Influence des taux de surrection (U) et des taux de précipitations (P) sur la morphologie des reliefs expérimentaux

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Généralités sur la modélisation expérimentale en géomorphologie

La géomorphologie expérimentale peut être définie comme une discipline qui utilise un équi-pement ou une procédure pour réduire l’échelle spatiale et temporelle, dans le but d’identifier les diﬀérents processus mis en jeu, ou d’observer les changements morphologiques associés, ou non, aux variations de paramètres simples, tels que les précipitations, la tectonique, la pente locale, etc. (Parker, 1977). En eﬀet, la prise en compte des phénomènes de surface (érosion, transport et sédimentation) comme des éléments importants dans la compréhension de la dy-namique terrestre, a ouvert la voie à cette discipline. Dans la nature, il est diﬃcile d’obtenir des observations directes liées aux variations à la surface du globe, à cause notamment, de la grande variété d’échelles mise en jeu, qu’elles soient temporelles, de l’ordre de la minute pour certains phénomènes gravitaires (un éboulement) et de l’ordre du million d’années pour les phé-nomènes tectoniques (mise en place d’un prisme orogénique), ou spatiales, de l’échelle local pour un arrachage de particules à pluri kilométriques pour l’érosion d’une chaîne de montagne. Mais également, du fait de la mauvaise connaissance des conditions aux limites qui ont prévalues au moment de la mise en place des systèmes géomorphologiques actuels.
Après les premières tentatives d’expérimentations (e.g Daubree, 1879), les géomorphologues se heurtent très vite à un problème de mise à l’échelle de leur modélisation et font le choix de se concentrer sur la dynamique de processus simples (Flint, 1974), leur permettant ainsi de garder une certaine analogie avec les systèmes naturels. Plusieurs dispositifs ont été développés pour étudier la dynamique des réseaux de rivières (e.g Gardner, 1983; Schumm et Collins, 1974), le transport de sédiments fluviatiles (e.g Paola et al., 1992), la formation de terrasses alluviales (Mizutani, 1998), l’évolution des méandres (Smith, 1998) et la dynamique des plaines d’inonda-tions (Ashmore, 1982) (voir également synthèse de Schumm et al. (1987) pour plus de détails).
La grande majorité de ces dispositifs étaient de type « canal ». En eﬀet, ces dispositifs sont les premiers développés pour étudier les diﬀérents phénomènes observés à la surface des topogra-phies. Ils sont encore très répandus aujourd’hui et sont de plus en plus ingénieux. Pour exemple, l’étude de Douglass et Schmeeckle (2007) utilise un mécanisme de vessie gonflable pour induire le soulèvement local d’un drain de rivière. Le principe général utilisé par ces dispositifs est relativement simple. Une boite multi-métrique inclinée est remplie par un matériau granulaire. En amont, un débit d’eau ou d’eau chargée en sédiments est appliqué et, cette eau s’écoule à la surface du matériau et rejoint un exutoire. Le drain obtenu simule une rivière naturelle. On peut ainsi y étudier la dynamique de mise en place d’un chenal qu’il soit en tresses, ou à méandres. Ces dispositifs présentent un intérêt majeur, car les observations qui en découlent peuvent être directement transposables aux observations faites sur leurs homologues naturels.
Plusieurs études ont porté très spécifiquement sur la dynamique des rivières à lit rocheux (e.g. Douglass et Schmeeckle, 2007; Johson et Whipple, 2007), en tresses (e.g Ashmore et Parker, 1983; Ashworth et al., 1999; Ashmore et Gardner, 2008), et à méandres (Smith, 1998; Gran et Paola, 2001). Ces travaux ont permis d’étudier les processus d’érosion-transport sous un aspect bidimensionnel, et ont ouvert la voie aux développement de plusieurs modèles numériques (e.g Braun et Sambridge, 1997; Davy et Crave, 2000; Howard et al., 1994; Willgoose et al., 1991), dont la validité de l’évolution macroscopique était très peu contrainte. Cette diﬃculté a donné lieu à de nouvelles approches expérimentales, pour tester la validé des topographies modélisées (e.g Hasbargen et Paola, 2000; Hancock et Willgoose, 2001c; Lague et al., 2003). Dans la suite de cette section je vais me focaliser sur les dispositifs dédiés à l’étude de la dynamique des topographique en lien avec les variations des conditions aux limites. Je fais ici une présentation des diﬀérents dispositifs de types « boite à érosion » développés dans plusieurs universités, ainsi que la spécificité de chacun d’eux, et les questions centrales abordées par toutes les équipes de recherches.

