HAL Id: tel-01749913
https://hal.univ-lorraine.fr/tel-01749913
Submitted on 29 Mar 2018HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.
Étude géochimique de l’érosion actuelle de la chaîne
himalayenne
Albert Galy
To cite this version:
Albert Galy. Étude géochimique de l’érosion actuelle de la chaîne himalayenne. Sciences de la Terre. Institut National Polytechnique de Lorraine, 1999. Français. �NNT : 1999INPL004N�. �tel-01749913�
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de
soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la
communauté universitaire élargie.
Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci
implique une obligation de citation et de référencement lors de
l’utilisation de ce document.
D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite
encourt une poursuite pénale.
Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr
LIENS
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4
Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10
http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php
~
in pl
Pétrographiques et Géochimiques
Centre de Recherches
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
c \\
J
J
<3
~ ~
GAL'} )
((4
-Thèse
présentée pour l'obtention du titre de
Docteur de l'Institut National Polytechnique de
Lorraine
Spécialité Géosciences
par
Albert Galy
Etude géochimique de l'érosion actuelle de la
chaîne himalayenne
Soutenue publiquement le 11 janvier 1999 devant la Commission d'Examen
Président du Jury M. Chaussidon Rapporteurs F. Chabaux
B. Dupré
Directeur de Recherche, CRPG-CNRS, Nancy
Professeur, Université Louis Pasteur, CGS, Strasbourg Directeur de Recherche, LMTG-CNRS, OMP, Toulouse Directeur de thèse C. France-Lanord Directeur de Recherche, CRPG-CNRS, Nancy
Examinateurs S. Krishnaswami Professeur, Physical Res. Lab., Ahmedabad (INDE) P. Molnar
M.R. Palmer
Professeur, Massachusetts Inst. of Tech., Cambridge (USA) Professeur, Imperial College, Londres (GB)
Avant Propos
Avant Propos
Le 21 Juillet 1969, Neil Armstrong posait, pour la première fois dans 1' Histoire de l'humanité, le pied sur la Lune. Le même jour, quatre pyrénéistes, Louis Audoubert, Guy Panozzo, Albert Pradal et Monique Rouch étaient les premiers à réussir 1' ascension du M7, sommet de 6224 mètres dans le Wakhan, une des vallées de 1' Hindou Kouch (Rouch et Audoubert, 1976). Monique Rouch et Louis Audoubert sont ma tante et mon oncle et leur première incartade sur les pentes des montagnes asiatiques a initié un incessant aller et retour familial en Himalaya depuis lors.
Les récits des expéditions, les photos et les films ramenées ainsi que les alpinistes de toutes nations qui passèrent au « Petit bateau » - la maison familiale - contribuèrent à créer une atmosphère véritablement magique pour un enfant et qui plaçait les montagnes himalayennes au même rang que la conquête spatiale, à ceci près qu'aller en Himalaya est plus facile que de marcher sur la lune. C'est ainsi qu'à la première occasion d'aller dans ces contrées, je n'ai pas hésité une seconde et ai sauté dans le premier avion pour le Tadjikistan.
Mon environnement familial a donc inconsciemment joué pour le choix du terrain d'étude de cette thèse plus qu'une décision mûrement réfléchie sur la base de critères objectifs. Cependant, j'aurai pu tout aussi bien me passionner pour la flore et la faune, 1' histoire, les langues et autres caractéristiques sociologiques de ces pays. J'ai sûrement été envoûté par les récits rocailleux d'Haroun Tazieff, ébloui par les images des fonds marins du Commandant Cousteau et intrigué par les gigantesques étendues blanches parcourues par Paul Émile Victor, comme la plupart des étudiants qui se sont orientés vers la géologie. Cependant, mon environnement familial a, là encore, bien plus fortement contribué à mon intérêt pour la géologie. La participation de Jean Galy, mon grand-père, à de nombreuses explorations spéléologiques a sûrement éveillé un intérêt particulier à l'étude des roches et de leur altération. Plutôt que de faire de la botanique, de l'histoire de 1' art ou de la théologie en Himalaya, je me suis donc orienté vers 1 'étude de la géologie de
Avant Propos
la chaîne himalayenne. Cela n'a pas été sans embûche et il a fallu un concours de circonstance, en particulier le retard de la livraison de la sonde ionique IMS 1270, pour que je sois amené à concilier la récente passion familiale pour l'Himalaya avec sa tradition bien plus ancienne : la batellerie et le transport sur des fleuves de montagne.
Conscient de la chance d'avoir eu une telle histoire et tradition familiale, ce mémoire n'aurai sûrement pas vu le jour sans ma famille. J'espère que la lecture de ces quelques pages ne sera pas trop douloureuse aux montagnards et je tiens ici à les rassurer tout de suite: les montagnes s'érodent, engendrant parfois la douleur des hommes - la mémoire de la disparition tragique d'Albert est là pour nous le rappeler - mais suffisamment lentement pour que nous puissions continuer à en apprécier leur beauté.
Avertissement
Avertissement
Il est aisé, je l'avoue, d'aller ramassant du sable et des pierres, d'en remplir ses poches et son cabinet et de se donner avec cela les airs d'un naturaliste: mais ceux qui s'attachent et se bornent à ces sortes de collections sont pour 1' ordinaire de riches ignorants qui ne cherchent à cela que le plaisir de l'étalage. Pour profiter dans l'étude des minéraux, il faut être chimiste et physicien; il faut faire des expériences pénibles et coûteuses, travailler dans des laboratoires, dépenser beaucoup d'argent et de temps parmi le charbon, les creusets, les fourneaux, les cornues, dans la fumée et les vapeurs étouffantes, toujours au risque de sa vie et souvent au dépens de sa santé. De tout ce triste et fatigant travail résulte pour 1' ordinaire beaucoup moins de savoir que d'orgueil, et où est le plus médiocre chimiste qui ne croie pas avoir pénétré toutes les grandes opérations de la nature pour avoir trouvé, par hasard peut-être, quelques petites combinaisons de l'art?
Septième promenade, 1777 Les rêveries du promeneur solitaire Jean-Jacques ROUSSEAU
Remerciement
Remerciements
Je tiens tout d'abord à remercier François Chabaux et Bernard Dupré, qui ont eu la laborieuse tâche d'être rapporteur de ce travail. Le « poids » du manuscrit est suffisamment éloquent pour qu'il soit assez aisé de comprendre combien je leur sais gré d'avoir accepté de juger ce travail. Je remercie aussi vivement Peter Molnar, Martin Palmer et S. Krishnaswami pour l'intérêt qu'ils ont témoigné envers mon travail en acceptant d'être examinateur d'une thèse écrite en grande partie dans une langue étrangère.
Marc Chaussidon a essayé de m'entraîner sur des pentes moins raides que celles de l'Himalaya. Les aléas et circonvolutions que suivent les financements publics m'ont inexorablement ramené sur des terrains himalayens. J'espère qu'il ne les a pas trouvés trop glissants et le remercie pour m'avoir apporté une vision plus « galactique » de la chaîne himalayenne.
Christian France-Lanord me supporte, dans le« bon » sens du terme, depuis plus de 8 ans. Il a bien essayé de s'y soustraire pendant un an en traversant l'Atlantique, mais il a ouvert toute grande sa maison d'adoption à chaque fois que je l'ai souhaitée. Il m'est difficile de dire, en ces quelques lignes, combien ce travail lui doit. Un grand Merci.
Je risque certainement d'oublier du monde si je commence à énumérer l'ensemble des personnes qui ont participé de près ou de loin à ce mémoire, principalement au CRPG, mais aussi à l'Université de Cornell, de Grenoble, de Lyon et au Népal, sans compter les multiples discussions dans des halls de congrès. Tout est également important pour que les rouages de la recherche fonctionnent, que ce soit 1' idée de génie, ou 1' explication laborieuse d'un éminent chercheur à la maintenance la plus simple qui assure le niveau de technicité suffisant à la recherche scientifique, sans oublier les discussions mémorables entre étudiants à la cafétéria du laboratoire ou dans des lieux moins respectables à des heures tardives. Je tiens à leur témoigner collectivement toute ma reconnaissance.
Remerciement
Cette thèse a bénéficié du soutien financier de 1' ensemble des lorrains, à travers la Région Lorraine et du soutien moral de certains. Je les en remercie vivement. Le CNRS, grâce à son accueil dans un de ses laboratoires, son co-financement mais aussi ses programmes de recherche a rendu possible ce travail.
