The lower Da-An River in western Taiwan was uplifted ~10 during the 1999 Mw 7.6 Chi-Chi earthquake, resulting in a 20- to 30-m-deep bedrock gorge. However, the amount of coseismic displacement along the channel bed does not fully explain the resulting bedrock channel incision. Using a series of aerial photographs, digital terrain models (DEM), and real-time kinematic global positioning system (RTK GPS) surveys, we characterized knickpoint retreat and fluvial incision in the Da-An River gorge. We also analyzed discharge and precipitation data and collected measurements of rock strength and joint plane orientations to understand the climatic, lithological, and structural influence on the evolution of the actively incising gorge. Two stages of fluvial incision and knickpoint migration are identified in the gorge following surface uplift during the Chi-Chi earthquake. From 1999 to 2004, 3 to 5 m of alluvium was removed from the channel bed, followed by 3 to 4 m of bedrock channel incision. The knickpoint generated immediately after the earthquake stayed where the uplift occurred at this time. Since 2005, the channel bed has lowered rapidly with local incision rate as high as 15 m/yr in terms of knickpoint migration. The average knickpoint migration rate over the period 2005 to 2009 was 238 m/yr; total upstream migration from the location of knickpoint formation was 1190 m. While tectonic uplift formed the knickpoint and set the stage for channel incision, climate played a critical role in accelerating the fluvial response to coseismic displacement. More than 20 m of bedrock channel incision and 1180 m knickpoint migration occurred during the post-2004 typhoon seasons (May-October). Based on repeat surveys of the Da-An River longitudinal profile and analysis of precipitation and discharge data, we suggest that a discharge threshold of 1200 to 2600 m³/s is required to initiate upstream knickpoint migration. However, once the threshold is exceeded, bedding dip becomes the primary control on rates and patterns of knickpoint propagation. Rotation occurred in a hinge zone where the bedding dips change from horizontal to upstream-dipping, while replacement was observed in the strata dipping upstream. The highest knickpoint migration rates (> 300 m/yr) were recorded in flat-lying, horizontal strata (< 10º) where parallel retreat was the dominate process. Overall, the knickpoint propagation followed the process of replacement behavior, in which the height of knickpoint decreases while migrating upstream. Thus, while tectonic processes set the initial conditions for knickpoint propagation in the Da-An River, the response time of the fluvial system to this forcing is strongly dependent on climate and local structure.

This thesis aims at deciphering the respective roles of autogenic processes and allogenic forcing in the post-orogenic evolution of a coupled mountain catchment/foreland megafan system, with a focus on the Lannemezan megafan and its mountainous catchment in the northern Pyrenees (France). AFT data are consistent with previously published thermochronological data, showing (i) the main exhumation phase of the Axial Zone (AZ; ~50-30 Ma) with lateral variations in the exhumation rates, (ii) a later unroofing of the North-Pyrenean Zone (NPZ; since ~20 Ma), and (iii) a late (~20-15 Ma) exhumation phase only recorded in the western part of the range (west of the Neste River). The megafan was thus built at a late stage of the orogeny and its source catchment lays on the boundary between two tectonic domains. Petrographic data shows that the source area encompasses the NPZ and AZ but modern river sands yield more granitic material than the megafan sediments. This discrepancy suggest that (i) the foreland deposits are locally sourced, but this is not consistent with the definition of a megafan, (ii) the crystalline massifs may have been insufficiently unroofed, but this is inconsistent with the presence of granitic material in Eocene deposits of the south foreland, (iii) the main drainage divide migrated to the south around that period, but this seems inconsistent with the exhumation history of the range as inferred from thermochronological data. Comparison of my estimation of the sedimentary budget and AFT-derived exhumation rates suggests that the current watershed of the Neste is more than sufficient to provide the material for the building of the Lannemezan megafan. This implies that (i) the catchment boundaries have not necessarily changed since the Miocene and (ii) a significant portion of the sediments bypassed the megafan. I dated the abandonment of Quaternary surfaces using cosmogenic nuclides (10Be, 26Al). The abandonment of the megafan (~300 ka) and of the alluvial terraces (~100ka, ~20ka and ~1ka) suggests that incision episodes are triggered by cold-to-warm climatic shifts. The terrace slopes increase with time: I propose that the region was subjected to northward tilting