Le cycle hydrologique et les origines de la rivière

Chaque rivière commence par l'eau qui traverse le paysage, et ce mouvement est entraîné par le cycle hydrologique mondial. L'énergie solaire évapore l'eau des océans, des lacs et des terres; la vapeur s'élève, se refroidit et se condense dans les nuages; et les précipitations finissent par revenir à la Terre. Lorsque la pluie ou la fonte de neige atteint le sol, certaines d'entre elles s'infiltrent dans le sol, certaines sont absorbées par les plantes et retournées dans l'atmosphère par la transpiration, et les autres se déversent à travers la surface sous forme de ruissellement.

Ce ruissellement se forme en petits rains et ravins qui se fondent dans des cours d'eau plus grands, et ces cours d'eau se combinent finalement pour former des rivières. Le chemin initial d'une rivière est contrôlé par la topographie sous-jacente : l'eau descend en descente le long de la ligne de descente la plus raide.

Dans de nombreuses régions, les sources et les infiltrations alimentent les cours d'eau de la tête, ce qui assure un débit de base stable même pendant les périodes sèches. L'interaction entre le ruissellement de surface et la recharge des eaux souterraines détermine si une rivière est vivace, intermittente ou éphémère, une classification qui a de profondes implications pour le paysage et l'écologie environnants.

La mécanique de la formation de rivière

La formation de rivières n'est pas un événement unique, mais un continuum de processus qui commencent par le premier écoulement d'eau à travers le sol nu et se poursuivent pendant des millénaires.

Bassins de drainage et bassins versants

L'unité fondamentale de la formation des rivières est le bassin hydrographique, aussi appelé bassin hydrographique. Un bassin hydrographique est la zone de terre où toutes les précipitations finissent par s'écouler vers un point commun, comme un lac, une mer ou un océan. Les limites entre les bassins hydrographiques adjacents sont définies par des crêtes topographiques appelées fossés de drainage.

La taille et la forme d'un bassin de drainage influencent le volume et le moment du débit de la rivière. Les grands bassins avec de nombreux affluents ont tendance à avoir des régimes de débit plus uniformes, tandis que les petits bassins escarpés réagissent rapidement aux tempêtes individuelles, produisant des inondations éclairs. La densité de drainage, ou la longueur totale des canaux de ruisseaux par unité de surface, reflète la géologie sous-jacente, le climat et la couverture végétale du bassin.

Ordre des flux et développement de réseaux

Les géomorphologues classent les cours d'eau selon leur position au sein du réseau de drainage en utilisant un système appelé ordre des cours d'eau. Un cours d'eau de premier ordre est un petit chenal d'amont non ramifié. Lorsque deux cours d'eau de premier ordre se rejoignent, ils forment un cours d'eau de deuxième ordre; deux cours d'eau de deuxième ordre forment un cours d'eau de troisième ordre, et ainsi de suite.

L'ordre des cours d'eau est en corrélation avec la taille des canaux, le rejet et les types de formes de terrain produits. Les cours d'eau de faible ordre dans les eaux de tête sont généralement abrupts, érosifs et dominés par les cascades et les rapides.

Processus érosionnels et création de formes terrestres

L'érosion est le moteur par lequel les rivières traversent le paysage. Le taux et le style de l'érosion dépendent de la vitesse de la rivière, du volume d'eau, du type de roche souterraine ou de sédiments qu'elle traverse et de la charge de sédiments qu'elle transporte.

  • Action hydraulique:[ La force de déplacement de l'eau déloge les fragments de roche et les particules de sol du lit du canal et des berges. Dans un écoulement turbulent, les tourbillons et les tourbillons peuvent exercer une pression énorme sur les fractures et les articulations dans le substratum, en faisant des blocs de pierre.
  • Abrasion: Les sédiments transportés par la rivière agissent comme du papier de sable, rainures et polissage du plancher et des parois du chenal. Les particules de lit rebondissent et roulent le long du fond, tandis que les sédiments en suspension abrasent les surfaces à des vitesses plus élevées.
  • Attrition: Lorsque les particules de sédiments se rencontrent en cours de transport, elles se brisent et deviennent progressivement plus petites et plus arrondies. L'attrition réduit la taille du matériau de charge en aval, un schéma appelé aileron en aval.
  • Solution: Dans les régions sous-jacentes par des roches solubles telles que le calcaire, la dolomite ou le gypse, les rivières dissout chimiquement le substrat rocheux, enlevant le matériau sous forme ionique. La solution est le processus d'érosion dominant dans les paysages karstiques, où les rivières peuvent disparaître dans les grottes souterraines et émerger comme des sources loin.

