Cette thèse s'est intéressée à l'étude des interactions entre tectonique et érosion à différentes échelles spatio-temporelles dans le contexte himalayen, à l'aide de la modélisation numérique. Nous avons pu montrer que : A l'échelle du pli, le détournement des rivières antécédentes lors de la croissance d'une structure dépend des puissances relatives de l'érosion et de la tectonique, mais aussi et principalement du pendage du décollement ; A l'échelle du système chevauchant, la dynamique d'évolution d'un prisme est fortement influencée par les processus de surface et en particulier par l'incision des rivières. Dans certains cas pour lesquels l'érosion est très importante, la propagation frontale du prisme est même impossible ; A l'échelle crustale, les déformations et les flux de matière, et donc les caractéristiques des roches exhumées dans le système Himalayen, dépendent fortement de la localisation et de l'intensité des précipitations, ainsi que de la présence ou non de sédimentation à l'avant de la chaîne.

Ce dossier d'habilitation à diriger des recherches dresse un bilan de mon activité de recherche effectuée depuis l'obtention de ma thèse de doctorat, d'abord au Research School of Earth Sciences de l'Australian National University (1995-1997) et depuis 1998 au Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines de l'Université Joseph Fourier. Il présente également le projet scientifique que j'envisage de poursuivre dans les années à venir. Je présente dans la première partie mon Curriculum Vitae avec un bilan succinct des thèmes de recherche que j'ai développés, mon activité d'encadrement de jeunes chercheurs et d'enseignement, ainsi qu'une liste de mes publications et conférences. La deuxième partie propose quelques éléments de réflexion sur les relations entre tectonique, érosion et l'évolution du relief à long terme. Après une introduction générale, je dresse le bilan de ma contribution sur ce terrain, en ce qui concerne le développement et l'utilisation de modèles numériques des processus de surface pour étudier l'évolution du relief, ainsi que dans l'acquisition de données thermochronologiques pour contraindre les taux de dénudation. La troisième et dernière partie de ce mémoire présente mon projet de recherche, axé sur le développement des modèles numériques des processus de surface et la mise en œuvre de nouvelles bases de données permettant d'appréhender l'évolution du relief. Afin de permettre une plus grande accessibilité pour tous les membres du jury d'habilitation, les deuxième et troisième parties de ce dossier seront rédigées en anglais.

Un piémont constitue la zone de transition entre une chaîne de montagnes et son bassin d'avant-pays. Tectonique et climat se partagent le contrôle de son évolution géomorphologique à toutes les échelles de temps. L'étude de l'exemple du piémont Nord du Tian Shan oriental (Nord-Ouest de la Chine) permet une description précise de ces influences, ainsi qu'une quantification des phénomènes majeurs observés. Le signal tectonique intervient sur le long terme, par le soulèvement actif de la chaîne qui induit un flux de matière vers le piémont, ainsi que par la migration de la déformation vers le bassin dzungar sous forme de plis d'avant-pays. Au contraire, le signal climatique se manifeste à court et moyen terme, suivant les grands cycles climatiques globaux plus ou moins nuancés à l'échelle régionale. En période glaciaire, le matériel érodé dans les bassins versants montagneux est difficilement exporté de la chaîne. Le transport est facilité à la transition vers l'interglaciaire, par l'augmentation brutale des flux d'eau qui provoque la mise en place dans le piémont de grands cônes alluviaux, abandonnés vers 12 \pm 2 ka BP. A partir de ce moment, les rivières s'encaissent profondément dans les cônes, à des taux d'incision moyens de 1 à 2.5~cm/an sur l'Holocène. Les terrasses d'abrasion abandonnées au cours de cette phase sont d'abord de largeurs plurikilométriques, puis les vallées se font de plus en plus étroites sans que les rivières ne cessent d'inciser. Nous modélisons l'évolution du profil d'une de ces rivières au cours de l'Holocène à partir de la théorie du transport de Bagnold, en cherchant à retrouver la décroissance des paléo-pentes du lit de la rivière observée à l'aide de la topographie actuelle des terrasses. Cette reconstruction nous mène à considérer que la largeur du lit varie peu, alors que sa sinuosité diminue pendant la progression de l'encaissement. Elle suggère en outre que le débit de la rivière a chuté d'un facteur 3 entre la mi-Holocène et l'actuel. Cette étude est complétée par l'exploitation de données de paléo-niveaux holocènes du lac exutoire du piémont. Des lignes de rivage repérées à plus de 50~m montrent en effet que le lac s'est étendu sur une surface triple de sa surface actuelle au début de l'Holocène. Le calcul de bilans hydrologiques pour les conditions actuelles et mi-holocènes atteste que les apports des rivières vers 6000~ans~BP étaient supérieurs d'un facteur 2.6 aux apports actuels. La synthèse de ces deux approches révéle que la région a connu pendant la première moitié de l'Holocène un climat beaucoup plus humide que l'actuel, dans une mesure jusqu'alors ignorée des reconstitutions paléoclimatiques.

