Peser les sédiments depuis l’espace

L’érosion rabote continuellement le relief continental, produisant des particules sédimentaires qui vont être transportées jusqu’aux océans par les fleuves. Déterminer l’amplitude et la répartition de cette érosion est nécessaire pour mieux comprendre comment la tectonique, le climat mais aussi les activités humaines participent à la dynamique des paysages. En outre l’érosion aboutit aussi à la formation du sable et des granulats, deuxième ressource naturelle la plus exploitée mondialement mais difficilement quantifiable.

Pour quantifier l’érosion des continents et par conséquent, la production de sédiments, l’approche la plus classique consiste à mesurer la concentration de sédiment dans tous les fleuves et en continu. Cette tâche à la fois complexe et couteuse donne des estimations de flux sédimentaire notoirement incertaines. Le flux sédimentaire étant le point de départ de nombreuses études géomorphologiques, il importe d’en améliorer la mesure.

Une équipe de chercheurs franco-américaine a montré que cette décharge sédimentaire pouvait être mesurée depuis l’espace par la mission GRACE (Gravity recovery and climate experience). La mission GRACE est une mission conjointe des agences spatiales américaines (NASA) et allemande (DLR). Lancée en 2002, elle fournit des données globales mensuelles du champ total de gravité de la Terre, avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent. GRACE ne transporte pas d’instrument spécifique tourné vers la surface de la Terre, le système de mesure étant les satellites eux-mêmes, surnommés Tom et Jerry. En effet, ils se poursuivent sur la même orbite à 450 km d’altitude, séparés d’environ 250 km. Si une masse est présente à la surface de la Terre, le premier satellite est le premier à ressentir la gravité complémentaire et accélère, avant que le second ne le rattrape. La sensibilité de la mesure de distance relative, de l’ordre du micromètre, permet la détection de masses équivalentes à une lame d’eau d’un centimètre d’épaisseur répartie sur un disque dont le diamètre est de quelques centaines de kilomètres. GRACE a ainsi mis à disposition des données exceptionnelles pour la redistribution de masses fluides (fonte des glaces, suivi des sècheresses, surexploitation des ressources en eau souterraines).

L'apport fondamental de la gravimétrie par rapport aux autres méthodes de télédétection est lié à l'effet à distance, qui permet de pénétrer dans les couches les plus profondes. Les masses "invisibles", cachées sous la mer ou sous terre peuvent alors être détectées par des mesures gravimétriques en surface ou, comme c’est le cas ici, par satellite. L’intérêt de cette méthode pour l’étude des flux sédimentaires est que, à nos échelles de temps, les sédiments transportés par les fleuves finissent par s’accumuler dans l’océan, définissant des zones de sédimentation. L’augmentation régulière de masse due à cette accumulation génère une hausse de l’attraction gravitationnelle localisée à ces zones de sédimentation pouvant être mesurée par GRACE. Cette variation temporelle de gravité peut être convertie en variation temporelle de masse sédimentaire, alors assimilée au flux sédimentaire du fleuve alimentant cette zone de sédimentation océanique. Pour y parvenir, cette étude a combiné des mesures GRACE haute résolution issues d’un nouveau type de traitement des données brutes, et une modélisation détaillée du transport sédimentaire dans les océans.

En se focalisant sur les fleuves qui transportent le plus de sédiments au monde, les chercheurs ont montré la bonne correspondance entre les estimations de flux sédimentaire faites in situ et celles faites par satellite, notamment pour l’Amazone, le duo Gange-Brahmapoutre, le Yangtze et la Magdalena. Pour les plus petits fleuves, la sensibilité et la résolution de GRACE ne permettent pas de détecter l’accumulation sédimentaire, et d’autres processus comme les transferts hydrologiques ou la tectonique dominent le signal gravimétrique.

Cette nouvelle méthode va encore bénéficier du développement de nouveaux satellites gravimétriques, en particulier GRACE Follow-On, mis en orbite fin mai, et des réflexions en cours sur la Next generation gravity mission (NGGM, ESA). Par ailleurs la Chine a récemment investi pour le développement de son propre satellite. L’effervescence que connaissent actuellement les programmes de gravimétrie spatiale et terrestre montre l’intérêt porté à cette méthode et à ses nombreuses applications en sciences de la Terre.