Late Quaternary vertical formations at the Alpine front : landforms and changes in relief and climate

Description

The erosive response to land surface deformation provides a record of isostatic variations and local and global climate variations. The study of erosion allows a better understanding and quantification of tectonic uplift in mountain ranges and a better constraint of the climatic variations that affect them.The processes that led to the formation of landscapes are often poorly quantified when it comes to vertical markers. Indeed, these 3D morphologies record a combination of different erosion processes. To explore these difficulties, we combine high-resolution 3D topographic mapping and Cosmic Ray Exposure (CRE) dating in the "Clue de Barles". The distribution of CRE ages obtained highlights two distinct geomorphological domains along the vertical profile: i) the upper section is characterised by groups of similar CRE ages, interpreted as being related to paraglacial rock-fall events; ii) the lower section shows increasing CRE ages with height, which are attributed to fluvial incision.Through the regularity of short-term processes, rivers irrevocably adjust their incision rates to the long-term tectonic forcing in order to reach an equilibrium state. However, it remains difficult to identify the dominant short and long term forcing. To address this issue, we measured 36Cl concentrations along several river-polished gorge walls in Jurassic limestones of the Southwestern Alps. Our analysis shows that gorges connected to glaciers show a significant impact of climatic fluctuations, evidenced by variations in incision rates of high amplitudes hindering the long-term tectonic signal. In contrast, the incision rates quantified in disconnected gorges are similar to the rates of denudation and long-term uplift previously estimated for the region. Based on these observations, we propose that the incision of late Quaternary rivers in the Southwestern Alps is a readjustment to both short-term climatic and long-term tectonic forcing.In previously glaciated areas, the debate on the origin of inner bedrock gorges is still inconclusive, and specifically regarding the time scale for their formation and the processes involved (fluvial vs. glacial). To shed new light on these questions, we re-examine CRE dating data obtained from gorges in the Tinée valley. This allows us to explore several different possibilities that could explain the exposure history of the sampled gorges walls and thus to propose a new interpretation of the formation and evolution of these gorges and the erosive processes acting in previously glaciated alpine catchments. We propose that postglacial fluvial incision rates may be overestimated, as it appears that the formation of the internal gorges of the Alps is a long-term process that unfolds over several interglacial-glacial cycles.In another attempt at answering the question regarding the time scale at which gorges are formed, we chose to study the Hautes Gorges du Verdon, located in the foreland of the southwestern Alps. Here we sampled polished surfaces for CRE 36Cl dating, which allowed us to constrain a long-term incision rate of 0.06-0.2 mm/yr between 60 and 15 ka. Compared to the regional uplift and denudation rates, these rates highlight the role of tectonic uplift as the main driver of the Verdon incision in the Late Quaternary. This slow and long-term incision, extrapolated over the entire height of the gorges, seems to associate the beginning of the formation of the Hautes Gorges du Verdon with the Messinian salinity crisis.

Abstract (French)

La réponse érosive aux déformations de la surface terrestre permet d'obtenir un enregistrement des variations isostatiques et des variations climatiques locales et globales. L'étude de l'érosion permet de mieux comprendre et de quantifier les processus de soulèvement dans des chaines de montagne et de mieux contraindre les variations climatiques qui s'y opère.Les processus qui ont conduit à la formation des paysages sont souvent mal quantifiés lorsqu'il s'agit de marqueurs verticaux. En effet, ces morphologies 3D enregistrent une combinaison de différents mécanismes d'érosion. Pour explorer ces difficultés, nous combinons la cartographie topographique 3D à haute résolution et la méthode de datation Cosmic Ray Exposure (CRE) dans la Clue de Barles. La distribution des âges CRE obtenus met en évidence deux domaines géomorphologiques distincts le long du profil vertical : i) la section supérieure est caractérisée par des groupes d'âges CRE similaires, interprétés comme étant liés à des événements d'éboulement paraglaciaire ; ii) la section inférieure présente des âges CRE croissants avec la hauteur, qui sont attribués à de l'incision fluviale.A travers la régularité de processus court-terme, les rivières ajustent irrévocablement leurs taux d'incision au forçage tectonique long-terme afin d'atteindre un état d'équilibre. Cependant, il reste difficile d'identifier le forçage dominant à court et long terme. Pour tenter de résoudre ce problème, nous avons mesuré les concentrations de 36Cl le long de plusieurs parois de gorges polies par des rivières dans des calcaires jurassiques des Alpes du Sud-Ouest. Notre analyse montre que les gorges connectées en amont à des glaciers montrent un impact significatif des fluctuations climatiques, mise en évidence par des variations de taux d'incision de fortes amplitudes masquant le signal tectonique long-terme. En revanche, les taux d'incision quantifiés dans des gorges déconnectées sont similaires aux taux de dénudation et de soulèvement long-terme estimés précédemment dans la région. Sur la base de ces observations, nous proposons que l'incision des rivières du Quaternaire récent dans les Alpes du Sud-Ouest est un réajustement à la fois au forçage climatique court-terme et au forçage tectonique long-terme.Dans les zones précédemment englacées, la discussion sur l'origine des gorges est encore peu conclusive, et spécifiquement à propos de l'échelle de temps nécessaire à leur formation et les processus concernées (fluviale vs. glaciaire). Pour apporter un nouveau regard sur ces questions, nous réexaminons des données de datation CRE obtenues dans des gorges de la vallée de la Tinée. Cela nous permet d'explorer les différents scénarios pouvant expliquer l'exposition des parois des gorges étudiées, pour enfin proposer une nouvelle interprétation sur la formation et l'évolution de ces gorges et des processus érosifs agissant dans les bassins versants alpins anciennement glaciaires. Nous proposons que les taux d'incision fluviale postglaciaire peuvent être surestimés, car il semble que la formation des gorges sous-glaciaires des Alpes soit un processus à long terme qui se déroule sur plusieurs cycles interglaciaires-glaciaires.Dans une autre tentative de réponse à la question de l'échelle temporelle à laquelle les gorges sont formées, nous avons choisi d'étudier les Hautes Gorges du Verdon, situées dans l'avant-pays des Alpes du Sud-Ouest. Nous y avons échantillonné les surfaces polies pour la datation CRE 36Cl, ce qui nous a permis de contraindre un taux d'incision long-terme de 0.06-0.2 mm/yr entre 60 et 15 ka. Comparés au taux de soulèvement et de dénudation régional, ces taux mettent en évidence le rôle du soulèvement tectonique comme principal moteur de l'incision du Verdon au Quaternaire récent. Cette incision lente et long-terme, extrapolée sur toute la hauteur des gorges, semble associer le début de la formation des Hautes Gorges du Verdon avec la crise de salinité du Messinien.

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