L'étude présentée ici concerne la répartition du 210Pb atmosphérique à l'échelle globale dans l'environnement. Ce travail débute par une étude expérimentale concernant les mesures de flux de dépôt atmosphérique de 210Pb dans les pluies, les sols et la neige. Une base de données a ensuite été construite en regroupant les mesures effectuées ces quatre dernières décennies. Celle-ci se focalise sur les concentrations de 210Pb dans l'air de surface et sur les flux de dépôt d'origine atmosphérique mesurés aux interfaces atmosphère-surface terrestre (collecteurs artificiels, sols et neige) et eau-sédiment. Cette base de données est ensuite exploitée. Les données de 210Pb atmosphérique sont analysées qualitativement en termes de transport (circulation atmosphérique) et de mécanismes de dépôt, et utilisées quantitativement pour la validation d'un modèle de circulation générale (GCM). En dernière partie, les données de flux de dépôt de 210Pb à l'interface eau-sédiment sont comparées statistiquement aux données de flux de dépôt atmosphérique. Cette comparaison est appliquée à l'étude des transferts entre l'atmosphère et les sédiments et permet ainsi de distinguer quatre différents types de réservoirs aquatiques.

La dernière période glaciaire a été ponctuée de variations climatiques abruptes, appelées événements d'Heinrich, qui sont caractérisées par des épisodes de vêlages massifs d'icebergs et d'apports en eaux de fonte dans l'Atlantique Nord. Les événements d'Heinrich (EH) ont fait l'objet de nombreuses publications scientifiques portant sur la paléocéanographie de la zone Nord Atlantique. Cependant, peu d'études se sont intéressées aux modifications sédimentaires intervenant entre la source et la zone de dépôt. L'objectif de cette recherche est de caractériser l'enregistrement sédimentaire des événements d'Heinrich Hl et H2 le long de la marge du Labrador. Pour cela, une approche multi-proxy à haute résolution (propriétés physiques, géochimiques et datations au ¹⁴C) a été réalisée sur des carottes prélevées le long de la marge du Labrador en 2005 et 2006 à partir de l'embouchure du détroit d'Hudson jusqu'à l'éperon d'Hamilton. En combinant les différentes analyses, il a été possible d'illustrer l'évolution des dépôts de H1-H2 en fonction de la distance à la source. Les résultats ont permis de déterminer la répartition spatiale de Hl et H2 le long de la marge et les différents processus de déposition qui y sont associés. Les brusques variations de concentrations géochimiques, la faible susceptibilité magnétique et la présence de carbonates inorganiques des dépôts étudiés indiquent une provenance de l'érosion des roches carbonatées du plancher du détroit d'Hudson ainsi qu'une dilution des minéraux ferrimagnétiques par les carbonates (Andrews et Tedesco, 1992). La présence d'une couche noire à la base de H2 composée de sédiments qui proviendrait du détroit de Cumberland (Jennings et al., 1996) indique un transport sédimentaire précurseur à la déposition des débris carbonates du détroit d'Hudson. Les concentrations d'IRD ont permis de détecter des fluctuations d'apports en eaux de fonte et en icebergs dans Hl et H2. La variabilité des concentrations géochimiques de ces couches d'Heinrich s'explique par des apports sédimentaires de sources différentes ou par des réactions chimiques dues aux échanges eau-particules selon la localisation le long de la marge.

