ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE CENTRE DE GEOCHIMIE DE LA SURFACE (UMR 7517) THÈSE Présentée en vue de l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR Sciences de la Terre et de l'Univers Mention Géochimie par Mathieu Granet Constantes de temps des processus d'érosion et d'altération dans le système himalayen : Approche géochimique élémentaire et isotopique par les séries de l'Uranium soutenue publiquement le 21 juin 2007 M. F. Chabaux Professeur, EOST, Strasbourg I Directeur de thèse M. M. Condomines Professeur, LDL, Montpellier II Rapporteur externe M. Ch. France-Lanord Directeur de Recherches, CRPG Nancy Examinateur M. J. Gaillardet Professeur, IPGP, Paris VII Rapporteur externe M. K. Schulmann Professeur, EOST, Strasbourg I Rapporteur interne

  • constantes de temps des processus d'érosion et d'altération dans le système himalayen

  • années passées au centre de géochimie de la surface

  • centre de geochimie de la surface


Publié le : vendredi 1 juin 2007
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
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ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE

CENTRE DE GEOCHIMIE DE LA SURFACE (UMR 7517)




THÈSE

Présentée en vue de l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR

Sciences de la Terre et de l’Univers

Mention Géochimie




par



Mathieu Granet




Constantes de temps des processus d’érosion et d’altération dans
le système himalayen :

Approche géochimique élémentaire et isotopique par les séries de
l’Uranium





soutenue publiquement le 21 juin 2007






M. F. Chabaux Professeur, EOST, Strasbourg I Directeur de thèse
M. M. Condomines Professeur, LDL, Montpellier II Rapporteur externe
M. Ch. France-Lanord Directeur de Recherches, CRPG Nancy Examinateur
M. J. Gaillardet Professeur, IPGP, Paris VII
M. K. Schulmann bourg I Rapporteur interne ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE

CENTRE DE GEOCHIMIE DE LA SURFACE (UMR 7517)




THÈSE

Présentée en vue de l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR

Sciences de la Terre et de l’Univers

Mention Géochimie




par



Mathieu Granet




Constantes de temps des processus d’érosion et d’altération dans
le système himalayen :

Approche géochimique élémentaire et isotopique par les séries de
l’Uranium





soutenue publiquement le 21 juin 2007






M. F. Chabaux Professeur, EOST, Strasbourg I Directeur de thèse
M. M. Condomines Professeur, LDL, Montpellier II Rapporteur externe
M. Ch. France-Lanord Directeur de Recherches, CRPG Nancy Examinateur
M. J. Gaillardet Professeur, IPGP, Paris VII Rapporteur externe
M. K. Schulmann bourg I Rapporteur interne
1
2Remerciements

Au terme de ce travail, je souhaite exprimer toute ma gratitude à François Chabaux,
mon directeur de thèse, sans qui ce travail n’existerait pas. Je le remercie pour son soutien, sa
patience et la qualité de son encadrement scientifique qui m’ont permis de mener ce travail à
son terme.

Je tiens également à remercier chaleureusement Christian France-Lanord, pour sa
confiance et sa collaboration. L’aboutissement de ce travail doit beaucoup à sa disponibilité et
aux nombreuses discussions scientifiques que nous avons partagées durant ces quelques
années.

Je remercie vivement les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont témoigné envers
mon travail en acceptant de le juger : Michel Condomines, Christian France-Lanord, Jérôme
Gaillardet, et Karel Schulmann.

Je dois beaucoup pour la partie analytique aux ingénieurs et techniciens qui ont réalisé
des analyses et qui m’ont initié au travail en salle blanche : Thierry Perrone, Bernard Kiefel,
René Boutin, Daniel Million, Jean Samuel, et Robert Rouault. Un grand merci à l’ensemble
des personnes qui ont su, de part leur patience et leur gentillesse, apporter des solutions à mes
petits tracas administratifs quotidiens et à mes recherches d’articles demeurées infructueuses :
Yves Armando, Annette Braun, Danièle Zill, Cathy Nothisen, Betty Kieffer, et Joëlle
Bückenmeier.

