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.

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 colonisation médiévale scandinave au Groenland (986 – 1450 AD) et la reconquête agricole récente de la région sud-groenlandaise, favorisée par le réchauffement climatique en cours, constituent un modèle de référence particulièrement adapté à l’étude des relations entre une communauté humaine et son environnement. Dans cette perspective, une étude sédimentologique multiparamètre a été réalisée sur la séquence sédimentaire du lac d’Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situé au cœur de la principale implantation médiévale et du secteur agro-pastoral contemporain. Quatre mètres de sédiments, couvrant la totalité de l’évolution holocène du lac (~10000 ans), ont été étudiés à haute résolution temporelle. L’analyse comprend une caractérisation physico-chimique (densité, susceptibilité magnétique, diagraphie XRF, imagerie rayon-X, granulométrie laser, dosages carbone, azote et souffre, ICP-AES, isotopie δ13C et δ15N de la matière organique) et biologique (pollen, microfossiles non polliniques, diatomées) du sédiment. Vingt-huit datations radiocarbones, ainsi que la mesure l’activité du 210Pb et du 137Cs, permettent d’interpréter le signal sédimentaire dans un cadre chronologique très précis et de reconstruire l’évolution postglaciaire du lac et de son bassin versant, soumis aux contraintes glacio-isostatiques, aux forçages climatiques et aux impacts anthropiques. La première phase d’évolution du système lacustre est principalement sous contrôle isostatique avec une transition rapide d’un environnement marin pro-glaciaire vers un environnement lacustre après émersion du bassin, il y a 9500 ans. Par la suite, la séquence témoigne de l’évolution paléoclimatique de la région. Les paramètres limnologiques et terrestres suggèrent un réchauffement précoce, probablement interrompu par une période froide, sèche et venteuse entre 8600 et 8100 ans cal BP. Un second événement sec et venteux, de 5300 à 4800 ans cal BP, précède la transition néoglaciaire, qui se caractérise, à Igaliku, par une évolution vers un climat plus humide et peut-être plus froid à partir de 4800 cal BP, provoquant une mutation majeure des conditions écologiques terrestres et aquatiques. La diminution des flux de grains de pollen indique un refroidissement notable à partir de 3000 cal BP. Vers l’an 1000, suite à l’arrivée des colons scandinaves, le système lacustre passe sous un contrôle anthropique dominant. Le défrichement et l’introduction d’herbivores domestiques dans le bassin versant du lac produisent un doublement du taux d’érosion des sols (de 4 mm/siècle à 8 mm/siècle vers 1200 AD) et une modification de la qualité des influx organiques. Pour autant, les assemblages de diatomées indiquent que l’écologie du lac n’a été que faiblement affectée par l’agriculture médiévale. A partir de 1325 AD et jusqu’à la fin de la colonie scandinave, vers la moitié du XVe siècle, la végétation présente des signes de résilience et l’érosion des sols régresse. Cette déprise agro-pastorale, probablement en relation avec les prémices du Petit Âge Glaciaire, est en phase avec une importante mutation des pratiques de subsistance attestée par l’archéologie. Le retour du pastoralisme au début du XXe siècle marque une reprise des processus d’érosion, similaires, en intensité, à ceux engendrés par les colons scandinaves. En revanche, l’intensification et la modernisation des pratiques agricoles dans les années 1980 est responsable d’une érosion des sols spectaculaire (~21 mm/siècle) et d’une mutation de l’écosystème lacustre (eutrophisation) sans précédent depuis la formation du lac, il y a 9500 ans. Les effets combinés de l’agriculture et du réchauffement climatique en cours (amorcé dans les années 1920 à Igaliku) aura des conséquences environnementales difficiles à prévoir pour l’avenir de la région / The medieval Norse colonization of Greenland (986-1450 AD) and the subsequent reestablishment of agriculture in south Greenland, aided by recent climate warming, constitute a conceptual model that is particularly well adapted to understanding the relations between a community and its environment. In this perspective, a multi-parameter sedimentological study was undertaken on the sedimentary sequence of Lake Igaliku (N61°00’22”, W45°26’28”), situated in the heart of the medieval and current agricultural sector. The 4 m long sequence, covering the entire Holocene evolution of the lake (~10 000 years), was studied at high temporal resolution. The analyses included the physico-chemical characterization of the sediments (density, magnetic susceptibility, XRF, X-ray imaging, grain size, carbon, nitrogen, and sulphur content, ICP-AES, δ13C and δ15N isotopic ratios) as well as the biological components of the sediment (pollen, non-pollen palynomorphs, diatoms). 