TABLE DES MATIÈRES
AVANT-PROPOS AVERTISSEMENT REMERCIEMENTS TABLE DES MATIÈRES TABLE DES FIGURES TABLE DES TABLEAUX
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE
1 :
LES OBJETS1-1) La géographie des bassins étudiés 1-2) Le réseau hydrographique
1-2-1) La partie Ouest : Indus-Sutlej 1-2-2) La partie Est : Gange-Brahmapoutre
1-2-2-1) Le bassin du Gange 1-2-2-2) Le bassin du Brahmapoutre 1-2-3) Répartition saisonnière de débits 1-3) La répartition des précipitations
1-3-1) Dans le bassin 1-3-2) Suivant les saisons 1-4) La charge solide des rivières
1-4-1) Mode de mesure
1-4-2) Comparaison et discussion des données disponibles 1-5) L'échantillonnage réalisé
1-5-1) Les bassins étudiés
1-5-2) Mode de prise d'échantillons
CHAPITRE
Il :
LES MÉTHODESII-1) Séparation granulométrique II-2) Analyse minéralogique
Table des Matières
P5 P7 P9 p 11 p 17 P22 P25 P37 P40 P40 P41 P43 P45 P46 P49 P49 P50 P52 P52 P52 P58 P58 P65 P69 P69
Table des Matières II-3) Les détecteurs
11-3-1) ICP AES & MS
11-3-2) Chromatographie phase liquide 11-3-3) Colorimétrie
11-3-4) Absorption atomique 11-3-5) Spectrométrie de masse
11-3-5-1) Spectrométrie de masse source solide 11-3-5-2) Spectrométrie de masse source gazeuse
II-4) Les modes opératoires
11-4-1) ICP AES & MS
11-4-2) COLORIMÉTRIE ET ABSORPTION ATOMIQUE.
11-4-3) Balance ionique déterminée par Chromatographie Ionique
11-4-4) Mise en solution des éléments en vue de la mesure par thermo-ionisation. 11-4-4-1) Séparation de Rb, Sr, Sm et Nd avant mesure au TIMS
11-4-4-2) Blancs des mises en solutions pour le Rb, Sr, Sm et Nd 11-4-4-3) Vérification des séparations lors des analyses au TIMS. 11-4-5) Nature des minéraux lessivés par attaque ménagée.
11-4-6) Mesure des compositions isotopques en H, Cet 0 des eaux 11-4-7) Mesure des compositions isotopiques en Cet 0 des carbonates 11-4-8) Mesure des compositions isotopiques en H et 0 des silicates
CHAPITRE
Ill :
L'ETAT INITIALIII -1) Le Transhimalaya et la zone de suture
III-1-1) Contexte général III-1-2) Structuration
III-2) La Chaîne Himalayenne s.s.
III-2-1) Compositions des différentes unités structurales
III-2-1-1) L'Himalaya téthysien ou Himalaya du Tibet (TSS) III-2-1-2) Le Haut Himalaya Cristallin ou Dalle du Tibet (HHC) III-2-1-3) Le Moyen Pays (LH)
III-2-1-4) Les Siwaliks
III-2-2) Structuration de la chaîne himalayenne
III-2-3) Distribution du métamorphisme dans la chaîne himalayenne
III-3) Géochimie comparée des formations himalayennes
III-4) Géochimie isotopique des différentes formations himalayennes
III-4-1) Composition isotopique du Trans-himalaya et de la suture ophiolitique III-4-2) Composition isotopique des TSS
III-4-3) Composition isotopique du HHC III-4-4) Composition isotopique du LH III-4-5) Composition isotopique des Siwaliks
III-5) Bilan isotopique d'un mélange de formations himalayennes
P70 P70 P72 P72 P73 P73 P74 p 83 P85 P85 P89 P92 P94 P94 P98 p 101 p 103 p 105 p 108 p 110 p 118 p 118 p 121 p 121 p 122 p 122 p 123 p 124 p 125 p 125 p 128 p 129 p 132 p 132 p 135 p 136 p 139 p 141 p 142
Table des Matières III-6) Traçage isotopique des carbonates
III-6-1) Le Strontium
III-6-2) Les isotopes stables (ô13C et Ô180)
III-7) ùD et Ù18Ü des phyllosilicates III -8) L'apport atmosphérique
III-8-1) Les isotopes stables (0 etH). III-8-1-1) L'évaporation III-8-1-2) La continentalité
III-8-1-3) L'altitude et la température
III-8-1-4) L'effet de la quantité et origine des masses nuageuses
III-8-1-5) Apport des compositions isotopiques (0 etH) des précipitations pour notre étude
III-8-2) Composition chimique des précipitations
III-8-2-1) Estimation de la proportion marine des éléments III-8-2-2) Variabilité et relation avec le Ô180
III-8-3) La composition du Sr dissous. III -8-4) Les facteurs d'enrichissement.
III-8-5) Conclusion sur la chimie des précipitations
III-9) Conclusion du Chapitre III
p 146 p 146 p 149 p 152 p 159 p 161 p 161 p 163 p 165 p 167 p 170 p 171 p 172 p 172 p 176 p 181 p 188 p 190
CHAPITRE
IV :
L'ÉROSION CHIMIQUE DE LA CHAÎNE HIMALAYENNEIV-1) Les processus d'altération dans le bassin du Gange-Brahmapoutre et le flux d'alcalinité
Weathering Processes in the Ganges-Brahmaputra basin and the riverine alkalinity budget, Albert Galy and Christian France-Lanord, Chemical
Geology, sous presse 1. Introduction
2. Hydrology and Geology of the Ganges-Brahmaputra basin 3. Sampling and analyses
4. Results 5. Discussion
5.1 Atmospheric input and anthropogenic effects. 5.2 Weathering processes :
5.2.1 Acid involved
5.2.2 Mustang basin- Kali Gandaki headwaters 5.2.3 South flank rivers
5.2.4 Main rivers and annual variability 5.2.5 Ganges and Brahmaputra
5.3 Silicate to carbonate weathering 5.3.1 Chemical budget
5.3.2 Spatial variability of XsiJ. 5.3.3 Rate of chemical erosion
5.4 Long term C02 atmospheric uptake by the Ganges-Brahmaputra system
p 198 P200 P203 P205 P206 P208 P208 P209 P209 p 211 P214 P216 P220 P221 P221 P222 P223 P224
Table des Matières
6. Conclusion
Appendix : Definition of the Xsi!
IV -2) L'altération des silicates déduite de la chimie des particules érodées IV-2-1): Chimie des MES et des sables
IV-2-2): Quantification de l'altération des silicates IV-2-2-1): La normalisation à Al
IV-2-2-2) :La normalisation à Sm
IV-2-3): Quantification de l'altération des silicates dans la plaine
IV-3) Le budget isotopique du Strontium dissous dans les rivières himalayennes The Strontium Isotopie Budget of Himalayan Ri vers in Nepal and Bangladesh, Albert Galy, Christian France-Lanord& Louis A. Derry, Geochimica et Cosmochimica Acta,
sous presse
1. Introduction
2. Study area, sampling and hydrochemistry 3. Analytical procedure
4. Results
4.1 Dissolved Sr in ri vers 4.2 Dissolved Sr in rain water 4.3 Carbonate rocks
4.4 Bedload carbonate 5 Sources of Sr in Himalayan ri vers
5.1 Budget methodology
5.2 Evaporite contribution of Sr in Himalayan rivers 5.3 Silicate Sr
5.4 Carbonate Sr 5.5 Sr in excess
5.6 Dissolved Sr Budget in TSS, HHC, LH and Siwaliks 6 Control over the Sr isotopie composition of Himalayan ri vers
6.1 Narayani watershed 6.2 Other Himalayan rivers 6.3 Flood plain
7 Ganges-Brahmaputra effect on seawater isotopie composition 8. Summary and Conclusion
IV -4) Les facteurs contrôlant le taux de dénudation chimique IV -4-1) Effets dus aux réactifs
IV -4-1-1) la lithologie IV-4-1-2) les acides IV-4-2) Effet de la température
IV-4-3) Effet conjugé de la température et de l'écoulement spécifique pour les carbonates IV -4-4) ln fi uence de la végétation IV -5) : Conclusions P226 P229 P241 P242 P245 P245 P256 P250 P251 P253 P255 P258 P260 P260 P262 P263 P265 P265 P265 P266 P267 P268 P269 P271 P273 P273 P275 P276 P278 P281 P294 P294 P294 P296 P301 P302 P305 P307
Table des Matières CHAPITRE
V : L'
ÉROSION PHYSIQUE DE LA CHAÎNE HIMALAYENNEIntroduction
V -1) : Minéralogie et granulométrie des sédiments de rivières V-1-1): Granulométrie des sédiments de rivière
V-1-2): Minéralogie des sédiments de rivière V -1-3) : Minéralogie des fractions argileuses
V-1-3-1): Les argiles dans la chaîne himalayenne V-1-3-2): Les argiles des Siwaliks
V-1-3-3): Les argiles dans la plaine du Gange au Bangladesh V-2) : Contrôle minéralogique de la chimie des sédiments de rivières
V-2-1): La chimie des fractions argileuses
V-2-2) :Contrôle minéralogique du fractionnement chimique entre MES et sédiment V-3) : Quantification des flux globaux de particules transportés
V-4) :Source des sédiments et taux d'érosion V -4-1) : Tracage des sources
V -4-1-1) : Les roches totales
V-4-1-2): Bassins monolithologiques: comparaison avec les roches sources V-4-2): Les carbonates
V-4-2-1): Les isotopes stables V-4-2-2): La teneur
V-4-2-3) :La minéralogie des carbonates
V-4-2-4): Les teneurs et composition isotopique du Sr des carbonates.
