Soutenance de thèse de AIT OUFELLA Lounis
Titre de thèse
Evolution morphologique et géophysique des cratères d'impact terrestres
Morphological and geophysical evolution of impact craters on Earth
Résumé de la thèse
Les cratères d'impact terrestres sont progressivement transformés par l'érosion, le transport des sédiments et la réorganisation du drainage. Leur relief peut devenir difficile à reconnaître alors qu'une partie de la structure géologique créée par l'impact subsiste en profondeur. Nous suivons ici l'évolution conjointe de la morphologie et des anomalies gravimétriques et magnétiques afin d'examiner ce qu'elles permettent encore de reconnaître lorsque le relief du cratère s'efface.
Le point de départ est un cratère complexe théorique de 30 km de diamètre bord à bord, issu d'une simulation de physique de choc. Son évolution est calculée en combinant incision fluviale, transport et dépôt des sédiments, altération du substratum, évolution des versants et flexure lithosphérique. Les contributions de ces processus sont ensuite testées séparément, tandis que plusieurs expériences explorent la sensibilité à l'érodabilité, à l'épaisseur élastique, aux propriétés géophysiques, à la résolution, aux conditions aux limites et à la taille du domaine. Le temps simulé dépend de ces choix et ne donne pas directement l'âge d'un cratère naturel.
Dans toutes les configurations testées, tant que le rebord reste identifiable, son abaissement s'accompagne d'une migration de la crête vers l'extérieur : le diamètre morphologique apparent (Dam) augmente ainsi au cours de l'érosion. Dans la simulation de référence, il atteint près de deux fois sa valeur initiale après 1,5 Ma.
La séquence de ces changements est conservée pour toutes les résolutions testées, mais leur cadence dépend de la résolution de la grille. Dans le calcul publié de l'anomalie gravimétrique complète, le diamètre de cette anomalie reste plus proche de la valeur initiale de Dam que de sa valeur finale.
Lorsque l'effet gravimétrique de la topographie diminue, les sédiments peu denses accumulés dans le cratère peuvent rendre l'anomalie gravimétrique plus négative. Elle ne s'atténue donc pas nécessairement avec l'érosion. Pour l'anomalie magnétique, l'érosion retire les sources superficielles. Au cours d'une expérience de 0,30 Ma, une même érosion enlève des quantités différentes de roche aimantée selon la profondeur et la géométrie des sources. La perte d'amplitude est la plus forte pour une couche superficielle unique, plus faible pour des sources discontinues et plus faible encore pour deux couches superposées. L'anomalie des sources discontinues change aussi de forme. Une source profonde dont la géométrie est maintenue fixe ne change pas. Ce résultat découle de ce choix de modélisation. La persistance des anomalies sur les structures érodées est déjà décrite dans la littérature. Ces calculs relient leur évolution aux configurations de sources prescrites.
Les simulations fondées sur la topographie du cratère Barringer, aux États-Unis, montrent aussi qu'un rebord identifiable peut disparaître avant la connexion du centre au réseau de drainage régional. Autour du cratère théorique, le drainage suit la pente régionale lorsque tous les bords sont ouverts. Lorsqu'un seul bord ou coin est ouvert, sa direction dépend aussi de l'épaisseur élastique et du terrain régional.
Relief, gravité et magnétisme ne répondent donc pas de la même manière à une même histoire érosive. Ces réponses illustrent la préservation différentielle. Leur lecture conjointe renseigne mieux sur l'état d'érosion qu'un indicateur isolé, et aucune ne donne à elle seule un âge.
Les prochaines étapes seront d'intégrer la dynamique des lacs, les variations climatiques et l'hétérogénéité des roches, puis de confronter le modèle à des levés topographiques, gravimétriques et magnétiques acquis sur les mêmes structures.
Thesis resume
Erosion, sediment transport, and drainage reorganization progressively transform terrestrial impact craters. Their relief can become difficult to recognize while part of the impact structure remains at depth. Here we track the joint evolution of crater morphology and its gravity and magnetic anomalies to examine what remains detectable as the surface expression of the crater fades.
We start from a theoretical complex crater with a rim-to-rim diameter of 30 km, produced by a shock-physics simulation, and evolve its topography using fluvial incision, sediment transport and deposition, bedrock weathering, hillslope transport, and lithospheric flexure. Separate experiments isolate individual processes and test sensitivity to erodibility, elastic thickness, geophysical properties, grid spacing, boundary conditions, and domain setup. Model time depends on these choices and is not a direct estimate of the age of a natural crater.
As long as the rim remains identifiable, its lowering is accompanied by outward migration of the crest, so that the apparent morphological diameter (Dam) increases during erosion. In the reference simulation, it reaches nearly twice its initial value after 1.5 Ma.
The sequence of these changes is preserved across the tested resolutions, but their timing depends on grid spacing. In the published calculation of the complete gravity anomaly, the diameter of this anomaly remains closer to the initial value of Dam than to its final value.
As the gravity effect of topography weakens, low-density sediment deposited inside the crater can make the gravity anomaly more negative. The gravity anomaly therefore need not weaken as erosion proceeds. For the magnetic anomaly, erosion removes shallow sources. Over 0.30 Ma, the same erosion removes different amounts of magnetized rock depending on source depth and geometry. The loss of peak amplitude is largest for one shallow layer, smaller for discontinuous sources, and smaller still for two stacked layers. The anomaly of the discontinuous sources also changes shape. A deep source whose geometry is kept fixed does not change, which follows from that modelling choice. The persistence of anomalies over eroded structures is already known from the literature. This thesis relates their evolution to the prescribed source configurations.
Simulations based on the topography of Barringer Crater, United States, also show that an identifiable rim can disappear before the crater centre connects to regional drainage. Around the theoretical crater, drainage follows the regional slope when all edges are open. When only one edge or corner is open, its direction also depends on elastic thickness and regional terrain.
Relief, gravity, and magnetism can therefore evolve differently during the same erosion history. These contrasting responses illustrate differential preservation. Read together, the three signatures say more about the erosion stage than any one of them, and none of them gives an age on its own.
Future work should include lake dynamics, changing climate, and rock heterogeneity, then compare the model with topographic, gravity, and magnetic surveys acquired over the same structures.