Comment mesurer les rejets de sédiments des continents vers les océans ?



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Une nouvelle application de la gravimétrie spatiale

L'accélération récente de l'extraction de sable à des fins anthropiques (pour le secteur économique de la construction notamment) menace la durabilité de cette ressource majeure... et indispensable. A l'origine de la ressource, l'érosion continentale et le transport fluvial, qui produisent du sable et des sédiments, manquent cruellement de quantification à l'échelle mondiale. Une équipe internationale dans laquelle on retrouve Maxime Mouyen, Laurent Longuevergne, Philippe Steer, Alain Crave et Cécile Robin de Géosciences Rennes, Jean-Michel Lemoine du CNES à Toulouse et Himanshu Save du Center for Space Research (University of Texas) propose dans un article paru en août 2018 dans Nature Communications une nouvelle méthode géodésique pour mesurer les flux de sédiments des plus grands fleuves du monde vers les océans.


Cette nouvelle méthode combine la distribution spatiale des zones de sédimentation actuelles avec de nouvelles données haute résolution (~ 170 km) issues de la mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) lancée en 2002. L'estimation des flux de sédiments ainsi obtenue par gravimétrie spatiale est compatible avec les mesures in situ des fleuves Amazone (Brésil), Brahmapoutre (Bangladesh), Changjiang (Chine), Indus (Inde) et Magdalena (Colombie). Cette nouvelle approche permettrait donc de surveiller quantitativement l'érosion en « temps réel » des bassins continentaux drainés par les fleuves à grands rejets de sédiments ; elle ouvre aussi la voie à une meilleure compréhension dans la manière dont les changements naturels et anthropiques influencent plus globalement la dynamique des paysages.

L'érosion continentale est à l'origine contrôlée par le climat et la tectonique, mais peut être forcée par les activités humaines telles que l'agriculture à grande échelle, la déforestation et l'extraction de sable. En amont, l'érosion limite la croissance des chaînes de montagne et produit des sédiments qui sont pour la plupart évacués par les rivières. En aval, l'apport de sédiments forme des deltas et transporte des matières organiques et des nutriments vers l'océan, ce qui est fondamental pour les écosystèmes marins et pour la formation des réservoirs de pétrole et de gaz.

Cependant, le débit global de sédiments dans l'océan reste largement inconnu et sa mesure représente toujours un défi de taille dans le domaine des sciences de la Terre. En effet, elle exige des mesures continues du transport de sédiments en suspension et de charriage à l'embouchure de chaque rivière, ce qui est difficile et coûteux. De plus, ces mesures doivent s'appuyer sur des techniques de mesure homogènes. Or, un suivi aussi exigeant ne peut être raisonnablement réalisé, car même des mesures in situ performantes du débit sédimentaire conduisent intrinsèquement à des données spatialement éparses et spécifiques à une localisation restreinte le long d'une rivière. En outre, ces ensembles de données sont également discontinus dans le temps, enregistrés à une date précise ou à une fréquence qui tiennnent rarement compte des événements extrêmes et de la variabilité temporelle du débit des cours d'eau. Pour finir, ces ensembles de données sont incomplets et biaisés, car le charriage est rarement surveillé et donc mesuré.

Néanmoins, les sédiments érodés à l'échelle d'un bassin présentent l’avantage de se concentrer en fin de compte dans des zones de sédimentation de taille relativement limitée au large des embouchures de chaque cours d'eau. Ils sont donc logiquement sensés fournir un signal gravimétrique clair. On estime par exemple qu'une accumulation de 0,5 cm par an de sédiments sur un rayon de 200 km - et qui remplace donc un volume précédemment occupée par de l'eau - conduit à une augmentation de masse nette d'environ 1 giga tonne par an (i.e. un volume considéré de sédiment à une masse supérieure à un même volume d'eau). Les chercheurs rennais et leurs collègues ont pu montrer dans leur étude que l'augmentation de l'attraction gravitationnelle associée à cette augmentation de masse sédimentaire est mesurable par le satellite GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).

Leur hypothèse principale est que la masse de sédiments qui sort d'une rivière et qui s'accumule dans l'océan pendant un temps T est égale au débit de sédiments de cette rivière multiplié par T. Or GRACE permet effectivement de mesurer les changements de gravité en fonction du temps et de la position, et ce sur toute la surface de la Terre et à des échelles de temps mensuelles. Par ailleurs, la gravité étant physiquement liée à la masse, les données GRACE sont fondamentalement sensibles à l'amplitude des variations de masse, sans seuil minimum d'extension spatiale. Au final, il s'avère que GRACE peut ainsi surmonter les trois limites mentionnées plus haut quant aux mesures in situ et fournir ainsi de nouvelles connaissances fondamentales sur le débit sédimentaire des principaux cours d'eau.




2018

Légende : a) Modélisation de la distribution des sédiments (10 µm) déposés annuellement par le Yangtze à son embouchure. b) Signal GRACE (tendance 2003 - 2011) dans la même région avec le contour rose du dépôt sédimentaire montré en a). L’accumulation de masse (bleu) est interprétée comme la conséquence d’un dépôt sédimentaire.



Reference
Maxime Mouyen, Laurent Longuevergne, Philippe Steer, Alain Crave, Jean-Michel Lemoine, et al.. Assessing modern river sediment discharge to the ocean using satellite gravimetry. Nature Communications, 2018, 9 (1), pp.Art. n°3384. Doi : 10.1038/s41467-018-05921-y


>>> Sur le site du CNRS INSU


Contact OSUR
Maxime Mouyen (Géosciences Rennes) / @
Laurent Longuevergne (Géosciences Rennes) / @
Philippe Steer (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @





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