Les travaux de recherche s’intègrent dans une thématique globale du Département  Génie Civil et Environnemental  de l’Ecole des Mines de Douai relative à la valorisation de sous produits et coproduits industriels dans le domaine du Génie Civil. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l’étude de deux matériaux : les sédiments fins générés lors d’opérations de dragage et les laitiers d’aciérie, des coproduits de l’industrie métallurgiques. Ce travail traite une démarche générale de prétraitement et de traitements de ces deux matériaux dans cinq chapitres. Dans le premier chapitre, une étude bibliographique sur les sédiments et sur les laitiers a été réalisée. Dans cette partie, nous avons étudié la composition, la gestion actuelle et le cadre législatif défini pour la gestion des deux matériaux. Dans le second chapitre, une caractérisation générale des matériaux utilisés a été entreprise. Cette première partie nous permettra d’appréhender le comportement mécanique, physico-chimique et le degré de pollution de ces deux matériaux. Dans cette partie, nous avons étudié les caractéristiques physiques, les performances mécaniques, la composition minéralogique et l’impact environnemental des sédiments de dragages et des laitiers d’aciérie.Le troisième chapitre des travaux de la thèse s’intéresse aux sédiments de dragages. Dans ce chapitre, le processus de réduction de la teneur en eau initiale de deux sédiments a été exploré. Pour cela, nous avons défini un protocole expérimental pour l’optimisation du processus de séchage des sédiments de point de vue technique et économique. Dans cette partie, nous avons étudié le séchage des sédiments en fonction de plusieurs paramètres. Les paramètres sélectionnés sont : la teneur en eau initiale, le mode de séchage, la composition des sédiments et les conditions climatiques. Le quatrième chapitre consiste à développer des formulations à base de sédiments de dragage et de laitiers d’aciérie. Tout d’abord, des traitements des sédiments fins de dragages au ciment et à la chaux ont été explorés. Cette partie nous permettra de comparer l’efficacité des différents traitements appliqués. Ensuite, des formulations à base de sédiments et de laitiers d’aciérie ont été réalisées. Dans ces formulations, nous avons défini les proportions dans un mélange optimal basé sur une compacité maximale. Dans cette partie, nous avons adapté le modèle d’empilement compressible aux matériaux utilisés. Puis nous avons étudié le comportement mécanique des formulations réalisées.Enfin, dans le dernier chapitre, une tentative de dimensionnement d’une couche de chaussée à base des formulations réalisées a été mise en œuvre. Le dimensionnement a été réalisée conformément la méthode française de dimensionnements des chaussées. L’objectif de cette partie est d’étudier le potentiel de coproduits industriels pour une application en techniques routières en termes de contraintes et déformations admissibles. / This work is integrated in global thematic developed in Civil Engineering & Environmental Department of the Ecole des Mines de Douai. This thematic relate to the valorization of industrial co products to development an alternative solutions in terms of civil engineering materials. The experimental study developed in this thesis consists to use two materials: dredged sediment and steel slag.The manuscript content five chapters for discuss this approach to developed an experimental methodology to the valorisation of these materials in road construction. In the first chapter, a literature study of dredged sediments and steel slag has been realised. In this part, we studied composition, current management and actual legislation setting their management. In the second chapter, the general characterisation of used materials has been achieved. This part tends to understand the physical, mechanical and environmental behaviour of dredged sediment and steel slag. The third chapter, the natural drying of two types of fine dredged sediments is discussed. In the following, the efficiency of the evaporation and/or drainage has been discussed. The object of this part is to observe the results in terms of water-content decrease by evaporation and drainage in terms to physical characteristics, composition and initial water content of the sediments. The fourth chapter consists to develop a formulation of road materials of dredged sediments mixed to steel slag. Firstly, the treatment of the efficiency of sediment treatments with lime and cement are discussed. Then, a making of a road material with dredged sediment treated with steel slag is discussed. In this part we adapted of packing density model to sediments and steel slags. The last chapter considers the design of base course composed of sediments and steel slags. The design is realised according to méthode française de dimensionnements des chaussées.

