Les capteurs à fibre optique distribués (DFS) tirant parti des mécanismes de diffusion se produisant dans l’élément détecteur de fibre, à savoir la diffusion de Rayleigh, Raman et Brillouin, ont été un sujet de recherche intense au cours des trois dernières décennies. Ils offrent de nombreuses applications pratiques classées en raison des avantages inhérents, tels que la petite taille, le poids léger, la sensibilité élevée, les performances excellentes, la durabilité intrinsèque dans des environnements difficiles, l’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), etc. En particulier, le DFS basé sur le processus de diffusion stimulée de Brillouin (SBS), appelé analyse temporelle optique de domaine de Brillouin (BOTDA), présente la capacité potentielle de réaliser la télédétection sur de longues distances, typiquement des dizaines de kilomètres et des centaines de kilomètres récemment. La fibre optique servant non seulement d’élément de détection, mais également de moyen de guidage de la lumière, est capable de détecter divers paramètres physiques d’intérêt, tels que la température, les contraintes, les pressions et les champs acoustiques. Ces measurandes peuvent être détectés directement ou indirectement le long de la fibre entière. Les systèmes de pergélisol dans le Nord canadien sont fortement perturbés par les changements climatiques dus au réchauffement de la planète; le dégel du pergélisol affecte à son tour les environnements et les communautés. Afin de réaliser une surveillance en temps réel de la stabilité des infrastructures, un réseau de détection BOTDA doté d'un nouveau transducteur à fibre optique est proposé pour surveiller les modifications physiques, notamment les pressions interstitielles, la température et le déplacement dans le pergélisol. Le principal défi consiste à mesurer simultanément les pressions d’eau interstitielle positive et négative, et à faire la distinction entre ces measurandes au sein d’un même transducteur. Lors de la première tentative, un polymère d'hydrogel est utilisé pour construire le transducteur, qui peut se dilater ou se contracter du fait de l'absorption ou de la libération d'eau par le matériau afin de détecter les pressions positives et négatives dans la plage cible de -100 kPa à +100 kPa le long d'un pergélisol système. Une fibre multi-cœur (MCF) bien conçue, incorporée dans le transducteur polymère, sera développée dans le but ultime de disposer de fonctionnalités de détection simultanée de plusieurs paramètres. / Distributed optical fibre sensors (DOFS) taking advantage of the scattering mechanisms occurring within the fibre sensing element, i.e. Rayleigh, Raman and Brillouin scattering, have been an intense research subject over the last three decades. They offer widespread practical in-filed applications due to the inherent advantages possessed, such as small size, light weight, high sensitivity, excellent performance, intrinsic durability to harsh environment, immunity to electromagnetic interference (EMI), and so on. Particularly, the one based on stimulated Brillouin scattering (SBS) process, so-called Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA), presents the potential capability to perform remote sensing over long distance, typically tens of kilometres and extended to hundreds of kilometres recently. Optical fibre acting as not only a sensing element but also as a light guidance medium is able to detect a variety of physical parameters of interest, such as temperature, strain, pressure and acoustic fields to name a few. These measurands can be sensed either by directly or indirectly along the whole fibre. Permafrost systems in Northern Canada are strongly disturbed by the climate changes due to global warming; the thawing permafrost is in turn affecting the environments and communities. In order to achieve real-time surveillance of the stability of infrastructures, a BOTDA sensing network with novel fibre transducer is proposed to monitor the physical changes including positive/negative pore water pressures, temperature and displacement along permafrost environments. The main challenge is to measure simultaneously the positive and negative pore water pressures and to discriminate among those measurands within a single transducer. As an initial attempt, a hydrogel polymer is deployed to build the transducer, which can expand or shrink due to water absorption or release by the material to detect positive and negative pressures in the target range of -100 kPa to +100 kilopascal along a permafrost system. A well-designed multi-core fibre (MCF) incorporated into the polymer trans

