samedi 14 juin 2014

Pour l'érosion des massifs montagneux, la densité des roches importe plus que leur dureté.

 Pour CAPES et Agreg
Thèmes : relief de la Terre, érosion, isostasie

Contribution apportée par Philippe Sarda
  
L’altitude des montagnes : un article vient de sortir à Nature Geoscience où des chercheurs français, suisses et américains tordent le cou à des idées classiques. Les montagnes les plus élevées ne sont pas les plus résistantes à l’érosion. L’isostasie met en relief les roches les plus denses.

Une équipe de chercheurs français, suisses et américains, spécialistes des phénomènes d’érosion, vient de montrer dans une publication parue dans la revue Nature Géoscience que, pour des massifs de plusieurs dizaines de kilomètres, la densité de la roche à éroder importe plus que sa dureté. Conclusion contraire à l’intuition. L’isostasie liée à l’élasticité de la lithosphère joue un rôle important dans la dynamique d’érosion de tels massifs.

 
Photo aérienne des « Henry Mountains » dans l’ouest américain. Ce sont de grandes intrusions magmatiques (ou laccolithes) qui se sont mises en place dans des roches sédimentaires à plusieurs kilomètres de profondeur. Suite à l’érosion, elles se retrouvent aujourd’hui à la surface et forment des reliefs importants par rapport aux roches sédimentaires avoisinantes. © J. Braun et al. 2014
 A l’exemple des Henry Mountains de l’ouest américain, de nombreuses intrusions magmatiques (roches plutoniques) forment des reliefs élevés par rapport aux roches sédimentaires avoisinantes. Cette observation se généralise à de nombreuses situations où existe un contraste lithologique majeur (roches métamorphiques juxtaposées à des roches sédimentaires, par exemple, c’est à dire, le simple contraste socle - couverture). La thermochronologie * a montré que ces régions de haute topographie sont souvent celles où l’érosion est la plus rapide, un constat en conflit direct avec l’explication communément acceptée que ces intrusions forment des reliefs importants parce qu’elles sont plus résistantes à l’érosion. C’est en étudiant les sommets des Cascades (dans l’Ouest américain) et ceux de Patagonie (la pointe sud de l’Amérique du Sud) que les auteurs ont mis en avant cette contradiction. Pour la résoudre, ils ont proposé une explication qui découle du principe d’isostasie : c’est parce que ces roches sont denses qu'elles forment des reliefs élevés, et non parce qu’elles sont « dures ». Ce résultat est a priori assez déroutant, car nous avons l’habitude de penser que ce qui est léger doit se trouver plus haut que ce qui est lourd.


Le principe d’isostasie, que l’on peut comparer au principe d’Archimède, est bien connu de la majorité des géologues et géophysiciens. Selon ce principe, la lithosphère « flotte » sur une zone de viscosité faible (l’asthénosphère) où les différences de pression ne peuvent être maintenues sur des échelles de temps géologiques (au plus, quelques dizaines de milliers d’années). Pour un iceberg flottant à la surface de l’océan, le rapport entre hauteur de glace émergée et hauteur de glace immergée reste constant : si l’iceberg se met à fondre, la surface de l’iceberg rebondit (c’est-à-dire est renvoyée vers le haut par la flottabilité, comme pour un bateau qu’on décharge). Il en est de même pour les reliefs à la surface de la Terre. L’érosion d’un kilomètre de roches mène à un rebond dit « isostatique » de 600 à 700 mètres, ce qui donne un abaissement net d’altitude de seulement 300 à 400 mètres. 


Dans cette étude les auteurs ont montré que ce qui détermine le rapport entre la quantité érodée et le changement net de topographie ne dépend, suivant le principe d’isostasie, que du rapport de densité entre les roches de surface (érodées), et celle de l’asthénosphère. Il faut noter que la différence entre ces deux densités est du même ordre de grandeur que la variabilité de la densité des roches de surface. Ainsi, les roches plutoniques formant les Henry Mountains ont une densité de 2600 kg/m3 et les sédiments avoisinants une densité de 2200 kg/m3. Cette différence (400 kg/m3) est la même, ou plutôt du même ordre, que celle (600 kg/m3) entre la densité des roches plutoniques de surface (2600 kg/m3) et celle de l’asthénosphère (3200 kg/m3). Si bien que l’érosion des roches denses cause un rebond isostatique deux fois plus important que celui des roches sédimentaires, expliquant pourquoi celles-ci se retrouvent en contre-bas. En d’autres termes, les massifs plus denses s’enfoncent plus profondément (que les massifs moins denses), et, du coup, remontent plus lorsque érosion les attaque. La pente créée par cette différence d’élévation entre l’intrusion magmatique et son encaissant sédimentaire mène à son érosion préférentielle et donc, à un rebond isostatique encore plus important, expliquant pourquoi les zones élevées et denses des reliefs terrestres sont souvent celles qui s’érodent le plus vite, malgré leur résistance apparente à l’érosion. C’est ce qu'illustrent les simulations numériques.
Tout cela était contenu dans les équations de l’isostasie, qui sont simplement celles du principe d’Archimède, mais n’a jamais été formulé explicitement jusqu’à présent.
 
Les auteurs ont également démontré que cette amplification du rebond isostatique des roches denses ne peut être observée que pour des objets de taille importante (de plusieurs dizaines de kilomètres de rayon) en raison de la rigidité de la lithosphère (rigidité flexurale) : il faut que la lithosphère puisse se déformer pour que ce mécanisme puisse agir, et la lithosphère ne peut se déformer qu’à une échelle spatiale suffisamment grande. Bien entendu, la résistance différentielle à l’érosion est toujours valable pour expliquer des petits reliefs comme, par exemple, les cuestas. Ces travaux ont ainsi mis en évidence un mécanisme majeur de création de relief négligé jusque là, aux conséquences importantes pour la compréhension de la formation et de l’évolution des reliefs terrestres, ou de ceux formés sur toute planète où le principe d’isostasie s’applique.


Note (*): 
Thermochronologie : La thermochronologie permet de déterminer un âge pour une roche lorsque celle-ci se refroidit en dessous d’une certaine température, dite température de fermeture. L’histoire du refroidissement peut avoir été complexe, avec des phases de refroidissement alternant avec des phases de réchauffement, comme cela peut être induit par les mouvements verticaux des montagnes ou des bassins sédimentaires (réchauffement par enfoncement, refroidissement par exhumation). Dans ce cas, l’âge thermochronologique représente une intégrale de cette histoire complexe. La température de fermeture varie d’un système thermochronologique à l’autre, et, dans certains cas, peut être très basse, de l’ordre de 50 à 75 °C (méthode U-Th/He, méthode des traces de fission). Grâce à ces âges thermochronologiques, nous pouvons estimer la vitesse à laquelle les roches se refroidissent lorsqu’elles remontent à la surface en réponse aux processus d’érosion et, par conséquent, la vitesse d’érosion.


Source: article original

Topographic relief driven by variations in surface rock density,
Jean Braun1*, Thibaud Simon-Labric1,2, Kendra E. Murray3 and Peter W. Reiners3 - NATURE GEOSCIENCE, Publié en ligne le 1er juin 2014 DOI:10.1038/NGEO2171
1 ISTerre, Université Grenoble-Alpes, F-38000 Grenoble, France,
2 Institute of Earth Surface Dynamics, University of Lausanne, Suisse
3 Department of Geosciences, University of Arizona, Tucson, USA.



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