La modélisation numérique des écoulements de glace est indispensable pour prédire l’évolution des calottes polaires suite au réchauffement climatique. De récentes études ont souligné l’importance des modèles d’écoulement dits d’ordre supérieur voir même de Stokes au lieu de la traditionnelle approximation de couche mince dont les hypothèses ne sont pas valables dans certaines zones critiques mais à l’étendue limitée. Cependant, ces modèles d’ordre supérieur sont difficiles à utiliser à l’échelle d’un continent en raison de leurs temps de calculs prohibitifs. Ce travail de thèse propose une nouvelle technique qui permet de réduire les temps de calculs tout en maximisant la précision des modèles. Plusieurs modèles d’écoulement de glace de complexité variables ont été mis en place dans ISSM (Ice Sheet System Model), un code élément fini massivement parallèle développé par le Jet Propulsion Laboratory. L’analyse et la comparaison des différents modèles, à la fois sur des cas théoriques et réels, montrent que l’utilisation des modéles les plus complets est principalement nécessaire au voisinage de la zone d’échouage, transition entre les parties flottantes et posées de la glace, mais aussi que des modèles plus simples peuvent être utilisés sur la majeure partie des glaciers. Coupler différents modèles présente donc un avantage significatif en terme de temps de calcul mais aussi d’amélioration de la physique utilisées dans les modèles. Plusieurs méthodes de couplage de modèles existent et sont présentées dans ce manuscrit. Une nouvelle technique, dite de tuilage, particulièrement adaptée au couplage de modèles d’écoulement de glace est décrite ici : son principe repose sur la superposition et le raccordement de plusieurs modèles mécaniques. Une analyse mathématique est effectuée afin de définir les conditions d’utilisation de cette méthode de tuilage. Le traitement du couplage entre un modèle de Stokes et des modèles simplifiés, pour lesquels le calcul des vitesses horizontales et verticales est découplé, est ensuite présenté. Cette technique a été mise en place dans ISSM afin de pouvoir créer des modèles hybrides combinant plusieurs modèles d’écoulement de complexité variable. Après avoir été validée sur des cas synthétiques, cette technique est utilisée sur des glaciers réels comme Pine Island Glacier, dans l’Antarctique de l’Ouest, afin d’illustrer sa pertinence. Les modèles hybrides ont le potentiel d’améliorer la précision des résultats en combinant différents modèles mécaniques, utilisés chacun dans les zones où leurs approximations sont valides, tout en réduisant les temps de calcul et en étant compatibles avec les ressources informatiques actuelles. / Ice flow numerical models are essential for predicting the evolution of ice sheets in a warming climate. Recent research emphasizes the need for higher-order and even full-Stokes flow models instead of the traditional Shallow-Ice Approximation whose assumptions are not valid in certain critical but spatially limited areas. These higher-order models are however computationally intensive and difficult to use at the continental scale. The purpose of this work, therefore, is to develop a new technique that reduces the computational cost of ice flow models while maximizing their accuracy. To this end, several ice flow models of varying order of complexity have been implemented in the Ice Sheet System Model, a massively parallelized finite element software developed at the Jet Propulsion Laboratory. Analysis and comparison of model results on both synthetic and real geometries shows that sophisticated models are only needed in the grounding line area, transition between grounded and floating ice, whereas simpler models yield accurate results in most of the model domain. There is therefore a strong need for coupling such models in order to balance computational cost and physical accuracy. Several techniques and frameworks dedicated to model coupling already exist and are investigated. A new technique adapted to the specificities of ice flow models is developed: the Tiling method, a multi-model computation strategy based on the superposition and linking of different numerical models. A mathematical analysis of a mixed Tiling formulation is first performed to define the conditions of application. The treatment of the junction between full-Stokes and simpler models that decouple horizontal and vertical equation is then elaborated in order to rigorously combine all velocity components. This method is finally implemented in the Ice Sheet System Model to design hybrid models that combine several ice flow approximations of varying order of complexity. Following a validation on synthetic geometries, this method is applied to real cases, such as Pine Island Glacier, in West Antarctica, to illustrate its relevance. Hybrid models have the potential to significantly improve physical accuracy by combining models in their domain of validity, while preserving the computational cost and being compatible with the actual computational resources.

