Mesures de décalages cumulés

L’estimation de vitesses de glissement horizontales à partir de décalages de marqueurs alluviaux peut présenter des difficultés, notamment sur l’interprétation de l’âge des marqueurs décalés. Lorsque les marqueurs sont étagés, comme des terrasses alluviales par exemple, il peut y avoir une ambiguïté sur la correspondance du décalage avec l’âge de la terrasse supérieure, celui de la terrasse inférieure, ou un âge intermédiaire (Rizza et al., 2011; Van der Woerd et al., 2000; Cowgill 2007; Gold et al., 2009). L’exemple ci-dessous (Figure 2-8) présente la méthodologie pour encadrer la vitesse de glissement sur un site de terrasses alluviales, en considérant des talus de rivières ayant subies des évolutions différentes en étant décalées par la faille (Gold et al., 2009).

Figure 2-8 : Modèle conceptuel illustrant l’évolution de talus diachrones de terrasses alluviales, d’après Gold et al. (2009). Au temps 1, un talus est formé alors que l’écoulement est actif sur la terrasse inférieure (LT). Au temps 2, le glissement latéral le long de la faille protège la talus situé en aval de l’érosion du chenal actif, et son profil est principalement affecté par de la diffusion. Le talus supérieur subit quant à lui un sapement par le chenal actif, ce qui entraîne son retrait et l’effacement progressif du décalage cosismique, tout en assurant l’aspect frais de sa morphologie. Au temps 3, la poursuite du décalage au niveau de la faille maintient le recul et la raideur du talus en amont de la faille, alors que le talus en aval, toujours protégé, continue de diffuser, au point que ses piercing

lines migrent de part et d’autre de la position initiale du talus. Au temps 4, lorsque l’incision du

chenal actif induit un abandon de la terrasse inférieure, les talus qui délimitent les terrasses en amont et en aval de la faille n’ont plus le même âge, et les déplacements observés permettent uniquement d’encadrer la valeur réelle du déplacement latéral. Les déplacements des talus en amont et en aval de la faille constituent respectivement les bornes minimale et maximale du déplacement utilisés pour le calcul du slip rate. Dans le cas d’une incertitude trop importante, des critères additionnels comme la présence de marqueurs au sein des surfaces peuvent permettre de contraindre l’amplitude de l’érosion du talus non protégé.

I.4.2. Datations

Afin d’apporter la composante temporelle dans la détermination de la vitesse de glissement d’une faille, deux méthodes ont été utilisées dans cette étude, permettant d’estimer l’âge de dépôt ou d’abandon des marqueurs morphotectoniques: la datation aux nucléides cosmogéniques, et la datation par luminescence stimulée optiquement (OSL, Optically Stimulated Luminescence).

I.4.2.1. ¹⁰Be in situ

Initialement développée pour l’étude des météorites, la méthode de datation par nucléides cosmogéniques, à la faveur de l’amélioration de la spectrométrie de masse par accélérateur de particule et de la spectrométrie des gaz rares (Lal et Arnold, 1985), est aujourd’hui communément utilisée dans les domaines de la glaciologie, de la pétrologie, ou encore de la géomorphologie.

I.4.2.1.1. Principes généraux

Le principe est simple : sous l’effet du bombardement de particules de haute énergie, elles-mêmes résultant de l’interaction du rayonnement cosmique avec les atomes de l’atmosphère terrestre, certains atomes constituant les roches vont subir des réactions nucléaires de spallation, aboutissant à la production de nouveaux éléments qui vont se substituer aux atomes cibles et rester dans le maillage minéralogique (Dunai, 2010; Gosse et Phillips, 2001; Stone, 2000).

L’essentiel des interactions entre le rayonnement cosmogénique incident et les matériaux terrestres s’effectue dans l’atmosphère, générant des particules secondaires (protons et neutrons) au cours une succession d’interactions, qui vont à leur tour entraîner de nouvelles spallations. La cascade réactionnelle se propage ainsi jusqu’au sol (Figure 2-9), et interagie finalement avec les matériaux de la surface. Par exemple un atome d’oxygène (16O) impacté par un neutron produira du ¹⁰Be, 4 protons et 3 neutrons (Dunai, 2010).

