Les principaux objectifs du présent mémoire étaient de quantifier les distributions horizontales et verticales des flux azotés dans différents secteurs de la baie de Baffin et de la mer du Labrador ainsi que d’évaluer la réponse de ces processus à diverses perturbations expérimentales (exposition à la lumière, baisse de pH et enrichissement en ammonium) représentatives des changements actuellement observés dans l’océan Arctique. Contre toutes attentes, les flux azotés ont montré une réponse mineure aux traitements, impliquant toutefois une diminution locale de la nitrification en présence de lumière dans un secteur caractérisé par une fraction supérieure d’eau d’origine Atlantique. Ce dernier résultat suggère une réponse différentielle de la nitrification aux changements de régime lumineux résultant de la fonte des glaces. Les conclusions découlant de cette étude ont contribué à l’amélioration de notre compréhension du cycle de l’azote dans un contexte de changements climatiques rapides.

L’oxyde nitreux (N2O) est le troisième plus important gaz à effet de serre et sa concentration atmosphérique est en constante augmentation. Pourtant, de nombreuses sources de ce gaz sont encore méconnues, notamment en arctique. Cette étude a permis de déterminer la distribution horizontale et verticale du N2O dans les eaux du détroit de Lancaster et du nord de la baie de Baffin et d’en déterminer la source. Les résultats montrent que la zone étudiée est un amalgame hétérogène de sources et de puits de N2O atmosphérique et que ce gaz est produit par la nitrification, une réaction localement limitée par le substrat. La présence d’eaux sursaturées en N2O sous la surface pouvant remonter à la surface lors de tempêtes, de même que l’augmentation des dépositions atmosphériques de composés azotés réactifs, suggèrent que le potentiel d’augmentation des émissions d’oxyde nitreux est bien présent dans cette région arctique. / Nitrous oxide (N2O) is the third most important long-lived greenhouse gas, and its atmospheric concentration is steadily increasing. However, many sources of this gas remain unknown, particularly in the Arctic. In this study, we determined the horizontal and vertical distribution of N2O in the waters of Lancaster Sound and the north of Baffin Bay, and we identified its source. Results show that the study area is a heterogeneous mixture of nitrous oxide sources and sinks, and that this gas is produced by nitrification, a locally substrate-limited reaction. With the presence of subsurface N2O oversaturated waters that could reach the surface during storms, and with the predicted increase in atmospheric reactive nitrogen deposition, conditions are set for a potential rise in the N2O emissions from this Arctic area.

Au sein du réseau alimentaire arctique, la morue arctique (Boreogadus saida) est le lien trophique principal entre le zooplancton et les prédateurs supérieurs tels que les phoques et les oiseaux marins. Un mode de vie associé à la glace et une physiologie spécialisée en font une espèce particulièrement vulnérable à la réduction prédite de la banquise et au possible envahissement de sa niche écologique par des espèces généralistes boréales. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, particulièrement intense dans l’Arctique, la connaissance des facteurs contrôlant le devenir de cette espèce clé est essentielle. Le but de cette thèse est l’identification des processus nécessaires et suffisants à inclure dans un modèle mathématique pour simuler de façon réaliste la croissance et la survie du stade larvaire de ce poisson. Un modèle individu-centré a été développé et validé à l’aide d’observations recueillies dans la polynie des eaux du Nord (Baie de Baffin) et la polynie des eaux du Nord-est (Mer du Groenland). La température, la concentration et la qualité des proies ont dû être prises en compte pour reproduire la croissance observée et ses différences régionales. La pression de prédation a été simulée à l’aide d’une mortalité taille- et croissance-dépendante qui a permis l’élimination sélective des individus petits et croissant lentement. Le modèle a également pris en compte la date d’éclosion des individus afin de reproduire les différences dans la trajectoire de vie entre les individus ayant éclos avant et après l’ouverture de la polynie. Ainsi, les larves hâtives ont crû plus lentement que les larves tardives en raison des faibles températures, mais cette tendance s’inversait si l’épuisement des réserves vitellines des larves hâtives coïncidait avec une période de concentration élevée de proies. Une méthode inédite de sous-échantillonnage des résultats du modèle prenant en compte l’âge, la date d’éclosion et la position géographique des individus capturés in situ, reproduisit les discontinuités inévitablement présentes dans les observations in situ. Cette méthode a amélioré la validation du modèle, permis l’identification de ses faiblesses et indiqué de nouvelles directions de recherche. Le sous-échantillonnage des résultats du modèle peut servir à une vaste gamme d’applications dans le domaine de la modélisation individu-centrée et est applicable a tout modèle tentant de simuler des organismes pouvant être âgés. / Within the Arctic food web, Arctic cod (Boreogadus saida) is the dominant trophic link between zooplankton and higher predators such as seals and sea-birds. An ice-dependent lifestyle and a specialized physiology make this species particularly vulnerable to the predicted reduction in ice-cover and the potential invasion of its ecological niche by boreal generalists. With the unfolding of climate warming which is particularly intense in the Arctic, it is essential to document the factors that control the fate of this key species. The primary focus of this thesis is the identification of the necessary and sufficient processes required in a mathematical model to realistically simulate the growth and survival of the larval stage of Arctic cod. An individual-based model was developed and validated with observations collected in the North Water (Baffin Bay) and the Northeast Water (Greenland Sea). Temperature, as well as the concentration and quality of prey were necessary to reproduce observed growth and its regional differences. Predation pressure was simulated using a length- and growth-dependent mortality which allowed the selective elimination of small and slow-growing individuals. The model took into account the hatch-date of individuals to reproduce differences in life trajectory among individuals hatched before and after the polynya opened. For instance, early hatchers grew slower than late hatchers due to lower temperatures, but this trend was reversed if the yolk exhaustion of early hatchers coincided with high prey concentrations. A novel method of model output sub-sampling accounting for the age, hatch-date and geographical position of individuals captured at sea, reproduced the inevitable discontinuities that plague field observations. This method improved model validation, allowed weaknesses to be identified and highlighted new research directions. The model output sub-sampling has wide-ranging applications in individual-based modeling and is applicable to any model attempting to simulate organisms that can be aged.