Given its crucial role in atmospheric chemistry and its global warming potential, methane(CH4) deserves to be accurately budgeted. However, the recent renewed rise in atmosphericCH4 growth rates from 2007 on, after a few years of slow-down, attests that sources are notcompensated anymore by sinks, and calls for a better assessment of the processes contributingto the global CH4 budget. Among natural sources, oceanic emissions are still subject tomany uncertainties, due to the lack of sampling. This is particularly relevant in polar regions,where the role of sea ice on CH4 sea-air fluxes is largely unknown.In an effort to contribute to a better characterisation of CH4 dynamics in oceanic environments,we investigated very contrasted settings during a journey from temperate to polarregions and applied the concentration and stable isotope approach.We start by evaluating the performance of a commercially available in situ CH4 sensor(CONTROS HydroC® CH4 from Kongsberg Contros) in controlled and natural environments,with the hope of using it in the framework of our various field campaigns. Although thissensor has the potential to significantly increase the spatial and temporal resolution comparedto discrete sampling, the long response time prevents from using its measurements as absolutevalues in dynamic natural environments and calls for progress in the field of technologies forcontinuous in situ dissolved CH4 measurements. However, the sensor turns out to be veryuseful during cruises to observe relative changes in dissolved CH4 concentrations and guidethe discrete sampling episodes.Our journey starts in the Scheldt estuary, at the transition between land and sea. Stableisotope analyses reveal that the unusual enrichment of dissolved CH4 in 13C and D in theupper estuary could result from intense microbial oxidation or an unknown source upstream.In the lower part of the estuary, this enriched CH4 mixes with depleted CH4 produced bymethanogenesis in the sediments, before entering the North Sea.In the shallow coastal Wadden Sea, we highlight the dominant contribution of coastal areasto oceanic CH4 emissions. The progressive increase in dissolved CH4 concentrations coincidedwith a 2°C warming of seawater. Submarine groundwater discharge, controlled by thespring-neap tide cycle, and tidal pumping might also have contributed to temporal variationsin dissolved CH4 concentrations and isotopic composition.In the Barents Sea, sailing towards polar latitudes, we find that the fractional sea-ice coverdid not induce a significant change in CH4 concentration nor isotopic composition at theocean-atmosphere interface. Local CH4 seepages at the seafloor might be a relict of gashydrate dissociation after the retreat of the Scandinavian Ice Sheet from the continental shelfafter the Last Glacial Maximum.Trapped in landfast sea ice at Barrow (Arctic) and Cape Evans (Antarctic), we find thatthe processes governing CH4 dynamics in sea ice happen to be dependent on the season andthe regional setting, and can be unravelled thanks to stable isotope analyses. At Barrow,the range of delta-13C values points towards in-ice microbial oxidation of CH4 produced bymethanogenesis in the underlying sediments. At Cape Evans, the much higher delta-13C valuessuggest a hydrothermal origin of CH4 trapped in sea ice and/or aerobic production withinsea ice.The journey ends in the Ross Sea, where the high variability and supersaturation observed indissolved CH4 concentrations, as well as carbon isotope signatures typical of a thermogenicorigin, suggest that gas seepages on the continental shelf might be the main source of CH4 tothe water column.This unique dataset of CH4 concentration and stable isotope composition in seawater, in seaice and in the atmosphere, highlights the spatial and temporal variability of the processesgoverning CH4 dynamics across the various oceanic environments investigated. This thesisprovides an example of how the isotopic approach can be successfully applied to disentanglethe biogeochemical cycle of CH4. To better constrain oceanic emissions, we recommend theimplementation of an extensive monitoring network to measure dissolved CH4 continuously,particularly in shallow coastal regions, which contribute the most. Eventually, further studiesshould focus on the Southern Ocean, which has yet to reveal its secrets with regard to CH4dynamics. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le gisement d'or Amaruq (Nunavut, CA) est situé dans la ceinture de roches vertes néoarchéennes du Groupe de Woodburn Lake. La glaciation Wisconsinienne a entraîné l'érosion du socle, le transport et la formation de dépôts de till masquant le substrat rocheux et les minéralisations associées. Le projet de recherche a pour but de caractériser la signature géochimique et minéralogique du gisement Amaruq dans le till jusqu'à 8,6 km en aval de la minéralisation. Des échantillons de la minéralisation ont été prélevés afin de déterminer la composition chimique des minéraux indicateurs tels que l'or, la scheelite et la tourmaline. Dans le gisement, la tourmaline et la scheelite sont en association paragénétique avec l'or. Le till a été échantillonné le long de 2 transects orientés NNO, parallèles à la direction principale de l'écoulement glaciaire et orthogonaux à la direction du gisement. Les analyses en composantes principales (ACP) de la géochimie du till décrivent la covariance des éléments enrichis dans les roches mafiques à ultramafiques (Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Cr) et la minéralisation aurifère (Au, As, Cu, Zn) avec une composante principale 1 (CP1) négative à l'opposé de la variance en éléments enrichis dans les roches felsiques (Si, Al, Na, K, Ba, Be, Hf, Zr, Rb, Sr, U, Th et les éléments des terres rares) avec une CP1 positive. Les échantillons en amont glaciaire ont des scores CP1 uniquement positifs par rapport à des scores CP1 plus hétérogènes en aval. L'analyse discriminante des moindres carrés partiels (PLS-DA) montre que 86 % de l'or et 100 % de la scheelite de la minéralisation d'Amaruq se classifient dans le champ de composition chimique typique des gisements d'or orogénique. Dans le till, 63 % de l'or et 74 % de la scheelite se classifient dans le champ des gisements d'or orogénique. La PLS-DA de l'or du till ne permet pas de distinguer sa provenance entre l'amont et l'aval du gisement. En amont glaciaire, 9 % des grains de scheelite ont une signature chimique similaire à celle du gisement contre 81 % de la scheelite en aval glaciaire. Ces résultats indiquent que la scheelite en amont du gisement est dérivée d'autres sources que la minéralisation d'or orogénique tandis que la scheelite en aval glaciaire provient en majeure partie de la minéralisation affleurante. La faible abondance de tourmaline dans le gisement et le faible nombre de grains de tourmaline identifiés dans les échantillons de till montrent que la tourmaline n'est pas un minéral indicateur pertinent pour cette étude. La caractérisation géochimique et minéralogique du till définit l'origine de la minéralisation érodée et permet son utilisation en prospection glacio-sédimentaire en aval du gisement d'or orogénique Amaruq. / The Amaruq gold deposit (Nunavut, CA) is located in the Neoarchean greenstone belt of the Woodburn Lake Group. The Wisconsinan glaciation caused bedrock erosion, transport and deposition of till masking the bedrock and associated mineralization. The aim of the research project is to characterize the geochemical and mineralogical signature of the Amaruq deposit in till up to 8.6 km down-ice of the mineralization. Core samples from the mineralization were collected to determine the chemical composition of indicator minerals such as gold, scheelite and tourmaline. In the deposit, tourmaline and scheelite are in paragenetic association with gold. Till was sampled along 2 NNW-oriented transects, parallel to the main direction of ice flow and orthogonal to the strike of the deposit. Principal component analysis (PCA) of till geochemistry describes the covariance of enriched elements in mafic to ultramafic rocks (Fe, Mg, Mn, Ni, Co, Cr) and gold mineralization (Au, As, Cu, Zn) with a negative principal component 1 (PC1) as opposed to the variance in enriched elements in felsic rocks (Si, Al, Na, K, Ba, Be, Hf, Zr, Rb, Sr, U, Th and rare earth elements) with a positive PC1. Up-ice samples have positive PC1 scores compared to more heterogeneous PC1 scores for down-ice samples. Partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) shows that 86 % of the gold and 100 % of the scheelite from the Amaruq deposit plot in the orogenic gold deposits field whereas in till, 63 % of the gold and 74 % of the scheelite plot in the field for orogenic gold deposits. The PLS-DA of gold in till does not distinguish its provenance between up-ice and down-ice. Up-ice of the mineralization, 9 % of scheelite grains have a chemical signature similar to that of the deposit in contrast to 81 % of down-ice scheelite. The results indicate that scheelite up-ice of the deposit has other sources than orogenic gold mineralization whereas down-ice scheelite was eroded mainly from Amaruq outcropping mineralization. The low abundance of tourmaline in the deposit and the low number of tourmaline grains identified in the till samples shows that tourmaline is not a useful indicator mineral for this study. The geochemical and mineralogical characteristics of till define the origin of the eroded mineralization and can be used for glacio-sedimentary prospecting down-ice from the Amaruq orogenic gold deposit.