Vallées et Canyons

Les caractéristiques géologiques les plus remarquables de l'érosion des rivières sont les vallées et les canyons. Dans les régions montagneuses de la tête, les rivières coupent des vallées en V profondes en incise verticalement dans le paysage. Les murs de la vallée sont escarpés, souvent avec des pentes qui approchent l'angle de repos pour le substratum local.

Les canyons et les gorges se forment lorsqu'une rivière s'incise rapidement dans des roches résistantes, souvent en réponse à un soulèvement tectonique ou à une chute du niveau de la base. Le Grand Canyon du fleuve Colorado en est l'exemple archétypal : la rivière a traversé près de deux kilomètres de roches sédimentaires au cours des cinq à six millions d'années écoulées, exposant une section transversale de l'histoire géologique de la Terre.

Cascades et points de pique-nique

Les chutes d'eau se produisent lorsqu'une rivière coule sur une couche rocheuse résistante qui recouvre une couche rocheuse plus molle. La roche plus molle s'érode plus rapidement, coupe le caprock plus dur et crée une chute verticale. À mesure que la cascade recule en amont, elle laisse derrière elle une gorge à parois abruptes.

Les points de knick sont des changements brusques dans le profil longitudinal d'une rivière, souvent marqués par des chutes d'eau ou des rapides. Ils représentent des endroits où la rivière n'a pas encore complètement ajusté à un changement de niveau de base, de soulèvement tectonique ou de type de roche.

Caractéristiques de dépôt et transport des sédiments

Lorsqu'une rivière perd de l'énergie, elle dépose les sédiments qu'elle transporte. La pose crée certaines des formes de terre les plus fertiles et les plus importantes du globe.

Plaines inondables et levées naturelles

Une plaine inondable est la zone plate et basse adjacente à un chenal fluvial qui est périodiquement inondé pendant les événements à débit élevé. Les plaines inondables sont construites par des épisodes répétés de dépôts de berges, où l'eau chargée de sédiments s'écoule du chenal et dépose sa charge sur les terres adjacentes. Le matériel le plus grossier s'installe le plus près du chenal, en construisant des digues naturelles, des crêtes basses qui longent la rivière et peuvent s'élever à plusieurs mètres au-dessus de la plaine inondable environnante.

Les plaines inondables sont parmi les paysages les plus productifs sur le plan agricole parce qu'elles reçoivent régulièrement des apports de limon riche en nutriments. La plaine inondable du Nil en Égypte et la plaine inondable du Mississippi aux États-Unis sont des exemples classiques de régions où la civilisation humaine a prospéré sur la fertilité fournie par les dépôts de fleuves.

Deltas

Un delta se forme à l'embouchure d'une rivière où il entre dans un plan d'eau permanent comme un lac, une mer ou un océan. La réduction brutale de la vitesse d'écoulement fait que la rivière dépose sa charge sédimentaire, construisant une forme terrestre en forme de ventilateur ou de pied d'oiseau qui pénètre dans le bassin récepteur.

  • Deltas dominés par les rivières : Le delta du Mississippi est l'exemple classique. Le dépôt de sédiments surpasse les effets de retravail des vagues et des marées, produisant une forme de lobate ou de pied d'oiseau avec de multiples canaux distributaires.
  • Deltas dominés par les vagues : Le delta du Nil a une rive lisse et arcuaque, car les vagues redistribuent les sédiments le long de la côte plus rapidement que la rivière ne peut le fournir.
  • Deltas dominés par les marées : Le delta du Gange-Brahmaputra au Bangladesh et en Inde est formé par de forts courants de marée qui créent de vastes plaines de marée et des forêts de mangroves.

Les deltas sont des éléments géologiques éphémères, ils s'affaiblissent sous leur propre poids et sont vulnérables à l'élévation du niveau de la mer, ce qui en fait des indicateurs sensibles des changements environnementaux.

Eventails alluviaux

Les ventilateurs alluviaux sont des dépôts en forme de cône qui forment un cours d'eau confiné qui émerge d'une région montagneuse sur un fond plat ou de vallée. La diminution soudaine du gradient fait baisser la charge sédimentaire du cours d'eau, construisant un ventilateur qui rayonne vers l'extérieur de l'embouchure du canyon.