V-4-2-5) Proportion de LH dans la fraction carbonatée des sédiments de rivières V-4-3): Les silicates
V-4-3-1): La géochimie isotopique Sr-Nd de la fraction silicatée des sédiments V-4-3-2) :La géochimie isotopique Sr-Nd des fractions argileuses
V-4-3-3): Systématique de mélange
V-4-4) :Variabilité spatiale le long de la Kali Gandaki V -4-4-1) : Dans le Graben de la Thakkhola V-4-4-2): Au niveau du MCT
V-4-4-3): Dans le Moyen Pays V-4-5) :Variabilité temporelle
V -4-5-1) : Dans la Trisuli V-4-5-2) : Au Bangladesh
V-4-6): Variabilité granulométrique du matériel transporté par les rivières. V -4-7) : Taux d'érosion relatif des formations himalayennes
V -4-7-1) : Mode de calcul
V-4-7-2): Taux d'érosion du LH, HHC et TSS dans le bassin de la Narayani V-4-7-3): Répartition spatiale des taux d'érosion et relation avec le climat et la surrection tectonique
V -4-8) : Source de la fraction argileuse V -5) : Conclusion P313 P315 P315 P319 P320 P321 P324 P324 P327 P329 P334 P337 p 341 P342 P342 P345 P349 P349 P354 P357 P359 P361 P365 P366 P367 P370 P373 P373 P373 P374 P377 P377 p 381 P382 P384 P385 p 388 P390 p 395 P403
Table des Matières
CONCLUSION GÉNÉRALE p 405
BIBLIOGRAPHIE P413
ANNEXE! P429
The Late Ologocene-Early Miocene Himalayan belt Constrzints deduced from isotopie compositions of Early Miocene turbidites in the Bengal Fan, (1996). Albert Galy, Christian France-Lanord & Louis A.
Derry, Tectonophysics, 260, pp 109-118
ANNEXE
Il
P440Micro-structures, Clay mineral ogy and geochemistry of the clay size fraction ( < 2J1m) of thrusted zones (Karnali area, Siwaliks of Western Nepal), (sous presse). Pascale Huyghe, Albert Gal y and Jean-Louis
Mugnier, Journal of Nepal Geological Society
ANNEXE
III
P465GPS measurements of present-day convergence across the Nepal Himalaya (1997). Roger Bilham, Kristine Larson, Jeffrey Freymueller & Project ldylhim members (22 members, including Albert Gal y),
Nature, 386, pp 61-64
ANNEXE
lV
P470Cartes de localisation des échantillons de sédiments de rivières, de particules en suspension, de fractions silicatés séparées ( <2 J.lm).
ABSTRACT RÉSUMÉ
P476 P477
Table des Figures
TABLE DES FIGURES
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Figure 1 : Variation de la composition isotopique du Sr dissous dans l'océan au cours du temps, d'après Palmer et Elderfield, (1985).
CHAPITRE!
Figure 1-1 :Géographie physique de la chaîne himalayenne
Figure 1-2 : Zonation physiographique méridienne de la chaîne himalayenne Figure 1-3 :Réseau Hydrographique du bassin du Gange-Brahmapoutre Figure 1-4 : Proportion du débit mensuel par rapport au débit annuel moyen Figure 1-5 :Evolution saisonnière de l'écoulement spécifique de quelques rivières Figure 1-6 : Répartition annuelle des précipitations sur le pourtour du Tibet
et le sous-continent indien (d'après Korzoun et al., 1977). Figure 1-7 : Localisation des 6 stations météorologiques
de la partie supérieure du bassin de la Trisuli, au Népal
Figure 1-8 : histogramme des précipitations des stations météorologiques du bassin de la Trisuli et comparaison avec l'histogramme des débits de la Trisuli. Figure 1-9 : Transport spécifique de particules en suspension en fonction
de l'écoulement spécifique pour certaines rivières de la zone inter-tropicale Figure 1-10: Localisation des principaux lieux d'échantillonnage des rivières
dans le delta du Gange-Brahmapoutre
Figure 1-11 :Période d'échantillonnage au cours des saisons hydriques
Figure 1-12: Localisation des échantillons dans le bassin de la Narayani, Népal Central Figure 1-13: Localisation des échantillons dans le bassin de la Karnali, Népal de l'Ouest
CHAPITRE II p 31 P39 P38 P42 P46 P47 P48 P50 p 51 P56 P60 P59 P62 P63
Figure 11-1 :Evolution du rapport 87Rbl5Rb d'un échantillon spiké au cours d'une analyse P 74 Figure 11-2: Variation temporelle de la composition isotopique de Rb naturel mesuré P 75 Figure 11-3 : Evolution temporelle des compositions isotopiques du standard de Sr P 78 Figure 11-4 : Variation temporelle de l'écart de composition isotopique du Nd
pour les deux standards utilisés (La Jolla et J & M) P 80
Figure 11-5 : Evolution temporelle des compositions isotopiques des standards de Nd P 82
Figure 11-6 : Evolution temporelle de la composition isotopique d'H2 standard P 84
Figure 11-7: Variation de la reproductibilité relative pour le dosage des éléments majeurs et
traces en fonction de leur teneur rapportée à la dosabilité par ICP-AES et MS P 87 Figure 11-8: Comparaison entre les concentrations en Sr mesurées par DI-TIMS et ICP-MS P 90
Figure 11-9 :Correspondance entre les mesures de concentration de la silice
dans 1 'eau par colorimétrie et absorption atomique P 91
Table des Figures
Figure II-11 :Comparaison de la teneur en bicarbonate dissous mesurée par titration et par chromatographie ionique
Figure II-12: Comparaison des rapports élémentaires Sm/Nd mesurés par DI-TIMS et ICP-MS Figure II-13: Variation de la composition isotopique de Sr en fonction
de la quantité récupérée lors de l'élution sur les colonnes AG 50W-X8 Figure II-14: Evolution temporelle de la teneur de blanc de Sr
Figure II-15: Variation de la composition isotopique du Sr d'une eau de pluie et du standard NBS 987 en fonction de la quantité de Sr analysée Figure Il-16 : Co-variation des rapports 145
Nd/144
Nd et 148
Nd/144
Nd pour les standards et les échantillons
Figure II-17 : Corrélation entre la teneur en carbonate et la perte massique lors des attaques ménagées
Figure II-18 : Enrichissement relatif en Nd et Sm dans les phases solubles lors de l'attaque ménagée par rapport aux phases insolubles Figure II-19: Duplicata d'analyse de 8D des eaux
Figure II-20 : Corrélation entre C02 extrait par acidification et par chromatographie ionique Figure II-21 :Evolution temporelle de la quantité de C02 produite
par réaction de l'H3P04 sur des carbonates Figure II-22: Evolution temporelle du 8'8
0 total du carbonate par réaction avec de l' H3P04
CHAPITRE
III
Figure III-1 : Carte Géologique simplifiée de la chaîne himalayenne et de la partie Nord du sous continent indien (Gansser, 1983 ; Harrison et al., 1992; Le Fort, 1989)
Figure III-2 : Paléolatitude de la plaque indienne, des terrains himalayens, du bloc de Lhassa et de la marge sud de la plaque eurasiatique (synthèse d'après Liu et Einsele, 1994) Figure III-3 :Coupe synthétique de la chaîne himalayenne, d'après la cartographie
(France-Lanord et Le Fort, 1988) et les profils sismiques (Nelson et al., 1996)
Figure III-4: (A) Profil topographique le long d'une coupe N-S de la chaîne à l'aplomb de Kathmandou (d'après Lavé, 1997); (B) localisation verticale de la microsismisité sur cette coupe (Lavé, 1997) et (C) surrection verticale actuelle de la chaîne d'après des levés topographiques (Bilham et al., 1997)
Figure III-5 : Compositions chimiques moyennes des silicates himalayens normalisées à la composition moyenne de la Formation 1 de la HHC
Figure III-6: Composition isotopique du Sr des batholites du Trans-himalaya et des ophiolites de la zone de suture du Tsangpo