La Zone Côtière Libanaise (ZCL), s'étend sur plus de 220 km le long de la mer Méditerranée orientale, est un cas typique de la plupart des zones côtières des pays en voie de développement où la combinaison d’un large éventail d'activités humaines contribue à la pollution de l'eau et à la dégradation de l'environnement. Cette pollution est due aux rejets industriels et domestiques, directs et indirects, d’un grand nombre de contaminants dans le milieu marin. En raison de son importance écologique, l'évaluation de la qualité des sédiments côtiers constitue un domaine de recherche important afin de statuer sur le niveau de la contamination des eaux. Dans ce travail, nous avons mis l’accent sur certains contaminants prioritaires tels que les Polluants Organiques Persistants (POP) et les métaux lourds qui sont connus pour leurs toxicités, leurs bioaccumulations et les effets cancérigènes et mutagènes. En raison d’un manque d'informations sur ces polluants dans le bassin méditerranée orientale en général et sur la zone côtière libanaise en particulier, nous avons focalisé l'étude sur les sédiments dans les sites côtiers les plus sensibles comme les bassins semi-fermés tels que les ports et les baies qui sont des écosystèmes très vulnérables où une grande quantité de polluants s’accumulent dans les sédiments où la remise en suspension et l'oxydation des sédiments anoxiques se produisent fréquemment.. L’évaluation de la qualité des sédiments portuaires est indispensable pour connaitre le devenir en cas d’aménagement. Une attention particulière a été portée sur le site du port de Tripoli, qui est considéré comme le deuxième port du Liban et en raison de son emplacement à proximité d’une réserve naturelle classée, les îles palmiers. En général, le niveau de pollution de la ZCL varie entre moyen et élevé selon le site. Pour le port de Tripoli, une proposition de plan d'urgence a été préparée pour l’aide à la décision des autorités du Port pour apporter des réponses aux incidents possibles comme les incendies ou le déversement pétrolier accidentel. Ce plan d’urgence peut être considéré comme une première étape de la gestion des zones côtières afin d’assurer un développement durable. / Lebanon coastal zone (LCZ) which extends over 220 km along the Eastern Mediterranean Sea is a typical case of most coastal areas of the developing countries in the Mediterranean region, where the combination of a wide range of anthropogenic activities are contributing to water pollution and environmental degradation, by the direct and indirect release of a large number of pollutants into the sea via atmospheric and river inputs. Amongst the numerous environmental concerns we are facing, the marine environment is one of the top priorities that must be addressed. Due to its ecological importance, the evaluation of coastal sediment quality constitutes an important area of research to give a clear picture of water pollution status. Much attention was paid of some priority pollutants such as persistent organic pollutant (POPs) and heavy metals as known to be toxic, persistent and bio-accumulative, carcinogenic and mutagenic. There is an urgent need to survey the levels of these pollutants in sediments due to the great lack of information in the eastern part of the Mediterranean Sea in general and particularly in Lebanese coastal zone which render our study very important and useful regionally and locally by local authority and policy makers during coastal zone management. The semi-enclosed basins such as ports and bays are very vulnerable ecosystem where build-up greatly amount of these pollutants in sediments. This why we focus on our studies of the assessment of ports sediment quality of some possible hotspots where the re-suspension and oxidation of anoxic sediment occur frequently. A special attention was taken to Tripoli harbour which is the second Port of Lebanon due to its location near some reserved island. The pollution levels of LCZ by these pollutants are assigned as moderate to high. An emergency proposal plan was prepared for Tripoli Harbour, this will assists harbour authority to response for all fire and oil spill accidents as a first step for a durable development inside this promising harbor.

