Les infrastructures de transport jouent un rôle majeur dans le développement socio-économique des régions nordiques. La construction de remblais combinés aux changements climatiques engendrent des impacts négatifs sur le pergélisol sous-jacent, causant la dégradation des infrastructures. Des techniques de mitigation ont été proposées et testées pour limiter la dégradation du pergélisol. Toutefois, il y a peu d'informations disponibles sur les procédures de conception ou sur des lignes directrices. Le but de cette recherche est de développer des outils d'ingénierie améliorés pour les techniques de stabilisation convectives, se concentrant sur le remblai à convection d'air (ACE) et le drain thermique. Plus spécifiquement, l'approche du bilan thermique est proposée pour déterminer la condition thermique de remblais conventionnels et pour permettre la sélection de la technique de mitigation la plus appropriée pour extraire la chaleur en excès transmise au sol, si le système est actuellement instable, ou pour donner un facteur de sécurité considérant une instabilité future estimée. Quatre modèles thermiques ont été développés et calibrés à partir de données mesurées sur des sites expérimentaux. Un abaque de bilan thermique pour les remblais conventionnels ainsi que plusieurs abaques de capacité d'extraction de chaleur pour l'ACE et le drain thermique ont été développés et validés utilisant, respectivement, des simulations numériques et les données de sites d'essais du Yukon et du Nord du Québec, Canada. Ces abaques permettent aux concepteurs et ingénieurs de concevoir des remblais à convection d'air et des drains thermiques optimisés pour limiter, ou même éviter, le dégel du pergélisol à des sites spécifiques. / Transportation infrastructure plays a vital role in the social and economic development of northern regions. The construction of embankments and climate change can lead to negative impacts on the underlying permafrost, causing degradation of the infrastructure. Mitigation techniques have been proposed and tested to limit permafrost degradation. However, there is limited information on the design procedures or guidelines. The purpose of this research is to develop improved engineering tools for convective stabilization techniques, focussing on air convection embankment (ACE) and heat drain. More specifically, the heat balance approach is proposed to determine the thermal condition of conventional embankments and to allow the selection of suitable mitigation techniques to extract the amount of extra heat flowing into the foundation, if the system is currently unstable, or give a safety factor considering estimated future instability. Four thermal models have been built and calibrated with field data from experimental sites. One heat balance chart for conventional embankments and, several heat extraction capacity charts for ACE and heat drain have been developed using numerical simulations and have been validated using data from test sites in Yukon and Northern Quebec, Canada. These charts allow designers and engineers to design optimized ACE and heat drain to limit or even avoid the thawing of permafrost at specific sites.

Les effets des changements climatiques sont particulièrement importants dans les régions arctiques et subarctiques. L’augmentation de la température de l’atmosphère entraine notamment le réchauffement du pergélisol qui perd en épaisseur et en couverture spatiale. Cette dégradation a des conséquences sur les écosystèmes, le paysage, la stabilité des sols, des bâtiments et des infrastructures ainsi que sur les populations locales et sur leur mode de vie. La dégradation du pergélisol conduira probablement à la perte de la couche confinante formée par le pergélisol favorisant ainsi la recharge des aquifères et modifiant les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines. Cependant, l’impact de cette dégradation sur la qualité et la disponibilité des eaux souterraines demeure en grande partie inconnu. Cette thèse a été motivée par le manque d’informations sur les eaux souterraines en région de pergélisol discontinu, par les changements environnementaux rapides liés au réchauffement climatique et par le potentiel de l’eau souterraine comme ressource en eau potable pour, entre autres, les communautés du Nunavik (Québec, Canada). Ce projet se concentre sur la compréhension des écoulements et sur la qualité de l’eau souterraine dans la vallée de Tasiapik, un petit bassin versant en zone de pergélisol discontinu proche d’Umiujaq au Nunavik. Cette étude se base sur une analyse approfondie de l’hydrogéochimie des eaux souterraines, des eaux de surface, des précipitations et du pergélisol riche en glace. Cette thèse est divisée en deux parties. La première partie (chapitre 2) est une revue de la littérature scientifique existante sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines. La seconde partie (chapitre 3) présente l’étude hydrogéochimique des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette thèse est complétée par une introduction générale (chapitre 1), une synthèse (chapitre 4) et une conclusion (chapitre 5). / La première