Modéliser par le calcul la surrection des chaînes de montagnes - 1

Vendredi, 19 mars 2010

Les simulations numériques permettent d’étudier la formation des chaînes de montagnes par raccourcissement de la croûte sous divers contraintes

 

Les chaînes de montagnes résultent de mouvements convergents entre deux plaques tectoniques. Mais toutes les chaînes de montagnes sont différentes, par leur taille (largeur et hauteur) ainsi que par la forme des reliefs qu'elles abritent. L'un des facteurs contrôlant cette variété des formes est le climat (et principalement les précipitations) auquel est soumise une montagne, qui détermine l'efficacité et la nature des processus d'érosion. L'érosion permet de transporter des quantités importantes de roches à la surface de la Terre, ce qui modifie l'équilibre des forces à l'intérieur de la croûte terrestre et peut facilement mener à une réorganisation des structures (failles) contrôlant le développement tectonique de la chaine de montagnes.

Ainsi les Alpes de Nouvelle-Zélande sont-elles très étroites (moins de 100 km) et peu élevées (moins de 3000 m) alors que la vitesse de convergence entre les plaques Pacifique et Indo-Australienne est l'une des plus élevées (proche de 10-12 mm/an) que nous connaissions. Il y pleut cependant plus de 10 mètres d'eau par an. De plus les précipitations sont concentrées sur la face ouest de l'Ile car les vents dominants viennent de la Mer de Tasman et provoquent une intensification des précipitations sur ce versant (il pleut moins d'1 mètre par an sur le côté est de l'ile). Ce couplage fort entre climat, tectonique et relief font de l'ile du sud de la Nouvelle Zélande l'un des endroits au monde où les taux d'érosion sont les plus élevés: en moyenne de 8 à 10 mm/an sur toute la face ouest de la chaîne de montagnes, ce qui correspond à éroder 1 km de roche en 100,000 ans (la durée de la dernière période glaciaire). D'où la taille faible de cette chaine de montagnes.

Ces relations entre tectonique, érosion et climat ont été mises en évidence par la simulation numérique. Plusieurs équipes de chercheurs ont développé depuis une vingtaine d'années des modèles tectoniques (solutions des équations de la mécanique des roches et du transport de chaleur dans la croûte et la lithosphère) qu'ils ont couplés à des modèles d'érosion (solution de l'équation de l'incision des rivières proportionnelle à la pente et à l'aire drainée) et de climat (solution de l'équation du contrôle orographique des précipitations - condensation de l'humidité atmosphérique lorsqu'une masse d'air est forcée à franchir un relief élevé).

Jean Braun* et ses collègues ont été les premièrs à réaliser un modèle tectonique en trois dimensions permettant de lui coupler un modèle d'érosion en plan. Pour y parvenir, ils ont développé de nouvelles méthodes numériques, empruntées en partie à d'autres domaines des sciences physiques, et les ont adaptées aux dimensions "hors normes" des objets que sont les montagnes.

Les simulations

Ces simulations montrent une vue tri-dimensionnelle d'une partie de la croûte à la base de laquelle est imposé un raccourcissement ponctuel représentant une zone de subduction ou un décollement à mi-croûte (une couche de faible résistance mécanique dans la croûte moyenne). La déformation se propage d'abord par le développement de structures en "V" comprenant un chevauchement majeur qui accommode le raccourcissement et une autre faille dite "charnière" permettant d'accommoder le changement de direction effectué par les roches translatée d'abord horizontalement puis parallèlement au chevauchement vers la surface. Les processus d'érosion (principalement fluviatiles) creusent le relief créé par le raccourcissement et lui donne la forme caractéristique de vallées de montagnes. La largeur, la hauteur et l'espacement entre les vallées ne sont pas imposés mais apparaissent "naturellement" du couplage entre tectonique et érosion.

Si cette érosion est efficace (parce que le climat est humide ), le transport de masse de la chaîne de montagnes vers la plaine avoisinante est efficace et le relief atteint rapidement un état d'équilibre entre le flux tectonique et le flux érosif. Si l'érosion est moins efficace (simulation "climat sec"), la chaîne de montagnes continue de grandir jusqu'à ce que les pentes deviennent suffisantes pour que l'érosion augmente (l'érosion est proportionnelle à la pente) et atteigne un autre état d'équilibre. Ce faisant, le poids plus conséquent de la chaîne ainsi créée a modifié la répartition des contraintes (forces) à l'intérieur de la croûte et la faille principale (le chevauchement) a changé de géométrie: un changement de pente s'est créé à mi-hauteur et les structures (failles) apparaissent alors plus complexes avec une autre charnière se formant parallèlement à la première. L'élargissement de la chaine de montagnes le long de structures moins pentues est typique de chaînes de montagnes telles que les Pyrénées. L'état d'équilibre est dynamique : les roches entrent d'un côté et ressortent à la surface après avoir traversé la croûte à des profondeurs (et donc pressions et températures variables). Ces variations des conditions rencontrées par les roches récoltées aujourd'hui à la surface sont enregistrées dans les roches et servent de contrôle et de validation à ces simulations numériques et leurs implications.

