Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 52-59. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Thèse (M.Sc.) -- Université Laval, 2003. / Bibliogr.: f. 50-58. Publié aussi en version électronique.

Les buttes cryogènes, formées dans les tourbières par l'aggradation de la glace de ségrégation, ont une couche supérieure riche en matière organique associée à des dépôts de mercure inorganique (IHg) provenant de sources naturelles et anthropiques. La dégradation du pergélisol peut modifier les conditions environnementales qui contrôlent la méthylation du IHg, un processus microbien qui convertit le IHg en sa forme organique et toxique, le méthylmercure (MeHg). Or, la variation de la concentration de MeHg au cours de l'évolution géomorphologique et écologique liée au dégel du pergélisol reste peu explorée. À Kangiqsualujjuaq, Nunavik, des champs de palses et lithalses se dégradent rapidement et créent des mosaïques évolutives de conditions environnementales grâce à l'affaissement progressif des buttes cryogènes, aux formations thermokarstiques et à la revégétalisation. Cette étude vise à déterminer si l'évolution géomorphologique et écologique d'un tel champ de buttes de pergélisol en dégradation crée des conditions environnementales propices à la méthylation du IHg. Les conditions hydrologiques et écologiques ont été évaluées selon les toposéquences de dégradation et de revégétalisation (n=90). Cent-cinquante échantillons de sol ont été prélevés afin de mesurer les concentrations de mercure total (THg), de MeHg et des paramètres chimiques du carbone, azote et soufre total (C, N, S). La fraction méthylée du THg (% MeHg) était plus élevée dans les mares thermokarstiques (4.8 %) que dans les buttes cryogènes (0.57 %). La production nette de MeHg la plus importante était associée à une phase temporaire, qui était la première phase évolutive des mares thermokarstiques à eau libre (6.7 %), puis diminuait avec la terrestrialisation (2.6 %). L'analyse des photographies aériennes indiquait une évolution rapide du paysage, soulignant la prédominance actuelle de la terrestrialisation sur la création de nouvelles mares thermokarstiques. Cette étude interdisciplinaire combine la géomorphologie du pergélisol et la biogéochimie du Hg pour mieux relier l'évolution des paysages pergélisolés aux impacts du réchauffement climatique sur le cycle du Hg. / Frost mounds, formed in peatlands by the aggradation of segregated ice, are widespread in the discontinuous permafrost zone, and their organic, carbon-rich upper layer is associated with inorganic mercury (IHg) deposited from natural and anthropogenic sources. Permafrost degradation may change the environmental conditions that control IHg methylation, an anaerobic microbial process that converts IHg to its toxic organic form, methylmercury (MeHg). However, the variation in MeHg concentrations during the geomorphic and ecological evolution associated with progressive permafrost thaw and stabilization remains poorly understood. In Kangiqsualujjuaq, Nunavik, palsa and lithalsa fields are rapidly degrading, creating an evolving mosaic of environmental conditions through progressive subsidence of frost mounds, thermokarst evolution, and revegetation. This study aims to determine whether the geomorphic and ecological evolution of such a degrading permafrost mound field creates environmental conditions conducive to IHg methylation. Hydrological and ecological conditions were assessed using the toposequence of degradation and revegetation (n=90). A total of 150 soil samples were collected to measure total mercury (THg), MeHg and chemical parameters of carbon, nitrogen and sulfur (C, N, S). The methylated fraction of THg (% MeHg) was higher with permafrost mound degradation, where thermokarst ponds are more conducive to methylation (4.8%), than with intact frost mounds (0.57%). Specifically, the highest net MeHg production is associated with a temporary phase which is the first stage of thermokarst succession, with open water and submerged dead *Betula glandulosa* (6.7%). This production decreased with the colonization of the ponds by *Cyperaceae* (4.8%), and further with terrestrialization by *Sphagnum* spp. (2.9%). Analysis of aerial photographs showed a rapid evolution of the landscape, underlining the current dominance of terrestrialization over the creation of new thermokarst ponds. This interdisciplinary study combines permafrost geomorphology and Hg biogeochemistry to better link permafrost landscape evolution to the impacts of warming on Hg cycling.

