Dynamique Source-to-Sink des paysages éoliens

Source-to-sink dynamic of aeolian landscapes

• Auteur / Autrice : Colin Chanteloube
• Direction : Clément Narteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : France Lagroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Dupont, Cécile Robin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Allemand, Pascal Dupont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Érosion éolienne

Déserts

Effets du vent

Dunes

Mots clés libres

Désert

Transport et paysages éoliens

Morphodynamique dunaire

Source-to-sink

Bilan de masse

Desert

Aeolian transport and landscapes

Dune morphodynamics

Source-to-sink

Mass balance

Résumé

La contribution des processus éoliens à la dynamique des paysages reste encore difficile à estimer sur Terre. Actuellement, il existe encore peu ou pas de bilans de masses éoliens permettant de mesurer l'apport des écoulements atmosphériques à la dynamique des surfaces continentales et à leurs échanges de matière avec l'atmosphère et les océans. Dans cette thèse, nous étudions des zones arides pour lesquelles le vent est reconnu comme un acteur majeur de l'évolution des paysages et du transport sédimentaire. En travaillant de l'échelle des dunes à celle des déserts, nous estimons des budgets sédimentaires éoliens sur différentes échelles de temps en quantifiant, à partir d'images satellitaires, de topographies digitales et de modèles de circulation générale, les taux d'érosion, de transport et de dépôt le long des routes de sédiments engendrées par les vents de surface. Notre approche peut être décrite comme une analyse source-to-sink des paysages et des flux éoliens. Son originalité réside dans la collecte de données indépendantes permettant de caractériser le transport par le vent sur différentes échelles de temps. À court terme (~10 ans), des prédictions de réanalyses météorologiques sont combinées à des lois de transport pour déterminer les flux de sable potentiels au sein des déserts. À moyen terme (~10^4 ans), la variété des motifs dunaires, leur orientation et leur dynamique sont décrites à partir de deux mécanismes de croissance pour estimer les flux de sable sur des structures isolées, au travers des champs de dunes ou en périphérie des mers de sable. À long terme (~10^7 ans), les reconstructions paléotopographiques, l'estimation des volumes sédimentaires associés et des datations permettent non seulement de déterminer les taux d'érosion et de dépôt, mais aussi d'apporter de nouvelles contraintes quantitatives à l'organisation spatiale et l'évolution temporelle des paysages. Développés en contexte endoréique ou côtier, les déserts du Lut en Iran et du Namib en Namibie sont des laboratoires naturels qui présentent de nombreux atouts pour tester notre approche source-to-sink. Des objets géomorphologiques spectaculaires de toutes tailles (de 1 à 100 m de haut), excavés (yardangs) ou déposés (dunes) par le vent, permettent de caractériser les routages éoliens et de réaliser des bilans de masse depuis les zones sources en érosion jusqu'aux zones puits en dépôt. Sur quelques décades à quelques millions d'années, la cohérence des résultats obtenus montre le rôle prépondérant et persistant des processus éoliens. Intégrés à l'échelle de ces deux déserts, les taux d'érosion et de dépôt sont de l'ordre de 10^-4 m an^-1, pour des flux volumiques de l'ordre de 5x10^5 m3 an^-1. Aux échelles de temps géologiques, un déficit de masse au niveau des routages éoliens fermé du Lut (>50%) et ouvert du Namib (~80%) pourrait respectivement rendre compte des émissions de poussière potentiellement déflatée dans l'atmosphère ou du remaniement périodique des dépôts éoliens par le vent et/ou les rivières. Afin de valider quantitativement le formalisme théorique à partir duquel nous estimons l'orientation des dunes et les flux de sable à partir des réanalyses météorologiques, nous avons également mené une campagne de mesures explorant une large gamme de vitesse et d'orientation du vent à la crête de la dune géante du Pilat. En utilisant comme référence des mesures sur lit plat au niveau du banc d'Arguin en amont, nous vérifions quantitativement que le taux d'accélération de la vitesse et la réorientation du vent dépendent de la pente expérimentée par l'écoulement. Indépendamment, une analyse des motifs dunaires superposés démontre que, même sur les pentes d'une dune côtière en climat tempéré, deux mécanismes de croissance coexistent et participent à la dynamique globale des paysages éoliens. Combinées les unes aux autres, ces différentes études se complètent pour mesurer l'impact des processus éoliens sur les surfaces continentales.

Estimating the contribution of aeolian processes to landscape dynamics on Earth is a difficult task. At present, no comprehensive aeolian mass balance exists to measure the impact of atmospheric flows on dynamics of continental surfaces and on their matter exchanges with the atmosphere and oceans. In this thesis, we study arid regions where the wind is recognised as a major player in the evolution of landscapes and sediment transport. Working from the scale of dunes to entire deserts, we estimate aeolian sediment budgets on different timescales by quantifying, from satellite images, digital topography and general circulation models, the rates of erosion, transport and deposition along the sediment routes generated by surface winds. Our approach can be described as a source-to-sink analysis of aeolian landscapes and flows. Its originality lies in the collection of independent data to characterise wind transport on different time scales. In the short term (~10 years), predictions from climate reanalyses are combined with transport laws to determine potential sand flows within deserts. In the medium term (~10^4 years), the variety of dune patterns, their orientation and their dynamics are described using two growth mechanisms to estimate sand flows over isolated structures, across dune fields or at the periphery of sand seas. In the long term (~10^7 years), palaeotopographic reconstructions, estimates of associated sediment volumes and dating make it possible not only to determine erosion and deposition rates, but also to provide new quantitative constraints on the spatial organisation and temporal evolution of landscapes. Developed in an endoreic or coastal context, the Lut Desert in Iran and the Namib Desert in Namibia are natural laboratories that offer numerous advantages for testing our source-to-sink approach. Spectacular geomorphological objects of all sizes (from 1 to 100 m high), excavated (yardangs) or deposited (dunes) by the wind, make it possible to characterise aeolian routing systems and to carry out mass balances from eroding source areas to depositing sink areas. Over periods ranging from a few decades to a few million years, the consistency of the results obtained demonstrates the dominant and persistent role of aeolian processes. Integrated on the scale of these two deserts, the rates of erosion and deposition are of the order of 10^-4 m yr^-1, for sediment discharges of the order of 5x10^5 m^3 yr^-1. On geological timescales, a mass deficit at the level of the closed Lut (>50%) and open Namib (~80%) aeolian routing systems could respectively account for dust emissions potentially deflated in the atmosphere by the wind or periodic reworking of aeolian deposits by the wind and/or rivers. In order to quantitatively validate the theoretical formalism on the basis of which we estimate dune orientation and sand fluxes from climate reanalyses, we also conducted a measurement campaign exploring a wide range of wind speed and orientation at the crest of the giant Pilat Dune. Using flat-bed measurements on the upstream Arguin Bank as a reference, we quantitatively verified that the rate of acceleration of wind speed and reorientation depends on the slope experienced by the flow. Independently, an analysis of superimposed dune patterns demonstrates that, even on coastal dune slopes in temperate climates, two growth mechanisms coexist and contribute to the overall dynamics of wind landscapes. Combined, these different studies complement each other in measuring the impact of wind processes on continental surfaces.