Je souhaite saluer mes compagnons de mission, avec qui j’ai partagé de si bons
souvenirs et quelques pépins en Himalaya : Eric Pelt, et Valier Galy. Les excellents souvenirs
de ce voyage doivent beaucoup à l’organisation et le soutien de Christian France-Lanord et à
Ananta Gajurel dont l’accueil fut si chaleureux.

Un grand merci aux enseignants que j’ai pu côtoyer pour tout ce qu’ils m’ont transmis
sur les plans humain et pédagogique : Yves Cailleux, Yves Géraud, Marc Munschy, José
Honnorez, Marie-Claire Pierret, François Chabaux et Karel Schulmann.

Ces années passées au Centre de Géochimie de la Surface n’auraient pas été aussi
belles sans la présence de bon nombre de personnes et amis qui, de près ou de loin, ont vécu
ce travail et avec qui j’ai pu partager bien des soirées inoubliables. Je tiens à citer simplement
mes compagnons étudiants, thésards ou post-docs : Nico, Nico, Eric, Jonathan, Damien,
Marie-Laure, Manu, Bruno, Karim, Julien, Delphine, Sophie, Laurence, Jérémie, Georges,
Majdi, Julia, … ; mes collègues : Thierry, Bernard, Daniel, René, Peter, François, François,
Damien, Sophie, Marie-Claire, Jean, Olivier, Anne-Désirée ainsi que Philippe, véritable ami
qui se reconnaîtra…

Un coup de chapeau à tout mon entourage, amis et membres de la famille, qui a su
m’encourager sans toujours comprendre ce que je réalisais, avec une mention toute
particulière à Madeleine qui a enduré des humeurs changeantes et bon nombre de loisirs
sacrifiés…




3

4Table des matières

LISTE DES FIGURES 9
LISTE DES TABLEAUX 16

1 INTRODUCTION 19

2 LE TRANSFERT SEDIMENTAIRE : PRINCIPE ET CONTRAINTE
TEMPORELLE 25

2.1. La dynamique des reliefs 26
2.2. Approches géomorphologique et géochimique 29
2.2.1. Apport de la géomorphologie 29
2.2.2. Apport de la géochimie 31

238 234 230 2263 LES DESEQUILIBRES U- U- Th- Ra : PRINCIPE ET APPLICATION A
L’ETUDE DES PROCESSUS D’EROSION ET D’ALTERATION 35

3.1. Les chaînes de décroissance radioactive 36
3.1.1. Equilibre séculaire 36
3.1.2. Déséquilibres radioactifs
3.1.3. Retour à l’équilibre 36
3.1.3.1. Cas d’un système clos 38
3.1.3.2. Cas d’un système ouvert 38
238 234 230 226
3.2. Origine des fractionnements U- U- Th- Ra 39
3.2.1. Effet de recul 39
3.2.2. Fractionnement chimique 40
3.2.2.1. Thermodynamique des nucléides des séries de l’uranium 40
3.2.2.2. Interactions avec les phases minérales 44
3.2.2.3. Rôle de la matière organique, des micro-organismes et des colloïdes 46
3.3. Contrainte sur les processus d’érosion physique et d’altération chimique par les
séries de l’uranium 49
3.3.1. Les sols 49
5 3.3.2. Les rivières 50

