Origin and geomorphology of lakes
Les lacs, origine et morphologie
Résumé
The origin of lake basins is a complex and interesting area of study. Limnologists long used the Davis’ typology, but G.E. Hutchinson criticized it for being artificial and for obscuring the regional grouping of lakes. He proposed a new scheme. Since 1957, Hutchinson’s classification has been regarded as a dogma. However it is not hierarchical and does not attain its object (Chapter I). The aim of this book is to propound a new theory and to suggest a new typology so that the origin of lake basins becomes integrated into the rest of the limnology. First, the working of the lacustrine machine depends on the scale of the lake (Chapter II). The temporal dimension of a lake is evaluated by its age, since modes and rates of sedimentation, development of shoreline forms, coastal grading, progression of natural eutrophication, number and range of paleoclimatic level oscillations, time of isolation and biological endemism result from the age of the lake. The spatial dimension of a lake is evaluated by its volume, since it includes depth and surface, while adding specific features. Depth is significant of all the stratifications (shelf / central deep area, epilimnion / hypolimnion, Ekman’s / inert layers, euphotic / aphotic layers, primary production / eating layers, biochemical gradients, pressure gradients, etc.), surface is significant of all the zonations (fetch, height of maximum waves, direct precipitations, evaporation, limnion / littoral zone, leeward / windward coasts, thermal belts, latitudinal gradients of freezing, etc.) and volume is significant of all the inertias (sediment filling up, water retention time, rate of pollution and eutrophication, biochemical cyclings, response to the watershed, etc.). We established a coefficient for estimating the scale of a lake. The product (age of the lake) * (volume of water), expressed in thousands of years and in km3, gives the same significance to temporal and spatial size since the oldest and largest lakes are some 104 thousands years old and contain some 104 km3 of water. The significance level, or the order, of a lake is defined as the integer of the logarithm of this product (Table 1). The suggested typology is based on this order: the scale of a lake goes far beyond the geomorphological feature. It is a geographical approach to limnology. Secondly, a lake is above all a body of water (Chapter II). Accordingly, the most significant is the most recent volume of water. Although the geological basin has existed for a long time and although another lake existed before, the age of the lake is that of the latest perennial body of water, for the disappearance of lacustrine water reduces many processes to nothing (for example the endemic evolution of biological species). Furthermore, if a lake is due to several dams, the most recently built is the most significant, since the present level determines characteristics and functions of the lake, and its perenniality or, on the contrary, precariousness. The suggested typology is based on the relations between the body of water and the origin of the basin. It is a limnological approach to the geography of lakes. The new typology finally is an arborescent and hierarchical classification (fig. 5). The main peculiarity of lakes of structural origin (Chapter III) is the possibility of a great size coupled with a long-life expectation. All the lakes of the world of order six to eight and most of those of order five are structural. Here is the greatest probability of biological endemism at a high level of taxonomy. Some of these lakes are at the scale of the Neogene. Many structural lakes are of order one to four too. Lakes of morphoclimatic inheritance (Chapter IV) often are of medium size and some thousands of years old. They usually are at the scale of the Holocene. Most lakes of order two and three and some lakes of order four are of glacial origin. Many are of order one too. The main peculiarity of lakes due to present morphogenic processes (Chapter V) is the frequency of a small size coupled with a young age and a high precariousness of existence. All these lakes are of order one. Anthropogenic lakes (Chapter VI) have a great range of sizes, but all are very young and under the absolute domination of their watershed. They all are of order one. These four upper classes are not at the same level because scales are different. The hierarchy is not only within each upper class, but between those too. The French text details a much more complex argumentation about it (Chapter II). In each lake, forms of lower order fit together, since there is a distinction between the origin of the lake and the morphology (Chapter VII). In the lakes of structural origin, some forms interlock at the scale of morphoclimatic inheritance (for example a fjord-bay) and at the lowest scales. In the lakes of morphoclimatic inheritance origin, some forms interlock at the scale of present morphogenic processes (for example a cliff), and so on. Within each upper class, lower subdivisions are also based on the scale differences. Then, the structural class is divided into lakes with an origin at the scale of worldwide morphostructures (order to eight) and into lakes with a regional structural origin (order to six). The morphoclimatic inheritance class is divided into lakes inherited from the activity of an ice sheet on a gentle topography (order to four), into glacial valley lakes (order to three) and into minor glacial lakes (order one). The present morphogenic processes class is divided into lakes due to morphogenic agents, lakes due to elementary transport on slopes and lakes due to weathering. Within each class, family, genus, type and sort, scale differences allow a lot of interlocked and cascading subdivisions for origins (Chapters III to VI) and forms (Chapter VII).