Neuf palses boisées ont été étudiées dans la région de la rivière Boniface, Québec nordique (57°45'N; 76°20'O). L'analyse dendroécologique des épinettes noires (Picea mariana (Mill.) BSP.) et la radiodatation de la tourbe de surface et de la matière organique enfouie ont permis de décrire la structure des peuplements d'épinettes des palses boisées et de déterminer l'époque de formation de ces palses. Les palses boisées de la région d'étude sont couvertes par deux types de peuplement d'épinettes noires, soit les peuplements arborescents denses et les peuplements arbustifs ouverts. Chez les palses possédant un couvert arborescent dense, des couvertures nivales moyennes allant jusqu'à plus d'un mètre d'épaisseur ont été inférées à l'aide de la morphologie des tiges et du feuillage des épinettes noires. Il semble donc que le pergélisol couvert d'une forêt relativement dense peut se maintenir sous plus d'un mètre de neige. Deux types de palses possédant un peuplement arborescent dense ont été répertoriés, soit celles couvertes d'un peuplement ancien et celles couvertes d'un peuplement moins ancien. Les palses boisées étudiées se sont formées au cours de deux périodes différentes relativement sèches et froides. Les plus anciennes se sont développées entre les années 750 et 1000 ap. J.-C, alors que les plus récentes se sont principalement soulevées au cours du XVIe siècle (début du Petit Âge Glaciaire). À l'intérieur de ces deux périodes de formation, des palses à peuplement arborescent dense et des palses à peuplement arbustif ouvert se sont formées. Parmi les palses couvertes d'un peuplement arborescent dense, celles avec un couvert ancien se sont formées au cours de la première période alors que celles avec un couvert plus récent se sont formées au cours du Petit Age Glaciaire. L'époque de formation, le climat, la présence de forêt à proximité et le degré d'exposition des palses boisées semblent être les principaux facteurs ayant influencé la physionomie des peuplements forestiers qui les occupent.

Dans le but de reconstituer l’évolution temporelle d’une tourbière à palses située dans la zone de pergélisol sporadique au Québec (en Jamésie), une étude chrono-stratigraphique et macrofossile a été entreprise sur une palse faisant partie de cette tourbière. L’accumulation de la tourbe a débuté vers 5310 ans étal. BP. Entre 4570 et 3020 ans étal. BP, des conditions sèches, associées probablement au réchauffement climatique de la période mi-Holocène, a favorisé la densification du couvert forestier et une récurrence d’incendies tant sur la tourbière qu’en périphérie. Vers 3020 ans étal. BP, le milieu est redevenu humide; l’épinette noire a diminué d’abondance alors que le mélèze laricin s’est établi et a crû à même la tourbière. Entre 2350 et 760 ans étal. BP, les conditions locales se sont appauvries et vers 760 ans étal. BP, a débuté la phase ombrotrophe. L’installation du pergélisol aurait eu lieu au Petit Âge glaciaire. Mots-clés : Paléoécologie, Tourbière à palses, Petit Âge glaciaire, Haut-Boréal, Jamésie.

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L'étude porte sur l'évolution des palses et des lithalses à l'est de la baie d'Hudson, de leur formation à leur dégradation récente causée par le réchauffement du climat. Les lithalses se situent principalement dans la toundra arbustive à l'ouest de la limite des arbres et certaines portent sur leur sommet des coiffes de tourbe résiduelle. Cette couverture tourbeuse augmente en superficie sur les buttes vers la toundra forestière où les buttes, recouvertes de tourbe, correspondent aux palses. Les datations de tourbe basale démontrent que les tourbières se sont installées de façon généralisée et simultanée entre 7000 et 5500 ans cal. BP. Le pergélisol s'est installé entre 2300-1800 ans cal. BP, 1500-1000 ans cal. BP et entre 500 et 100 ans cal. BP. Les résultats de la cartographie comparative à partir de photos aériennes de 1957 et d'images satellites Ikonos de 2005 démontrent que le pergélisol s'est dégradé de 43% dans la région à l'étude.

