Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2007

Thèse--Géophysique--Montpellier II, 1989. / Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 132-143. Index.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

La subsidence verticale associée aux majeurs systèmes de drainage continentaux actifs est souvent étudiée en dehors de toute considération géomorphologique et géophysique. Nous allons explorer les relations entre la dynamique mantellique et les systèmes fluviaux actifs. En utilisant les bases de données et les compilations existantes, notamment le modèle crustal global CRUST 2.0, nous quantifierons grâce à une approche simple par itérations ce qui est communément appelé la subsidence néotectonique anormale (ANTS'). Nous utiliserons des méthodes existantes pour évaluer la configuration crustale isostatique à l'échelle du continent et aussi les corrections à appliquer à la surcharge sédimentaire et à la dénudation à l'échelle du bassin versant. Des paramètres additionnels seront introduits aux corrections précédentes et inclus à (1) la réponse flexurale au flux sédimentaire et à la surcharge sédimentaire au niveau des deltas offshores et (2) la restauration crustale à grande échelle. La focalisation de notre étude sur des bassins continentaux actifs parmi les plus importants à la surface de la terre et sur des fleuves majeurs mets en exergue un pattern d'anomalie négative systématique (ANTS'). L'histoire géomorphologique et néotectonique Pliocène à aujourd'hui de chaque région sera prise en compte dans nos efforts visant à comprendre l'expression de sub-surface des valeurs de subsidence observées. Les signaux de l'ANTS' pour les bassins sélectionnés seront de plus considérés du point de vue des observables géophysiques et de prédictions des modèles géodynamiques. A travers la mise en application de deux nouvelles approches de la modélisation simple de l'hydrologie à l'échelle d'un bassin, nous établirons une connexion de premier ordre entre les caractéristiques de sub-surface à l'échelle du bassin et les processus des enveloppes profondes. Nous intégrerons donc les systèmes classiques d'étude des sédiments récents dans une approche géodynamique contextuelle : les relations proposées dans cette étude suggèrent que l'évaluation à la fois des processus géologiques et de l'évolution du système Terre doit être approchée en intégrant finement les relations entre les processus de surface et les processus internes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : subsidence vertical, réponse flexurale, dynamique mantellique, l'hydrologie, bassin

Les surfaces à très faible relief localisées en altitude, observées dans un certain nombre de chaîne de montagnes, sont classiquement interprétées comme des reliques de pénéplaines post-tectoniques. Leur altitude est souvent interprétée comme une quantification directe du soulèvement de la surface terrestre. Une interprétation alternative récente propose que ces surfaces soient les reliques d’une pénéplaine qui se développe en altitude en raison de la remontée progressive du niveau de base efficace du système de drainage des chaînes de montagnes et de l’inhibition consécutive de l’érosion de celles-ci au cours de leur construction. Les deux interprétations impliquent des dynamiques lithosphériques radicalement différentes. Cette étude porte sur l’exemple emblématique de la chaîne des Pyrénées, où ces deux hypothèses du développement de la pénéplaine pyrénéenne du Miocène moyen sont toujours confrontées. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie de cartographie a été développée pour reconstituer la morphologie de la chaîne à cette époque à partir des surfaces à faible relief et haute altitude actuelles. Dans un second temps, les épaisseurs crustale et lithosphérique ont été déterminées à partir d'une approche simple qui tient compte des densités et des paramètres thermiques de la lithosphère et suppose que la chaîne est en équilibre isostatique et thermique. La comparaison entre la pénéplaine reconstituée et les épaisseurs crustale et lithosphérique sous la chaîne montre que la racine crustale est préservée sous la pénéplaine dans l'ensemble des Pyrénées, et que la croûte épaissie s’amincit de façon progressive jusqu'à disparaître en Méditerranée, entraînant une diminution proportionnelle de l’altitude de la pénéplaine. La comparaison des épaisseurs crustales modélisées avec des densités normales et les épaisseurs résultant des données sismiques