Since the mid-20th century, global average temperatures have dramatically risen mostly due to the increasing amount of greenhouse gas emissions in the atmosphere. The effects of this recent global warming are already evident and could be exacerbated in the near future if no real action is taken. Recent ice loss in West Antarctica, monitored by satellite measurements and other techniques, gives cause for concern in such a warming world. A major part of this loss has been driven by warm water masses penetrating underneath the ice shelves in this region. This has led to a flow acceleration of the inland outlet glaciers and a greater discharge of ice to the ocean. The actual resulting contribution of West Antarctica to sea-level rise is estimated to be around 0.2 mm per year between 1992 and 2011, i.e. about one third of the ice-sheet contribution (Antarctica and Greenland), and is expected to increase in the near future.<p><p>In this thesis, we first clearly demonstrate that modeling grounding-line (the boundary between grounded and floating ice) migration depends on both the numerical approach and the physical approximation of the ice-sheet model used. Ice-sheet models prescribing the ice flux at the grounding line and using appropriate physical level and numerical approach converge to the same steady-state grounding-line position irrespective of the grid size used. However, the transient behavior of those models is less accurate than other models and leads to an overestimated grounding-line discharge. Therefore, they need to be used with particular attention on short time scales. Furthermore, the non-inclusion of vertical shear stress in those models increases the effective viscosity and gives steady-state grounding-line positions further downstream when compared to full-Stokes models.<p><p>The second major finding of this thesis is the high control of geometry (glacier width and bedrock topography) on Thwaites Glacier, one of the fastest-flowing outlet glaciers in West Antarctica. A flowline finite-difference Shallow-Shelf Approximation (SSA) model is applied to the glacier and shows that ice-flow convergence (through width parameterization) slows down the grounding-line retreat when compared to simulations where the width is constant. A new buttressing parameterization is also tested on the glacier and permits a better understanding of this effect. Finally, the three-dimensional version of the model above is applied to Thwaites Glacier and highlights the strong control of lateral variations in bedrock topography on grounding-line migration./Depuis le milieu du 20e siècle, les températures moyennes globales ont fortement augmenté principalement à cause de l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine. Les effets de ce réchauffement global récent sont déjà détectables et pourraient s'accentuer dans un futur proche si aucune mesure réelle n'est prise. La perte récente de glace en Antarctique de l'Ouest, enregistrée par mesures satellites et d'autres techniques, est préoccupante dans un monde qui se réchauffe. Une grande partie de cette perte de glace est due à la pénétration de masses d'eau chaude sous les plateformes de glace flottante dans cette région. Cela engendre une accélération de l'écoulement des glaciers émissaires et une plus grande décharge de glace vers l'océan. Ainsi, la contribution récente à la hausse du niveau de la mer de l'Antarctique de l'Ouest s'élève à environ 0.2 mm par an entre 1992 et 2011, c'est-à-dire près du tiers de la contribution des calottes glaciaires (Antarctique et Groenland). On estime que cette contribution va continuer à augmenter dans le futur proche.<p>Dans cette thèse, nous démontrons clairement que la modélisation de la migration de la ligne d'ancrage (frontière entre glaces posée et flottante) dépend de l'approche numérique et de l'approximation physique du modèle cryosphérique utilisé. Les modèles cryosphériques qui prescrivent le flux glaciaire à la ligne d'ancrage et qui utilisent un niveau de physique et une approche numérique appropriés convergent vers la même position d'équilibre de la ligne d'ancrage quelle que soit la taille de maille utilisée. Cependant, le comportement transitoire de ces modèles est moins précis que d'autres modèles et mène à une surestimation du flux à la ligne d'ancrage. Dès lors, ces modèles doivent être utilisés avec précaution sur de courtes périodes de temps. De plus, la non inclusion des contraintes verticales de cisaillement dans ces modèles augmente la viscosité effective et donne des positions d'équilibre de la ligne d'ancrage plus en aval en comparaison avec les modèles « full-Stokes ».<p>La seconde découverte majeure de cette thèse est le contrôle important exercé par la géométrie (largeur du glacier et topographie du lit rocheux) sur Thwaites Glacier, l'un des glaciers émissaires les plus rapides en Antarctique de l'Ouest. Un modèle « Shallow-Shelf Approximation » (SSA) résolvant les différences finies le long d'une ligne d'écoulement est appliqué au glacier et montre que la convergence de l'écoulement glaciaire (au travers de la paramétrisation de la largeur) ralentit le retrait de la ligne d'ancrage comparé aux simulations où la largeur est constante. Une nouvelle paramétrisation de l'effet arc-boutant est testée sur le glacier et permet de mieux comprendre cet effet. Finalement, la version en trois dimensions du modèle ci-dessus est appliquée à Thwaites Glacier et met en évidence le contrôle important des variations latérales de l'altitude du lit rocheux sur la migration de la ligne d'ancrage. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les carottes de glace sont des archive climatiques sans équivalents : les gaz contenus dans la glace de la région aride de l'Antarctique de l'Est permettent de reconstruire les compositions atmosphériques au cours des derniers 800 000 ans. Les gaz sont piégés pendant la compaction de la neige tombée sur l'inlandsis. Dans la neige en surface, aussi appelée névé, le réseau poreux interstitiel diminue jusqu'au pincement des pores qui piègent définitivement les gaz dans la glace. Cependant, le processus même de piégeage des gaz impacte l'enregistrement des signaux mesurés dans les carottes. L'interprétation de ces signaux demande de caractériser en quoi ils diffèrent de l'atmosphère passée. Le but de cette thèse est d'étudier deux effets altérant les enregistrements gaz des carottes, le piégeage par couches qui crée des irrégularités stratigraphiques et le lissage qui retire la variabilité rapide de l’enregistrement. Une attention particulière est portée sur les glaces de l'Antarctique de l'Est.Ce travail démarre avec l'étude multi-traceurs d'une carotte de névé forée au site de Lock-In en Antarctique de l'Est. Les résultats montrent que le bas du névé est un empilement hétérogène de strates se densifiant suivant une même évolution de leur réseau poreux. La stratification reflète simplement que certaines strates sont en avance (ou retard) dans leur densification, mais la fermeture des pores est similaire dans toutes les strates. Notamment, les strates contiennent toutes des quantités similaires de gaz, comme le montrent des mesures directes. Des mesures de chimie à haute-résolution montrent que les strates denses ont une haute conductivité liquide, suggérant que la stratification profonde du névé est due à une densification préférentielle induite par des impuretés.Ces connaissances sont appliquées pour étudier des variations centimétriques mesurées dans les signaux méthane des carottes de glace. Pour cette thèse, nous utilisons 6 nouveaux signaux méthane à haute résolution, mesurés dans des carottes d'Antarctique de l'Est à l'IGE. On montre que ces variations sont des artefacts dus aux irrégularités stratigraphiques causées par des strates denses se fermant en avance. Un modèle est proposé pour simuler la présence irrégulière de ces artefacts.Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la distribution en âge des gaz dans les carottes, qui à l'origine du lissage des variations atmosphériques rapides. Elle peut être appliquée aux carottes de la dernière période glaciaire, et donne pour la première fois des indications quantitatives sur le lissage des signaux dans les carottes à très faible accumulation. Nos résultats montrent qu'en Antarctique de l'Est, le lissage est peu sensible au taux d'accumulation, et que plus d'information que prévu est préservée lors du piégeage.Enfin, nous présentons le développement d'un nouveau type de modèle micro-mécanique du névé. Son but est de simuler l'évolution des pores dans une strate de névé. Un tel modèle pourrait être utilisé pour contraindre le piégeage des gaz dans la glace, dans des conditions de période glaciaire. / As they contain air from past atmospheres, ice cores are unparalleled climate paleo-archives. The study of the gases enclosed in ice cores from the arid region of East Antarctica allows to infer the past compositions of the atmosphere back to 800,000 years ago. Gases are trapped during the compaction of the snow deposited on top of the ice sheet. In the near-surface snow, also referred to as firn, the interstitial porous network shrinks until it eventually pinches and traps gases in the ice. However, the very process of gas trapping has impacts on the gas signals recorded in ice cores. The interpretation of gas records requires to characterize how ice core and atmospheric signals differ. The aim of this PhD is to study two effects altering ice core gas records, namely gas layered trapping that creates stratigraphic irregularities and firn smoothing that removes fast variability from the record. A specific focus is put on low-accumulation East Antarctic ice cores.This inquiry starts with the multi-tracer study of a firn core drilled at the Lock-In site, East Antarctica. The results show that the bottom of the firn can be seen as a stack of heterogeneous strata that densify following the same porous network evolution with density. In this vision, the stratification simply reflects the fact that some strata are in advance (or late) in their densification, but that pore closure happens in a similar fashion in all strata. This notably means that all strata contain nearly similar amounts of gases, as supported by direct measurements. High-resolution chemistry data indicate that denser strata are characterized by a high liquid conductivity, suggesting that deep firn stratification is due the impurity-induced preferential densification.This knowledge is then used to explain abrupt spikes observed in ice core methane records. For this PhD we rely on 6 new high-resolution methane records, measured in several East Antarctic ice cores at IGE. We show that the abrupt variations are layering artifacts due to stratigraphic irregularities caused by dense firn strata closing in advance. A simple model is developed to simulate the irregular occurrence of layering artifacts.A novel technique is proposed to estimate the age distributions of gases in ice cores, that are responsible for the smoothing of fast atmospheric variations. It can notably be applied to glacial records, and for the first time provides quantitative insights on the smoothing of very low-accumulation records. Our results show that in East Antarctica, the firn smoothing is weakly sensitive to the accumulation rate, meaning that more information than previously thought is preserved.Finally, we present the development of a new type of micro-mechanical firn model. Its ambition is to simulate the evolution of the porous network of a firn stratum. Such a model could be used to better constrain the enclosure of gases in polar ice under glacial conditions.

