Origines géologiques de la rivière Niagara

La rivière Niagara est sortie de la retraite finale de la banquise Laurentide il y a environ 12 000 ans. Les glaciers reculaient à travers le bassin des Grands Lacs, de vastes volumes d'eau de fonte creusaient de nouveaux chemins de drainage. L'un de ces chemins suivait une vallée préglaciaire de rivière qui avait été remplie et enterrée par un till glaciaire. La fonte a creusé cette vallée enfouie propre, formant le canal moderne de la rivière Niagara. La rivière coule de l'extrémité ouest du lac Érié près de Buffalo, New York, et Fort Érié (Ontario), pendant environ 35 milles avant de se vider dans le lac Ontario près de Niagara-on-the-Lake. La chute d'altitude entre les deux lacs est d'environ 325 pieds, et environ la moitié de cette chute se produit à Niagara Falls seulement.

Le substrat rocheux sous-jacent à la région est constitué de couches sédimentaires déposées dans les mers anciennes entre 400 et 450 millions d'années. La plus importante de ces couches pour la rivière Niagara est le dolostone de Lockport, un caprock dur et résistant qui forme la crête des chutes. Sous le dolostone de Lockport se trouvent des schistes et des grès plus faibles et plus érodés, y compris le schiste Rochester et le grès Grimsby. Cet arrangement de roche dure sur le roc mou rend la rivière’ comportement érosif si distinctif et produit finalement la face raide et récessionuse des chutes Niagara.

La mécanique de l'érosion le long de la rivière

La rivière Niagara est chargée de sédiments, surtout pendant les crues et les tempêtes de printemps. Ces particules en suspension agissent comme abrasifs, broyant contre le lit et les rives de la rivière au fur et à mesure que l'eau se déplace vers l'aval. Au fil du temps, cette abrasion mécanique approfondit et élargit le chenal. Le débit de la rivière’s n'est pas uniforme; il s'accélère par des sections restreintes et ralentit dans des portions plus larges, créant des zones de fort potentiel d'érosion et des zones de dépôt.

Le processus de coupe sous-jacente conduit au recul des chutes Niagara. L'eau coule sur le caprock résistant de Lockport Dolostone, martelant le plus faible Rochester Shale en dessous. Le schiste s'érode plus rapidement, formant une cavité derrière l'eau qui tombe. Lorsque le caprock non soutenu perd sa fondation, des blocs de fissures de dolostone et de basculement dans la gorge en dessous. Ce processus se répète continuellement, provoquant les chutes de migration en amont. Depuis la fin de la dernière glaciation, les chutes Niagara ont reculé d'environ 7 milles de sa position initiale près du bord de l'escarpement à Queenston. Le taux de retraite moyen a été d'environ 1 pied par an, bien que les mesures modernes de contrôle du débit aient ralenti de façon spectaculaire.

Le rôle de l'escarpement du Niagara

L'escarpement du Niagara est une caractéristique géologique importante qui s'étend de New York à travers l'Ontario, le Michigan, le Wisconsin et l'Illinois. L'escarpement est formé par l'érosion différentielle des mêmes couches rocheuses sédimentaires qui sous-tendent les chutes. Le dolostone résistant de Lockport forme le caprock au sommet de l'escarpement, tandis que les schistes plus faibles en dessous s'érodent plus rapidement, créant la face raide et semblable à une falaise. Avant l'existence de la rivière Niagara, l'escarpement était déjà une caractéristique topographique importante.

Érosion différentielle du substratum

Le dolostone de Lockport est très résistant aux intempéries chimiques et à l'abrasion physique, ce qui explique pourquoi il forme le bord des chutes et les corniches supérieures de la gorge. Sous lui, le schiste Rochester est relativement doux et contient des minéraux argileux qui s'étendent lorsqu'ils sont mouillés, accélérant le processus de dégradation. Le grès Grimsby est modérément résistant mais contient des plans de literie faibles où l'eau peut s'infiltrer et faire séparer les dalles. Ci-dessous, des formations comme le schiste Queenston sont encore plus érodables. Cette couche produit le profil de marche visible dans les parois de la gorge, avec des corniches résistantes qui se protuent au-dessus des intervalles encastrés et plus doux. La rivière exploite ces différences, en sous-coupant des couches plus faibles tandis que les couches plus difficiles demeurent des bancs proéminents.