partie, chapitre 2, résume l’état actuel des connaissances sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines dans les régions affectées par le pergélisol et sur les impacts potentiels de la dégradation du pergélisol sur la qualité des eaux souterraines. Les caractéristiques hydrogéochimiques des eaux souterraines dans les zones de pergélisol dépendent des mêmes réactions que dans les régions où il n’y a pas de pergélisol. Cependant, le pergélisol agit comme une couche confinante qui peut influencer la chimie des eaux souterraines en empêchant la recharge directe des aquifères et en augmentant le. Un temps de résidence, favorisant ainsi plus long augmente également les interactions eau-roche. Un des impacts majeurs des changements climatiques sur les eaux souterraines sera associé à la perte de cette couche confinante. Les futures études en lien avec l’hydrogéologie en zone de pergélisol devraient donc inclure une meilleure caractérisation hydrogéochimique insitu afin de mieux évaluer l’impact du réchauffement climatique sur les eaux souterraines. La deuxième partie, chapitre 3, utilise l’hydrogéochimie comme outil pour mieux comprendre la dynamique de la recharge et développer un modèle conceptuel pour l’écoulement des eaux souterraines dans la vallée de Tasiapik. Cette étude se base sur l’analyse d’échantillons de précipitations, d’eau souterraine, de glace du pergélisol, de lacs de thermokarst et de cours d’eau. L’hydrogéochimie des eaux souterraines dans le bassin versant est typique d’eaux jeunes, avec une faible minéralisation. Cela implique des circulations et des temps de résidence relativement courts. Ce jeu de données hydrogéochimiques pourra servir de référence pour documenter les impacts des changements climatiques sur le système hydrogéologique et l’interprétation qui en est tirée permettra de mieux comprendre la dynamique des eaux souterraines d’aquifères en régions froides. / L’eau souterraine dans le bassin versant d’Umiujaq répond aux normes de qualité canadiennes et québécoises pour l’eau potable. Cependant, la distance entre la vallée et la communauté rendent le site peu propice pour l’alimentation en eau d’Umiujaq. Ces résultats sont encourageants pour l’utilisation d’eau souterraine comme ressource ailleurs au Nunavik et dans les régions circumpolaires. La vulnérabilité de cette ressource potentielle doit néanmoins être considérée et la délimitation de zones de protections en fonction de l’état du pergélisol doit être envisagée pour éviter toute contamination de cette ressource fragile. En résumé, cette étude a apporté des données détaillées sur l’hydrogéochimie des eaux souterraines en zone de pergélisol discontinu qui combinées à des modèles hydrogéologiques et thermiques, ont permis de mieux comprendre les interactions entre les eaux souterraines et le pergélisol dans un environnement vulnérable soumis à des pressions économiques et climatiques. / The first part, Chapter 2, provides a summary of the current state of knowledge of groundwater hydrogeochemistry in permafrost-affected areas and reviews the potential impacts of permafrost degradation on groundwater quality. The hydrogeochemical characteristics of groundwater in permafrost areas depend on the same reactions as in permafrost-free areas. As a confining layer, permafrost can influence groundwater chemistry by limiting recharge and exchanges between the soil, surface water and groundwater. Longer residence times also increase water-rock interactions. One of the most important impacts of climate change on groundwater will probably be associated with the loss of the confining layer. In permafrost areas, there is a general lack of detailed hydrogeological studies which use direct groundwater sampling. Future studies related to hydrogeology in permafrost areas should therefore include better in-situ hydrogeochemical characterization to assess the potential for using groundwater as the climate warms. The second part, Chapter 3, uses hydrogeochemistry as a tool to better understand recharge dynamics and to develop a conceptual model for groundwater flow in the Tasiapik Valley, Umiujaq. This study is based on the analysis of samples taken from precipitation, groundwater, ice from permafrost mounds and from thermokarst lakes and streams. Groundwater hydrogeochemistry in the watershed is typical for young waters, with low mineralization. This implies relatively short flow paths (on the order of 100-1000 m) and short residence times. This hydrogeochemical dataset will provide a reference for documenting the impacts of climate change on the hydrogeological system and will improve our understanding of groundwater dynamics in cold-region aquifers. / Groundwater in the Umiujaq watershed meets Canadian and Quebec drinking water quality standards. However the distance between the valley and the Umiujaq community makes the site unfavourable as a local water supply. These results are promising for the use of groundwater as a water supply elsewhere in Nunavik and in circumpolar regions. The vulnerability of this potential resource must nevertheless be taken into account and the delineation of protection