Comme elles sont inaccessibles par voie terrestre, les quatorze communautés nordiques du Nunavik (Québec) dépendent toutes du transport aérien afin d’assurer en tout temps un lien rapide et efficace avec le reste du Canada. Certaines pistes d’atterrissage, construites sur pergélisol vers la fin des années 1980, ont montré des signes de détérioration quelques années seulement après leur mise en service. En raison des changements climatiques, la dégradation du pergélisol au Nunavik devient préoccupante pour l’intégrité des infrastructures aéroportuaires appartenant au ministère des Transports du Québec. Le présent projet consiste à déterminer l’épaisseur sensible de sols gelés et certaines caractéristiques physiques et mécaniques du pergélisol du Nunavik, jusqu’alors peu documentées, afin d’évaluer les tassements reliés au fluage à long terme ainsi qu’à la consolidation au dégel. Pour ce faire, une campagne de forage a été réalisée dans le but de récupérer des échantillons gelés et de caractériser le pergélisol aux emplacements problématiques. Ces sondages ont été effectués sur sept pistes d’atterrissage et deux routes d’accès. Les échantillons intacts récupérés ont été ramenés au laboratoire de l’Université Laval pour être soumis à des essais de fluage en cellule triaxiale et à des essais de consolidation au dégel en cellule oedométrique. Les résultats de ces essais ont permis d’obtenir une estimation du taux de déformation en fluage à long terme ainsi que des tassements au dégel pour différents types de sols. À la lumière de ces résultats, l’ampleur des tassements sous les pistes d’atterrissage et les routes d’accès peut être anticipée en s’appuyant sur des scénarios de réchauffement climatique et sur les profils de température relevés en continu sur le terrain. Le ministère des Transports du Québec, en collaboration avec l’Université Laval, pourra ainsi développer une stratégie réaliste d’adaptation des infrastructures de transport du Nunavik affectées par les changements climatiques.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / Six places-échantillons représentatives de la séquence temporelle écologique associée à la dégradation du pergélisol ont été sélectionnées sur un plateau silteux à pergélisol riche en glace à proximité d'Umiujaq, au Nunavik. Le présent travail a pour objectif de déterminer les changements qui se produisent dans les flux de chaleur entre les trois niveaux de l'écosystème (végétation / couverture de neige, couche active, pergélisol) ainsi que les rétroactions qui surviennent lors de la dégradation du pergélisol et à quantifier la vitesse de la transition à partir de photographies aériennes et la dendrochronologie. Pour répondre aux objectifs, la méthodologie utilisée suit le protocole du programme Adaptation et Dévelopement de l’Arctique sur le Pergélisol en Transition (ADAPT), intégrant l’analyse de données écologiques, climatiques, stratigraphiques et thermiques. Les résultats obtenus illustrent une évolution exponentielle des facteurs de dégradation du pergélisol sur une période estimée à environ 90 ans; lent durant les 60 premières années, et significativement plus rapide durant les 30 dernières années. / Six plots, representative of the regional ecological time sequence associated with permafrost degradation, were selected on a silty ice-rich permafrost plateau near Umiujaq, Nunavik. The objective of the present work is to determine the changes that occur in the flow of energy between the three layers of the ecosystem (vegetation / snow cover, active layer, permafrost) and the feedbacks that occur during the degradation of permafrost and to quantify the rate of the transition using time-lapse aerial photographs and tree ring analysis. In order to respond to these objectives, the methodology follows the ADAPT (Arctic Development and Adaptation on Permafrost in Transition) protocol, including ecological, climate, stratigraphic and thermal data analysis. The results show exponential evolution of permafrost degradation factors over a period of time of about 90 years; slowly during the first 60 years, and significantly faster during the last 30 years.

La télédétection des conditions physiques du pergélisol dans trois buttes de pergélisol près d'Umiujaq au Nunavik (Québec) a été réalisée à l'aide de la tomographie électromagnétique forage-forage et surface-forage. Les objectifs de ces travaux géophysiques étaient d'étudier la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu physique partiellement gelé et de déterminer la cryostratigraphie des buttes de pergélisol. Des antennes à géométrie cylindrique de géoradar à ondes courtes de 50, 100 et 200 MHz ont été glissées dans des regards géophysiques secs mis en place préalablement à l'étude ou utilisées en surface. La cryostratigraphie générale des buttes de pergélisol étudiées définie à partir des tomogrammes de vitesse de propagation des ondes électromagnétiques correspond à celle obtenue de forages et de l'échantillonnage de ces buttes. La résolution des tomogrammes est meilleure aux plus hautes fréquences.