La modélisation de l’érosion des des reliefs

Les premiers travaux en modélisation expérimentale dans le domaine de la géomorpholo-gie et les résultats des premières modélisations numériques ont motivé le développement de plusieurs générations de dispositifs, traitant plus spécifiquement des interactions entre climat (précipitation essentiellement), tectonique (soulèvement des surfaces ou chute du niveau de base pour les premières générations et tectonique de type prisme orogénique pour les plus récents), et dynamique associée (érosion, transport et sédimentation). Après les travaux menés par l’équipe de Stanley Schumm à la Colorado State University sur la modélisation expérimentale des pro-cessus d’érosions et des topographies associées (voir Schumm et al. (1987) pour la synthèse), la modélisation expérimentale des processus de surface s’est largement démocratisée fin des années 90, et diversifiée en intégrant des technologies de plus en plus abouties. On peut citer des dispositifs tels que ceux développés Aux Etats Unis au San Anthony Falls Laboratory par les équipes de Chris Paola, en Australie à la Newcastle University par les équipes de Garry Willgoose, en France à l’Université de Rennes avec les travaux d’Alain Crave et collaborateurs, mais également au Japon à l’université de Chuo de Tokyo. Ces dispositifs ont été très utilisés à l’entrée des années 2000 (e.g Hasbargen et Paola, 2000; Hancock et Willgoose, 2001a; Lague et al., 2003; Ouchi, 2004b), et connaissent aujourd’hui un regain d’intérêt (e.g Reinhardt et Ellis, 2015; Singh et al., 2015; Sweeney et al., 2015). Le principe général utilisé est tout aussi simple que les dispositifs qui les précèdent. Ils ont généralement pour but de suivre au cours du temps la dynamique des topographies, sous l’eﬀet de l’érosion causée par le ruissellement d’un fluide (eau en général) à la surface de celle-ci. Ils se composent, dans la grande majorité des cas, d’un système de simulation des précipitations, d’une boite remplie de matériau à éroder et d’un système de suivi des variations de la topographie. La véritable complexité réside dans la mise en œuvre de chaque dispositif. En eﬀet, plusieurs éléments peuvent être diﬀérents d’un dispositif à l’autre, dans le choix du matériau, la taille de la boite, le dispositif de brumisation, le système de simulation de la tectonique ou encore le système de suivi des topographies. Ces diﬀérences rendent, la comparaison des modèles entre eux très diﬃcile comme le soulignent Bonnet et Crave (2006). Tous ces dispositifs ont, entre autre, permis d’étudier les processus de versants et de rivières à diﬀérentes échelles (Schumm et Parker, 1973; Parker, 1977; Schumm et Rea, 1995; Pelletier, 2003), et de tester et valider diﬀérents codes numériques (Hasbargen et Paola, 2000; Hancock et Willgoose, 2001a; Lague et al., 2003). Ils ont également été utili-sés pour étudier la dynamique des topographies à l’état d’équilibre (Hasbargen et Paola, 2000, 2003; Bonnet et Crave, 2006; Reinhardt et Ellis, 2015; Bigi et al., 2006), l’eﬀet de la tectonique (Lague et al., 2003; Turowski et al., 2006) et de la pluviométrie (Bonnet et Crave, 2003; Bonnet, 2009; Singh et al., 2015; Sweeney et al., 2015), sur la dynamique des reliefs, et les interactions entre les produits d’érosion et les dépôts en zone de piémont (Graveleau, 2008; Babault et al., 2005, 2007; Rohais et al., 2011). Des dispositifs plus récents ont permis d’étudier l’évolution des reliefs associée aux jeux de failles (Graveleau, 2008; Graveleau et al., 2011; Strak et al., 2011; Graveleau et al., 2015; Viaplana-Muzas et al., 2015; Guerit et al., 2016) en intégrant des phénomènes tectoniques de types prismes orogéniques.

Université du Colorado (Le REF) (Etats-Unis)

Les dispositifs de types « REF » (pour Rainfall Erosion Facility) constituent la première génération de dispositifs conçus pour investiguer l’évolution des réseaux de drainage en fonction des fluctuations du niveau de base (Schumm et Parker, 1973; Parker, 1977; Schumm et Rea, 1995; Pelletier, 2003). Il a été mis en place à la « Colorado State University » : voir la synthèse de Schumm et al. (1987).

Présentation du dispositifs et principe

Le REF se compose d’une grande boite de 15 m de long sur 9,2 m de large, équipée d’un système d’arrosage qui permet d’appliquer des précipitations (voir figure II.1). Il est rempli d’une très importante quantité de matériau granulaire (environ 300 000 kg), relativement homogène, et obtenu par mélange de sable fin, de limons et d’argiles (Parker, 1977; Pelletier, 2003). Ce dispositif permet d’observer plusieurs processus surfaciques et présente l’intérêt de représenter directement un petit bassin versant. Les observations faites sur ces dispositifs peuvent ainsi être comparées aux observations dans le système naturel (Parker, 1977; Pelletier, 2003).
— Le système de simulation des précipitations
Dans ce dispositif, la position marginale des brumisateurs n’a pas toujours permis d’obtenir un champ de précipitation très homogène (Parker, 1977). Ce problème a été résolu en repensant la position des gicleurs. Huit gicleurs de plus ont ainsi été installés en position centrale (Pelletier, 2003), permettant ainsi de ramener à environ 10 % la variabilité spatiale des pluviométries appliquées sur le modèle.
— La méthode de simulation de la surrection
Les processus tectoniques sont simulés par simple variation du niveau de base. En eﬀet, le niveau de base est généralement fixé, et la topographie de départ est érodée par variation de ce niveau de base (e.g Schumm et Parker, 1973; Parker, 1977; Schumm et Rea, 1995; Pelletier, 2003). Il n’est pas encore question ici de surrection verticale, de tectonique compressive et/ou extensive comme nous le verrons dans les autres dispositifs.
— Les mesures topographiques
Pour ce qui est du suivi des topographies dans les modélisations utilisant le REF, il se fait par mesures manuelles et par système de photographies à pas de temps réguliers. Ce système permet ensuite d’établir des Modèles Numériques de Terrain (MNT) de chaque expérience avec une résolution de 5 mm en horizontal et 1 mm en vertical (Pelletier, 2003).

