Une approche pluridisciplinaire (tectonique, géomorphologie, géophysique, forage, datation 10Be...) a été entreprise afin de caractériser les déformations tectoniques récentes en Provence. Elle a consisté à comprendre la mise en place et l'évolution des structures potentiellement sismogènes, de quantifier les taux de déplacement plio-quaternaires, et d'étudier les relations entre tectonique et érosion dans ce type de contexte présentant une déformation lente. Si les déformations pliocènes à actuelles sont contrôlées par la dynamique de la chaîne alpine, les structures résultent essentiellement de la phase de déformation pyrénéo-provençale, de la fin du Crétacé à l'Eocène moyen ; la phase « alpine » d'âge Miocène étant exprimée essentiellement entre la faille de la Moyenne Durance et celle de Salon-Cavaillon (e.g. Luberon, Trévaresse...). Les vitesses de déplacements calculées grâce à la déformation de marqueurs géologiques et géomorphologiques résultant de la crise de salinité messinienne et/ou des cycles glacio-eustatiques quaternaires sont souvent inférieures à 0,1 mm/an. Cette déformation peut-être enregistrée par des marqueurs géologiques très récents, bien que la morphologie actuelle de la région soit contrôlée essentiellement par les processus d'érosion.

Dans les chaînes de montagnes, les séismes de magnitudes intermédiaires à fortes (Mw>6) déclenchent systématiquement un grand nombre de glissements de terrain responsables de l'introduction de volumes massifs de sédiments dans le réseau fluviatile. L'évacuation progressive de ces sédiments hors de la zone épicentrale affecte la dynamique des rivières et provoque des aléas hydro-sédimentaires dans les plaines alluviales (avulsion des rivières, crues...). La quantification des transferts sédimentaires est essentielle pour mieux comprendre l'évolution des paysages à court et moyen terme (de l'heure au siècle) et permettre une gestion efficace des risques dans les zones d'accumulation. Cependant, les flux de sédiments grossiers étant difficiles à mesurer, les facteurs contrôlant l'évacuation des glissements de terrain restent à ce jour mal compris. Cette thèse a donc porté sur l'étude, via la modélisation, des paramètres influençant la mobilisation des glissements de terrain, la préservation de la capacité de transport la transition entre gorge et plaine alluviale et la dynamique court terme des cônes alluviaux soumis à de forts apports sédimentaires. Les approches développées sont appliquées au contexte de la côte Ouest de la Nouvelle Zélande où la probabilité d'occurrence d'un séisme de magnitude 8 est de 50% dans les 50 ans à venir. Cette problématique à été abordée analytiquement et via une approche numérique avec le modèle 2D d'évolution des paysages et des rivières, Eros. Avec l'approche analytique, nous démontrons que la conservation de la capacité de transport long terme à la transition entre gorges et plaines alluviales est généralement réalisée par le passage à un système en tresse. Nous identifions aussi la variabilité des débits comme facteur dominant de la capacité de transport long terme comparé à l'effet de la végétation riparienne. Avec l'approche numérique, nous utilisons Eros qui est composé 1. d'un modèle hydrodynamique 2D, 2. d'un modèle de transport/dépôt de sédiments et 3. de modèles gérant les flux latéraux d'érosion et de dépôt. La combinaison de ces éléments permet l'émergence de diverses géométries de rivières alluviales (droites/sinueuses ou en tresses) en fonction des forçages externes qu'elles subissent (débit d'eau, flux sédimentaires). L'application d'Eros à des cas naturels a nécessité la validation et la calibration de ses paramètres principaux à l'aide: 1. de solutions analytiques et 2. de la reproduction morphodynamique de systèmes naturels, tel que l'évolution de la rivière Poerua en Nouvelle Zélande suite au glissement de terrain du Mont Adams. Dans la partie aval du bassin, les simulations numériques démontrent les capacités du modèle 1) à prédire efficacement l'évolution de plaines alluviales soumises à plusieurs scénario d'apports sédimentaires massifs et 2) à générer des cartes de risques probabilistes. Dans la partie amont du bassin, les résultats mettent en évidence le rôle clef de la réduction dynamique de largeur des rivières par rapport à la largeur de la gorge fluviatile, sur l'accélération de l'évacuation des sédiments issus des