Unbalanced sediment budgets in the catchment-alluvial fan system of the Kuitun River (northern Tian Shan, China): Implications for mass-balance estimates, denudation and sedimentation rates in orogenic systems

International audienceMass balances are often used to calculate sediment fluxes in foreland basins and denudation rates in adjacent mountain ranges on intermediate to long timescales (from a few tens of thousand to a million years). Here, we study the simple Quaternary catchment-alluvial fan system of the Kuitun River, in northern Tian Shan, to discuss some ideas about sediment storage, release, and bypass in relatively short (100 km long) sediment routing systems. This study shows that the Kuitun catchment and piedmont areas clearly present evidence of a significant and temporary storage of sediments during the Pleistocene. These sediments were then excavated and delivered farther into the foreland basin during the Holocene. The difference between the volumes of materials released from the catchment and piedmont areas (5.5 ± 1.7 km3) and the volume stored in a contemporaneous fan downstream (2.6 ± 0.6 km3) indicates that the latter did not trap the whole sediment load transported by the river. The alluvial fan was bypassed by 27 to 78% of this load toward its distal alluvial plain. If this value is well estimated, it implies a major volumetric partitioning of the deposits between the fan and the alluvial plain, with a very high sedimentation rate in the fan (1.97 ± 0.52 mm*y− 1) and a much lower one downstream (0.11 ± 0.11 mm*y− 1). However, this volumetric partitioning might only occur during periods with a very specific hydrological regime such as the Holocene deglaciation. Eventually, the peculiar sediment storage and release pattern within the Kuitun catchment and piedmont areas during the Pleistocene and Holocene complicates the calculation of mean paleodenudation rates using either sediment budgets or in situ produced cosmogenic nuclides

Thickness of Fluvial Deposits Records Climate Oscillations

Fluvial deposits offer Earth’s best-preserved geomorphic record of past climate change over geological timescales. However, quantitatively extracting this information remains challenging in part due to the complexity of erosion, sediment transport and deposition processes and how each of them responds to climate. Furthermore, sedimentary basins have the potential to temporarily store sediments, and rivers subsequently rework those sediments. This may introduce time lags into sedimentary signals and obscure any direct correlation with climate forcing. Here, using a numerical model that combines all three processes—and a new analytical solution—we show that the thickness of fluvial deposits at the outlet of a mountain river can be linked to the amplitude and period of rainfall oscillations but is modulated by the mountain uplift rate. For typical uplift rates of a few mm/yr, climate oscillations at Milankovitch periods lead to alluvial sediment thickness of tens of meters as observed in nature. We also explain the time lag of the order of 20%–25% of the forcing period that is commonly observed between the timing of maximum rainfall and erosion. By comparing to field datasets, our predictions for the thickness and time lag of fluvial deposits are broadly consistent with observations despite the simplicity of our modeling approach. These findings provide a new theoretical framework for quantitatively extracting information on past rainfall variations from fluvial deposits

Caractéristiques morpho-sédimentaires des cônes alluviaux et reconstitution de leurs paléo-flux d'eau et de sédiments (exemples naturels du piedmont nord du Tian Shan (Xinjiang, Chine) et modélisation expérimentale )