Figure III-7: Composition isotopique du Nd dans les roches au Nord de la Haute Chaîne Figure III-8 :Composition isotopique du Sr des roches des TSS
Figure III-9 : Compositions isotopiques du Sr des roches de la HHC
Figure III-10 :Répartition des compositions isotopiques de Nd des différentes formations de la chaîne himalayenne
Figure III-11 : Composition isotopique du Sr des roches du LH
Figure III-12: Analyses isotopiques en Sr et Nd de roches dans le bassin du Gange-Brahmapoutre Figure III-13: Diagramme isochrone Rb-Sr pour les roches du bassin du Gange-Brahmapoutre Figure III-14: Répartition en fréquence des compositions isotopiques du Sr
des formations himalayennes et des sédiments du cône du Bengale (Leg 116)
Figure III-15: Teneur en Sr des carbonates des formations himalayennes et des sables de rivières Figure III-16: Composition isotopique du Sr en fonction de 1/[Sr]
dans les carbonates des différentes formations himalayennes
Figure III-17: Compositions isotopiques du carbone et de l'oxygène des carbonates Figure III-18: Covariations des compositions isotopiques en strontium et carbone
des carbonates dans la chaîne himalayenne
Figure III-19 :Répartition des compositions isotopiques de l'hydrogène des muscovites et des biotites de différentes formations de la chaîne himalayenne
P93 P96 P97 p 100 p 101 p 102 p 104 p 105 p 106 p 107 p 109 p 110 p 117 p 119 p 120 p 127 p 130 p 134 p 134 p 135 p 138 p 139 p 141 p 143 p 143 p 145 p 147 p 148 p 150 p 151 p 155
Table des Figures Figure III-20 : Composition isotopique en hydrogène et oxygène des phyllosilicates himalayens
Figure III-21 : Localisation des échantillons de précipitation
Figure III-22: Compositions isotopiques (0 etH) des eaux de pluies pour différentes stations de l'IAEA ainsi que nos échantillons du Népal et du Bangladesh
Figure III-23 : Compositions isotopiques (0 etH) moyennes des eaux de pluies pour différentes stations de l'IAEA ainsi que la période de mousson 1997 à Kathmandou
Figure III-24 : Variation mensuelle des
o'
80 des précipitations pour les stations de l'IAEA et notre échantillonnage à Kathmandou
Figure III-25 :Variation mensuelle de l'excès en deutérium pour les stations de l'IAEA, et l'échantillonnage intégré de la mousson 1997 à Kathmandou Figure III-26 : Contribution des sels marins à la chimie des eaux de pluies du Népal
et Bangladesh en fonction de leur composition isotopique en oxygène
Figure III-27 : Proportions des anions et des cations des précipitations au Bangladesh et au Népal Figure III-28 :Composition isotopique du Sr des précipitations,
en fonction de la proportion de Sr marin, sur la base du Cl Figure III-29 : Composition isotopique du Sr dissous d'origine non marine
en fonction du rapport molaire entre le Ca et le Sr d'origine non marine Figure III-30: Diagramme isochrone Rb-Sr des eaux de pluie
Figure III-31 : Facteur d'enrichissement moyen, par rapport à la croûte continentale supérieure, des éléments en traces des principales périodes et localisations des précipitations Figure III-32: Facteur d'enrichissement du Zn en fonction de la teneur en Al
Figure III-33 :Facteur d'enrichissement du Zn en fonction de celui du Cd Figure III-34: Facteur d'enrichissement du Pb en fonction de celui du Cd
CHAPITRE
IV
Fig. 1 : Map of the Ganges and Brahmaputra basin and location of river samples and figure 2 Fig. 2: Geological maps of Narayani watershed (a) and Karnali watershed (b) with water samples Fig. 3 : Triangular plots representing the relative abundance of major cation and anion charges Fig. 4 : River profile of the Kali Gandaki, from the source to the outflow of the Narayani in the
Gange tic plain. a) Topographie profile of the river and average crest altitude (Hurtrez, 1998) b) average precipitation from kriging of meteorological data of Nepal (Hurtrez, 1998) c) Total Dissolved Solid (TDS). d)
o
13C01c e) The ratio of sulfate to bicarbonate. f) silicate to carbonate weathering ratio
Fig. 5 : Isotopie composition of dissolved inorganic carbon (o13C01c) versus ratio of
[S0/-1 over ([SO/-]+[HC03-]) termed (XS04)
Fig. 6a : Plot of 013CDIC versus Xso4 in the Kali Gandaki head waters Fig. 6b : Plot of 013
CDIC versus Xso4 for main Himalayan ri vers, Ganges and Brahmaputra Fig. 7 : Seasonal variation of the water discharge and chemistry of the Trisuli river
at Betrawati for TDS, Xso4' Xsil and 013CDIC
Fig. 8 : Seasonal variation of TDS versus XS04 for the Trisuli river at Betrawati Fig. 9 : K* versus Mg* concentration relationship for Himalayan ri vers
Figure IV-11 :Composition chimique des éléments majeurs et traces des sables de rivières, des MES du Bangladesh et de la HHC normalisé à la chimie de la terre silicatée Fig. 1 : Map of the Ganges and Brahmaputra basin and location of river samples and maps Fig. 2: Geological maps of (a) Narayani watershed and (b) Karnali watershed
Fig 3 : Isotopie composition of dissolved Sr versus 1/[Sr]
Fig 4 :River profile of the Kali Gandaki, from the source in the Mustang graben to the outflow
p 157 p 160 p 161 p 162 p 168 p 170 p 173 p 175 p 176 p 179 p 180 p 184 p 185 p 186 p 187 P201 P202 P204 P207 P211 P214 P216 P218 P220 P230 P248 P256 P257 P261 of the Narayani in the Gangetic plain. a) Topographie profile of the river and average crest
altitude (Hurtrez, 1998). b) River flux as calculated from integration of 1987-90 precipitation data over the basin (Hurtrez, 1998). c) 87Sr/86Sr of dissolved Sr and riverine Sr fluxes P 262 Fig 5 : Isotopie composition of Sr versus 1/[Sr] in bedrock and bedload carbonate samples P 264 Fig 6: Variation of dissolved Na/Sr molar ratio with Xca (eq%) for rivers draining basin
Table des Figures
Fig 7 : Estimate of the average contribution of Sr sources to river chemistry in TSS, HHC, LH and Siwalik catchments
Fig 8 : Isotopie composition of Sr versus 1/[Sr] for (a) the Narayani and its principal Tributaries in Lesser Himalaya (b) main Himalayan rivers from other basins; ( c) flood plain and delta waters
Fig 9 : Origin of Sr in term of lithologies for the Narayani and its two main tribu taries Fig. 10 :Ca versus Sr concentration relationship for Ganges (square)
and Brahmaputra (circle) near their mouth Fig. 11 : Schematic evolution diagram for 87
Sr/86
Sr in seawater, assuming present day values of RR = 0.7114, JR = 32.02x109 mol/yr; Ro = 0.7084, Jo= 3.4x109 mol/yr; RGB = 0.7295, JGB = 0.68x109 mol/yr; and RH= 0.7035
Figure IV -23 : Relation entre le taux de dénudation chimique des silicates et la proportion de sulfate par rapport à la somme des sulfates et bicarbonates (XS04)
Figure IV-24: Évolution mensuelle de l'érosion chimique pour le bassin versant de la Trisuli Figure IV-25 :Rapport entre le taux de dénudation chimique des carbonates et celui
des silicates dans le bassin versant de la Trisuli à Betrawati (carré noir) en fonction de la composition isotopique du Sr dissous
Figure IV-26 : Rapport entre le taux de dénudation chimique des carbonates et celui des silicates dans le bassin versant de la Trisuli à Betrawati en fonction de la composition
