Dans cette section, je mets en relation les différents paramètres morphométriques des bassins versants et des cônes alluviaux afin de mettre en évidence des relations de proportionnalité entre les données. Je présente ici uniquement les relations qui « fonctionnent » pour au moins un des piémonts. Les relations non représentées n’ont pas été jugées significatives ou bien sont logiquement déduites des autres relations présentées.
(1) Relation entre la longueur du drain majeur et l’aire du bassin versant : la loi de Hack.
Dans le piémont sud, la relation de Hack entre la longueur du drain majeur et l’aire du bassin versant peut être décrite statistiquement autant par une fonction linéaire que par une loi de puissance (fig.II.32). La différence entre les deux corrélations est minime de sorte qu’il paraît inutile d’envisager une relation (plus complexe) de type puissance alors qu’une simple relation de proportionnalité semble convenir (Poisson, 2002). La pente de la régression indique que la longueur de la rivière est égale au dixième de l’aire du bassin versant (coefficient de proportionnalité égale à 0.1).
Dans le piémont nord, cette relation de Hack est également linéaire et positive avec un coefficient de proportionnalité de l’ordre de 0.03 (fig.II.32).
La différence de pente de la régression entre les deux piémonts signifie qu’à longueur équivalente, les aires des bassins versants du piémont nord sont plus grandes que dans le sud (les bassins versants sont plus « évasés » dans le nord). Pour s’en convaincre, on pourrait
éventuellement mesurer le rapport de forme des bassins versants (voir Hurtrez, 1999, pour une description de l’outil).
Fig.II. 32 : Loi de Hack : relation entre la longueur du drain principal et l’aire du bassin versant.
(2) Relation entre l’aire du cône et l’aire du bassin versant
La relation entre l’aire d’un cône alluvial et l’aire de son bassin versant est généralement considérée comme une loi de puissance (voir paragraphe dédié à cette relation au chapitre I). Toutefois, Poisson (2002) a montré que cette relation était linéaire pour le piémont nord du Tian Shan et différente entre l’est et l’ouest.
Dans le piémont sud, je retrouve bien cette relation linéaire positive sur l’ensemble des données (bonne corrélation : R2 = 0.90 ; fig.II.33). Dans le piémont nord, on retrouve la même dichotomie des données que Poisson (2002) avait mise en évidence ; et cela malgré des modifications des limites de certains bassins versants (fig.II.33). On observe une relation linéaire extrêmement robuste pour les 7 cônes alluviaux de la partie ouest du piémont (R2 = 0.99). En revanche, dans la partie est, la corrélation observée durant ce travail n’est pas aussi linéaire que celle constatée par Poisson (2002). Ici, une relation de type puissance semble davantage convenir bien que la corrélation soit assez peu robuste (R2 = 0.61) car les données sont assez dispersées.
Fig.II. 33 : Relation entre l’aire des cônes alluviaux et l’aire des bassins versants.
Si l’on compare la morphologie des deux jeux de données dans le piémont nord et sud pour lesquels on dénote une très bonne corrélation linéaire, on constate qu’il s’agit de portions de piémonts très similaires. Le front de déformation est dans les deux cas très simple avec un chevauchement unique permettant le soulèvement d’un massif topographique par rapport à une plaine de dépôt paisible. En particulier, il n’y a aucune structure topographique (tel qu’un pli en propagation par exemple) pour perturber la mise en place des cônes alluviaux. Ceux-ci ont donc toute la liberté pour se mettre en place et croître en fonction des apports sédimentaires fournis
par les bassins versants. La perturbation de la plaine de dépôt pourrait être l’explication de la dichotomie ouest-est observée dans le piémont nord. En effet, les cônes des rivières Anjihai (7), Jingou (8), Manas (9), Taxi (10W) et Hutubi (10E) sont directement affectés par les reliefs des plis du piémont. Ils sont obligés de les contourner ou sont bloqués dans leur progression par la barrière qu’ils représentent. Leur aire planimétrique n’est donc pas directement révélatrice des apports des bassins versants mais est au contraire biaisée par les reliefs des plis. En conséquence, je ne pense pas que les données des cônes de l’est soit directement exploitables en l’état. Il n’est par conséquent pas nécessaire, à mon sens, d’invoquer un asynchronisme des cônes ou bien une cause climatique à cette dichotomie est-ouest (comme suggéré par Poisson, 2002). En outre, on remarquera que la taille des cônes ne semble guère influencer la linéarité observée. Un bassin versant tel que celui de la Kuytun (n°6, piémont nord) possède en effet une aire atteignant les 2000 km2 tout en restant parfaitement dans la tendance linéaire.