glissements de terrain. Une loi unique caractérisant les temps d'export d'une distribution de glissements de terrain peut être définie en fonction du rapport entre volume de sédiment et capacité de transport initiale de la rivière, permettant ainsi d'estimer leur temps de résidence moyen à 5-30 ans pour un scénario de séisme de Mw=8 beaucoup plus faibles que ceux estimés précédemment (~100 ans). L'approche numérique développée dans ce travail suggère que l'étude de la réponse des chaînes de montagnes à un forçage sismique fort ne peut être effectuée efficacement qu'avec un modèle 2D capable de prendre en compte les non-linéarités entre écoulements des rivières, leurs géométries et le transport sédimentaire. Les résultats obtenus permettent une meilleure caractérisation de la dynamique des paysages à l'échelle du cycle sismique et des aléas à court terme. / In mountainous areas, intermediate to large earthquakes (Mw > 6) systematically trigger a large number of landslides supplying the fluvial network with massive volumes of sediment. The progressive evacuation of the sediment out of the epicentral area alters river dynamics and may cause hydro-sedimentary hazards in alluvial plains (river avulsion, inundations, bank erosion, ...). The quantification of sediment transfers is critical to better understand landscape evolution on short timescales (i.e. hours to centuries) and improve hazard management in deposition areas. However, the factors controlling the coarse sediment transfers are still poorly known due to a lack of field measurements and adequate numerical models. The aim of this work is thus to study, via numerical modeling, the parameters influencing landslides evacuation, the transport capacity variations at the gorge/alluvial plain transition and the short-term dynamics and hazards of alluvial fans. This work is set up in the context of the West Coast of New Zealand (NZ) which presents a 50% probability to experience a magnitude 8 earthquake in the next 50 years. This problematic has been addressed analytically and via a numerical approach. Using the analytical approach, we demonstrate that the conservation of long-term transport capacity at the bedrock gorge and alluvial plain transition usually implies the channel narrowing in the alluvial part that is generally realized by a transition to a braided system. We identify discharge variability as the dominant factor of alluvial river long term transport capacity compared to riparian vegetation. To explore the role of channel self-organization on coarse sediment transport, we use Eros, a 2D morphodynamic model able to simulate landscape evolution improved by a new 2D hydrodynamic model. Combined with a sediment transport/deposition model and lateral fluxes modeling (bank erosion and transverse deposition), Eros allows for the emergence of diverse alluvial river regimes and geometries (e.g. straight/sinuous and braided channels) as a function of the external forcing experienced by the river (water and sediment fluxes). The application of Eros on natural cases has required the validation and calibration of its principal parameters using analytical solutions and the morphodynamic reproduction of natural systems such as the evolution of the Poerua river in New Zealand following the Mount Adams landslide. In the downstream part of the catchment, the ensemble numerical simulations demonstrate Eros abilities to 1) efficiently predict the morphodynamic evolution of alluvial fans submitted to different scenarios of large sediment supplies and 2) generate probabilistic risk maps. In the upstream part, the results highlight the dominant role of dynamic river narrowing reducing export times of landslide-derived sediments. We define a new law characterizing export times as a function of landslide volume and pre-landslide transport capacity that predicts mean residence times for a M8 earthquake in a mountain range of 5-30 yr, much lower than previous estimations of ~ 100 yr. The numerical approach developed in this work suggests that the study of mountain ranges response to severe landslide disruption can only be addressed with a 2D model able to account for the non-linearities between river flow, channel geometry and sediment transport. The results allow for a better characterization of landscape dynamics at the scale of a seismic cycle and hydro-sedimentary hazards in the short term.