isotopique du carbone inorganique dissous
Figure IV-27: Variation du taux de dénudation des silicates (a) et des carbonates (b) en fonction de l'altitude moyenne des bassins versants et de la saison Figure IV-28: Comparaison de la dissolution maximale potentielle des carbonates,
d'après le modèle climatique de Gomberg, 1997 et les taux déterminés par la chimie et les flux des éléments dissous
CHAPITRE
V
Figure V-1 :Répartition de la granulométrie des sédiments de rivières
Figure V-2: Convolution de 3 répartitions granulométriques qui suivent une loi de Poisson Figure V -3 : Proportion des différents minéraux néoformés dans les sols en fonction
des précipitations efficaces. Adapté d'après Mc Bride, 1994
Figure V -4 : Variation de la proportion de K et Na normalisées à 1 'Al pour les silicates des sédiments de rivières, la fraction argileuse de ces sédiments et les MES Figure V -5 : Perte au feu en fonction de la teneur en Hp•
Figure V-6: Variation du rapport ~0/Alp3, en poids%, en fonction de la teneur en Hp• des fractions argileuses et comparaison avec la composition des principaux minéraux argileux Figure V -7 : Variation du rapport molaire Fe/ Al en fonction de Si/ Al pour les fractions
argileuses et comparaison avec les principaux minéraux argileux
Figure V-8: Variation de la teneur en Alp3 en fonction de la teneur en Si02 pour la fraction
silicatée des sédiments, celle des MES et les fractions granulométriques <2Jlm et <0.1J1m Figure V -9 : variation du rapport Zr/Hf en fonction du rapport Zr/Th
pour les différentes fractions granulométriques Figure V-10: Teneur en Ce en fonction de la teneur en Si02
Figure V -11 : Teneur en A1p3 et en Ce en fonction de la teneur en Si02 pour
les différentes fractions granulométriques du Gange, Brahmapoutre et Marsyandi Figure V-12: Compositions isotopique du Nd en fonction du rapport 87Sr/6Sr
des sédiments de rivières, en fonction du bassin drainée
Figure V -13 : Diagramme isochrone pour le système Rb-Sr des sédiments de rivières et diagramme de mélange pour le Sr selon la géologie du bassin drainée Figure V-14: Compositions isotopique du Nd en fonction du rapport 87Srl6Sr
des sédiments de rivières ne drainant qu'une seule formation himalayenne Figure V -15 : Composition isotopique en oxygène et carbone
des calcites et dolomites des sédiments de rivières
P271 P274 P275 P277 P279 P296 P297 P299 P300 P302 P303 p 316 p 317 P323 P327 P329 p 331 P332 P334 p 335 P336 P338 P343 P344 P348 p 353
Table des Figures Figure V-16: Variation de la teneur en carbonate des sédiments de rivières le long
du profil de la Kali Gandaki, depuis sa source en flanc nord de la chaîne, jusqu'à son entrée dans la plaine du Gange
Figure V -17 : Variation de la composition isotopique du Sr et de la minéralogie des carbonates des sédiments de rivières le long du profil de la Kali Gandaki,
depuis sa source en flanc nord de la chaîne, jusqu'à son entrée dans la plaine du Gange Figure V-18: Composition isotopique du Sr en fonction de 1/[Sr] dans les sédiments de rivières Figure V -19 : Proportion de carbonate provenant du LH contenu dans les sédiments
de rivières du Népal et Bangladesh
Figure V- 20 : Diagramme isochrone Rb-Sr des fractions silicatés des sédiments, des MES ainsi que des fractions argileuses
Figure V-21 :Composition isotopique du Nd en fonction de celle du Sr
pour la fraction silicatée ainsi que la fraction argileuse des sédiments de rivières Figure V-22: Variation de la composition isotopique du Sr et du Nd de la fraction silicatée
des sédiments de rivières le long du profil de la Kali Gandaki, depuis sa source en flanc nord de la chaîne, jusqu'à son entrée dans la plaine du Gange
Figure V-23: Composition isotopique du Nd en fonction de celle du Sr pour la fraction silicatée des sédiments de la Kali Gandaki (cette étude)
et des roches totales de la Bhote Kosi (Harris et al., 1998)
Figure V- 24: Variation de la teneur en carbonate (carrés noirs) ainsi de leur composition isotopique en oxygène (ronds blancs) dans les sédiments de la Trisuli à Betrawati en fonction de la période d'échantillonnage
Figure V-25 :Variation de la composition isotopique en Sr et Nd des différentes fractions (silicatée, carbonatée et argileuse) des sédiments de la Trisuli à Betrawati en fonction de la saison d'échantillonnage
Figure V-26: Composition isotopique du Nd en fonction de celle du Sr pour la fraction silicatée des sédiments de la Trisuli à Betrawati
Figure V-27: Variation de la composition isotopique en Nd des silicates des sédiments du Gange et du Brahmapoutre durant la mousson en fonction du type d'échantillon ou de fraction Figure V-28 :Comparaison de la répartition spatiale des taux d'érosion entre le bassin
de la Trisuli et celui de la Kali Gandaki au Népal Central
Figure V-29: Proportion de sédiment de rivière provenant du Haut Himalaya en fonction de la proportion annuelle d'eau provenant du même endroit Figure V-30: Variation de la composition isotopique du Nd des silicates de la fraction
<2Jlm en fonction de la composition du silicate total
Figure V -31 : Variation du rapport ~0/ Alp3 en fonction de la composition isotopique en oxygène des fractions argileuses
Figure V -32 : Composition isotopique en oxygène et hydrogène des fractions argileuses contenues dans les sédiments de rivières
P356 P358 P360 P363 P367 P371 P372 P375 P378 P379 P380 P383 p 391 P394 P396 P399 P400
Table des Tableaux
TABLE DES TABLEAUX
CHAPITRE!
Table 1-1 :Débits annuels des principales rivières dans le bassin du Gange Table 1-2: Débits annuels des principales rivières dans le bassin du Brahmapoutre Table 1-3 : Surface et Ecoulement spécifique dans le bassin du Gange et Brahmapoutre Table 1-4 : Flux annuels de MES pour le bassin du Gange
Table 1-5 : Flux annuels de MES pour le bassin du Brahmapoutre Table 1-6: Paramètre de bassin de l'échantillonnage de la Kali Gandaki
Table 1-7: Paramètre de bassin de l'échantillonnage de la Trisuli et ses affluents
CHAPITRE II
Table 11-1: Dosabilité et précision sur le dosage des éléments majeurs par ICP-AES Table 11-2: Incertitudes et dosabilité de l'ICP-MS pour des échantillons de roches analysés
en routine, sans spécification particulière
Table 11-3: Moyenne des compositions isotopiques de Sr du standard NBS 987 Table 11-4: Duplicata d'analyses isotopiques du Sr
Table 11-5 : Moyenne des compositions isotopiques de Nd des standard utilisés Table 11-6: Analyse isotopique de Nd avant et après étuvage en 1998
Table 11-7: Tableau de duplicata d'analyse pour les éléments majeurs par le SARM. Table 11-8: Tableau de duplicata d'analyse pour les éléments traces par ICP-MS du SARM Table 11-9 : Composition en Rb, Sr, Nd et Sm de standards de roches
Table 11-10: Composition isotopique du Sr d'aliquotes d'une même attaque passés sur des colonnes différentes
Table 11-11 : Teneur des blancs
Table 11-12: Blancs de Sr en fonction du type d'analyse
Table 11-13 : Compositions isotopiques en oxygène des standards de silicate
CHAPITRE
III
Table III-1: Composition moyenne des silicates.