4 LES METHODES ANALYTIQUES 53

4.1. Spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS) 54
4.1.1. Principe de la thermo-ionisation 54
4.1.2. Appareillage 54
4.1.2.1. La source 54
4.1.2.2. Le système analyseur 56 1.2.3. détecteur 56
4.2. Prélèvement et stockage des échantillons 58
4.3. Mesure des concentrations en U, Th et Ra 58
4.3.1. Dilution isotopique 58
4.3.2. Dissolution des échantillons 60
4.3.3. Séparation de U, Th et Ra 61
4.3.4. Analyse par spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS) 62
4.4. Mesure des compositions isotopiques 63
4.4.1. Préparation des échantillons 63
4.4.2. Séparation de U et Th 64
4.4.3. Séparation du Sr et du Nd 66
4.4.4. Analyse par spectrométrie de masse à thermo-ionisation (TIMS) 66
4.5. Blancs de procédure et réactifs 68
4.6. Analyse des éléments majeurs et traces 69

5 LE SITE ETUDIE : LES RIVIERES HIMALAYENNES 73

5.1. Genèse de l’Himalaya 74
5.2. La chaîne himalayenne 78
5.3. Les bassins du Gange et du Brahmapoutre 81
5.3.1. Le bassin du Gange 81
5.3.2. Le bassin du Brahmapoutre 82

6 RESULTAS 87

66.1. Time-scales of sedimentary transfer and weathering processes from U-series
nuclides: Clues from the Himalayan rivers 89
1. Introduction 94
2. Geological and sedimentological context 95
3. Sampling location and analytical procedures 97
4. Results 100
4.1 Water samples 100
4.2 Sediment samples 101
5. Discussion 104
5.1. Origin and time implications of U-series disequilibria in river sediments 104
a. The case of the Ghaghara and Gandak rivers 104
b. The case of the Kali Gandaki river 107
5.2. Signification of the time-scales of weathering and transfer 109
5.3. Origin of the dissolved U in the Himalayan rivers 112
6. Conclusion 115

6.2. Residence times of river bank sediments in the Ganges and Brahmaputra
basins inferred from U-series disequilibria 145
1. Introduction 149
2. The Ganges and Brahmaputra basins 150
3. Analytical methods 152
4. Results 154
5. Time-scales of erosion and of weathering 156
5.1. Himalayan tributaries of the Brahmaputra 156
5.1.1. Origin of the U-Th fractionation 156
5.1.2. Interpretation of the chemical variations in terms of time 157
5.2. Brahmaputra main channel 158 2.1. Origin of the U-Th fractionation 158
5.2.2. Interpretation of the chemical variations in terms of time 161
5.3. Ganges main channel 162
5.3.1. Origin of the U-Th fractionation 162
5.3.2. Interpretation of the chemical variations in terms of time 163
5.4. Signification of the time-scales 164
6. Conclusions 167
7238 234 230 2266.3. Déséquilibres U- U- Th- Ra dans les matières en suspension du basin
du Gange 189
1. Introduction 191
2. Site étudié et échantillonnage 193
3. Procédures analytiques 196
4. Résultats 198
4.1. Eléments majeurs 198
238 234 230 226 4.2. Concentrations et dédéquilibres U- U- Th- Ra 200
4.2.1. Variations dans les profils de matières en suspension en fonction de la
profondeur 202
4.2.2. Variations géographiques 206
a. Cas de la Narayani-Gandak 206
b. Casdu Gange 206
c. Cas de la Kosi et de la Ghaghara 207
5. Discussion 210
5.1. Apport des éléments majeurs 210
238 234 230 5.2. Déséquilibres U- U-Th 212
5.2.1. Cas de la Narayani-Gandak 213
5.2 Casdu Gange 219
2.3. Le cas particulier de la Ghaghara 223
5.3. Origine des matières fines des différents pôles et temps de transfert des MES 225
5.4. Implications sur les bilans de masse 230
6. Conclusion 233

7 CONCLUSION GENERALE 239

8 BIBLIOGRAPHIE 243

9 ANNEXE 261
238 234 230U- U- Th disequilibria and timescale of sedimentary transfers in rivers:
Clues from the Gangetic plain rivers 262
1. Introduction
2. Sample locations and analytical techniques 262
3. Results and Interpretations 263
8

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