Graduation date: 1986

The rocks of the Carboniferous to Jurassic aged main Karoo Supergroup of South Africa preserve an internationally significant and stratigraphically continuous retro-arc foreland depositional sequence. This succession documents environmental change from glacial-marine, through fluvio-deltaic to continental fluvial and aeolian, culminating in rift associated continental flood basalt extrusions. The fluvio-deltaic transition from marine to continental deposition has been the subject of much recent research and corresponds with the position of the Ecca-Beaufort contact. Over the entire basin this transition comprises three separate lithofacies associations deposited in the prodelta, deltafront and delta plain environments. Anomolously the southeastern contact is currently mapped as reflecting fluvial deposits of the Koonap Formation lying unconformably on prodelta deposits of the Fort Brown Formation. Detailed study across the Ecca-Beaufort contact in this part of the basin now reveals the same lithological transition as is present in the rest of the basin. Contrary to previuos work, this has shown that the Waterford Formation is indeed present in this part of the basin. This in effect means that the Grahamstown map sheet (1:250 000, Map 3326) requires modification to include this Formation and the new contact placement of the Ecca-Beaufort contact occurs some 70 to 120m above the presently mapped contact. Fossils collected during this and previous studies show that biostratigraphically Tapinocephalus Assemblage Zone fauna occurs in the rocks of the Koonap Formation in this part of the basin, indicating that the Ecca-Beaufort contact in the southern part of the basin youngs towards the east. This supports the prograding shoreline deposition model that has been previously proposed for the Ecca-Beaufort contact.

Inclement climate conditions have made the Arctic Ocean logistically difficult to study, and thus, our historical knowledge of Arctic Ocean processes are limited. Recent observations indicate rapid and abrupt changes in climate. These changes are thought to includes rising temperatures, increase storm activity, altered freshwater balance and a notable decrease in the concentration and extent of sea ice covering the Arctic Ocean. Increasing awareness of these changing conditions and our poor knowledge of how the physical environment influences carbon fluxes, planktonic productivity and biogeochemical cycling have lead to international efforts to address these questions. The data presented here addresses biogeochemical cycling and phytoplankton primary production in the pelagic ecosystem. Given the pace of environmental change in the arctic (rapid ice retreat, record minimum ice extents, and temperature rise) and the relatively little historical data that is available for the region, the data presented here can also be used as a baseline data set from which predictions can be made and future observations can be compared. / Conducted as part of the Canadian Arctic Shelf Exchange Study (CASES), this thesis provides a current review of nutrient dynamics and cycling, and estimates of annual new and net primary production for the Mackenzie Shelf, the Amundsen Gulf and the Cape Bathurst polynya in the southeastern Beaufort Sea in the Canadian Arctic Ocean.

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L'amphipode hypéridé Themisto libellula joue un rôle primordial dans l'écosystème de l'Océan Arctique. Malgré cela, son cycle vital et son écophysiologie n'ont pas été décrits adéquatement. Cette recherche a porté spécifiquement sur le régime alimentaire, le contenu lipidique, l'infection parasitaire et la structure de population de cet amphipode dans le sud-est de la mer de Beaufort durant trois années consécutives (2002-2004). Des études approfondies de l'alimentation à différentes saisons ont révélé que T. libellula est un omnivore. Pendant le printemps et l'été, leurs estomacs contenaient des composés provenant d'algues et de copépodes. En avril, une alimentation cannibale par des femelles sur des individus nouvellement éclos est apparue. L'alimentation était bien reflétée par les analyses de chromatographie en phase gazeuse où les acides gras 20:l(oe-9) et 22:l(co-ll) caractérisaient les proies Calanus et 20:5(co-3) and 22:6(co-3) identifiaient un lien étroit avec le phytoplancton. Parmi différentes classes de lipides, les triacylglycérols (TAG) et les esters cireux (EC) étaient dominants chez les femelles, les mâles, et chez les individus immatures. Des analyses détaillées ont mis en lumière une infection par deux parasites : la nouvellement décrite grégarine Ganymedes themistos sp. n. et un cilié non identifié. 60,2% des intestins de T. libellula étaient infectés par des grégarines et 4,4% des cavités corporelles par des ciliés. Le nombre de G. themistos augmente avec la taille de l'hôte dans la gamme de tailles 8-20 mm des amphipodes analysés. Considérant les trois régions de l'aire d'étude (le talus du plateau du Mackenzie, le plateau du Mackenzie et le golfe d'Amundsen), l'infection la moins sévère était localisée sur le talus (63 ± 100 G. themistos hôte" ). Nous avons conclus qu'il n'y avait pas eu d'effet nocif des grégarines sur l'alimentation et la maturation sexuelle de l'hôte. Par contre, les différences de pourcentage d'infection entre les échantillons de filets et de trappes à sédiments (6% contre 16,3%, respectivement), suggèrent que les ciliés pourraient entrainer de la mortalité chez T. libellula. Il n'y avait pas de différence dans les structures de populations entre les trois régions désignées. La densité d'amphipodes la plus élevée a été observée au printemps (323,4 ind. 100 m"3), due à des juvéniles nouvellement éclos. Il a été conclu que T. libellula peut se reproduire tous les ans et a une durée de vie de plus de deux ans. En hiver, la migration des individus adultes vers des strates plus profondes (100 m) a été observée alors que les immatures restaient plus proches de la surface. Des observations durant le soleil de minuit indiquent qu'une partie de la population migrait vers la couche de surface durant la nuit.