28 radiocarbon dates as well as 210Pb and 137Cs measurements created a precise temporal framework with which to reconstruct the postglacial evolution of the lake and its catchment in terms of isostatic constraints, climatic forcing and anthropogenic impacts. The first phase of basin evolution is primarily controlled by isostasy, with the rapid transition from glaciomarine conditions to a freshwater lake as the basin emerged from the fjord 9500 yr BP. Afterwards, the sedimentary sequence records the paleoclimatic evolution of the region. Paleolimnological and terrestrial proxies suggest an early warm phase likely interrupted by a cold, windy, dry period between 8600 yr BP and 8100 yr BP. A second dry, windy period between 5300 yr BP and 4800 yr BP predated the transition to neoglacial cooling, which is characterised at Igaliku by a switch to humid and perhaps cooler conditions after 4800 BP, and which caused a major shift in both aquatic and terrestrial ecology. Approximately 1000 AD, after the arrival of Norse settlers, the lacustrine system became anthropogenically dominated. Land clearing and domestic herbivores introduction in the lake catchment doubled the rate of soil erosion (from 4 mm century-1 to 8 mm century-1 by 1200 AD) and caused a major modification of the organic carbon influx. On the other hand, diatom assemblages demonstrate that the lake ecology was not strongly impacted by medieval agriculture at this site. After 1325 AD, until the end of the Norse tenure in the mid-15th century, terrestrial vegetation showed signs of rebound and soil erosion decreased. This agricultural diminishment, probably in relation to the beginning of the Little Ice Age, is consistent with an important change in subsistence patterns evidenced by archaeology in this region. The reestablishment of agriculture at the beginning of the 20th century marks the reinvigoration of erosional processes that are similar in intensity to that of the Norse settlement. On the other hand, the intensification and modernization of farming practices during the 1980s is responsible for marked soil erosion (21 mm century-1) and a shift in lake ecology (eutrophication) that is unprecedented in the 9500 yr history of the lake. The combined effects of agriculture and climate warming already underway (initiated in the 1920s at Igaliku) will have large environmental consequences for the future of this region

Tableau d'honneur de la FÉSP / Des données bathymétriques à haute résolution acquises à l'aide d’un sonar multifaisceaux et d’un interféromètre ont permis de cartographier pour la première fois la géomorphologie subaquatique des lacs Pentecôte, Walker et Pasteur, trois fjords lacustres profonds et rapprochés sur la Côte-Nord (Est du Canada). Ces anciens bassins sédimentaires glaciomarins ont été isolés par le relèvement glacio-isostatique pour évoluer en lacs profonds et allongés aux versants abrupts. Leur position géographique clé et leurs caractéristiques limnogéologiques typiques des fjords présentent un potentiel exceptionnel pour des reconstitutions paléoenvironnementales à haute résolution sur une longue période de temps. Une modélisation du potentiel hydraulique suggère que le Lac Walker a probablement existé en tant que lac sous-glaciaire sous l’Inlandsis laurentidien pendant le Dernier Maximum Glaciaire, suggérant que des sédiments pourraient avoir échappé à l'érosion glaciaire et contenir des paléo-enregistrements de la et/ou des dernière(s) glaciation(s). Ces lacs, localisés à proximité des systèmes morainiques du Dryas récent et inondés lors de la transgression marine postglaciaire de la Mer de Goldthwait, ont préservé des archives sédimentaires laminées jusqu'à aujourd'hui, enregistrant les changements paléoenvironnementaux produits depuis la dernière déglaciation. Les profils acoustiques de sous-surfaces acquis à l'aide d'un Chirp bi-fréquences (3.5. et 12 kHz), ainsi que les carottes de sédiment ont révélé la présence de quatre unités sédimentaires. Le soubassement acoustique (U1), c.