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.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Le réchauffement de l’Arctique a le potentiel d’affecter le climat global par le dégel du pergélisol engendrant des émissions accrues de gaz à effet de serre (GES). Ces émissions sont cependant difficiles à quantifier puisque les méthodes conventionnellement utilisées sont généralement onéreuses et souvent très laborieuses. À l’aide d’un nouveau système automatisé de chambres fermées développé pour cette étude, ce projet visait à mesurer les émissions de GES provenant du pergélisol dans une tourbière située à Salluit, au Nunavik. Les émissions ont été quantifiées sous différentes conditions environnementales afin de simuler le réchauffement climatique et déterminer les effets des variations spatiales sur les émissions de GES. Les résultats démontrent que le nouveau système produit des résultats comparables à ceux obtenus avec un système commercial existant. La température était le principal facteur affectant la variabilité de la ER et les plus grandes émissions de GES provenaient du site saturé en eau. Mots-clés: Pergélisol, Arctique, Changements climatiques, Toundra, Tourbière polygonale, Respiration de l’écosystème, Chambre fermée, Gaz à effet de serre, Décomposition, Réchauffement expérimental. / Warming in the Arctic has the potential to affect the global climate through permafrost thaw leading to increased greenhouse gas (GHG) emissions. However, these emissions are difficult to quantify because the methods conventionally used are often prohibitively expensive and time-consuming. With a new automated system of closed chambers developed for this study, this project aimed to measure permafrost GHG emissions in a polygonal peatland located near Salluit, Nunavik. The emissions were quantified under different environmental conditions in order to simulate climate warming and to determine the effect of spatial variability on GHG emissions. Results show that the new system yields results comparable to those obtained with an existing commercial system. Temperature was the principal factor influencing ecosystem respiration variability and the largest GHG emissions were measured on the water-saturated plot. Keywords: Permafrost, Arctic, Climate change, Tundra, Polygonal peatland, Ecosystem respiration, Closed chamber, Greenhouse gas, Decomposition, Experimental warming.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / Salluit est situé au nord du Nunavik et le pergélisol y est généralement riche en glace. L'objectif de ce projet est de simuler les changements d'épaisseur de la couche active à moyen terme (2010-2025) pour deux types de dépôts qui sous-tendent de nombreuses infrastructures. Pour se faire, un modèle géothermique unidimensionnel est employé pour simuler les transferts de chaleur dans le pergélisol. Des données de températures de l'air et de couvert nival dérivées de séries climatiques provenant d'un modèle régional du climat (MRC) servent à forcer le modèle géothermique. L'approfondissement de la couche active montre une forte relation avec les températures de l'air estivales. De plus, la profondeur de dégel varie de façon marquée en l'espace de quelques années. Les sols argileux pourraient subir une augmentation de l'épaisseur de la couche active d'environ 30 cm et les tills, une augmentation d'environ 80 cm, par rapport aux observations de 2007.

Située dans la région de la rivière Biscarat au Nunavik, l'étude a été réalisée grâce à 18 profils de sols situés sous les sillons de polygones de toundra, un profil au géoradar, deux forages et les données climatiques d'une station automatique locale. Cinq phases de développement du réseau polygonal ont été reconstituées: 1. émersion et fissuration thermique initiale du sol (1041 ans cal. BP); 2. interruption de la fissuration et sédimentation localisée entre 900-700 cal. BP ; 3. réactivation de la fissuration entre 700-50 ans cal. BP ; 4. interruption de la fissuration (1900-1950); 5. fissuration sporadique (depuis 1960). Ces données permettent de mieux définir les conditions régissant l'activité des coins de glace actifs présents sous les sillons des réseaux dans une région climatiquement à la limite méridionale favorable du développement de ces formes. Malgré le réchauffement actuel, le climat demeure propice à une fissuration sporadique du réseau polygonal.

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.

Cette étude porte sur la participation des processus hydrologiques dans le régime thermique et la dégradation du pergélisol. L'eau emmagasinée dans les lacs de thermokarst est une source importante de chaleur qui accélère la dégradation du pergélisol. Les buttes cryogènes encore présentes dans l'environnement peuvent empêcher le réseau de drainage de se développer normalement. L'élaboration d'un modèle numérique bidimensionnel permet de simuler le développement rapide d'un talik occasionné par une mare de thermokarst adjacente à une butte cryogène. En raison de l'importante modification de la macrostructure d'un sol fin riche en glace au moment de la fusion, l'infiltration d'eau est susceptible de devenir une variable thermiquement importante. L'application d'un terme source qui évalue différentes valeurs de conductivité hydraulique du pergélisol en fusion au contact d'une mare permet d'estimer dans quelle mesure ce processus encore peu observé ou testé en laboratoire pourrait contribuer à la fonte accélérée du pergélisol.