Thèmes abordés et principaux résultats

Les études menées sur le REF portaient essentiellement sur la géométrie des réseaux de drai-nage en lien avec les topographies initiales (e.g Parker, 1977; Pelletier, 2003) et sur l’évolution morphologique de ses bassins versants, en lien avec leur niveau de base topographique (e.g Koss et al., 1994; Wood et Schumm, 1993).
— Influence de la topographie initiale
Les résultats de Parker (1977) et Pelletier (2003) montrent que la topographie initiale d’un relief joue un rôle prépondérant sur la géométrie et la dynamique du réseau de drainage qui s’y développe. En eﬀet, d’après Phillips (1987), le réseau de drainage passe de dendritique à parallèle, à mesure que l’on augmente la pente. Ils soulignent également un élément important qui est que pour des topographies qui évoluent avec une pente initiale faible ou nulle, l’érosion est relativement lente et se fait de façon régressive sur l’ensemble de la topographie, conduisant
à une arborescence de type dendritique du réseau de drainage (figure II.2). Enfin, les auteurs montrent également que pour des bassins versants dont la pente est importante, la mise en place de chenaux principaux est très rapide, et que l’incision très importante de la vallée ne permet pas la migration du chenal. Nous tenterons également de discuter de ce point dans notre étude (voir chapitre VI).
— L’effet des variations du niveau de base
Les diﬀérentes études menées avec le REF sur l’influence des variations du niveau de base montrent principalement, que quelle que soit la pente du bassin versant testé, les variations du niveau de base n’ont pas d’impact majeur sur les bassins versants (e.g Koss et al., 1994). Dans les études de Schumm et Parker (1973) et Schumm et Rea (1995), les auteurs montrent que les systèmes géomorphologiques ont une réponse « complexe » vis-à-vis des variations du niveau de base. Ils définissent cette réponse complexe comme les diﬀérentes oscillations hautes fréquences décrites par la décroissance de charge de flux transportée par un chenal.

Université du Minnesota (Etats-Unis)

Les équipes de Chris Paola ont mis en place un dispositif de modélisation expérimentale (voir figure II.3) permettant de modéliser la surrection tectonique d’un bassin versant (Hasbargen et Paola, 2000, 2003; Bigi et al., 2006; Niemann et Hasbargen, 2005).

Présentation du dispositif et principe

L’université du Minnesota a connu deux générations de dispositif. Ces deux générations permettent de suivre, pour le premier, la réponse érosive d’un bassin versant (Hasbargen et Paola, 2000, 2003) sous l’eﬀet de précipitation et d’un soulèvement tectonique contrôlé ; et pour le second, de simuler la dynamique d’un chaînon de montagne sous l’eﬀet de tectonique et de précipitations (Reinhardt et Ellis, 2015; Singh et al., 2015; Sweeney et al., 2015). Je présente dans la première partie, le descriptif de la première génération du dispositif développé à l’université du Minnesota pour les travaux (Hasbargen et Paola, 2000, 2003), et je présente ensuite dans la section II.3.2.2 les récentes modifications apportées au dispositif (Reinhardt et Ellis, 2015; Singh et al., 2015; Sweeney et al., 2015).
— Le système de simulation de la surrection tectonique
Le dispositif se compose d’un réservoir cylindrique de 1 m de diamètre et de 1 m de pro-fondeur ayant un exutoire fermé par une porte motorisée. Le moteur fonctionne en continu et abaisse progressivement l’exutoire. Le rapport hauteur sur largeur de la boite, permet un sou-lèvement de trois à six fois le relief de drainage instantané, que les auteurs définissent comme étant la hauteur maximale au-dessus de l’orifice de sortie. Cet exutoire a pour but d’obtenir un réseau dendritique simple.
— Le système de simulation des précipitations
La précipitation est générée par un brumisateur radial qui tourne au-dessus de la boite et délivre des précipitations sensiblement homogènes, avec une taille de gouttelettes inférieure 200 µm. Les mesures de précipitation, faites avant le début de chaque expérience, permettent de no-ter une variation spatiale d’environ 12 %. Ce système sera modifié pour les travaux de Bigi et al. (2006). Cette rotation permet d’éviter un régime constant de précipitation et d’homogénéiser la distribution spatiale des taux de précipitation.
— Le matériau érodé
Le matériau érodé est un mélange de silice fine, dont la taille des grains présente un D50 = 45 µm, de kaolinite à 1% de poids de matériau, et d’eau. Ce mélange est versé dans la boite et laissé reposer une nuit pour permettre la décantation. Ce processus de décantation génère une surface topographique plane à partir de laquelle s’initient les processus de ruissellements de façon totalement aléatoire.
— Les mesures de topographie et des flux sédimentaires
Le suivi des topographies s’eﬀectue au moyen de photographies (figure II.3) et vidéos, prises à pas de temps régulier. La réalisation des MNT se fait en utilisant la stéréophotogrammétrie (Hasbargen et Paola, 2000, 2003) . Cette méthode utilise le principe de la vision stéréographique. Pour représenter le relief d’un objet, deux prises de vue sous deux angles d’incidence diﬀérents sont réalisées, et le relief est reconstitué par des logiciels reprenant les principes de la vision stéréographique. Les flux sédimentaires en sortie sont suivis par la mesure du poids et de la turbidité des écoulements récoltés en sortie de bassin (Hasbargen et Paola, 2003). Cette mesure est faite au moyen d’un récipient cylindrique de volume connu, et en enregistrant le poids et le temps requis pour le remplir.