-à-d. le socle rocheux et/ou les sédiments de contact glaciaire, révèle la présence de vallées rocheuses en forme de V au fond des lacs qui ont possiblement échappé à l’érosion glaciaire. Les moraines observées dans les lacs et à l’embouchure de leur vallée structurale indiquent une déglaciation rapide ponctuée par de courtes stabilisations glaciaires. Au cours de la déglaciation et à la suite de leur isolation, les lacs ont été remplis par d’épais sédiments rythmiquement laminés de silts et d’argile (U2) déposés pendant l’épisode marin et/ou glaciolacustre, qui ont été perturbés par des mouvements de masse durant la déglaciation. Des datations AMS 14C révèlent que la déglaciation des bassins versants des lacs Pentecôte et Walker et le développement des conditions para- et postglaciaires sont survenus vers < 7995 à 8160 et < 7845-7950 cal BP respectivement. Le développement des longues plaines deltaïques à la tête des lacs au cours de l'Holocène, a généré une source constante de sédiments fluviatiles (U3) et la formation de structures sous-marines en forme de croissant sur la pente subaquatique des deltas. La partie supérieure (c.-à-d. ~ 4 à ~ 6,5 m) de la séquence sédimentaire des lacs révèle un enregistrement continu des conditions para- et postglaciaires (U4) qui contiennent des sédiments rythmiquement laminés (possiblement des varves) et une série de couches déposées rapidement. Ces sédiments riches en matières organiques montrent que de faibles taux de sédimentation ont prévalu dans les lacs depuis la déglaciation de leur bassin versant et qu’ils ont diminué au cours de l'Holocène. / High-resolution bathymetric data acquired using a multibeam echosounder and an interferometric side-scan sonar allowed mapping for the first time the sublacustrine geomorphology of the lakes Pentecôte, Walker and Pasteur, three deep adjacent fjord-lakes of the Québec North Shore (eastern Canada). These formerly glaciomarine sedimentary basins have been glacio-isostatically uplifted to form deep steep-sided elongated lakes. The key geographical position and their limnogeological characteristics typical of fjords show exceptional potential for paleoenvironmental reconstructions at high resolution on a long period of time. A hydraulic potential modelling suggest that the Lake Walker probably existed as a subglacial lake beneath the Laurentide Ice Sheet during the LGM suggesting that sediments could have escaped glacial erosion and may contain paleo-records of the last glaciation(s). These lakes, located near Younger Dryas morainic systems, were flooded during the Goldthwait Sea postglacial marine transgression and have preserved laminated sediment archives until today which contain sedimentary archives that recorded paleo-environmental changes that have occurred since the last deglaciation. Acoustic sub-bottom profiles acquired using a bi-frequency Chirp echosounder (3.5 & 12 kHz), together with cm-short and m-long sediment core data, reveal the presence of four sedimentary units. The acoustic basement (U1), related to the structural bedrock and/or the ice-contact sediments of the Laurentide Ice-Sheet reveal the presence of V-shaped bedrock valleys at the bottom of the lakes that possibly escaped glacial erosion. Moraines observed at the bottom of the lake and in their structural valleys indicate an overall fast deglaciation punctuated by short-term ice margin stabilizations. Following ice-retreat and their isolation, the fjord-lakes were filled by thick sequence of rhythmically laminated silts and clays (U2) deposited during marine and/or glaciolacustrine settings which were disturbed by mass-movements during the deglaciation. AMS 14C dating reveal that the deglaciation of the lakes Pentecôte and Walker watersheds and the development of para- and postglacial conditions occurred at < 7995 – 8160 and < 7845–7950 cal BP respectively. The development of the long lake-head river delta plain during the Holocene, generated a constant source of fluvial sediments supply (U3) and the formation of crescentic and creeping bedforms on the sublacustrine deltas slope. Lakes reveal in the upper (i. e., ~4 to ~6.5 m of their sediment infill a continuous para- to postglacial sediment record (U4) that contain laminated sediment (possibly varves) and a series of rapidly deposited layers. These organic-rich sediments show that low rates of sediment accumulation have prevailed in the lakes since the deglaciation of their watershed and have decreased during the Holocene.