Alors que les températures de l'air se réchauffent dans le nord circumpolaire, plus spécifiquement depuis les années 1990 au Nunavik, des changements thermiques et géomorphologiques dans le pergélisol ont été observés. Les longues séries de données de températures du sol pour une même zone d'étude sont rares, ce qui rend difficile la comparaison de la réponse des températures du sol en profondeur dans différents types de dépôts de surface à un endroit restreint. Comme des différences ont déjà été observées dans les réponses thermique et géomorphologique de différents dépôts de surface, et pour un même dépôt de surface selon la forme de terrain, des variations à l'échelle locale peuvent être anticipées. En particulier, les palses et les lithalses sont des formes de terrain qui évoluent toutes deux dans des sédiments glaciomarins très sensibles au dégel. La phase de dégradation de ces formes, qui provoque un affaissement du sol et des changements dans le territoire, mérite d'être comprise davantage. Cette recherche a pour objectifs de (1) déterminer comment les températures du sol répondent au changement climatique dans trois types de dépôts de surface, soit le roc, des sables et graviers et des sédiments glaciomarins, (2) d'analyser l'évolution du régime thermique d'une palse et d'une lithalse et de (3) mieux comprendre l'évolution morphologique de palses et de lithalses en relation avec les changements dans leur régime thermique. Afin de répondre au sous-objectif (1), les températures du sol couvrant une période de 20 à 30 ans à trois sites près de la communauté de Kangiqsualujjuaq au Nunavik ont été analysées, soit dans le roc, dans un delta fluvioglaciaire (sables et graviers) et dans une lithalse dans les sédiments glaciomarins riches en glace près du littoral. Les résultats ont montré qu'il existe une variabilité dans la réponse thermique de différents dépôts de surface pour une même zone d'étude restreinte. Les variations du climat à court terme et les tendances climatiques régionales sont bien transmises en profondeur dans le roc sec hautement conducteur et sont également reflétées dans l'épaisseur de la couche active. Dans les sables et graviers, le regel est retardé jusqu'à tard dans l'hiver avec une période zéro en raison du développement d'une nappe phréatique perchée dans la couche active qui s'est épaissie. Il a également été conclu au terme de cette première partie du travail que la lithalse est devenue isotherme près de 0 ºC en raison de la libération de la chaleur latente le long du profil, ce qui limite les réponses des températures du sol en profondeur aux variations du climat. La deuxième partie du travail répond aux sous-objectifs (2) et (3) par une analyse des températures du sol d'une palse et d'une lithalse jusqu'à 18 m de profondeur enregistrées sur une période de 27 ans, et par une analyse de photographies aériennes datées de 1964, 1984, 2003, 2010 et 2021 couvrant un champ de palses et un champ de lithalses. Les résultats ont montré que la superficie en pergélisol a diminué de 69 % pour les lithalses et de 41 % pour les palses sur 57 ans. En particulier, les lithalses se sont dégradées 2 fois plus rapidement que les palses pour la période 2003-2010 (2,3 %/an) et 3 fois plus rapidement pour la période 2010-2021 (2,2 %/an). En effet, les taux de thermokarst ont ralenti pour les palses entre 2010 et 2021 (0,73 %/an) durant le bref refroidissement climatique de 2010-2015, en comparaison avec la période 2003- 2010 (0,96 %/an). Le régime thermique des palses répond encore aux changements climatiques de façon marquée en raison de l'effet isolant de leur couche de tourbe. Les températures du sol se sont réchauffées sur toute la période d'étude dans la palse et dans la lithalse, et ce, plus rapidement dans les années 1990, puis plus lentement à partir des années 2000 à cause de l'effet de la chaleur latente de fusion dans les profils thermiques. Nous avons conclu qu'aucun des deux profils n'a encore atteint la phase isotherme, ni même « presque-isotherme », comme de légères variations de température étaient encore perceptibles à 18 m de profondeur en 2020 dans les deux formes de terrain. Ces résultats font ressortir une contradiction entre les deux parties de ce travail : le profil thermique de la lithalse avait d'abord été décrit comme isotherme alors que l'analyse plus fine des données a finalement montré que ce n'est pas encore vraiment le cas. Ce concept a par ailleurs été mieux défini. L'utilisation des expressions pergélisol, profil, phase, stade ou conditions « presque-isotherme(s) » est recommandée comme nous pouvons penser que de tels profils ne deviennent jamais vraiment isotherme, ou complètement bloqués près de 0 ºC, avant la dégradation finale du pergélisol. Des