avec les flux particulaires durant la mousson, suggérant une altération additionnelle des sédiments au cours du transport fluvial. Une approche similaire a ensuite été menée à l’échelle plus vaste du bassin de la Narayani drainant l’ensemble du Népal central. Grâce à des mesures de courant par ADCP combinées à l’échantillonnage de sédiments en profondeur, un modèle de transport sédimentaire a été utilisé pour intégrer les flux sédimentaires en profondeur et ainsi réviser le taux d’érosion moyen sur le bassin versant à une valeur de ~1.7 mm/a, proche des taux d'érosion long-terme. Un système géochimique associant la mesure du δD des silicates associée aux concentrations en carbonate s’est révélé un traceur diagnostique de l’érosion glaciaire dans le Nord du bassin, tandis que la teneur en matière organique du sédiment a pu être utilisée comme traceur des sols. L’analyse temporelle des flux de sédiments, de leur composition et du signal granulométrique, a ainsi permis d’établir que seule une faible fraction des sédiments (<20%) provenait de l’érosion par les glaciers et les sols. À l'échelle du Népal central, l’érosion physique semble donc également dominée par les glissements déclenchés lors de la période de mousson. Le grand cône alluvial de la Narayani-Gandak, situé au débouché de cette rivière dans la plaine du Ganges, a enregistré l’histoire récente de l’érosion du Népal central. Trois forages réalisés dans ce méga-cône permettent ainsi d'étudier l'évolution de l'altération et de l'érosion en Himalaya au cours du tardi-Pléistocène. Ces dépôts sédimentaires révèlent une étonnante stabilité depuis ~45 ka de la géochimie, des provenances et du degré d’altération des sédiments. Seule l’intensité de l’érosion mesurée par isotopes cosmogéniques semble augmenter au cours de l’Holocène. Par contraste, l’évolution très récente de la distribution de l’érosion dans la chaîne est marquée par un accroissement (x3) de la proportion de matériel des régions basses et plus peuplées de l'Himalaya, montrant que les activités anthropiques, via notamment une forte croissance du réseau routier durant la dernière décennie, [...]

Chemical weathering and physical erosion of the continental crust mobilise huge amounts of both solid and dissolved material. As the first sediment generator on the Earth, the Himalayan range releases around 1 Gt/y of sediment into the ocean. The relative influence of the different factors that control the eroded fluxes and the importance of the erosion processes (such as landslides, glaciers, soils) are as yet poorly understood. The same is true of the climatic factors, especially regarding their impact during climatic transition periods. In order to address those questions, this work focuses on comparing the geochemical composition of erosion products to the composition of present river sediment and of sedimentary records in the Ganga Plain. A first budget of the erosion processes was done on a small scale in the Khudi catchment of Higher Himalaya. The total present-day erosion is considerable, at around 3 mm/y and takes place during the monsoon. It is mainly linked to the soils erosion and more importantly to the intense activity of a landsliding area. The development of a new method for the destruction of organic matter enabled the use of silicates hydration as a tracer for soils. Based on this method, a mathematical inversion of the sediment compositions was performed. It highlights that the landslide is responsible for ~80% of the overall physical erosion. The soil erosion is minor and is comparable to the erosion rates measured in the neighbouring catchments. The chemical erosion leads to a dissolved flux of 7.9 kt/y (corresponding to an erosion rate of 0.02mm/y) and seems to come from the bedrock deep weathering. Nevertheless, the dissolved fluxes also appear to be linked with the particles fluxes during the monsoon. This suggests an additional weathering of the sediment during the fluvial transport. A similar approach was used on a larger scale in the Narayani catchment that drains the whole of Central Nepal. Through ADCP-based current measurements combined with deep sediment sampling, a model for sedimentary transport was used to integrate the deep sediment fluxes. The average catchment-scale erosion rate was then corrected to a value of ~1.7 mm/y, close to the long-term erosion rates. A geochemical system that combines the measurement of the δD of silicates and the concentrations of carbonates was found to be a diagnosis tracer for glacial erosion in the northern part of the catchment. The organic matter ratio was used as a tracer for soils. The temporal analysis of sediment fluxes, as well as the sediment composition and granulometry showed that only a small fraction (< 20%) of the sediment comes from glacial and soils erosion. Over the whole Central Nepal, the physical erosion seems also to be dominated by the landslides that are triggered during the monsoon. The large Narayani-Gandak alluvial fan is located at the river mouth and can be used as a record of the recent history of Central Nepal erosion. Three drillings were done in this fan to enable the study of the evolution of Himalayan weathering and erosion during the Late Pleistocene. The sedimentary deposits display a surprising stability in their geochemistry, their sources and their weathering stage for the last ~45 ky. The erosion intensity derived from cosmogenic nuclides is the only feature that seems to have risen during Holocene. However, the very recent evolution of the erosion distribution in the range is characterised by an increase (x3) of the proportion of products coming from the lower, more densely populated areas. This shows that the anthropogenic activities have had a larger impact on the erosion than the last Pleistocene-Holocene transition, especially through the rapid growth of the road network during the last decade.