Si l’on s’intéresse à présent à la pente de la régression linéaire des deux piémonts, on observe que la pente du piémont nord est plus de deux fois supérieure à celle du piémont sud (0.305 contre 0.144). Cette pente traduit en quelque sorte un taux d’exportation de matériel sédimentaire du bassin versant vers les cônes (des km2 de cônes déposés par km2 de bassin versant exposé à l’érosion). Pour une aire de bassin versant équivalente, le piémont nord sédimente une plus grande surface de matériel que le piémont sud. Il existe plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette différence :
• La lithologie : Une lithologie plus érodable dans le piémont nord pourrait exporter pour une aire de bassin versant donnée, une quantité de matière plus importante. • Le taux de surrection : Le taux d’exportation plus important dans le piémont nord
impliquerait une surrection plus active dans le nord que dans le sud.
• Le taux d’érosion (variation climatique ?). Cela suggère une érosion plus intense dans le nord que dans le sud.
• Le taux de subsidence : Un taux de subsidence élevé dans le bassin d’avant-chaîne piège les sédiments au fur et à mesure qu’ils sont évacués des bassins versants. Cela empêche la progradation des cônes alluviaux vers la plaine de dépôt et diminue donc leur surface d’épandage (Whipple et al., 1996). Les corrélations observées suggèrent alors que le taux de subsidence est plus important dans le sud que dans le nord.
D’après la carte géologique, les lithologies érodées dans la pointe ouest du piémont nord sont des roches volcaniques, volcano-sédimentaires et granitiques. Dans le piémont sud, il s’agit également de roches granitiques et sédimentaires détritiques. On serait donc tenté de dire que la différence de lithologie joue un rôle limité.
Pour ce qui est des taux de surrection, le peu de données disponibles nous limite dans les propositions.
Concernant les taux d’érosion, les précipitations sont environ trois fois plus importantes dans le piémont nord que dans le piémont sud (fig.II.5). On peut imaginer que l’érosion y soit également plus importante et donc en partie à l’origine de la différence observée.
Enfin, les données de subsidence du Tian Shan sont assez rares. A ma connaissance, seuls les travaux de Hendrix et al. (1992) s’intéressent aux taux de subsidence dans les bassins sédimentaires du pourtour du Tian Shan. Leurs travaux, essentiellement focalisés sur le Mésozoïque, donnent cependant quelques informations sur la subsidence mésozoïque. En particulier, la figure 14 de leur étude indique un taux de subsidence totale sur le Néogène
supérieur dans le nord du bassin du Tarim que dans le sud du bassin du Junggar. Ces données sont en accord avec nos observations et pourraient donc expliquer une autre partie de la différence morphométrique observée.
Remarque :
Les portions ouest du piémont nord et est du piémont sud possèdent les mêmes valeurs de relief ratio (autour de 8-10° ; fig.II.31). Si l’on considère que la pente du prisme d’accrétion (voir chapitre I) dans ces deux portions est assimilable à cette grandeur, cela signifie que les conditions d’accrétion au niveau des deux piémonts sont sensiblement identiques. En d’autres termes, les paramètres mécaniques du prisme (friction interne des roches, friction sur les décollements) sont comparables.
(3) Relation entre le rayon du cône et l’aire du cône
La relation entre le rayon des cônes alluviaux et leur aire est linéaire et positive aussi bien pour le piémont nord que pour le piémont sud (corrélation assez bonne autour de R2 = 0.76-0.78 ; fig.II.34).
Fig.II. 34 : Relation entre le rayon des cônes alluviaux et leur aire.
Cette proportionnalité est intuitive car il paraît logique que l’aire du cône alluvial augmente lorsque le rayon augmente. Toutefois, en reprenant l’expression de l’aire d’un cône alluvial Ac présentée par B. Poisson (2002 ; p 91) en fonction de son rayon Rc et de son angle d’ouverture ! (Eq.II.1) :
!
Ac=".Rc
2
2 Eq.II. 1
il apparaît que l’aire du cône devrait être linéairement corrélée au carré du rayon et non au rayon même. Si l’on trace ces deux paramètres dans un diagramme spécifique, on observe que c’est effectivement le cas (fig.II.35.A&B). Selon l’équation II.1, la pente de ces régressions représente la moitié de l’angle d’ouverture moyen des cônes, soit environ 37° pour le piémont nord et 48° pour le sud. La relation linéaire observée entre le rayon du cône et son aire serait donc davantage une loi de puissance (racine carrée).
Fig.II. 35 : Relation entre l’aire du cône et le carré de son rayon. La pente de la régression correspond à la moitié de l’angle d’ouverture moyen des cônes.
(4) Relation entre la pente du cône et l’aire du bassin versant
La relation entre la pente des cônes alluviaux et l’aire de leur bassin versant est différente, au premier abord entre les piémonts nord et sud (fig.II.36).