conditions presque-isothermes décrivent du pergélisol chaud avec un très faible gradient thermique en profondeur qui répond très peu aux tendances climatiques. Les résultats de ce travail pourront être intégrés aux modèles climatiques et aux modèles de prédiction de la réponse du pergélisol au changement climatique, qui ne considèrent pas ce niveau de détails actuellement. / As air temperatures are warming in the circumpolar north, more specifically since the 1990s in Nunavik, thermal and geomorphological changes have been observed in permafrost. Long-term ground temperature datasets for a restricted study area are rare, which often does not allow to compare the response of various surficial deposits at depth in a restricted area. As differences have already been observed in thermal and geomorphological responses of various surficial deposits, and within one kind of deposit according to landform type, local variations can be anticipated. Palsas and lithalsas are landforms who both evolve in highly thaw-sensitive glaciomarine sediment. The degradation phase of these landforms, who induces ground thaw settlement and landscape changes, should be further understood. The objectives of this study are (1) to determine how ground temperatures respond to climate change in three types of surficial deposits: in bedrock, in sands and gravels and in glaciomarine sediment; (2) to analyze the evolution of the thermal regime of a palsa and of a lithalsa; and (3) to better understand the morphological evolution of palsas and lithalsas in relation to changes in their thermal regime. In order to meet objective (1), ground temperatures covering a period of 20 to 30 years at three sites near the Kangiqsualujjuaq community in Nunavik were analyzed: in bedrock, in a fluvioglacial delta (sands and gravels), and in a lithalsa in ice-rich glaciomarine sediment near the coast. Results have shown that a variability in the thermal response exists for different surficial deposits within the same restricted study area. Short-term climate variations and regional climatic trends are well transmitted at depth in dry highly conducive bedrock and are also reflected in active layer thickness. In sands and gravels, freeze-back is delayed until late in the winter with a zero-curtain period due to the development of a perched water table in the thickened active layer. It has been concluded at the end of the first part of this work that the lithalsa has become isothermal near 0 ºC because of the liberation of latent heat along the profile, which impedes ground temperature responses at depth to climate variations. The second part of this work meets objectives (2) and (3) through ground temperature analysis of a palsa and a lithalsa down to a depth of 18 m recorded over 27 years, and through aerial photograph analysis, dated in 1964, 1984, 2003, 2010 and 2021, covering a palsa field and a lithalsa field. Results have shown that permafrost areal extent diminished by 69% for lithalsas and by 41% for palsas over 57 years. In particular, lithalsas degraded twice as fast than palsas for the 2003-2010 period (2.3%/yr) and 3 times faster for the 2010-2021 period (2.2%/yr). Indeed, thermokarst rates slowed for palsas between 2010 and 2021 (0.73%/yr) during the brief 2010-2015 climatic cooling, in comparison with the 2003-2010 period (0.96%/yr). The permafrost thermal regime of palsas still shows a marked response to climate change due the insulating effect of their peat cover. Ground temperatures warmed over the whole study period in the palsa and in the lithalsa; more rapidly in the 1990s, then more slowly from the 2000s onwards because of the effect of latent heat of fusion in the thermal profiles. We concluded that neither of the two profiles has reached the isothermal phase, and not even the 'near-isothermal' phase, as slight temperature variations were still detected at a depth of 18 m in 2020 in both landforms. These results highlight a contradiction between the two parts of this work: the thermal profile of the lithalsa was first described as isothermal, while more detailed analysis of the data ultimately showed that this is not yet really the case. This concept has also been better defined. The use of the terms 'near-isothermal' permafrost, profile, phase, stage or conditions is recommended as we can assume that such profiles never truly become isothermal, or completely stalled near 0ºC, before final permafrost degradation. Near-isothermal conditions describe warm permafrost with a very low thermal gradient at depth that responds very little to climatic trends. The results of this work can be integrated into climatic models and models predicting the response of permafrost to climate change, which do not currently consider this level of detail.