L'objectif de mon étude était de décrire la dynamique des isotopes stables du carbone et de l'azote de la matière organique particulaire sympagique pendant la transition printanière en mer de Beaufort. La biomasse de protistes et la disponibilité en carbone inorganique dissous ont été identifiées comme principaux facteurs de contrôle du signal isotopique du carbone à la base de la glace annuelle. Les signatures isotopiques de l'azote n'ont pu être expliquées à l'aide des variables mesurés. Un apport substantiel de protistes provenant de la glace a été détecté jusqu'à 30 mètres de profondeur à l'aide des isotopes stables du carbone. Cette analyse a également permis de souligner le plus grand potentiel des diatomées sympagiques à être exportées vers le fond marin et celui des cellules flagellés à participer à la biomasse pélagique. Ces derniers ont le potentiel d'ensemencer la colonne d'eau en cellules pouvant participer à la production primaire et d'alimenter le réseau alimentaire pélagique lors d'épisodes de libération de protistes sympagiques.

Le zooplancton exerce un rôle primordial dans les transferts d’énergie à travers les réseaux trophiques océaniques et dans le cycle biogéochimique du carbone des écosystèmes marins. La communauté entière recycle du CO2 en consommant le carbone photosynthétiquement fixé en surface, et en le respirant ensuite. Des migrateurs verticaux transportent du carbone stocké et le respirent en profondeur, contribuant à son exportation de la zone épipélagique. En Arctique, ce flux actif respiratoire n’a pas été mesuré, malgré un potentiel élevé de transport du à la forte contribution du migrateur saisonnier Calanus hyperboreus à la biomasse zooplanctonique. Cette thèse exploite une série quasi-annuelle de profils de biomasse et de respiration zooplanctoniques pour : (1) quantifier ce processus en mer de Beaufort; (2) améliorer les connaissances sur les fluctuations saisonnières de la distribution verticale de sept copépodes arctiques clés; et (3) suivre le cycle biologique de C. hyperboreus. Ce grand herbivore constituait 45 % de la biomasse zooplanctonique et a effectué les migrations verticales les plus extensives. Son ascension saisonnière, de l’ordre de 200 m, et celles de moindre ampleur de C. glacialis et du petit omnivore Oithona similis, ont coïncidé avec les efflorescences d’algues de glace et phytoplanctoniques. Malgré une reproduction hivernale vigoureuse en profondeur, une débâcle hâtive de la banquise, et une production primaire élevée, un faible recrutement au stade copépodite a entrainé une stagnation de la croissance de la population de C. hyperboreus. Très abondant, l’omnivore Metridia longa, et Microcalanus pygmaeus, ont pu exercer dans leur habitat mésopélagique un contrôle sur cette population en interceptant les œufs de C. hyperboreus flottant vers la surface. Le cryophile Pseudocalanus spp. est resté en permanence dans la zone épipélagique froide, tandis que le mésopélagique Triconia borealis, possiblement un semi-parasite de C. hyperboreus, était associé avec dans la couche Atlantique plus chaude. La température a eu peu d’effet sur les déplacements verticaux des copépodes arctiques. Le grand zooplancton, dominé par les Calanus, était responsable de 89% du broutage zooplanctonique de la production primaire brute d’avril à juillet. Les transports de carbone au delà de 100 m et 200 m par ces Calanus étaient du même ordre de grandeur que les flux gravitationnels de carbone organique particulaire à ces profondeurs. Ces résultats soulignent l’importance d’inclure le transport actif dû aux migrateurs saisonniers du grand zooplancton dans les bilans de carbone de l’Océan Arctique. / Zooplankton play a pivotal role in the energy transfer through the oceanic food webs and in the biogeochemical carbon cycle within marine ecosystems. The entire community recycles CO2 by consuming photosynthetically fixed carbon and respiring it thereafter. Vertical migrants transport stored carbon and respire it at depth, thus, contributing to its export from the epipelagic zone. Active respiratory flux has not been measured in the Arctic despite the high potential for transport due to the strong contribution of the seasonal migrant Calanus hyperboreus to zooplankton biomass. This thesis exploits a quasi-annual time series of zooplankton biomass and respiration profiles to: (1) quantify this process in the Beaufort Sea; (2) improve our knowledge on the seasonal fluctuations of the vertical distribution of seven key arctic copepods; and (3) track the life cycle of Calanus hyperboreus. This large herbivore contributed 45% to the zooplankton biomass and performed the most extensive vertical migration. Its seasonal ascent, ranging about 200 m, and those of lesser magnitude of C. glacialis and the small omnivore Oithona similis, coincided with the ice algae and phytoplankton blooms. Despite vigorous winter reproduction at depth, a precocious ice break-up, and high spring-summer primary production, weak recruitment to copepodite stage caused C. hyperboreus population growth to stagnate. In their mesopelagic habitat, the highly abundant omnivore Metridia longa, and Microcalanus pygmaeus, could have exerted a control on this population by intercepting C. hyperboreus eggs floating toward the surface. The cryophilic Pseudocalanus spp. remained year-round in the cold epipelagic zone while the mesopelagic Triconia borealis, likely a semi-parasite of C. hyperboreus, was associated with it in the warmer Atlantic layer. Temperature had little effect on the vertical displacements of arctic copepods. The Calanus-dominated large zooplankton was responsible for 89% of zooplankton grazing on the April-July gross primary production. Carbon transport below 100 m and 200 m depth, mediated by the Calanus species, was of the same magnitude as the gravitational fluxes of particulate organic carbon to these depths. These results stress the importance of including active transport by large zooplankton migrants in carbon budgets of the Arctic Ocean.