Cette thèse présente une étude du système érosion-transport-sédimentation en milieu de thermokarst dans un contexte de réchauffement climatique. La zone d’étude comprend le bassin versant de la rivière Sheldrake, 5 km au nord du village Umiujaq au Nunavik, ainsi qu’une zone de 15 km2 au large de son embouchure, dans le Passage de Nastapoka, en baie d’Hudson. Trois axes majeurs sont considérés: 1- l’étude des conditions de pergélisol et l’estimation quantitative des masses et volumes de sédiments et de carbone érodés à l’échelle du bassin versant ; 2- la mesure du régime hydrologique et sédimentaire du principal vecteur de transport, la rivière Sheldrake ; 3- la bathymétrie, la sédimentologie et la mesure des apports sédimentaires et organiques dans le milieu marin côtier au large de l’embouchure de la rivière. Dans le bassin versant de la rivière Sheldrake, le pergélisol s’est considérablement dégradé au cours des 50 dernières années, particulièrement dans la toundra forestière. La subsidence des lithalses, des palses, des plateaux de pergélisol et des plateaux palsiques engendre la formation de mares de thermokarst. De nombreux glissements de terrain et des ravins d’érosion sont également actifs et favorisent le rejet de sédiments dans le réseau fluvial. Avec la dégradation du pergélisol, la connectivité hydrologique augmente, ce qui facilite l’évacuation des sédiments et du carbone via le cours d’eau principal. Dans cet environnement thermokarstique, la charge sédimentaire fluviale en suspension est plus importante en été alors que les températures élevées de l’air commandent le dégel des sols, favorisant l’activation des ostioles et le déclenchement des glissements de terrain. Les pluies estivales permettent le transport et l’évacuation des sédiments en baie d’Hudson. Parvenus en mer, les sédiments et le carbone transportés en suspension subissent une forte dispersion à cause de l’intensité des courants marins du Passage de Nastapoka. Il en résulte l’absence d’une augmentation mesurable du taux de sédimentation. En revanche, la composition isotopique du carbone sédimentaire montre que la fraction terrigène a augmenté depuis le Petit Âge Glaciaire et que ce phénomène s’est considérablement accéléré vers la fin du 20ème siècle. Il est suggéré que la dégradation du pergélisol contribue à cette augmentation, quoique ce ne soit pas le seul facteur qu’on puisse invoquer. / This thesis studies the system erosion-transport-sedimentation in a thermokastic area, in a context of warming climate. The study area encompasses the catchment of the Sheldrake River, 5 km north of the village Umiujaq, Nunavik, and a 15 km2 area off its mouth, in the Nastapoka Sound, in Hudson Bay. Three main axes are considered: 1- study of permafrost conditions and quantitative estimate of the volumes and masses of eroded sediment and organic carbon at the scale of the catchment; 2- measurements of the hydrological and sedimentary regime of the main vector of transport, the Sheldrake River; 3- bathymetry, sedimentology and measurements of mineral and organic inputs in the coastal marine environment, off the river mouth. In the Sheldrake River catchment, permafrost has considerably degraded during the last 50 years, particularly in the forested tundra. Subsidence of lithalsas, palsas, permafrost plateaus and peat plateaus leads to the formation of thermokarst ponds. Many landslides and erosion gullies are also active and favor inputs of sediments in the fluvial network. Because of permafrost decay, hydrological connectivity increases, facilitating evacuation of sediment and carbon through the river. In this thermokarstic environment, the fluvial sedimentary load in suspension is more important during summer when high air temperatures provoke soils thawing, favoring frostboils activation and triggering of landslides. Summer rainfalls allow sediment transport and evacuation in Hudson Bay. Once in the sea, the sediments and carbon in suspension are dispersed because of the intensity of the marine currents in the Nastapoka Sounds. This results in an absence of a measurable increase of sedimentation rates. However, the isotopic composition of sedimentary carbon shows that the terrestrial fraction has increased since the Little Ice Age and that this trend has significantly accelerated since the end of the 20th century. It is suggested that permafrost decay contributes to this increase, although it is not the only proposed source.