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Titre de l'écran-titre (visionné le 12 octobre 2023) / Le pergélisol, le sol gelé pendant au moins deux années consécutives, contient presque deux fois plus de carbone que l'atmosphère. Le réchauffement climatique a suffisamment accéléré son dégel pour mobiliser une quantité considérable de matière organique dissoute (MOD) vers l'hydrosphère, dont les mares font partie. La MOD peut alors être dégradée en divers sous-produits par la radiation solaire. Vers la phase gazeuse, cela implique la production de CO₂, mais également de composés organiques volatils (COVs) qui ont été peu étudiés en zones nordiques. Pourtant, les COVs ont des impacts importants sur la chimie de l'atmosphère. L'objectif principal de ce mémoire est d'identifier les molécules produites vers la phase gazeuse par photochimie et de quantifier leurs flux. Pour y arriver, un montage de photochimie a été construit, testé puis interfacé à deux détecteurs pour des analyses en temps réel : un spectromètre de masse Orbitrap et un spectromètre de masse Vocus. Des mares de thermokarst, formées par le dégel du pergélisol riche en glace, près des villages d'Umiujaq et de Whapmagoostui-Kuujjuarapik, au Nunavik, ont été sélectionnées pour des campagnes d'échantillonnage aux étés 2021 et 2022. Des échantillons de la colonne d'eau et des zones ripariennes ont été prélevés. Les résultats montrent la photo-production rapide de 35 à 59 COVs lorsque les échantillons d'eau contenant de la MOD sont soumis à la radiation. Les résultats suggèrent que la qualité de la MOD est un facteur important qui contrôle la photo-production de COVs. Quantitativement, ces émissions correspondent à des flux nets de carbone entre 1.93 et 9.47 μmol C m⁻² d⁻¹ vers l'atmosphère. Ces valeurs sont petites en comparaison aux flux estimés de CO₂ et de CH₄ qui sont émis par les mares subarctiques. Malgré une contribution négligeable au cycle du carbone arctique, les COVs représentent néanmoins un flux de molécules réactives qui pourraient affecter la chimie atmosphérique. / Permafrost, the soil frozen for a minimum of two consecutive years, stores almost twice the amount of carbon found in the atmosphere. Climate warming has accelerated its thaw to a point where a considerable quantity of dissolved organic matter (DOM) is being mobilized toward the surface where it enters the hydrosphere, like lakes. DOM can be photo-degraded into various products by sunlight. In the gas phase, this includes CO₂ and volatile organic compounds (VOCs) that are poorly studied in Arctic environments. Yet, they affect the chemistry of the atmosphere. The main objective of this master projet is to identify the VOCs emitted in the gas-phase by photochemistry as well as to quantify their fluxes. To achieve this, a photochemistry set-up has been constructed and tested. Then, it has been interfaced with two detectors for real-time analysis: an Orbitrap mass spectrometer and a Vocus mass spectrometer. Thermokarst ponds, formed by the thawing of ice-rich permafrost, near the villages of Umiujaq and Whapmagoostui-Kuujjuarapik, Nunavik, were selected for field campaigns during summers 2021 and 2022. Samples from the water column and the riparian zones were taken. Results show the rapid photo-production of between 35 and 59 VOCs when dissolved organic matter (DOM) water samples are exposed to radiation. Results show that the quality of DOM is an important factor that controls VOCs photoproduction. In terms of quantification, these emissions correspond to net carbon fluxes between 1.93 et 9.47 μmol C m⁻² d⁻¹ toward the atmosphere. These values are small when compared to estimated fluxes of CO₂ and CH₄ by subarctic ponds. Despite their negligeable contribution to the Arctic carbon cycle, VOCs represent a flux of reactive molecules that could affect the atmospheric chemistry.