La géologie connaît à partir de la fin du 18ème siècle un véritable essor dont les conséquences ne tarderont pas à apparaître dans la peinture de paysage de l’époque. Délaissant désormais les cabinets d’histoire naturelle, les naturalistes se mettent à chercher sur le terrain des indices pour comprendre le passé de notre terre et notamment son extrême ancienneté. Les artistes imitent leur démarche en se passionnant à leur tour aux phénomènes naturels comme les volcans, les glaciers ou tout simplement les falaises. Sous le prisme des découvertes effectuées en géosciences, il s’agira de déterminer l’influence de certaines théories scientifiques sur la peinture de paysage. Au nombre de quatre, ces doctrines contribueront dans une certaine mesure à moderniser ce genre pictural trop sclérosé par la tradition. Des personnalités comme Alexandre d’lt, Louis Agassiz, James Hutton ou encore George Cuvier ont avec leurs doctrines scientifiques profondément changé la vision de notre globe terrestre quant à son histoire, son évolution et ses mécanismes. Notre étude qui abordera de nombreuses facettes des sciences de la terre comme la glaciologie et la paléontologie tentera de mettre en évidence la portée de ces nouvelles disciplines sur le développement de la peinture de paysage de la fin du 18ème siècle jusqu’aux années 1860. / From the final years of the eighteenth century, Geology enjoys a rapid development whose consequences won’t take long to react on the landscape painting of the time. Leaving from then on the study for the outer world, Naturalists set to look for clues on the ground to understand the past of our planet and particularly his old age. Artists imitate their reasoning and are fascinated as well by the naturals phenomenon like the volcanoes, the glaciers or simply the cliffs. Under the prism of the discoveries made in geosciences, it will be a matter to determine the influence of some scientific theories on the landscape painting. These doctrines will contribute to modernize this pictorial genre still too blocked by the tradition. Personalities such as Humboldt, Agassiz, Hutton and Cuvier have with their ideas profoundly changed the vision of our planet about his history, his evolution and his mechanisms. Our study which tackles some aspects of the geosciences like glaciology a paleontology will try to bring to the fore the range of these new scientific disciplines on the development of the landscape painting from the final years of the eighteenth century to the 1860 years.

Antarctic mass balance is mainly controlled by surface mass balance (SMB, i.e. the net effect of precipitations at the surface of the ice sheet) and ice discharge at its margins, mostly through ice shelves. These floating ice bodies made from ice flowing from the continent to the ocean are buttressed by ice rises (elevation of the sea floor on which ice shelf re-grounds) such as the Derwael Ice Rise (DIR) in Dronning Maud Land (DML). In addition to this role important to consider in the future contribution of Antarctica to sea level rise, ice rises are also “climate dipsticks” helping to reconstruct the climate of the past centuries to millennia at high resolution. Due to their coastal location, they witness the changes happening there more rapidly than inland. Furthermore, their internal stratigraphy forms arches that allow to assess their stability, to date their own formation and therefore, in some cases, to constrain the past extension of the ice sheet at the scale of several millennia. As part of the IceCon project :Constraining ice mass changes in Antarctica, this thesis aimed to drill a 120 m ice core (named IC12 for the IceCon project, 2012) at the divide of the DIR and perform physico-chemical analyses to study its density and its internal annual layering with the aim of reconstructing SMB of the last two centuries. We also recorded a virtual image of the borehole using an optical televiewer (OPTV) to assess the ability of this instrument to reconstruct a density profile and measure vertical strain rates when the logging is repeated in the same borehole after a sufficient period of time (here, 2 years).The results show a general increase in snow accumulation rates (SMB) of 30-40% during the 20th century, particularly marked during the last 20-50 years. SMB variability is governed to a large extent by atmospheric circulation and to a lesser extent by variations in sea ice cover. The vertical velocity profile measured from repeat borehole OPTV was applied to refine SMB correction and the results fall in the error range of the corrections made using a model previously developed to study the DIR’s stability. This thesis also contributed to characterizing the spatial variability of SMB across the DIR by dating internal reflection horizons (IRHs), former surfaces of the DIR buried under subsequent snow layers and detected using radio-echo-sounding, and by measuring the density profile of IC12. SMB is found to be 2.5 times higher on the upwind slope than on the downwind slope due to the orographic effect. This pattern is regularly observed on ice rises in DML and stresses the importance of adopting a sufficient spatial resolution (5 km) in climate models.Finally, the technical developments allowing to rapidly reconstruct a density profile from the OPTV image of a borehole contributed to improving our knowledge of two features of Antarctic ice shelves, namely melt ponds, influencing surface mass balance and subglacial channels, influencing basal mass balance. Specifically, the results show that density is 5 % higher in surface trenches associated with subglacial channels, and that ice below melt ponds can reach the density of bubble-free ice due to melting and refreezing processes, with implications on ice shelf viscosity. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In a warming world, glaciers and ice sheets have an increasingly large influence on the environment, particularly through their contribution to sea level rise. Their response to anthropogenic climate change, in addition to natural variability, has a critical impact on dependent populations and will be key to predict future climates. Understanding the past natural transitions is also important as if the natural variability of the climate system is not well understood, we stand little change of accurately predicting future climate changes, especially in the context of rapid global warming. Ice cores represent the best time capsules for the recovery of paleo-climate informations. For that, the recovery of a suitable 1.5 million-year-old ice core in Antarctica is fundamental to better understand the natural climate reorganisation which occurred between 0.9 and 1.2 Ma. Constraining the englacial and basal temperature evolution of glaciers and ice sheets through time is the first step in understanding their temporal stability and therefore potential impacts on climate. Furthermore, obtaining the best constraints on basal conditions is essential as such million-year-old ice will be located very near to the bedrock, where the thermal regime has the strongest impact. However, measurements of current englacial and basal temperature have only been obtained at a few drill sites for glaciers and ice sheets. We must therefore turn to thermodynamical models to provide theoretical and statistical constraints on governing thermal processes. Thermodynamical models rely on a suite of governing equations, which we describe in this thesis. Our first study area is the McCall glacier, in Alaska (USA), where we show that the glacier cooled down in the warming climate of the last 50 years using a 1D thermodynamical model. We calculate the present-day englacial temperature distribution using recently acquired data in the form of englacial temperature measurements and radio-echo sounding surveys of the glacier. We show the important of absence of latent heat release due to the refreezing of meltwater inside an active surface layer and reconstruct the last 50 years of equilibrium line altitude (ELA) elevation changes. In the context of Beyond Epica Oldest Ice, a European project aimed at recovering a 1.5 million year-old ice core, we propose for the first time a map of the location of adequate drilling sites for the entire Antarctic Ice Sheet. We use a 3D thermomechanical model to calculate a new basal temperature map of the Antarctic Ice Sheet, as well as a 1D thermodynamical model to constrain the poorly known geothermal heat flux (GHF). These combined model runs use the latest acquired data sets for the GHF, ice flow velocity, ice thickness and subglacial lakes. In order to take into account 2 Ma of Antarctic climate history, we use a transient 1D thermodynamical model to provide constraints on GHF by calculating the maximum value of GHF allowed to keep frozen basal conditions everywhere underneath the ice sheet. These values are then statistically compared to published GHF data sets to propose a probabilistic map of frozen and thawed bedrock locations. This transient model uses high spatial resolution radar data acquired over the Dome Fuji and Dome C regions to examine their likelihood of having preserved 1.5-million-year ice. We define a number of important criteria such as GHF, bedrock variability, ice thickness and other parameter values for Oldest Ice survival. We anticipate that our methods will be highly relevant for Oldest Ice prospection in other areas of the ice sheet that so far remain little or un-surveyed, as well as for the thermal modelling of other glaciers and ice sheets, and in particular, of the Greenland Ice Sheet. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les tills compactés sont largement utilisés comme noyau des barrages en remblai dans le Nord québécois. La mise en place en différentes couches successives laisse présager un rapport d’anisotropie (rK) de la perméabilité différent de l’unité. Différents montages expérimentaux sont disponibles dans la littérature pour évaluer l’anisotropie de la conductivité hydraulique sur plusieurs types de sols. Toutefois, ces méthodes présentent deux principaux désavantages : i) le rapport d’anisotropie est évalué sur deux échantillons distincts et ii) la procédure expérimentale peut potentiellement remanier l’échantillon par des manipulations hasardeuses. Dans l’objectif d’améliorer la caractérisation du rapport d’anisotropie des tills compactés, un nouveau perméamètre cubique a été conçu. Cette nouvelle cellule permet de quantifier le paramètre rK dans le domaine saturé ou quasi-saturé, et ce sans démanteler la cellule. Successivement, une percolation verticale et une horizontale sont effectuées sur un même échantillon. Une procédure spéciale a été développée afin de limiter l’écoulement dans les pierres poreuses inactives, i.e. parallèles à l’écoulement. Une solution de gélatine bovine qui est solide à une température inférieure à 30°C est utilisée afin de sceller ces pierres inactives. De l’eau chaude à 60°C permet de chasser cette gélatine sans démanteler la