zones considering the state of permafrost must be considered to avoid contamination of this fragile resource. Finally, this study provides detailed baseline data on groundwater hydrogeochemistry in a discontinuous permafrost zone. This data, combined with hydrogeological and thermal models, will provide a better understanding of the interactions between groundwater and permafrost in a sensitive environment undergoing significant climate change and economic development. / Arctic and subarctic regions are particularly vulnerable to climate change. Higher air temperatures, for example, lead to permafrost warming which decreases its thickness and spatial coverage. Permafrost degradation has consequences on ecosystems, landscapes, the stability of soils, buildings and infrastructure, as well as on local populations and their way of life. The effect of permafrost degradation on groundwater is likely to result in the loss of the confining layer formed by permafrost, thereby promoting aquifer recharge and modifying interactions between surface water and groundwater. However, the effect of permafrost degradation on groundwater quality and availability is still largely unknown. With increasing concerns of rapid global warming, this thesis was motivated by the lack of information on groundwater in discontinuous permafrost regions and the potential of groundwater as a drinking water resource for communities in Nunavik (Quebec, Canada). This project focuses on understanding groundwater flow and groundwater quality in the Tasiapik Valley, a small watershed located in a discontinuous permafrost zone near Umiujaq, Nunavik, Quebec. Insights into the hydrogeological system are provided by conducting a comprehensive hydrogeochemical analysis of groundwater, surface water, precipitation and water contained in ice-rich permafrost. The thesis is divided into two parts. The first part (Chapter 2) presents a review of the existing scientific literature on groundwater hydrogeochemistry. The second part (Chapter 3) presents a specific hydrogeochemical study of groundwater in the Tasiapik Valley. The thesis also includes a general Introduction (Chapter 1), Synthesis (Chapter 4) and Conclusions (Chapter 5).

Le réchauffement climatique actuel entraine la fonte du pergélisol dans les zones septentrionales et la dégradation des infrastructures qui ont été construites dessus. Le présent mémoire porte sur l'étude de la dégradation des routes concernées par cette fonte. L'objectif est de réaliser un modèle numérique permettant de simuler et ainsi de prévoir l'évolution thermique d'un remblai situé sur du pergélisol, afin de pouvoir tester des solutions technologiques qui ont pour but de limiter le dégel de ce sol. Le modèle numérique est validé à partir de relevés de température effectuée sur un site expérimental situé à Beaver Creek, à la frontière du Yukon et de l'Alaska, qui subit directement l'effet de la fonte du pergélisol. Une fois le modèle numérique validé, trois solutions technologiques sont testées puis optimisées. La première solution est un remblai dit convectif, où l'on remplace le gravier situé sous ou en accotement de la route, par des pierres de grosses tailles, favorisant ainsi les phénomènes de transfert de chaleur par convection naturelle. Les résultats ont montré que le remblai convectif était la solution la plus performante pour créer une zone gelée de grande taille présente toute l'année sous la route. La deuxième solution est l'utilisation d'un drain thermique. Une conduite d'air est installée dans l'accotement du remblai, laissant circuler l'air par convection naturelle, en favorisant l'effet cheminée. Les résultats ont montré que le drain thermique était la solution la plus efficace pour limiter le dégel du remblai en été. Enfin, la troisième et dernière solution est l'utilisation d'une surface réfléchissante sur la route, ayant pour but de diminuer l'absorbtivité de la route, et ainsi de limiter le dégel du remblai. Les résultats ont montré que l'effet de cette surface réfléchissante était réel mais très localisé. Cependant, cette dernière solution reste la plus simple à mettre en place, car elle ne nécessite pas de travaux de grande envergure. Chacune de ces trois solutions a été optimisée. Les résultats finaux ont montré que la solution optimale, constituée d'un remblai à convection et d'une surface réfléchissante permettait d'éviter durant toute l'année que le pergélisol situé sous la route à Beaver Creek ne dégèle. Cela correspond donc à l'objectif fixé au départ pour le site expérimental étudié, et peut être développé pour d'autres situations de dégradation de routes dues à la fonte du pergélisol. / The current global warming triggers permafrost thawing, which jeopardizes the infrastructures that have been built on it. The present document presents a study of the thermal damage that roads experience because of this thawing. The objective is to build a numerical model to simulate and predict the thermal evolution of an embankment located on permafrost, in order to test technological solutions considered to limit the soil thawing. The numerical model is validated