Dans le piémont sud, la relation met nettement en évidence deux populations de données. La première possède des pentes de cônes et des aires de bassins versants faibles qui ne semblent pas avoir de relation définie entre elles. La seconde correspond à des cônes ayant des pentes comprises entre 3 et 1.5° pour des aires de bassins versants s’échelonnant de 50 à 500 km2. La relation entre ces données est alors clairement linéaire et négative (la relation en loi de puissance n’a pas été représentée car non significative : R2 = 0.51). Aux vues des images satellites et cartes géologiques, les cônes alluviaux de la première catégorie correspondent à des petits cônes, souvent de couleur claire, nichés entre des cônes alluviaux plus larges et sombres (fig.II.22). Les premiers sont associés à de petits bassins versants drainant des lithologies appartenant essentiellement au Mésozoïque (roches sédimentaires détritiques de la Zone II de la carte de pentes ; voir fig.II.24). Les second sont associés à de gros bassins versants drainant les hauts reliefs composés de roches paléozoïques et sont associés à de gros cônes alluviaux. La carte géologique indique que ces cônes sont d’âge quaternaire (fig.II.23.A). Les petits cônes clairs sont certainement holocènes. La raison principale expliquant l’écart de la population des cônes clairs vis-à-vis de leurs homologues sombres est leur géométrie influencée par la présence des cônes massifs. En effet, ils subissent plus qu’ils n’imposent la localisation de la sédimentation. Etant « coincés » entre des objets massifs, ils sont contraints d’aller déposer leur charge plus en aval que s’il n’y avait eu aucun cône massif. De fait, pour une taille de bassin versant équivalente, ces cônes possèdent des pentes plus faibles que ceux de l’autre classe (comparer les données des bassins versants 9, 7, 20, 21, 23 ; fig.II.36). A mon avis, ils ne doivent donc pas être considérés.
Dans le piémont nord, la situation est légèrement différente car les données couvrent une gamme de dimensions de bassins versants beaucoup plus vaste. Les plus petits bassins versants font quelques centaines de km2 tandis que les plus grands sont 10 fois plus vastes (voir en particulier le cas de la Manas : 9). Les pentes des cônes sont en revanche du même ordre de grandeur (quelques degrés) quoique atteignant des valeurs inférieures à 1°. Dans ces conditions, la corrélation de la pente du cône en fonction de l’aire du bassin versant est une relation en loi de puissance. La corrélation est assez bonne (R2 = 0,89) et indique que la tendance est relativement robuste : lorsque l’aire du bassin versant augmente, la pente du cône alluvial diminue (environ au carré). Au début, elle diminue fortement puis tend vers une valeur asymptote que l’on pourrait imaginer autour de quelques dixièmes de degrés. On notera qu’aucune division du jeu de données n’est invoquée (l’ensemble des bassins versants réagit uniformément).
Cette observation est tout à fait cohérente avec l’état de l’art sur les cônes alluviaux rappelé dans le chapitre I. Les variations de pentes observées s’expliquent par la nature des processus d’érosion/transport/sédimentation à l’origine des cônes. Dans le cas de grands bassins versants, les processus fluviatiles continus dominent le transport et permettent un bon granoclassement et une redistribution plus diffuse des sédiments. A l’inverse, dans le cas de petits bassins versants, les processus épisodiques de type coulée de débris transportent plus difficilement la matière dans les bassins versants et la plaine de dépôt. De plus, ces bassins versants restent la plupart du temps quasiment à sec et exportent leur charge lors d’évènements catastrophiques.
Finalement, on peut proposer que les deux courbes issues de chacun des piémonts du Tian Shan indiquent en réalité un même phénomène de morphologie sédimentaire. La différence de corrélation s’explique par le fait que le piémont sud n’échantillonne qu’une partie de la courbe du piémont nord. Les aires de bassins versants du sud correspondraient ainsi à la portion fortement pentue de la courbe du nord.
Remarque : Ce type de corrélation entre la pente du cône et l’aire du bassin versant est transposable à la relation entre la pente du cône et l’aire du cône. La relation linéaire entre l’aire du cône et l’aire du bassin versant explique alors cette équivalence.
(5) Relation entre la pente aval du drain et sa longueur totale
La relation entre la pente du segment aval du drain majeur et sa longueur totale ressemble pour beaucoup à la relation relevée dans la section précédente (fig.II.37). On observe une dichotomie des données du piémont sud selon les deux mêmes populations et une corrélation linéaire relativement bonne entre les données du second groupe (coefficient de corrélation R2 = 0.84).