La pente d'un ventilateur alluvial diminue généralement de l'apex (près de la bouche du canyon) à l'orteil (où le ventilateur rencontre la plaine adjacente). La taille du grain des sédiments diminue aussi de façon distale, avec des blocs et des galets près de l'apex et du sable et du limon près de l'orteil. Les ventilateurs alluvial sont des formes de terre dynamiques qui peuvent déplacer leur canal actif lors d'inondations individuelles, ce qui en fait des endroits dangereux pour le développement.

Lacs Oxbow et coupes de méandre

Sur les rivières qui se déchaînent, l'érosion continue de la rive extérieure et les dépôts sur la rive intérieure entraînent la migration des méandres dans la plaine inondable. Au fil du temps, le cou d'une boucle de méandre devient si étroit que la rivière la traverse pendant une inondation, abandonnant la vieille boucle.

Les lacs à oxyde sont des caractéristiques communes de grandes plaines inondables comme celles du Mississippi, de l'Amazonie et du Yangtze. Ils fournissent un habitat humide important et servent d'archives de l'histoire des plaines inondables, en préservant les sédiments et les matières organiques qui enregistrent les conditions environnementales passées.

Les modèles du chenal de la rivière et leur expression géologique

Les rivières s'organisent en différents modèles de chenal qui reflètent l'équilibre entre le rejet d'eau, la charge de sédiments, la pente du chenal et la stabilité des rives.

Rivières à méandre

Les rivières à méandres sont caractérisées par des canaux sinueux à un seul fil qui se développent sur des plaines inondables à faible gradient avec des berges cohésives. La longueur d'onde de méandre est généralement proportionnelle à la largeur du chenal, avec un rapport d'environ 10:1 à 14:1.

L'héritage géologique des rivières qui serpentent est une plaine inondable recouverte de barres de défilement, de lacs de bardeaux et de cicatrices abandonnées de chenal. Ces caractéristiques créent une mosaïque complexe de formes terrestres avec des textures, des âges et des altitudes de sédiments variables.

Rivières en braille

Les cours d'eau ensemencés sont constitués de canaux multiples et entrelacés séparés par des barres et des îles. Ils forment des endroits où la rivière transporte une charge de sédiments élevée par rapport à son rejet, et où les rives ne sont pas cohésives et facilement érodées.

Les barres des rivières tressées sont des caractéristiques dynamiques qui changent de position lors de chaque inondation. Au fil du temps, la migration répétée des barres et le changement de canal construisent un vaste plancher de vallée plat avec une géométrie de tôle de sédiments grossiers. Les dépôts de rivières tressés sont distinctifs dans le dossier de roche, caractérisé par des sables croisés et des graviers avec la géométrie lenticulaire.

Chaînes droites et anastomosantes

Les chenaux de rivière droites sont rares dans la nature et ne se produisent généralement que lorsque la rivière est contrôlée par des structures de roche, des failles ou des travaux de génie humain.

Contrairement aux rivières tressées, les canaux anastomosants sont relativement stables et se forment dans des environnements riches en sédiments à faible gradient et avec des berges cohésives. Le modèle d'anastomosing est commun dans les grands systèmes de rivières tropicales comme l'Amazonie et l'Orinoque.

Types de rivières selon le régime de débit

La permanence du débit est une caractéristique fondamentale qui détermine l'impact géologique et écologique d'une rivière. Les géographes et les hydrologues classent les rivières en trois catégories principales selon leur régime de débit :

Rivières vivaces

Les rivières vivaces coulent toute l'année, soutenues par une combinaison de flux de base des eaux souterraines et de précipitations régulières. Ce sont les rivières les plus influentes du point de vue géologique parce qu'elles exercent une force d'érosion et de dépôt continues sur le paysage.

Le débit continu des rivières vivaces leur permet de maintenir des canaux profonds et stables et de transporter des sédiments sur de longues distances. Leurs plaines inondables sont bien développées et soutiennent des écosystèmes productifs.

Rivières intermittentes

Les rivières intermittentes ne coulent que pendant certaines saisons ou après des précipitations importantes. Elles sont courantes dans les climats méditerranéens, les régions de mousson et les zones de fonte des neiges saisonnières.

Malgré leur débit discontinu, les rivières intermittentes peuvent transporter des charges de sédiments élevées pendant les inondations. La transition soudaine du chenal sec au torrent enflammé provoque une érosion rapide et un transport spectaculaire des sédiments.