cellule. Un nouvel essai de perméabilité peut ainsi être effectué sur le même échantillon, mais selon une autre direction. Le nouveau perméamètre et la procédure ont permis d’évaluer l’effet de la mise en place et de la teneur en pierre sur rK. Pour une analyse dans le domaine quasi-saturé, le rapport d’anisotropie varie de 3 à 7 pour une mise en place du côté sec de la courbe Proctor. Pour le côté humide, le rapport d’anisotropie est près de l’unité. Cependant, la procédure développée pour des conditions saturées devrait être utilisée pour confirmer ces résultats. En conclusion, un outil intéressant a été conçu pour quantifier le rapport d’anisotropie des tills compactés, une problématique importante pour l’analyse des barrages en remblai. Mots clés: perméabilité, anisotropie, perméamètre cubique, tills compactés, barrage en remblai / Compacted tills are widely use as core of embankment dams in northern Quebec. It is expected that placement method in successive layers may result in a permeability anisotropy different from unity. Various experimental techniques are available to assess the permeability anisotropy for different types of materials. However, these methods have two principal disadvantages: i) the anisotropy rapport is evaluated on separate samples and ii) the experimental procedure could potentially disturb the sample by inappropriate manipulations. In order to improve the characterization of the anisotropy rapport of compacted tills, a new square cell was built. This new cell is able to quantify the anisotropy rapport in both states, saturated and almost saturated conditions. The permeability under vertical and horizontal flow is assessed on a single sample and a new experimental procedure has been developed to minimize preferential seepage paths along the porous stones. Injection of bovine gelatin is used to temporarily seal the porous stones perpendicular to the flow path (unused). Continuous hot water flow is used to extract the gelatin once the permeability testing is done. This new device and procedure have been successfully tested to evaluate the effect of placing method and stone content on the permeability anisotropy of compacted tills. For an analysis in quasi-saturated state, the anisotropy rapport is greater than 3 or 7 for a dry compaction. On the wet side, the anisotropy rapport is close to one. However, the procedure developed in the saturated condition should be used to confirm these results. In conclusion, this project has helped to build a useful tool to quantify the anisotropy rapport of tills, an important issue in the evaluation of embankment dams. Key words: permeability, anisotropy, square permeability cell, compacted tills, embankment dam.

Les propriétés hydrauliques d'un till du Nord du Québec en condition saturée et non saturée ont été étudiées en laboratoire à l'aide de l'essai de conductivité hydraulique et l'essai de succion qui permet d'obtenir la courbe de rétention d'eau. Les essais ont été réalisés avec des échantillons compactés sous différentes conditions de teneur en eau et de masse volumique sèche, de manière à évaluer l'influence de ces conditions sur les propriétés hydrauliques. Les études précédentes ont montré qu'une structure agrégée se développe dans le till lorsqu'il est compacté de côté sec de l'optimum Proctor, c'est-à-dire à un degré de saturation de compactage inférieur au degré de saturation optimum (Sr0 < Sr-opt). Le till étudié dans le cadre de cette étude diffère de ceux utilisés dans les études précédentes par son très faible pourcentage de particules argileuses (< 2 μm) de 0,7%. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer l'influence des conditions de compactage sur la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau et de déterminer si une structure agrégée se développe lorsque le till est compacté du côté sec de l'optimum. Les résultats expérimentaux typiques de la conductivité hydraulique saturée obtenus pour les échantillons compactés du côté humide de l'optimum (Sr0 > Sr-opt) avec un indice des vides de 0,328 varient de 2,6 x 10-7 à 8,6 x 10-7 m/s. Les conductivités hydrauliques typiques obtenues pour les échantillons compactés du côté sec de l'optimum (Sr0 < Sr-opt) avec le même indice des vides étaient très similaires, variant entre 2,4 x 10-7 et 9,1 x 10-7 m/s. Les courbes de rétention d'eau mesurées en laboratoire sont très semblables entre elles, présentant toutes une structure de sol homogène, peu importe si l'échantillon a été compacté du côté sec ou du côté humide. Il apparait que la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau de ce till sont très peu influencées par le degré de saturation de compactage. Ceci peut être expliqué par le très faible pourcentage de particules argileuses, qui prévient la formation d'agrégations de particules dans la structure du till lorsqu'il est compacté du côté sec de l'optimum Proctor. Plusieurs modèles d'estimation de la conductivité hydraulique sont utilisés. Cette étude propose trois nouveaux modèles d'estimation de la conductivité hydraulique saturée pour les tills du Nord du Québec. Le premier modèle met en relation la conductivité hydraulique saturée avec le diamètre des grains de la fraction fine (d50 FF) et le deuxième modèle est une équation modifiée de Kozeny-Carman et Hazen basée sur la porosité et une taille de particule effective (d10). Finalement, un modèle permettant d'évaluer l'effet de l'agrégation avec l'équation de Kozeny-Carman modifiée dans les tills compactés est proposé.