Ces réactions de spallations produisent des éléments plus légers, alors nommés nucléides cosmogéniques ou cosmonucléides, pouvant être stables (e.g. ³He et ²¹Ne) ou radioactifs (e.g. ³⁶Cl, ¹⁴C, ¹⁰Be), ainsi que des particules plus légères et moins énergétiques (protons et neutrons) qui sont éjectées. L’accumulation de ces nouveaux isotopes dans les dépôts est fonction du temps, de la dénudation et de la profondeur, et la mesure de leur concentration peut être utilisée comme un sablier pour le mesurer.

Figure 2-9: Production de particules dans l'atmosphère et le sol, d'après Gosse et Phillips, 2001. Les réactions de spallation provoquent la formation d'isotopes cosmogéniques dans l'atmosphère et la lithosphère.

I.4.2.1.2. Taux de production

L’un des paramètres principaux nécessaire pour utiliser les nucléides cosmogéniques est le taux de production, exprimé en atome at.g^-1.a^-1, correspondant à la vitesse à laquelle un isotope cosmogénique in situ (par opposition à atmosphérique) s’accumule dans un minéral. Le taux de production dépend d’une part du flux et de l’énergie des particules cosmiques qui atteignent le minéral (latitude, altitude et profondeur), et d’autre part de la composition chimique du minéral.

Les particules cosmiques incidentes (protons, particules β ou électrons) étant chargées, elles sont influencées par le champ magnétique terrestre, et dans le contexte géomagnétique dipolaire actuel, le taux de production augmente avec l’augmentation de la latitude.

L’altitude est également un facteur important dans la mesure où l’immense majorité du rayonnement cosmique est intercepté dans l’atmosphère (seul 0,1% du flux de particules cosmique arrive au sol avec suffisamment d’énergie pour générer des réactions de

spallation). L’épaisseur d’atmosphère traversée est donc directement liée au taux de production dans le sol, et le taux de production augmente donc avec l’altitude.

Le taux de production de référence actuel pour le ¹⁰Be est égal à 4,02 ± 0,02 at.g ^-1.an^-1 au niveau de la mer (Borchers et al., 2016). Ce taux est ensuite corrigé en fonction de la latitude et de l’altitude du site d’échantillonnage (Stone, 2000). Les reliefs alentours peuvent également agir comme des obstacles à l’arrivée du rayonnement cosmique sur le site de datation, réduisant le taux de production par phénomène d’écrantage. Il convient par conséquent de considérer, pour chaque site, la hauteur des reliefs environnant pouvant faire obstacle aux rayonnements cosmiques incidents, afin de corriger le taux de production d’un éventuel écrantage. L’écrantage est déterminé par la mesure de l’angle constitué par les principaux sommets et points bas environnant le site d’échantillonnage, puis utilisé dans le calcul du taux de production au travers d’un coefficient allant de 0 à 1, ici déterminé à l’aide de l’outil présenté dans Balco et al., (2008) ; 0 étant un écrantage complet (cas d’un dépôt souterrain par exemple), et 1 l’absence d’écrantage par les reliefs avoisinants (cas d’un site au relief tabulaire).

Le sol étant beaucoup plus dense que l’atmosphère (1,2 à 2,6 contre 0,0001 pour l’air), les rayons cosmiques sont donc atténués en fonction de l’épaisseur de matière traversée, et de sa masse volumique. Il en résulte une décroissance exponentielle du taux de production avec la profondeur, qui est caractérisée par un paramètre appelé longueur d’atténuation, exprimé en g.cm-2, qui dépend du type de particule et de la densité du milieu. Un échantillonnage pour estimation de la masse volumique du dépôt est donc systématiquement réalisé.

L’atténuation théorique du taux de production en fonction de la profondeur est donnée par la loi :

!(") = !

