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La méthode de reconstitution de l'histoire de la température à la surface du sol (HTSS) à partir de profils de température mesurés dans des forages est présentée et mise en application afin d'apporter quelques éléments de réponse à des questions portant sur les changements climatiques passés. La thèse est divisée en trois chapitres dont le premier porte principalement sur des aspects méthodologiques et les deux autres sur des problèmes de détermination des changements de températures de surface auxquels la méthode fournit des solutions. Le premier chapitre porte sur la sélection de profils de température lors de reconstitutions régionales de l'HTSS. Différents procédés de reconstitutions d'HTSS régionales à partir d'ensembles de profils de température sont comparés afin de déterminer quels avantages peut présenter une sélection de profils de température non contaminés par des perturbations non climatiques par rapport à une analyse globale de tous les profils mesurés. Les résultats montrent que la résolution ainsi que la stabilité des résultats sont grandement améliorées par une sélection minutieuse des profils de température. Non seulement l'inversion simultanée de profils très bruités n'améliore pas la résolution de la solution, mais l'inclusion de ces profils cause de fortes instabilités et peut fausser les résultats. Même si le nombre de profils non contaminés est généralement faible (par exemple, seuls 13 des 73 forages mesurés au Manitoba et en Saskatchewan sont considérés non contaminés), il est toujours préférable de sélectionner les profils afin d'obtenir une HTSS stable, fiable et ayant une bonne résolution. Si les profils contaminés par des perturbations non climatiques ne peuvent être éliminés, le meilleur moyen d'obtenir une HTSS stable est de faire la moyenne des inversions individuelles de chacun des profils, cependant la résolution de la solution sera très faible. Le deuxième chapitre présente une HTSS des 400 dernières années au site minier Raglan, situé dans le nord de la péninsule d'Ungava, déterminée à l'aide de profils de température mesurés dans des forages creusés dans le pergélisol. Des écarts très prononcées par rapport à l'état stationnaire sont observés dans les 200 premiers mètres des profils de température mesurés et sont interprétés comme ayant été causés par les variations récentes de la température à la surface du sol. Seul un des profils de température n'est pas affecté par des perturbations non climatiques et est donc analysé en détail à l'aide de trois méthodes indépendantes, soit deux méthodes d'inversion et une méthode directe. Les résultats montrent un réchauffement de 1.4 K entre le milieu du 18e siècle et 1940. Ce réchauffement est suivi d'une période de refroidissement caractérisée par une chute des températures de surface d'environ 0.4 K dura entre 40 et 50 ans. Depuis les 15 dernières années, les températures de surface ont bondi de plus de 1.7 K dans la région. Le troisième chapitre présente des HTSS de plus de 30000 ans déterminés par l'inversion de profils de température très profonds (2000 mètres) situés à divers endroits au Canada. Ces HTSS permettent entre autre de déterminer les températures à la base du glacier Laurentidien (températures basales) au dernier maximum glaciaire. Pour ce faire, quatre nouveaux profils très profonds mesurés à Sudbury et Manitouwadge sont analysés et interprétés conjointement avec quatre profils profonds déjà publiés (Flin Flon, Thompson, Balmertown et Sept-Îles). Une ré-analyse complète de tous les profils déjà publiés est effectuée afin de permettre une comparaison objective de tous les résultats. Les résultats montrent que sous la portion sud du glacier Laurentidien, les températures basales avaient des valeurs entre 0 et -2 °C au dernier maximum glaciaire. Ces résultats sont en accord avec les prédictions des modèles isostatiques et des observations de surface qui suggèrent que les températures basales devaient être près du point de fusion de la glace afin de permettre un écoulement rapide de la glace basale. Les reconstitutions de l'HTSS permettent également d'étudier l'amplitude et la chronologie de l'optimum climatique de l'Holocène pour chacun des sites étudiés. Les valeurs obtenues sont en accord avec les résultats de multiples études utilisant différents proxies. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Paléoclimatologie, Géophysique, Inversions, Reconstitutions climatiques, Températures de surface, Forages, Anomalies de température, Flux de chaleur.

En faisant l’adaptation d’un modèle numérique récemment développé à l’Université Laval, il a été possible d’évaluer le flux thermique à travers une fondation construite dans différents sols typiques. L’étude consiste en une analyse numérique de transfert thermique incluant la conduction, la convection, le transfert de vapeur et le changement de phase dans des conditions hydrostatique pour des conditions de fondations et de sols représentatives. La comparaison des modèles incluant différents modes de transfert thermique ne montre pas de différence significative à l’exception du modèle incluant le changement de phase. Les résultats montrent une augmentation du flux thermique d’environ 0,5 W/m2 au maximum provoqué par le changement de phase. Ce travail comprend également la comparaison des déperditions thermiques dans l’argile, le sable et le silt.

