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06/10/2014
Licence S5
2014-2015
UE
« Tectonique et Tectonophysique »
GÉOMORPHOLOGIE
QUANTITATIVE
Jacques Déverchère
UBO – Brest
PLAN
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
•
•
•
•
•
•
•
•
C. Marqueurs linéaires
•
•
•
Terrasses et rivages marins
Rivages lacustres
Deltas
Terrasses de rivière
Eventails alluviaux
Colluvions de faille
Surfaces diverses
Rivières et crêtes
Moraines glaciaires
D. Paléosismologie sous-marine: les turbidites
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1. INTRODUCTION: TECTONIQUE ET
GÉOMORPHOLOGIE
A. Définition de la géomorphologie tectonique
Etude des processus agissant en compétition, soit pour élever, soit
pour abaisser la surface terrestre, et de ses implications en terme
d’évolution des paysages et de géodynamique
-> Science « intégrative »
-> Science s’intéressant à des processus « profonds » et superficiels
-> Science en pleine évolution par l’apport de techniques nouvelles
B. Intérêts, principe
–Comprendre l’évolution du
paysage
» Pourquoi une forme donnée?
» Quelles forces responsables?
–Une science intégrant plusieurs
disciplines…
» Sismologie (et paléosismologie)
» Changements climatiques Quaternaires
» Géochronologie
» Géologie et géomorphologie structurale
» Géodésie
» Sédimentologie
» Paléobotanique
–… et plusieurs techniques de
quantification récentes
» Mécanique des failles…
» Spatiale (imagerie, GPS, interférométrie
radar)
» De datation (méthodes isotopiques, Traces
de fission sur apatite, …)
» géologiques (tranchées, érosion,
sédimentation)
» Climatologie…
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C. Problématique
Processus tectoniques à identifier:
- Déformation relativement localisée (ici, hors volcanisme)
- Mouvements: entre plaques, sur faisceaux de faille, sur faille unique, ductile
(« souple »), MAIS AUSSI processus isostatiques:
Erosion
Illustration: remontée
isostatique des sommets
de montagne par analogie
avec un cube de glace
Réajustement isostatique
(canyons)
H
= croûte
E
- 2 (phase théorique): l’altitude
moyenne baisse, la masse
diminue
- 3: l’altitude moyenne (par
rapport à 1) baisse, les
sommets sont plus hauts!
H= 1/10 E
= manteau
C. Problématique
Compétition entre érosion et tectonique:
Variations climatiques à différentes échelles de temps
-> Pas
d’empreinte
climatique,
déformation
bien visible
-> fortes
empreintes sur
le paysage
Echelle des temps couverts par la
géomorphologie tectonique
Holocène :
Avantages: enregistrement complet, terrasses
préservées, datations précises, taux des différents
processus facilement accessibles
Inconvénients: signal trop faible pour événements lents
ou rares, taux peut-être pas représentatifs du long terme,
temps de réponse des systèmes géomorphologiques
peut-être plus longs
-> Paysages
« moyennés »
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C. Problématique
Compétition entre érosion et tectonique:
Modèles de développement des paysages
Modèles théoriques pouvant s’appliquer à
différentes échelles (ex: escarpement
sismique – chaîne – bassin de drainage)
~1900
-> Tectonique par impulsion dans un
cycle géomorphologique
Climax
~1950
-> Tectonique croît puis décroît dans
un cycle géomorphologique
-> Equilibre dynamique entre taux
de montée des reliefs et taux
d’érosion
~1990
-> Hiérarchie des réponses temporelles
et « inertie » topographique
2. Marqueurs
géomorphologiques
A. Définition et usage des marqueurs
- Eléments ou surfaces géomorphologiques fournissant une référence
initiale pour la déformation (géométrie et âge)
- La plupart des marqueurs se forment en réponse à des contrôles
climatiques ou tectoniques -> Utilisation conjointe pour géométrie et âge
Exemple: Terrasses marines ou fluviatiles, récifs coraliens, cônes
de déjection,…
- Durée de vie, sensibilité, temps de réponse des marqueurs: très variables
-> Usage selon les durées de déformation recherchées, plus ou moins
délicat (fragments)
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Démarche
- 1. Reconnaître
- Observer les marqueurs morphotectoniques (escarpements de faille,
géoformes [terrasses, moraines, cônes, talwegs, plis], réseaux de drainage)
- Acquérir des données (images satellitales, photos aériennes, cartes
topographiques, tranchées, …)
- 2. Analyser
- Mesurer des déplacements (géodésie GPS, théodolite,
photogrammétrie….)