Les picoeucaryotes (les eucaryotes dont la taille < 3um) arctiques sont reconnus depuis quelques années pour être importants pour la production primaire et le maintien de l'intégrité globale des écosystèmes marins. Par contre, leur petite taille les rend difficiles à distinguer par des techniques de microbiologie traditionnelles comme la microscopie. Afin de pallier à ces limitations et d'étudier ces microorganismes directement dans leur environnement, on a maintenant recours à des méthodes moléculaires, qui sont par contre reconnues pour introduire un biais dans l'obtention des résultats. Afin d'améliorer ces t e c h n i q u e s , l ' i m p o r t a n c e de ce biais a été étudiée à l'aide d'espèces cultivées et d'échantillons environnementaux pélagiques arctiques. A la lumière de ces résultats, les communautés de picoeucaryotes arctiques présentes à la côte et au large de la mer de Beaufort ont été comparées afin de mieux comprendre leur dispersion et leur rôle dans l'environnement.

Both the SW South China Sea and southern Beaufort Sea represent areas of extended continental crust, located on continental margins associated with oceanic spreading centres and zones of continent ocean transition (COT). Multichannel seismic reflection data are interpreted to characterize the COT in the SW South China Sea and the Southern Beaufort Sea. Based on the modelling and subsidence analysis, these two areas, SW South China Sea and southern Beaufort Sea, are compared with each other and the process of formation of hyper-extended crust in marginal oceanic basins can be conceptually modelled. It is noted that the initial weak thinning of the continental crust happened and the ductile middle/lower crust is coupled with the brittle upper crust. As extension continued, the continental crust is thinned down to ~10km, which is in accord with depth-dependent lithosphere thinning. Major crustal thinning is unlikely to result from brittle, high-angle normal fault in the upper crust. The degrees of lower crustal extension are so high and very high amounts of lower crustal extension, presumably achieved by ductile flow, would be required to have affected the crust within the COT. The seafloor spreading centre existed in the area adjacent to the research regions, so the extension within the COT occurred prior to the onset of seafloor spreading and the lower ductile flow is away from the continent and towards the oceanic crust. The interpretations require that the continental lithosphere prior to seafloor spreading must have been very weak given the evidence for significant lower crustal flow, inferred shallow depth of the brittle ductile transition and the fact that the COT continued to extend after the cessation of seafloor spreading.

A detailed examination of low visibility (LV) occurrences and the weather types that cause low visibility, with a focus on fog, was performed for five weather stations in the western Canadian Arctic, in the vicinity of the Amundsen Gulf area of the eastern Beaufort Sea. A series of climatologies were developed that established patterns of LV occurrence as a proportion of all observations and as a function of LV events caused by fog. Frequency climatologies for other weather types were also performed; in particular, for snow, blowing snow, rain, and drizzle. Annual climatologies were used to identify trends in several weather parameters over the 1980-2015 period of study. Monthlies were used to identify typical patterns of occurrence over the course of a year, and hourlies over the course of a day. A dataset of multi-hour fog events was also created; some of these were related to synoptic patterns. Analysis was also broken down by season. Results indicate several things. Monthly climatologies showed considerable diversity across the study area. Three distinct groupings were noted: Tuktoyaktuk and Ulukhaktok with a maximum frequency of LV conditions in February, Aklavik and Inuvik with a maxiumum frequency in October, and Sachs Harbour in August. The February maximum in Tuktoyaktuk and Ulukhaktok was related to cold air temperatures combined with small amounts of moisture from sea ice leads. The Alkavik and Inuvik October maximum was related to moisture advected over land from remaining open water, as well as diurnal snow melt adding moisture to the boundary layer that condenses as the evening cools off. The August maximum in Sachs Harbour is a reflection of proximity to open water and cold air temperatures. Hourly climatologies in the spring/fall season showed most stations have maximum occurrence of LV events caused by fog in the early morning. This is a radiative effect; cooling overnight causes radiation fog that peaks in occurrence just as morning begins. This peak is pushed into the midday in the winter, and is much weaker in the summer, both reflections of the changing pattern of daylight hours. / Graduate