Changement de l’intensité des précipitations

1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 1.5 1 0.5 0 temps (Ma) V it es se d 'e ro si o n m o ye n n e d an s la m o n ta g n e mm/an XSI =0,7 P = 0,7 m/an simulat ion initi ale 9b A P = 0,2 m/an B C D E F P = 0,4 m/an Changement climatique P = 0,5 m/an XSI = 1

FIGURE3.10 – Vitesse d’érosion moyenne dans la partie montagneuse du système montagne

piémont lorsque le système à l’état stationnaire est soumis à une nouvelle pluviométrie. La pluviométrie passe d’une valeur initiale P0 = 0,5 m an−1 à des valeurs uniformes de pluies

de 0,2 m an−1 (courbe vert foncé), 0,4 m an−1 (courbe orange) et 0,7 m an−1 (courbe bleue). Une expérience où la valeur moyenne des pluies reste inchangée mais la variabilité annuelle augmentée est également présentée (courbe rouge). Dans cette expérience, il pleut seulement 70% du temps. La courbe grise représente l’évolution du système initial (expérience 9b) depuis une surface plane jusqu’à l’équilibre dynamique relatif au régime permanent. Les lettres A-F se réfèrent aux cartes topographiques de la figure 3.11.

La figure 3.10 représente le comportement érosif de la partie montagneuse du système, lorsque la pluviométrie appliquée sur la montagne est changée.

Lorsque la pluviométrie reste uniforme mais augmente, la réponse de la mon- tagne est de la forme de la courbe bleue. La montagne connait un pic d’érosion suivi d’une remise à l’équilibre rapide. Le pic d’érosion est dû au brusque apport d’eau

Compléments et illustrations des interactions montagne-piémont

dans la montagne qui permet le détachement d’une plus grande quantité de sédi- ments via l’équation d’incision (5) de l’article [Pepin et al., 2010]. Le système atteint un nouvel état d’équilibre rapidement. Les oscillations haute fréquence autour de la valeur d’équilibre visible sur la courbe correspondent à des oscillations des cours d’eau, dans le lit majeur des incisions permanentes du piémont. Le système mon- tagne piémont entretient les instabilités liées au changement climatique. En effet, l’augmentation de la pluie moyenne implique des décharges de sédiments dans le piémont qui rendent instables les incisions permanentes. Ces dernières avulsent et engendrent des oscillations haute fréquence. Ces oscillations migrent dans la montagne et ainsi de suite.

Lorsque le climat devient plus aride, l’évolution de la montagne est caractérisée par les formes des courbes verte et orange (fig. 3.10). La courbe orange présente le cas où une baisse de la pluviométrie provoque une réponse rapide du système, com- posée d’une diminution brusque de l’érosion et d’une remise à l’équilibre. Le temps de réponse du système est alors comparable à celui enregistré lors d’une augmen- tation de pluviométrie. La courbe vert foncé est typique de la réponse du système lorsque la perturbation climatique est plus intense. Elle présente une réponse com- plexe du système avec un temps de réponse beaucoup plus long que dans le cas des perturbations climatiques précédentes. Ce type de dynamique est atteint lorsque la pluviométrie moyenne est plus faible qu’une pluviométrie seuil (Pseuil = 0.4 m an−1

pour des expériences réalisées avec les mêmes paramètres physiques dont P0 que

l’expérience 9b ).

Dans le cas où P = 0.2 man−1< Pseuil, la réponse érosive de la montagne possède

une forme similaire à la courbe grise représentant l’évolution du système depuis une surface plane jusqu’à l’état d’équilibre. Cette similitude indique que le système montagne-piémont subit une réorganisation géomorphologique et sédimentaire im- portante.

La figure 3.11 illustre les différents stades de cette réorganisation. La diminution brutale de la pluviométrie dans la montagne à l’instant t = 0, provoque l’arrêt de l’érosion dans la montagne (E moyen étant nul à l’instant t = 0 sur la courbe vert foncé fig. 3.10) puis de nouveau, son augmentation progressive. Dans le piémont, la diminution des flux d’eau provoque tout d’abord des encaissements soudains des cours d’eau dans les incisions permanentes (figs. 3.11-B et 3.10, instant B). Puis les flux d’eau et de sédiments provenant de la montagne deviennent peu à peu insuffisants pour préserver des pentes propices au transport des sédiments dans le piémont. Ce dernier commence à sédimenter (fig. 3.11-C.). La sédimentation

3.5 Impact des changements des paramètres externes depuis un état d’équilibre 200 k a 400 k a 500 k a 700 k a 1700 k a B C D E A 0 k a F er os ion déepot

s éediments flu x d'eau

- +

FIGURE 3.11 – Evolution de la topographie au cours du temps (de A à F) d’un système

montagne-piémont initialement à l’équilibre et dont la pluviométrie moyenne, appliquée sur la montagne, passe au temps t = 0 de 0.5 mm an−1 _{à 0.2 mm an}−1_{. Les vignettes de gauche}

représentent les flux solides, les vignettes de droite les flux d’eau, les lignes noires la topo- graphie tous les 100 m. Cette évolution est typique des systèmes montagne-piémont soumis à une pluviométrie inférieure à un certain seuil au dessous duquel les incisions permanentes ne peuvent être conservées.

