Le réchauffement climatique prédit pour les prochaines décennies, aura des impacts majeurs sur le pergélisol qui sont très peu documentés pour l’instant. La présente étude a pour but d’évaluer ces impacts sur les propriétés mécaniques du pergélisol et sa stabilité à long terme. Une nouvelle technique d’essai de pénétration au cône à taux de déformation contrôlé, a été développée pour caractériser en place le pergélisol. Ces essais géotechniques et la mesure de différentes propriétés physiques ont été effectués sur une butte de pergélisol au cours du printemps 2000. Le développement et l’utilisation d’un modèle géothermique 1D tenant compte de la thermodépendance du comportement mécanique ont permis d’évaluer que les étendues de pergélisol chaud deviendraient instables à la suite d’un réchauffement de l’ordre de 5 °C sur cent ans. En effet, la résistance mécanique du pergélisol diminuera alors rapidement jusqu’à ll, 6MPa, ce qui correspond à une perte relative de 98% de la résistance par rapport à un scénario sans réchauffement.

Cette étude porte sur la participation des processus hydrologiques dans le régime thermique et la dégradation du pergélisol. L'eau emmagasinée dans les lacs de thermokarst est une source importante de chaleur qui accélère la dégradation du pergélisol. Les buttes cryogènes encore présentes dans l'environnement peuvent empêcher le réseau de drainage de se développer normalement. L'élaboration d'un modèle numérique bidimensionnel permet de simuler le développement rapide d'un talik occasionné par une mare de thermokarst adjacente à une butte cryogène. En raison de l'importante modification de la macrostructure d'un sol fin riche en glace au moment de la fusion, l'infiltration d'eau est susceptible de devenir une variable thermiquement importante. L'application d'un terme source qui évalue différentes valeurs de conductivité hydraulique du pergélisol en fusion au contact d'une mare permet d'estimer dans quelle mesure ce processus encore peu observé ou testé en laboratoire pourrait contribuer à la fonte accélérée du pergélisol.

La construction d’infrastructures en milieu nordique affecte inévitablement l’équilibre thermique du pergélisol. D’abord, la géométrie du remblai modifie le système naturel de drainage et l’étendue du couvert neigeux. Également, l’excavation ou l’ajout de matériaux fait varier les propriétés thermiques et la capacité de la surface à absorber ou à réfléchir la radiation solaire. Aussi, les impacts des changements climatiques sur les températures moyennes de l’air et sur la fréquence et l’intensité des précipitations ont des conséquences directes sur la stabilité du pergélisol, et, par conséquent, sur les capacités structurales des infrastructures. La conception de chaussées doit être adaptée dans le but de maintenir la sécurité et la fonctionnalité pour la durée de vie prévue de la route. Une solution envisagée est l’application de revêtements à albédo élevé afin de limiter la chaleur absorbée par la radiation solaire sous les remblais routiers. Des sections utilisant des surfaces à albédo élevé ont été construites et instrumentées afin d’évaluer leurs performances thermiques. L’approche développée par modélisation numérique utilisant le logiciel TEMP/W (GeoStudio) a permis d’atteindre les objectifs de recherche suivants: proposer une méthode de stabilisation thermique basée sur l’albédo de la surface et simuler l’effet de la hauteur du remblai sur le régime thermique du sol. L’analyse des résultats des simulations permet de calculer un albédo de surface recommandé pour stabiliser le pergélisol. L’approche de stabilisation se base sur un décalage thermique requis pour obtenir un gradient de température nul entre la température à l’interface remblai/sol naturel et la température du pergélisol. Un gradient de température nul ou négatif indique que l’apport de chaleur induite sous le remblai est égal ou plus faible à l’extraction de chaleur. Ainsi, la température du sol naturel reste constante ou diminue. Une validation du modèle est présentée pour le cas du site d’étude de Beaver Creek.--Résumé de l'éditeur. / The construction of transport infrastructure in northern environments inevitably affects the thermal balance of permafrost. First, the geometry of the embankment leads to changes of the drainage pattern and the snow cover extents. Furthermore, excavation or addition of materials modifies the thermal properties and the capacity of the surface to absorb or to reflect solar radiation. Also, impacts of global warming, such as rising average air temperatures and changes in the frequency and intensity of precipitation, have a direct impact on the stability of permafrost and, thus, on the structural capacities of infrastructure. The design of pavement built on permafrost must be adapted to maintain safety and functionality for the expected lifetime of the road. One of the proposed solutions is the application of high albedo coatings to limit heat absorbed by solar radiation underneath the embankment. As part of the project, road sections were constructed using high albedo surfaces and instrumented to evaluate the thermal performance. Numerical modelling using GeoStudio’s TEMP/W software was developed to accomplish the twofold research objectives: to propose a thermal stabilization method based on the albedo of the surface, and to simulate the effect of embankment height on the thermal regime of the soil. Simulations allow the modelling of heat exchange in a soil column, and, through analyzing the results, an equivalent surface albedo that can stabilize the natural soil can be calculated. The stabilization approach is based on a required temperature gradient, which is the difference between the interface temperature and the permafrost temperature. A zero or negative temperature gradient indicates that heat induced underneath the embankment is equal to or lower than heat extracted. Therefore, temperature of the natural soil remains constant or decreases. A validation of the model is presented for the Beaver Creek study site.--Résumé de l'éditeur.