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.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le dragage des ports français génère chaque année entre 25 et 40 millions de tonnes de matériaux non contaminés qui sont clapés en mer. Il existe, de plus, un stock important de sédiments contaminés (10 millions de tonnes environ) qui n'ont pas été dragués, du fait de la réglementation interdisant un rejet en mer lorsque les niveaux de contamination dépassent les seuils définis par l'arrêté du 14 juin 2000. En outre, ce stock de sédiment, qui devra impérativement être dragué dans les dix ans à venir, est quasiment orphelin de filières de traitement et de valorisation adaptées. L'urgence de mettre en place des solutions (filières), respectueuses des fondements du développement durable, a engendré de nombreux programmes de recherche. Le programme SEDiGEST (Gestion des Sédiments de dragages des ports) envisage notamment un scénario de remblaiement des cavités terrestres par des sédiments traités. Cette Thèse de Doctorat, menée dans le cadre de ce programme, contribue à l'amélioration de la compréhension du comportement géo-physico-chimique d'un sédiment marin stabilisé aux liants hydrauliques (chaux + ciment). Pour répondre à cet objectif la démarche expérimentale a été conduite en trois étapes : tout d'abord la caractérisation du solide, puis l'évaluation de la mobilité potentielle des polluants inorganiques et enfin, la modélisation du comportement à la lixiviation. La synthèse des résultats a montré que les polluants inorganiques cibles de la matrice d'étude (cuivre, plomb et zinc) étaient majoritairement associés aux carbonates, aux sulfures/sulfates, aux (oxy)hydroxydes, et/ou à la matière organique. L'étude comparative de la matrice étudiée à trois stades " d'évolution " (avant et après traitement et vieilli artificiellement) a permis de mettre en évidence que le procédé de stabilisation aux liants hydrauliques n'était pas une solution pérenne. En effet, le sédiment traité présente un risque de pollution à plus ou moins long terme, notamment par relargage de plomb et de cuivre, en cas de carbonatation de la matrice sédimentaire. En particulier, la réversibilité du procédé de stabilisation/solidification induit par la réactivité des phases cimentaires avec le CO2 atmosphérique, peut également conduire à une mobilisation des polluants à long terme.

Le dragage des ports français génère chaque année entre 25 et 40 millions de tonnes de matériaux non contaminés qui sont clapés en mer. Il existe, de plus, un stock important de sédiments contaminés (10 millions de tonnes environ) qui n’ont pas été dragués, du fait de la réglementation interdisant un rejet en mer lorsque les niveaux de contamination dépassent les seuils définis par l’arrêté du 14 juin 2000. En outre, ce stock de sédiment, qui devra impérativement être dragué dans les dix ans à venir, est quasiment orphelin de filières de traitement et de valorisation adaptées. L’urgence de mettre en place des solutions (filières), respectueuses des fondements du développement durable, a engendré de nombreux programmes de recherche. Le programme SEDiGEST (Gestion des Sédiments de dragages des ports) envisage notamment un scénario de remblaiement des cavités terrestres par des sédiments traités. Cette Thèse de Doctorat, menée dans le cadre de ce programme, contribue à l’amélioration de la compréhension du comportement géo-physico-chimique d’un sédiment marin stabilisé aux liants hydrauliques (chaux + ciment). Pour répondre à cet objectif la démarche expérimentale a été conduite en trois étapes : tout d’abord la caractérisation du solide, puis l’évaluation de la mobilité potentielle des polluants inorganiques et enfin, la modélisation du comportement à la lixiviation. La synthèse des résultats a montré que les polluants inorganiques cibles de la matrice d’étude (cuivre, plomb et zinc) étaient majoritairement associés aux carbonates, aux sulfures/sulfates, aux (oxy)hydroxydes, et/ou à la matière organique. L’étude comparative de la matrice étudiée à trois stades « d’évolution » (avant et après traitement et vieilli artificiellement) a permis de mettre en évidence que le procédé de stabilisation aux liants hydrauliques n’était pas une solution pérenne. En effet, le sédiment traité présente un risque de pollution à plus ou moins long terme, notamment par relargage de plomb et de cuivre, en cas de carbonatation de la matrice sédimentaire. En particulier, la réversibilité du procédé de stabilisation/solidification induit par la réactivité des phases cimentaires avec le CO2 atmosphérique, peut également conduire à une mobilisation des polluants à long terme. / The dredging of French ports generates each year between 25 to 40 million tons of uncontaminated materials which are piled onto sea. Moreover, an important stock of contaminated sediments (about 10 million tons), which has to been dredged, exists. Indeed, the decree of June 14th, 2000 prohibits disposal to sea when levels of contamination exceed regulations. This important stock of sediment, which must be imperatively dredged within 10 years, is almost orphan of adapted treatment and valorization. In this context many research program appear to propose and to develop solutions. The SEDiGEST program (Management of the dredging sediments of ports) intends a scenario of filling terrestrial cavities with treated sediments. This Ph.D. thesis, carried out within the framework of this program, contributes to the improvement in understanding the geo-physico-chemical behavior of marine sediment stabilized with hydraulic binders (cement + lime). In this objective, the experimental approach was conducted in three steps. Firstly, a characterization of the solid was realized. An evaluation of the potential mobility of inorganic pollutants have was then determined. Finally, a modeling of the behavior towards leaching was operated. Data shown that target's inorganic pollutants of the matrix of study (copper, lead and zinc) were mainly associated with carbonates, sulfides/sulfates, (oxy)hydroxides, and/or with organic matter. Comparative study of the matrix at three levels “of evolution” (before and after treatment and artificially aged) highlights the reversibility of the stabilization by hydraulic binders. Indeed, treated sediment presents a pollution risk to less or more long term, leaching of copper and lead, during carbonation.