Les récentes modifications du dispositif (XLM)

Ce dispositifs a récemment été modifié pour laisser place à l’eXperimental Landscape Model (XLM) (Reinhardt et Ellis, 2015; Singh et al., 2015; Sweeney et al., 2015) présenté figure II.4. Il se compose, d’une boite à érosion de 0,5 par 0,5 par 0,3 m3, remplie d’une pâte de silice (D50 = 30 µm) mélangée avec 33 % d’eau, pour augmenter la cohésion du matériau et éviter les processus d’infiltration. La surrection y est simulée par deux plaques motorisées qui, comme le dispositif précédent, permettent une surrection relative en abaissant progressivement le niveau de base (figure II.4C). Les précipitations sont générées par un système de brumisateurs rotatifs permettant ici également d’éviter un régime constant des précipitations. Pour l’étude de Sweeney et al. (2015), à ce brumisateur s’est ajouté un réservoir goutte-à-goutte qui sert à simuler l’eﬀet rainsplash sur la surface, initiant ainsi le transport sédimentaire. Pour ce qui est du suivi des topographies, le XLM utilise un scan laser de la surface à pas de temps régulier permettant de générer des MNT de 0,5 mm de précision verticale.
Figure II.4 – Nouveau dispositif de modélisation expérimentale développé par l’université de Minnesota (XLM) ; (A) Vision schématique du dispositif Sweeney et al. (2015) ; (B) Vue du dispositif de brumisation ; (C) Vue photographique du dispositif après une modélisation.

