Cette thèse étudie l'incision par les coulées de débris et leur rôle dans l'évolution du paysages, comblant ainsi une lacune importante dans les modèles géomorphologiques actuels. Les coulées de débris sont des écoulements stochastiques de sédiments et d'eau. Différentes études ont démontré que ces coulées incisent le substratum rocheux sur leur passage. Dans les zones montagneuses actives, dans l'amont des bassins versants, une signature distinctive de l'érosion par les coulées de débris a pu être observée dans jusqu'à 80% du réseau de chenaux. L'incision par les coulées de débris est donc susceptible de jouer un rôle essentiel dans la formation des chaînes de montagnes, et notament concernant l'impact des changements tectoniques et climatiques. Mais malgré son importance, l'érosion par les coulées de débris est largement négligée dans les modèles d'évolution du paysage, et les chenaux de coulées de débris sont souvent considérés comme faisant partie des pentes dans la plupart des études morphométriques.
Pour fournir des contraintes empiriques sur les lois d'érosion potentielles, j'utilise des données topographiques à haute résolution provenant de bassins situés dans des zones actives, où l'activité des coulées de débris est documentée, et ou des mesures de taux d'érosion sont disponibles. J'ai développé un nouvel algorithme d'extraction automatique des têtes de chenaux, conçu pour fonctionner indépendamment du processus de formation des chenaux et du taux d'érosion. J'ai utilisé cette méthode pour identifier précisément les chenaux de premier ordre dans 36 bassins aux États-Unis et en France, et pour en extraire des paramètres topographiques clés, tels que leur pente initiale et leur concavité. Cette étude montre une corrélation positive significative entre la pente et le taux d'érosion des bassins. Au contraire, la concavité des chenaux de coulées de débris reste relativement constante quels que soient les contextes géologiques et climatiques.
Ces résultats permettent de mieux contraindre l'érosion par les coulées de débris. Je les ai comparées à un modèle analytique simple d'érosion par les coulées de débris dans un chenal unique et rectiligne. Ceci m'a permis de formuler de nouvelles contraintes sur les paramètres de la loi d'érosion par les coulées de débris. Par la suite, j'ai développé l'un des premiers modèles tridimensionnels d'évolution du paysage intégrant les coulées de débris, que j'ai intégré la bibliothèque Python de modélisation de l'évolution du paysage Landlab.
Bien que ce modèle doive encore être amélioré, les premiers résultats confirment que les coulées de débris ont la capacité de façonner les réseaux de drainage en creusant des chenaux en amont des systèmes fluviaux. Elles influencent donc la densité de drainage et la connectivité de paysages. Les coulées de débris semblent également limiter la formation de barrages de sédiments en redistribuant les sédiments des glissements de terrain plus en aval dans les réseaux fluviaux.
Dans l'ensemble, cette thèse souligne la nécessité d'intégrer la dynamique des coulées de débris dans les modèles d'évolution du paysage afin d'améliorer notre compréhension des processus géomorphologiques. Le nouveau modèle d'évolution du paysage pourrait être utilisé pour réexaminer des questions majeures de la géomorphologie telles que le contrôle du climat et de la tectonique sur l'altitude et la durée de vie des chaînes de montagnes, l'apparition de chaînes de montagnes asymétriques et l'influence des événements extrêmes sur les paysages. En ce qui concerne l'analyse morphométriques, des pistes pour des recherches futures peuvent être l'étude des changements de pente aux jonctions de chenaux pour mieux contraindre la loi d'érosion, et le calcul de l'étendue totale du domaine dominé par les coulées de débris afin de comprendre la compétition entre l'érosion par les coulées de débris et par les autres processus. |
This thesis investigates the critical role of debris-flow incision in landscape evolution, addressing a significant gap in current geomorphological models.
Debris flows are stochastic flows of sediment and water, which have been shown to incise bedrock on their path. Studies have shown that in active mountainous area, a distinctive signature of debris-flow erosion could be observed in up to 80% of the upstream channel network. Debris-flow incision therefore may be pivotal in shaping mountain ranges, and controlling their reaction to tectonic and climatic changes, including their maximum altitude and lifespan. Despite their importance, debris-flow erosion has been largely overlooked in landscape evolution models, and debris-flow channels have been considered as part of hillslope in most morphometric studies.
This is mostly due to the lack of high resolution topographic data and to the difficulty of integrating stochastic processes in landscape evolution models.
To provide empirical constraints on prospective erosion laws, I employ high-resolution topographic data from kilometer-scale mountain catchments with documented debris flow activity, alongside erosion rates derived from cosmogenic radionuclides.
I developed a novel automatic channel head extraction algorithm designed to work regardless of the process shaping channels and on the erosion rate, which influence the roughness of the terrain. I used this method to precisely identify first-order debris flow channels in 36 catchments in the US and France, and extract key topographic metrics, such as their initial slope and concavity. I find a significant positive correlation between slope and erosion rate across the catchments. On the contrary, the concavity of debris flow channels remains consistent across different geological and climatic settings.
These finding offer new insights into the mechanics of erosion. I compared them to a simple one-dimensional, single-channel model of debris flow erosion, which allowed me to constrain the parameters of the debris-flow incision law. Subsequently, I developed one of the first three-dimensional landscape evolution models incorporating debris flows. I built a debris-flow erosion component in the python landscape evolution modelling library Landlab, by adapting an existing model of landslide triggering and deposition to account for longer debris-flow runouts and compute incision along the debris-flow path.
Although this model still need major improvement, initial results confirm that debris flows have the capacity to shape drainage networks by carving channels upstream of fluvial systems, therefore influencing overall drainage density and landscape connectivity. Debris-flow also seem to limit the formation of sediment dams by redistributing landslide sediments further downstream in fluvial networks.
Overall, this thesis underscores the necessity of integrating debris-flow dynamics into landscape evolution models to enhance our comprehension of geomorphological processes and their broader climatic and tectonic implications. The new landscape evolution model could be used to revisit studies such as the controls on the altitude and lifespan of mountain ranges, the onset of asymetric mountain ranges, and the influence of stochastic extreme events on landscapes. As for the morphological and mechanical analysis, future research directions include exploring the slope changes at tributary junctions to further constrain the erosion law and the impact of debris-flow frequency on erosion, and computing the total extent of the debris-flow dominated domain in order to understand the competition between debris-flow erosion and other processes. |