Les reliefs terrestres résultent de la compétition entre deux processus antagonistes : le soulèvement tectonique et l'érosion. A l'échelle d'une chaîne de montagne, les rivières constituent les agents du modelé des paysages les plus importants : en réponse au soulèvement, elles s'incisent dans les massifs rocheux et contrôlent ainsi l'abaissement progressif du niveau de base pour les processus d'érosion des versants, notamment les glissements de terrain. Elles assurent de surcroît l'évacuation des produits de l'érosion de la chaîne sous forme de charge dissoute, de charge en suspension ou de charge de fond. Cette dernière interagit avec le substrat rocheux de la rivière et en contrôle la vitesse et le mode d'abrasion. Une bonne compréhension et une quantification des processus d'abrasion liés aux interactions entre les galets et le fond rocheux est donc nécessaire pour comprendre l'évolution des paysages montagneux. Dans cette optique, nous avons réalisé une étude expérimentale basée sur un dispositif inédit dans lequel nous reproduisons de manière relativement réaliste les processus d'abrasion effectifs en rivière naturelle. Par rapport aux précédentes études, nous confirmons le contrôle exercé par la lithologie des matériaux et par la vitesse des particules, avec notamment une relation entre le taux d'abrasion et l'énergie cinétique des galets. La dépendance vis-à-vis de la taille des particules est cependant complexe à décrire par une loi simple ; par exemple, la tendance observée au sein de matériel hétérogène granulométriquement va à l'encontre de ce que l'on observe lorsque l'on utilise du matériel calibré : plus les particules sont petites, plus elles s'érodent rapidement. Ces premiers résultats, même s'ils nécessitent d'être caractérisés plus finement dans le cadre d'expériences futures, indiquent que l'abrasion des galets comme celle du substrat rocheux dépend fortement de nombreuses variables et que la charge de fond exerce un contrôle majeur sur la géomorphologie du réseau fluvial et sur son évolution. En combinant cette étude à une étude de terrain en contexte orogénique actif (vallée de la Marsyandi, Himalaya), là où l'évolution des caractéristiques des sédiments vers l'aval peut être interprétée en terme d'abrasion au cours du transport, de nouvelles vues sur les modalités d'approvisionnement et de transport des sédiments et sur les interactions entre ceux-ci et le substrat des rivières ont pu être proposées. Nous montrons en particulier que l'évolution de la granulométrie des alluvions vers l'aval reflète principalement l'influence des sources et les modalités de transport. Les taux de réduction de taille mesurés sur le terrain ne peuvent donc pas être directement comparés à des taux d'abrasion. En revanche, l'abrasion des galets peut être mise en évidence par l'évolution des proportions lithologiques vers l'aval, celle-ci étant moins sensible aux effets de source et de transport. On parvient, via un modèle numérique simple, à réconcilier pour la première fois les taux d'abrasion obtenus expérimentalement et ceux déduits des observations faites le long de la rivière. Nos résultats de terrain et expérimentaux soulignent enfin l'importance de la distribution spatiale et temporelle des zones d'apport et de leurs caractéristiques et confirment le rôle majeur joué par la lithologie du substrat rocheux et de la charge de fond en terme de contrôle des processus tectoniques et de dénudation, et par conséquent en terme d'évolution à long terme des chaînes de montagne.

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.

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.

Ce travail de thèse a porté sur l’étude de littoraux sous l’influence de deux grands deltas, l’Amazone et le Mékong, avec un focus sur les plages et cheniers de Guyane intégrant le système de dispersion vaseuse de l’Amazone, et sur les liens entre la déstabilisation du littoral du delta du Mékong et les changements morpho-bathymétriques des chenaux deltaïques sous influence anthropique croissante. L’étude de la plage de Montjoly en Guyane a été conduite en combinant une approche innovante de photogrammétrie aéroportée SfM (Structure from Motion), des mesures hydrodynamiques, bathymétriques, et la modélisation de la propagation des houles à travers cette bathymétrie. Les résultats obtenus montrent le potentiel considérable de la technique de photogrammétrie SfM pour l’étude géomorphologique des plages, et confirment un modèle de rotation de la plage sous l'influence de banc de vase. Le suivi du second site d’étude, un chenier en recul sur un ancien polder rizicole vaseux, au travers d'une analyse multi décennale d’images satellites et des mesures de terrain, a démontré très finement les taux (atteignant 160 m par an) et mécanismes de recul du substrat vaseux en lien avec sa rhéologie.L’analyse de l'évolution de la bathymétrie des chenaux deltaïques du Mékong sur une décennie (1998 et 2008), conduite à travers une méthode sous SIG, a permis de quantifier une perte nette de 200 millions de m3 de sédiments et un approfondissement de chenaux ne relevant pas de processus naturels mais d'extraction de granulats.Ces prélèvements importants de sédiments ont des répercussions importantes sur les apports de sédiments au littoral du delta qui montre des taux d’érosion importants. / This thesis is a geomorphic study of two separate sites associated with two large deltas: the Amazon and the Mekong, with a focus on a beach and chenier in French Guiana integrated into the mud dispersal system of the Amazon, and on the links between destabilization of the Mekong delta shoreline and morpho-bathymetric changes in the deltaic channels under increasing human influence.The study of Montjoly beach in French Guiana was carried out using a combination of an innovative approach in SfM (Structure from Motion) airborne photogrammetry, hydrodynamic and bathymetric measurements, and wave propagation modelling over the nearshore bathymetry. The results show the strong potential of SfM photogrammetry in high-resolution morphometric and sediment budget surveys of sandy beach, and confirm a previously proposed model of beach rotation under mud-bank influence.The second field site in French Guiana, a retreating chenier over a muddy abandoned polder formerly a rice fields, work based on a multi-decadal analysis of satellite images combined with short-term field topographic and hydrodynamic measurements highlighted high rates of chenier migration (up to 160 m a year) and retreat mechanisms over the muddy substrate due to its rheology.A GIS-based analysis of bathymetric changes in the deltaic channels of the Mekong over a 10-year period (1998 to 2008) enabled the quantification of a net loss of 200 million m3 of sediments and an increase in the mean depth of the channels, which appears as unnatural and due to sand mining.These important sediment extractions have serious repercussions on sediment supply to the Mekong delta coast, which shows important rates of erosion.