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Glacial sediments are found across formerly glaciated regions across the world and host a variety of important resources, ranging from groundwater to hydrocarbons, aggregate material, and mineral deposits. In southern Ontario, Canada, thick successions (up to 200 m) of Quaternary glacial sediments are truncated by large valleys (>30km long, 2 to >8.5 km wide, and up to 200m deep) that formed subglacially and have characteristic morphology and infill stratigraphy. These valleys are interpreted as (a new class of) tunnel valleys and strongly affect groundwater resources and flow systems at local and regional scales. The overall context of the valleys is evaluated through an introduction to the study area, objectives, and background information on subglacial systems and geologic history of south-central Ontario (Chapter 1). Interpretation of valley genesis in Simcoe County is provided through an integrated, multi-faceted approach, involving: description of the morphology and sediment infill succession within the valleys from surficial mapping, sedimentological logging of continuously-cored boreholes, and geophysical surveys (Chapter 2); delineation and characterization of seismic architecture from high-resolution lake-based sub-bottom profiles in one of the valleys (Chapter 3); detailed site-scale field description of the internal characteristics of the regional Late Wisconsin till sheet in various subglacial settings (Niagara Escarpment, uplands, lowlands; Chapter 4); comparison of the characteristics of the subglacial bed within the study area to adjacent regions in southern Ontario (Chapter 5); and a synthesis of the major findings from all the different components of this investigation and suggestions for future work to shed further light on several questions that arise from this study (Chapter 6). Together, key data from these studies of tunnel valleys and related deposits – a near-continuous till sheet on the surface of uplands and along the flanks and floors of the tunnel valleys, multi-stage drumlinization of the till sheet following development of the tunnel valleys, variations in internal facies and physical properties within the till sheet in different subglacial settings, localized distribution of coarse-grained tunnel valley in-fill sediments, and gradational upward transitions from tunnel valley in-fills to fossiliferous proglacial lacustrine sediments – indicate multiple phases of subglacial meltwater, and direct subglacial, erosion and deformation contributed to the development of the valleys over a protracted time period during the Late Wisconsin. Landform and sediment associations within the valleys in Simcoe County and surrounding parts of the bed of the former Laurentide ice sheet in south-central Ontario, are inconsistent with previous conceptualizations involving the presence of large (>1000 km2) subglacial lakes and the storage and discharge of regional-scale subglacial meltwater sheetfloods followed by ice stagnation. This study provides new data and insight to help refine reconstructions and better understand the evolution of past ice dynamics and subglacial processes, evaluate competing theories of regional landscape evolution, and provide new conceptual and (hydro)stratigraphic frameworks for future hydrogeological investigations related to groundwater exploration and use. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Les vallées tunnels sont les structures de drainage d'eau de fonte les plus imposantes de l'environnement sous-glaciaire. L'inaccessibilité des milieux sous-glaciaires actuels limitent nos connaissances des mécanismes impliqués dans leurs formations, des paramètres contrôlant leur morphologie et de leurs influences sur la dynamique glaciaire. Ce travail présente une nouvelle approche expérimentale visant à mieux contraindre la formation et le fonctionnement des systèmes de vallées tunnels. Cette approche repose sur le développement d'un nouveau dispositif expérimental simulant la circulation d'eau pressurisée au sein d'un substrat poreux et perméable sous une couverture visqueuse. Les résultats des expériences menées avec ce dispositif ont permis de déterminer des relations étroites entre les paramètres du substrat et les modalités de l'écoulement d'eau sur la formation et la morphologie des vallées tunnels. Les résultats issus des expériences démontrent que ce dispositif permet de recréer des systèmes de vallées tunnels. L'étude de ces vallées expérimentales suggèrent que la topographie du substrat et la production d'eau de fonte joue un rôle primordial sur la genèse des vallées tunnels et sur leurs morphologies. Deux morphotypes de vallées tunnels ont pu être identifiés avec des morphologies et des mécanismes de formation indépendants. L'analyse de la dynamique de la calotte sus-jacente a permis de mettre en évidence un lien étroit entre le développement des vallées tunnels et la dynamique des "ice streams". L'évolution de la capacité de drainage des vallées tunnels semble contrôler la dynamique glaciaire en régulant le flux de glace transitant dans les "ice streams". / Tunnel valleys are major components of the subglacial meltwater drainage system. The inaccessibility of modern subglacial environments reduces our knowledge on the mechanisms involved in tunnel valleys formation, the parameters controlling their morphology and their influence on ice-sheet dynamics. This work presents a new experimental approach aiming to better assess the processes of tunnel valleys development. This approach relies on the development of a new experimental device simulating a pressurized water flow within a porous and permeable substratum underneath a viscous layer simulating the ice-sheet. The main results of the experiments conducted with this device have demonstrated the influence of both substratum properties and meltwater drainage on tunnel valleys formation and morphology. Using the device, we first manage to reproduce tunnel valley systems experimentally. Analyses conducted on these valleys experimental valleys suggest that the substratum topography and meltwater production play a key role on tunnel valleys genesis and morphology. Two tunnel valleys morphotypes have been identified, each one being charaterized by a unique morphology and mechanism of formation. Monitoring of the experimental ice sheet during tunnel valley formation shows close relationship between tunnel valleys development and "ice streams" dynamics. The evolution of tunnel valley drainage capacity seems to have a strong influence on ice sheet stability by regulating ice flux within "ice stream corridors".