Les mécanismes de formation, de migration et de recoupement des méandres des cours d'eau sont bien documentés mais, en Amérique du Nord, certaines lacunes demeurent concernant les processus de leur comblement sédimentaire. En aval de la ville de Joliette dans la région de Lanaudière, de part et d'autre de la rivière L'Assomption se trouvent plusieurs méandres abandonnés aux formes variées. Certains méandres semblent abandonnés depuis très longtemps, tandis que les processus de recoupement sont encore actifs pour d'autres. Ce mémoire de maîtrise vise à reconstituer l'évolution temporelle du comblement sédimentaire d'un des méandres abandonnés et ce, depuis son recoupement. Pour ce faire, une analyse par photographies aériennes couvrant la moitié du XXe siècle portant sur l'évolution du méandre et des terres adjacentes a été combinée à une analyse paléoécologique (macro restes végétaux, datations ¹⁴C) et lithostratigraphique d'une carotte de sédiments. Les résultats indiquent que le recoupement du méandre a eu lieu vers 210-150 ans BC. Au sein du méandre, un environnement d'abord aquatique riverain a évolué vers un milieu aquatique (étang ou lac), puis vers un milieu herbacé humide et, enfin, vers un milieu herbacé minérotrophe, lequel a perduré jusqu'à environ 210-265 ans AD. Le processus de comblement naturel fut ensuite perturbé par le défrichement des terres adjacentes et les activités agricoles qui en découlèrent. Ces perturbations ont eu pour effet de tronquer l'accumulation des sédiments, de déposer un lit de sédiments silteux et de modifier les conditions environnementales ainsi que les facteurs modulant les successions végétales subséquentes. L'excellente qualité de préservation des pièces macrofossiles a permis d'identifier au total 60 taxons vasculaires, ce qui en fait un site très diversifié en termes d'espèces végétales. C'est la première fois au Québec qu'une telle étude paléoécologique est menée sur les sédiments d'un méandre abandonné.

Les sédiments contenus dans les fjords offrent un excellent potentiel de reconstitution paléoenvironnementale, et ce, à haute résolution, puisque ces anciennes vallées glaciaires généralement situées à la confluence du domaine continental et marin sont caractérisées par de hauts taux de sédimentation. Les fjords sont formés de longues vallées étroites et profondes ayant été modelées à plusieurs reprises au cours de cycles glaciaires et interglaciaires. Ils contiennent typiquement des dépôts et formes de terrain qui témoignent des variations des anciennes marges glaciaires. Certains fjords peuvent aussi appartenir au domaine lacustre, et ce, en milieux alpins ou en périphérie d'anciennes zones recouvertes par un glacier où les vallées ont été ennoyées par les eaux de fonte et/ou les eaux marines, mais que le relèvement glacio-isostatique combiné à la régression marine postglaciaire les a émergés et isolés. Plusieurs fjords-lacustres sont présents au Québec et au Labrador, mais leur évolution depuis la dernière glaciation reste peu documentée puisque la plupart de leurs analogues lacustres dans d'autres régions du monde ont encore aujourd'hui des langues glaciaires dans leur bassin versant, ou sont situés en milieux alpin où aucune transgression marine n'a jamais eu lieu. Une approche combinant les technologies hydro-acoustiques telle que la bathymétrie multifaisceaux et les profils de sous-surface permet de visualiser à haute résolution la morpho-stratigraphie de bassins subaquatiques afin d'analyser les processus majeurs ayant modelé leur bassin et de mieux comprendre leur dynamique sédimentaire passée et récente. Une telle approche appliquée dans des fjords-lacustres situés à des endroits stratégiques permettrait d'ailleurs de raffiner l'histoire de la déglaciation tardi-quaternaire dans certaines régions où les reconstitutions paléoenvironnementales sont peu nombreuses. Cette thèse présente et analyse les données bathymétriques et sismo-stratigraphiques à haute résolution de huit fjords-lacustres du Québec (lacs Mékinac, Jacques-Cartier, Pohénégamook, Témiscouata, Pentecôte, Walker et Pasteur) et du Labrador (Lac Grand), ainsi que les modèles numériques de terrain (MNT) de leur vallée et environs. L'analyse géomorphologique et sismo-stratigraphique des huit lacs a permis de 1) reconstituer la séquence de déglaciation en Mauricie et dans l'est du Labrador; 2) raffiner la position du complexe morainique Mars-Batiscan ainsi que la limite de la mer de Champlain sur la rive nord du Saint-Laurent; 3) mieux comprendre la dynamique du retrait glaciaire dans les fjords de Mékinac et Grand durant les périodes de refroidissements climatiques du Dryas récent et de l'événement de 8.2 ka BP; et 4) construire un modèle d'évolution morpho-stratigraphique des fjords-lacustres du Québec et du Labrador, de la déglaciation à aujourd'hui. / Sediments contained in fjords have a high potential to reconstruct paleoenvironmental changes since these glacial valleys located at the interface of continent and ocean are generally characterized by high sedimentation rates. Fjords are long narrow valleys that were deeply incised during successive glaciations and interglacial periods. They typically contain glacial deposits and landforms that