L’origine des dépressions fermées remplies d’eau et des cuvettes lacustres est un champ d’étude qui a donné lieu à de nombreuses recherches depuis plus de cent ans. Les limnologues avaient longtemps utilisé la typologie de W.M. Davis, mais G.E. Hutchinson lui reprochait d’être artificielle et de masquer les grands ensembles régionaux formés de groupements de lacs, les régions lacustres. Il proposa donc un nouveau schéma de pensée. Et il se trouve que, depuis 1957, la classification de Hutchinson est pour ainsi dire considérée comme un dogme. Or, selon nous, elle n’est pas hiérarchique et n’atteint pas son objectif principal (chapitre I). C’est pourquoi le but de cet ouvrage est de proposer une nouvelle théorie intégrant l’origine des cuvettes lacustres au reste de la limnologie, permettant ainsi de construire une typologie inédite de la genèse géomorphologique des lacs. Premièrement, le fonctionnement de la machine lacustre, du limnosystème, dépend de l’échelle du lac (chapitre II). La dimension temporelle d’un lac est évaluée par son âge, puisque les modalités et les vitesses de sédimentation, le développement des formes littorales, le degré de régularisation du rivage, la progression de l’eutrophisation naturelle, le nombre et l’amplitude des fluctuations paléoclimatiques, la durée d’isolement et l’endémisme biologique résultent de l’âge du lac. La dimension spatiale d’un lac est évaluée par son volume d’eau, puisque celui-ci intègre la profondeur et la surface, tout en y ajoutant des spécificités propres au fonctionnement tri-dimensionnel des masses d’eau. La profondeur est significative de toutes les stratifications (plateau / zone centrale profonde, épilimnion / hypolimnion, couches d’Ekman / inertes, couches euphotiques / aphotiques, couches de production / de consommation, gradients biochimiques, gradients de pression, etc.), la surface est significative de toutes les zonations (course du vent et fetch, hauteur des vagues maximales, précipitations directes, évaporation, limnion / zone littorale, côtes sous le vent / au vent, ceintures thermiques, gradients latitudinaux de gel et dégel, etc.) et le volume est significatif de toutes les inerties (remplissage sédimentaire, temps de séjour et de renouvellement des eaux, taux de pollution et d’eutrophisation, cycles biochimiques, réponse du plan d’eau aux apports du bassin versant, etc.). Afin d’estimer l’échelle spatiotemporelle d’un lac, nous avons établi un nouveau coefficient. Le produit de l’âge du lac (exprimé en milliers d'années) par le volume d’eau qu’il contient (exprimé en km3) donne la même signification à la dimension temporelle et à la dimension spatiale, puisque les lacs les plus anciens et les plus grands ont environ 104 milliers d’années et contiennent environ 104 km3 d’eau. Nous définissons alors le niveau d’importance, ou l’ordre, d’un lac comme la valeur entière du logarithme de ce produit (tableau 1 de la page 42). La nouvelle typologie proposée est fondée sur cet ordre, car l’échelle (ou niveau d’importance, ou ordre) d’un lac va bien au-delà de sa seule composante géomorphologique. C’est une approche géographique de la limnologie. Deuxièmement, un lac est avant tout une masse d’eau (chapitre II). En conséquence, c’est le dernier volume d’eau, le plus récent, qui compte. Dans le cas de dépressions fermées ou se sont succédé des lacs à différentes époques, disparaissant puis renaissant, l’âge du lac ici considéré est celui de la dernière masse d’eau pérenne, car la disparition des eaux lacustres réduit à néant de nombreux processus (par exemple l’évolution endémique des espèces biologiques). De plus, si plusieurs barrages se sont succédé pour fermer la dépression, le plus le plus