_#

$%

^(&'*)_{  (I-1)}

Où P₀ est le taux de production en surface, + est la densité de la roche en g/cm3, x la profondeur en cm, et

$

,la longueur d’atténuation des particules qui vaut 150 g/cm2 pour les neutrons, 1500 g/cm2 pour les muons lents et 4320 g/cm2 pour les muons rapides (Braucher et al., 2011). Les contributions muoniques, bien que négligeables en surface (~2 % de la production) deviennent prépondérantes en profondeur. La production de nucléides cosmogénique peut donc être observée de la surface à plusieurs dizaines de mètres de profondeurs.

I.4.2.1.3. Datation au 10Be

Les isotopes cosmogéniques demeurent, après avoir été produits, piégés dans les mailles minéralogiques de certains minéraux, comme le quartz, qui présente par ailleurs un réseau cristallin qui limite les pertes par diffusion. De plus, le quartz présente une composition bien déterminée (SiO2), et ces deux éléments (oxygène et silicium) sont susceptibles de produire du ¹⁰Be par spallation. Le quartz étant un matériau à la fois très résistant et abondant, et il est couramment présent dans les dépôts sédimentaires, et constitue un outil primordial pour effectuer des datations de marqueurs morphotectoniques, en vue de mesurer les vitesses de glissement des failles actives. Le ¹⁰Be est un isotope radioactif de demi-vie T_1/2¹⁰Be = 1,387.10⁶ a, et une compétition entre production et désintégration va ainsi s’opérer en fonction du temps d’exposition (Figure 2-10), selon l’équation différentielle suivante :

-.(/01)$

21

= 3$ ×

^24(506)_2/

7 89("0 :)$;$P

_#

× %

^<>'(?$)* (I-2)



où C(x,t) est la concentration en ¹⁰Be en fonction de la profondeur x et du temps t, λest la constante de décroissance radioactive du ¹⁰Be (4,62.10^-7 a^-1) et

3

le taux d’érosion en

g.cm^-2.a^-1.

La différentiation des contributions neuroniques (n) et muoniques (μ1 et μ2) et l’hypothèse d’un taux de production contant permet d’obtenir l’équation suivante :

9("0 :) = $9("0 @) ×$%AB$1$; C ^!_E+^#$×$!D F_D ^{; G $×$%} –$H/ IJ $$$×$(K 7$%^ALB$M$NHIJ$O1)$ DQRSTUSTV $$$$$$$$$$$$(W 7 X)

où C(x,0) est la concentration initiale de l’échantillon en fonction de la profondeur, c’est-à-dire, dans le cas d’un dépôt instantané, l’héritage en 10Be.

Figure 2-10 : Exemple de distribution de la concentration en ¹⁰Be selon un profil en profondeur, d'après (Vassallo et al., 2005). A 2,5m de profondeur la concentration en ¹⁰Be est de l’ordre de 0,3 Mat.g^-1, correspondant à l’héritage des matériaux lors du dépôt. La courbe noire représente le meilleur modèle, pour un âge de 128 ka.

Au bout d’un certain temps, un équilibre entre le taux de production et le taux de désintégration va se produire, limitant la période couverte par cette méthode de datation à quelques centaines de milliers voire quelques millions d’années, en fonction du taux de production local (altitude, latitude) ; lorsque cet équilibre est atteint, on parle alors d’état stationnaire (Figure 2-11). Le taux de production étant variable avec la profondeur d’enfouissement, des phénomènes d’aggradation ou d’érosion de la surface auront des implications sur la distribution en profondeur des concentrations en ¹⁰Be, et par conséquent l’interprétation d’une datation sera soumise à des hypothèses sur le taux d’érosion et l’histoire géomorphologique du dépot investigué. Le palier d’état stationnaire sera d’autant plus précoce que le taux d’érosion sera important (Brown et al., 1991) (Figure 2-11).

