ETUDE SEDIMENTOLOGIQUE ET GEOCHIMIQUE (ISOTOPES STABLES) DES BASSIN SYN-OROGENIQUES DE L’HYMALAYA DU NEPAL (SIWALIKS ET BASSIN DE KATHMANDU) Ananta Prasad Gajurel To cite this version: Ananta Prasad Gajurel. ETUDE SEDIMENTOLOGIQUE ET GEOCHIMIQUE (ISOTOPES STA- BLES) DES BASSIN SYN-OROGENIQUES DE L’HYMALAYA DU NEPAL (SIWALIKS ET BASSIN DE KATHMANDU). Géochimie. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2006. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00110985￿ HAL Id: tel-00110985 https://theses.hal.science/tel-00110985 Submitted on 2 Nov 2006 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. Université Joseph Fourier Grenoble 1 THESE Présentée par Ananta Prasad GAJUREL Pour obtenir le grade de DOCTEUR Discipline : Sciences de la Terre Etude sédimentologique et géochimique (isotopes stables) des bassins syn- orogéniques de l’Himalaya du Népal (Siwaliks et bassin de Kathmandu) Soutenue le 27 septembre 2006 Jury : M. B. Delcaillau Rapporteur M. A. Galy Rapporteur M. C. France-Lanord Examinateur M. J .L. Mugnier Président M. B.N. Upreti Examinateur Mme P. Huyghe Directeurs de thèse M. G. Mascle Université Joseph Fourier Grenoble 1 THESE Présentée par Ananta Prasad GAJUREL Pour obtenir le grade de DOCTEUR Discipline : Sciences de la Terre Etude sédimentologique et géochimique (isotopes stables) des bassins syn- orogéniques de l’Himalaya du Népal (Siwaliks et bassin de Kathmandu) Soutenue le 27 septembre 2006 Jury : M. B. Delcaillau Rapporteur M. A. Galy Rapporteur M. C. France-Lanord Examinateur M. J .L. Mugnier Président M. B.N. Upreti Examinateur Mme P. Huyghe Directeurs de thèse M. G. Mascle Résumé : Ce travail porte sur l’étude paléo-environnementale de bassins orogéniques de la chaîne himalayenne : le bassin d’avant pays au Miocène supérieur et le bassin transporté de Kathmandou au Plio-pléistocène. Pour cela, une étude des isotopes stables caractérisant les environnements actuels dans la plaine du Gange et dans les bassins intra-montagneux a d’abord été réalisée ; ce qui nous a servi de base pour l’analyse des paléo-environnements. Une étude de l’évolution tectonique du bassin de Kathmandu a également été menée pour compléter l’analyse paléo-environnementale de ce bassin intra-montagneux. Pour caractériser les environnements actuels, nous avons échantillonné et analysé des gastéropodes dulçaquicoles ainsi que les eaux qui constituent leur environnement. Les échantillonnages d'eau ont également été menés pour évaluer la variabilité saisonnière sur les précipitations et sa traduction dans les eaux de rivière. Le δ18O des rivières est largement variable à l'échelle du bassin, depuis -18‰ au nord de l'Himalaya jusqu'à des valeurs entre -8 et -4 ‰ dans la plaine. Les δ18O des carbonates biogéniques de gastéropodes actuels du Gange et de ses affluents en plaine montrent que ces carbonates sont proches de l'équilibre isotopique avec les eaux dans lesquels ils sont formés, à des températures entre 20 et 25°C. Les données suggèrent que la croissance des coquilles est mineure durant la période de mousson. Les données couplées eau-carbonates montrent également que les signatures isotopiques sont différentes en fonction du bassin de drainage considéré. Les grandes rivières himalayennes ont des δ18O plus bas et assez constants sur une année par rapport aux bassins de basse altitude qui montrent un contraste saisonnier plus marqué. Dans la plaine, des mares isolées durant la saison sèche évoluent vers des δ18O supérieurs à 0‰ sous l'effet de l'évaporation et engendrent des coquilles anormalement enrichies en 18O. Les δ13C des coquilles sont systématiquement appauvris par rapport au carbone inorganique dissous des rivières, impliquant qu'une part de carbone d'origine organique est utilisée pour la synthèse des coquilles. Dans les Siwaliks, les δ18O des coquilles fossiles sont largement variables entre -16.4 et 0.6‰. Les valeurs les plus élevées dérivent clairement d'environnements fermés soumis à évaporation. Durant le Miocène moyen, les valeurs les plus basses sont significativement inférieures aux gammes de valeurs des Siwaliks plus récents et des valeurs de la plaine du Gange actuelle. La plaine au Miocène moyen est donc drainée par des rivières assez différentes de la configuration actuelle avec, par exemple un drainage plus largement ouvert sur la partie tibétaine. Les δ13C sont comparables aux valeurs actuelles au Miocène inférieur et montrent une augmentation marquée autour de 5 Ma, pour atteindre des valeurs proches de 0‰ sans équivalent dans le bassin actuel. Cette évolution est certainement en rapport avec l'explosion synchrone de la flore de type C . Le fait qu'elle se traduise avec cette 4 intensité dans les eaux de rivières implique que ces bassins réduisent leur drainage aux basses altitudes ou bien que la flore C a pu coloniser les bassins montagneux ce qui incompatible 4 avec les flores C actuelles. 