Chutes Niagara : La forme terrestre centrale

Les chutes Niagara sont l'expression la plus visible de la puissance érosive de la rivière et du fleuve. Les chutes de la rivière sont en fait trois cascades distinctes : les chutes Horseshoe, les chutes américaines et les chutes de voile de la mariée. Les chutes Horseshoe, situées principalement du côté canadien, transportent environ 90 % de la rivière et le fleuve 8217; elles ont une largeur d'environ 2 200 pieds à sa crête. Les chutes américaines, du côté de New York, portent les 10 % restants et mesurent environ 830 pieds de large. Une petite île, l'île Luna, sépare les chutes américaines des chutes de voile de la mariée. La chute verticale est d'environ 170 pieds aux chutes Horseshoe et de 70 à 100 pieds aux chutes américaines, selon le volume de talus rocheux à la base.

La piscine de plongée située à la base des chutes Horseshoe est d'environ 100 pieds de profondeur et a été essuyée par l'impact constant de la chute d'eau et des débris transportés. Les bouleaux de Lockport Dolostone qui sont tombés de la crête s'accumulent dans la piscine de plongée et le long de la base des murs de gorge. Au fil du temps, ces blocs sont brisés par un impact sur le plancher de la piscine et par abrasion des sédiments suspendus. La piscine de plongée agit comme un piège à sédiments, captant des matériaux grossiers avant qu'ils puissent être transportés plus loin en aval.

Retraite des chutes

Les observations faites au cours des deux derniers siècles indiquent que la crête des chutes Horseshoe a reculé en amont entre 150 et 200 pieds depuis le début des années 1800. Avant que les mesures de contrôle du débit ne commencent dans les années 1950, le taux moyen de retrait était d'environ 3 à 5 pieds par année aux chutes Horseshoe. Les chutes américaines reculent beaucoup plus lentement, peut-être 3 pouces par année, parce que le débit est plus faible et la structure rocheuse est différente. En 1969, le U.S. Army Corps of Engineers a déshumidifié les chutes américaines pour étudier l'accumulation de talus et envisager l'enlèvement de roches libres, mais finalement la pile rocheuse a été laissée en place parce que l'enlèvement aurait modifié l'apparence et potentiellement déstabilisé la face de la falaise.

La gorge est d'environ 7 milles de long et jusqu'à 300 pieds de profondeur dans les endroits. Comme les chutes ont reculé, elles ont laissé derrière une gorge qui serpente à travers le paysage. Le chemin de la gorge n'est pas droit; il courbe et se courbe lorsque les chutes répondent aux changements de dureté et de patrons de jointure dans le substrat rocheux. Les rapides de Whirlpool et le tourbillon de Niagara sont des caractéristiques dans la gorge qui s'est formée lorsque les chutes ont résisté à travers un ancien chenal de rivière enterré rempli de débris glaciaires.

La gorge du Niagara

La gorge du Niagara est un paysage spectaculaire sculpté par la rivière au moment où les chutes ont migré en amont. La gorge commence à la base de l'escarpement du Niagara près de Queenston (Ontario) et de Lewiston (New York) et s'étend à 7 milles en amont de la position actuelle des chutes. Les murs de la gorge exposent la séquence complète des roches sédimentaires siluriennes et ordoviciennes, fournissant une section transversale de la région et de l'histoire géologique no 8217.

La gorge n'est pas une tranchée uniforme. Sa largeur varie d'environ 200 pieds dans les sections étroites à plus de 1 000 pieds dans les tronçons plus larges. La section la plus étroite est au Whirlpool Rapids, où la rivière est limitée à environ 100 pieds dans les endroits. Cette constriction force l'eau à accélérer à des vitesses supérieures à 20 miles par heure, créant des vagues debout jusqu'à 10 pieds de haut. La turbulence ici est parmi les plus extrêmes de n'importe quelle rivière en Amérique du Nord. Les murs de gorge dans cette section sont presque verticaux, avec des faces rocheuses exposées qui montrent des couches repliées et déformées, preuve de forces tectoniques anciennes qui datent de la rivière elle-même.

Le tourbillon et le canal enterré

Le tourbillon du Niagara est une caractéristique curieuse située à environ 4 milles en aval des chutes. La rivière fait un virage aigu de 90 degrés à ce point, et le tourbillon occupe un bassin d'environ 1 000 pieds de diamètre. Le tourbillon se forme parce que le courant de la rivière entre dans le bassin de la gorge, circule autour du bassin et sort par un étroit débouché. Le temps de résidence de l'eau dans le tourbillon est d'environ deux minutes, et le courant circulaire peut capturer des débris flottants pendant de longues périodes. La profondeur du bassin de tourbillon est d'environ 125 pieds sous la surface de la rivière, escortée par le flux de rotation persistant.