Cette thèse s'est intéressée à l'étude du rôle de la tectonique et du climat sur l'évolution d'une rivière (Pilcomayo) située en Bolivie. Pour y parvenir, nous avons développé un modèle numérique appelé COBASE qui permet de simuler sur de grandes échelles de temps et d'espace la dynamique fluviale de la rivière en intégrant le transport des sédiments dans la rivière et sur les versants du bassin. Le transport le long des versant est simulée par une loi de diffusion, avec un seuil de transport sur le versant fourni par un taux d'érodabilité des sols, le transport fluviatile est simulé par loi type d'Einstein, en supposant un écoulement permanent uniforme et une largeur de la rivière déduite d'une loi géomorphologique empirique. Nous avons pu montrer que : Du point vue général, notre modèle prédit des phases transitoires durant lesquelles le relief s'érode mais où le système fluviatile n'évacue qu'une partie des sédiments. Cette propriété est évidemment vérifiée pour des valeurs des paramètres caractéristiques d'une érosion limitée par le transport, mais peut également l'être vrai pour des valeurs des paramètres caractéristiques d'une érosion limitée par l'érodabilité. Du point de vue régional, dans la partie amont de la Pilcomayo, la tectonique ne contrôle pas l'évolution de la rivière, bien qu'elle puisse influencer localement de façon qualitative et quantitative le remplissage sédimentaire. Le climat influe sur l'évolution du bassin versant. Il contrôle, en effet, l'incision et la nature des éléments qui se déposent dans la rivière. Aussi les variations du climat influencent fortement les phases d'aggradation ou d'incision dans le cours de la rivière principale. Les enseignements tirés de cette modélisation nous ont permis de proposer une corrélation entre les remplissages sédimentaires observés sur le terrain sur la rivière Pilcomayo et les variations climatiques régionales à l'échelle de l'Holocène: les phases humides de longues durées (plus de 5 000 ans) induisent de fortes incisions, les phases sèches induisent des phases d'aggradation, tandis que des alternances rapides de périodes sèches ou humides on une signature plus complexe.

Dans le bassin versant du Pô les modifications vers l'aval de la signature géochronologique permettent d'établir les contributions relatives des zones orogéniques sources, afin d'apprécier l'érosion à court terme (100 à 10000 ans) dans les Alpes et l'Apennin. Des sables ont été échantillonnés dans divers affluents du Pô, choisis selon les unités tectoniques qu'ils drainent, et le long du cours principal du Pô jusqu'à son delta. Les concentrés de zircon ont été extraits suivant des procédures définies, couplées à des analyses granulométriques et densimétriques de façon à évaluer la teneur en zircon des sources, les effets du tri hydraulique, comme les variabilités intra-échantillon et inter-échantillons. Cette approche méthodologique permet de réaliser des budgets sédimentaires et d'évaluer le contenu minéralogique des diverses sources (fertilité minéralogique). Les calculs de budgets ont été réalisés par la détermination du signal géochronologique à l'amont et à l'aval des confluents majeurs. Nous avons utilisé la géochronologie U-Pb par sonde à ablation laser couplée à un spectromètre de masse (LA-ICPMS) sur zircons détritiques, parce que cette technique permet un contrôle complet des populations de zircon pendant les procédures de séparation et autorise l'analyse des données; nous avons pu constater que la datation par traces de fission du zircon détritique, trop affectée par les pertes sélectives de grains, n'est pas adaptée à ce contrôle. Les résultats d'analyses U-Pb sur grains individuels montrent des distributions d'âges similaires pour tous les sables du delta du Po. Les pics majeurs de ces distributions, observés vers 30 Ma, 280 Ma et 400-500 Ma, peuvent être suivis vers l'amont jusqu'à leurs sources. L'essentiel de cette signature géochronologique existe déjà à l'amont de la confluence avec les rivières drainant l'Apennin septentrional. Ceci montre que l'érosion à court terme a été bien moindre dans l'Apennin que dans les Alpes occidentales et centrales. Les pics d'âges typiques de l'Est du dôme lépontin se retrouvent en outre dans les affluents issus de l'Apennin, reflétant un transfert sédimentaire ancien, à l'Oligo-Miocène, des Alpes centrales vers la paléo-fosse adriatique, suivi de l'accrétion de ces prismes turbiditiques à la chaîne de l'Apennin. Outre les analyses U-Pb, la typologie morphologique des zircons a été estimée grâce à des observations par microscopie électronique à balayage. Des groupes morphologiques peuvent être suivis depuis leur point d'entrée dans la plaine du Pô jusqu'au delta. Les zircons automorphes proviennent principalement du Mont Blanc, de l'Argentera (massifs cristallins externes) et des plutons périadriatiques. Des zircons portant des traces de corrosion chimique, peut-être acquises lors du métamorphisme de haute température, ont été trouvés dans les affluents issus du domaine lépontin.