inform on past variations of ice margins. Fjords can also exist in lacustrine environments, such as in alpine area or formerly glaciated regions, where the glacio-isostatic rebound combined with the postglacial marine regression isolated the fjord from the sea. Many fjord-lakes are found in Québec and Labrador, but the evolution of these lacustrine basins since deglaciation is poorly documented, as many worldwide analogues of these type of lakes are still glaciated today, or are located in alpine regions where no marine transgression ever occurred. Hydroacoustic technologies such as multibeam bathymetry and sub-bottom profiles allow visualizing at a high resolution the morpho-stratigraphy of subaquatic basins in order to interpret the major events that modeled their basins and lead to a better understanding of their past and modern sedimentary dynamics. Using such an approach in fjord-lakes located at key locations would also allow refining history of last glaciation in areas where only few paleoenvironmental studies exist. This thesis reports and describes multibeam bathymetry data and sub-bottom profiles collected in eight fjord-lakes of Québec (lakes Mékinac, Jacques-Cartier, Pohénégamook, Témiscouata, Pentecôte, Walker & Pasteur) and Labrador (Grand Lake), as well as Digital Elevation Model (DEM) of their valleys and surrounding areas. The analysis that combine geomorphology and sismo-stratigraphy allow: 1) reconstructing the sequence of deglaciation in Mauricie (Southern Québec) and eastern Labrador; 2) refining the location of the Mars-Batiscan morainic belt as well as the transgression limit of the deglacial Champlain Sea on the north shore of the St. Lawrence River; 3) a better understanding of the dynamics of ice retreat in the fjords of Mékinac and Grand during climatic cold episodes (Younger Dryas and 8.2 ka BP event, respectively); and 4) establishing a model of morpho-stratigraphic evolution for fjord-lakes of Québec-Labrador, from deglaciation to the postglacial period.

Les travaux présentés dans le cadre de cette thèse portent sur la contribution à l’étude des processus électrocinétiques appliqués aux sédiments de dragage. Deux aspects ont été étudiés ; le premier est dédié à la phase de prétraitement et développe le processus d’électrodéshydratation, tandis que le second aspect traite de l’électroremédiation. L’électrodéshydratation des sédiments de dragage par la technique électrocinétique apparait comme une technique prometteuse. Dans ce cadre, des essais ont été réalisés sous différentes conditions dans le but de fournir une compréhension générale du comportement des sédiments soumis à un champ électrique seul ou combiné avec une contrainte mécanique, et d’évaluer la performance de déshydratation du sédiment, avec un accent particulier sur la détermination des paramètres physico-chimiques. Ensuite, des études sont menées afin d’évaluer l’efficacité du procédé électrocinétique sur la décontamination d’un sédiment de dragage, en utilisant des additifs aux propriétés chimiques bien définies. Afin de cibler les deux types de contaminants organiques (HAP) et inorganiques (métaux lourds), il s’est avéré intéressant de combiner les avantages de plusieurs types d’additifs. En combinant un acide avec un tensioactif, on arrive à améliorer ainsi l’efficacité du procédé d’électroremédiation. La considération énergétique du processus permet de réduire le coût par le biais de deux paramètres ; la dépense énergétique avec le traitement périodique et la concentration de l’additif. Les résultats ont montré que cette technique allie les avantages de compétitivité vis-à-vis des autres méthodes et d’efficacité de cibler les deux types de polluants. / The works presented in this thesis focuse on the contribution to the study of electrokinetic processes applied to the dredged sediments. Two aspects have been studied ; the first one deals with the preprocessing phase and develops the dewatering process, while the second aspect is devoted toe electroremediation. Dewatering dredged sediments by electrokinetics appears as a promising technique. In this framework, tests were performed under various conditions to provide a general understanding of the behaviour of the sediment subjected to a single electric field or combined with a mechanical stresses, and also to assess the performance of the dehydratation with particular emphasis on the determination of physicochemical parameters. Subsequently, studies were conducted to assess the potential of the Electrokinetic process on a dredged-contaminated sediment using additives with well-defined chemical properties. In order to target the two types of organic and inorganic contaminants, it was interesting to combine the advantages of several types of additives. For example, combining an acid with a surfactant can improve the electroremediation process. The improvement of this process can also be carried regarding to the economic aspect through two parameters; energy consumption with the periodic voltage treatment and the concentration of the additive. Therefore this electroremediation technique combines the advantage of being more competitive and efficient for several elements (organic and inorganic) present in the solid matrix.