Thèmes abordés et principaux résultats

Dans leur premier dispositif, les études ont principalement porté sur la dynamique d’un bassin versant unique, en lien avec les variations de soulèvement et de précipitation. Avec leur nouveau dispositif, des échelles plus fines peuvent être explorées. Des phénomènes tels que les variations de précipitation et leurs eﬀets sur la dynamique transitoire de topographies ex-périmentales ont été étudié. Les résultats peuvent être présentés sous trois aspects : d’abord les études menées pour comprendre la dynamiques des topographies à l’état d’équilibre (e.g. Hasbargen et Paola, 2000, 2003), ensuite les études qui ont tentées d’intégrer les processus de versant (Sweeney et al., 2015), et enfin les études menées pour investiguer les eﬀets des variations climatiques (Singh et al., 2015).
— Etat d’équilibre des topographies expérimentales
Les travaux de Hasbargen et Paola (2000, 2003) ont été menés pour tester l’idée d’équilibre statique des topographies. Leurs résultats montrent, dans le cas de conditions stable de sou-lèvement et de précipitation, que les topographies expérimentales tendent rapidement vers un état d’équilibre des flux (figure II.5A). Ils soulignent cependant que celui-ci n’est pas totalement statique car des modifications continues du paysage se font. Celles-ci sont caractérisées entre autre, par des migrations de knickpoint, par la migration latérale des chenaux et par des glis-sements de terrain. Ces diﬀérentes instabilités définissent le caractère dynamique d’un paysage en érosion (figure II.5B), et souligne le fait que l’érosion, même à l’équilibre, n’est pas uniforme à la surface d’une topographie (Hasbargen et Paola, 2003).
Les travaux de Niemann et Hasbargen (2005) ont porté sur la comparaison de plusieurs bassins versants naturels, et des bassins expérimentaux à l’équilibre, résultants de modélisations avec des taux de surrection et de précipitation variables (figure II.5D). Pour comparer les deux types de topographies, les auteurs ont étudié plusieurs propriétés des bassins versant telles que la sinuosité des chenaux, la relation pente/aire-drainée et la loi de Hack. Ceux-ci ont montré une autosimilarité des formes des bassins expérimentaux, observation qui est également commune dans les bassins versants naturels. Cette autosimilarité n’est pas totalement démontrée dans le cas des sinuosités des chenaux principaux pour les bassins expérimentaux. Leurs résultats montrent également que les indices (h) des lois de Hack, calculés dans les bassins expérimen-taux, sont du même ordre de grandeur que ceux des bassins naturels (0,5 pour les expériences contre 0,5-0,7 dans la nature : voir chapitre IV pour une explication plus détaillée de ce para-mètre). Un dernier point important dans ces travaux est que les auteurs montrent une similitude dynamique incomplète entre les bassins expérimentaux et les bassins naturels (Niemann et Has-bargen, 2005).
Enfin, une étude des instabilités observées sur les topographies expérimentales à l’état d’équi-libre, a été menée par Bigi et al. (2006). Sous des conditions stables de précipitation et de surrection, les auteurs ont testé statistiquement la relation entre la répartition des zones d’in-stabilité et la distribution des zones de rupture de pente sur les profils de rivière (figure II.5C). Leurs résultats montrent que les instabilités au niveau des versants sont plus susceptibles de se produire en aval d’une zone de rupture de pente. Ils montrent également que l’hypothèse d’une distribution spatio-temporelle des glissements de terrain, contrôlés par l’incision par migration régressive d’un knickpoint, est cohérente, mais ils restent très prudents sur cette conclusion. Leurs résultats suggèrent que l’incision par migration de knickpoint est un facteur important (de premier ordre) dans la distribution des instabilités gravitaires, et ce en l’absence de phéno-mènes externes tels que les précipitations et la sismicité.
Pour compléter cette vision des topographies à l’état d’équilibre, Reinhardt et Ellis (2015) ont mené une étude dans le dispositif XLM sur la dynamique d’un chaînon de montagne à l’équilibre. Dans cette étude, les auteurs ont simulé le développement de topographies issues d’une érosion lente sous l’eﬀet de variations climatiques calibrées suivant le rapport air-eau ou « water-to-rock-ratio » et définit par Hasbargen et Paola (2000, 2003). Leurs résultats soulignent l’existante d’une auto-organisation et d’un seuil critique d’organisation (SOC) des crêtes et des chenaux dans un paysage. L’auto-organisation peut être représentée par la capture de bassins versants et la formation de bassins extra larges après la chute d’une crête. Pour ce qui est du seuil cri-tique d’organisation, les auteurs ont noté qu’il est généralement accompagné d’une variation de la décharge de sédiments, et qu’il induit une organisation complexe des paysages à diﬀérentes échelles, et ce indépendamment des taux de surrection et des types de climats (figure II.8).
— Rôle des processus de versant sur les paysages
Dans la grande majorité des dispositifs de modélisation des reliefs, les chercheurs font généra-lement le choix de réduire les phénomènes diﬀusifs à l’échelle des modèles expérimentaux, en réduisant la taille des gouttes dans les simulateurs de précipitation. En utilisant un système goutte-à-goutte, l’étude de Sweeney et al. (2015) a réussi à intégrer ce phénomène dans une série de modélisation. Les résultats de cette étude montrent que le couplage des phénomènes adjectifs et diﬀusifs a pour eﬀet de modifier les topographies à d’équilibres (figure II.9). En eﬀet, ils montrent que les reliefs dominés par des phénomènes diﬀusifs sont plus lisses et moins disséqués. A mesure qu’on augmente l’eﬀet rainsplach, les topographies d’équilibre présentent des vallées plus vastes et des chenaux plus larges. Ces résultats oﬀrent une vision de l’eﬃcacité érosive du couplage entre processus de versant et processus fluviatiles sur les paysages en éro-sion. Ils soulignent également l’importance de prendre en compte ces diﬀérentes composantes de transport dans les études géomorphologiques.
— Effet des variations des taux de précipitation
L’eﬀet des variations des modèles de précipitations sur la dynamique des paysages a également été traité très récemment dans l’étude de Singh et al. (2015). Dans cette étude, les auteurs se sont intéressés à l’eﬀet des variations de forçage climatique sur les caractéristiques des paysages à diﬀérentes échelles (figures II.6 et II.7). L’hypothèse de départ étant que dans un paysage, la dynamique à très petite échelle influence la dynamique macroscopique de celui-ci. Ils ont donc étudié des topographies à l’équilibre et en états transitoires. Leurs résultats montrent que la croissance des précipitations a pour eﬀet de modifier les mécanismes mis en jeu dans l’or-ganisation des paysages, qui passent de régime fluvial à colluvial. Ils montrent également une accélération de l’érosion pendant la phase transitoire, concentrée sur les zones non chenalisées, ce qui a pour eﬀet de lisser les paysages. Cette observation contraste fortement avec les topogra-phies à l’équilibre qui sont dominées par des processus chenalisés. Ils attribuent ce changement de régime entre phase transitoire et état d’équilibre, à un forçage des zones microscopiques qui influencent la dynamique macroscopique de la topographie.