L'origine du tourbillon est liée à la gorge de St. Davids, un ancien chenal fluvial qui date de la rivière Niagara. Ce chenal a été coupé par un système fluvial antérieur au cours de la dernière période interglaciaire et a été plus tard rempli de till glaciaire et de sédiments lorsque les glaciers ont avancé sur la région. Lorsque les chutes Niagara ont reculé, il a fini par croiser ce canal enterré. Le remplissage doux et non consolidé dans le chenal antique s'est érodé beaucoup plus rapidement que le substrat rocheux environnant, créant le virage brusque et le bassin profond qui forme maintenant le tourbillon.

Les rapides inférieurs et la Grande Gorge

Au-dessous du tourbillon, la rivière continue à travers la partie inférieure de la gorge, connue sous le nom de Grande gorge. Cette section s'étend du tourbillon jusqu'au bord de l'escarpement à Queenston. Le gradient de la rivière est moins raide que au-dessus du tourbillon, mais l'eau coule encore rapidement. Les murs de la Grande gorge atteignent des hauteurs de 200 à 300 pieds, avec les parties supérieures composées de Lockport Dolostone et les sections inférieures de Queenston Shale. Les pentes Talus bordent la base des murs, formés de roches qui sont tombées des falaises au fil des siècles. La végétation a colonisé plusieurs de ces pentes de talus, créant des niches écologiques uniques où les fougères, les mousses et les arbres à bois dur prospèrent dans le microclimat frais et humide.

La Grande Gorge se termine au bord de l'escarpement du Niagara, où la rivière émerge du canyon confiné et s'étend dans une vaste vallée de rivière près de Queenston. Cette vallée a été formée lorsque la rivière a coulé sur l'escarpement à une altitude beaucoup plus élevée avant que la gorge ne soit entièrement sculptée. Le passage de gorge confinée à vallée ouverte est brusque, et le gradient de rivière baisse considérablement, ce qui permet à l'eau de ralentir et de déposer les sédiments qu'elle a transportés d'en amont.

Transport et dépôt des sédiments

La composition et le volume des sédiments varient selon les conditions d'écoulement et la source du matériau. La majeure partie des sédiments fins provient de l'érosion des couches de schiste et de pierres de boue dans la gorge. Les sédiments grossiers, y compris les galets et les galets, proviennent de la dégradation du dolostone de Lockport et des dépôts glaciaires qui bordent les rives de la rivière en amont. Lors d'événements à débit élevé, le fleuve peut déplacer des blocs de plusieurs pieds de diamètre, les broyant les uns contre les autres et contre les parois du chenal rocheux.

La charge de sédiments diminue en aval lorsque la rivière se dépose le long des marges du chenal et dans des endroits plus calmes. La section de la rivière au-dessus des chutes est relativement sédimentaire, avec des barres de sable et de gravier formant le long des berges et à l'embouchure des ruisseaux affluents. Ces barres sont des caractéristiques dynamiques qui changent d'emplacement avec des changements d'écoulement.

Plaines fertiles du bas Niagara

Dans les parties inférieures de la rivière, de Queenston au lac Ontario, la rivière Niagara s'étend sur une plaine inondable qui est sous-exploitée par de riches sols alluviaux. Ces sols se forment par le dépôt de sédiments fins pendant les inondations saisonnières. La plaine inondable soutient les vergers, les vignobles et les cultures en rangée, ce qui en fait l'une des régions agricoles les plus productives de la région.

Les travaux de restauration des terres humides et les activités des organismes gouvernementaux visent à rétablir certaines fonctions naturelles des plaines inondables tout en protégeant l'utilisation des terres agricoles et résidentielles.

La régulation du débit d'eau et ses effets

Le traité de dérivation de la rivière Niagara de 1950 précise les débits minimums au cours des chutes durant les heures de jour de la saison touristique, et les débits supplémentaires requis pendant les périodes de nuit et de hors saison. Le reste de la rivière’s est détourné par les tunnels d'admission vers les centrales hydroélectriques exploitées par la New York Power Authority et Ontario Power Generation. Ces dérivations ont réduit le débit naturel au cours des chutes de 50 à 75 pour cent pendant les heures non touristiques, modifiant considérablement le régime hydraulique de la rivière’s.

La réduction du débit a ralenti le taux d'érosion et de recul des chutes. Avec moins d'eau pour conduire au processus de sous-découpage, les chutes demeurent plus stationnaires que par le passé. Cependant, la dérivation réduit également la quantité de sédiments transportés par le système, ce qui pourrait affecter les budgets des sédiments en aval et les conditions de l'habitat.