Dans le piémont nord, la dichotomie ouest-est effacée dans la précédente étude resurgit dans ce diagramme. Les bassins versants de l’ouest décrivent une relation en loi de puissance décroissante tandis que le groupe de l’est forme un ensemble conservant une pente relativement constante quelle que soit la longueur du chenal majeur (autour de 1°). Cette observation tend à dire que les rivières du groupe de l’est sont guidées par les mêmes processus d’érosion-transport et qu’ils sont différents du groupe de l’ouest. Comme nous pouvons le voir sur la carte topographique de la figure II.15, les rivières de l’est s’écoulent au travers des plis avant d’atteindre la plaine de dépôt du Junggar. Au contraire, les rivières de l’ouest passent directement des fortes pentes de la haute chaîne à la plaine de dépôt. On peut alors suggérer que la différence de comportement des deux rivières s’explique par la nature même de la rivière. Dans le groupe de l’est, les observations de terrain indiquent que ces rivières sont principalement alluviales après avoir franchi le chevauchement du socle carbonifère sur les séries mésozoïques. La charge sédimentaire à transporter est très importante et ces rivières semblent alors pouvoir être qualifiées de « limitées par le transport ». Au contraire, les rivières de l’ouest pourraient certainement être considérées comme « à substratum rocheux » (bien que je n’ai pas eu l’occasion de le vérifier sur le terrain). Dans ce cas, le diagramme de la figure.II.37.A montre les effets de seuils sur la dynamique des deux rivières. Il s’agit pour les rivières de l’est d’un seuil de transport des sédiments. Ce seuil serait indépendant de la longueur de la rivière (et de la taille du bassin versant) car la pente du segment aval de la rivière est sensiblement constant quelque soit sa longueur. On imagine ici que ce seuil est plutôt dépendant de la charge des rivières délivrées lors des écoulements majeurs. Pour les rivières de l’ouest, ce seuil serait davantage un seuil d’incision fonction des dimensions de la rivière et du bassin versant (voir modèle de puissance du courant ; chapitre I).
L’explication des deux populations dans le piémont sud est plus délicate (d’autant que je n’ai pas eu l’occasion d’observer ces rivières sur le terrain). Les rivières 1 à 14 s’écoulent dans la zone II du piémont où les lithologies sont très comparables aux séries mésozoïques du piémont nord (fig.II.23). On pourrait alors s’attendre à ce qu’elles soient à dominante « alluviale » et donc guidées par un seuil de transport. Or certaines de ces rivières se retrouvent dans la tendance linéaire dictée par les rivières (supposées à substratum rocheux) de l’est (par exemple les rivières 16 à 23). Une solution pour réconcilier cette apparente contradiction serait de proposer que la zone aval des rivières 1 à 14 soit particulièrement active d’un point de vue tectonique (cela revient donc à considérer que la terminaison périclinale du pli de Kelasu soit toujours active). De cette façon, la surrection du lit rocheux maintient la présence d’une rivière de type « substratum rocheux » et donc une forte pente d’écoulement.
(6) Relation entre la pente aval du drain et le relief ratio
La relation entre la pente aval du drain majeur et le relief ratio du bassin versant (ie, la pente moyenne ; définition au chapitre I) est linéaire positive pour les deux piémonts (fig.II.38). Plus le relief ratio est important, plus la pente aval du drain majeur est importante. Cette observation est également cohérente avec la dichotomie rivière alluviale / rivière à substratum rocheux. Pour de fort relief ratio (forte pente moyenne du bassin versant), le potentiel gravitaire des écoulements fluviatiles est important. Les rivières ont plus d’énergie que nécessaire pour transporter leur charge : elles sont de type « substratum rocheux ». Au contraire, pour de faibles relief ratio (faible pente moyenne du bassin versant), la partie aval de la rivière ne peut transporter toute la charge sédimentaire dans son lit : elle est limitée par le transport et donc de type « alluviale ».
Les pentes des régressions linéaires sont sensiblement identiques entre le nord (0.47) et le sud (0.42). Cela tend à suggérer que les pentes des rivières réagissent de la même façon entre le piémont nord et le piémont sud. Il s’agit d’un résultat attendu étant donné que les lithologies sont
sensiblement identiques dans les deux piémonts et que les processus d’érosion-transport sont de même nature (dominés par les écoulements chenalisés).
Fig.II. 38 : Relation entre la pente aval du drain majeur et le relief ratio.
4. Discussion
La comparaison morphologique des piémonts nord et sud du Tian Shan montre de nombreux points de similitude qui concernent en particulier :
• Les pentes du piémont :
Dans les deux piémonts, nous avons distingué trois domaines morphologiques au niveau des bassins versants (voir fig.II.20&24). La zone II (pente moyenne) présente dans les deux piémonts une géométrie biseautée (en carte). Celle-ci pointe vers l’ouest dans le piémont nord et vers l’est dans le piémont sud.
• La ligne de partage des eaux principales :
Dans les deux piémonts, la ligne principale de partage des eaux se trouve à une distance qui évolue par rapport au front de déformation (fig.II.27). Dans le piémont nord, cette distance diminue vers l’ouest tandis qu’elle diminue vers l’est dans le piémont sud. Cette observation est également valable pour les dimensions des rivières