Quantifier les processus d'érosion, de transport et de sédimentation au niveau des surfaces continentales est crucial pour comprendre la dynamique de mise en place et de destruction des reliefs terrestres. A la sortie de certains bassins versants, les rivières vont déposer une partie de leur charge sédimentaire, principalement celle transportée par charriage. Avec le temps, ces dépôts vont former un empilement circulaire auquel on donne le nom de cône alluvial. De par leur localisation à l'interface entre les reliefs en érosion et les zones en dépôts, les cônes alluviaux possèdent un grand potentiel d'archivage des conditions de transfert des sédiments des montagnes vers les plaines. Les travaux effectués au cours de cette thèse s'intéressent aux cônes construits par les rivières en tresse à graviers peu profondes et ont pour objectif la reconstitution quantitative des flux d'eau, des flux de sédiments et de la taille des grains qui construisent ces objets. A partir d'exemples naturels et expérimentaux, ces travaux montrent que la morphologie des cônes doit pouvoir être inversée pour déterminer ces paramètres. Ainsi, dans le versant nord du Tian Shan chinois, il est possible de déterminer rigoureusement les paléo-flux sédimentaires depuis 300 000 ans. Le développement et la validation expérimentale d'un modèle théorique permettent ensuite de déterminer le contrôle des flux d'eau et de sédiments sur la morphologie d'un cône, avec d'importantes perspectives paléo-hydrologiques. Enfin, l'organisation des sédiments qui constituent les cônes est décrite dans des systèmes actifs et fossiles, en vue d'une meilleure prise en compte de ce paramètre dans les travaux futurs.The quantification of erosion, sediment transport and sedimentation on continental surfaces is o primary importance to understand the formation and the destruction of terrestrial relief. At the outlet of some drainage areas, the coarse part of the river sedimentary load, mainly the sediments transported as bed load, can be drop off and form alluvial fans. Located at the interface between relief submitted to erosion and areas of deposition, alluvial fans have a high archiving potential concerning the sediment transfer from the mountains to the plains. This thesis is focused on alluvial fans built by shallow gravel-bed braided rivers and aims to quantify the water fluxes, the sediment fluxes and the sediment grain sizes that form such fans Based on natural and experimental examples, it seems that fan morphology can be inverted in order to estimate these parameters. In the chinese Tian Shan, sedimentary paleofluxes can be strictly estimated for the last 300 000 years. The development of a new mode) for fans and its experimental validation allows to determine the control exerted by water and sediment fluxes on fan morphology, with substantial paleohydrology perspectives. Finally, the alluvial fan grain-size organization in active and fossil systems is described, in order to better integrate this parameter in future works.PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF

Supplemental Material: Autogenic delta progradation during sea-level rise within incised valleys

Three supplemental figures, one table, and supplemental text.&lt;br&gt;</jats:p

Supplemental Material: Autogenic delta progradation during sea-level rise within incised valleys

Three supplemental figures, one table, and supplemental text.&lt;br&gt;</jats:p

Transfert et préservation des signaux sédimentaires, un nouveau dispositif source-to-sink expérimental à Géosciences Rennes

National audienceIl reste difficile d'anticiper la réponse des paysages à la suite d'un évènement intense comme une tempête ou un glissement de terrain, ou d'une perturbation plus long-terme comme le changement climatique actuel. En effet, les interactions entre les processus en jeu ainsi que les échelles de temps considérées rendent difficiles les observations sur le terrain. La physique de ces processus n'est pas toujours bien connue et malgré les développements récents, il reste difficile d'appréhender le transfert et le dépôt de sédiments multi-tailles à l'échelle d'un bassin versant. L'approche expérimentale permet alors de réduire les échelles de temps et d'espace en laissant la physique du transport émerger dans un cadre connu et contrôlé. Je présente ici un dispositif développé au laboratoire de modélisation de Géosciences Rennes pour simuler le transfert et le dépôt de sédiments en charge de fond dans un réseau de drainage imposé. Le bassin versant est imprimé en 3D à partir d'une topographie numérique et il est couplé à une zone de dépôt où les sédiments s'accumulent pour construire un cône alluvial (échelle typique x10-100 km). Les expériences se concentrent donc sur le transfert et le dépôt des sédiments, en s'affranchissant de la mise en place du réseau de drainage qui peut être complexe et peu reproductible. Les sédiments et l'eau sont apportés dans le bassin versant par des points sources, dont le nombre et la location sont modulables. Ce dispositif permet de simuler la réponse d'un paysage à un changement (rapide ou lent, ponctuel ou transitoire) du flux d'eau, de sédiments ou du calibre des grains injectés. Le suivi topographique, photographique et les coupes réalisées dans les dépôts en fin d'expérience permettent de suivre la propagation et la modulation d'un signal, ainsi que son enregistrement géométrique et granulométrique dans les dépôts. Ce dispositif offre une vision source-to-sink de la propagation de signaux vue à la fois par les flux et la distribution de taille des sédiments. La facilité de mise en oeuvre et la relative rapidité des expériences permet d'envisager une approche expérimentale statistique