C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de/a Terre et des planetes / Earth and Planetary Sciences 330 (2000) 479-483 © 2000 Academie des sciences / Editions scientifiques et medicales ElsevierSAS.Tous droits reserv6s $1251805000001816/FLA G6osciences de surface / Surface Geosciences (G6omorphologie / Geomorphology)
Analyse de cartes p6dologiques pour identifier le r61e du r6gime tectonique sur la r6partition r6gionale de la perm6abilit6 des alt6rites V i n c e n t Chaplot a,b*, Pierre Curmi a, Christian Walter a, Martial Bernoux b aUsarq, Ensa-lnra, 65 rue de Saint-Brieuc, 35042 Rennes cedex, France bIRD, CENA, Avenida Centenario 303, Caixa Postal 96, 13400-970 Piracicaba, SP, Brazil Regu le 23 octobre 1999 ; accept6 le 21 f6vrier 2000 Pr6sent6 par Jacques Angelier Abstract - S o i l m a p s a n a l y s i s to i d e n t i f y t h e r o l e o f t h e t e c t o n i c r e g i m e o n s a p r o Hte p e r m e a b i l i t y r e g i o n a l d i s t r i b u t i o n . For applied geology, e.g., geotechnics or hydrogeology, it is of prime interest to know the spatial distribution of the saprolite permeability. This study focuses on the role of the tectonic regime on saprolite permeability regional distribution. Comparison of data concerning the uplift regime and soil organisation data from several pedological maps of the Armorican Massif (France) showed that blocks in relative uplift were characterized by a low proportion of hydromorphic soils, whereas a higher proportion marked blocks in relative downlift. Such differences can be related to the denudation regime, which affects the saprolite permeability. © 2000 Acad~mie des sciences / l~ditions scientifiques et m6dicales Elsevier SAS saproHte permeability / tectonic / soil map / Armorican Massif / France R 6 s u m 6 - La connaissance du degr6 d'alt6ration et, plus particuli~rement, de la perm6abilit6 des alt6rites rev~t une grande importance dans la plupart des travaux d'am6nagement, de g6nie civil et d'hydrog6ologie. Cette 6tude analyse le r61e de la tectonique r6cente sur la distribution r6gionale de la perm6abilit6 des alt6rites. Sur sept cartes p6doIogiques du Massif armoricain, nous montrons que les blocs tectoniques en voie de surrection pr6sentent une faible proportion de sols hydromorphes, tandis que les blocs en voie d'affaissement sont caract6ris6s par une proportion plus forte. Ces diff6rences peuvent s'expliquer par le taux de d6nudation qui affecte la perm6abilit6 des alt6rites. © 2000 Acad6mie des sciences / I~ditions scientifiques et m6dicales Elsevier SAS perm6abilit~ des alt6rites / tectonique / carte p6dologique / Massif armoricain / France
Abridged version 1. I n t r o d u c t i o n
For applied geology, e.g., geotechnics, hydraulic planning or hydrogeology, it is of prime interest to know the spatial distribution of the saprolite permeability. The effect of the tectonic regime on saprolite distribution was thoroughly studied at local and continental scales [4, 10, 11, 16, 18]. At the regional scale, the study of the tectonic effect on topography can now be considered due to the development of new quantification tools [2]. In this
study, we analysed the role of the tectonic regime on the regional distribution of saprolite permeability using several pedological maps of the Armorican Massif (France). For each map, the tectonic regime was derived from topographical attributes and the saprolite permeability was inferred from soil maps showing waterlogged areas. 2. T e c t o n i c d y n a m i c a n d s o i l d i s t r i b u t i o n characterization We selected seven areas (total area of 298 km 2) in the Armorican Massif (western France), a basement of Proterozoic and Paleozoic ages. This domain was affected
* Correspondance et tir6s ~ part :
[email protected]