by flexural isostatic rebound as a response to erosional unloading of the range during the Quaternary. From the morphometric analysis (χ-proxy, steepness index, concavity, long river profiles) I show (i) drainage reorganization near the megafan apex and (ii) no influence on the drainage network from active tectonic structures or base-level variations. The abandonment and of the Lannemezan megafan is thus linked to the capture of the Neste by the Garonne and its episodic incision is linked to Quaternary climatic cycles. Numerical modelling adequately reproduce the building of a large megafan in 15 Ma by progradation of the deposits carried by a central river that becomes dominant in the sediment routing. I suggest that, in the northern Pyrenean foreland, the Atlantic Ocean to the west and large, efficient rivers create the conditions needed for a river to be singled out and build a megafan. Negligible subsidence at during the Miocene may have encouraged progradation. I suggest that, in the northern Pyrenees, the main driving force for long-term entrenchment of the megafan is linked to autogenic processes but these are modulated by short-term climatic changes (and possibly isostatic movements). Numerical modelling also evidenced the strong coupling between the mountainous catchment and the basin and the characteristic response times (on the order of 10 ka). / Le but de cette thèse est de comprendre ce qui contrôle l’évolution géomorphologique post-orogénique d’un ensemble composé d’un bassin versant montagneux et de son piedmont à partir de l’exemple du méga-cône alluvial de Lannemezan et son bassin versant au flanc nord des Pyrénées. Les données de thermochronologie in-situ et détritiques confirment les phases d’exhumations : (1) une phase d’exhumation majeure (~50-30 Ma), enregistrée dans toute la ZA bien qu’avec des vitesses différentes à l’est (Ariège) qu’à l’ouest, (2) une excavation plus tardive de la ZNP (à partir de ~20 Ma), et (3) une phase tardive d’exhumation (vers 15-20 Ma) enregistrée seulement à l’ouest. Le méga-cône se forme donc à une période post-orogénique où la tectonique cesse de jouer un rôle dominant, mais le bassin versant d’alimentation du cône se situe à une position charnière entre deux zones qui s’exhume différemment. Les données de pétrographie des sédiments indiquent une zone source qui inclut la ZNP et la ZA. La proportion de matériel cristallin dans les sédiments Oligo-Miocène est plus faible que celle des sédiments des rivières actuellesce qui pourrait suggérer que (1) les massifs cristallins n’étaient pas suffisamment exhumés mais cela semble incohérent avec les études précédentes, (2) que la ligne de partage des eaux a migré vers le sud, mais ce n’est pas cohérent avec l’histoire d’exhumation de la chaîne. J’ai comparé le volume érodé dans le bassin pour produire le méga-cône et le flux sédimentaire estimé à partir des taux d’exhumation : il semble que le bassin versant actuel de la Neste est plus que suffisant pour produire les sédiments du cône, ce qui suggère que (1) la taille du bassin versant n’a pas nécessairement changé et (2) une partie des sédiments a été directement exportée vers le bassin marin. Les résultats des datations par nucléides cosmogéniques (10Be et 26Al) suggèrent que le cône est abandonné vers ~300 ka et les terrasses alluviales qui bordent les rivières du piémont (~100ka, ~20ka et ~1ka) pourraient suggérer un contrôle climatique sur l’incision (cycles glaciaires/interglaciaires). Pour expliquer la pente des terrasses je propose l’hypothèse d’un basculement de la région en lien avec un rebond isostatique au Quaternaire. L’analyse morphométrique du réseau de drainage montre (i) une réorganisation par capture dans la partie sud du cône et (ii) qu’il n’y a pas de structure tectonique active ou de variation du niveau marin. J’ai utilisé un modèle numérique pour comprendre les conditions de formation et d’incision d’un méga-cône et comparé les résultats avec les observations faites sur le cône de Lannemezan et son bassin versant. Les résultats suggèrent que le temps de construction d’un tel cône est de l’ordre de 15 Ma, par progradation des dépôts d’une rivière centrale qui domine les apports du piémont. La comparaison avec le cas de Lannemezan suggère que (1) l’Océan Atlantique à l’ouest et les grandes rivières, au transport efficace créent un environnement propice à la formation du méga-cône; (2) la subsidence négligeable du piémont pourrait avoir favorisé la construction du méga-cône; (3) les processus autogéniques sont suffisants pour produire au long terme une incision permanente du cône par sa rivière d’alimentation. Les forçages externes (tectoniques, climat) ne font que moduler l’incision autogénique. La réponse du paysage à un forçage climatique cyclique montre un temps caractéristique de l’ordre de 10 ka. Finalement, la modélisation a permis de mettre en évidence les interactions entre le piémont et la chaîne.