Nous construisons un modèle dépendant du temps, en géométrie tridimensionnelle sphérique, de la convection dans un manteau compressible et dissipatif qui est compatible avec la dynamique de l'écoulement mantellique instantané basé sur la tomographie sismique. Nous réalisons cet objectif à l'aide d'une méthode numérique pseudo-spectrale actualisée et révisée. En résolvant le problème direct de la convection thermique dans le manteau, nous obtenons une gamme réaliste de flux de chaleur à la surface de la Terre, variant de 37 TW pour une surface rigide à 44 TW pour une surface avec plaques tectoniques couplés à l'écoulement mantellique. De plus, nos modèles de convection prédisent des flux de chaleur à la frontière noyau-manteau (CMB) qui se trouvent à la limite supérieure des valeurs estimées précédemment, à savoir 13 TW et 20 TW, pour la surface rigide et la surface avec plaques, respectivement. Les deux conditions aux limites de surface, ainsi que les profils radiaux de viscosité inférés de la géodynamique, donnent des flux convectifs en état d'équilibre qui sont dominés par de longues longueurs d'onde tout à travers la partie inférieure du manteau. À savoir la condition de surface rigide donne un spectre d'hétérogénéité mantellique dominé par le degré 4 à 1 intérieur des couches limites thermiques (TBL), et la condition de surface avec plaques donne comme résultat un spectre dominé par le degré 1. Nous démontrons que la structure initiale thermique est fortement imprimée sur l'évolution future du manteau, et aussi que la mesure dans laquelle l'hétérogénéité initiale du manteau détermine la distribution de la température finale dépend de la condition à la limite de la surface. Notre exploration de la dépendance temporelle de l'hétérogénéité spatiale indique que, pour ces deux types de condition aux limites à la surface, les remontées de matière chaude provenant du manteau profond qui sont résolues dans le modèle tomographique sont des caractéristiques durables et stables de la convection dans le manteau terrestre. Ces panaches chauds profondément enracinées dans le manteau profond démontrent une longévité remarquable au cours de très longues des intervalles de temps géologiques. Cette stabilité des panaches profonds est principalement due à la forte viscosité dans le manteau inférieur inférée avec les données géodynamiques. Nous proposons également que les panaches mantelliques profondes sous les points chauds («hotspots») suivants : Pitcairn, Pâques, Galápagos, Crozet, Kerguelen, Caroline, et le Cap-Vert, sont les mieux résolus par l'imagerie tomographique du manteau à grand échelle. Afin de résoudre et évaluer la robustesse du problème inverse de la convection mantellique, nous considérons et comparons deux différentes techniques numériques actuellement utilisées dans la modélisation de la convection vers le passé : les méthodes de la quasi-réversibilité (QRV) et de l'advection vers l'arrière (BAD), sur un intervalle de temps de plus de 65 millions d'années. Nous définissons une nouvelle formulation du paramètre de régularisation pour la méthode QRV en terme d'une fonction dépendant du temps et nous quantifions la gamme des incertitudes suivantes, [7 à 29]% [11 à 37]% [8 à 33]%, et [6 à 9]% pour les champs de la divergence des plaques, les anomalies de gravité à l'air libre, la topographie dynamique de la surface, et la topographie de la CMB, respectivement. Les implications dominantes pour le problème inverse de la convection mantellique sont à la fois le choix d'un géotherme et le type de condition limite à la surface. Toutefois, l'impact critique sur la reconstruction de l'évolution thermique du manteau provient de l'intégration entre les hétérogénéités du manteau (structures décrites par degrés harmoniques l ≥ 1) et un géotherme «réaliste» (structure décrite par le degré harmonique l = 0), à l'intérieur des couches limites thermiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Flux de chaleur, tomographie sismique, tectonique planétaire, courants de convection, panaches mantelliques, points chauds, rhéologie du manteau, méthodes d'inversion, Cénozoïque.

