Développement des mégafans himalayens modernes : un contrôle principalement tectonique ou climatique ?

Rachel Abrahami, Isterre, Oct 2011 – Oct 2014

Doctorant : Rachel Abrahami, Isterre, Oct 2011 – Oct 2014, thèse soutenue le 5 mai 2015
Direction : Pascale Huyghe (ISTerre) et Peter van der Beek (Isterre)
Financement : 100% Labex
Ecole Doctorale : Terre Univers Environnement

Sujet de thèse

La chaîne himalayenne, soumise à la fois à des phénomènes tectoniques et climatiques très actifs, est un des chantiers les plus prisés pour l’étude des interactions entre tectonique/climat/érosion. De nombreuses études ont utilisé avec succès les archives sédimentaires pour tâcher de déchiffrer les liens et interactions tectonique/climat qui sont susceptibles d’avoir affecté l’évolution de la chaîne. Dans ce projet, nous nous concentrons sur les accumulations sédimentaires récentes du bassin d’avant-pays, et notamment sur les mégafans, marqueurs du drainage et du relief des régions soumises à des précipitations saisonnières marquées (Leier et al., 2005).
Des mégafans, caractérisés par leur taille considérable (103 –105 km2 ), leur faible pente (0,05°- 0,18°) et la forme en éventail de leurs dépôts liée à la grande mobilité latérale des rivières (DeCelles and Cavazza, 1999), se développent au front de la chaîne himalayenne en aval des rivières principales. Dans la plaine du Gange, leur développement semble lié à un réseau de drainage anormalement espacé (Gupta, 1997, Hovius, 1996). En revanche, les cônes alluviaux déposés sur la plaine du Brahmapoutre en aval des reliefs de l’Himalaya oriental ne présentent pas les caractéristiques morphologiques des mégafans. La disparition des mégafans entre l’Himalaya central (plaine du Gange) et l’Himalaya oriental (plaine du Brahmapoutre) se produit au niveau du Sikkim, possiblement liée à des variations latérales dans la structure de la chaîne (Robert et al., 2011). En aval du Sikkim, le mégafan de la Tista présente lui-même des caractéristiques très particulières : c’est le plus grand des mégafans et il est entièrement composé de matériaux de fraction granulométrique sableuse (Chakraborty and Ghosh, 2010). En outre, il est actuellement incisé alors que le mégafan de la Kosi, situé 150 km plus à l’ouest, est toujours en cours d’aggradation.

Ces simples observations mènent à deux questions fondamentales, étroitement liées, quant à la formation des mégafans en Himalaya :
1) Quels sont véritablement les paramètres qui contrôlent le développement des mégafans au front de la chaîne himalayenne ? En aval de quels reliefs se développent-ils et en réponse à quel type de régime érosif et/ou de drainage ? Quel est le contrôle dominant sur l’évolution des mégafans ; s’agit-il d’un contrôle principalement tectonique (Gupta, 1997) ou climatique (Leier et al., 2005) ?

2) Pourquoi n’observe-t-on pas de mégafans en Himalaya oriental ? Est-ce simplement par manque d’espace pour leur développement, en raison notamment de la présence du plateau du Shillong ? ou bien est-ce en raison de bassins versants de taille, d’altitude et d’érodabilité différentes ? Pourquoi ? Les séquences de déformation et d’exhumation des différents domaines de la croûte indienne impliquée sont-elles moindres ou plus tardives que dans la partie centrale de la chaîne ? Quelle dynamique de la chaîne transparaît au travers de ces différentes accumulations ?

Plan et déroulement du travail de thèse

Partie 1 : Etude du mégafan de la Tista
Pour analyser les contrôles sur l’occurrence et la dynamique des mégafans modernes, il est nécessaire d’appréhender les aspects tectoniques et climatiques au sein de la chaîne himalayenne et il est donc indispensable, dans un premier temps, de dater et caractériser ces dépôts sédimentaires. Lors de l’année écoulée nous nous sommes donc focalisés sur ce point.
Voici les différents aspects abordés dans cette partie :
– Mission de terrain (Inde et Népal) : Échantillonnage des dépôts du mégafan
– Collaboration et séjour à l’Indian Statistical Institute (ISI) à Kolkata :

• Récupération de données de puits de forage au sein du Central Ground Water Board.
• 1 Séminaire donné

– Cartographie plus précise de la surface du lobe proximal et des terrasses fluviales bordant la Tista par GPS cinématique, afin de mieux contraindre la dynamique de l’incision du mégafan.
– Essais de détection de la base du fan en utilisant l’enregistrement du bruit de fond sismique (méthode H/V) afin d’en estimer le volume et ainsi de réaliser des bilans de flux (quel pourcentage des sédiments érodés en amont est stocké dans le mégafan ?).
– Collecte d’échantillons pour des datations OSL (Optically Stimulated Luminescence) qui seront réalisées à Bern (Suisse).
– Travail en laboratoire :
– Analyses des nucléides cosmogéniques (10Be) des échantillons récoltés durant la mission de terrain
– Analyse isotopique : ƐNd et 87Sr/86Sr

Partie 2 : Etude du bassin versant de la Tista : le Sikkim

Mission de terrain (Mars 2013, Inde) :
Echantillonnage des sédiments actuels (sables de rivières) dans la zone source des sédiments ayant construit le mégafan, de la Tista : le Sikkim.
Buts :
– Contraindre les signatures isotopiques (ƐNd et 87Sr/86Sr) des différentes unités litho-tectoniques composant la zone source, afin de reconnaitre leur contribution dans les sédiments du mégafan
– Cartographier la variation spatiale et temporelle des taux d’érosion dans la zone source.

Ces taux d’érosion seront appréhendés par l’analyse cosmogénique 10Be sur les sables de rivières (i.e., von Blanckenburg, 2006 ; Delunel et al., 2010). Nous complèterons ces analyses par des analyses thermochronologiques (traces de fission sur apatite) sur ces
mêmes sédiments, afin d’obtenir des taux d’exhumation à plus long terme. La variation spatiale de ces taux sera comparée aux différents facteurs forçants potentiels (i.e. Vernon et al., 2009 ; Bermudez et al., 2013), alors que la comparaison des taux d’érosion à une échelle de temps millénaire (obtenus par analyse cosmogénique), et des taux d’exhumation à une échelle de temps géologique (obtenu par thermochronologie détritique), permettra de cerner d’éventuelles variations temporelles ainsi que leur contrôles potentiels (i.e. Glotzbach et al., en révision).

Ces données fourniront une vision complète sur l’érosion et l’exhumation actuelle et récente du Sikkim (zone de l’Himalaya sur laquelle peu de travaux ont été réalisés jusqu’à présent, et dont aucun ne se focalise sur les modalités de l’exhumation).