Le troisième cas suppose que la base du modèle (de la croûte) est plus chaude que dans les deux autres simulations, de telle sorte que le poids du relief force un écoulement visqueux (fluage des roches) en profondeur et la propagation de la déformation sur de très grandes distances causant la formation de nouvelles structures cassantes (failles) qui se propagent à la fois vers l'avant et vers l'arrière du premier chevauchement. En résulte un plateau entouré de plusieurs chaînes de montagnes. Ce plateau se remplit assez rapidement des sédiments produits par l'érosion des montagnes, comme ce fut le cas de nombreux bassins sédimentaires formés pendant ou suite à l'orogenèse Laramide dans l'ouest américain. Vers la fin de la simulation, un phénomène assez inattendu se produit lorsqu'un cours d'eau s'écoulant le long du flanc externe d'une chaîne de montagnes effectue une "capture" d'un cours d'eau interne au bassin perché. Ce processus est bien connu des géomorphologues et se produit souvent dans les chaînes de montagnes techniquement actives où la forme des vallées et le réseau hydrologique est en constante réorganisation. Cette capture permet de vidanger très rapidement le bassin de ses sédiments, un phénomène qui a affecté, par exemple, le bassin du Bighorn au Wyoming il y a quelques millions d'années.

Finalement, l'une des "trouvailles" de ces travaux a été de démontrer que les reliefs (les vallées et leurs versants) sont également transportés par le mouvement tectonique. En effet, les grands chevauchement sont relativement peu pentus (souvent moins de 45°) et le raccourcissement qu'ils accommodent cause également un mouvement relatif horizontal très important de la surface. Ainsi on voit très bien dans toutes les simulations que des vallées qui se sont formées à la base de la chaîne  sont "advectées" (transportées) vers le sommet de la montagne et, en partie, de l'autre côté de la ligne de partage des eaux (le sommet) où elles sont soumises à une érosion plus importante. Ces travaux ont conduit beaucoup d'équipes à se questionner sur ce processus (peut-il être observé dans la nature?).

A quoi tout cela sert-il?

Avant tout, la motivation première est de comprendre le monde naturel dans lequel nous vivons. La genèse des reliefs alpins et comment ils sont liés au climat dans lequel ils évoluent répond à notre besoin de compréhension et donc de savoir. Il y a aussi des conséquences économiques, liées à la formation de gisements pétroliers ou miniers. Ainsi le bassin du Bighorn contient (ou contenait car elles ont été en parité exploitées) des ressources importantes en pétrole et en gaz. L'érosion que ce bassin a subi a grandement augmenté l'accessibilité à ces ressources, qui n'auraient cependant pas pu se former si les roches mères n'avaient été enfouies à de plus grandes profondeurs (menant ainsi à la maturation et à la formation des hydrocarbures). Finalement, ces recherches ont des retombées que l'on ne peut concevoir. Pour parvenir à résoudre les équations de l'érosion sur un substrat qui se déforme (car il est continuellement advecté par les mouvements tectoniques), cette équipe a dû développer des méthodes mathématiques de maillage très efficaces ont intéressé des ingénieurs américains pour dessiner la forme des trottoirs dans les grandes villes américaines comme Chicago.

*actuelle là l'Institut des sciences de la Terre de Grenoble CNRS/UJF/IRD/US/IFSTARR

Simulation numérique de la formation d'une chaîne de montagnes par raccourcissement de la croûte qui conduit à son épaississement par chevauchement le long d'une grande structure (faille). Les processus d'érosion donnent au relief sa forme caractéristique faite de vallées et de leurs versants. Dans cette simulation le climat est supposé "sec" et les processus d'érosion ne peuvent pas entrer en équilibre avec la surrection tectonique. Sous le poids du relief, les contraintes le long de la faille majeure évoluent et celle-ci change de géométrie. Remarquer le transport du relief à la surface du modèle: les vallées se forment principalement le long du flanc peu pentu de la chaîne de montagnes et sont transportées jusqu'au sommet où elles interagissent avec le relief crée sur l'autre flanc.© J.Braun et P. Yamato Géosciences Rennes (CNRS, Univ. Rennes 1)