- Dater les marqueurs de la déformation récente
- 3. Interpréter
- Modèles: recherche des interactions érosion – tectonique
- Taux de déformation: régularité (prédiction sismique),
amortissement des structures, échelles de temps, incertitudes
B. Marqueurs planaires
1. Terrasses et rivages marins
Résultent des variations du niveau de la mer
-> Changements eustatiques = globaux (volume des glaces)
- Ex.: Pléistocène: 120-150 m (max. à –18 000 ans)
-Terrasses érosives par attaque du rivage:
Rampe d’abrasion (~1°): Transport au large des produits d’érosion
Marqueur = encoche marine = indicateur paléo-horizontal du géoïde
Bord externe de la plateforme beaucoup plus instable: mauvais marqueur
Encoche marine actuelle sur une plage de Crozon
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- Terrasses construites (coraux)
- Eaux à ~18°, taux de croissance rapides (>10 cm/an) -> Si niveau de la mer assez constant,
coraux indicateurs du paléoniveau
Corrélation entre stratigraphie
coralienne et changements du
niveau marin
A. Niveau stable
B. Pendant une montée
-> Stabilisation nécessaire du nm – Temps de
réponse du corail rapide – Terrasses construites
en ~1000 ans
C. Pendant une descente
-> Terrasses formées quand équilibre entre taux
de mouvement vertical et taux de changement du
nm sont équivalents
-> Si l’histoire des nm connue: alors taux verticaux
de déformation déduits
Exemple: Terrasses récifales soulevées au Vanuatu
Photo: Th. Corrège, IRD
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Coraux: exemple récent d’étude
410
330
210
000
D’après Cabioch et al., 2008
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CORAUX: EXEMPLE RÉCENT D’ÉTUDE
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2. Rivages lacustres
Marqueurs = paléorivages similaires à ceux des terrasses marines
Difficultés: (1) variations locales importantes des paléonivaux car effets de seuil fréquents; (2) Isolation des océans
→ Variations relatives difficiles à corréler
3. Deltas (mers ou lacs)
Témoins de niveaux d’eau stabilisés pendant un certain temps
->Avantage: grandes structures, donc souvent préservées
-> Inconvénient: extension spatiale limitée (valeur locale)
Surface fossile horizontale
-> Corrélation nécessaire avec d’autres deltas de même âge
Exemple: les deltas « Gilbert » en Méditerranée au Messinien
Foresets
Canyons Messiniens perchés (Huesti, vallée de la Vésubie)
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4. Terrasses de rivières
Réponse fréquente à des cycles climatiques
Marqueurs non horizontaux au départ -> attention!
Terrasse d’agradation = de remplissage, abandonnée
- Puissance du courant = Taux de transfert
d’énergie potentielle – proportionnelle à la
pente et au débit de la rivière
Terrasse d’érosion
- Agradation: dépôt de la charge
- Dégradation: creusement, transport
- Equilibre: hauteur constant des bancs
- Facteurs d ’évolution: changement du
débit, de la pente, de la taille ou la charge
des sédiments, ou de la rugosité des
dépôts
- Profil d’équilibre de la rivière: concave
vers le bas
Paires
Rôle des
méandres, de
Impaires
la lithologie
-> Rivières « alluviales » ou « de roche-mère »
Terrasses d’érosion plus difficiles à exploiter:
à-coups de soulèvement tectonique? Evénements locaux
(glissements de terrain)? Datation aussi plus difficile
Quoi, où mesurer?