La vallée de Stuckberry a été touchée par une importante variabilité climatique au cours de l'Holocène et constitue actuellement un environnement en transition rapide en raison de la hausse des températures. Le retrait du glacier principal de la vallée a entraîné la formation de quatre lacs, où l'âge de chaque lac est proportionnel à la distance de l'océan Arctique. Les sédiments des lacs représentent un trésor d'informations sur les changements passés dans le bassin versant de la vallée de Stuckberry et fournissent une « mémoire à long terme » de la façon dont les lacs ont réagi à ces changements. L'objectif spécifique de l'étude est de caractériser les changements au fil du temps dans la structure des communautés microbiennes. Pour ce faire, l'ADN a été extrait à partir de couches de sédiments et la technologie de séquençage d'amplicons du gène de l'ARNr 16S a été utilisée pour la fraction bactérienne et archéenne et la technologie métagénomique shotgun a été utilisée dans quelques couches ciblées pour la fraction virale. Des analyses bio-informatiques et statistiques ont ensuite été effectuées pour réaliser l'affiliation taxonomique et les comparaisons de la diversité microbienne des couches des carottes de sédiments des lacs, l'hypothèse étant que la diversité microbienne varierait avec le temps et que cette dynamique reflèterait les changements environnementaux passés dans le bassin versant. Les résultats obtenus dans cette recherche nous permettent de conclure qu'il y a bien des changements au niveau des structures des communautés microbiennes au fil du temps qui semblent être influencées par les changements environnementaux subits par la vallée de Stuckberry et les variances entre les lacs semblent être dues à leur composition physico-chimique respective et à leur temps d'évolution différent. Ce travail contribue à de nouvelles connaissances sur les forces à l'origine des changements épisodiques et interannuels des communautés microbiennes. / Stuckberry Valley experienced significant climatic variability during the Holocene and is currently an environment in rapid transition due to rising temperatures. The retreat of the main glacier from the valley resulted in the formation of four lakes, where the age of each lake is proportional to its elevation above the Arctic Ocean. The sediments from these lakes represent a treasure trove of information about past changes in the Stuckberry Valley watershed and provide a "long-term memory" of how the lakes responded to these changes. The specific objective of the study is to characterize changes over time in the structure of microbial communities. To do this, DNA was extracted from discrete sediment layers followed by 16S rRNA gene amplicon sequencing for the bacterial and archaeal fractions and shotgun sequencing of a few targeted layers to characterize viruses. Bioinformatics and statistical analyses were then performed to determine taxonomic affiliations and to compare the microbial diversity of the sediment core layers of the four lakes, based on the hypothesis that the microbial diversity would vary over time and that this dynamic reflected past environmental changes in the watershed. Our results suggest that the structure of the microbial community over time was influenced by environmental changes in Stuckberry Valley, while the variation between lakes appears to result from their respective physico-chemical composition and their different ages. This work gives new insight into the forces behind episodic and interannual changes in microbial communities.

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.

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.

Dans le cadre du changement climatique global, mieux comprendre les interactions Hommes/Environnement/Climat au sud-ouest du Groenland est aujourd’hui un enjeu majeur pour développer des stratégies d’adaptation tout en préservant au mieux les écosystèmes. Pour cela, une approche rétrospective a été réalisée sur trois séquences lacustres retraçant l’histoire paléo-environnementale sur les 5000 derniers millénaires. Le lac d’Igaliku (N61°00’22’’, O45°26’28’’), situé à 2 km de la capitale épiscopale médiévale au cœur de la région agricole groenlandaise, a une sédimentation principalement influencée par les activités anthropiques. Un inventaire moléculaire complet a été réalisé sur cette séquence pour caractériser les dynamiques agropastorales passées et leurs impacts sur les écosystèmes. Les biomarqueurs fécaux identifié ont notamment permis de mettre en évidence deux phases agropastorales majeures (la période d’occupation viking et la période récente) séparées par le Petit Âge Glaciaire (PAG), pratiquant un élevage prédominant d’ovins. Les biomarqueurs moléculaires de végétation (n-alcanes, acétates de triterpényles) couplées à des données palynologiques montrent une réduction du couvert arbustif au cours de ces deux phases. Par ailleurs, les biomarqueurs d’érosion des sols (TTHCs) couplées