significatif est là encore le plus récent, puisque le niveau d’eau actuel détermine les caractéristiques et les fonctions du lac, sa stabilité ou au contraire sa précarité. La nouvelle typologie proposée est fondée sur les relations entre la masse d’eau et l’origine de la cuvette géomorphologique. C’est une approche limnologique de la géographie des lacs. Il s’agit finalement d’une classification hiérarchisée, entièrement fondée sur l’emboîtement des échelles (fig. 5 de la page 44). La principale particularité des lacs d’origine structurale (chapitre III) est la possibilité d’une grande taille croisée à une longue espérance de vie. Tous les lacs du monde d’ordre six à huit et la plupart de ceux d’ordre cinq sont structuraux (tectoniques). Ce sont eux qui ont la plus grande probabilité d’un endémisme biologique au plus haut niveau taxonomique. Certains de ces lacs sont à l’échelle de temps du Néogène. De nombreux lacs structuraux sont également d’ordre un à quatre. Les lacs d’héritage morphoclimatique (chapitre IV) sont souvent de taille moyenne et âgés de quelques milliers d’années. Ils sont généralement à l’échelle de temps de l’Holocène. La plupart des lacs d’ordre deux et trois et certains lacs d’ordre quatre sont d’origine glaciaire. Beaucoup de lacs d’ordre un le sont aussi. La principale particularité des lacs dus aux processus morphogéniques actuels (chapitre V) est la fréquence d’une petite taille croisée à un jeune âge, dans le contexte d’une existence précaire. Tous ces lacs sont d’ordre un. Les lacs d’origine anthropique (chapitre VI) connaissent une grande diversité de tailles, mais tous sont très jeunes et sous la domination absolue de leur bassin versant. Ils sont tous d’ordre un. Les quatre classes (d’origine structurale, d’héritage morphoclimatique, de processus morphodynamique actuel, d’origine anthropique) ne sont pas au même niveau, car les échelles sont différentes. Cela veut dire que, dans chaque lac, des formes d’ordre inférieur s’emboîtent. Le chapitre VII s’attache à étudier la géomorphologie de certaines parties du lac à un échelon inférieur à celui de l’origine de la dépression fermée tout entière. Dans les lacs d’origine structurale, certaines formes sont à l’échelle d’un héritage morphoclimatique (par exemple une baie modelée en fjord) et d’autres à des échelons encore inférieurs. Dans les lacs d’origine morphoclimatique, certaines formes sont à l’échelle des processus morphogéniques actuels (par exemple une falaise), et ainsi de suite (par exemple un épi littoral construit par l’homme pour favoriser l’engraissement d’une plage). Comme l’ensemble de la typologie est fondée sur l’emboîtement des échelles, le plan de l’ouvrage suit cette logique de bout en bout. Au sein de chacune des quatre classes supérieures, les subdivisions sont également fondées sur les différences d’échelle. Ainsi, la classe des lacs structuraux se subdivise en lacs à l’échelle des morphostructures mondiales (ordre atteignant huit) et à l’échelle des structures régionales que sont les failles et les formes volcaniques (ordre atteignant six). La classe des lacs d’origine morphoclimatique se subdivise en lacs hérités de l’activité d’un inlandsis (ordre quatre), en lacs glaciaires de vallée (ordre trois) et en lacs glaciaires mineurs (ordre un). La classe des lacs dus à des processus morphogéniques actuels est subdivisée en lacs dus aux grands agents morphogéniques, en lacs dus au transport élémentaire sur les versant et lacs dus à la météorisation. Au sein de chaque classe, famille, genre, type et sorte, les différences d'échelle permettent de nombreuses subdivisions imbriquées et en cascade pour les origines (chapitres III à VI) et les formes (chapitre VII).