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Etude géochimique de l'érosion actuelle de la chaine himalayenne
Abstract
The aim of this study was to give some new constrains on the Himalayan erosion, using the geochemistry of dissolved and particulate matter carried by Himalayan rivers. The main results are: - The supended load is not representative of the total erosion load. For the Ganges-Brahmaputra (G-B), it represents less than 50 % of the total particulate discharge. The total erosion in the G-B is therefore 2.5 ± 0.8 10.9 ton/yr. - The location of intense erosion corresponds to the location of heavy rain in the range or at the G-B scale. The erosion rate are 3.4 ± 0.7 mm/yr. for the Brahmapulra Himalaya and 2.3 ± 0.6 for the Ganges Himalaya while the runoff of these 2 domains are 2.1 and 1.2 m/yr., respectively. In central Nepal, erosion rates follow the climatic contrast between the south and the North flank of the range: the erosion of the South flank of the high range is more than 6 limes higher than that of the North flank. - The highest erosion rate is located just above the crustal ramp of the main Himalayan thrust, bellow the heaviest rain and on glaciated terranes. Tectonic convergence and the geometry of the crustal thrust focus the vertical uplift in the narrow zone of the south flank of the high range, where the erosion is twice more important than everywhere else. - The Himalayan erosion is buffered by physical processes. For the G-B, more than 55% of the eroded carbonate are carried by the particulate phase and no more than 1.3% of the eroded silicate have been dissolved. - The high erosion rate acts as a restriction of the weathering. ln the south flank of the high range, where the erosion rate is the highest, the weathering of rocks is the lowest. This result implies that there is not a general and positive relationship between tectonic and weathering. This link is even more camplex for the whole orogenic process since the weathering of highly divided material in the foreland basin has to be taken into account. - The alkalinity flux corresponding to silicate weathering is 2.7 10.11 mol/yr. corresponding to 2.3% of the global flux. The budget of the weathering implies a dominant contribution of the carbonate dissolution to the riverine chemistry and that weathered silicate are mostly sodic. The long term atmospheric CO2 consumption by silicate weathering has been estimated to be 6,4 10.10 mol/yr. for the whole G-B. - 14 Eq% of the alkalinity corresponds to an abiotic alteration. The main is the sulfide oxidation that produces around 70% of the dissolved sulfate load of the G-B. Some metamorphic CO2 degassing, along Tibetan graben account for less than 1 % of the whole alkalinity, but is locally significant. - Dissolved Sr budget and si licate alkalinity budget are uncoupled. An incongruent dissolution of carbonate in the Tibetan part of the range is the main source of dissolved Sr while the small weathering of old crustal terranes (> 2Ga) on the south flank acts as a 87Sr spike for the Himalayan rivers. The G-B (6.5 10.8 mol/yr. of dissolved Sr with 87Sr/86Sr -0.730) plays a key role of the Sr oceanic budget but has a few impact on the alkalinity. - The global impact on the carbon cycle by the Himalayan erosion lies in its ability to preserve and bury organic carbon. This burial is one order of magnitude higher than the long term atmospheric CO2 consumption by silicate weathering and represents 5% of the global C burial. This enhanced C removal from the ocean-atmosphere reservoir by the erosion of the Himalaya couId be suffïcient to deslabilize the global carbon cycle.
... Les études géochimiques de l'érosion actuelle de la chaîne Himalayenne (e.g. Sarin and Krishnaswami, 1984;Sarin et al., 1989;Galy, 1999;) ont montré que le flux d'alcalinité généré par l'altération des silicates au cours de l'érosion de l'Himalaya ne représente qu'environ 2.3 % du flux global d'alcalinité, suggérant que la consommation de CO 2 atmosphérique correspondante n'est pas un facteur déterminant du climat global. (Patriat and Achache, 1984); 13 C et 18 O des carbonates de l'océan profond d'après (Zachos et al., 2001); 87/86 Sr d'après (Brass, 1976 Palmer and Elderfield, 1985;Hodell et al., 1989;Edmond, 1992). ...
... Les précédentes études portant sur le transport sédimentaire associé à l'érosion de l'Himalaya ont montré que la détermination des flux de matière et de leur composition moyenne est problématique (Galy, 1999;Galy and France-Lanord, 2001;Singh and France-Lanord, 2002;Aucour et al., 2006). Le troisième chapitre du présent manuscrit regroupe les travaux réalisés afin de caractériser l'érosion de la chaîne himalayenne. ...