Les revêtements routiers à albédo élevé peuvent être utilisés afin de réduire la quantité de chaleur absorbée par les surfaces revêtues ce qui permet de limiter la dégradation du pergélisol sous les remblais routiers. Ce projet a pour but de proposer une méthode d’évaluation efficace des revêtements à albédo élevé en contexte nordique. Le premier objectif est de développer des outils permettant de rapidement évaluer les bénéfices thermiques liés à l’utilisation des revêtements à albédo élevé. Un modèle de calcul a été développé afin de calculer les températures superficielles des revêtements routiers en fonction de leur albédo. Ce modèle a été validé en utilisant les données provenant d’une planche expérimentale réalisée à Beaver Creek au Yukon. Enfin, des outils simples de calcul basé sur ce modèle ont été proposés. Le deuxième objectif est d’offrir un cadre d’évaluation de propriétés techniques des revêtements à albédo élevés. Pour ce faire, les propriétés les plus importantes des revêtements à albédo élevé ont été ciblées : la réflectivité solaire, l’adhérence et la durabilité. Des méthodes d’essais ont ensuite été choisies afin de permettre d’évaluer ces propriétés. / High albedo surfaces can be used to reduce heat absorption by road pavement for limiting the degradation of the permafrost underlying road embankments. This project aims at proposing an efficient method to evaluate the use of high albedo surfaces in northern environments. The first objective is to provide tools to evaluate quickly the thermal benefits of high albedo surfaces. A model has been developed to calculate surface temperature of pavements as a function of the albedo of the surface. The model has been validated using data from a test section built in Beaver Cree, Yukon. Simple calculation tools based on the model have been proposed. The second objective is to provide a way to evaluate the technical properties of high albedo surfaces. The most important properties targeted are reflectivity, skid resistance and durability. Testing methods have been chosen in order to test these properties. Observations made on the field and in the laboratory allowed to draw recommendations in order to assure a durable, efficient and safe usage of high albedo surfaces.

Des levés gravimétriques ont été effectués, à l’aide d’un gravimètre de haute précision Scintrex CG-3+, sur des terrains en zone de pergélisol discontinu où des corps de glacemassive sont suspectés (Dry Creek, Yukon) ou bien ont été préalablement détectés (Beaver Creek, Yukon et dans la région de Kangerlussuaq, Groenland). L’objectif principal fut donc d’établir la faisabilité d’utiliser la gravimétrie à des fins de détection de glace intrasédimentaire. La possibilité d’utiliser un gravimètre afin de détecter des corps de glace massive fut clairement démontrée. Des anomalies micro-gravimétriques négatives furent détectées et celles-ci peuvent être clairement attribuées à la présence de glace dans le sol. La confirmation de la présence de glace fut effectuée par une campagne de forage à Dry Creek et par la consultation de travaux de forages antérieurs pour les terrains de Beaver Creek et du Groenland. Un modèle simple en deux dimensions composé de colonnes allongées verticalement fut adapté au contexte micro-gravimétrique. Les comparaisons entre les modèles et les résultats de terrain sont bonnes pour les coins de glace et satisfaisante pour de volumineux massifs de glace enfouis. / Gravity surveys were carried out using a precision gravimeter Scintrex CG-3+ on the discontinuous permafrost zone in lands where massive ice bodies were suspected (Dry Creek, Yukon) or previously detected (Beaver Creek, Yukon and in the area of Kangerlussuaq, Greenland). The main objective of the research was to establish the feasibility of using gravity surveying for massive ice detection. The possibility of using a gravimeter to detect massive ice was clearly demonstrated. Indeed, negative residuals anomalies were detected and these can be clearly attributed to the presence of ice in the ground. The presence of ice was carried out during a drilling and coring campaign in Dry Creek and through published reports of previous drilling for Beaver Creek and Greenland sites. A simple two-dimensional model composed of verticals columns was adapted to the micro-gravity environment. The comparisons between models and field results are good for ice wedges terrains and satisfactory for voluminous massive ice.

En milieu pergélisolé, les modifications environnementales telles que la construction d’infrastructures et les changements climatiques ont des répercussions sur le régime thermique du sol et peuvent entraîner une fonte inhabituelle du pergélisol, provoquant une dégradation de ses propriétés mécaniques. La connaissance des caractéristiques du pergélisol est donc primordiale pour faire les bons choix lors des projets de construction. L’objectif de ce projet est de faciliter l’exécution des campagnes d’évaluation du tassement de fonte des sols gelés, en développant un outil de forage capable de réaliser ces essais in situ. Un prototype dont l’apparence est celle d’un carottier avec tarière double a été construit. Des tests en laboratoire ont été réalisés dans des barils de glace pure et de pergélisol synthétique. La capacité de carottage ainsi que la fiabilité des essais de tassement de fonte pour différents types de sols, fins et plus grossiers, ont été évaluées. / In permafrost areas, environmental changes such as infrastructure building and climate change have effects on the thermal regime of soil and can prompt unusual permafrost melt. As a consequence, this will lead to degradation of the mechanical properties of the soil. Thus, good knowledge about permafrost characteristics is essential to make right decisions during building projects. The goal of this project is to facilitate the execution of campaigns related to thaw settlement assessment of frozen soils. This can be achieved by developing a drilling tool that is able to carry out these in situ tests. A prototype was built. From the outside, the invention looks like an ice coring auger. Laboratory tests were made in pure ice and synthetic permafrost barrels. The coring ability and the reliability of the thaw settlement tests were appreciated for different kind of soils, fine and coarser.

Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, les impacts de ces changements climatiques se font déjà ressentir dans les régions subarctiques telles qu’à Umiujaq au Nunavik (Québec) dont notamment la dégradation du pergélisol. Les processus physiques à l’origine de cette dégradation demeurent peu documentés. L’objectif principal du projet de recherche est d’étudier l’impact de la variabilité spatiale des conditions de surface sur la dégradation du pergélisol. Pour atteindre cet objectif, des photographies infrarouges de buttes de pergélisol à Umiujaq ont été prises pour identifier les conditions de surface caractéristiques du site d’étude. Selon ces différentes conditions, trente-cinq sondes autonomes de température ont été enfouies sous la surface du sol pour assurer un suivi horaire des variations de température de surface. Les relations entre les températures de surface et la température de l’air montrent que les conditions de surface contrôlent de manière significative la transmission de la chaleur à l’interface air-sol et le régime thermique du pergélisol permettant l’identification d’une séquence de dégradation du pergélisol (en ordre décroissant : ostioles, lichens et mousses, développement de mares de themokarst et arbustation). Les suivis des températures de surface et de l’air ont été utilisés pour contraindre un modèle numérique qui simule la transmission de chaleur par conduction et advection dans le pergélisol. Ce modèle a été soumis à une période d’entraînement et à la variabilité climatique récente. Différents scénarios de réchauffement climatique, de développement d’une mare de thermokarst ainsi que d’invasion de la végétation ont été ensuite considérés. Les résultats des simulations démontrent que la modification des conditions de surface peut entraîner une augmentation des températures de la butte de pergélisol jusqu'à 1,5 °C, la migration de la base du pergélisol jusqu’à 4 m vers la surface et la diminution de l’extension de la butte de pergélisol jusqu’à 7 m. / In the current context of global warming, the impacts of climate change including permafrost degradation are already being felt in subarctic regions such as Umiujaq in Nunavik (Quebec). The physical processes causing this degradation are poorly documented. The main objective of the research project is to study the impact of the spatial and temporal variability of surface conditions on heat transfer at the airsurface interface as well as on permafrost degradation. To achieve this objective, infrared photographs of several permafrost mounds at Umiujaq were taken to identify the characteristic surface conditions of the study site. Based on these different conditions, thirty-five autonomous temperature probes were buried below the ground surface to monitor surface temperature variations on an hourly basis. The relationships between the surface temperatures and air temperature show that the surface conditions significantly control heat transfer at the air-surface interface as well as the thermal regime of the permafrost allowing the identification of a permafrost degradation sequence (in decreasing order : mudboils, lichens and mosses, development of thermokarst lakes and shrubbification). This monitoring of air and surface temperatures was used to constrain a numerical model of advectiveconductive heat transfer in permafrost terrain. A training period was first considered and then the observed climate variability was reproduced in the model. Different scenarios of global warming, formation of a thermokarst pond and vegetation invasion were considered. Simulated results show that changes in surface condition can result in an increase of temperatures in the permafrost mound up to 1.5 °C, the migration of the permafrost base up to 4 m towards the surface and a decrease in the extent of the permafrost mound up to 7 m.