Figure 2-11 : Evolution théorique des concentrations en 10Be en fonction des temps d'exposition et de différents taux d'érosion, modifié d'après Brown et al., (1991). tmin : âge minimum pour un taux d’érosion nule (dans le cas d’une concentration de 6.10⁶ at/g); tint : âge d’intégration, âge minimum pour atteindre l’état stationnaire (dans le cas d’un taux d’érosion de 10 m/Ma).

La distribution des concentrations en ¹⁰Be avec la profondeur décrit donc théoriquement une décroissance exponentielle, et l’estimation de l’héritage peut se faire de manière graphique, au travers d’une asymptote verticale (Figure 2-10) ; une valeur nulle de cette asymptote indiquant un héritage nul en ¹⁰Be.

Le profil de concentrations en ¹⁰Be avec la profondeur est ensuite modélisé par l’équation (I-3), et un test de chi2 est effectué entre ce modèle et les données mesurées. La valeur recherchée (i.e. l’âge d’abandon du marqueur ou le taux de dénudation) ainsi que l’héritage sont finalement déterminés par la minimisation de la valeur du Chi2. Néanmoins, la résolution de l’équation (I-3) requiert de faire certaines hypothèses, dans la mesure où elle présente 3 inconnues, l’âge (t), le taux d’érosion (ε) et l’héritage.

Une première approche consiste à considérer un taux de dénudation nul (

E

= @), et ainsi de déterminer un âge d’exposition minimal tmin (Figure 2-11).

Une seconde approche consiste à estimer la dénudation en considérant une surface à l’état stationnaire (i.e. temps d’exposition infini) :

E = Y

^Z[

.(#0\)A.[

] × ,

(I-4)

Cette information peut également être apportée par l’échantillonnage d’une surface analogue (contexte de dépôt et localisation), clairement abandonné depuis plus longtemps que la surface que l’on cherche à dater, qui sera ainsi considéré comme à

l’état stationnaire. Le taux d’érosion ainsi déterminé est nécessairement associé à un temps d’intégration (tint), qui correspond à la durée minimale nécessaire pour atteindre l’état stationnaire, compte tenu du taux de production et de l’érosion préalablement déterminée (Figure 2-11).

Figure 2-12: Exemples d’interprétation de profils au ¹⁰Be, d’après Siame et al. (2004). Meilleures corrélations au test du chi² pour les terrasses considérées. A. Profil de concentration au ¹⁰Be en fonction de la profondeur, et incertitudes associées. Les lignes pointillées représentent les décroissances exponentielles modélisées pour différents taux de dénudation déterminés en B. B. Graphique des solutions de l’inversion bayésienne pour des durée d’exposition allant de 0 à 400 ka, et pour des taux de dénudation de 25 à 90 m/Ma. C. Profil de concentration au ¹⁰Be en fonction de la profondeur, et incertitudes associées. La ligne pointillée représente la décroissance exponentielle modélisée, et les paramètres correspondants. Les traits pleins correspondent aux décroissances exponentielles pour une durée d’exposition infinie, avec des taux de dénudation déterminés en D. D. Graphique des solutions de l’inversion bayésienne pour des durée d’exposition allant de 0 à 5 Ma, et pour des taux de dénudations de 0 à 45 m/Ma.

La Figure 2-12 représente un exemple de deux interprétations de profils au ¹⁰Be par inversion bayésienne, d’après Siame et al. (2004). Le premier profil est associée à une surface alluviale n’ayant pas atteint l’équilibre stationnaire (Figure 2-12-A et B). La figure B, en forme ‘’de moule’’ montre que l’âge d’exposition est bien contraint, contrairement au taux de dénudation. Les différents âges proposés dépendent du taux de dénudation considéré. Le second profil montre par contre un profil considéré comme à l’état stationnaire (Figure 2-12-C et D). La distribution des solutions, en forme de crosse, indique une valeur centrée sur le taux de dénudation, mais l’âge d’abandon de la surface ne peut être contraint que par l’âge d’intégration, correspondant à la durée minimale d’exposition pour atteindre l’état stationnaire.