L'évolution à long terme des reliefs continentaux résulte de couplages complexes entre processus d'érosion et mouvements tectoniques qui tendent à s'équilibrer pour atteindre éventuellement un état stationnaire. La partie érosion de ces couplages est gouvernée par l'interaction entre des processus élémentaires de versant et de rivière, étroitement couplés, qui contrôlent l'organisation spatiale du réseau de drainage. Ces processus sont caractérisés par des vitesses d'érosion et de transport lentes sur les versants et très rapides dans les rivières, et dépendent souvent non-linéairement de la pente topographique et du flux d'eau. Il en résulte une dynamique complexe à l'échelle locale dont les conséquences à l'échelle continentale sur la vitesse et les volumes de matière transportés ne sont pas encore comprises. L'objectif de cette thèse a été de comprendre et modéliser cette dynamique à l'échelle des temps géologiques, dans le cadre de perturbations tectoniques simples, et pour des conditions climatiques constantes. Nous utilisons un modèle numérique permettant de simuler l'action de différents processus d'érosion de versant et de transport fluvial. Les solutions hors équilibre prédites par ce modèle ne pouvant être validées analytiquement ou à partir de données naturelles, une approche expérimentale inédite a été développée. Elle permet d'étudier précisément l'évolution d'une topographie soumise à l'action simultanée d'une surrection simple et de processus d'érosion et de transport par ruissellement. Au cours d'une expérience, la surface s'auto-organise d'abord en une série de bassins versants de géométrie similaire aux systèmes naturels, puis l'altitude moyenne du système s'approche quasi-exponentiellement d'une valeur constante, traduisant un état d'équilibre macroscopique. L'analyse couplée des expériences et des simulations numériques montre que cette dynamique dépend fortement de la présence de zones de drainages internes non connectées aux conditions limites du système, du degré de non-linéarité entre érosion et pente topographique et de l'existence d'un seuil d'érosion. A partir de l'analyse de systèmes naturels, via le formalisme de la relation pente-aire drainée, nous mettons en évidence l'existence d'un tel seuil dans les systèmes naturels. Pour ce faire nous avons développé un nouveau critère morphologique permettant de caractériser l'état dynamique des reliefs naturels. L'hypothèse d'équilibre dynamique entre érosion et tectonique, nécessaire à l'interprétation correcte des relations entre formes topographiques et processus d'érosion, peut être ainsi (in)validée. Ces résultats suggèrent que le seuil d'érosion habituellement négligé dans le calibrage des lois d'érosion élémentaires doit être explicitement pris en compte pour prédire correctement les formes topographiques naturelles, la dynamique de la croissance des réseaux de drainage et les relations à l'échelle continentale entre taux de dénudation et paramètres topographiques.

Les mécanismes de transport et d'érosion en domaine fluvial sont les facteurs dominants qui contrôlent la morphologie des continents et des flux sédimentaires. La quantification de ces processus à grande échelle est de ce fait nécessaire à la compréhension des interactions qui existent entre la tectonique et l'évolution des reliefs sur le long terme. La présente étude s'intéresse au développement des profils longitudinaux et des plaines de divagation de rivières situées dans les Alpes du Dauphiné, sur des échelles de temps variables (103-105 ans). Les taux d'incisions et les paléo-profils sont reconstitués grâce à la datation des terrasses fluviatiles par âge d'exposition (10-Be). Les glaciers quaternaires ont soumis ces rivières à des perturbations d'importance variable. L'évolution du profil longitudinal du Drac est contrôlée par des fluctuations de son niveau de base de l'ordre du kilomètre, provoquées par l'obturation de sa vallée par d'importants glaciers. L'évolution post-glaciaire de son profil en long est caractérisée par une érosion régressive extrêmement rapide. La durée totale de la réponse et de la relaxation du système fluvial est de 15-20 ka. Dans le bassin contigu du Buëch, l'influence glaciaire est plus limitée. Les taux d'incision à court terme (103-104 ans) reflètent les effets du forçage climatique. Les taux d'incision à long terme (104-105 ans) sont réguliers (0,8 mm a-1) et proches des taux de dénudation régionaux, suggérant un certain équilibre entre l'incision et la surrection. Une analyse de la morphologie directement produite par les rivières est réalisée à l'aide d'un système d'information géographique sur des rivières situées à proximité des sites de datation. Il apparaît qu'au-delà d'une certaine valeur du rapport entre la puissance érosive des rivières et la résistance du substrat rocheux, le profil longitudinal reste régulièrement concave, les forçages lithologiques et tectoniques se répercutant sur la largeur de la bande de divagation. La complexité de ce signal nécessite néanmoins des étalonnages supplémentaires pour que la surrection puisse être déduite de la seule analyses des formes du relief.