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V. Chaplet et al, / C, R, Acad. Sci, Paris, Sciences de la Terre et des planetes / Earth and Planetary Sciences 330 (2000) 479-483 during the Neogene by steps by tectonic movements in the Upper Miocene (Messinian), Lower Quaternary (1 to 0.8 Ma) and at the end of the Middle Pleistocene times [2, 12]. For each area, located in different tectonic blocks (figure 1), a detailed soil m a p (1/25 000 scale) was available. We estimated the tectonic dynamics and the proportion of hydromorphic soils, related to saprolite permeability [7, 17], from 282 transects, perpendicular to the contour lines, from the channel network to the top of the hillslope [5, 6]. The relative tectonic movements were derived from the ratio b e t w e e n the depth and the width of the valleys (figure 2). This ratio permits to assess the amount of river incision within one catchment, which describes the degree of vertical incision in response to a base-level fall (eustatism + uplift) [2]. The amount of base-level fall of the different catchments was then tested against the proportion of hydromorphic soils along the transects (figure 2). 3. The relation b e t w e e n the surrection rate and the h y d r o m o r p h i c soils proportion: c o n s e q u e n c e s o n saproHte p e r m e a b i l i t y For each transect, the average depth of the valley was related to its half-width (figure 3). The 'Foug~resSud' m a p s h o w e d a relatively huge increase of the depth with the half-width increase whereas the 'Saint-Malo' map was characterized by a lower increase (table). The 'Fougeres-Sud' map, characterized by a mean slope of 4 % for all hillslopes, was located in a tectonic block in relative uplift. On the contrary, the 'Saint-Malo' map,
marked by a mean slope of 1.3 % for all hillslopes was situated in a tectonic block in relative downlift. Small values of mean slope correspond to high hydromorphic soil proportions (100 % for 'Saint-Malo'), whereas high m e a n slope values correspond to small hydromorphic soil proportions (28 % for 'Foug~res-Sud'). Such differences could not be explained only by a relief modification consecutive to tectonic movements [1]. At the map scale, factors controlled by the tectonic regime, other than the local t o p o g r a p h y could affect the hydromorphic soil distribution. Such a factor should be linked to saprolite properties [10, 18] and especially the saprolite permeability, one of the most important factors driving soil formation in the Armorican Massif [17].
4. Conclusion In this study we analysed the soil distribution in seven areas of the Armorican Massif with different relative uplifts in order to discuss the saprolite permeability effect of the recent tectonic movements. This study exhibited the role of the tectonic regime on the regional distribution of saprolite permeability, which was revealed by sharp differences in the proportion of hydromorphic soil. The tectonic effect is n o w discerned at a regional scale where the dynamics of the vertical changes are recent and variable. The identification of this factor should improve the distribution modelling of saprolite quality. Finally, the results pointed out the interest of soil data in order to investigate the saprolite permeability at a regional scale.
2. Materiels et m~thodes
grEs, granite), dates du Prot~rozoi"que et du Pal~ozoi'que. Depuis I'Ere Tertiaire, ce massif est un domaine exclusivement continental, intens~ment alt~r~ sous un climat tropical [9] soumis ensuite ~ I'~rosion, sous des climats p~riglaciaires, puis temp~r~s. Ce domaine est affect~ durant le N6og?~ne par des mouvements tectoniques dates du MiocEne sup~rieur (Messinien), du Quaternaire inf~rieur (1 to 0,8 Ma) et de la fin du Pleistocene moyen [2, 12]. Les d~placements verticaux observes en r~ponse la collision alpine [13] sont fortement variables. Au sein de ce massif nous avons choisi 7 secteurs de plusieurs kilom~tres carr~s (surface totale de 298 km2), qui appartiennent ~ des blocs tectoniques diff~rents (figure I). Ces secteurs disposent d'une carte p~dologique d~crivant la proportion de sols hydromorphes (sols soumis un engorgement en eau plus ou moins prolongS, conduisant ~ une r~duction temporaire du milieu qui favorise la mobilit~ d'~l~ments m~talliques, tels le fer, et provoque la formation de taches d'oxydo-r~duction ~ moins de 80 cm de profondeur, qui permettent de les identifier).