La moyenne Garonne a vu sa morphologie et sa dynamique hydro-sédimentaire durant le XXe siècle se modifier de manière significative, avec la contraction de la bande active et l’incision de son chenal. Cette thèse se propose d’analyser les ajustements verticaux du cours d’eau depuis 1830 et la dynamique d’évolution des seuils rocheux mis à l’affleurement sous l’effet de l’incision. L’étude se fonde sur une approche géohistorique et une approche de terrain, à trois échelles spatiales : (1) le linéaire de la moyenne Garonne, (2) trois tronçons et (3) les seuils inscrits dans les tronçons. A l’échelle du linéaire, trois phases d’ajustements sont identifiées : une première phase (1830-1860s) d’exhaussement (1,9 cm.an-1) et d’élargissement, une seconde phase (1860s-1920) d’aggradation (3,2 cm.an-1) et de contraction et une troisième phase (1920-2000s) d’incision (2,6 cm.an-1) et de contraction avec une accélération des processus d’incision (3,6 cm.an-1) et de contraction à partir des années 1960s. A l’échelle des tronçons, le rôle majeur des extractions de granulats est mis en évidence dans la mise à l’affleurement des seuils rocheux par érosion régressive et progressive et cela, de manière rapide durant les années 1970s. A l’échelle des seuils, la dégradation de la molasse montre qu’une fois dégagée de la charge alluviale, l’incision de la molasse reste active et que le cours d’eau poursuit son incision sans rupture majeure en termes de vitesse dans l’enchaînement entre les deux processus. Par ailleurs, l’étude des formes d’érosion dans la molasse a mis en évidence l’importance de la fusion de ces dernières dans l’érosion et l’évolution des seuils, ce qui tend à montrer que l’érosion verticale ne serait pas le facteur principal dans le développement des seuils rocheux. L’étude de la mobilité de la charge grossière montre que les seuils ne sont pas un obstacle à la mobilité des galets et sont transparents au transfert amont-aval. / The middle Garonne River has seen its morphology and hydro-sedimentary dynamics change significantly during the 20th century, resulting in channel narrowing and incision. This thesis proposes to analyze the vertical adjustments of the river since 1830 and the dynamics of the evolution of the knickpoints released from the alluvial cover under the effect of the incision. The study is based on a geohistorical and field approach, at three spatial scales: (1) the length of the middle Garonne, (2) three sections and (3) the knickpoints present at each section. At the linear scale, three phases of adjustments are identified: a first phase (1830-1860s) of aggradation (1.9 cm.an-1) and widening; a second phase (1860-1920) of aggradation (3.2 cm.an-1) and narrowing; then a third phase (1920-2000s) of incision (2.6 cm.an-1) and narrowing with an acceleration of the incision (3.6 cm.an-1) and narrowing from the 1960s. At the section scale, the major role of in-stream mining has been highlighted with regard to the outcropping of knickpoints by regressive and progressive erosion operating rapidly during the 1970s. At the scale of the knickpoints, the degradation of the molasse shows that once the alluvial cover is released, the incision remains active and the river continues its incision without major break in terms of speed between the two processes. Furthermore, the study of the erosion forms in the molasse highlights the importance of the fusion of the forms for the erosion and the evolution of the knickpoints, and tends to show that vertical erosion would not be the main factor for the development of the knickpoints. The mobility of the coarse load has also shown that the knickpoints are not an obstacle to the mobility of the pebbles during downstream transfer.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21577号 / 理博第4484号 / 新制||理||1644(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科地球惑星科学専攻 / (主査)教授 千木良 雅弘, 教授 釜井 俊孝, 准教授 松四 雄騎 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM