Les drones capturent de nouveaux indices sur la façon dont l’eau façonne les chaînes de montagnes au fil du temps

Des drones survolant des kilomètres de rivières dans les terrains montagneux escarpés du centre de Taiwan et cartographiant les propriétés des roches ont révélé de nouveaux indices sur la façon dont l'eau contribue à façonner les montagnes au fil du temps géologique, selon une équipe dirigée par des scientifiques de Penn State.

Les chercheurs ont découvert un lien entre la taille des rochers dans les rivières et la pente des rivières. Le lien montre comment les propriétés des roches peuvent influencer la relation entre les processus tectoniques se déroulant en profondeur et la façon dont les paysages montagneux changent de forme. Ils ont rapporté leurs découvertes dans Avancées scientifiques.

“Au cours du développement d'une ceinture de montagnes, nous constatons des différences dans la manière dont les rivières incisent ou creusent le substrat rocheux dans les sections les plus jeunes et les plus anciennes”, a déclaré Julia Carr, auteure principale de l'étude, qui a obtenu son doctorat en sciences. géosciences de Penn State en 2022. “Cela signifie qu'à mesure qu'une ceinture de montagnes évolue, l'érosion change à la surface.”

Lorsque les plaques tectoniques entrent en collision et forment des chaînes de montagnes, les roches qui étaient auparavant enfouies dans la croûte terrestre sont poussées vers la surface dans un processus appelé soulèvement. La température et la pression que subissent ces roches entraînent une variabilité de leurs propriétés, comme la dureté des roches ou l'espacement et l'orientation des fractures, qui affectent ensuite la facilité avec laquelle elles sont érodées par les éléments de la surface, ont expliqué les scientifiques.

À Taïwan, les scientifiques ont découvert que la principale caractéristique de la résistance des roches des montagnes était la taille des rochers des rivières, qui étaient plus gros et plus solides là où les roches avaient été enfouies plus profondément dans la croûte terrestre. Et la taille des rochers est corrélée à la pente des rivières, qui doivent être suffisamment puissantes pour déplacer ces rochers vers l'aval avant d'éroder la montagne, ont expliqué les scientifiques.

“Lorsque les rochers dans les canaux sont plus gros, la rivière doit s'accentuer pour pouvoir s'éroder au même rythme”, a déclaré Roman DiBiase, professeur agrégé de géosciences à Penn State et co-auteur de l'étude. “En effet, pour éroder la roche, les sédiments recouvrant le chenal d'une rivière doivent s'écarter. Plus les rochers dans le chenal sont gros, plus le chenal doit être raide pour les déplacer.”

Les modèles peuvent expliquer l'impact de phénomènes tels que les tempêtes et les inondations sur les taux d'érosion, mais il est plus difficile de prendre en compte le rôle de la résistance des roches dans le processus, ont indiqué les scientifiques.

“Déterminer les contrôles sur l'incision des rivières dans la roche est important pour comprendre comment les chaînes de montagnes évoluent au fil du temps géologique”, a déclaré DiBiase. “Mais certains paramètres clés pour tester les modèles d'incision des rivières, tels que la profondeur d'écoulement et la couverture sédimentaire, sont difficiles à mesurer à grande échelle.”

Les chercheurs se sont tournés vers les drones pour éviter les obstacles tels que les traversées dangereuses de rivières et les cascades afin de collecter des données. Au cours de ces études, les scientifiques ont collecté des centaines de milliers de mesures de la morphologie des chenaux des rivières et plus de 22 000 mesures de rochers le long d'environ 18 miles de rivières.

“C'est là que c'est vraiment sans précédent – quelque chose de cette ampleur est vraiment inhabituel”, a déclaré Carr, qui a mené la recherche à Penn State et est maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Simon Fraser en Colombie-Britannique. “C'est passionnant de pouvoir enquêter à cette échelle – cela nous aide à voir des tendances que nous n'aurions jamais vues autrement. Si vous alliez simplement sur le terrain et inspectiez les quelques endroits que vous pourriez atteindre facilement, vous n'observeriez pas cette tendance.”

La chaîne de montagnes centrale de Taiwan est l'un des paysages les plus escarpés de la planète et présente l'un des taux d'érosion les plus élevés de tous les endroits en dehors des zones glaciaires ou influencées par l'homme, a déclaré Carr. De plus, le cadre tectonique de Taiwan est bien connu et présente des modèles de profondeur d'enfouissement systématiques qui peuvent être utilisés pour évaluer le lien entre l'histoire souterraine des roches et leur état actuel à la surface.

“C'est un endroit unique car contrairement à l'Himalaya ou aux Alpes, où il y a tant d'histoires tectoniques complexes, Taiwan peut être un paysage relativement simple à étudier car les mêmes forces de collision qui l'ont créé il y a des millions d'années sont toujours actives aujourd'hui”, “, a déclaré Carr. “Et ces leçons tirées de Taiwan peuvent aider à éclairer les modèles d'érosion qui sont appliqués à d'autres chaînes de montagnes avec moins de contraintes.”

En raison de la façon dont la chaîne s'est formée, les roches plus jeunes se trouvent au sud et à l'ouest, tandis que les roches plus anciennes qui ont été enfouies plus profondément, jusqu'à 24 milles sous terre, se trouvent plus à l'est et au nord, ont indiqué les scientifiques.

Dans les sections les plus jeunes, les rivières ont moins de rochers plus petits qui couvrent une moindre superficie des canaux. Au fur et à mesure que vous vous dirigez vers les sections les plus anciennes, les rochers augmentent jusqu'à atteindre une taille médiane de plus de six pieds, ont indiqué les scientifiques.

Selon les chercheurs, ces rochers ne restent pas dans les rivières en attendant de se briser au fil du temps. Au lieu de cela, les rochers dans chacune des sections des rivières étaient proches du seuil de mobilité, ce qui signifie que l'eau était presque suffisamment puissante pour les déplacer vers le aval. Lors de débits élevés après des tempêtes, ces rochers peuvent être entièrement mobiles et, en se déplaçant, ils contribuent à inciser la rivière.

“Une façon de penser à la façon dont les rivières s'incisent à long terme : vous devez être capable de déplacer les sédiments, et une fois que vous franchissez un certain seuil, vous pouvez inciser la rivière”, a déclaré Carr. “Si nous appliquons cela, cela implique que ce signal primaire de force de la roche contrôlant la taille des rochers crée une incision de la rivière dans le paysage. Et cela correspond à la pente locale des rivières.”

Donald Fisher, professeur de géosciences à Penn State, a également contribué ; En-Chao Yeh, professeur agrégé à l'Université normale nationale de Taiwan ; et Eric Kirby, professeur à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.