Université de Rennes 1 (France)

Présentation du dispositif et principe

Le dispositif de l’Université de Rennes 1 est le premier à simuler une surrection pure verticale. Dans ce dispositif la surrection est modélisée par le soulèvement progressif du fond de la boite (voir figure II.10). Il va connaitre deux grandes générations et plusieurs adaptations, mais il gardera le même principe (voir également Bonnet et Crave (2006) pour une revue).
Figure II.10 – Premiers dispositifs développés à l’Université de Rennes ; (A) Dispositif sans système de surrection utilisé par Crave et al. (2000) ; (B) Dispositif avec système de surrection développé pour les travaux de Lague et al. (2003) ; (C) Exemple d’évolution d’une simulation de topographie en relaxation.
— Le matériau érodé
Pour ce dispositif le matériau utilisé est une pâte de silice obtenue par le mélange de silice granulaire de D50 = 10-20 µm, et d’eau à 20 % du poids de la silice. Cette proportion d’eau permet de réduire l’infiltration, et de favoriser uniquement les phénomènes de ruissellement en surface. Les travaux de Crave et al. (2000) ont été eﬀectués avec 27 % d’eau. Une pâte de lœss a également été testée par Lague et al. (2003). Mais le choix s’est principalement porté sur la silice du fait de l’inertie de celle-ci avec l’eau. Pour ce qui est du comportement du matériau, plusieurs tests ont été réalisés (voir Bonnet et Crave, 2006 pour le détail). Il en ressort, en résumé, que la résistance de la silice anguleuse permet le développement d’un réseau d’incisions fines, avec des pentes très escarpées, alors que l’addition de grains arrondis augmente très clairement le taux d’érosion. Ils montrent également que l’usage d’une pâte de lœss minimise très nettement les hauteurs moyennes observées pour des taux de surrection et des précipitation identiques. Ces observations confortent les auteurs sur le choix de la silice anguleuse comme matériau analogue.
— Le dispositif de brumisation
Le dispositif de brumisation se compose dans sa première génération d’une boite de 2×2×2 m qui accueille un système de 16 brumisateurs, permettant de générer une précipitation artifi-cielle dont la taille des gouttes est inférieure à 10 µm. Ce premier dispositif permet de générer une gamme de précipitation comprise entre 50 et 350 mm/h, mais il présente une variabilité surfacique et temporelle relativement importante, (de l’ordre de 20 % pour la variabilité sur-facique et 5 à 10 % pour la variabilité temporelle, suivant le nombre de brumisateurs ouverts simultanément). Avec les améliorations apportées pour les travaux de Babault (2004), notam-ment le passage à quatre buses placées à égale distance de la boite à érosion, cette variabilité sera très fortement réduite jusqu’à environ 5 % pour la variabilité surfacique et seulement de 3
% pour la variabilité temporelle. Il est à noter que pendant les modélisations, il est impossible de mesurer le taux de précipitation. Ces mesures sont faites avant et après chaque session de modélisation pour éviter toute perturbation des précipitations au-dessus du modèle.
— Le système de numérisation
Pour le suivi des diﬀérentes étapes de développement des topographies, l’Université de Rennes 1 s’est dotée de deux systèmes de numérisation des surfaces. Dans la première génération (Crave et al., 2000; Bonnet et Crave, 2003; Lague et al., 2003), le système est composé de cinq lasers télémétriques qui reproduisent en laboratoire le principe de la télémétrie laser aéroportée, permettant ainsi de générer des MNT haute résolution de l’ordre du millimètre (figure II.10). Dans sa seconde génération (figure II.11), les mesures de topographie se feront au moyen d’un système d’acquisition et de traitement photogrammétrique « Advanced TOpometric Sensor » (ATOS) (Babault et al., 2005; Bonnet et Crave, 2006; Turowski et al., 2006; Babault et al., 2007; Bonnet, 2009; Rohais et al., 2011). Ce dispositif améliore sensiblement la qualité des données mais elles restent assez proches du premier dispositif (de l’ordre du millimètre environ 0,5 mm en X, Y et 0,03 mm en Z). Tous ces dispositifs nécessitent, suivant la taille du modèle, un arrêt relativement long de la brumisation, et de la surrection pour la phase de numérisation de la topographie, variant entre 10 et 30 minutes.

