Vers une nouvelle compréhension de la migration des chutes d’eau et cascades dans les rivières



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Comment les chutes d’eau modifient-elles les paysages au cours du temps ?

Edwin Baynes est post-doctorant à Géosciences Rennes, titulaire d'une bourse européenne Marie-Curie au sein du WaterfallModel3D project. Avec Dimitri Lague également de Géosciences, et d'autres collègues écossais, ils viennent de publier en février 2018 un article dans Scientifc Reports (Nature) qui remet en question un pan de la géomorphologie moderne et de l'hydrologie : la vitesse de recul des cascades ne dépendrait pas du débit d’eau !

L’eau est un mécanisme puissant de transformation des roches et de création des reliefs : à la fois par les processus chimiques en altérant et dissolvant les roches, mais également du fait de la puissance hydraulique de l’écoulement d’eau dans les rivières qui peut inciser les roches les plus dures et transporter les sédiments sur de très longues distances. L’ensemble de ces mécanismes, lents, mais inéluctables, contribuent à façonner les paysages sur plusieurs milliers à centaines de milliers d’années.

Parmi les phénomènes érosifs liés à l’eau, les chutes d'eau et cascades sont parmi les plus emblématiques et fascinants. Elles peuvent avoir de multiples origines : un décalage de la rivière crée par une faille tectonique, les variations brutales du niveau marin ou le changement du climat à l’échelle géologique. Une fois formée, l’énergie cinétique développée par la chute d’eau et les galets transportés entrainent sa migration vers l’amont. Ce déplacement est essentiel pour l’évolution du paysage : alors qu’elle migre vers l’amont, la chute d’eau déplace dans le même temps et au fur et à mesure le signal d'incision de la rivière vers les versants adjacents, propageant ainsi le signal érosif à l’ensemble du paysage.

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Il est par conséquent crucial de comprendre les processus qui contrôlent la vitesse de recul des chutes d'eau (vers l’amont) pour mieux évaluer la rapidité avec laquelle le relief s’ajuste en réponse aux perturbations induites par le climat ou la tectonique. Toutefois, les connaissances actuelles sur les processus d'érosion des chutes d'eau sont limitées en raison du temps nécessaire pour l’observation directe des changements dans le milieu naturel (de l’ordre du mm/an). Même si ces évolutions sont “rapides”, n’oublions pas qu’elles le sont à l’échelle géologique, de plusieurs milliers à plusieurs centaines de milliers d’années…

Comment raccourcir ce temps d’observation ?

Afin de mettre en lumière la complexité des processus d'érosion, une série d'expériences analogiques simples, réalisée sur un chenal fluvial érodé contenant des chutes d'eau, a été réalisée dans le laboratoire de modélisation analogique en tectonique et géomorphologie de Géosciences Rennes. Les expériences avaient pour but d’estimer l'impact de la résistance du substrat rocheux en fonction du débit fluvial. Autrement dit, de corréler (ou pas) les deux facteurs que l'on présuppose constituer les principaux contrôles du taux d'érosion et de migration des chutes d'eau vers l’amont. Ce sont les résultats de cette étude qui sont donc publiés dans la revue Scientific Reports en février 2018.

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Sur la base de ces expériences analogiques, l'équipe de recherche dirigée par Edwin Baynes et Dimitri Lague (OSUR, Geosciences Rennes, université de Rennes) et leurs collègues de l'Université d'Édimbourg, en Écosse, a ainsi pu démontrer, que la résistance du substratum rocheux a un impact important sur le taux de retrait des chutes d'eau, les matériaux les plus “tendres” entraînant logiquement des taux de retrait plus rapides.

Mais le résultat le plus original est ailleurs : les expériences ont montré que la vitesse de recul des cascades ne dépendait pas du débit fluvial. Cela va à l’encontre de la théorie dominante actuelle qui prédit que la vitesse des cascades augmente avec la racine carrée du débit. Mais les chercheurs ont mis en évidence un mécanisme interne qui ajuste la largeur et la pente du chenal fluvial au débit fluvial. Cette autorégulation se traduit par une contrainte cisaillante exercée par l’eau sur le matériel érodé qui est constante quel que soit le débit. Il en resulte dans les expériences une vitesse de migration vers l’amont indépendant du débit.

L'identification de ce nouveau mécanisme a des implications pour la compréhension de l’incision fluviale du substratum rocheux, et comment les chutes d’eau migrent dans le réseau hydrographique au fil du temps en réponse aux perturbations tectoniques ou climatiques.


Reference
Baynes E.R.C., Lague D., Attal M., Gangloff A., Kirstein L.A., Dugmore A.J., (2018); River self-organisation inhibits discharge control on waterfall migration. Scientific Reports 8, 2444



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Contact OSUR
Edwin Baynes (Géosciences Rennes) / @
Dimitri Lague (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @






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