based on in situ temperature measurements collected in Beaver Creek, at the Yukon-Alaska border, that experiences the effects of permafrost thawing. Once the model is validated, three technological solutions are tested and optimized. The first solution is a convective embankment in which the gravel located under the road or on its shoulder is replaced by a layer of large rocks in order to enhance heat transfer by the air self-driven flow in this layer. Results have shown that the convective embankment was the most efficient solution for creating a large frozen region under the road ail over the year. The second solution is the thermal drain. An air duct in which air flow is triggered by natural convection is installed in the shoulder. The results revealed that the thermal drain was the best solution for preventing the thawing of the embankment in the summer. Finally, a third solution considered was to cover the surface of the road with a reflective painting in order to diminish the amount of solar radiation absorbed. The effect of the painting was very much localized. However, this last solution is the simplest to implement, because it does not require large roadwork. Each of these three solutions has been optimized. The optimal solution consisted of a convective embankment combined with a reflective surface in order to avoid the thawing of the road considered in this study. This corresponds meets the initial objective for the Beaver Creek road, and could be extended to other infrastructures on permafrost.

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.

L'importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement climatique, de part de leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales majeures qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La modélisation offre un moyen d'estimer ces impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation. L'amélioration et l'évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c'est dans ce cadre précis que s'inscrit mon travail de thèse. Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d'implications climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime hydrologique des principaux bassins de l'Arctique ont été évalués par comparaison à des données de terrain, révélant la plus-value d'une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la modélisation, qui touchent à l'absence de représentation des réservoirs temporaires d'eau de surface et, sans doute, d'une paramétrisation sous-maille du gel des sols. Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des données observationnelles : si la représentation de l'énergie de chaleur latente augmente la température des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation, imputable à une représentation imparfaite de la neige. Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais aussi biogéochimiques à l'échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques de la neige n'en sont pas l'unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, son contenu variable en eau liquide pouvant accommoder de l'eau de pluie. En termes hydrologiques, l'absence de représentation spécifique des zones de montagne, des caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des nombreuses étendues d'eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter raisonnablement des principales caractéristiques de l'hydrologie de surface de ces régions. Le diagnostique de ces limites définit autant de potentiels d'amélioration de la modélisation des hautes latitudes, sources possibles de développements futurs.

L'importance climatique des hautes latitudes est exacerbée par le contexte actuel du réchauffement climatique, de part de leur forte sensibilité à ces changements et en raison des rétroactions globales majeures qu'elles sont susceptibles d'engendrer. La modélisation offre un moyen d'estimer ces impacts dans les temps passés, présents et futurs, tout en quantifiant les incertitudes procédant des imperfections de notre connaissance de ces environnements et de leur représentation. L'amélioration et l'évaluation de la représentation des hautes latitudes dans les modèles de climat globaux répondent donc à de forts enjeux scientifiques et sociétaux : c'est dans ce cadre précis que s'inscrit mon travail de thèse. Le gel des sols est une spécificité majeure des régions circum-arctiques, porteuse d'implications climatiques aux plans thermiques, hydrologiques et biogéochimiques. Une paramétrisation des impacts hydrologiques du gel des sols a été introduite dans le schéma hydrologique multi-couches du modèle de surfaces continentales ORCHIDEE : ses effets sur le contenu en eau des sols et le régime hydrologique des principaux bassins de l'Arctique ont été évalués par comparaison à des données de terrain, révélant la plus-value d'une telle représentation mais aussi les lacunes résiduelles de la modélisation, qui touchent à l'absence de représentation des réservoirs temporaires d'eau de surface et, sans doute, d'une paramétrisation sous-maille du gel des sols. Parallèlement, une représentation des effets thermiques du gel des sols développée pour un