Thèmes abordés et principaux résultats

Le dispositif de Rennes 1 est le premier à appliquer une tectonique verticale comme on a pu le voir dans la présentation du dispositif. Les diﬀérentes évolutions de ce dispositif ont permis d’aborder des thèmes très variés, comme la dynamique des reliefs en lien avec le soulèvement tectonique (Crave et al., 2000; Bonnet et Crave, 2006; Turowski et al., 2006), les variations ou non des précipitations (Bonnet et Crave, 2003; Babault et al., 2005, 2007; Bonnet, 2009), et la présence de sédimentation de piémont (Babault et al., 2005, 2007; Rohais et al., 2011).
— Influence de l’uplift et des précipitations
Les diﬀérentes modélisations eﬀectuées avec le dispositif de Rennes ont presque toutes une topographie plane de départ. A cette topographie, il est appliqué, ou non, un taux de surrection et de précipitation contrôlé. Dans le cas de surrection et précipitation constantes, toutes les modélisations décrivent deux phases d’évolution (Bonnet et Crave, 2003; Babault et al., 2005, 2007; Lague et al., 2003). D’abord une évolution exponentielle des hauteurs moyennes, qui est associée au développement d’un réseau de drainage, puis une phase de stabilisation des hauteurs moyennes, qui caractérise un état d’équilibre des topographies expérimentales. On peut définir un temps caractéristique de mise à l’équilibre du système qui est extrait d’un ajustement exponentiel des données de hauteurs moyennes pendant la phase de croissance de la topographie. A cet état d’équilibre des topographies est également associé un équilibre des flux sédimentaires (Bonnet et Crave, 2003). En eﬀet, à l’équilibre, les flux d’érosion compensent les taux de création de matière (E=U). Notez que dans ces modélisations les auteurs soulignent également que les paysages expérimentaux n’atteignent jamais un état d’équilibre pur. Il subsiste toujours quelques variations locales des chenaux ou des crêtes qui peuvent être le résultat de variations locales de précipitation. Il est possible de définir une hauteur moyenne < h >ss à l’équilibre qui peut être définie comme la moyenne des hauteurs moyennes après la mise à l’équilibre de la topographie. Une variation instantanée des conditions aux limites entraine une réponse rapide du système. Dans le cas d’une chute de précipitation à surrection constante, les auteurs montrent une nouvelle augmentation des hauteurs moyennes, associée à une chute brutale des taux d’érosion, qui évolue ensuite vers un nouvel équilibre (Bonnet et Crave, 2003). Dans le cas d’une augmentation des taux de précipitation, la réaction inverse se produit (figure II.12).
Une variation des taux de surrection a également été étudiée et Bonnet et Crave (2003) montrent là également une réponse instantanée du système à la sollicitation. Les hauteurs moyennes augmentent brutalement et évoluent de façon exponentielle vers un nouvel état d’équi-libre. Après l’augmentation des taux de surrection, les taux de dénudation chutent brutalement et évoluent également vers un second état d’équilibre. On peut noter que la chute de précipita-tion et l’augmentation des taux de surrection produisent tous les deux, une augmentation des hauteurs moyennes. Cette observation montre qu’il est très diﬃcile de caractériser qualitati-vement des topographies issues d’une chute du taux de précipitation, ou d’une augmentation des taux de surrection, car elles sont relativement identiques. Ils est toutefois possible de les diﬀérencier grâce à leurs enregistrements sédimentaires (Bonnet et Crave, 2003).
L’étude de Bonnet (2009) a quant à elle porté sur l’influence d’un gradient latéral de préci-pitation sur une topographie initialement à l’équilibre. L’étude montre que la mise en place d’un gradient de précipitation a pour eﬀet de déclencher une réaction du système, caractérisée par une augmentation des hauteurs moyennes de la crête principale liée à la migration de celle-ci vers le versant le moins arrosé. Les bassins versants qui se développent sur le versant le plus sec de la topographie se dissèquent en bassins plus étroits alors que ceux du versant le plus arrosé s’agrandissent tout en gardant une pente moyenne constante. Les modélisations menées avec un taux de surrection identique et des précipitations diﬀérentes montrent (malgré la faible gamme de précipitations testée) une dépendance inverse entre les taux de précipitation et les hauteurs moyennes (Bonnet et Crave, 2006). Les résultats de Bonnet et Crave (2006) montrent qu’à surrection équivalente, les topographies qui se développent sous un taux de précipitation plus faible sont plus hautes, et plus escarpées.
Pour ce qui est de l’influence des taux de soulèvement sur les hauteurs moyennes à l’équilibre, les travaux de Géosciences Rennes ont permis de montrer une corrélation positive linéaire entre taux de surrection et hauteurs moyennes à l’équilibre, la diﬀérence de pente observée étant corrélée à la diﬀérence de matériaux utilisés (figure II.13A,C).
Les travaux de Turowski et al. (2006) ont porté sur la réponse des chenaux expérimentaux aux variations des taux de surrection. Leurs résultats montrent que la pente de la rivière est indépen-dante de la décharge, contrairement à la largeur du chenal, la profondeur, la section transversale, la vitesse d’écoulement, le rayon hydraulique et la surface mouillée qui augmentent tous avec la décharge. Ils soulignent également la relation entre les taux de soulèvements et les paramètres géométriques des chenaux. Ils notent que la largeur du chenal, la section transversale et la sur-face mouillée diminuent avec les taux de surrection jusqu’à une valeur limite, et à l’inverse, le rayon hydraulique et la profondeur d’écoulement augmentent avec les taux de surrection (figure II.13B,D). Tous ces résultats sont cohérents avec des observations faites sur le système naturel (Lavé et Avouac, 2001; Duvall et al., 2004).