Le pergélisol est une composante majeure du système climatique terrestre. Avec le réchauffement du climat, le dégel du pergélisol profite à l’activité biochimique qui décompose davantage de matière organique dans les sols arctiques et la rejette dans l’atmosphère sous forme de gaz à effet de serre (CO2, CH4). Ce phénomène pourrait constituer une rétroaction climatique positive majeure. Prédire ces effets nécessite d’étudier l’évolution du régime thermique du pergélisol ainsi que des facteurs qui l’influencent. Le manteau neigeux, de par son pouvoir isolant, contrôle les échanges de chaleur entre le sol et l’atmosphère une grande partie de l’année. Le flux de chaleur à travers la neige dépend de la hauteur du manteau neigeux et de la conductivité thermique des couches de neige qui le constituent. Ces deux variables sont elles-même très dépendantes des conditions climatiques et de la présence de végétation. Nous réalisons ici le suivi des propriétés de la neige et du sol d’un site haut arctique de toundra herbacée (Île Bylot, 73°N), et d’un site bas arctique à la frontière de la toundra arbustive et forestière (Umiujaq, 56°N). Nous utilisons les données issues de stations de mesure automatiques complétées par des mesures manuelles. Une attention particulière est portée sur la conductivité thermique de la neige, car peu de données sont disponibles pour les régions arctiques. Le modèle numérique couplé ISBA-Crocus est ensuite utilisé pour simuler les propriétés de la neige et du sol des deux sites étudiés. Les résultats sont comparés aux mesures de terrain afin d’évaluer la capacité du modèle à simuler le régime thermique des sols arctiques. Nous avons pu caractériser les interactions atmosphère-neige-végétation qui façonnent la structure des manteaux neigeux arctiques. Le vent et la redistribution de neige qu’il induit sont des paramètres fondamentaux qui déterminent la hauteur et la conductivité thermique de la neige. Un couvert végétal haut et dense (arbustes, arbres) piège la neige soufflée et l’abrite du tassement éolien. De plus, la structure ligneuse des massifs arbustifs soutient la masse de neige et empêche son tassement. Cet abri procure à la neige une capacité d’isolation élevée qui retarde le gel du sol dès les premières accumulations. Le refroidissement atmosphérique se poursuivant, le manteau neigeux peu épais est soumis à un gradient thermique élevé qui provoque d’importants transferts de vapeur d’eau depuis le sol et les couches de neige basales, vers les couches supérieures et l’atmosphère. La croissance de givre de profondeur qui s’opère, favorisée à la fois par le gradient thermique élevé et la faible densité de la neige, aboutit à la formation de couches très isolantes en contact avec la surface du sol. Tant que le sol demeure relativement chaud, la croissance de givre de profondeur perdure. Finalement, des épisodes de fonte peuvent avoir lieu en automne durant la mise en place du manteau neigeux dans les régions arctiques. Le regel de la neige peut rapidement annuler ou même temporairement inverser l’effet isolant des interactions neige-végétation. Une surface de neige gelée ne subit pas l’effet du vent et empêche sa redistribution. La formation de croûtes de regel à forte conductivité thermique accélère le refroidissement du sol. Le manteau neigeux affecté par la fonte au début de l’hiver a donc une capacité d’isolation diminuée qui pourrait entraver le réchauffement des sols arctiques. Nos résultats de simulation montrent que ces différents effets ne sont pas correctement représentés dans les modèles de neige. Les erreurs dans les conductivités thermiques de la neige simulées sont particulièrement problématiques puisqu’elles interviennent lors de la période de gel du sol. Étant donné l’étendue des régions affectées par le pergélisol, ces erreurs sur la modélisation de la neige arctique pourraient significativement affecter les simulations climatiques et les projections de la hausse des températures globales / Permafrost is a major component of the Earth climatic system. Global warming provokes the degradation of permafrost which favors biogeochemical activity in Arctic soils. The decomposition of organic matter increases and results in the release of high amounts of greenhouse gases (CO2 and CH4) to the atmosphere. By amplifying the greenhouse effect induced by human activities, this phenomenon may constitute one of the strongest positive feedbacks on global warming. Predicting these effects requires to study the evolution of the permafrost thermal regime and the factors governing it. The snowpack, because of its insulating effect, modulates the heat fluxes between permafrost and atmosphere most of the year. The snow insulating capacity depends on snow