Les tourbières ombrotrophes se trouvent à être, à quelques exceptions près, les seuls écosystèmes de la Baie de James, Québec nordique (53° / 54° N - 77° / 78° O), possédant du pergélisol. L'utilisation de transects d'inventaire écologique au sein de 7 tourbières et de transects aériens couvrant la région d'étude a permis une description de la dynamique récente du pergélisol dans les tourbières ombrotrophes de la région, ainsi que les principaux facteurs qui en sont responsables. Les tourbières ombrotrophes lichéniques montrant des traces de la présence passée de pergélisol couvrent la zone du 52e jusqu'au 55e parallèle nord. Les tourbières ombrotrophes pergélisolées sont peu nombreuses actuellement et leur limite sud de répartition se trouve au sud du lac Yasinski (53° 10' N), ce qui correspond à une régression du pergélisol d'environ 130 km. La grande sensibilité au climat et tout particulièrement l'impact mineur de la fonte de ces petites palses sur les conditions hydrologiques du milieu s'expliquent principalement par leur faible contenu en glace. La dynamique reliée à la formation et à la dégradation des buttes pergélisolées est déterminée par différents facteurs locaux tels que la végétation et le couvert nival. Ce dernier, influencé par le vent et la topographie de la tourbière, est le principal facteur abiotique qui contrôle le développement et le maintien du pergélisol. Le rôle du feu dans la dynamique des tourbières ombrotrophes pergélisolées semble être limité à la succession de la végétation post-incendie. La présence de buttes pergélisolées peut toutefois permettre au feu de brûler une plus grande superficie au sein des tourbières ombrotrophes. Sans la présence de ces buttes sèches, le feu est bien souvent limité aux bordures de la tourbière, les conditions humides environnantes empêchant sa progression vers le centre.