La valorisation des sédiments marins du GPMD comme un nouveau granulat présente une solution alternative dans le domaine de génie civil. Les travaux de cette thèse se focalisent sur l’étude de valorisation du sédiment en technique routière et l’étude de durabilité du béton à base de sédiment. La première partie de la thèse fait l’objet de la valorisation des sédiments marins en technique routière. Elle est devisée en trois étapes :La première étape a été consacrée à une identification du sédiment marin. La deuxième étape présente la méthodologie de valorisation du sédiment par la mise au point d’une formulation en laboratoire. La dernière étape concerne la réalisation d’un ouvrage routier à l’échelle 1 à base du sédiment à Dunkerque. La phase de suivi in situ de l’aspect mécanique et environnemental de l’ouvrage est également traitée. La seconde partie fait l’objet d’une étude de durabilité du béton à base de sédiment. Cette partie est divisée en trois étapes. La première étape est consacrée à une caractérisation non destructive et destructive des deux bétons contenant 12,5% et 20% de sédiment associé à une caractérisation microstructurale. La deuxième concerne l’étude de durabilité du béton face à l’attaque sulfatique externe, aux cycles gel/dégel et à la RAG afin d’évaluer l’effet de l’ajout de sédiment dans le béton. Enfin, la troisième étape traite l’impact environnemental sur les deux types de bétons. L’étude de durabilité des bétons à base de sédiment présentée dans cette partie peut servir de base à des futurs travaux visant à mieux comprendre l’impact d’incorporation de sédiment dans le béton sur la résistance mécanique, ainsi que sur les mécanismes de dégradation. / The valorization of non-submersible marine sediments of the GPMD as a new aggregate presents alternative solutions in the field of civil engineering for a better management. The work of this thesis focus on the valorization study of marine sediment in road engineering and the study of the durability of concrete blocks made with sediment. The first part of valorization non-submeresible sediments in road engineering is divided into three steps :The first step was devoted to the physical, mechanical and mineralogical characteristics of these materials, as well as their chemical composition and environmental effects. The second step presents an experimental methodology for the development of a road foundation. The last step describes the construction of an experimental road and analyses the mechanical properties of cores drilled from the road and the results of deflection tests. An environmental assessment, based on leaching tests, was also performed.The second part of the thesis focuses on a durability study of two concrete blocks with two different percentages of sediment. This part is divided into three steps:In the first step, mechanical, physical and chemical characteristics of two types of concrete containing12,5% and 20% of dredged marine sediments are presented and discussed. In the second step, we have examined the durability of these types of concrete with regards to alkali-aggregate reaction, sulphate attack and freezing and thawing cycles. The results of this study will serve in order to better understand the impact of the incorporation of sediments into the concrete and the effect on the mechanical resistance and the degradation mechanisms.

Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur les courants et le transport de matière solide en suspension, au voisinage de grandes structures immergées en eau peu profonde. Nous avons focalisé notre étude sur le cas de cages d'aquaculture installées dans la rade de Cherbourg. Situées dans une zone de fort courant, elles impactent leur environnement en modifiant l'écoulement et la turbidité locale. En dépit de nombreuses études déjà disponibles sur l'impact hydrodynamique de tels obstacles, de nombreuses questions se posent encore concernant l'écoulement sous la cage, la production de turbulence, l'érosion du sol et la remise en suspension de sédiments, ainsi que le devenir des déchets produits par la cage. Nous avons choisi de développer trois approches complémentaires pour apporter des éléments de réponse à ces questions. La thèse débute par une étude purement théorique de l'hydrodynamique au voisinage d'un obstacle immergé, assimilé à un milieu poreux, et dans une géométrie simplifiée. Ce modèle bi-dimensionnel, dans le plan vertical, donne de premiers ordres de grandeurs concernant la chute de pression motrice le long du courant, l'accélération du fluide sous la cage, la production de turbulence. Cette étude est suivie d'une analyse numérique de ce même modèle, dans laquelle certaines approximations seront levées. En particulier, le modèle numérique permet de considérer des cages plus imperméables que celles analysées par le modèle théorique. Il est cependant limité en nombre de Reynolds, et a été appliqué avec des échelles réduites. Ce modèle numérique a permis d'analyser le lien direct entre le coefficient de traînée effectif de la cage et diverses quantités-clés : le débit à travers la cage, la chute de pression le long du courant, la production de turbulence et l'apparition d'une zone de recirculation à l'arrière de l'obstacle. Ce dernier effet, visible seulement pour des cages très imperméables, a un impact notable sur le transport de sédiments et d'effluents : lorsque l'arrière de la cage devient une zone morte (zone de recirculation), l'essentiel du débit passe au dessous, ce qui crée de fortes survitesses et produit de la turbulence. Celle-ci peut alors entraîner des particules indésirables dans la zone morte, ce qui augmente notablement la complexité de leurs trajectoires et retarde leur évacuation. Enfin, ces études théoriques ont été complétées par des mesures vélocimétriques et turbidimétriques à l'amont et à l'aval d'une grande cage installée dans la rade de Cherbourg. Celles-ci confirment la présence d'une survitesse en provenance du dessous de la cage, comparable à celle prédite par le modèle théorique. Dans le cas d'une cage très peu perméable, la persistence d'une forte turbidité a été mesurée à l'aval de celle-ci, en accord qualitatif avec les simulations numériques. / This manuscript presents investigations of current and sediment transport in the vicinity of large immersed structures in shallow water flows. It focuses on aquaculture cages installed in the roadstead of Cherbourg. Being located in a high stream zone, these obstacles have a non-negligible effect on currents as well as turbidity. In spite of numerous references on this topic, many questions still arise concerning the environmental impact of such objects. Quantitative information are still needed about the flow below the cage, turbulence production, erosion of the sand bed, sediments resuspension, and evacuation of effluents. To deal with these open questions, we have chosen to develop three complementary approaches. The thesis starts with an analytical study of the flow in a simplified two-dimensional model containing a large rectangular porous structure. Only the motion in the vertical mid-plane of the obstacle is considered. This preliminary model provides estimations of various dynamic quantities, like the velocity increase below the cage, the decay of piezometric pressure along the stream, and turbulence production. Then follows a numerical analysis of the very same flow, based on less stringent approximations. Because of the high cost of computations, simulations have been done at a reduced scale. Nevertheless, they confirm most of the findings of the analytical approach for very permeable cages, and provide crucial information also about weakly permeable cages which were out of reach of the analytical model. In particular, the formation of a recirculation cell behind such cages, together with turbulence production, have been studied with the numerical model. This effect has been observed to affect sediment and effluent transport: when the flow at the rear of the cage takes the form of a cell with closed streamlines, the cage can be thought of as closed and most of the flow passes below. This creates large velocity gradients and produces turbulence which significantly increases the dispersion of sediments and effluents. These particles are then likely to be captured for some time in the cell, instead of being evacuated away. In addition to these theoretical approaches, in-situ current and turbidity measurements have been performed upstream and downstream of a large cage immersed in the roadstead of Cherbourg. They confirm the existence of a fast stream emerging from below the cage. Vertical streamwise velocity profiles have been shown to agree with theoretical ones, in the case of a very permeable cage. Also, large turbidity levels have been recorded at the rear of a weakly permeable cage, in qualitative agreement with simulations.