Impact sur l'écologie des gorges

La régulation du débit a eu des effets mesurables sur l'écologie de la gorge et de la rivière inférieure. La réduction des impulsions d'inondation naturelle a réduit la fréquence des perturbations qui maintiennent l'habitat de la pêche précoce le long des marges de la rivière. Certaines espèces végétales qui dépendent de l'affouillement périodique et du dépôt de sédiments ont diminué. En même temps, les débits constants pendant la saison touristique créent des niveaux d'eau stables qui favorisent l'utilisation récréative, y compris les excursions en bateau et la pêche.

Les espèces envahissantes ont également profité des conditions d'écoulement modifiées.Le gobie rond, les moules zébrées et les moules quagga sont établis dans toute la rivière et dans la gorge. Ces mangeoires filtrent réduisent l'abondance du plancton et altèrent le cycle des nutriments, affectant l'ensemble du réseau alimentaire. L'eau claire résultant de la filtration des moules a augmenté la pénétration de la lumière dans la rivière, favorisant la croissance des algues et des plantes aquatiques attachées dans les zones où elles étaient auparavant limitées par la turbidité.

L'activité humaine et le paysage fluvial

Les peuples autochtones, y compris les nations neutres, huronnes et sénéques, vivaient le long de la rivière et l'utilisaient comme source de nourriture, de transport et de commerce. Le portage autour des chutes était un itinéraire essentiel pour déplacer les canots et les marchandises entre les Grands Lacs supérieurs et inférieurs. Les colons européens ont ensuite établi des forts, des postes de traite et des collectivités le long de la rivière, y compris le fort Niagara à l'embouchure de la rivière et les villes de Niagara Falls et Lewiston le long de la bordure des gorges.

La construction du canal Welland a permis d'établir une autre voie de navigation qui contourne la rivière et les chutes, reliant le lac Ontario au lac Érié pour la navigation commerciale. Ce canal a ses propres répercussions environnementales, y compris l'introduction d'espèces aquatiques envahissantes qui ont voyagé entre les lacs dans les eaux de ballast.

Développement urbain le long de la gorge

Les villes de Niagara Falls, New York et Niagara Falls, Ontario, se sont développées le long de la bordure de la gorge, en profitant des vues panoramiques et des possibilités économiques offertes par les chutes. Le paysage urbain comprend des hôtels, des casinos, des parcs et des tours d'observation, tous conçus pour accueillir les millions de touristes qui visitent chaque année. Le développement a empiété sur les bords naturels de la gorge, avec des sentiers, des vues et des murs de retenue modifiant la pente et la végétation.

La pollution causée par les eaux de ruissellement urbaines et les rejets industriels a eu des répercussions sur la qualité de l'eau dans la rivière, bien que des améliorations aient été apportées depuis l'adoption de la Loi sur l'eau potable et de lois semblables au Canada.

L'avenir du paysage de la rivière Niagara

Le paysage de la rivière Niagara continuera d'évoluer, façonné par l'interaction des processus naturels et de l'intervention humaine. Le taux de recul des chutes, tout en étant ralenti, ne s'arrêtera pas complètement tant que les débits d'eau au-dessus du caprock.Les ingénieurs ont envisagé diverses options pour préserver les chutes, y compris un contrôle plus poussé du débit, le renforcement du caprock, et même le remplissage du bassin de plongée pour réduire la sous-cotation.

Les changements climatiques devraient avoir une incidence sur la rivière et la région. Les changements dans les régimes de précipitations et la température modifieront le régime d'écoulement de la rivière, ce qui pourrait réduire la quantité d'eau disponible pour la production hydroélectrique et le débit panoramique au cours des chutes. Des tempêtes plus intenses pourraient augmenter les taux d'érosion, tandis que des hivers plus chauds pourraient réduire la durée de la couverture glaciaire sur la rivière, affecter les embâcles de glace et le moment du ruissellement printanier.

Les efforts de conservation axés sur le corridor de la rivière Niagara visent à protéger les habitats naturels restants et à restaurer les zones dégradées. L'initiative de la Voie verte de la rivière Niagara vise, par exemple, à créer un réseau relié de parcs, de sentiers et de zones naturelles le long de la rivière, du lac Érié au lac Ontario. Ces efforts reconnaissent la valeur de la rivière non seulement comme destination touristique et source d'énergie, mais aussi comme un paysage vivant qui soutient la faune et fournit un endroit où les gens peuvent se connecter à la nature.