4 Le bassin de Kathmandu est un bassin transporté par le chevauchement de MBT, caractérisé par une sédimentation fluvio-lacustre depuis ~3 Ma. L’évolution du lac (profondeur et niveau) montre des fluctuations importantes, contrôlées à long terme par la tectonique, à moyen terme par les glissements et débris-flow, et à court-terme par des événements sismiques. Le rapport δ18O des carbonates biogéniques plus anciens que 1 Ma varie entre -11 et -4 ‰. Ces valeurs sont compatibles avec celles des eaux des rivières actuelles drainant le bassin (-10.1 à -7 ‰) et celles des précipitations de moussons (-18 à 2 ‰). En revanche les carbonates biogéniques plus jeunes que 50 Ka, présentent des concentrations en 18O extrêmement élevés (-2.4 à 8 ‰). Les valeurs maximales sont généralement associées aux niveaux sédimentaires riches en diatomées, et pourraient correspondre à des événements climatiques froids. La signature isotopique de ces carbonates biogéniques étant proche de celle des eaux météoriques d’hiver à Kathmandu (-6.5 ‰ à 7.5 ‰), nous suggérons que deux processus interviennent durant les épisodes à diatomées : une diminution des précipitations d’été et une forte évaporation, ces deux phénomènes conduisant à des fortes concentrations en 18O. 2 3 4 Abstract The work deals with the paleo-environmental study of the Siwaliks foreland basin during the Upper Miocene and the intermountain Kathmandu basin during the Plio- Pleistocene. For this purpose, O and C isotopic compositions of the present day environment of both the Ganga Plain and intermountain basins was first realized as a reference for the paleo-environmental studies. The tectonic evolution of the Kathmandu basin was also analysed to refine its paleo-environmental study. To characterize present day environments, C and O isotopic compositions of modern freshwater mollusks and their host water have systematically been analyzed. The water isotopic expression of seasonal variability was also evaluated. The δ18O of rivers varies from - 18‰ in the North of the Himalayan belt up to -4‰ in the plain. The δ18O of the shell of modern mollusks show an equilibrium fractionation with the river waters at temperatures of about 20 to 25 °C. From our data, it seems that shell growing essentially takes place during dry seasons. Our data also show that both carbonate and river water isotopic values are different according to the catchment basin. Rivers running through the whole chain have low and constant δ18O over the year whereas rivers with low catchments show higher seasonal variability. In the plain, ponds may produce positive δ18O water due to evaporation and associated carbonate shells are consequently rich in 18O. The δ13C of the dissolved inorganic carbon of rivers are systematically higher than δ13C of shells as part of the organic carbon is used for the shell formation. In the Siwaliks series, δ18O of shells varies from -16.4 ‰ to 0.6‰. The highest values come from closed body system affected by evaporation. During the late Miocene, the δ18O car lowest values are systematically lower than Pliocene and modern values. Therefore, rivers running through the late Miocene plain should show different geometries than modern rivers. For example, they may have larger and higher catchments. The δ13C late Miocene values of shells are rather similar to modern values. They show a sharp increase up to values close to 0 ‰ around 5 Ma, which is probably linked to the contemporaneous evolution towards C 4 dominant vegetation. The Kathmandu Basin is a transported basin along the MBT and is characterized by lacustrine and fluvio-lacustrine sediments since around 3 Ma. The evolution of lake with its important fluctuation in depth and lake level is controlled by tectonic for a long term, by landslide and debris-flow for medium term and by seismic events for a short term. 5