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Les sédiments aquatiques sont des archives précieuses de l'histoire des écosystèmes, et elles contiennent des informations permettant de reconstituer le passé et de prévoir l'évolution de l'état des écosystèmes. Les carottes de sédiments lacustres fournissent des données à long terme essentielles pour distinguer le rythme et l'étendue des changements environnementaux naturels, comprendre les écosystèmes avant les impacts anthropiques et établir l'état de référence des écosystèmes. Cependant, la plupart des techniques d'analyse des sédiments sont destructives, prennent du temps et ont une résolution relativement faible. Ces dernières années, l'imagerie hyperspectrale s'est imposée comme une nouvelle technologie en paléolimnologie. Contrairement aux méthodes traditionnelles, cette technologie permet la reconstruction rapide, non destructive et très détaillée (résolution spatiale submillimétrique) des caractéristiques physiques, biologiques et chimiques des carottes de sédiments. Ce doctorat vise à étudier les réponses des lacs à de multiples facteurs de stress au cours des 150 dernières années en utilisant diverses propriétés des carottes de sédiments identifiées grâce à l'imagerie hyperspectrale. Cette thèse examine 116 carottes de sédiments lacustres prélevées pendant trois étés (2017-2019) dans des lacs canadiens répartis dans 11 écozones. La recherche a été menée dans le cadre du programme du Réseau canadien Lake Pulse du CRSNG (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada). Les images hyperspectrales (HSI), combinées avec d'autres proxies, ont été employées pour développer des modèles d'apprentissage automatique et statistiques. Ces modèles ont permis d'analyser la composition des sédiments et, par conséquent, de reconstituer les changements environnementaux passés dans l'ensemble du Canada. En plus des données principales provenant de l'imagerie hyperspectrale, des données supplémentaires proviennent des modèles de données climatiques globales, et d'analyses de spectrophotométrie, de granulométrie laser, et de spectrométrie gamma et alpha. Les principaux résultats de cette thèse incluent (1) le développement de méthodologies pour préparer des échantillons de carottes de sédiments avant l'acquisition d'images, pour la configuration du scanner hyperspectral, pour l'acquisition des données, et pour personnaliser les méthodes existantes et développer de nouvelles techniques de débruitage, de prétraitement et d'intégration de données spectrales; (2) le développement d'un modèle d'apprentissage profond basé sur des réseaux de neurones convolutifs pour estimer la taille moyenne des particules des carottes de sédiments à l'aide de l'imagerie hyperspectrale; (3) l'introduction d'un nouvel indice spectral pour estimer la teneur en chlorophylle dans les carottes de sédiments lacustres; et (4) l'analyse d'une vaste base de données provenant de carottes de sédiments lacustres de partout au Canada, couplée à des données climatiques historiques. Cette dernière analyse a révélé une augmentation généralisée des dépôts de chlorophylle dans les lacs canadiens due au climat depuis l'époque préindustrielle (après 1850), et surtout depuis la fin des années 1950. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse vont faciliter de futures études à haute résolution sur les changements environnementaux à partir de carottes de sédiments et font progresser notre compréhension de l'état des lacs canadiens et de leurs réponses au réchauffement climatique. / Aquatic sediments are valuable archives of ecosystem history which contain information that enables past reconstructions and predictions about the state of ecosystems. Lake sediment cores provide long-term data essential for distinguishing the rate and extent of natural environmental changes, understanding ecosystem patterns prior to human impacts, and establishing the baseline condition of ecosystems. However, most sediment analysis techniques are destructive, time-consuming, and relatively low-resolution. In recent years, hyperspectral imaging has emerged as a new technology in paleolimnology. Unlike traditional methods, this technology allows for the rapid, non-destructive, and highly detailed (submillimeter spatial resolution) reconstruction of physical, biological, and chemical characteristics within sediment cores. This Ph.D. aims to study lake responses to multiple stressors over the past 150 years utilizing various properties of sediment cores identified through hyperspectral imaging. This thesis involved the examination of 116 lake sediment cores collected during three summers (2017–2019) from Canadian lakes across 11 ecozones. The research was conducted as part of the NSERC (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Canadian Lake Pulse Network program. Hyperspectral images (HSI) from the surface of sediment cores, along with other proxies, were employed to develop machine learning and statistical models. These models were instrumental in analyzing sediment composition and, consequently, reconstructing past environmental changes across Canada. Besides hyperspectral data, which served as the primary focus, data were utilized from various techniques such as spectrophotometry, laser granulometry, gamma and alpha spectrometry, and global climate data models. The key outcomes of this thesis include (1) the development of a methodology for preparing sediment core samples before scanning, configuring hyperspectral scanner setup, acquiring data, customizing existing methods, and developing new techniques for denoising, preprocessing, and integrating spectral data; (2) the development of a deep learning model based on convolutional neural networks to estimate the mean particle size of sediment cores using hyperspectral imaging; (3) the introduction of a new spectral index to infer chlorophyll content within lake sediment cores; and (4) the analysis of a large database of lake sediment cores from across Canada, coupled with historical climate data, that revealed a widespread climate-mediated increase in chlorophyll deposition in Canadian lakes since pre-industrial times (post-1850), and particularly since the late 1950s. The research in this thesis enables future high-resolution studies of environmental change from sediment cores and advances our understanding of the state of Canadian lakes and their responses to warming climates.