Table III-2 : Compositions moyenne Rb-Sr et Sm-Nd du Transhimalaya et des Ophiolites (ITS) Table III-3 : Compositions Rb-Sr et Sm-Nd des TSS et assimilées dans le bassin G-B
Table III-4 : Compositions moyenne Rb-Sr et Sm-Nd de la HHC dans le bassin G-B Table III-5 : Compositions moyenne Rb-Sr et Sm-Nd du LH dans le bassin G-B
Table III-6 : Compositions Rb-Sr et Sm-Nd des Siwaliks dans la coupe de la Surai Khola Table III-7: Compositions moyenne Rb-Sr et Sm-Nd des 5 entités géologiques du bassin G-B Table 111-8 : Composition isotopique des Carbonates du Népal Central
Table 111-9 : Compositions isotopiques des Carbonates des Siwaliks dans la coupe de la Surai Table III-lü: Composition en isotope stable de minéraux liés à des circulations dans les TSS
P44 P44 P45 P54 P55 P64 P66 P70 P71 P76 P77 P79 p 81 P86 P88 P95 P98 P99 P99 p 111 p 131 p 133 p 136 p 137 P140 p 141 p 145 p 146 p 152 p 153
Table des Tableaux
Table III-11 : oDet 0180 des phyllosilicates Himalayens
Table III-12: Moyenne pondérée des compositions isotopiques (0 etH) des précipitations pour différentes stations de l 'IAEA
Table III-13: Composition chimique et isotopique (0 etH) des précipitations échantillonnées au Népal
Table III-14: Composition chimique et isotopique (0 etH) des précipitations échantillonnées au Bangladesh
Table III-15: Composition chimique des eaux de pluie dans le bassin du Gange-Brahmapoutre Table III-16: Teneur en Rb et Sr et composition isotopique en Sr dans les eaux
de pluies du Népal et du Bangladesh
Table III-17 : Concentration en éléments en traces des précipitations du Népal et du Bangladesh
CHAPITRE
IV
Table 1 - Chemical data from the Kali Gandaki and tributaries Table 2: Chemical data from the Trisuli river and tributaries
Table 3 : Chemical data for other ri vers of the Narayani basin and Bothe Kosi at Kodari. Table 4 : Chemical data for river from Karnali basin and Siwaliks.
Table 5 : Chemical data for ri vers in Bangladesh
Table 6 : Average chemical composition of river water in the G-B system Table 7 : Chemical composition of rain water in the Ganges-Brahmaputra basin Table 8 : Chemical denudation rate for main sampled rivers
Table 9 :Fluxes of dissolved element in the different zones of the Ganges and Brahmaputra basin Table IV-10: Composition chimique des éléments majeurs des matières en Suspension
et proportion de carbonate (poids %)
Table IV-11 :Composition chimique des éléments en trace (ppm) des matières en Suspension Table IV-12: Composition chimique des éléments majeurs des sables
du Bangladesh et proportion de carbonate
Table IV-13 :Flux de Na dissous en milliard de moles par an, mesuré ou modélisé Table 1 : Chemical data from the Kali Gandaki and tributaries
Table 2 : Chemical data from the Trisuli river and tributaries Table 3 : Chemical data for other ri vers of the Narayani basin. Table 4 : Chemical data for river from Karnali basin and Siwaliks. Table 5 : Chemical data for rivers in Bangladesh
Table 6 : Average chemical composition of river water in the G-B system Table 7 : Sr composition of rain waters
Table 8 : Isotopie chemistry of Carbonate from Nepal Himalaya Table 9 : Isotopie chemistry of Carbonate from bed load sediment Table 10 : Isotopie chemistry of Carbonate from bed load sediment Table 11 : Water discharge infered from Sr balance and hydrology
Tableau IV-25: Taux de dénudation chimique des carbonates et des silicates
CHAPITRE V
Table V-1 :Granulométrie moyenne des différents type d'échantillons Table V-2: Minéralogie des sédiments de rivières
Table V-3: Minéralogie de la fraction argileuse des sédiments de rivière dans le bassin de la Narayani
Table V-4: Minéralogie de la fraction argileuse des sédiments de rivière de l'Ouest Népal et des Siwaliks
Table V-5: Minéralogie de la fraction argileuse des sédiments de rivière au Bangladesh
p 154 p 164 p 166 p 167 p 171 p 178 p 183 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 p 158 P318 P320 P322 P324 P325
Table des Tableaux
Table V -6 : Composition chimique moyenne de la fraction silicatée des sédiments, de celle des MES et de la fraction argileuse.
Table V -7 : Rapport molaire Si/ Al moyen des formations himalayennes, sédiments et MES Table V -8 : Flux parti cu laire manquant pour satisfaire le bilan de masse chimique
Table V -9 : Composition isotopique du Sr et Nd et teneur en Rb-Sr et Sm-Nd des sédiments Table V-10: Teneur en Nd, Sm, Sr, Rb et compositions isotopiques du Sr et Nd dans
des bassins ne comprenant qu'une seule formation.
Table V -11 : Teneur et composition isotopique des carbonates dans les sables du bassin de la Kali Gandaki
Table V -12 : Teneur et composition isotopique des carbonates dans les sables du bassin de la Narayani, autre que la Kali Gandaki
Table V -13 : Teneur et composition isotopique des carbonates dans les sables du bassin de la Bheri et Karnali
Table V -14 : Teneur et composition isotopique des carbonates dans les sables et les matières en suspension au Bangladesh
Table V-15: Bilan de l'érosion carbonaté pour rivières himalayennes ainsi que pour le Gange et le Brahmapoutre
Table V-16: Compositions isotopiques du Sr et Nd de la fraction silicatée des sédiments de rivières du Népal
Table V -17 : Composition isotopique du Sr et Nd de la fraction silicatée des sédiments de rivières au Bangladesh
Table V -18 : Composition isotopique du Sr et Nd de la fraction argileuse silicatée des sédiments de rivières du Népal
Table V-19: Composition isotopique du Sr et Nd de la fraction argileuse silicatée des sédiments de rivières et de sols au Bangladesh
Table V-20: Proportion massique des différentes formations himalayennes dans les de rivières à partir de leur composition isotopique et minéralogique Table V-21 :Proportion surfacique des formations himalayennes en certains lieux
dans le bassin de la Narayani
Table V-22: Taux d'érosion physique relatif du LH par rapport au HH ainsi que du LH et TSS par rapport à celui de la HHC au Népal Central.
Table V-23: Vitesse d'érosion minimale des 3 principales formations au Népal Central Table V-24 : Proportion des débits en fonction de la formation drainée pour certaines
positions dans le bassin de la Narayani
Table V-25: Composition des isotopes stables (H et 0) ainsi que des teneurs en eau structurale des fractions argileuses des rivières dans la chaîne
Table V -26: Composition des isotopes stables (H et 0) ainsi que des teneurs en eau structurale des fractions argileuses des rivières et des sols au Bangladesh
P328 P337 P339 P345 P346 P350 p 351 P352 P354 P364 P365 P366 P368 P369 P386 P387 P389 P390 P392 P398 P397
Introduction générale
Introduction générale La complexité des relations entre l'action de l'Homme à l'échelle planétaire et le climat ont jusqu'à présent rendu impossible la mise en place de moyens prédictifs qui permettraient une gestion plus rationnelle des ressources énergétiques, biologiques et hydrologiques. Les implications sont telles que le débat scientifique, généralement confiné dans des amphithéâtres d'université, des revues spécialisées ou des salons de congrès, a été porté sur la place publique. L'augmentation actuelle du taux de C02 dans l'atmosphère est le résultat d'une activité anthropique croissante, que ce soit par la combustion d'énergie fossile ou par la déforestation. Ce fait est maintenant bien établi et la prise de conscience par l'ensemble de la société d'une possible évolution très rapide du climat, liée à cette activité anthropique, a engendré une recherche croissante des mécanismes qui interviennent dans le contrôle du climat.
Ces mécanismes sont très nombreux car l'évolution des climats dérive des changements physico-chimiques de 1' atmosphère liés à des modifications internes mais aussi des apports externes. Les modifications internes peuvent être d'ordre physique (dynamique des circulations) mais aussi chimiques (cinétiques des réactions). Cependant ce sont les interactions entre les autres réservoirs et 1' atmosphère qui ont de plus grandes conséquences à long terme. Les quatre principales sont :
1) l'évolution chimique, biologique et dynamique de l'océan ainsi que des échanges avec 1' atmosphère ;
2) les variations des émissions solaires et du bilan radiatif de 1' atmosphère qui en résulte;
3) une modification de la chimie de l'atmosphère liée aux modifications tectoniques (érosion, volcanisme, ... ) et à l'évolution de la biomasse;
4) les apports anthropiques de différents constituants tels que les gaz à effet de serres, les précurseurs des pluies acides, les CFC et aussi certains aérosols.