2.1. La r~gion d'~tude et les secteurs retenus
2.2. L'estimation du taux de surrection el de la proportion de sols hydromorphes sur les cartes
Le Massif armoricain (Ouest de la France) est un massif constitu~ de mat~riaux de natures diverses (e.g. schiste,
Sur chaque secteur retenu (Pleucadeuc, Kervijen, SaintMalo, Janz~, Foug~res Sud/Nord et Crac'h) (figure 1),
1. Introduction L'effet de la tectonique sur la distribution des alt~rites I'~chelle continentale et locale est d(~j~, connu [4, 11, 15, 16]. ,~ I'~chelle r~gionale, cet effet a ~t~ peu ~tudi~, probablement en raison du manque d'outils de quantification adapt~s ~ cette ~chelle. Les travaux sur la tectonique du Massif armoricain ont montr6 que cette zone ~tait caract(~ris~e par des mouvements verticaux r~cents [2, 8, 12]. L'objectif de cette ~tude est d'~prouver I'effet de la tectonique sur la distribution r~gionale de la perm~abilit~ des alt~rites. Ne disposant pas d'information precise sur les formations superficielles pour de larges secteurs d'~tude, nous avons suivi une d~marche originale, qui consiste ~ comparer le taux de surrection de blocs tectoniques aux conditions d'engorgement des sols d~duites de cartes p~dologiques.
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Hydtomorphic soils P : Profondeur de la valise
Valley depth 1/21 : Demi-largeur de la vallOe
Valley ha~f-Width
Figure 2. Representation sch~matique de deux versants situ~s au sein de blocs tectoniques en voie d'affaissementrelatif (A) et de surrection relative (B). Incision plus ou mains forte du profil d'alt~ration ancien par le relief actuel et extension des sols hydromorphes. Figure 1. Relief ombr~ du Massif armoricain ~ partir d'un module num~rique de terrain au pas de 250 m. Localisation des cartes p~dologiques ~tudi~es. Nom de la carte, surfaceen hectareset position au sein des principaux blocs tectoniques. Les lignes noires continues indiquent les principalesfailles. F|~um~ 1. Shaded relief of the Armorican massif using a Digital
F i g u ~ 2. Schematic representation of two hillslopes located in blocks in relative downlift (A) and uplift (B). Incision of the ancient weathering profile by the present topography and relative extension of hydromorphic soils.
3. R~sultats et discussion
de ces m~mes valises (figure 3). Sur la figure 3A, qui pr~sente I'ensemble des 282 transects, une tr~s grande dispersion des points est observ~e. Lorsque I'on s'int~resse maintenant ~ chacune des cartes, on constate que la profondeur des valises n'est pas constante, mais augmente avec I'accroissement de la demi-largeur de ces m~me valises, selon une relation non lin~aire (figure 3), le meilleur ajustement des transects des cartes de Foug~res-Sud, de Janz~ et de Saint-Malo ~tant obtenu dans notre cas par une fonction Iogarithmique. La comparaison des diff~rentes cartes r(}v~le qu'il existe un d~calage entre les courbes des diff~rentes cartes : quelle que soit la demi-largeur de valise consid~r~e, les valises de la carte de Foug~res-Sud sont plus profondes que celles des cartes de Janz~ et de Saint-Malo, ces differences s'accentuant avec I'accroissement de la demi-largeur. Pour une demi-largeur th~orique de 2 000 m, nous avons calcul~ le ratio entre la profondeur des valises, estim~ partir de I'ajustement precedent, et cette m~me demilargeur de 2 000 m. Les valeurs de ce ratio nomm~ <
sont pr~sent~es dans le tableau. La carte de Saint-Malo qui se caract~rise par une pente moyenne des transects de la carte faible (1,3 %) serait Iocalis~e au sein d'un bloc tectoniq u e e n phase d'affaissement relatif, tandis que celle de Foug?~res-Sud, qui pr~sente au contraire une pente moyenne des transects de la carte ~lev~e (4 %), serait situ~e sur un bloc tectonique en voie de surrection.