height and thermal conductivity. These two variables are highly dependent on climatic conditions and on the presence of vegetation. Here we monitor the snow and soil physical properties at a high Arctic site typical of herbaceous tundra (Bylot Island, 73°N), and at a low Arctic site situated at the limit between shrub and forest tundra (Umiujaq, 56°N). We use data from automatic measurement stations and manual measurements. A special attention is given to the snow thermal conductivity because very few data are available for Arctic regions. Results are interpreted in relation to vegetation type and atmospheric conditions. The numerical coupled model ISBA-Crocus is then used to simulate snow and soil properties at our sites. Results are compared to field data in order to evaluate the model capacity to accurately simulate the permafrost thermal regime. We managed to describe atmosphere-snow-vegetation interactions that shape the structure of Arctic snowpacks. Wind and the snow redistribution it induces are fundamental parameters governing snow height and thermal conductivity. A high vegetation cover (i.e. shrubs and forest) traps blowing snow and shields it from wind compaction. Vegetation growth thus favors the formation of an insulating snowpack which slows down or even prevents soil freezing. Furthermore, the shrubs woody structure supports the snow mass and prevents the resulting compaction of bottom snow layers. Thus sheltered, snow in shrubs develops a high insulating capacity which delays soil freezing. Continued atmospheric cooling increases the thermal gradient in the snow, maintaining large water vapor transfers from the soil and the snow basal layers to upper layers and atmosphere. The growth of depth hoar, enhanced by the large thermal gradient and the low snow density, results in the formation of highly insulating snow layers thus constituting a positive feedback loop between soil temperature and snow insulation. As long as the soil stays relatively warm, depth hoar growth persists. Finally, if warm spells occur in autumn, they can trigger the partial melting of the early snowpack which can cancel or temporarily reverse the insulating effect of snow-vegetation interactions. A frozen snow surface prevents snow drifting and its redistribution. The presence of highly conductive refrozen layers facilitates soil cooling and reduces the thermal gradient. An early snowpack affected by melting is thus less insulative which could hamper Arctic soil warming. Simulation results show that these different effects are not correctly represented in snow models. Errors in the estimated snow thermal conductivities are particularly problematic as they highly affect the simulation of soil freezing. Given the area of permafrost-affected regions, these errors on Arctic snow modelling could significantly impact climate simulations and the global warming projections

Les méthodes de design et de construction des routes développés dans le sud canadien ont maintenant besoin d’être adaptés aux environnements nordiques du pays afin de prévenir le dégel dramatique du pergélisol lors de la construction d’une nouvelle route. De plus, le réchauffement climatique occasionne présentement d’importants problèmes de stabilité des sols dans le nord canadien. Ces facteurs causent des pertes importantes au niveau des capacités fonctionnelles et structurales de l’Alaska Highway au Yukon sur un segment de plus de 200 km situé entre le village de Destruction Bay et la frontière de l’Alaska. Afin de trouver des solutions rentables à long terme, le ministère du transport du Yukon (en collaboration avec le Federal Highway Administration du gouvernement américain, Transports Canada, l’Université Laval, l’Université de Montréal et l’Alaska University transportation Center) a mis en place 12 sections d’essais de 50 mètres de longueur sur l’autoroute de l’Alaska près de Beaver Creek en 2008. Ces différentes sections d’essais ont été conçues pour évaluer une ou plusieurs méthodes combinées de stabilisation thermique telles que le drain thermique, le remblai à convection d’air, le pare-neige / pare-soleil, le remblai couvert de matières organiques, les drains longitudinaux, le déblaiement de la neige sur les pentes et la surface réfléchissante. Les objectifs spécifiques de la recherche sont 1) d’établir les régimes thermiques et les flux de chaleur dans chacune des sections pour les 3 premières années de fonctionnement ; 2) de documenter les facteurs pouvant favoriser ou nuire à l’efficacité des systèmes de protection et ; 3) de déterminer le rapport coûts/bénéfices à long terme pour chacune des techniques utilisées. Pour ce faire, une nouvelle méthode d’analyse, basée sur la mesure de flux d’extraction de chaleur