modèle antérieur à ORCHIDEE a été révisée et évaluée à différentes échelles spatiales par comparaison à des données observationnelles : si la représentation de l'énergie de chaleur latente augmente la température des sols soumis au gel saisonnier, un biais froid subsiste dans la modélisation, imputable à une représentation imparfaite de la neige. Une étude de sensibilité conduite sur cette variable en confirme les implications thermiques mais aussi biogéochimiques à l'échelle des régions circum-arctiques, sous-tendues par les importantes quantités de matière organique que ces régions renferment. Alors que les caractéristiques de la neige sont souvent représentées comme spatialement uniformes dans les modèles de climat globaux, la simple prise en compte du caractère particulièrement isolant de la neige de taïga engendre des changements importants dans le cycle du carbone aux hautes latitudes, et souligne les incertitudes entachant notre représentation actuelle de ces écosystèmes. Les propriétés thermiques de la neige n'en sont pas l'unique vecteur, mais une évaluation détaillée de notre modélisation sur un site de permafrost arctique (station de Bayelva, Svalbard) désigne la neige comme une source majeure des incertitudes associées à notre modélisation des hautes latitudes, au travers de représentations inadaptées de son albédo, sa rugosité de surface, son contenu variable en eau liquide pouvant accommoder de l'eau de pluie. En termes hydrologiques, l'absence de représentation spécifique des zones de montagne, des caractéristiques hydrauliques des sols à granulométrie grossière du Haut-Arctique, et des nombreuses étendues d'eau libre des régions circum-arctiques, limite notre capacité à représenter raisonnablement des principales caractéristiques de l'hydrologie de surface de ces régions. Le diagnostique de ces limites définit autant de potentiels d'amélioration de la modélisation des hautes latitudes, sources possibles de développements futurs. / Focus has recently increased on high-latitude climatic processes as awareness rose about the extreme sensitivity of the Arctic to climate change and its potential for major positive climate feedbacks. Modelling offers a powerful tool to assess the climatic impact of changes in the northern high-latitude regions, as well as to quantify the range of uncertainty stemming from the limits of our knowledge and representation of these environments. My PhD project, dedicated to the improvement of a land-surface model for high-latitude regions and the evaluation of its performances, tackles therefore an issue of concern both for science and society. Soil freezing is a major physical process of boreal regions, with climatic implications. Here, a parameterization of the hydrological effects of soil freezing is developed within the multi-layer hydrological scheme of the land-surface model ORCHIDEE, and its performance is evaluated against observations at different scales, including remotely-sensed data. Taking the hydrological impact of soil freezing into account improves our representation of soil moisture and river discharges over the pan-Arctic land-surface area. However, residual inaccuracies suggest that potential for improvement lies in the representation of temporary surface water reservoirs like floodplains, surface ponding, and, possibly, the introduction of a subgrid variability in soil freezing. Hydrological modelling at high latitudes would also benefit from a specific treatment of mountainous areas and a revision of soil textural input parameters to account for abundant coarse-grained soils in the High-Arctic. Concomitantly, the thermal parameterization of soil freezing in ORCHIDEE is revised and evaluated against field data: latent heat effects yield a reduction but no suppression of a model cold bias in winter soil temperatures, part of which is imputed to the coarse representation of snow in the model. A sensitivity study performed on the insulative properties of taiga vs. tundra snow over the pan-Arctic terrestrial domain confirms the thermal implications of snow and outlines its consequences for carbon cycling at high-latitudes, calling for an appropriate representation of snow-vegetation interactions. Snow is furthermore implicated in identified flaws of the modelled surface energy balance, the components of which are precisely compared with a one-year high quality dataset collected at an Arctic permafrost site in Svalbard. Inaccuracies are diagnosed to stem from the representation of albedo, surface roughness and liquid water percolation and phase change within the snowpack. These diverse