3.1. Le taux de surrection des diff~rentes cartes
3.2. La relation entre le taux de surrection et la proportion de sols hydromorphes
Pour les transects de chaque carte de sol, les valeurs de profondeur des valises sont reli~es ~ la demi-largeur
Ne disposant pas d'informations pr~cises sur les altOrites des secteurs ~tudi~s, I'effet du taux de surrection
Elevation Model with 250 m resolution. Location of the studied soil maps. Name of each map, surface in hectares and position in the main tectonic blocks. Tim black continuous lines indicate the main faults.
nous avons d'abord proc~d~ au relev~ d'une information topographique sur la profondeur et la demi-largeur des valldes. Bonnet et ses collaborateurs [2] ant montr~ que la relation entre la profondeur et la largeur des valISes, au sein d'un m~me bloc tectonique, permet d'acc~der au taux d'incision vertical, en r~ponse ~ une modification du niveau de base./k I'int(}rieur d'un bloc donn~, les profondeurs de valise ne sont pas constantes, mais augmentent avec leur demi-largeur selon une relation exponentielle. L'~cart entre les diff~rents blocs peut ensuite ~tre interpr~t~ en termes d'amplitude et de dynamique des mouvements verticaux. L'information p~dologique concerne la proportion de sols hydromorphes (rapport entre I'extension lat~rale des sols hydromorphes et la demi-largeur des valises) (figure 2). Ces informations ant ~t~ estim(}es conjointement pour 282 transects perpendiculaires aux courbes de niveau, s'~tendant depuis le cours d'eau jusqu'a la ligne de cr~te et choisis al~atoirement au sein des secteurs ~tudi~s [5, 6].
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D e m i - l a r g e u r d e la vallee (m)
Figure 3. Profondeur des valises en fonction de leur demi-largeur pour I'ensembledes 282 versants~tudi6s (A) ; pour les versantsde la carte de Foug&es-Sud (B), de Janz~ (C) et de Saint-Malo (D). Chacun des points repr~senteun versant. L'ajustement des points est r6alis~ par une fonction Iogarithmique(modifi~ d'apr&s [6]). Figure 3. Valley depth versus semi-valley width for the 282 studied transects (A); ['or the transects of the Foug~res-gud map (B); the Janz6 map (C); and the Saint-Male map (D). Each point corresponds to a transect. The line indicates a fitted logarithm function of the points, modified after [6].
sur la perm6abilit~ des alt&ites est ~prouv6 de fagon indirecte, en le comparant ~ la proportion de sols hydromorphes (extension des sols hydromorphes en pourcentage de la Iongueur d'un transect) des diverses situations ~tudi~es. Pour I'ensemble des cartes, la proportion moyenne de sols hydromorphes est de 46 % (tableau I).
Tableau. M6diane de I'extension des diff&entes classes d'hydromorphie en pourcentage de la Iongueur totale d'un transect pour les sept cartes p~dologiques ; la pente moyennedes transectsde la carte ;nombre de transects~tudi~s par carte. Table. Median of the hydromorphic soil extension in percentage of the total length of each hillslope for the seven maps; mean slope of all hillslopes of each map; number of studied transect for each map
Proportion de Pentemoyenne Nombrede sols des transectsde transects hydromorphes la carte (%) (%) Pleucadeuc Crac'h Kervijen Janz~ Saint-Malo Foug~res-Nord Foug~res-Sud
14 59 17 88 | 00 63 28
3,1 1,1 3,8 2,6 1,3 2,3 4,0
51 32 23 57 48 42 29
Moyenne
46
2,6
282
482
Les cartes de Pleucadeuc, de Kervijen et de Foug&esSud se caract6risent par une plus faible proportion de sols hydromorphes (m6dianes inf6rieures ~ 30 %), tandis que celles de Crac'h, de Janz~, de Saint-Malo et de Foug&es-Nord pr~sentent des valeurs sup&ieures ~ 50 %, les proportions les plus fortes ~tant observ~es pour les cartes de Janz6 (88 %) et de Saint-Malo (100 %). Pour chacune des cartes, la pente moyenne des transects est compar~e ~ la proportion de sols hydromorphes (tableau). Les r~sultats r~v~lent que les pentes moyennes les plus ~lev~es correspondent aux plus faibles proportions de sols hydromorphes (4 % et 28 % respectivement pour la carte de Foug&es-Sud). Inversement, les pente moyennes les plus faibles correspondent aux plus faibles proportions de sols hydromorphes (1,3 et 100 %, respectivement, pour la carte de Saint-Malo). Ainsi, ~ I'~chelle de la carte, I'approfondissement des vall6es, indicateur de mouvements tectoniques relatifs, permet d'expliquer la distribution des sols hydromorphes. 3.3. Consequences sur la perm~abilit6 des alt&ites