La plupart des côtes de la Terre reculent et 80% sont rocheuses. La prévision du recul des falaises littorales est primordiale afin d'anticiper les risques futurs pour les aménagements littoraux. Cependant, la compréhension de ce recul est difficile car de nombreux paramètres le contrôlent. Des expériences en canal à houle de petite échelle ont été effectuées où nous avons mis en place un massif de sable humide soumis à l'attaque des vagues par sapement. Le but est de comprendre comment l'effet des vagues contrôle l'érosion des falaises. La technique de mesure par ombroscopie a été employée et nous a permis de détecter la surface du sable et la surface libre en fonction du temps. Nous avons ainsi analysé l'influence du forçage des vagues (F, ξ) (où F est le flux d'énergie des vagues incidentes au large et ξ est le paramètre de similitude de "surf") sur la vitesse de recul de la falaise et sur la profondeur des évènements d'effondrement. La vitesse de recul de la falaise augmente linéairement avec le flux d'énergie F. Les débris de falaise érodés changent la morphologie du fond, les types de morphologie du fond dépendent fortement du paramètre de similitude de "surf" au déferlement, ou encore du paramètre de Dean Ω. Des profils du fond instationnaires présentant une oscillation auto-entretenue de la barre sédimentaire ont été observés. Nous avons de plus étudié l'effet de la granulométrie du sable utilisé : pour un sable plus fin, la falaise est plus cohésive et s'effondre au cours d'évènements de plus grande ampleur. Etonnamment, le recul de la falaise est plus important pour du sable fin. Ceci est probablement dû à une modification de la morphologie du fond conduisant à une dissipation de l'énergie des vagues moins importante. Le volume de sable injecté dans le système a finalement été quantifié, la barre sédimentaire a d'abord été prélevée périodiquement et il a été observé que la vitesse de recul de la falaise vr est constante. Puis, la hauteur de falaise a été modifiée, le recul des falaises est plus important pour des petites falaises. Il semblerait que l'instationnarité d'un profil du fond se déclenche à partir d'un volume seuil de sable érodé.

Comment extraire de l'information et prévoir le comportement d'un système dont on ne connaît qu'un nombre limité d'informations ? <br />Nous avons simulé l'érosion fluviatile long-terme et ses conséquences sur la base d'un modèle prenant en compte les processus physiques. Nous avons complété le modèle mécanique par l'intégration de considérations sur l'évolution dans le temps des grandeurs caractéristiques du système en les simulant par l'intermédiaire du signal d'insolation (influence des paramètres astronomiques sur les changements climatiques).<br /><br />Dans le cas du bassin parisien, les simulations ont mis en évidence l'existence d'un soulèvement tectonique régulier de 0.06 à 0.09 mm/an lors des derniers cycles climatiques (plusieurs dizaines de milliers d'années). L'équilibre dynamique du système fluctue en fonction des variations climatiques : le dernier maximum d'incision, estimé par l'intermédiaire de la simulation, a eu lieu il y a 40 à 60 ka.<br />Dans le cas des fortes incisions, le paléo-profil des fleuves enregistre les propriétés mécaniques de la lithosphère. On obtient ainsi une méthode alternative et élégante pour déterminer celles-ci. <br /><br />Suivant l'échelle de temps et d'espace étudiée, le profil longitudinal des fleuves peut révéler soit les mouvements tectoniques, soit les changements de climat, soit enfin les propriétés mécaniques de la lithosphère. La modélisation permet de combler certaines lacunes sur les évènements passés et constitue un outil de prédiction long-terme.