montrent que l'altitude actuelle de la chaîne est compensée isostatiquement au niveau de la lithosphère. Ces résultats écartent l’hypothèse d'une surcompensation de la racine crustale des Pyrénées ainsi que celle d'un soulèvement post-tectonique de 2000 m, de Miocène supérieur au Plio-Quaternaire, de la chaîne tel que proposé précédemment. Ils confirment par contre l’hypothèse d’un développement en altitude de la pénéplaine pyrénéenne Miocène moyen. / High-elevation, low-relief surfaces in mountain belts is classically interpreted as remnants of post-tectonic peneplains. Their elevation is often used to quantify the uplift of the Earth’s surface. A recent alternative interpretation propose that these surfaces are the remnants of a peneplain that develops at high elevation, due to the progressive rise of the efficient base level of the drainage system in mountain belts, and to the resulting inhibition of erosion during the mountain belts building. The two interpretations involve radically different lithosphere dynamics. The present study is concerned with the emblematic case of the Pyrenees, where the two hypotheses concerning the development of the mid-Miocene Pyrenean peneplain are opposed. First, a new mapping methodology has been developed to restore the morphology of the chain during the mid-Miocene from the present-day high-elevation, low-relief surfaces. Second, the crust and lithosphere thicknesses have been determined using a simple approach that takes into account the densities and the thermal parameters within the Pyrenean lithosphere, and assuming local isostasy and thermal equilibrium. The comparison of the restored peneplain with the crustal and lithosphere thicknesses below the Pyrenees shows that the crustal root is preserved beneath the peneplain in the whole Pyrenees, and that the crust thickness progressively decreases to the east, up to its complete disappearance of the in the Mediterranean, and resulting in the proportional lowering of the peneplain elevation. The comparison of the crust and lithosphere thicknesses, using normal densities, with the crust and lithosphere thicknesses deduced from seismic data shows that the presented elevation of the chain is isostatically compensated at lithosphere level. These results refute the previous hypothesis of an overcompensation of the crustal root beneath the Pyrenees, as well as the previous hypothesis of a 2000 m post-tectonic, upper Miocene to Plio-Quaternary of the chain. They favor in return the interpretation of the development of the mid-Miocene Pyrenean peneplain at high elevation.

Depuis la fin de la dernière période glaciaire, chaque région du globe a connu une évolution du niveau marin relatif - ou niveau marin « ressenti » - qui lui est propre, principalement conditionnée par la conjonction de la remontée globale « eustatique » du niveau marin et des dynamiques isostatiques, responsables des mouvements verticaux de la surface terrestre. Ces derniers, encore en cours aujourd’hui, jouent un rôle majeur dans l’augmentation actuelle du niveau marin. Malgré d’importants travaux menés au Royaume-Uni au cours des dernières décennies, la connaissance de l’évolution du niveau marin relatif holocène et des dynamiques isostatiques sur la façade Atlantique ouest-européenne demeure largement imparfaite, notamment en ce qui concerne les côtes françaises. De par sa position géographique, le Finistère se pose comme un jalon idéal afin de renforcer les connaissances dans ce domaine. A ce titre, cette thèse a eu pour principaux objectifs d’obtenir une courbe fiable de remontée du niveau marin relatif holocène pour le Finistère et d’évaluer l’apport de nouvelles connaissances à ce sujet pour la compréhension des dynamiques isostatiques régionales. Dans un premier temps, un important travail de terrain a été réalisé sur différents sites répartis tout autour de la péninsule Finistérienne. Une nouvelle méthode multi-proxies, développée à partir de l’utilisation novatrice d’indicateurs géochimiques et microstratigraphiques, a permis de reconstituer l’évolution du niveau marin au cours des 8000 dernières années à partir des séquences sédimentaires prélevées. Nos résultats démontrent que le Finistère a connu une remontée continue du niveau marin relatif à des rythmes décroissants durant l’Holocène. Cette évolution a provoqué de profonds bouleversements dans l’organisation et le fonctionnement des systèmes sédimentaires côtiers dont les implications sont discutées. En