L’environnement périglaciaire en général et les régions de permafrost en particulier, connus pour être très sensibles au changement climatique actuel, sont le sujet de beaucoup d’études sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, le dégel de ces milieux engendre la mobilisation d’une quantité importante de matière organique, précédemment piégée par le froid, favorisant les émissions de dioxyde de carbone et/ou de méthane. L’objectif premier, du présent travail, est de contribuer à l’étude des gaz enfermés dans certains types de glace de ces régions afin de mieux quantifier leur impact potentiel sur le climat.<p>Dans un premier temps, une analyse multiparamétrique a été menée sur deux coins de glace du nord de la Sibérie dans la cadre d’une collaboration avec l’Alfred Wegener Institut (Allemagne). Cette première approche a révélé que l’analyse conjointe de la cristallographie, de l’orientation des axes optiques, du contenu en gaz total et de la composition en gaz des coins de glace est un outil puissant, complémentaire aux analyses des isotopes stables, pour comprendre les conditions paléo-climatiques qui ont régi la construction des coins de glace. Cette étude soutient également l’hypothèse de variations spatiales importantes de l’origine des masses d’air durant les variations climatiques du Pléistocène.<p>Dans un deuxième temps, une analyse des caractéristiques de la glace annuelle de 4 lacs du nord de la Suède a été réalisée afin d’étudier le rôle de la couverture de glace sur les émissions de gaz à effet de serre. En effet, les lacs de ces régions contribuent fortement aux émissions de méthane durant la période d’eau libre et très peu d’études ont analysé la quantité de méthane emprisonnée dans la glace hivernale et relâchée au printemps. Ce projet nous a amené à établir une nouvelle classification des bulles dans la glace de lac basée sur leur contenu en méthane, leur origine, leur forme et leur densité. Il nous a également permis de montrer que plusieurs facteurs interviennent sur le contenu en gaz dans la couverture de glace :le système hydrologique, la variation de la pression atmosphérique, la variabilité des émissions et potentiellement la proximité des sédiments sont autant de facteurs qui déterminent le contenu en gaz. L’analyse de la composition des gaz a révélé que la composition observée dans la glace est sensiblement différente de celle observée durant les périodes d’eau libre. Nous avons également, pour la première fois, établit un budget des émissions de méthane relâchées par la fonte de la couverture de glace au niveau mondial.<p>Cette étude a été complétée par l’analyse des isotopes 13C des gaz des différents types de bulles de notre classification en collaboration avec l’Université d’Utrecht. Nous avons alors mis en évidence que la couverture de glace influence l’équilibre biogéochimique dans l’eau en favorisant l’oxydation du méthane en dioxyde de carbone.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La croissance démographique, le surpeuplement des logements, les pressions de développement urbain et économique ainsi que le réchauffement climatique provoquant le dégel du pergélisol sont des facteurs qui incitent à mieux planifier l'aménagement du territoire dans les communautés inuites du nord du Canada. Une meilleure connaissance des conditions locales du pergélisol favorise une meilleure prise de décision et, par le fait même, favorise en partie l'adaptation des communautés face au réchauffement climatique tout en les aidant à planifier l’expansion que commande l’immense besoin en logements. L’étude des types de fondation par rapport aux conditions du pergélisol dans la communauté d’Inukjuak souligne la nécessité de l’intégration des connaissances sur le pergélisol dans le processus d’aménagement du territoire dans la communauté. / The rising population, overcrowded housing, the pressure of urban and economic development and the warming climate are all factors that create the necessity of better land use planning in the communities of Nunavik, Canada. In this context, the link between land use planning and permafrost knowledge is strong. A better understanding of the permafrost conditions supports better decision making and therefore promotes a better adaptation of the communities facing the challenge of climate change and better planning of village growth due to more housing development. The study of the foundation types on permafrost terrain in the community of Inukjuak shows the necessity of the technical integration of the permafrost in the land use planning process in the community.

Iqaluit, capitale territoriale et plaque tournante du transport aérien dans l’est de l’Arctique canadien, possède un aéroport en mauvais état et mal adapté à l’augmentation prévue du trafic aérien pour les prochaines années. En effet, la piste, les voies d’accès et le tarmac sont endommagés par des processus de fissuration, d’effondrement et d’affaissement. Le présent travail vise, à l’aide de l’analyse des données climatiques et du régime thermique du pergélisol, de la cartographie des dépôts de surface et des formes associées au pergélisol, de la cryostratigraphie et de l’analyse de documents d’archives, à localiser les secteurs et les causes des problèmes géotechniques de l’aéroport. Les résultats obtenus confirment que les conditions initiales du terrain ont un impact considérable sur la stabilité actuelle des infrastructures. De plus, la présence de l’infrastructure elle-même a pour effet de modifier les conditions de surface entraînant un ajustement du régime thermique du pergélisol à ces nouvelles conditions.

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.