La caractérisation de l'agencement spatial des propriétés hydrauliques est essentielle pour prédire les écoulements et le transport des solutés dans les milieux hétérogènes. Les méthodes de tomographie hydraulique, principalement développées pour estimer les propriétés des milieux poreux, n'ont qu'une faible résolution spatiale qui ne reflète pas la vraie hétérogénéité des distributions de fractures des milieux fracturés. Le principal objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode d'inversion spécifique pour imager les propriétés hydrauliques et de transport des milieux fracturés à l'échelle du site. Pour atteindre ces objectifs, des expériences in situ ainsi qu'une nouvelle approche de modélisation inverse sont proposées, notamment en utilisant la température comme marqueur des écoulements. Nous proposons tout d'abord la tomographie d'écoulement basée sur des tests séquentiels de débimétrie entre puits, comme une nouvelle approche pour caractériser la connectivité des fractures ainsi que leur transmissivité. À partir de simulations numériques reproduisant des cas d'études synthétiques, nous montrons que l'approche par tomographie réduit significativement l'incertitude sur les paramètres estimés, et fournit une caractérisation détaillée du réseau de fracture sans requérir à l'utilisation d'obturateurs hydrauliques. Nous montrons ensuite comment les mesures de température peuvent être utilisées pour quantifier les écoulements dans les milieux fracturés. Le grand intérêt d'utiliser la température est d'obtenir facilement et de façon continue en puits des profils de température. En utilisant un modèle numérique d'écoulement et de transfert de chaleur à l'échelle du puits, une méthode d'inversion pour estimer les vitesses d'écoulement dans le puits à partir des données de température est proposée. Nous couplons ensuite les deux approches présentées précédemment dans une nouvelle approche expérimentale consistant en des enregistrements séquentiels de température dans un puits dans des conditions de pompage entre puits. L'application de cette approche de tomographie en température sur le site de Stang er Brune montre des résultats encourageants pour l'identification du réseau global de connectivité et des zones d'écoulement principales. Enfin, nous discutons de l'intérêt d'utiliser la chaleur comme traceur par rapport à l'utilisation de traceurs classiques. Nous montrons que réaliser des tests de traçage thermiques en milieu fracturé fournit des contraintes supplémentaires importantes sur les propriétés de transport du milieu. / The accurate characterization of distribution of hydraulic properties and connectivity distribution is essential to predict flow and transport in fractured media. Classical approaches were developed for homogeneous aquifers and result in smooth tomograms that often do not match true heterogeneity distribution of fractured media. The main goal of this thesis is to develop new inverse approaches specifically for imaging hydraulic and transport properties in fractured media at the field-scale. To attain this objective new in situ measurement methods as well as new inverse modelling frameworks are proposed.We first propose flow tomography (i.e., sequential cross-borehole flowmeter tests) as a new approach for characterizing fracture connectivity and transmissivities. Based on a discrete fracture network approach, we present a general method to invert flow tomography data. From synthetic case studies, we show that the tomographic approach reduces significantly the uncertainty on the parameter estimation. Flow tomography approach provides detailed characterization on fracture networks without the necessity of using packers. We then study the contribution of temperature measurements for quantifying flow in fractured media. The advantage of using temperature data is that temperature profiles can be obtained more easily and continuously in space, compared to flowmeter profiles. Using a numerical model of flow and heat transfer at the borehole scale, a method to invert temperature measurements to derive borehole flow velocities was proposed. We then couple the two previously proposed approaches in a new experimental approach which we call temperature tomography. This experiment consists of sequential borehole temperature logging under cross-borehole flow conditions. The full inverse framework is then presented to interpret temperature tomography experiments. Application of the temperature tomography approach to Stang er Brune field site showed encouraging results for the identification of general connectivity patterns and transmissivities of the main flowpaths. Finally, we explore the interest of using push-pull thermal tracer tests. Through field experiments and numerical modelling, we demonstrate that conducting push-pull heat tracer tests provide important constraints on the effective transport behavior.