particulier, de nouvelles hypothèses sont proposées quant à l’origine de la baisse pluri-métrique du niveau marin jusqu’alors invoquée autour de 3000 B.P. Dans un second temps, nos résultats ont été confrontés aux reconstitutions du niveau marin obtenues dans le sud-ouest de l’Angleterre ou dans le sud du golfe de Gascogne, ainsi qu’aux résultats produits par des modèles géophysiques de réajustement isostatique. Ces comparaisons ouvrent de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’amplitude et de la chronologie des dynamiques isostatiques holocène à l’échelle du nord-ouest de l’Europe. / Since the Last Glacial Maximum, the different regions of the world underwent specific relative sea-level evolutions, principally under the joint influences of the worldwide “eustatic” sea-level rise and regional isostatic dynamics. The latter, still going on today, appear to play a major role in the contemporaneous sea-level rise. Despite of the several studies made on the subject in the UK within the last decades, only little knowledge appears available on the relative sea-level evolution and on the isostatic dynamics at the scale of the Western Europe Atlantic façade, and particularly on the French Atlantic coasts. Due to its geographical position, the Finistère region stands out as a potentially ideal region for providing new material on the subject.This PhD work aimed to produce a new and reliable Holocene relative sea-level curve for the Finistère region. At first, sedimentary sequences were retrieved from several sites located all around the Finistère peninsula. In order to reconstruct RSL from these sequences, an innovative multi-proxy method was developed, conjointly using geochemical and microstratigraphic indicators. Our results bear out that, in the Finistère region, the Holocene RSL followed a continuous rise at progressively decreasing rates during the last 8000 yrs B.P. This evolution led to massive disruptions in the organization and functioning of the coastal sedimentary systems which are discussed. In particular, new hypotheses are proposed to explain the pluri-metric drop in RSL that was formerly invoked ca. 3000 B.P. The results we obtained were then compared to the RSL data available in the south-western UK or the south of the Bay of Biscay, along with glacio-isostatic adjustment geophysical models. These comparisons provide new enlightments on both the amplitude and the chronology of isostatic dynamics at the scale of the north-western Europe during the Holocene.

La présente recherche porte sur l’utilisation de données de nivellement géométrique de premier ordre et de données GPS de haute précision pour quantifier les déformations locales causées principalement par le rebond postglaciaire dans la zone sismique de Charlevoix, la région de l’Est du Canada avec l’activité sismique la plus élevée. Pour le nivellement, une partie du réseau canadien de premier ordre, mesuré entre 1909 et 1991, est analysée pour des lignes de nivellement mesurées plus d’une fois. Pour le GPS, un réseau de points géodésiques de premier ordre le long du fleuve Saint-Laurent a été remesuré par GPS en 1991 et en 2005. Le changement des coordonnées de ces points géodésiques permet de déterminer les vitesses horizontales et verticales et d’en tirer de l’information sur la déformation de la croûte terrestre dans cette région. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats de précédents levés GPS sur les piliers du Canadian Base Network (CBN) dans l’Est du Canada ainsi qu’avec les modèles géophysiques de rebond postglaciaire. / The present research concerns the use of first order spirit levelling and high precision GPS measurements to quantify the local deformations caused mainly by postglacial rebound in the Charlevoix seismic zone, the region with the highest concentrated seismic activity in eastern Canada. For the levelling, part of the Canadian first order network, measured from 1909 to 1991, is analyzed for repeating levelling lines. For GPS, a part of a first order geodetic network along the Saint Lawrence was surveyed by GPS in 1991 and 2005. The coordinate changes of these geodetic points allows for the determination of horizontal and vertical velocities leading to information on the crustal deformation of this region. The results obtained agree quite well with previous GPS surveys conducted on Canadian Base Network (CBN) pillars in eastern Canada and also with geophysical postglacial rebound (PGR) models.