... Aussi, le lecteur désireux d'informations plus détaillées est-il invité à se reporter aux documents indiqués dans le texte. Les caractéristiques intrinsèques du système sont tout d'abord présentées : la structure géologique de la chaîne Himalayenne, les principales caractéristiques Galy (1999). ...
Le TOC des sédiments du système Gange-Brahmapoutre croît linéairement avec la proportion de phylosilicates et de particules fines. La proportion de Corg fossile est ~ 20 % dans les MES et > 50 % dans les sédiments de fond. Plus de 50 % du Corg dérivé de l'Himalaya est oxydé et remplacé lors du transport dans la plaine du Gange. La charge en Corg est similaire dans les sédiments du Cône et dans les sédiments de rivière. L'abondance et le d13C des biomarqueurs indique que le Corg est dominé par les apports terrigènes. Par conséquent, l'efficacité d'enfouissement du Corg terrigène est proche de 100 %. Dans le système himalayen, nous estimons les flux d'enfouissement de Corg récent et fossile à respectivement 3.1 + - 0.3 × 1011 mol/an et 0.9 + - 0.4 × 1011 mol/an. L'enfouissement de Corg représente donc ~ 80 % de la consommation de CO2 engendrée par l'érosion de l'Himalaya. De manière générale, les orogènes actifs se caractérisent probablement par un enfouissement efficace de Corg
... However, at a global scale, most of the carbonate rivers (Sarin et al., 1989;Petelet et al., 1998;Gaillardet et al., 1999;Galy , 1999;Roy et al., 1999;English et al., 2000;Jacobson et al., 2002; display Ca/Mg ratios comprised between 0 and 5 with 87 Sr/ 86 Sr ratios between 0.705 and 0.720 ( Figure V-7). Gaillardet et al. (2003) documented an average Ca/Mg ratio of 2.5 (±21) for rivers flowing mainly on carbonates. ...
... As a consequence, anthropogenic contribution of Mg is considered to be negligible in this area. Low Ca/Mg ratio in river waters could also be due to the removal of Ca by calcite precipitation, as inferred for Himalayan rivers (Kotarba et al., 1981;Sarin et al., 1989;Galy et al., 1999;Jacobson et al., 2002). On the Moselle river basin, the calcite saturation index (Kempe, 1984) indicates that tributaries on the carbonate part (Durbion, Euron, Madon) are supersaturated with respect to calcite (0.1<log Ωc<1.7, Figure V-9). ...
Ce travail propose d'identifier et de quantifier dans le temps et dans l'espace l'origine de l'eau et de certains éléments dissous sur le bassin versant amont de la Moselle en utilisant trois familles de traceurs isotopiques. La singularité du bassin étudié réside dans la diversité des lithologies drainées et une occupation des sols variée. Un fort contraste réside entre les Vosges cristallines avec des sols principalement forestiers en amont et le plateau lorrain carbonaté dominé par les activités agricoles en aval. Un premier volet de ce travail a permis d'apporter des éléments à la compréhension du fonctionnement hydrologique du bassin versant de la Moselle. L'analyse de la composition isotopique de l'H et de l'O de l'eau a permis de décrire une dynamique des eaux et un temps de réponse au signal des eaux météoriques variable suivant le compartiment hydrologique étudié et la période de l'année. Les temps de réponse estimés sont de quelques jours pour les eaux de sols collectées par drainage en période de haut régime hydrique, à plusieurs semaines pour les eaux de rivières, jusqu'à plusieurs mois pour les eaux de sols collectées par bougies poreuses et les eaux de sources. Un deuxième volet de ce travail a permis d'identifier l'origine spatiale et temporelles des sulfates dissous dans les eaux de rivières. Trois sources principales de sulfates ont été identifiées: les apports atmosphériques, le lessivage d'évaporites et le lessivage d'engrais soufrés. L'apport de sulfates provenant d'engrais soufrés est saisonnier et n'apparaît qu'en période de haut régime hydrique (octobre 2003 à mars 2004), lorsque le lessivage des sols agricoles est le plus intense et peut représenter jusqu'à 13% des sulfates exportés annuellement par le Madon à Mirecourt. La composition isotopique du Sr de la phase dissoute des rivières indique que le Sr des eaux de la Moselle provient d'un mélange simple entre le pôle silicate et le pôle carbonate/évaporite définis localement, témoignant d'une relative simplicité du système étudié. Nous avons donc abordé l'utilisation du Mg comme traceur isotopique en hydrochimie. Les compositions isotopiques en Mg sur le bassin de la Moselle sont parmi les premières valeurs mesurées pour le Mg dissous dans des eaux de rivières et de sols. Les eaux de rivières drainant uniquement des silicates ( 26Mg=-1,2 à -0,7 ) présentent un appauvrissement systématique en isotopes lourds par rapport aux roches silicatées ( 26Mg=0,22 à 0,94 ) et à leurs sols associés ( 26Mg=0,36 à 1,68 ). Ce résultat suggère un fractionnement isotopique du Mg lors de l'altération. Les eaux de rivières drainant le plateau lorrain à dominante carbonatée ont une gamme de valeurs ( 26Mg=-1,6 à -1,2 ) significativement plus basse que celle du bassin silicaté. En plus d'être contrastées selon la lithologie drainée, les valeurs de 26Mg du Mg dissous sont bien corrélées avec les rapports 87Sr/86Sr et Sr/Mg témoignant clairement de la capacité des isotopes du Mg à tracer la source de Mg dissous dans ces rivières. Enfin un important excès de Mg et de Sr par rapport au Ca a été mis en évidence pour les rivières drainant les roches sédimentaires du plateau lorrain et seule la perte de Ca dissous par précipitation de calcite permet de rendre de cet excès
... Clay mineralogy of suspended material transported by rivers of the modern Ganga River drainage system is presented in Fig. 2. Data from previous studies were also used, especially those concerning clay mineralogy of river banks and suspended material in the modern Ganga River and Bengal Fan (Kumar & Singh, 1978;Sarin et al., 1989;Bouquillon et al., 1990;Grout, 1995;Galy, 1999). Illite is generally the dominant clay mineral in riverbank deposits of the high-altitude rivers of the TSS, HHCS and LHS domains (up to 70%). ...
... Sarin et al. (1989), (3)Bouquillon et al. (1990), (4)Grout (1995), (5)Galy (1999), (6) this study. ...
DOI = 10.3126/hjs.v5i7.1293 Himalayan Journal of Sciences Vol.5(7) (Special Issue) 2008 p.100
... These Ca and Mg may be from exchangeable or adsorbed phases that are probably associated with phyllosilicates, which is widely observed in the XRD plot of the two surrounding rock samples (Fig. 4). A great contribution of exchangeable or adsorbed Ca and Mg phases to acetic acid leachates in sediments that contain low amounts of carbonates can also be witnessed in the Xining Basin Miocene sediments on the NE Tibetan Plateau (Fig. 1, Ruan et al., 2019) and the Himalayan river sediments (Galy, 1999). Nevertheless, the highly radiogenic Sr in the leachates from the surrounding rocks suggests that fluid-rock interactions can provide a high 87 Sr/ 86 Sr ratio input to the hot spring water. ...
Hydrothermal systems, including hot springs and hydrothermal calcite, are common features of orogenic belts. The hot springs and hydrothermal calcite in the Himalayas are characterized by radiogenic Sr related to metamorphic processes. Such metamorphism-driven processes have contributed significant amounts of radiogenic Sr to rivers and groundwater, which has affected the evolution of global seawater ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr during the Cenozoic. However, whether such hydrothermal systems with highly radiogenic Sr occur in other continental collisional belts with intense metamorphism remains unknown, which hinders a better understanding of regional and global Sr cycles. Compiled ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios in surface water around the Tibetan Plateau show that the Qilian-North Qaidam region displays a higher ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio than other regions, except for the Himalayas. Here, we report ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios of a hydrothermal system on the northern margin of the early Paleozoic North Qaidam ultrahigh-pressure metamorphic belt, NE Tibetan Plateau. The high ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios (0.757–0.734) of the hot spring water and the acetic acid leachates of the surrounding rocks (gneiss and schist) with other isotopic tracers (e.g., oxygen, hydrogen, lithium, and boron isotopes) indicate that 1) Sr was exchanged during metamorphism between carbonate and silicate phases in crustal rocks and the high ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio of the hot spring water was acquired from a deep water-rock reaction process; and 2) hydrothermal systems around the Qilian-North Qaidam region operate like those in the Himalayas. Mass balance calculations indicate that the metamorphism-forced hydrothermal system plays a key role in delivering radiogenic Sr to rivers and lakes and yielding higher ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios in surface water around the Qilian Shan region than in the surrounding areas. The reactivated early Paleozoic Qilian orogenic belts with ultrahigh-pressure metamorphism caused by the India-Asia collision have significantly impacted the regional water ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratio, suggesting that the reactivated old orogenic belts with intense metamorphic processes formed by continental subduction/collision can play a pivotal role in regulating past seawater ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr evolution.