Les palses sont des buttes de tourbe ou de sol minéral qui possèdent un noyau de pergélisol et qui sont répandues dans la zone de pergélisol discontinu. Malgré la grande répartition de forêts se maintenant sur des sols pergelés, les palses boisées se trouvent seulement en Amérique du Nord. L’objectif de cette étude est de déterminer l’influence du couvert forestier sur le régime thermique des palses boisées dans la région de la rivière Boniface (57°45’ N, 76°00’ O) où elles sont colonisées par l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). Afin d’atteindre cet objectif, la température du sol et l’épaisseur du mollisol de palses boisées et de palses non boisées, organiques et minérales, ont été comparées en 2009, 2010 et 2011. L’épaisseur de neige, l’épaisseur de l’horizon organique, le couvert végétal, les dimensions des palses et le dénivelé ont également été mesurés. De manière générale, une couche de matière organique épaisse maintient une température du sol basse et un mollisol mince. En été, le mollisol est moins épais et la température du sol est plus basse dans les milieux forestiers que dans les milieux exposés à la radiation solaire. Par contre, en hiver, le couvert nival plus épais chez les palses boisées favorise le maintien d’une température du sol plus élevée que chez les palses non boisées. La matière organique et le couvert arborescent semblent favoriser de longues périodes-zéro autant au printemps qu’en automne. Cependant, l’effet du couvert forestier sur la température du sol dépend de la température de l’air et du régime des précipitations nivales. La répartition de l’épaisseur du mollisol sur une palse dépend de la topographie, de l’épaisseur de la matière organique et de la présence d’arbres. Ainsi, le régime thermique des palses boisées est différent de celui des palses non boisées. Le maintien et l’intégrité à long terme des palses boisées et des palses non boisées vont dépendre des variations de température de l’air, mais également du régime des précipitations nivales.

Afin d'identifier les facteurs ayant causé le développement différentiel de deux champs de palses d'une même tourbière de la région de Whapmagoostui-Kuujjuarapik (Québec subarctique), des analyses macrofossiles de la tourbe et des relevés topographiques des deux champs (nommés ici, champs 3 et 4) ont été effectués. Les résultats indiquent une évolution temporelle quasi synchrone des deux milieux, qui aurait été engendré par le climat. À titre d'exemple, le refroidissement du Néoglaciaire aurait favorisé l'ombrotrophication des sites et celui du Petit Âge glaciaire, la formation de palses. La topographie du fond de la tourbière a également influencé les conditions hydrologiques du site. Une légère pente vers le nord-ouest a engendré un appauvrissement trophique plus rapide dans le champ 4. Par ailleurs, à l'emplacement du champ 3, l'apport important en eau de ruissellement a favorisé le maintien des conditions humides et riches et ainsi une grande diversité écologique, une accumulation importante de tourbe et la formation de palses hautes.