Rivières Éphémère

Les cours d'eau éphéméraux ne coulent qu'en réponse directe aux précipitations et sont secs pendant la majeure partie de l'année. Leurs canaux sont généralement peu profonds et mal définis, et leur charge sédimentaire est dominée par des matériaux grossiers qui ne se déplacent que pendant les épisodes d'écoulement courts et intenses.

L'impact géologique des rivières éphémères est concentré dans des événements brefs et à haute énergie. Ils peuvent transporter de grands blocs et découper des ravins profonds en quelques heures. Les ventilateurs alluviaux et les bajadas (ventilateurs alluviaux coalisés) sont les formes de terre de dépôt primaires associées aux systèmes fluviaux éphémères.

Influences tectoniques et structurelles sur le développement des rivières

Les rivières exploitent souvent des zones de faiblesse dans la croûte terrestre, comme les failles, les articulations et les pliages, pour établir leurs parcours.

Drainage contrôlé par défaut

De nombreuses rivières principales suivent des lignes de failles pour des portions importantes de leur cours. Les zones de failles sont des zones de roches fracturées et écrasées qui s'érodent plus facilement que le substrat rocheux intact environnant. La faille de San Andreas en Californie influence les schémas de drainage de nombreux cours d'eau, et le Rio Grande suit une vallée de faille créée par l'extension crustale.

Rivières superposées et anciennes

Les rivières superposées sont celles qui ont d'abord traversé une couverture sédimentaire mais qui ont depuis été découpées dans la roche sous-jacente et plus résistante. Le cours de la rivière a été établi sur l'ancienne surface et a ensuite été « superposé » sur la structure ci-dessous. Les rivières Catskill et Appalaches plateau dans l'est des États-Unis montrent des caractéristiques superposées, coupant sur la roche pliée et fauchée qui ne porte aucun rapport avec leur cours de surface.

Les rivières anciennes sont plus anciennes que les montagnes qu'elles traversent. Elles ont maintenu leur cap alors que le paysage était élevé sous elles, encissant des gorges profondes qui traversent les chaînes de montagnes. La rivière Indus, qui coule à travers l'Himalaya, et le fleuve Columbia, qui coupe à travers la chaîne Cascade, sont des exemples de drainage antérieur.

Les rivières et l'évolution du paysage au fil du temps géologique

Les rivières sont les principaux agents par lesquels les paysages sont dénudés et aménagés sur des échelles géologiques. Le concept de niveau de base, introduit par le géologue John Wesley Powell au 19ème siècle, est central pour comprendre comment les rivières façonnent l'évolution à long terme de la topographie.

Migration au niveau de base et de la position de base

Le niveau de base est l'altitude la plus basse à laquelle une rivière peut éroder son chenal. Le niveau de la mer est le niveau de base ultime pour la plupart des rivières, mais les niveaux de base locaux tels que les lacs, les couches rocheuses résistantes ou les jonctions affluents exercent également un contrôle. Lorsque le niveau de base tombe (p. ex. en raison de la chute du niveau de la mer ou de la montée en hauteur tectonique), la rivière doit s'ajuster en cisculant son chenal.

L'incision des rivières en réponse à l'automne de base crée des terrasses fluviales, qui sont des surfaces de plaine inondable abandonnées qui se trouvent au-dessus du chenal moderne. Les terrasses enregistrent les positions antérieures de la rivière et fournissent des preuves de changements climatiques et tectoniques passés.

Moyennes incisées

Lorsqu'une rivière à méandre subit une incision rapide, elle peut préserver la forme sinueuse de son ancienne plaine inondable, créant des méandres incisées. Ce sont des gorges profondes et sinueuses où la rivière maintient son patron de méandre tout en coupant verticalement dans le paysage. Les Goosenecks de la rivière San Juan en Utah et les méandres retranchés de la rivière Susquehanna en Pennsylvanie en sont des exemples classiques.

Les rivières en tant qu'ingénieurs des écosystèmes

Les rivières ne sont pas seulement des canaux passifs pour l'eau; elles façonnent activement les écosystèmes qui en dépendent. Le concept de rivières en tant qu'ingénieurs des écosystèmes reconnaît que les processus fluviaux créent et maintiennent la diversité de l'habitat dans la plaine inondable.