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.

La pratique du dragage d'entretien déplace chaque année dans le bassin de la Seine des volumes moyens de 150 000 m3. Ces sédiments accumulent des polluants et c'est pourquoi leur devenir soulève des questions environnementales que nous avons souhaité éclaircir au cours de ce travail. Un bilan des réglementations internationales concernant la gestion de ces matériaux de dragage (MD) nous a permis de noter que cette question au niveau Européen et surtout Français restait posée. Nous avons ensuite décrit les différentes étapes subies par le sédiment depuis l'opération de dragage jusqu'à sa destination finale. Nous avons, grâce à des échantillonnages de sédiments dans le bassin de la Seine, déterminé la qualité des sédiments avant dragage. L'étude de distributions géographiques (SIG) a montré que les fortes concentrations en micropolluants étaient majoritairement retrouvées à l'aval direct des sources de pollution. Après une description des sites d'échantillonnage et des méthodes d'analyse utilisées, nous avons présenté les résultats concernant le suivi de la mise en dépôt de matériaux de dragage provenant du bassin de la Seine dans l'étang du Rouillard. Ce site de dépôt en eau est situé au sein d'une base de loisirs (Verneuil-sur-Seine, 78). Il a reçu de juin 1999 à septembre 2001 200 000 m3 de MD provenant de la Seine à l'aval de Vitry (94) jusqu'à Vernon (27) et de l'Oise à l'aval de Compiègne (60). Le mode de mise en dépôt utilisé remet en suspension les MD avec de l'eau de Seine pour faciliter leur pompage et remblaiement dans l'étang. Cependant, cette remise en suspension modifie les conditions physico-chimiques au sein des MD et est susceptible d'entraîner des relargages de polluants présents dans les sédiments dragués. Nous avons donc suivi l'évolution temporelle de différents paramètres (paramètres in situ, matière organique, nutriments et micropolluants) dans les eaux superficielles de l'étang remblayé, dans les sédiments et leurs eaux interstitielles, ainsi que dans les eaux de la nappe phréatique en contact avec le dépôt. Le suivi de la qualité des eaux superficielles de l'étang a permis de montrer que l'impact majeur de la pratique est l'apport de nutriments et, en particulier, l'apport d'ammonium, et de carbone organique. Ces apports entraînent une eutrophisation de l'étang confirmée par les mesures de chlorophylle a. Il est également apparu clairement que les micropolluants présents dans les MD introduits dans l'étang n'ont pas été relargués vers les eaux superficielles pendant la période étudiée. Cependant, les effets à plus long terme restent à étudier. Les dépôts de l'étang ont joué un rôle important dans la mobilisation ou non des polluants qu'ils contiennent. En effet, ils sont le siège de la diagenèse qui englobe des procédés biologiques et/ou physico-chimiques qui tendent à minéraliser le dépôt. Nous avons mis en évidence l'activité ammonifiante et dénitrifiante du dépôt. Nous avons également constaté la dégradation de la matière organique de ce dépôt entraînant le relargage de carbone organique et de phosphore. Le dépôt a également joué le rôle de puits de micropolluants : à court terme, nous avons effectivement constaté une accumulation des ces polluants à la surface du dépôt. Grâce à l'observation de la qualité des eaux de la nappe située à proximité de l'étang du Rouillard au moyen des piézomètres, nous avons pu noter que la qualité de cette nappe était très peu modifiée. Des calculs de flux de polluants au cours des trois années de mise en dépôt ont permis, d'une part de vérifier nos hypothèses concernant les déplacements d'eau : les infiltrations ont lieu majoritairement depuis la nappe ou la Seine vers l'étang. D'autre part, nous avons pu confirmer les tendances déduites des observations de l'évolution des concentrations en polluants mesurées. Dans une perspective de gestion durable, ce travail a permis de proposer des alternatives de gestion des MD dans le bassin de la Seine et enfin, propose des travaux ultérieurs destinés à approfondir la connaissance des mécanismes observés sur le terrain par des recherches en réacteurs et/ou en site pilote expérimental.