Table des matières

I Introduction générale
I.1 Contexte de l’étude et problématique de l’étude
I.2 Organisation du manuscrit
II Modélisation expérimentale de la dynamique des reliefs : État de l’art
II.1 Introduction
II.2 Généralités sur la modélisation expérimentale en géomorphologie
II.3 La modélisation de l’érosion des des reliefs
II.3.1 Université du Colorado (Le REF) (Etats-Unis)
II.3.2 Université du Minnesota (Etats-Unis)
II.3.3 Université de Rennes 1 (France)
II.3.4 Université de Newcastle (Australie)
II.3.5 Université de Chuo (Tokyo, Japon)
II.3.6 Université de Montpellier 1 (France)
II.4 Similitude avec les systèmes naturels
II.5 Conclusion du chapitre
III Le dispositif de modélisation développé à l’Université Toulouse 3 Paul Sabatier
III.1 Présentation générale
III.1.1 L’origine du dispositif
III.1.2 Le principe
III.2 Le système de surrection
III.3 Le système de brumisation
III.3.1 Le Principe
III.3.2 La calibration des précipitations
III.4 Le système de mesure des topographies
III.4.1 Principe et caractéristique du laser
III.4.2 Les principaux problèmes rencontrés lors de la numérisation
III.5 Présentation de l’automate
III.5.1 La gestion des cycles en mode manuel
III.5.2 La gestion des cycles en mode automatique
III.6 Le matériau à éroder
III.7 Test de validation du dispositif
III.7.1 Comparaison de l’évolution des hauteurs moyennes
III.7.2 Comparaison des morphologie des topographies
III.8 Conclusion du chapitre
IV Influence des taux de surrection (U) et des taux de précipitations (P) sur la morphologie des reliefs expérimentaux
IV.1 Introduction générale
IV.2 Théories et outils d’analyses des reliefs utilisés dans cette étude
IV.2.1 Evolution des reliefs
IV.2.2 Eléments de morphométrie
IV.3 Conditions expérimentales et présentation des données utilisées dans cette étude 95
IV.3.1 Protocole expérimental
IV.3.2 Présentation des données
IV.4 Morphologie des topographies d’équilibre : l’influence de U et P
IV.4.1 Evolution typique d’une expérience
IV.4.2 Altitudes moyennes d’équilibre des expériences
IV.4.3 Temps de réponse ou temps caractéristique ( )
IV.5 Morphologie des topographies d’équilibre : morphométrie
IV.5.1 Présentation des relations pente/aire-drainée caractéristiques des topographies expérimentales
IV.5.2 Transitions entre les domaines AS
IV.5.3 Concavité de la topographie
IV.5.4 Steepeness index
IV.6 Conclusion du chapitre
V Effet des variations de précipitation sur la réponse érosive
V.1 Introduction
V.2 Réponse érosive des reliefs aux chutes progressives des taux de précipitations : Article soumis
V.3 Discussion complémentaire
VI Migration des crêtes et des rivières liée à un gradient latéral de précipitation
VI.1 Motivation de l’étude
VI.2 La dissymétrie des vallées du piémont nord-pyrénéen : Caractérisation et hypothèse d’un controle climatique
VI.2.1 Contexte général
VI.2.2 L’asymétrie des vallées du piémont nord des Pyrénées
VI.2.3 Asymétrie des vallées nord-pyrénéennes et terrasses fluviatiles
VI.2.4 Morphologie des vallées du piémont nord des Pyrénées : discussion et hypothèses de travail
VI.3 Effet d’un gradient de précipitation perpendiculaire aux crêtes et aux chenaux : étude expérimentale
VI.3.1 Protocole expérimental
VI.3.2 Description générale de l’évolution des topographies
VI.3.3 Migration latérale des rivières et des crêtes et asymétrisation des vallées
VI.3.4 Variation spatiale de l’érosion au cours du temps : érosion différentielle directionnelle et migration latérale des crêtes et des rivières
VI.3.5 Impact du taux de surrection sur la mobilité latérale des crêtes et des rivières
VI.3.6 Description des phénomènes de captures observés
VI.3.7 Synthèse et discussion : migration latérale des crêtes et des rivières et développement d’une topographie asymétrique
VI.4 Discussion et Conclusion du chapitre
VII Conclusion générale et perspectives
VII.1Conclusion
VII.1.1 L’action des forçages sur la géométrie des reliefs expérimentaux
VII.1.2 Effet d’une chute de précipitation : rôle de la durée de chute
VII.1.3 Effet des gradients latéraux de précipitation sur les surfaces topographiques
VII.2Perspectives
A.1 Synthèse des hauteurs moyennes d’équilibres en fonction de U et P pour les différentes tailles de dispositifs
Table des figures
Liste des tableaux
Bibliographie
Résumé