Compléments et illustrations des interactions montagne-piémont

progressive sur le piémont peut engendrer des ondes de sédimentation dans la montagne (figs. 3.11-D et 3.10, instant D). Les incisions permanentes s’effacent dans le piémont, les flux deviennent non chenalisés (fig. 3.11-E.). Enfin, la re- sédimentation dans le piémont atteint la condition aux limites avale et de nouvelles incisions permanentes apparaissent, induisant une forte onde d’érosion dans la montagne suivie par un retour rapide au régime permanent (figs. 3.11-F et 3.10, instant F).

La courbe rouge de la fig. 3.10 illustre l’évolution de l’érosion moyenne dans la montagne lorsque le système est soumis à une pluviométrie moyenne égale à P0 mais dont la variabilité est plus forte. Elle est représentative de toute expé-

rience dont la variabilité n’est pas nulle. Dans l’expérience exposée, il ne pleut que 70 % du temps. Ceci représente un climat dominé par des pluies plus fortes et moins fréquentes que dans le modèle de référence. L’augmentation de la variabilité des pluies induit un comportement équivalent au cas où la nouvelle pluviométrie moyenne est supérieure à P0 (courbe bleue, fig. 3.10). Les pluies plus fortes bien

que plus rares, augmentent la probabilité de surpasser le seuil d’érosion dans les lois de transport et d’incision (eqs. 3 et 5 Pepin et al. [2010]). Les oscillations haute fréquence de la courbe verte (fig. 3.10) sont dues aux oscillations des précipitations et à l’adaptation sédimentaire du système à ces oscillations avant un retour à un état permanent stable.

Le système montagne-piémont répond de manière différente à un changement climatique selon le type et l’intensité du changement. Lorsque la pluviométrie ou sa variabilité augmentent, le système subit un pic d’érosion suivi d’une remise à l’équi- libre rapide. Cette dernière est caractérisée par des oscillations haute fréquence de l’érosion dans la montagne dues à l’adaptation du système au changement brusque de climat. Lorsque la pluviométrie est plus faible qu’un certain seuil ne permettant pas le maintien des incisions dans le piémont, le système subit un nouveau cycle d’aggradation du piémont suivie d’incision à l’arrivée de l’onde de sédimentation aux conditions aux limites aval.

3.5.3 Conclusion

Le système montagne-piémont s’adapte différemment aux changements uni- formes des facteurs externes que sont la pluviométrie et le soulèvement vertical. Les résultats présentés ci-dessus sont en accord avec les travaux d’ Allen et Dens- more [2000]. Ces auteurs ont montré que le système montagne-piémont s’adaptait

3.5 Impact des changements des paramètres externes depuis un état d’équilibre

progressivement à un changement tectonique alors qu’il s’ajustait rapidement aux changements climatiques (constants). Le temps de réponse du système dépend des caractéristiques de la perturbation mais aussi des paramètres physiques des lois de transports et d’incision (notamment des paramètres n et m) ainsi que de la taille du piémont.

Les expériences présentées dans cette section montrent que le changement de soulèvement vertical implique une réponse stable du système avec aucun chan- gement géomorphologique. Au contraire, le changement climatique implique des réponses plus instables caractérisées soit par des oscillations hautes fréquences de l’érosion de la montagne dans le cas de plus fortes pluies ou de plus fortes variabilités, soit par une réorganisation totale du piémont avec resédimentation et réincision dans le cas d’un climat plus aride (pluviométrie moyenne faible). Le chan- gement climatique de part son action directe sur les flux d’eau induit fréquemment des changements géomorphologiques (réorganisation ou avulsion) dans le piémont alors que la perturbation tectonique agit indirectement sur les pentes et induit donc une réponse plus stable du système.

Enfin, la réponse du système montagne-piémont à un changement climatique peut être rapide et simple (pic d’incision et retour à l’équilibre) ou longue et com- plexe (réorganisation totale du piémont) en fonction de l’intensité de la perturbation appliquée.

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