Cette thèse présente le développement d’une méthode d’ingénierie pour la modélisation de la consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations. Les travaux qui y sont présentés s’inscrivent à la suite des théories et de modèles de consolidation existants. Les bases de la théorie de consolidation au dégel à une dimension sont donc reprises. En premier lieu, un modèle numérique de consolidation au dégel non linéaire à grandes déformations est formulé en combinant la théorie de consolidation à grandes déformations de Gibson et des équations de transferts de chaleur. Ces deux composantes sont couplées au sein d’un domaine de modélisation défini en coordonnées lagrangiennes qui s’adaptent aux déformations de sol. Il en résulte donc l’introduction d’une seconde frontière mobile à la surface pour la modélisation de la consolidation au dégel en plus de la frontière mobile au front de dégel. Le modèle utilise des relations non linéaires σʹ_v – e – k_v pour définir les propriétés des sols dégelés. Une étude de cas du pipeline expérimentale d’Inuvik est réalisée avec le modèle numérique. Cette étude de cas permet de démontrer l’utilisation du modèle pour un problème pratique et de valider le modèle. Les résultats obtenus sont comparés aux résultats de la théorie de consolidation au dégel linéaire à petites déformations et aux mesures de terrain. Le modèle non linéaire à grandes déformations offre une augmentation importante de la précision lors du calcul des tassements de fonte, du taux de tassement et des pressions interstitielles excédentaires. En second lieu, un modèle conceptuel pour la consolidation au dégel des sols dégelés à grains fins est proposé. Ce modèle permet de définir les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v utilisées comme intrants au modèle numérique de consolidation au dégel. Le concept de la contrainte résiduelle y est généralisé aux sols riches en glace en spécifiant qu’il s’agit de la contrainte effective au sein des éléments de sol plutôt que de la contrainte effective globale du sol. Ensuite, des relations empiriques sont formulées pour déterminer les caractéristiques des relations σʹ_v – e – k_v à partir de l’indice des vides initial du sol dégelé et de propriétés d’indice du sol. / This thesis presents the development of an engineering method for the modelling of large strain nonlinear thaw consolidation. The work presented herein follows existing thaw consolidation theories and models. The foundations of one-dimensional thaw consolidation theory are therefore used. First, a numerical model for large strain nonlinear thaw consolidation is formulated by combining the Gibson large strain consolidation theory to heat transfer equations. The two components are coupled in a modelling domain formulated in Lagrangian coordinates that adapts to the soil deformation. This results in the introduction of a second moving boundary at the soil surface to model thaw consolidation in addition to the moving boundary at the thaw front. The model uses nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships to define the properties of thawed soils. A case study of the Inuvik experimental pipeline with the numerical model is presented. The case study demonstrates the use of the model for a practical problem and it is used to validate the model. The modelling results are compared to the results obtained with the small strain linear thaw consolidation theory and with the field data. The results obtained with the large strain nonlinear model for thaw settlement, the rate of thaw settlement and the excess pore pressures compare favourably with the field data. Second, a conceptual model for thaw consolidation of thawed fine-grained soils is proposed. The model is used to define the characteristics of the nonlinear σʹ_v – e – k_v relationships used as input for the numerical modelling of thaw consolidation. The concept of the residual stress is generalized to ice rich soils by specifying that it is the effective stress within the soil element rather than the effective stress of the bulk soil. Then, empirical relationships are formulated to determine the characteristics of the σʹ_v – e – k_v relationships as a function of the initial thawed void ratio and soil index properties.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 janvier 2024) / Les minéraux indicateurs (MI) fournissent des informations cruciales pour l'exploration minérale dans les terrains glaciaires. Dans les régions de pergélisol, les ostioles sont l'une des structures de cryoturbation les plus courantes dans les sédiments glaciaires et sont donc utilisés couramment pour les études de MI. Nous avons étudié si la dynamique du mouvement interne dans les ostioles peut générer une classification des MI dans la couche active. Dans cette étude réalisée près du gisement d'or orogénique Amaruq, au Nunavut, dans le nord du Canada, plusieurs profils verticaux jusqu'à ~1,3 m de profondeur ont été échantillonnés dans deux tranchées à ~1,5 km en aval glaciaire du gisement, y compris deux profils dans la partie centrale de deux ostioles clairement identifiés en surface (un profil atteignait le pergélisol à 1,30 m de profondeur). La fraction du concentré de minéraux lourds (<2 mm) dans tous les profils contient de l'or et de la scheelite. Les abondances de ces MI présentent une variation verticale qui n'est pas uniforme entre tous les profils. De même, la taille et la morphologie des grains d'or n'ont aucune tendance cohérente. Le till présent dans le pergélisol démontre une plus grande abondance de minéraux indicateurs par rapport au till dans la partie supérieure de la couche active. La variation latérale des MI dans un ostiole à 30 cm de profondeur montre que la plus grande quantité de grains d'or et de scheelite se trouve dans la partie centrale de l'ostiole. La composition chimique de l'or (<400 μm), de la scheelite, et de la chalcopyrite (0.25-2.00 mm) a été déterminée par EPMA et LA-ICP-MS. La composition chimique des MI indique que la plupart des grains sont dérivés du gisement d'Amaruq. Aucun des minéraux ne présente de tendance verticale basée sur sa composition chimique. En résumé, les ostioles ne présentent pas de variations systématiques dans les propriétés des MI (abondance, morphologie, taille et composition chimique) à différentes profondeurs. Cette étude suggère que les processus de cryoturbation ne génèrent pas un fractionnement des minéraux indicateurs dans les ostioles en raison de multiples variables liées aux processus de gel et de dégel (différences de densité, d'humidité, de profondeur maximale de dégel, de durée d'activité, de front de gel, etc.). / Indicator minerals (IM) provide valuable information for mineral exploration in glaciated terrains. In permafrost regions, mudboils (frost boils) are one of the most common cryoturbation features in glacial sediments and are therefore critical for IMs studies. We investigate if the inner motion dynamics in mudboils could generate a vertical sorting of IMs in the active layer. In this study, located at the Amaruq orogenic gold deposit in Nunavut, northern Canada, we sampled several vertical profiles down to ~1.3 m depth in two trenches ~1.5 km down-ice of the deposit, including two profiles in the central part of well-identified mudboils on surface (one reaching the permafrost table at 1.30m depth). The heavy mineral concentrate fraction (<2 mm) of all profile samples contains gold and scheelite. The abundance of these IMs shows vertical variations that are not uniform between all profiles. Likewise, the size and morphology of gold grains do not exhibit any consistent trend. Till in permafrost exhibits the highest IMs abundance compared to that in the overlying active layer. The IMs lateral variation examined in one mudboil at ~30cm depth indicates that the highest grain count of gold and scheelite is in the central part of the mudboil. The chemical composition of gold (<400 μm), scheelite and chalcopyrite (0.25-2.00 mm) was determined by EPMA and LA-ICP-MS. Chemical analysis of the IMs indicates that most of these minerals are derived from the Amaruq gold deposit. None of them present systematic vertical trends in chemical composition. In summary, mudboils show no systematic variations in the IM properties (mineral abundance, morphology, size and mineral chemistry) at different depths. The study suggests that cryoturbation processes do not generate a uniform fractionation of indicator minerals in mudboils due to the multiple variables involved in the freeze-thawing process (bulk density differences, moisture, maximum thaw depth, activity time, and freezing front).