aux données sédimentaires indiquent une érosion drastique qu’autour des années 1980 lors de la création de parcelles de fourrage par labour mécanisé. De même, ce n’est que sur le dernier siècle qu’une altération de l’état trophique du lac d’Igaliku associée à des pratiques de fertilisation des parcelles de fourrage est observée avec une augmentation des chaines courtes d’n-alcanes et plus particulièrement des diatomées mésotrophes. Les lacs de Qallimiut (N60°43’27’’, O45°23’12’’) et de Little Kangerluluup (N60°38’32’’, O45°38’11’’), situés en contexte faiblement anthropisé, sont alimentés par des tributaires à forte variabilité hydrologique. Ils correspondent à des systèmes sédimentaires dominés par des apports clastiques sous contrôle climatique dominant. Afin d’améliorer la résolution spatiale et temporelle des changements climatiques holocènes dans cette région, une étude sédimentaire multi-paramètre a été réalisée sur ces deux sites. Des analyses pétrophysiques, granulométriques, minéralogiques et géochimiques ont mis en évidence des niveaux de crues fréquents au cours des épisodes froids et humides comme la transition Milieu/Fin de l’Holocène (ca. 2500 BC), la transition Sub-boréal/Sub-atlantique (ca. 700 BC) et le PAG (entre ca. 1300 AD et ca. 1900 AD), synchrones à des périodes de minimas solaires. Ces épisodes de détériorations climatiques ont particulièrement influencé les sociétés humaines successives installées dès ca. 2500 BC au Groenland. Un maximum de fréquence de crues et une baisse drastique des températures sont notamment enregistrés pendant le PAG, indiquant qu’il s’agit de l’épisode le plus froid enregistré au sud du Groenland au cours de la seconde moitié de l’Holocène, responsable en grande partie de l’abandon de ces terres par les agriculteurs vikings au milieu du XVème siècle. / In the current context of global change, understanding the interactions between Human/Environment/Climate is necessary to develop adaptive strategies and preserve ecosystems. A retrospective approach is therefore realized in three lacustrine cores to reconstruct the paleo-environmental history during the last five millennia. Lake Igaliku (N61°00’22’’, W45°26’28’’), located at 2km from the medieval episcopal cathedral in the historical farming center, has a sedimentation mainly driven by anthropogenic activities. A complete molecular inventory has been made on this sequence to characterize past agropastoral dynamics and their impacts on south Greenlandic ecosystems. The identified fecal biomarkers revealed two agropastoral phases, during the Norse settlement and recently, separated by the Little Ice Age (LIA) and mainly characterized by sheep breeding. Vegetation molecular biomarkers (n-alkanes, triterpenyl acetates) and palynological data showed a reduction of trees and shrubs cover during these two periods especially. Erosion biomarkers (TTHCs) and sedimentological data identified only one drastic erosion in the 1980s synchronous with the mechanized creation of fodder parcels. Moreover, an eutrophication of the lake waters was recorded with short chain length n-alkanes and mesotrophic diatoms. Lake Qallimiut (N60°43’27’’, W45°23’12’’) and Little Kangerluluup (N60°38’32’’, W45°38’11’’), less impacted by anthropogenic activities, are fed by major streams influenced by hydrological variations. Their sedimentation is therefore mainly driven by climate changes. To improve the temporal and spatial resolution of climate changes during the Holocene, a multi-proxy sedimentological study was made on these two sites. Petrophysical, mineralogical and geochemical analyses have identified flood events especially occurring during cooler and wetter periods such as the Middle to Late Holocene transition (ca. 2500 BC), the Sub-boreal/Sub-atlantic transition (ca. 700 BC) and the LIA (between ca. AD 1300 et ca. AD 1900). These climate pejorations have impacted local human societies. For example, during the LIA, a maximum of flood events and drop of temperatures are recorded, partly responsible of the Norse demise.

Le territoire d'un ancien lac naturel, situé dans un cratère d'impact datant d'environ 214 millions d'années, a été submergé par la mise en service du barrage hydro-électrique Daniel-Johnson en 1969. Ce mémoire vise à mieux comprendre les impacts d'un barrage et de l'ennoiement sur la dynamique sédimentaire d'un lac boréal en définissant le régime sédimentaire récent (tardi-Holocène) et comparant les enregistrements sédimentaires avant et après l'ennoiement. Pour atteindre cet objectif, une carotte sédimentaire (MAN19-01B) de 130 cm a été prélevée dans l'un des bassins les plus profonds du réservoir Manicouagan, à 440 mètres. L'analyse multi-paramètres (granulométrie, géochimie organique et inorganique, teneur en mercure et analyse élémentaire CHNS) réalisée sur la carotte datée par les méthodes radiométriques ($^\textup{14}$C, $^\textup{210}$Pb et $^\textup{137}$Cs) a révélé la présence de quatre