Les r~sultats indiquent une relation forte entre la proportion de sols hydromorphes et le taux de surrection des blocs tectoniques. De telles diff&ences ne s'expliquent pas uniquement par la modification du relief consecutive aux mouvements tectoniques [1]. Ainsi, d'autres facteurs que la topographie des versants pourraient jouer
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[3, 5]. Parmi eux, la qualit6 des alt6rites peut ~tre mise en avant. En effet, une synth~se des diff6rents travaux r6alis~s depuis une vingtaine d'ann6es sur I'organisation des sols du Massif armoricain montre que la distribution spatiale des sols hydromorphes est li6e, d'une part, ~ la topographie et, d'autre part, ~ la perm~abilit6 des alt~rites [7, 17]. Une telle hypoth~se est renforc6e par les travaux de Wyns [18], Gugalinskaya [10] et Poulimenos [14], qui montrent que les zones de foss6 sont caract6ris~es par des alt6rites ~ profil complet, dont la partie sommitale argileuse est peu permeable, tandis que les zones de m61e sont caract6ris~es par un rajeunissement des formations superficielles, amenant en subsurface la racine des alt~rites, de texture plus grossi?~re et donc plus perm6able. Nos r~sultats vont dans ce sens, puisqu'ils r6v~lent que les blocs en cours d'affaissement, ok sont rencontr~es les alt~rites ~ profil complet, sont caract~ris~s par une forte proportion de sols hydromorphes et, par cons6quent, par des alt~rites peu perm~ables, tandis les blocs en cours de surrection sont marqu6s par la pr6sence d'alt~rites tronqu6es plus perm~ables.
4. Conclusion L'~tude du r61e de la tectonique sur la r~partition de la perm~abilit~ des alt~rites a 6t6 r~alis6e sur sept secteurs du Massif armoricain. L'originalit~ de la d6marche a consist6, sur ces secteurs d6pourvus d'informations pr6cises sur les formations superficielles, ~ d~duire les propri6t6s hydrodynamiques des alt6rites de I'engorgement
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du sol sus-jacent. Les r~sultats r6v~lent que I'encaissement des vall6es, indicateur de mouvements tectoniques relatifs, est directement corral6 ~ la proportion de sols hydromorphes. Nous montrons ainsi qu'~ I'~chelle r6gionale, les secteurs pr6sentant les vall6es les plus entaill6es, et donc situ6s au sein de blocs tectoniques en voie de surrection, sont marqu6s par une plus faible proportion de sols hydromorphes, tandis que pour les blocs o~J les vall6es sont peu entaill6es du fait d'un affaissement relatif, une forte proportion de sols hydromorphes est observ~e. De telles differences semblent s'expliquer si I'on prend en compte la topographie des versants et, plus encore, Iorsqu'on consid~re la dynamique de surrection des blocs tectoniques. Ainsi, la faible proportion de sols hydromorphes associ~e aux blocs tectoniques en phase de surrection peut s'expliquer par des conditions peu propices ~ I'engorgement en eau du sol : une pente moyenne des versants 6levee et des alt6rites ~rod6es plus perm~ables. Par opposition, une proportion 61ev6e de sols hydromorphes sur les blocs tectoniques en phase d'affaissement peut r6sulter d'un relief peu marqu6 et des profils d'alt~ration complets ayant conserv6 leur partie sommitale, moins perm6able. Ces r6sultats mettent ainsi en 6vidence le r61e de la tectonique r~cente sur la distribution r6gionale des niveaux de perm~abilit~ des alt~rites. Du point de vue m6thodologique, cette ~tude d~montre I'int~r6t de I'utilisation d'une information sur les sols pour renseigner certaines des caract(~ristiques difficiles d'acc~s des couches profondes, telles les caract~ristiques hydrodynamiques.
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