- Terrasses en 3D
(modélisation,
BRGM)
- Terrasses alluviales décalées par faille décrochante: séisme de Superstition Hills, Californie
- Terrasses alluviales
décalées par faille
normale: Bordures du
rift Baïkal, Sibérie
Image SPOT2
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5. Eventails alluviaux (cônes de déjection)
Surfaces assez similaires aux terrasses de rivières, mais dépôts très irréguliers dans le temps et dans
l’espace
Exemple: faille décrochante active de Kunlun, Asie
Fonctionnement du cône: décalage au
cours du temps de la limite entre dépôt et érosion
vers le haut ou le bas du cône dû à l’alimentation
irrégulière – Contrôle sédimentaire, climatique,
tectonique
-> «Mosaïque»
de surfaces
fossiles à corréler
et dater,
marqueurs de la
déformation entre
(ou postérieure à)
ces événements
D’après J-F. Ritz,
Univ. Montpellier
Exemple en Mongolie: surfaces soulevées
par plusieurs déplacements –> Histoire des
soulèvements tectoniques
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6. Colluvions de failles actives
Formation liée à la dégradation d’un escarpement
b. Drapage
c. Coin colluvial
d. Remplissage de fissure
Disposition
Evolution morphologique d’un escarpement
Mise en place d’une
succession de colluvions
sur une faille
Observez
Expliquez
Sédimentation faible
Sédimentation forte
-> Profil
morphologique
(théodolite, GPS) ou
tranchées peuvent
permettre de
retrouver la trace des
ruptures passées
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
Erosion forte, remplissage
local faible
Erosion faible, remplissage
local fort
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Colluvions
INVESTIGATION PAR 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
Exemple en Mongolie:
Tranchée dans un cône
alluvial
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Escarpement de faille inverse: Colluvions, datations
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
C. Marqueurs linéaires
1. Rivières et crêtes
Utilisation fréquente dans le cas des failles
décrochantes: décalage horizontal
San Andreas
Crêtes: Evaluation du décalage vertical
Rivières abandonnées en aval (Faille de Wairarapa, Nouvelle Zélande)
MAIS difficulté: les captures
2. Moraines glaciaires
Corrélations parfois difficiles entre les avancées du glacier et l’enregistrement climatique global
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D. Paléosismologie sous-marine
Principe: repérer et dater spatialement des turbidites
Corrélations souvent difficiles!
Chantier « pilote »: Les Cascades
D’après N.
Babonneau
chantiers:
Golfe de Cadix
Mer de Marmara
Marge algérienne
Lacs alpins…
2. Carottages: analyses
fines des hémipélagites et
turbidites, datations
3. Corrélations à grande
distance par carottage et
“chirp”
4. Confrontation avec la
paléosismologie à terre:
périodes d’amas et de
quiescence sismique?
Cattaneo, Ratzov, et al., 2011
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Pour résumer
- Les marqueurs géomorphologiques abondent
- Ils sont liés pour un grand nombre au transport par l’eau
- Techniques d’approche très variées
- Recherche des conditions initiales nécessaire (disposition originelle du
marqueur)
- Recherche des interactions entre érosion et tectonique: souvent
complexe, nécessitant une analyse précise à différentes échelles
- Accès possible à des taux de déformation par une datation, afin d’obtenir
une reconstruction de l’évolution de la déformation
UE « Tectonique et Tectonophysique »
Licence S5
2014-2015
Partie N°2
GÉOMORPHOLOGIE
QUANTITATIVE (SUITE):
DATATIONS
Jacques Déverchère
UBO – Brest
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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 initial N0 et de la
constante de désintégration λ:
N = N0 e-λt
- Notion de demi-vie: N = N0/2 -> t1/2 = 0.693/λ
λ (car e = 2.718)
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- 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
14C
U/Th
Thermoluminescence
Luminescence optique
35 ka
10-350 ka
30-300 ka
0-300 ka
Bois, coquillages
Carbonates (coraux, spéléothèmes)
Quartz
Quartz
Cosmogéniques
10Be, 26Al
He, Ne
36Cl
3 à 4 Ma
illimitée
0-4 Ma
Quartz
Olivine, quartz
3B. 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
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SÉRIES
TEMPORELLES
Laboratoire de dendrochronologie
Université de Liège
Voir: http://www2.ulg.ac.be/dendro/
Et aussi:
http://www.lrd.ch/
3C. Datations radio-isotopiques: Radiocarbone (14C)
- Méthode la plus utilisée pour les
âges inférieurs à 40 000 ans
- Atmosphère: mélange par interaction de
Activité initiale (mort de la plante)
radiations cosmiques avec l’azote N ->
« réservoir » où l’abondance relative est:
- 12C = 98.9 %
- 13C = 1.1 %
- 14C = 1.17 10-10 %
- Plantes: (1) Fixation du CO2 par photosynthèse
-> carbone organique reproduit ces rapports
isotopiques
(2) Mort: Fermeture du système -> début
de la désintégration (t0)
- 2 méthodes de mesure :
- Méthode 1 (classique): Désintégration β :
devient 14N en émettant un électron -> Mesure de
l’activité A -> Accès au temps t0
14C
Problème: l’incertitude sur les âges devient
grande pour les faibles activités
Ex.: Après 7 ½ vies (~40 ka), 14C restant < 1% -> passage de 15
APPLICATION: Faire courbe de décroissance de
désint./mn à 7 désint./heure -> Mesure difficile car pollution par
concentration du 14C en fonction du temps (T1/2 = 5735 radiation cosmique actuelle!
ans
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- 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
-> 14C/12C mesuré -> Datations possibles jusqu’à ~50 ka au mieux
t = log(N0/N)/λ
Problème: Méthode plus précise mais plus chère!