i. Protocole d’échantillonnage

La composition d’une surface de dépôt récente n’étant que rarement homogène, et chaque claste étant susceptible d’avoir une histoire qui lui est propre, il convient d’appliquer une approche statistique pour l’échantillonnage. Dans cette thèse, toutes les datations au ¹⁰Be sont effectuées à partir d’échantillonnage à une profondeur donnée d’amalgames d’au moins 50 clastes, de taille et de lithologie analogues. Les échantillonnages de surface doivent être réalisés en sélectionnant des clastes clairement enchâssés dans la surface que l’on cherche à dater, pour s’assurer de ne pas polluer l’amalgame avec des apports plus récents.

Les marqueurs morphotectoniques utilisés dans cette thèse pour l’estimation des vitesses de glissement des failles sont exclusivement constituées de dépôts colluvionnaires ou alluvionnaires (cônes et terrasses), et les matériaux qui les composent, ayant donc été transportés sur des distances plus ou moins importantes présentent nécessairement un héritage en ¹⁰Be relatif à leur exposition au rayonnement cosmique pendant le transport. Pour estimer la part de la concentration en ¹⁰Be associée à l’héritage, il convient d’effectuer un échantillonnage selon un profil vertical (Figure 2-13), mettant en exergue la décroissance de la concentration avec la profondeur. Travailler dans un profil permet à la fois de caractériser l’atténuation, d’estimer l’héritage, et de contraindre les hypothèses de temporalité du dépôt, de taux d’érosion, et d’équilibre stationnaire entre le taux de production du 10Be et son taux de désintégration. L’échantillonnage est effectué dans un trou (soil pit) d’au moins 1,5 m, creusé à la pelle au sein du marqueur que l‘on cherche à dater (Figure 2-13). Un log stratigraphique est systématiquement levé pour discuter de l’homogénéité ou de la nature stratifiée du dépôt. Un dépôt clairement stratifié avec des unités distinctes et des niveaux érosifs, indiquera une temporalité complexe dans la mise en place du marqueur, et sera l’indice

d’un profil de concentration en ¹⁰Be potentiellement non uniforme, réduisant notre capacité à correctement dater le marqueur.

Figure 2-13 : Photographies d'échantillonnages. A. Ouverture d’un ‘soil pit’ dans une surface de cône alluvial, dans l’Altaï. B. Echantillonnage du ‘soil pit’ dans une terrasse alluviale affectée par la faille de la Vallée des Lacs (site de Biger Terraces). C. Levé du log dans un ‘soil pit’ dans l’Altaï. D. Echantillonnage d’un amalgame de sédiment riche en matière organique pour datation ¹⁴C, dans une tranchée sur la faille de Bogd Occidentale (Tranchée 3 du site de Rain Creek).

L’échantillonnage d’amalgames de clastes riches en quartz est ensuite effectué à des profondeurs précises de 0, 25, 50, 75, 100, 150 et 200 cm (Figure 2-13).

Une méthode d’échantillonnage analogue, mais moins coûteuse (une datation sur un profil requiert l’analyse d’au moins 7 amalgames) consiste à mesurer uniquement la concentration en ¹⁰Be à la surface (mesure de l’accumulation + héritage), et soit en profondeur, soit au niveau de l’arrivée des sédiments (apex actif du cône de déjection ou lit actif d’une rivière dans le cas de datation de terrasse) afin de quantifier l’héritage en

10Be des clastes lors de leur mise en place sur le marqueur. Il est à noter que cette approche présente d’importantes hypothèses, qui ne seront pas contraintes par la modélisation du profil (cf. équations sections I.4.2.1.2 et I.4.2.1.3), comme la stricte homogénéité du dépôt dans le cas d’un échantillonnage en profondeur, et l’actualisme de l’héritage en 10Be des clastes en cours de transport dans le cas des échantillonnages

de chenaux actifs. Ces points seront systématiquement abordés lors de l’interprétation de vitesses de glissement mesurées selon ce protocole.

ii. Extraction des concentrations en 10Be d’amalgames

Les travaux de préparation chimique des échantillons ont été réalisés au laboratoire du CEREGE, sous la supervision de Régis Braucher, selon le protocole ASTER (Leanni et ASTER team, 2013), dont les principales étapes sont rappelés ci-dessous :

· Broyage, séchage et tamisage des amalgames entre 0,25-1mm. Tris au séparateur magnétique (Frantz), et récupération de la fraction non magnétique dans des bouteilles de Nalgène®, dont la masse à vide a été mesurée.