Ainsi, 1' étude du contrôle du climat terrestre fait intervenir des disciplines aussi vastes et différentes que la biologie marine, la physique du soleil, la mécanique des circulations de fluides non newtoniens ou les réactions photochimiques, sans être exhaustif. Dans ce cadre aussi vaste, la communauté des géosciences intervient suivant deux aspects complémentaires : la caractérisation et la quantification des flux entre la croûte terrestre, 1' océan et 1' atmosphère et de la reconstruction des climats passés et des différents paramètres intervenant dans leur contrôle.
L'étude des climats passés a montré une relation avec les mouvements tectoniques de 1' écorce terrestre, en particulier la formation et le démantèlement des supercontinents. L'influence tectonique sur le climat peut résulter d'une modification des continents ou d'une évolution de l'océan. Selon la théorie de la tectonique des plaques, les principales zones caractérisées par une tectonique active sont les frontières de plaques. Ainsi, le
Introduction générale
couplage entre la tectonique et le climat peut être subdivisé entre des processus globaux, liés à la tectonique des plaques et des processus spatialement restreints. Les premiers modifient la morphologie des fonds marins, ainsi que les différentes connections océaniques et influencent fortement les échanges chimiques et thermiques au sein de l'océan. Les seconds sont principalement au niveau des rides, au niveau des zones de subduction et enfin dans les chaînes de montagnes. Les rides agissent sur la chimie de l'océan, via l'altération de la croûte océanique. Les zones de subductions sont caractérisées par des mécanismes volcaniques influençant la chimie de l'atmosphère ainsi que la création de reliefs soumis à l'érosion. Enfin, les collisions continentales augmentent le relief de la croûte terrestre et donc l'érosion qui joue directement sur le cycle du carbone.
C'est sur cette dernière pièce du puzzle : les processus dans une chaîne de montagne, que porte notre travail. Nous proposons de quantifier et caractériser les flux d'érosion de l'Himalaya. Le contexte tectonique implique des mouvements rapides des terrains, alors que la zonation climatique est la plus vaste existant actuellement à la surface du globe. Nous souhaitons examiner le rôle respectif de ces 2 paramètres et nous utiliserons donc la chaîne himalayenne comme un laboratoire naturel pour caractériser les processus qui concourent à la formation et au transport de particules ainsi qu'à la mise en solution des éléments. Ce travail a été réalisé dans le cadre de différents programmes (DBT «fleuve et érosion »et PROSE) examinant et quantifiant l'érosion continentale dans différents contextes tectoniques et climatiques. Le cadre de cette étude est très vaste et nous allons essayer de définir un peu plus l'état des connaissances et les zones d'ombres ainsi que les méthodologies qui peuvent être appliquées à ces problèmes.
Relation entre la pression partielle de C02 dans l'atmosphère et l'érosion
L'hypothèse d'un contrôle du climat par l'érosion n'est pas nouvelle et suit de près le moment où la communauté scientifique a mis en évidence le rôle des gaz à effet de serre tel que le C02 dans le bilan thermique terrestre. Depuis plus de 150 ans, les réactions d'altération des roches ont été pressenties comme un mécanisme pouvant influencer les climats (Ebelmen, 1845). En particulier, la différence de rôle que joue l'érosion chimique des silicates par rapport à la dissolution des carbonates, sur la teneur de
co2
dans l'atmosphère est un concept bien défini dès la seconde moitié du XIXc siècle (e. g. revue dans Berner et Maasch, 1996). De façon assez synthétique, la mise en solution de Ca, via la réaction d'acide carbonique d'origine atmosphérique sur un silicate calcique soustrait sur le long terme du carbone au réservoir océan-atmosphère par précipitation de calcaire dans l'océan. Ce mécanisme possède une rétroaction par diminution de l'effet de serre du C02, ce qui diminue la cinétique de la réaction d'altération.Introduction générale C'est donc la compréhension des mécanismes contrôlant le cycle du carbone ainsi que leur quantification qui pourra nous donner les clefs de la connaissance de 1' évolution à long terme des climats. Les premières estimations soulignent la forte sensibilité des paramètres climatiques tels que la température moyenne à la quantification des flux entre les principaux réservoirs du cycle du carbone (Chamberlin, 1899).
Les modalités de l'altération (type d'acide et nature des cations libérés) ainsi que la quantification précise de l'érosion chimique des silicates sont donc d'une importance capitale pour 1) la mise en évidence de certains écarts au modèle, significatifs des phénomènes non encore pris en compte et surtout 2) pour une utilisation prédictive et rétrospective du cycle du carbone, dans une étude des climats passés et futurs.
Le poids de l'érosion himalayenne à l'échelle globale
L'application des traceurs isotopiques au cycle du carbone a ouvert la voie à une détermination plus précise des flux à 1' échelle globale ( e. g. Urey, 1952 ; Broecker et Peng, 1982 ; Berner et al., 1983). Ils ont surtout montré la complexité de la dynamique du système océan-atmosphère ainsi que l'extrême variabilité de la composition des roches à l'érosion. Leur utilisation d'un point de vue global s'en trouve limitée, mais apporte des informations supplémentaires sur les sources des éléments ainsi que sur les processus qui entrent en jeu dans la réaction d'altération. Une étude exhaustive des flux de chaque élément lié à l'érosion des silicates reste à faire. Nous manquons de données précises pour affiner le modèle, et notre étude de l'érosion chimique de la chaîne himalayenne se propose d'améliorer la connaissance sur le bassin du Gange-Brahmapoutre. En effet, ces deux fleuves correspondent au 9 et 10ième plus importants fleuves en termes de débits. Ils ont donc une certaine importance dans le bilan global de l'érosion continentale.
De plus, 1' érosion physique augmente la surface soumise à 1' altération, et par conséquent l'érosion chimique (e. g. Berner et al., 1983). Le flux de particule du Gange-Brahmapoutre rapporté à sa surface est le plus élevé pour l'ensemble des grands bassins (e. g. Milliman et Meade, 1983 ; Summerfield et Hulton, 1994). Cette érosion physique très importante de la chaîne himalayenne suggère une altération chimique significativement plus élevée que ne le laisse supposer le simple bilan hydrologique des rivières mondiales. Ainsi, la consommation de C02 atmosphérique par l'altération de l'Himalaya a été proposée comme pouvant être du premier ordre d'importance sur le bilan total (e. g. Raymo et al., 1988).
Introduction générale
Les facteurs aggravants
Les données existantes sur la chimie des rivières himalayennes ont montré que celles-ci étaient 1) plus chargées que la moyenne des rivières, 2) très calciques et 3) très radiogéniques en Sr ( e. g. Han da, 1972 ; Sarin et Krishnaswami, 1984 ; Krishnaswami et al., 1992). Vu le rapport 87Sr/6Sr des rivières himalayennes ainsi que leur flux, la composition du Sr marin est fortement influencée par l'érosion de l'Himalaya. L'augmentation, au Néogène, de la composition isotopique du Sr dans l'océan (Figure 1) a été attribuée à une altération importante des silicates dans la chaîne himalayenne (Raymo et al., 1988 ; Richter et al., 1992 ; Mc Cauley et De Paolo, 1997). La similitude temporelle entre 1' intensification de 1' érosion himalayenne et la reprise des glaciations a conduit à penser que l'hypothèse proposée par Chamberlin (1899) était vérifiée par
1' évolution tectonique au Cénozoïque de la collision eurasiatique (Raymo, 1991 ). L'altération des silicates en Himalaya a ainsi été proposée comme la cause principale de
1' initiation des glaciations durant la période à laquelle sont apparus les hominoïdes à la surface du globe (Raymo et Ruddiman, 1992). Pourtant un bilan sur l'altération et une caractérisation de la chimie des silicates altérés en Himalaya n'ont jamais été discutés dans le détail. De plus, le lien entre le Sr dissout apporté par les rivières himalayennes et la consommation de C02 atmosphérique dans la chaîne est largement débattu (e. g. Edmond, 1992 ; Krishnaswami et al., 1992 ; Palmer et Edmond, 1992 ; Derry et France-Lanord, 1996b ; Quade et al., 1997 ; Singh et al., 1998). Ce travail essayera d'apporter des informations nouvelles et tentera de lever ces 2 principales zones d'ombre dans notre compréhension de l'érosion chimique de l'Himalaya.