La vallée du fleuve Saint-Laurent, dans l'est du Canada, est l'une des régions sismiques les plus actives dans l'est de l'Amérique du Nord et est caractérisée par de nombreux tremblements de terre intraplaques. Après la rotation rigide de la plaque tectonique, l'ajustement isostatique glaciaire est de loin la plus grande source de signal géophysique dans l'est du Canada. Les déformations et les vitesses de déformation de la croûte terrestre de cette région ont été étudiées en utilisant plus de 14 ans d’observations (9 ans en moyenne) de 112 stations GPS fonctionnant en continu. Le champ de vitesse a été obtenu à partir de séries temporelles de coordonnées GPS quotidiennes nettoyées en appliquant un modèle combiné utilisant une pondération par moindres carrés. Les vitesses ont été estimées avec des modèles de bruit qui incluent les corrélations temporelles des séries temporelles des coordonnées tridimensionnelles. Le champ de vitesse horizontale montre la rotation antihoraire de la plaque nord-américaine avec une vitesse moyenne de 16,8±0,7 mm/an dans un modèle sans rotation nette (no-net-rotation) par rapport à l’ITRF2008. Le champ de vitesse verticale confirme un soulèvement dû à l'ajustement isostatique glaciaire partout dans l'est du Canada avec un taux maximal de 13,7±1,2 mm/an et un affaissement vers le sud, principalement au nord des États-Unis, avec un taux typique de −1 à −2 mm/an et un taux minimum de −2,7±1,4 mm/an. Le comportement du bruit des séries temporelles des coordonnées GPS tridimensionnelles a été analysé en utilisant une analyse spectrale et la méthode du maximum de vraisemblance pour tester cinq modèles de bruit: loi de puissance; bruit blanc; bruit blanc et bruit de scintillation; bruit blanc et marche aléatoire; bruit blanc, bruit de scintillation et marche aléatoire. Les résultats montrent que la combinaison bruit blanc et bruit de scintillation est le meilleur modèle pour décrire la partie stochastique des séries temporelles. Les amplitudes de tous les modèles de bruit sont plus faibles dans la direction nord et plus grandes dans la direction verticale. Les amplitudes du bruit blanc sont à peu près égales à travers la zone d'étude et sont donc surpassées, dans toutes les directions, par le bruit de scintillation et de marche aléatoire. Le modèle de bruit de scintillation augmente l’incertitude des vitesses estimées par un facteur de 5 à 38 par rapport au modèle de bruit blanc. Les vitesses estimées de tous les modèles de bruit sont statistiquement cohérentes. Les paramètres estimés du pôle eulérien de rotation pour cette région sont légèrement, mais significativement, différents de la rotation globale de la plaque nord-américaine. Cette différence reflète potentiellement les contraintes locales dans cette région sismique et les contraintes causées par la différence des vitesses intraplaques entre les deux rives du fleuve Saint-Laurent. La déformation de la croûte terrestre de la région a été étudiée en utilisant la méthode de collocation par moindres carrés. Les vitesses horizontales interpolées montrent un mouvement cohérent spatialement: soit un mouvement radial vers l'extérieur pour les centres de soulèvement maximal au nord et un mouvement radial vers l'intérieur pour les centres d'affaissement maximal au sud, avec une vitesse typique de 1 à 1,6±0,4 mm/an. Cependant, ce modèle devient plus complexe près des marges des anciennes zones glaciaires. Basées selon leurs directions, les vitesses horizontales intraplaques peuvent être divisées en trois zones distinctes. Cela confirme les conclusions d'autres chercheurs sur l'existence de trois dômes de glace dans la région d'étude avant le dernier maximum glaciaire. Une corrélation spatiale est observée entre les zones de vitesses horizontales intraplaques de magnitude plus élevée et les zones sismiques le long du fleuve Saint-Laurent. Les vitesses verticales ont ensuite été interpolées pour modéliser la déformation verticale. Le modèle montre un taux de soulèvement maximal de 15,6 mm/an au sud-est de la baie d'Hudson et un taux d’affaissement typique de 1 à 2 mm/an au sud, principalement dans le nord des États-Unis. Le long du fleuve Saint-Laurent, les mouvements horizontaux et verticaux sont cohérents spatialement. Il y a un déplacement vers le sud-est d’une magnitude d’environ 1,3 mm/an et un soulèvement moyen de 3,1 mm/an par rapport à la plaque l'Amérique du Nord. Le taux de déformation verticale est d’environ 2,4 fois plus grand que le taux de déformation horizontale intraplaque. Les résultats de l'analyse de déformation montrent l’état actuel de déformation dans l'est du Canada sous la forme d’une expansion dans la partie nord (la zone se soulève) et d’une compression dans la partie sud (la zone s'affaisse). Les taux de rotation sont en moyenne de 0,011°/Ma. Nous avons observé une compression NNO-SSE avec un taux de 3.6 à 8.1 nstrain/an dans la zone sismique du Bas-Saint-Laurent. Dans la zone sismique de Charlevoix, une expansion avec un taux de 3,0 à 7,1 nstrain/an est orientée ENE-OSO. Dans la zone sismique de l'Ouest du Québec, la déformation a un mécanisme de cisaillement avec un taux de