L'étude porte sur l'évolution des palses et des lithalses à l'est de la baie d'Hudson, de leur formation à leur dégradation récente causée par le réchauffement du climat. Les lithalses se situent principalement dans la toundra arbustive à l'ouest de la limite des arbres et certaines portent sur leur sommet des coiffes de tourbe résiduelle. Cette couverture tourbeuse augmente en superficie sur les buttes vers la toundra forestière où les buttes, recouvertes de tourbe, correspondent aux palses. Les datations de tourbe basale démontrent que les tourbières se sont installées de façon généralisée et simultanée entre 7000 et 5500 ans cal. BP. Le pergélisol s'est installé entre 2300-1800 ans cal. BP, 1500-1000 ans cal. BP et entre 500 et 100 ans cal. BP. Les résultats de la cartographie comparative à partir de photos aériennes de 1957 et d'images satellites Ikonos de 2005 démontrent que le pergélisol s'est dégradé de 43% dans la région à l'étude.

Le climat du Nunavik s'est réchauffé de près de 3 [degré]C entre 1990 et 2000. Ce réchauffement climatique affecte le régime thermique et la stabilité du pergélisol. Des impacts de ce réchauffement touchent les pistes d'atterrissage du Nunavik, lien vital entre les communautés nordiques et le sud du Québec. Il est donc fondamental de connaître les conditions physiques du pergélisol sous ces infrastructures pour anticiper les impacts du réchauffement climatique prévu pour le prochain siècle aux hautes latitudes. À cette fin, l'auscultation non destructive des milieux physiques à l'aide de méthodes géophysiques est une avenue intéressante. Des profilages de résistivité électrique avec un système couplé capacitivement et des levés de géoradar ont été réalisés le long des pistes d'atterrissage des communautés de Tasiujaq, Aupaluk, Kangirsuk et Quaqtaq en Ungava. Intégrés ensemble, l'interprétation des résultats des deux méthodes géophysiques a permis de produire une coupe stratigraphique du remblai de piste et des conditions de pergélisol sous chaque piste.

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

Thèse en cotutelle: Université Laval Québec, Canada et Aix Marseille Université, Aix en Provence, France / L’augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l’effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions les interactions entre le régime thermique, le comportement hydrique et le fonctionnement biogéochimique de deux cryosols, l’un développé dans une tourbière (cryosol histique : H) et l’autre dans des argiles marines postglaciaires (cryosol turbique : T), en conditions naturelles et réchauffées expérimentalement. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada ; 62°14’N, 75°38’W) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Du fait des propriétés isolantes de la tourbe, la couche active du site H est moins épaisse que celle du site T. Le réchauffement augmente la respiration de l’écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement pour les deux sols. L’étude montre que les cycles journaliers de ER forment des hystérésis en fonction de la température de surface du sol. L’explication de la variance de ER est améliorée lorsqu’on prend en compte la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l’ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l’explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques : 1) ER est dépendante des propriétés du sol et de la composition de la solution du sol ; 2) des variables thermo-indépendantes affectent significativement ER et 3) Q10 évolue au cours de la journée, la respiration basale varie d’une année sur l’autre. La décomposition de la matière organique serait la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôleraient ER pour T. L’approfondissement du front de dégel contrôle les concentrations des solutés dans la solution des deux cryosols. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l’extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, pouvant amener à l’amélioration de la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. Mots clés : cryosol histique et turbique, modélisation thermique, teneur en eau volumique, toundra, réchauffement expérimental, respiration de l’écosystème, solution du sol, pergélisol arctique, décomposition de la matière organique, respiration dérivée de la végétation. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We aim to assess the interactions between the thermal regime, the hydric behaviour and the biogeochemical functioning of two different permafrostaffected soils (i.e. Cryosols), one being developed in frozen peat (Histic Cryosol: H), the other being developed in postglacial marine clays (Turbic Cryosol: T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada; 62°14’N, 75°38’W) and monitored during summers 2010 and 2011. Both thermal monitoring and modeling results stressed differences between sites due to the insulating properties of dried peat in summer the active layer at the H site is thinner than at the T site. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ecosystem respiration (ER) was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10), which decreased with warming, was higher at T than at H. We highlighted that diurnal ER cycles showed hysteretic loops as a function of soil surface temperatures. Linear models performed to explain ER variance were improved when we added daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Finally, the thaw front depth controlled solute concentrations in the soil solution at H and T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems, improving carbon cycle modeling in Cryosols. Keywords: Histic and Turbic Cryosol, Thermal modeling, Volumetric water content, Tundra, Experimental warming, Ecosystem respiration, Soil solution, Arctic permafrost, Organic matter decomposition, Plant-derived respiration.