· Décarbonatation à l’acide chlorhydrique (HCl), pour nettoyage de la matière organique et des carbonates.

· Elimination des minéraux autres que le quartz par attaques acides successive à l’acide héxafluoridrique (H2SiF₆) et à l’acide chlorhydrique (HCl), 24h d’agitation suivit de rinçage et séchage, jusqu’à l’obtention de grains blancs translucides, alors pesés.

· Elimination du 10Be atmosphérique ayant diffusé dans les imperfections du quartz à partie de la surface. Trois attaques successives à l’acide fluorhydrique (HF) sont ainsi réalisées, dissolvant 10% de la masse de quartz. De nouveau pesée de la masse de quartz restante.

· Ajout de l’entraineur (env. 0,1mL), constitué de ⁹Be à 3065 ppm, afin de fixer le rapport isotopique ¹⁰Be/⁹Be.

· Dissolution totale du quartz à l’HF, par ajout d’une quantité d’acide en excès. · Récupération et nettoyage par formation de précipités successifs et

centrifugations.

· Elimination des cations métalliques par fixation sur résines échangeuses d’ions (fer et Manganèse, puis bore et aluminium) et récupération du béryllium et de l’aluminium.

· Dosage à l’ICP des rapports isotopiques en aluminium.

· Récupération du béryllium dans un creuset et oxydation pour obtention d’oxyde de béryllium (BeO).

· Cathodage du BeO en vue des dosages des rapports isotopiques en cosmonucléides au spectromètre de masse à accélérateur de particules (AMS).

Tout au long de ces étapes, un échantillon ‘blanc’ suit le protocole, afin d’identifier voir corriger les concentrations des éventuelles pollutions générées au cours de la préparation.

iii. Discussions iv. Hypothèses

L’utilisation des cosmonucléides, et en particulier le 10Be présuppose certaines hypothèses. La mise en évidence du non-respect de ces hypothèses sera discutée pour l’interprétation de chaque datation.

Une première hypothèse est celle d’un champ magnétique constant depuis le pléistocène (plage de temps investiguée par datation au ¹⁰Be). En effet des variations significatives du champ magnétique vont influencer le taux de production en ¹⁰Be. L’analyse d’un profil de concentration en ¹⁰Be requiert une seconde hypothèse, qui est que le dépôt étudié est uniforme en composition (lithologie, granulométrie, dynamique de dépôt) sur l’ensemble du profil. En effet si l’on souhaite analyser les concentrations les unes en regard des autres (modélisation), il est indispensable que les échantillons aient la même histoire. L’avantage d’une datation en profil est en outre que si le dépôt n’est pas homogène (i.e. s’il est stratifié), le profil reflète cette variabilité (i.e. il ne décrit pas cette décroissance de la concentration avec la profondeur). Heureusement, la nature uniforme d’un dépôt est cohérente avec des épisodes de pulses climatiques formant les surfaces alluviales (e.g. Ritz et al., 2003).

Enfin une dernière hypothèse qu’il convient de mentionner est l’absence d’écrantage, même temporaire, depuis l’abandon de la surface. Une saison hivernale avec de fortes couches de neige, ou de dépôt d’avalanches, voir la présence de blocs de forte densité au sein du dépôt, peut influer le taux de production, et par conséquent avoir un effet sur la concentration en ¹⁰Be (e.g. Gosse et Phillips, 2001). La présence de blocs au sein des

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