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La production hydroélectrique est fortement impactée par la sédimentation dans les retenues de barrages, qui sont influencés par l'occupation du sol, l'infiltration et les interactions entre les eaux de surface et les aquifères. Pour le paiement des Services Hydrologiques Environnementaux au Costa Rica, une quantification de l'impact des utilisations des terres cultivées en café sur le fonctionnement des bassins est nécessaire. Cette thèse vise à : 1) étudier les composantes du bilan hydrologique dans un bassin agroforestier récemment installé 2) à quantifier les flux d'eau et de sédiments à différentes échelles : de la parcelle au bassin et de l'événement de crue à l'échelle annuelle, et 3) à simuler le bilan hydrique et la production de sédiments en tenant compte du ruissellement sur les versants et les routes. Les processus hydrologiques, écophysiologiques et de transfert de sédiments ont été suivis sur le bassin (pluie, débit, évapotranspiration, humidité du sol, niveau de l'aquifère, turbidité) et les parcelles (ruissellement de surface et érosion). Un nouveau modèle éco- hydrologique a été développé pour simuler les termes du bilan hydrologique et de sédiments. Des améliorations sont en cours pour tenir compte de l'effet des routes sur la genèse du ruissellement de surface et de l'érosion. Le faible ruissellement de surface, la faible érosion des parcelles et la faible production de sédiments, compte-tenu des conditions biophysiques et des pratiques de gestion (arbres d'ombrage, désherbage), offrent clairement des Services Ecosystémiques en réduisant les transferts superficiels de pesticides et de sédiments et en permettant une bonne régulation du débit de rivière. / The profitability of hydropower is affected by soil erosion and sedimentation in dam reservoirs, which are influenced by land use, infiltration and aquifer interactions with surface water. In order to promote the payment of Hydrological Environmental Services (HES) in Costa Rica, a quantitative assessment of the impact of land uses (such as coffee farming) on the functioning of drainage basins is required. This thesis seeks: 1) to study the water balance partitioning in a newly installed coffee agroforestry basin 2) to estimate the water and sediment yield at various spatio-temporal scales: from plot to basin and from event to annual scale; and 3) to simulate the water and sediment yields, at both annual and peakflow scale, by including the surface runoff from hillslopes and roads. The main hydrological, ecophysiological and sediment processes were monitored during one year at the basin (rainfall, streamflow, evapotranspiration, soil humidity, aquifer level, turbidity) and at the plots (surface runoff and erosion). A new eco-hydrological model was developed to close the water balance, and the annual sediment yield was also quantified. Improvements are in progress to take into account the effect of roads in surface runoff generation. The low surface runoff, low plot erosion and low basin sediment yield observed under the current biophysical conditions (andisol) and management practices (no tillage, planted trees, bare soil kept by weeding), offer potential HES by reducing the superficial displacement capacity for fertilizers and pesticides, yielding low sediment loads and regulating streamflow variability through highly efficient mechanisms of aquifer recharge-discharge.