Le barrage du Chambon, situé sur la Romanche, dans les Alpes françaises, a été mis en eau en 1935. Depuis cette date, des sédiments s'accumulent dans la retenue. Au bout de 45 ans, ceux-ci ont atteint 18 mètres d'épaisseur au pied de l'ouvrage. La vidange totale, réalisée en 1981, a fourni l'occasion d'étudier ces dépôts, avec les objectifs suivants: - expliquer leur mode de mise en place par l'observation des figures sédimentaires, des analyses granulométriques et minéralogiques; - évaluer les volumes déposés dans la retenue ainsi que le taux d'érosion dans le bassin versant; - étudier l'efficacité des vidanges comme moyen de lutte contre l'envasement de la retenue; - caractériser les propriétés géotechniques des sédi· ments, particulièrement leur aptitude aux tassements.

Ce mémoire sur l'évolution des littoraux sableux de la Mauritanie à la Guinée-Bissau est le fruit d'une recherche doctorale menée dans le cadre du projet «Bilan prospectif des changements à long terme de l'environnement côtier d'Afrique de l'Ouest», composante recherche du Programme Régional de Conservation des Zones Côtières et Marines en Afrique de l'Ouest (PRCM). Il s'envisageait à deux échelles spatiales (régionale et locale) et avait pour objectif de mettre en évidence et de mesurer les phénomènes d'érosion et d'accumulation intervenus depuis plusieurs décennies sur les côtes sableuses de la Mauritanie à la Guinée-Bissau. A l'échelle régionale, la superposition des lignes instantanées de rivage ou des limites de végétation extraites d'images Landsat multidates par équidensitométrie ou par classification avec l'ISODATA indique en dépit d'une érosion ponctuelle, une tendance à la progradation des formes très mobiles telles que les pointes des flèches, des petites îles et cordons sableux isolant des mangroves dans les systèmes estuariens du Sénégal à la Guinée-Bissau. L'analyse locale porte sur quatre sites répartis sur le littoral sénégalo-mauritanien (Nouakchott, Ndiago – Saint-Louis, Bargny – Yène-sur-mer, Mbour – Pointe Sarène) et s'étendant sur 67 km environ. Fondée essentiellement sur le traitement numérique et l'interprétation d'images aériennes au sein d'un SIG, l'étude de l'évolution spatio-temporelle de la position des marqueurs sélectionnés comme traits de côte (ligne de pleines mers ou limite supérieure de la plage) révèle une érosion sur 47 km (70 %) de côte et une progradation sur 20 km (30 %).

L'influence des fossés dans les phénomènes de crue, d'érosion hydrique des sols ou de transferts de polluants agricoles est bien connue à l'échelle locale. Cependant, on ne dispose que de peu de connaissances sur la variabilité spatio-temporelle des réseaux de fossés et de l'effet de cette variabilité sur les processus hydrologiques. L'objectif de ce travail de thèse vise donc à quantifier la relation entre l'organisation spatiale et temporelle des réseaux de fossés, éléments de la structure du paysage, et le fonctionnement hydrologique des paysages viticoles méditerranéens. Dans un premier temps, on propose d'analyser comment la densité des réseaux de fossés varie dans les paysages et à quel point elle est conditionnée par le milieu physique. Ensuite, un algorithme de simulation de réseaux est chaîné à un modèle hydrologique afin de quantifier le rôle de la densité des réseaux dans la régulation des écoulements de surface. En lien avec son rôle d'interception du ruissellement, l'effet anti-érosif des réseaux de fossés est alors analysé grâce à l'utilisation d'indicateurs géomorphologiques. Dans un second temps, on s'intéresse à la dynamique spatio-temporelle de la végétation des fossés et à son impact sur les transferts de pesticides. Pour cela, on caractérise puis simule les pratiques d'entretien des fossés et leurs impacts sur la végétation. On montre alors en mobilisant différents indicateurs que les pratiques actuelles ne sont pas optimales d'un point de vue de la rétention des pesticides. Cette thèse, qui s'appuie sur des méthodes de simulation du paysage, montre l'intérêt du chaînage entre modèles de structure et de fonctionnement du paysage. Ce chaînage a permis de quantifier le rôle des réseaux de fossés dans la modulation des processus hydrologiques.