... In the East, the Trisuli River and its tributaries carry minute amount of carbonates as TSS is restricted to the Bothe Kosi far to the north of its basin (Galy, 1999;Galy & France-Lanord, 1999). Narayani River sediments have variable carbonate contents from 5% to 25% (Figure 9a and Table 1), with typical values between 10% and 20%. ...
Identifying the roles of erosional processes in the denudation of mountain ranges requires a better understanding of erosional sensitivity to climatic, topographic, or lithologic controls. We analyzed erosion in the Narayani River basin (draining central Nepal and presenting contrasted lithologic and geochemical signatures in its outcropping rocks and a wide variety of erosional processes and climatic conditions) to assess the relative contributions of erosion processes to the annual sediment export. By combining acoustic Doppler current profiler measurements with depth profiles and daily surface samplings of the suspended load, we propose a simplified model to precisely calculate sediment fluxes at the basin outlet. We estimate an equivalent erosion rate of 1.8+0.35-0.2 mm/year for the year 2010, similar to the average value of 1.6+0.35-0.2 mm/year estimated from 15 years of records and long-term (~ky) denudation rates of 1.7 mm/year derived from cosmogenic nuclides. The stability of erosion is attributed to efficient buffering behavior and spatial integration in the drainage system. Strong relations between rainfall events and the sediment export suggest that the system is mainly supply limited. Combining physical calculation of sediment fluxes with grain size analyses and geochemical tracers (hydroxyl isotopic compositions, carbonate contents, and total organic carbon content), we estimate that glacial and soil erosion do not contribute more than 10% and a few percentage, respectively, to the total budget and are only detectable during premonsoon and early monsoon periods. During the monsoon, erosion by landslides and mass wasting events overwhelms the sediment budget, confirming the dominant role of these erosional processes in active mountain chains.
... This increase in the proportion of smectite may derive from the recycling of smectite-rich Siwalik Group sedimentary rocks, from rivers draining the Deccan Traps (Sarin et al., 1989), and from pedogenesis in the Ganges River plain (Huyghe et al., 2011). On the other hand, the clay fraction of the Brahmaputra River appears to be dominated by illite and chlorite (from 60 to 70% and from 30 to 40%, respectively) (Galy, 1999). In tropical environments, kaolinite is present in high concentrations in ferralitic soils. ...
The Brahmaputra is a major river system that flows through very distinct regions: the Tibetan Plateau, the Himalaya Mountains, the Assam Plains, and the delta in Bangladesh. This chapter synthesizes the available information on erosion and weathering in the Brahmaputra Basin. In the plains of Assam, the Brahmaputra is a wide, deep, and braided river that flows in almost west direction. The drainage basin of the Brahmaputra includes contrasting climatic and hydrologic zones. Floods are a very common annual feature of the Brahmaputra. The Eastern Syntaxis Zone has the highest rates of total chemical weathering, silicate weathering, and CO 2 consumption. Weathering intensity in the Brahmaputra system can be gauged by the content and composition of the clay in the bed load and their chemical index of alteration. Variability of an order of magnitude in physical and chemical erosion rates exists among the different zones of the Brahmaputra Basin.
Au cours de cette thèse une nouvelle technique analytique a été développée pour permettre l'analyse isotopique de microparticules. Cette technique est fondée sur l'utilisation des potentialités d'imagerie de la sonde ionique IMS 1270 du CRPG. Le développement de l'imagerie isotopique a permis de mesurer le rapport 1 8 O/ 1 6 O de particules de moins de 2 [micro]m avec une précision de 3 a 4% et de carter les variations isotopiques de D/H dans des particules de 10 [micro]m avec une résolution latérale de l'ordre du micromètre. L?utilisation de cette nouvelle technique permet de résoudre le problème de l'origine des poussières sahariennes, en effet la distribution des rapports 1 8 O/ 1 6 O dans les quartzs micrométriques des poussières et des sols sahariens est une empreinte caractéristique de la géologie de la région source. La mesure des rapports isotopiques de l'oxygène de mono-grains de quartz d'une tempête de poussière collectée au dessus de l'océan atlantique permet d'attribuer l'origine de cette tempête à la zone air-Ténéré. Ce résultat a de profondes implications pour le cycle des poussières désertiques dans l'atmosphère et les processus de suspension des grains dans l'atmosphère. la cartographie des rapports D/H dans 4 poussières interplanétaires collectées dans la stratosphère par la NASA a permis de montrer que ces particules contiennent plusieurs types de matière organique d'origine interstellaire identiques a certains polymères mesures dans les chondrites carbonées et les comètes. La présence de ces polymères au sein d'une même particule semble suggérer des liens entre les matériaux les plus primitifs du système solaire.