Hx et d’induction Hi à l’interface entre le remblai et le sol naturel, a été utilisée dans cette étude. Certaines techniques de protection du pergélisol démontrent un bon potentiel durant leurs 3 premières années de fonctionnement. C’est le cas pour le remblai à convection d’air non-couvert, le remblai à convection d’air pleine largeur, les drains longitudinaux, le pare-soleil / pare-neige et la surface réfléchissante. Malheureusement, des problèmes dans l'installation des drains thermiques ont empêché une évaluation complète de leur efficacité. / Road design and construction techniques developed in southern Canada definitely need to be adapted to northern environment to prevent dramatic permafrost thawing after new road construction. Furthermore, climate warming causes now important soil stability problems in the Canadian far north. All these factors lead to a loss of the functional and structural capacities of the Alaska Highway over a 200-km section mainly from Destruction Bay to the Alaska border. To find long term and cost-effective solutions, Yukon Highways and Public Works (in collaboration with the Alaska University Transportation Center, Transport Canada, le U.S. Federal Highways Administration, l’Université de Montréal and l’Université Laval) constructed 12 instrumented sections on the Alaska Highway near Beaver Creek (Yukon) in 2008. These sections experiment one or several combined methods of thermal stabilization such as convection air embankment, heat drains, snow/sun shed, grass-covered embankment, longitudinal culverts, reflecting surfaces and snow clearing on embankment slopes. The main objectives of this project are 1) to analyze the ground thermal regime and the heat fluxes for each of the 12 sections during their first three years in service; 2) to document all factors which can facilitate or disrupt the efficiency of the protection systems and; 3) to determine the long term costs / benefits ratio for every technique tested. In order to do this, a new method based on the calculation of heat extraction Hx and heat induction Hi index at the interface between the embankment and the natural ground has been used in this study. The permafrost mitigation techniques that showed good potential for cooling by reducing active layer thicknesses were the ACE uncovered, the longitudinal culverts, the snow/sun shed and the light-coloured aggregate BST (although this was only effective along the central part of the highway). Unfortunately, problems in the installation of the heat drain techniques prevented a full assessment of their effectiveness. The durability of the sections as well as their long-term cooling potential must also be assessed to complete the economic analysis provided in this study.

La construction dans l'Arctique nécessite une connaissance précise des propriétés thermiques et géotechniques du pergélisol. La connaissance de ces propriétés est également nécessaire pour le paramétrage des modèles de transfert de chaleur. Des études antérieures ont démontré le grand potentiel de l'utilisation de la tomodensitométrie pour les mesures du volume des composantes du pergélisol et la visualisation de la cryostructure. Une nouvelle approche est proposée pour mesurer la conductivité thermique du pergélisol. Les objectifs généraux de ce projet sont (1) d’élaborer une nouvelle méthode de caractérisation du pergélisol à l’aide de la tomodensitométrie et de modèle éprouvés et (2) de comparer et mettre au point une méthode novatrice pour mesurer la conductivité thermique et des paramètres géotechniques. Les résultats démontrent que les tests effectués à l’aide de la tomodensitométrie donnent des résultats d’une valeur scientifique comparable aux autres méthodes existantes de mesure de déjà existantes de conductivité thermique du pergélisol. / When building in the Arctic, design considerations require precise knowledge of the thermal and geotechnical properties of the permafrost. Computed tomography provides visualization of the cryostructure of permafrost. Previous studies showed great potential in using this technology for classification and volume measurements of permafrost components, i.e. sediment (solid), ice and gas (void) contents. The aims of this study are (1) to develop an innovative and non-destructive approach using CT scan to compute the thermal conductivity of undisturbed permafrost samples and (2) to validate the results computed from CT scan image analysis with proven experimental thermal conductivity data. The very good results obtained so far show that CT scan thermal conductivity measurements yield results comparable to other existing methods. The new approach could still be significantly improved by the use of a higher resolution CT scanner.