L’analyse des données magnétiques et gravimétriques de la partie nord de la ceinture trans-saharienne a permis de proposer une carte de compartimentalisation géophysique et rhéologique des structures crustales et de visualiser les terranes du bouclier Touareg sur plus de 1000 km au nord, sous les bassins sédimentaires sahariens et plusieurs aspects ont pu être discutés. Un pseudo réseau de quatre générations successives de paléovallées et incisions a été mis en évidence dans la succession glaciaire de l’Ordovicien supérieur au NE du bassin d’Illizi sur la base des données sismiques de haute résolution. Pour chaque incision, la géométrie ainsi que les faciès sismiques de leur remplissage ont été déterminés. Un parallélisme entre la distribution de certaines paléovallées et l'orientation des anomalies magnétiques a été observé, mais aucune relation stratigraphique entre ces structures n'a été identifiée sur les sections sismiques. Un réseau complexe de vallées tunnel glaciaires du Pléistocène en mer du Nord a été identifié sur la base de données aéromagnétiques à haute résolution. Une analyse magnétique détaillée a été réalisée en combinant plusieurs méthodes magnétiques. A la fin, des modèles magnétiques synthétiques 2D ont été calculés pour les incisions ordoviciennes, appliqué pour le cas du bassin d’Illizi. Les résultats obtenus montrent que leur détection magnétique est possible, si toutes fois un levé magnétique à haute résolution serait disponible. / The magnetic and gravimetric data analysis of the northern part of the trans-saharan belt allowed to propose a geophysical and rheological compartmentalization map of its crustal structures and to visualize the Tuareg shield terranes over 1000 km to the north, under the saharan sedimentary basins and several aspects have been discussed. A pseudo network of four successive generations of paleovalleys and incisions has been identified on the upper Ordovician glacial succession in the north-eastern part of the Illizi basin on the basis of high-resolution seismic data. For each incision, the geometry and seismic facies of their filling have been determined. Parallelism between the distribution of some paleovalleys and magnetic anomaly orientations has been observed, but no stratigraphic relationship between them has been identified on seismic sections. A complex network of Pleistocene glacial tunnel valleys in the North Sea has been identified on the basis of high-resolution aeromagnetic data. A detailed magnetic analysis was performed by combining several magnetic methods. Finally, 2D synthetic magnetic models were calculated for Ordovician incisions, applied in the case of the Illizi basin. The results obtained show that their magnetic detection is possible, if a high-resolution magnetic survey would still be available.

Les structures de déformation pré-lithification s’enregistrent dans les sédiments meubles. Ces structures sont abondantes dans les domaines sous-glaciaires et marins profonds en raison du développement de surpressions de fluide. A partir de cas d’études choisis dans ces deux environnements, leurs implications sur les (1)reconstructions paléoenvironnementales, leurs impacts sur la (2) morphologie glaciaire, et sur les (3) propriétés pétrophysiques ont pu être définis.(1) L’analyse de ces structures de déformation a permis de mieux contraindre les paléoenvironnements sédimentaires. Ces structures de déformation ont été utilisées comme des «proxy » permettant d’estimer les variations de la vitesse d’écoulement, de l’épaisseur de glace, de la production d’eaux de fonte et de la position de la marge glaciaire.(2) Les séries sédimentaires des vallées tunnels ordoviciennes enregistrent la mise en place de nombreuses structures de déformation liées aux surpressions de fluides. L’analyse de ces structures a permis de proposer un nouveau modèle de creusement des vallées tunnels induits par des pressions de fluides élevées. Ce modèle de creusement, lié aux surpressions de fluide, est favorisé dans les zones d’inter ice-stream. A l’inverse, sous les ice-stream, l’écoulement des eaux de fonte se produit à l’interface glace-substrat et favorise d’autres modèles de formation des vallées tunnels.(3) Les processus de remobilisation sédimentaire ont un impact sur les propriétés pétrophysiques des réservoirs sableux. Les études pétrophysiques menées sur des grès déposés en environnements marins profonds et glaciaires ont permis de mettre en évidence l’impact des surpressions de fluides sur les propriétés réservoirs des sables. Les processus de fluidisation sont capable de créer de bons réservoirs, tandisque les processus d’élutriations ont tendance a réduire la porosité/perméabilité. / Soft-sediment deformation structures (SSDs) occur in unconsolidated sediments, during or shortly after deposition. SSDs are abundant in subglacial and deep-marine environments because of the development of fluid overpressure. Case studies of these two sedimentary environments were used (1) to reconstruct palaeoenvironments from SSDS, and (2) to define the impacts of SSDS on glacial morphologies and (3) petrophysical properties.(1) Analyses of strain regimes, deformation mechanisms, and chronologies in SSDs served to improve palaeoenvironmental reconstructions. These structures were used as proxys to estimate variations of ice flow velocities, ice thickness, meltwater production, and position of the ice margin.(2) The sedimentary series of ordovician tunnel valleys record numerous SSDs induced by fluid overpressure. A new model of tunnel valley formation controlled by the increase of porewater pressure in the bed is proposed. This model of formation occurs in inter-ice stream zones, where meltwater is transferred to the substratum. In ice-stream corridors, meltwater circulates at the ice-bed interface and promotes the formation of tunnel valleys controlled by meltwater processes.(3) Remobilisation processes triggered by the increase of fluid pressure have an impact on the granular framework and on the geometry of reservoirs. Petrophysical studies of subglacial and deep-marine sandstones demonstrated the impact of fluid overpressure on reservoir properties. Processes of fluidisation are responsible for the increase in porosity/permeability, while elutriation processes lead to a decrease in these petrophysical properties.