compression de 1,0 à 5,1 nstrain/an et un taux d’expansion de 1.6 à 4.1 nstrain/an. Ces mesures sont conformes, au premier ordre, avec les modèles d'ajustement isostatique glaciaire et avec la contrainte de compression horizontale maximale du projet World Stress Map, obtenue à partir de la théorie des mécanismes focaux (focal mechanism method). / The Saint Lawrence River valley (SLRV) in eastern Canada is one of the most seismically active regions in eastern North America, which is characterized by many intraplate earthquakes. After its rigid plate rotation, the ongoing glacial isostatic adjustment (GIA) is by far the largest source of geophysical signal in eastern Canada. In this research, the current crustal deformation and strain rate field of this region was studied using more than 14 years (9 years on average) observations of 112 continuously operating GPS stations. The velocity field was obtained from cleaned position time series of daily GPS solutions by applying a combined model using the weighted least-squares method. We estimated velocity uncertainties by assuming advanced noise models to include the temporal correlation of the position time series. The horizontal velocity field shows the counter-clockwise rotation of the North American plate in the no-net-rotation model with the average of 16.8±0.7 mm/yr constrained to ITRF 2008. The vertical velocity field confirms the GIA-induced uplift all over eastern Canada with the maximum rate of 13.7±1.2 mm/yr and subsidence to the south mainly over north of the United States with a typical rate of −1 to −2 mm/yr and the minimum value of −2.7±1.4 mm/yr. The noise behavior of the GPS position time series was explored by testing five different noise models of power-law, white, white plus flicker, white plus random-walk, and white plus flicker plus random-walk, using the spectral analysis and the maximum likelihood methods. The results show that combination of white plus flicker noise is the best model for describing the stochastic part of the position time series. Furthermore, amplitudes of all noise models are smallest in the north direction and largest in the vertical direction. While amplitudes of the white noise model are almost equal across the study area, they are prevailed by the flicker and the random-walk noise for all directions. Assuming flicker noise model increases uncertainties of the estimated velocities by a factor of 5–38 compared to the white noise model, while the estimated velocities from all noise models are statistically consistent. The estimated Euler pole parameters for this region are slightly but significantly different from the overall rotation of the North American plate. This difference potentially reflects local stress in this seismic region, and the difference in intraplate velocities between the two sides of the SLRV accumulates stress in the faults located along the river. The surface deformation of the region was studied using least-squares collocation. Interpolated intraplate horizontal velocities show a spatially coherent radially outward motion from the centers of maximum uplift to the north and inward motion to the centers of maximum subsidence to the south with a typical velocity of ~1–1.6±0.4 mm/yr. This pattern, however, becomes more complex near the margins of the formerly glaciated areas. Based on their directions, the intraplate horizontal velocities can be divided in three distinct zones. This confirms the existence of three ice domes in the study region before the last glacial maximum. A spatial correlation is observed between areas with higher magnitude of the intraplate horizontal velocity and the seismic zones along the SLRV. The vertical velocities were interpolated to model the ongoing vertical deformation. The model shows maximum uplift rate of 15.6 mm/yr to southeastern of Hudson Bay and a typical subsidence rate of 1–2 mm/yr to the south mainly across the north of the United States. Along the SLRV, horizontal and vertical motions are spatially coherent toward southeast with the typical magnitude of ~1.3 mm/yr relative to North American plate and the average uplift rate of 3.1 mm/yr, respectively. In general, the rate of vertical deformation is typically ~2.4 times larger than the rate of the intraplate horizontal motion in this area. Results of strain analysis show the present-day straining of eastern Canada in the form of extension to the north (the area under uplift) and shortening to the south (the area under subsidence). On average, rotational rates are at the level of 0.011°/Myr. A NNW-SSE shortening with a typical rate of ~3.6–8.1 nstrain/yr is observed over the Lower Saint Lawrence seismic zone. In the Charlevoix seismic zone, an extension with a typical rate of ~3.0–7.1 nstrain/yr is oriented about ENE-WSW. In the western Quebec seismic zone, the deformation has a shear straining mechanism with a typical shortening rate of ~1.0–5.1 nstrain/yr and extension rate of ~1.6–4.1 nstrain/yr. These results are consistent, to the first order, with GIA models and with the maximum horizontal compressional stress of the World Stress Map resulted from focal mechanism method.