unités sédimentaires (U1-U4) et 21 couches événementielles identifiées selon leur classe granulométrique (EC1-EC2-EC3). De la base au sommet, U1 (1300 à 485 mm de profondeur) couvre la période avant et le début du XIXe siècle, U2 (485 à 165 mm) la fin du XIXe siècle au milieu des années 1950, U3 (165 à 120 mm) de 1953 à 1968 et U4 (120 à 0 mm) la fin des années 1970 à 2019. L'événement EC3-5 (à 120 mm de profondeur) est daté à 1969 ± 1 AD et est caractérisé par un enrichissement de la matière organique indiquant un changement de la dynamique sédimentaire par les activités hydroélectriques. L'événement EC2-4 (à 165 mm) est daté à 1953 AD, coïncidant avec les travaux du complexe hydroélectrique de la Hart-Jaune, suggérant que U3 aurait enregistré les activités anthropiques dans le bassin versant. Les mouvements de masse ont pu être engendrés par l'augmentation de la pression interstitielle accentuée par l'augmentation du niveau lacustre depuis le barrage. Les nombreux événements pré-ennoiement (EC3-6 à 21) reflètent les aléas naturels régionaux tardi-holocènes / The territory of a former natural lake, located in an impact crater dating back approximately 214 million years, was submerged by the commissioning of the Daniel-Johnson hydroelectric dam in 1969. This thesis aims to better understand the impacts of a dam on the sedimentary dynamics of a boreal lake by defining the recent sedimentary regime (late Holocene) and comparing sedimentary records before and after flooding. To achieve this goal, a sediment core (MAN19-01B) of 130 cm was extracted from one of the deepest basins of the Manicouagan reservoir, at 440 meters. The multi-parameter analysis (grain size distribution, organic and inorganic geochemistry, mercury content, and CHNS elemental analysis) conducted on the core, dated by radiometric methods ($^\textup{14}$C, $^\textup{210}$Pb, and $^\textup{137}$Cs) revealed the presence of four sedimentary units (U1-U4) and 21 event layers distinguished by their grain size class (EC1-EC2-EC3). From the base to the top, U1 (1300 to 485 mm depth) covers the period before and the beginning of the 19th century, U2 (485 to 165 mm) spans from the late 19th century to the mid-1950s, U3 (165 to 120 mm) represents the period from 1953 to 1968, and U4 (120 to 0 mm) spans from the late 1970s to 2019. The EC3-5 event (at 120 mm depth) is dated to 1969 ± 1 AD and is characterized by an enrichment of organic matter, indicating a change in the sedimentary dynamics due to hydroelectric activities. The EC2-4 event (at 165 mm) is dated to 1953 AD, coinciding with the construction of the Hart-Jaune hydroelectric complex, suggesting that U3 may have recorded anthropogenic activities in the watershed. Mass movements may have been triggered by an increase in interstitial pressure accentuated by the rise in lake level since the construction of the dam. The numerous pre-flooding events (EC3-6 to 21) reflect late Holocene regional natural hazards.

Le lac Saint-Augustin (Québec) étant en état d’eutrophisation avancée, plusieurs options de traitement ont été évaluées à l’été 2009 lors d’un projet pilote de traitements in situ en enclos : (i) coagulation/floculation à l’alun, (ii) recouvrement actif des sédiments par une couche de calcaire, (iii) combinaison de ces deux traitements alun+calcaire, et (iv) enclos témoin. Les enclos Témoin et Alun ont atteint de hautes concentrations en phosphore soluble (0,58 à 1,05 mg/l). L’enclos Alun+Calcaire a montré une forte réduction en phosphore soluble par rapport au Témoin (83 à 90%), suivi par l’enclos Calcaire (65 à 76%). Les indices trophiques de Carlson montrent que l’enclos Alun+Calcaire a offert la meilleure performance avec des indices (49 à 81) près du lac (42 à 73). La forte présence des escargots Cipangopaludina chinensis dans les sédiments a pu jouer un rôle important comme agent de bioturbation, ce qui expliquerait l’hypereutrophie dans les enclos. / A pilot project has been conducted for the remediation of eutrophicated Saint-Augustin lake (Quebec) during the summer of 2009. The efficiency of several restoration techniques has been accessed during an in situ experiment in four isolated water enclosures: (i) alum coagulation/flocculation, (ii) active capping of sediments using limestone, (iii) combination of those methods (Alum+Limestone), and (iv) control enclosure. The control and alum enclosures reached high soluble P concentrations (0.58 to 1.05 mg/l). The Alum+Limestone enclosure presented the strongest reduction in P concentrations compared to the control enclosure (83 to 90%), followed by limestone only (65 to 76%). Carlson’s trophic status indices (TSI) calculations show the best option to be Alum+Limestone with TSI (49 to 81) closest to the lake (42 to 73). Infestation of the sediments by Cipangopaludina chinensis snails observed before experimentation might have served as a strong bioturbation agent, possibly explaining the hypereutrophic state of the enclosures.