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L’objectif de ce mémoire est de quantifier la diagenèse de l’arsenic (As) dans les sédiments, d'utiliser ceux-ci comme archive environnementale et d’identifier les réactions clés de l’As. Huit lacs ont été visités en juin 2018 et mai 2019, le long d’un transect de 80 km au nord-ouest de la mine d’or Giant, à Yellowknife, dans les Territoires du Nord-Ouest, Canada, pour y prélever de l’eau de surface, des carottes de sédiments et de l’eau porale. Ces échantillons ont été analysés afin d’obtenir les concentrations dissoutes et solides de carbone organique, d’As, de fer (Fe), manganèse (Mn) et d'aluminium (Al) et des anions nitrate, sulfate, sulfure et chlorures. Les concentrations d’As dans l’eau porales ont été interprété à l’aide de la modélisation diagenétique inverse et de calculs thermodynamiques. L'historique des flux d’As solide déposés au fond des lacs a été calculé après correction pour l'influence de la diagenèse. Les flux diffusifs d’As à l’interface eau-sédiment en réponse à la contamination causée par l’activité minière ont été calculés pour les deux années d'échantillonnage. Les résultats montrent que la diagenèse est plus importante dans les lacs avec des taux de sédimentation plus faibles. Après correction, les données indiquent que les flux d'As maximaux coïncident avec la période d'activité de la mine. Néanmoins, les lacs près de la mine sont toujours sous l’influence d’apports importants d’As dissous depuis leur bassin versant, et montrent des flux diffusifs élevés d’As vers la colonne d’eau. Les calculs thermodynamiques de spéciation et des indices de saturations suggèrent que la mobilité de l'As est liée à celle des oxydes de fer et au soufre. Le sulfure de fer amorphe se forme dans les sédiments et l’As co-précipite ou s’adsorbe sur cette phase minérale. Enfin, le moment de la fonte du couvert de glace, qui permet l’arrivée de l’oxygène, semble déterminer la mobilité de l’As auprintemps. Dans le contexte où les changements climatiques influencent la durée du couvert de glace, une étude approfondie de l’effet du couvert de glace sur les conditions d’oxydoréduction est souhaitable. / The goal of this thesis is to quantify the diagenesis of arsenic (As) in the sediments, using them as environmental archives and identify the key reactions of As. Eight lakes have been visited in June 2018 and May 2019, along an 80 km transect northwest from the gold mine Giant, near Yellowknife in the Northwest Territories, Canada to collect surface water, sediment cores and porewater. These samples have been analyzed to obtain the dissolved and solid concentration of organic carbon, As, iron (Fe), manganese (Mn) and aluminium (Al) and anions (nitrate, sulfate, sulfide and chloride). As concentrations in porewater were interpreted using inverse diagenetic modeling and thermodynamics calculations. The history of the fluxes of solid As deposited at the bottom of the lakes was calculated after correction for the influence of diagenesis. Diffusive fluxes of As at the sediment-water interface in response to contamination from mining activity were calculated for the two years of sampling. The results show that diagenesis is greater in lakes with lower sedimentation rates. After correction, the data indicates that the maximum As fluxes coincide with the period of mine activity. Nonetheless, lakes near the mine are still influenced by large inputs of dissolved As from their watersheds, and show high diffusive fluxes of As to the water column. Thermodynamic calculations of speciation and saturation index suggest that the mobility of Asis related to that of iron oxides and sulfur. Amorphous iron sulfide forms in the sediment and As coprecipitates or adsorbs to this mineral phase. Finally, the timing of the melting of the ice cover, which allows the arrival of oxygen, seems to determine the mobility of As in the spring. In the context of climate change shortening the duration of ice cover, an in-depth study of the effect of ice cover on redox conditions is desirable.