Tout mécanisme de formation d'un bassin sédimentaire porte une signature thermique caractéristique. Inversement, la reconstitution de l'histoire thermique d'un bassin sédimentaire permet d'en tirer des conclusions sur les mécanismes et l'histoire de sa formation. Les méthodes géothermométriques nous permettent d'étudier l'histoire thermique d'un bassin. Les enregistrements réalisés nous renseignent, soit sur les conditions de température (ou conditions T/P) instantanées (températures de fermeture, de cristallisation, etc.), soit sur les effets du couple température-temps (énergie) au cours de la diagenèse (transformation de la matière organique, transformation des minéraux argileux). Ce mémoire présente les résultats d'une étude réalisée dans l'avant-pays alpin de Suisse et de Haute-Savoie (France). Le bassin molassique s'étend le long du front externe de l'arc alpin sur plus de 800 km, de Chambéry à Vienne. Depuis le front alpin la sédimentation de la Molasse, essentiellement détritique, pro grade vers le nord-ouest. Cet élargissement du bassin au cours du temps est matérialisé par la position des biseaux appartenant à des groupes lithostratigraphiques successifs. L'épaisseur des dépôts varie de quelques dizaines de mètres dans la partie distale jurassienne à plus de 4000 m dans la partie proximale subalpine. Sur le plan lithostratigraphique, la Molasse peut être divisée en quatre groupes où les faciès prédominants sont alternativement marins et terrestres: UMM (Molasse marine inférieure, Rupélien-Chattien), USM (Molasse d'eau douce inférieure, Rupélien-Burdigalien?), OMM (Molasse marine supérieure, Burdigalien-Langhien?) et OSM (Molasse d'eau douce supérieure, LanghienSerravalien). Du nord-ouest au sud-est, le bassin molassique est divisé en trois ensembles tectoniques: i) la Molasse du Jura, ii) la Molasse du Plateau et iii) la Molasse subalpine. Par le biais d'une meilleure compréhension des processus qui contrôlent le régime paléogéothermique, l'objectif de cette étude est la reconstitution de l' histoire thermique de quelques périmètres du bassin molassique au cours du Tertiaire. La démarche suivie peut être décomposée en trois phases principales: - La phase d'échantillonnage. Afin de rendre les résultats obtenus les plus significatifs possibles, les échantillons ont été prélevés avec une large dispersion géographique. Du sud-ouest au nord-est, cinq régions ont été explorées: Haute-Savoie (Bornes, Plateau de Bornes, Bassin de Bellegarde, Bassin de Rumilly) et bassin genevois, Suisse occidentale (région entre le lac de Neuchâtel et le lac de Genève), région du lac de Thoune, Suisse orientale (région centrée autour du lac de Zürich), Suisse septentrionale (région située dans la prolongation des failles du fossé rhénan vers le sud, dans le Jura tabulaire et le Jura plissé); - La phase d'analyse. Quatre types de méthodes ont été utilisées: étude de la réflectance de la vitrinite, étude diffractométrique des argiles, étude des inclusions fluides et pyrolyse RockEva!. - La cartographie des résultats et la modélisation de l'histoire thermique.

La caldera du volcan Rinjani contient un lac d’un volume de 1 km³ qui est probablement le plus grand lac volcanique au monde présentant une anomalie thermique nette. Ce lac présente une composition neutre chlorure sulfate bicarbonate inhabituelle pour les lacs volcaniques. Sa TDS (2600 mg/l) et conductivité (3500µs/cm) élevées indiquent un apport de fluides hydrothermaux très important. Enfin, son alcalinité élevée (520 mg/l), indique un apport important de dioxyde de carbone dans le lac.<p>Les sources thermales situées autour du Gunung Baru (cône volcanique situé dans la caldera) ont une composition chimique en éléments majeurs et une composition isotopique proche de celles du lac volcanique indiquant qu’elles sont essentiellement le résultat du recyclage du lac par le système hydrothermal. Les variations de compositions entre les différentes sources ont permis de montrer que leurs compositions est le résultat du mélange entre un fluide hydrothermal profond de composition neutre chlorure, dont la température a été estimée à 270°C, et d’un fluide plus superficiel riche en magnésium et en sulfate.<p>Le flux de dioxyde de carbone à la surface du lac a été estimé à l’aide de la méthode de la chambre d’accumulation et par calcul à environ 2300 t/j, ce qui représente un apport significatif de gaz. Cependant, comme le lac présente une structure polymictique, le risque d’accumulation de dioxyde de carbone en profondeur et donc d’éruption limnique peut être exclus.<p>Pour la première fois dans cette thèse, le modèle d’estimation des flux thermiques émis par les lacs volcaniques mis au point par Stevenson (1992) a été contraint par des mesures des paramètres météorologiques mesurés en continu, ce qui a permis de valider le modèle. De plus, nous avons pu montrer que l’essentiel des variations de températures des lacs volcaniques est dû à des variations météorologiques. En utilisant le flux thermique plutôt que la température, il est dès lors possible d’avoir accès à des variations de l’activité volcanique.<p>Le flux thermique estimé pour le lac du Rinjani est de 1700 MW, ce qui représente le flux le plus élevé jamais mesuré sur un lac volcanique aérien. Ce flux thermique est aussi plus élevé que le flux thermique mesuré sur des lacs de lave à 800°C. Ce paradoxe apparent s’explique par la plus grande dimension des lacs volcaniques, la capacité calorifique de l’eau quatre fois plus importante que celle du magma et la viscosité de l’eau 1 million de fois inférieure, ce qui fait de l’eau un excellent fluide caloporteur pour transporter les calories vers la surface.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