- Autres sources d’incertitude :
- Rapport 14C/12C : variations temporelles du taux de production de 14C 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 14C -> Recouvrements
3C. 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 14C et de
la dendrochhronologie: de 10 ka à 350
ka (temps de demi-vie beaucoup plus
longs: 238U: 7 108 ans; 230Th: 1.4 1010
ans)
- mais… beaucoup plus chère
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TD: Commentez!
- Comparaison de 2 horloges:
U/Th et 14C
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!
mesuré par AMS
et désintégration
β
-> Utilisation optimale: pour certains
coraux non recristallisés
Barbades
-> Biais de la méthode 14C fort après 9000 ans (âges trop jeunes)
-> Résolution temporelle des datations U/Th peut être < 10 ans
3C. Datations radio-isotopiques: par luminescence
- Très utile si pas de bois, coquillages, coraux
- Principe: Electrons « énergitisés » par radiation, piégés dans les défauts des cristaux de Quartz
à différents niveaux d’énergie
- Retour au niveau d’énergie « normal » par addition d’énergie -> émission de photons
correspondante au niveau atteint: émission lumineuse = luminescence
- Cause initiale (radiation): provient de la désintégration de radio-isotopes dans le sédiment –
Hypothèse: taux constant
-> On date le moment du « piégeage » du sédiment après son exposition atmosphérique
- 2 méthodes:
- (a) Datation « TL »: thermoluminescence: addition de température
- (b) Datation OSL: luminescence stimulée optiquement
Signal sensible à
tout type
d’excitation –
Expérience détruit
l’échantillon
QUARTZ
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R = taux d’irradiation
D’après J-F. Ritz, Univ.
Montpellier
- Mesures nécessaires:
- dose de radiation reçue par le sédiment au cours du temps (paléodose P)
- taux d’irradiation R
Méthode
additive: ->
extrapolation
vers zéro
-> Age = P/R
- Taux d’irradiation R mesuré dans le
sédiment par un détecteur de radiation sur
de longues périodes de temps
- Paléodose P: estimée par expériences en
laboratoire sur l’échantillon sensible à
l’exposition lumineuse
Evaluation
de la
Paléodose
- Hypothèse-clé: chaque grain dans le dépôt
n’a pas d’enregistrement d’une radiation
antérieure avant piégeage dans le dépôt
-> Vérifier qu’une bonne exposition de l’échantillon a
eu lieu avant dépôt!
Ex.: loess, sables, argiles lacustres,…
Méthode
régénérative:
irradiation variable
de souséchantillons
préalablement
« initialisés »
Méthode
d’exposition
partielle:
irradiation brève > courbe croisée
avec la première
Limite en âge (~300 ka): atteinte car saturation du
signal de luminescence avec l’irradiation
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3D. Datations cosmogéniques:
Méthode récente, délicate à utiliser
PRINCIPE:
- Bombardement de particules
stimulé par le champ magnétique terrestre
- Interactions dans l’atmosphère ->
Taux de production atmosphérique P décroît
en s’approchant du sol par atténuation
-> Radionucléides cosmogéniques (RNC)
produits « in situ » au sol si les minéraux
« cibles » contiennent les atomes
susceptibles de produire les réactions
nucléaires (SiO2 par exemple)
-> P décroît en 1/e (max. 2m) dans le sol
Oxygène
Silicium
UTILISATIONS:
- (1) Age d’exposition d’une
surface (et taux d ’érosion)
- (2) Age d’une surface de dépôt
D’après J-F. Ritz, Univ. Montpellier
- (1) Age d’exposition d’une surface (et taux
d ’érosion):
Taux de changement de concentration:
dN/dt = P – λN
N=[]
Scénario:
- roche sous la surface depuis longtemps (pas
de RNC): pas d’héritage
-> Roche exposée: Concentration N croît
N = P0/λ
P0
1/λ = 2 Ma pour 10Be
t
-> AU DEBUT: N faible -> N = P0t à la surface – P décroît exponentiellement dans le sol -> Si P0 est
connu (altitude, latitude), t est déduit de la mesure de N
APRES: N augmente -> λN ne peut plus être négligé -> Equilibre entre P et λN, concentration max.
atteinte: N = P0/λ
Demi-vies ~1 Ma -> P = P0 exp(-rt/z)
r = Taux d’érosion à la surface supposé constant: peut être estimé
Z = profondeur
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