0,7092
0,7088
Jo-Cl) (0co
~0,7084
Cl)1'-co
0,7080
10
Collision
~
30
50
Age (Ma)
Introduction générale70
Altération
Continentale
t
~
Altération
Océanique
Figure 1 : Variation de la composition isotopique du Sr dissous dans l'océan au cours du temps, d'après Palmer et Elderfield, (1985).
Une autre influence de l'érosion himalayenne sur le cycle du carbone est liée à la quantité de carbone organique stockée dans le bassin d'avant chaîne (France-Lanord et Derry, 1994; Derry et France-Lanord, 1996a ; France-Lanord et Derry, 1997). Dès la première description de l'hydrologie du bassin du Gange et du Brahmapoutre, Rennel remarquait le très fort taux de sédimentation dans le delta (Rennell, 1781). Les processus de conservation de la matière organique sont complexes, mais plus le taux de sédimentation est faible, plus la matière organique est dégradée. Ainsi, le flux de matière érodée à la chaîne himalayenne, ainsi que le mode de fabrication et la quantité de particules fines qui vont adsorber et transporter la matière organique sont des paramètres importants pour le bilan du carbone. Si le transport des particules sous la forme de matière en suspension est quantifié (e. g. Coleman, 1969 ; RSP, 1996), les quantités transportées par la charge de fond sont inconnues. De même, les sols, les glaciers et le broyage mécanique des particules sont les mécanismes généralement proposés pour la fabrication des matériaux finement divisés ( e. g. Lanord et Derry, 1994 ; Derry et France-Lanord, 1997), mais leurs importances reste à déterminer.
Introduction générale
Les facteurs atténuants
Enfin, l'hypothèse d'un forçage tectonique des climats n'exclut pas une rétroaction des climats sur la tectonique, hypothèse proposée sous le titre très évocateur de « Surrection des chaînes de montagnes et changements climatiques à la fin du Cénozoïque: Est-ce l'œuf ou la poule?» (Molnar et England, 1990). Des modèles récents montrent qu'à partir d'une certaine vitesse d'érosion, la dénudation d'une chaîne de montagne peut accentuer les mouvements tectoniques et permettre de maintenir des reliefs que la stabilité thermomécanique de la croûte terrestre tendrait à faire disparaître (Avouac et Burov, 1996). À l'opposé, l'apport de sédiment sur la croûte océanique change les caractéristiques mécaniques de celle-ci, ce qui permet le développement de flexure, observée dans la plaque indienne, entre la ride sud indienne, le moteur de la tectonique himalayenne et la chaîne (e. g. Martinod et Molnar, 1995). L'érosion physique de la chaîne a donc deux effets antagonistes, l'un tendant à diminuer une tectonique d'écroulement gravitaire, l'autre ralentissant la compression en front de chaîne. L'importance relative de ces deux modèles nécessite la connaissance du taux de sédimentation dans le cône sous-marin du Bengale et donc les flux de particules dans le delta du Gange et du Brahmapoutre, ainsi que la localisation du matériel érodé dont découle les taux d'érosion dans la chaîne.
Quelle méthodologie adopter ?
L'étude de l'érosion chimique d'un bassin peut s'effectuer principalement suivant deux approches : soit par une étude globale, qui s'applique bien pour de larges surfaces dont la connaissance géologique est faible ( e. g. Négrel et al., 1993 ; Gaillardet et al., 1995
; Dupré et al., 1996) soit par la prise en compte de la chimie des sources de la charge
solide et dissoutes des rivières ( e. g. Reeder et al., 1972 ; Meybeck, 1983 ; Stallard et
Edmond, 1983; Meybeck, 1984; Edmond et al., 1995; Louvat, 1997).
La première démarche considère que 1' ensemble des processus qui concourent à la charge chimique et particulaire des rivières est trop complexe à appréhender et traite le système dans son ensemble par une approche de type «boîte noire». Pour cela, il faut considérer un nombre limité de signaux d'entrée (la pluie, la température et la surrection tectonique, ... ) et un signal de sortie : les débits et la chimie, puis utiliser des méthodes d'inversion afin de trouver une fonction modélisant l'ensemble du phénomène. Cette méthodologie a un grand intérêt car elle permet une quantification globale de 1' érosion et ne nécessite que peu d'informations. Elle produit aussi un modèle permettant de faire de la prédiction, à partir du moment où les paramètres d'entrée ont été bien choisis.
Introduction générale La deuxième démarche considère que la chimie des grands fleuves résulte du mélange de différents sous-systèmes. D'un point de vue du bilan global elle nécessite l'analyse des exutoires et une estimation des proportions de mélange, sur des bases hydrologiques. Cette approche peut être considérée comme expérimentale puisqu'elle utilise l'ensemble des paramètres chimiques de la roche et des précipitations pour retrouver la chimie des eaux observée. Cette approche doit donc définir spatialement des sous-systèmes les plus simples possibles. Une fois leur description faite, ainsi que la caractérisation de 1' ensemble des processus, leur mélange devrait aboutir au signal de sortie. Les 2 inconvénients majeurs de cette approche sont 1) qu'elle est dépendante de la connaissance du système initial, et 2) qu'elle demande le plus grand nombre possible d'études de détail, avec des allers-retours importants entre les niveaux de connaissances souhaités de la géologie et de l'hydrologie chimique. Le principal avantage est la possibilité de décrire les mécanismes de 1' érosion.
Ce qu'il nous a
été
possible de faire.La méthode la plus simple d'obtenir des taux d'érosion est de mesurer les flux aux différents endroits souhaités. Ces informations ne sont malheureusement pas disponibles, et des limitations techniques ne permettront pas dans l'immédiat de mesurer un flux de la charge de fond d'une rivière himalayenne. Nous proposons donc d'utiliser des informations géochimiques pour quantifier le fractionnement minéralogique entre les deux modes de transport: les particules en suspension dans la rivière et la charge de fond. Par comparaison avec la chimie initiale il sera ainsi possible de quantifier le flux total de matière érodée. De plus, nous systématiserons l'emploi du traçage isotopique des sédiments pour déterminer les zones à l'érosion dans la chaîne (e. g. Goldstein et al., 1984 ; Bouquillon et al., 1990 ; France-Lanord et al., 1993) et attribuer le flux de particules total à une surface bien précise, préalable à un calcul de vitesse d'érosion.
Les études existantes de la chimie des eaux dans le bassin du Gange-Brahmapoutre ( e. g. Han da, 1972 ; Sarin et Krishnaswami, 1984 ; Sarin et al., 1989 ; Sarin et al., 1992) ont montré que certaines parties du bassin, en particulier le flanc nord de la haute chaîne, ainsi que la chimie des roches himalayennes étaient mal connus. Nous avons donc tenté de perfectionner la connaissance de l'érosion himalayenne en échantillonnant des rivières dans la partie tibétaine de la chaîne et surtout en examinant les relations spatiales entre la chimie des roches et celles des eaux dans des bassins versants assez restreints. Nous avons aussi essayé de compléter la base de donnée disponible sur le Gange et le Brahmapoutre par un échantillonnage proche de 1 'estuaire au moment des plus forts débits.
Cette étude de l'érosion himalayenne se présente suivant 5 chapitres. Si le fil directeur est la quantification de 1' érosion chimique et physique de la chaîne, nous avons
Introduction générale
aussi présenté certains résultats dans un esprit plus naturaliste de notre discipline. Dans le premier chapitre, la géographie physique de la zone d'étude est définie et nous avons essayé de faire une synthèse des données utilisées par la suite, c'est-à-dire les surfaces des bassins et les flux (débits et particules). Le deuxième chapitre présente et discute les différentes méthodes analytiques utilisées. Le troisième chapitre trace le portrait le plus fidèle possible des deux principaux acteurs de 1' érosion, à savoir les roches sources et la pluie. Nous y présentons une synthèse des données disponibles, en particulier ceux de géochimie et décrivons les analyses nouvelles effectuées dans le cadre de ce travail ou en collaboration sur les roches himalayennes et des échantillons de pluie. L'avant dernier chapitre correspond à l'étude de l'érosion chimique, à partir de la chimie des eaux ou à celle des roches altérées. Nous y présenterons en particulier un bilan de 1' alcalinité dans le bassin du Gange-Brahmapoutre ainsi que celui du Sr dissous. Enfin, le dernier chapitre présente une étude de l'érosion physique de la chaîne himalayenne à partir de la chimie et minéralogie des sédiments de rivières.
Chapitre 1 : Les Objets