Dans les régions nordiques, l'accumulation préférentielle d'un couvert neigeux isolant en bordure des infrastructures de transport linéaires limite l'extraction de la chaleur en hiver. En terrain pergélisolé, cette modification de l'équilibre thermique peut être une cause importante de la dégradation du pergélisol sous-jacent affectant grandement les propriétés structurales de la chaussée. Puisque les transferts de chaleur dans le manteau neigeux sont essentiellement gouvernés par le mécanisme de conduction, son effet isolant peut être contré en diminuant l'épaisseur de neige présente sur les pentes et aux pieds du remblai. Pour ce faire, l'adoucissement de la pente des talus favorise un écoulement laminaire du vent qui souffle plus facilement la neige loin du remblai et minimise son accumulation. Les présents travaux de recherche ont pour objectif de mettre au point une méthode de conception visant la stabilisation thermique des infrastructures de transport linéaires construites sur le pergélisol en optimisant la géométrie du remblai de façon à prendre en compte l'accumulation de neige préférentielle. L'approche générale de l'étude repose sur l'utilisation d'un modèle bidimensionnel, réalisé à l'aide du logiciel de modélisation géothermique TEMP/W, qui simule l'effet du couvert neigeux sur le sol sous-jacent. L'instrumentation d'un transect de la piste d'atterrissage de Tasiujaq, au Nunavik, a permis d'y documenter le régime thermique du sol et l'évolution du couvert neigeux. À partir de ces données, le facteur n de gel a pu être exprimé en fonction de la hauteur de neige suivant une équation logarithmique. Cette relation empirique sert de condition limite à la surface du modèle géothermique. Le modèle, calibré et validé à l'aide de températures collectées au site d'essai de Tasiujaq, permet de quantifier l'impact de la géométrie du remblai sur le gradient de température dans le sol d'infrastructure. Ce dernier est calculé à partir de la température à l'interface entre le remblai et le sol et celle à la profondeur de variation d'amplitude annuelle nulle. Un gradient de température nul ou négatif est visé afin de préserver le pergélisol. Un tel régime thermique est obtenu en corrigeant la température à l'interface. Ainsi, afin d'obtenir les températures à l'interface correspondantes, des simulations numériques sont effectuées pour six pentes de talus variant de 45 à 14% (11H : 5V à 7H : 1V), et ce, pour trois hauteurs de remblai. Ultimement, ces résultats sont présentés sous la forme d'un outil de calcul de la pente requise pour assurer la stabilité thermique d'un remblai en fonction de la hauteur du remblai pour des sites où le vent et l'orientation favorise l'accumulation de neige. / In northern regions, preferential accumulation of an insulating snowpack along linear transportation infrastructures prevents the extraction of heat in winter. In permafrost terrain, this thermal equilibrium modification can be a significant cause of the underlying permafrost degradation, which affects the structural properties of the roadway. Since heat transfers through the snowpack are essentially controlled by the mechanism of conduction, its insulating effect can be counteracted by decreasing the thickness of snow on the slopes and at the toe of the embankment. To achieve this goal, the gentle slope promotes a laminar wind flow that blows snow away easily and, therefore, minimizes its accumulation. The main objective of this research project is to develop a design method aiming for thermal stabilization of linear transportation infrastructures built on permafrost by optimizing the embankment geometry to consider the preferential accumulation of snow. The general approach of the study relies on the use of a 2D model (produced with the modeling software TEMP/W) simulating the snowpack effect on the underlying ground. The monitoring of a transect at Tasiujaq airstrip, in Nunavik, documents the thermal regime in the ground and the evolution of the snowpack. Based on those data, the freezing n-factor was expressed as a function of the snow thickness following a logarithmic equation. This empirical relation is used as an upper boundary of the geothermal model. Once calibrated and validated with the data collected at theTasiujaq test site, the model allows to quantify the impact of the embankment geometry on the temperature gradient in the natural subgrade ground. This gradient is calculated from the temperature at the interface between the embankment and the ground and the temperature at the depth of zero annual amplitude. A temperature gradient of zero or less is aimed to preserve the permafrost. This ground thermal regime is obtained by correcting the temperature at the interface. Therefore, numeric simulations are run for six slopes between 45 and 14% and for three embankment thickness. Finally, these results are presented through an engineering tool calculating the slope needed to assure the thermal stability of the infrastructure depending of the embankment height.