Ces travaux de thèse sont motivés par la volonté de comprendre les relations hydriques passées et présentes entre les eaux superficielles et les nappes souterraines du Triangle landais (France), en interrogeant la possible présence d'un pergélisol dans ce secteur au Dernier Maximum Glaciaire (DMG) et les conséquences associées sur la recharge des nappes. L'hypothèse de l'occurrence d'un pergélisol a été évoquée historiquement pour deux raisons : justifier d'une part le régime hydrique de la nappe crétacée, dont la recharge semble avoir été réduite au DMG puis abondante à la fin de cet épisode, et expliquer d'autre part le processus de formation des nombreuses mares (appelées localement des « lagunes ») qui parsèment ce territoire. Cette hypothèse est évaluée à l'aide d'une étude comparative menée sur un bassin versant en domaine de pergélisol discontinu au Nunavik (Québec, Canada), et s'articule autour de deux axes : vérifier d'abord si les « lagunes » présentent des caractéristiques typiques d'un thermokarst, puis quantifier les conséquences du paléo-pergélisol supposé sur la recharge des nappes. D'après les données hydrogéologiques et géomorphologiques disponibles, une majorité de « lagunes » semblent issues de phénomènes de karstification ou de déflation éolienne. Toutefois, l'hypothèse d'un pergélisol ne peut pas être rejetée et semble être la meilleure explication pour une minorité d'entre elles. Elles pourraient en particulier correspondre à des mares de thermokarst issues du dégel d'un pergélisol sporadique ou discontinu, mais non continu. Des modèles stratigraphiques conceptuels d'une « lagune » du secteur de Villagrains-Landiras et d'une mare de thermokarst ont été construits à partir de données géophysiques (géoradar, résistivité électrique et polarisation provoquée spectrale). Des coupes stratigraphiques et des profils bathymétriques de « lagunes » et de mares de thermokarst ont également été comparés. Dans les deux cas, la morphologie, le contexte sédimentaire et les propriétés gélives des sédiments s'avèrent similaires. Dans le Triangle landais, des traces de solifluxion et de fluage, caractéristiques du dégel d'un pergélisol, sont visibles sur des coupes stratigraphiques en bordure de « lagunes ». Cependant, contrairement aux résultats obtenus au Nunavik, aucune de ces traces caractéristiques n'a pu être détectée en utilisant les méthodes géophysiques. Finalement, des modélisations géothermiques (1D) et hydrogéologiques (2D) du secteur de Villagrains-Landiras ont mis en évidence qu'un pergélisol discontinu peut théoriquement se développer dans le Triangle landais sous des conditions climatiques semblables à celles du Nunavik, mais que ses conséquences sont négligeables sur la recharge des nappes. À l'avenir, une modélisation hydro-géothermique plus complexe serait nécessaire pour étayer cette conclusion. / This Ph.D thesis aims at enhencing our understanding of the connection between surface water and groundwater in south-west France, by questionning the possible aggradation of permafrost in the Triangle landais area during the Last Glacial Maximum (LGM), and its consequences on groundwater recharge. Such a permafrost event has been proposed for two reasons. On the one hand, it could offer an explanation to the low recharge of the Cretaceous aquifer at the time of the LGM, and to its subsequent high recharge at the end of this period. On the other hand, it could explain the inset of the numerous ponds dotting this territory. This assumption is examined by means of a comparative study conducted on a watershed in the discontinuous permafrost zone in Nunavik (Québec, Canada). The research is structured in two steps: firstly by verifying whether the numerous ponds have typical thermokarst characteristics, and secondly, by quantifying the consequences of the presumed paleo-permafrost on groundwater recharge. From the available hydrogeological and geomorphological data, most of the ponds appear to originate from karstic or aeolian processes. However, the permafrost hypothesis cannot be rejected and seems to be the best explanation for a minority of ponds. More precisely, these ponds may correspond to thermokarst ponds resulting from the thaw settlement of the ground in a sporadic or discontinuous permafrost environment, but certainly not in a continuous one. Geophysical data (ground penetrating radar, DC electrical resistivity, and spectral induced polarization) have been used to build two conceptual stratigraphic models: one of a pond from the area of Villagrains-Landiras (SW France) and one of a thermokarst pond from Nunavik. For further comparison, stratigraphic sections and bathymetric maps were also produced on other ponds. As a result, the ponds from the Triangle landais and the thermokarst ponds seem closely related in terms of morphology, geological context and frost susceptibility of the ground. Solifluction and creeping features specific to thermokarst processes have been noticed in the vicinity of ponds in the Triangle landais. However, unlike in Nunavik, none of these characteristic features could be detected using geophysical methods. Lastly, using 1D geothermal and 2D hydrogeological modelings, it has been showed that climatic conditions similar to those in Nunavik could theoretically lead to discontinuous permafrost aggradation in the Villagrains-Landiras area. However, the consequences would be negligible regarding groundwater recharge. In the future, more complex hydro-geothermal modeling would be required to support this conclusion.