Le concept d'impulsions d'inondation

Le concept de pouls des inondations, élaboré par des écologistes qui étudient les grandes rivières tropicales, suggère que l'inondation périodique de la plaine inondable est le principal facteur de productivité dans les systèmes de plaines inondables. Pendant les périodes de haute mer, les poissons et autres organismes aquatiques se déplacent dans la plaine inondable pour se nourrir, frayer et se réfugier.

Le pouls annuel de l'Amazone, qui peut augmenter le niveau de l'eau de dix mètres ou plus, inonde une zone plus grande que la France. Cette plaine inondable, connue sous le nom de várzea, est l'un des écosystèmes les plus productifs de la Terre et soutient une extraordinaire diversité de poissons, d'oiseaux et de mammifères.

Zones riveraines et cyclisme nutritif

Les zones riveraines, qui sont les zones de transition entre les canaux fluviaux et les milieux montagneux, sont des points chauds d'activité écologique.Les inondations périodiques et la nappe phréatique créent des conditions qui soutiennent les communautés végétales spécialisées, y compris les saules, les bois de coton et les forêts des plaines inondables.

Les rivières jouent également un rôle essentiel dans le cycle des nutriments en transportant des matières organiques dissoutes et particulaires des écosystèmes terrestres vers les milieux en aval. Le transport de carbone, d'azote et de phosphore par les rivières est une composante majeure des cycles biogéochimiques mondiaux.

Interactions humaines et gestion des rivières

Les sociétés humaines ont interagi avec les rivières pendant des millénaires, mais l'ampleur et l'intensité des modifications humaines ont augmenté de façon spectaculaire au cours du siècle dernier.

Dams et effets des réservoirs

Les barrages imposent des changements profonds aux systèmes fluviaux en piégant les sédiments, en régulant le débit et en fragmentant les habitats en aval. La réduction de l'approvisionnement en sédiments sous les barrages peut entraîner l'incision des canaux et le grossissement des matériaux du lit, un processus appelé famine des sédiments.

Les barrages perturbent également le pouls naturel des crues, avec des effets en cascade sur les écosystèmes des plaines inondables. De nombreuses espèces de poissons indigènes ont besoin de repères d'écoulement spécifiques pour se reproduire et migrer, et la modification de ces repères par les activités des barrages a contribué au déclin de la population dans le monde entier.

Les levures et la lutte contre les inondations

Les léves sont des remblais artificiels construits le long des rivières pour contenir les eaux de crue et protéger les terres adjacentes. Bien que les léves offrent une protection à court terme pour l'infrastructure et l'agriculture, elles ont des conséquences à long terme sur la dynamique des rivières. En configurant le débit vers le chenal, les léves augmentent la vitesse de l'écoulement et la contrainte de cisaillement du lit, ce qui entraîne une incision du chenal et la perte de connectivité des plaines inondables.

Restauration et reconnection

En réponse aux dommages écologiques et géomorphiques causés par l'ingénierie fluviale, on s'intéresse de plus en plus à la restauration des rivières.Les stratégies de restauration comprennent l'enlèvement des barrages, le retrait ou l'enlèvement des digues et le rebranchement des rivières à leurs plaines inondables.La restauration de la rivière Kissimmee en Floride, canalisée dans les années 1960, consiste à remplir le canal et à rétablir le chenal de méandre naturel et la plaine inondable.

La restauration des rivières est fondée sur la compréhension que les rivières sont des systèmes dynamiques et autoformants. La restauration réussie fonctionne avec des processus naturels plutôt qu'avec eux, ce qui permet aux rivières de récupérer leurs rôles géologiques et écologiques.

Conclusion

Les rivières sont parmi les forces les plus puissantes et persistantes qui façonnent la surface de la Terre. Du plus petit cours d'eau jusqu'au plus puissant cours d'eau continental, l'eau coule, les transports et les dépôts de sédiments, créant les vallées, les plaines inondables, les deltas et les terrasses qui définissent le paysage. Les processus de formation des rivières sont régis par des principes physiques fondamentaux, mais chaque rivière développe son caractère unique en réponse au climat, à la géologie, à la topographie et à la position tectonique de son bassin versant.

Comprendre la formation des rivières et son influence sur les caractéristiques géologiques n'est pas seulement un exercice académique. Il fournit la base de connaissances pour gérer les ressources en eau, prédire les risques d'inondation, restaurer les écosystèmes dégradés, et interpréter le dossier de roches sédimentaires qui préserve l'histoire de la Terre.