Erosion des galets des rivières de montagne au cours du transport fluvial : étude expérimentale et application aux réseaux hydrographiques d'orogènes actifs

Thèse soutenue devant le jury composé de : Philippe DAVY Président Philippe BELLEUDY Rapporteur Niels HOVIUS Rapporteur Jérôme LAVE Directeur de thèse Jean-Louis MUGNIER Directeur de thèseTerrestrial landscapes result from the competition between two opposing processes: tectonic uplift and erosion. At mountain range scale, rivers are the most important agents that shape the landscape: in response to uplift, they incise into bedrock and control the progressive lowering of base level for hillslope erosion, in particular by landslides. Moreover, they evacuate the erosional products of the range as dissolved, suspended and bed load. The latter interacts with river bedrock and controls the mode and rate of its incision. A thorough understanding and quantification of abrasion processes linked to pebble – bedrock interactions is therefore necessary to understand the evolution of mountainous landscapes. To this aim, we have realized an experimental study based on a new device in which we reproduce as realistically as possible the abrasion processes that act in natural rivers. With regard to previous studies, we confirm the control exerted by pebble lithology and particle velocity, with in particular a relationship between abrasion rate and particle kinetic energy. The dependence on particle size is, however, complex to describe by a single law; for example, the trend observed by using material that is heterogeneous in size is opposite to the one obtained by using graded material: in the first case, the smaller the particles, the faster they are abraded. These first results, which need to be characterized more finely by further experiments, indicate that pebble and bedrock abrasion strongly depends on numerous variables and that the bedload exerts a major control on the geomorphology and evolution of the fluvial network. Parallel to this experimental study, a field study has been carried out in an active orogenic setting (Marsyandi valley, Himalaya), where the downstream evolution of sediment characteristics can be interpreted in terms of abrasion during fluvial transport. Combining the two studies leads to new insights in sediment supply and transport modalities and in interactions between sediments and bedrock. We show, in particular, that the downstream evolution in grain size reflects mainly the influence of the sources and the transport modalities. Therefore, fining rates measured in the field cannot be compared directly with experimental abrasion rates. On the other hand, pebble abrasion can be revealed by the downstream evolution of lithologic proportions, the latter being less sensitive to source and transport effects. By using a simple numerical model, we achieve to reconcile experimental abrasion rates with those deduced from the observations along the Marsyandi River. Our experimental and field results emphasize the importance of the spatial and temporal distribution of supply zones and of their characteristics, and confirm the major role played by bedrock and bedload lithology in terms of controlling tectonic and denudational processes, and consequently in terms of the long term evolution of mountain ranges.Les reliefs terrestres résultent de la compétition entre deux processus antagonistes : le soulèvement tectonique et l'érosion. A l'échelle d'une chaîne de montagne, les rivières constituent les agents du modelé des paysages les plus importants : en réponse au soulèvement, elles s'incisent dans les massifs rocheux et contrôlent ainsi l'abaissement progressif du niveau de base pour les processus d'érosion des versants, notamment les glissements de terrain. Elles assurent de surcroît l'évacuation des produits de l'érosion de la chaîne sous forme de charge dissoute, de charge en suspension ou de charge de fond. Cette dernière interagit avec le substrat rocheux de la rivière et en contrôle la vitesse et le mode d'abrasion. Une bonne compréhension et une quantification des processus d'abrasion liés aux interactions entre les galets et le fond rocheux est donc nécessaire pour comprendre l'évolution des paysages montagneux. Dans cette optique, nous avons réalisé une étude expérimentale basée sur un dispositif inédit dans lequel nous reproduisons de manière relativement réaliste les processus d'abrasion effectifs en rivière naturelle. Par rapport aux précédentes études, nous confirmons le contrôle exercé par la lithologie des matériaux et par la vitesse des particules, avec notamment une relation entre le taux d'abrasion et l'énergie cinétique des galets. La dépendance vis-à-vis de la taille des particules est cependant complexe à décrire par une loi simple ; par exemple, la tendance observée au sein de matériel hétérogène granulométriquement va à l'encontre de ce que l'on observe lorsque l'on utilise du matériel calibré : plus les particules sont petites, plus elles s'érodent rapidement. Ces premiers résultats, même s'ils nécessitent d'être caractérisés plus finement dans le cadre d'expériences futures, indiquent que l'abrasion des galets comme celle du substrat rocheux dépend fortement de nombreuses variables et que la charge de fond exerce un contrôle majeur sur la géomorphologie du réseau fluvial et sur son évolution. En combinant cette étude à une étude de terrain en contexte orogénique actif (vallée de la Marsyandi, Himalaya), là où l'évolution des caractéristiques des sédiments vers l'aval peut être interprétée en terme d'abrasion au cours du transport, de nouvelles vues sur les modalités d'approvisionnement et de transport des sédiments et sur les interactions entre ceux-ci et le substrat des rivières ont pu être proposées. Nous montrons en particulier que l'évolution de la granulométrie des alluvions vers l'aval reflète principalement l'influence des sources et les modalités de transport. Les taux de réduction de taille mesurés sur le terrain ne peuvent donc pas être directement comparés à des taux d'abrasion. En revanche, l'abrasion des galets peut être mise en évidence par l'évolution des proportions lithologiques vers l'aval, celle-ci étant moins sensible aux effets de source et de transport. On parvient, via un modèle numérique simple, à réconcilier pour la première fois les taux d'abrasion obtenus expérimentalement et ceux déduits des observations faites le long de la rivière. Nos résultats de terrain et expérimentaux soulignent enfin l'importance de la distribution spatiale et temporelle des zones d'apport et de leurs caractéristiques et confirment le rôle majeur joué par la lithologie du substrat rocheux et de la charge de fond en terme de contrôle des processus tectoniques et de dénudation, et par conséquent en terme d'évolution à long terme des chaînes de montagne