A travers l'exemple himalayen, nous étudions les mécanismes influençant la composition en osmium des sédiments durant l'érosion, le transport sédimentaire et le dépôt dans les zones estuariennes. Au niveau du bassin himalayen de la Kali Gandaki, les relations observées entre les concentrations en osmium et les quantités de carbone organique confirment le rôle important des schistes noirs appartenant aux TSS (non radiogéniques) et au LH (radiogénique) malgré leurs faibles répartitions géographiques. Cependant, la composition fortement radiogénique mesurée dans les sédiments du Gange n'est pas couplée a un enrichissement en 187Os dont la quantité moyenne est comparable à celle mesurée dans la croûte continentale. La signature isotopique du Gange résulterait d'un appauvrissement en Os non-radiogénique, témoignant d'une forte dilution par des sédiments dérivés de l'érosion des roches cristallines de l'HHC. Nous montrons à travers l'étude de sédiments estuariens que le comportement de l'osmium en contact avec l'eau de mer est complexe et des échanges sont possibles à l'interface. Le développement analytique réalisé en parallèle des études sur les sédiments a permis de documenter pour la première fois la composition en osmium des eaux souterraines. L'étude des aquifères de la plaine du Bengale montre que les eaux souterraines possèdent des concentrations en osmium significativement plus élevées que les eaux de rivière ou l'eau de mer. Si ce résultat est généralisable aux aquifères mondiaux, un flux global de l'ordre de 170 kg d'osmium par an pourrait être apporté à l'océan. Cet apport est significatif et impliquerait la réévaluation du bilan océanique mondial et une diminution significative du temps de résidence de l'osmium dans les océans. Ce résultat n'est pas anodin puisqu'il pourrait en partie réconcilier le temps de résidence estimé par bilan de masse océanique et les variations glaciaires-interglaciaires observées par le rapport 187Os/188Os dans de nombreux enregistrements marins
Cette étude a permis de déterminer la composition isotopique d'Os des trois principales formations himalayennes (TSS, HHC et LH) à partir de roches sources, ainsi que celle de sédiments de rivières qui représentent le produit d'érosion de la chaîne. Les formations du Haut Himalaya ont un rapport 187 0s/188 0s comparable à celui de la croûte continentale moyenne. Par contre, le LH se distingue par des rapports radio géniques rencontrés dans deux lithologies distinctes: les schistes noirs et les marbres impurs du LH. Un mélange de trois pôles (silicates du Haut Himalaya + schistes noirs du LH + carbonates impurs du LH) permet d'expliquer les signatures des sédiments de rivières à la sortie de la chaîne ou dans le Gange. Les sédiments du Brahmapoutre montrent un rapport moins radio génique que ceux du Gange, expliqué d'une part par la présence d'affleurement d'ophiolites dans le bassin versant du Brahmapoutre et d'autre part par l'absence de carbonates résiduels. L'origine des carbonates radiogéniques dans le LH est à relier au métamorphisme himalayen qui a permis la mobilisation d'Os et de Re à partir des schistes noirs radio géniques du LH. L'altération à basse température étudiée à partir de sols a montré que les compositions isotopiques et les concentrations d'Os et de Re ne varient pas avec la profondeur. Cependant une perte importante d'Os et de Re a probablement lieu dans les premiers stades de l'altération, lors du passage de la roche saine au saprolite. Les sédiments récents du Cône du Bengale montrent que l'érosion de la chaîne himalayenne est la source majeure des sédiments, surtout dans le cône actif. Cependant, dans le reste de la Baie du Bengale, cette source himalayenne peut être masquée par des sources secondaires, comme l'érosion de la chaîne indo-birmane ou l'érosion du Sri Lanka. Il n'y a aucune preuve qu'une perte significative d'Os lors du transport ou après le dépôt dans le Cône se produise. Ceci implique que la contribution de l'érosion himalayenne au budget de l'Os marin est limitée à la phase dissoute, et donc insuffisante pour expliquer l'augmentation du rapport 187 0s/188 0s marin durant les 16 derniers Ma.
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