During the Geological Survey of Canada’s Cumberland Peninsula Integrated Geoscience project a ~150km long NE-SW trending volcanic belt, now termed the North Touak-Cape Dyer volcanic belt, was mapped. The volcanic rocks that comprise the belt are dominantly green weathering komatiitic rocks with some black weathering tholeiitic occurrences. Given the similar stratigraphic position, textures, mineralogy, and geochemical characteristics of the volcanic rocks throughout the belt they have been termed the Totnes Road formation, after the locality from which they were first described. The komatiitic rocks possess numerous unusual characteristics for ultramafic volcanic rocks including: fragmental textures, lack of spinifex texture, young eruption age (Paleoproterozoic), eruption through ancient continental crust, and enrichment in the HFSEs including the REEs. This places them in the uncommon and poorly understood sub-type of komatiites termed Karasjok-type komatiites. Given the ultramafic nature of the rocks and their within-plate geochemical signatures, a mantle plume is the most likely source of these rocks, with the komatiites being sourced from the hot plume axis and the tholeiites from the cooler plume head. Incorporation and melting of mantle enriched by the addition of subduction zone recycled, garnet-bearing eclogitic material, beneath thick lithosphere could cause the rocks geochemical enrichment. Stratigraphically overlying the Totnes Road formation is a variety of chemical sedimentary rocks including chert, sulphide and silicate facies iron formation, and sulphide-rich boulders. Given their consistent stratigraphic position and parallel REE patterns, these rocks have been interpreted as a co-genetic suite and are grouped under the Clephane Bay formation, after a locality that exposes a spectacular section of the chemical rocks. The variety of lithologies is believed to be due to mixing of hydrothermal and detrital inputs during deposition within an anoxic basin. Regional correlations in the area are tentative due to the lack of available geochronological and geochemical data. Mafic-ultramafic volcanic occurrences to both the north and the south of the Cumberland Peninsula show remarkably similar geochemical characteristics to the Totnes Road formation. Thus it is possible that one plume was the source for numerous volcanic occurrences within in the region but more detailed study is required to prove or disprove this possibility.

The faunal remains from four archaeological sites on the northwest shore of Mingo Lake, in the interior of Southern Baffin Island, are examined in this thesis. All four sites are radiocarbon dated to Pre-Dorset times (4500 – 2700 BP). The faunal assemblage is dominated by caribou remains. As such, this study is the first, large-scale faunal analysis of an interior Pre-Dorset site with caribou as a main subsistence resource. In total 18,710 faunal bones were examined. Elemental frequencies, fracture patterns, bone burning, and butchering patterns will provide important insights into the lifeway of the Pre-Dorset. The results of the thesis indicate that the Pre-Dorset were utilizing the Mingo Lake area during the late summer into early fall. The main activity at all four sites was caribou hunting with a focus on marrow extraction. The sites served dual purposes as habitation and butchering sites and were occupied for varying lengths of time.

Les régions arctiques se réchauffent à une vitesse alarmante. Cependant, dans l’Arctique canadien, l’ampleur de ces changements climatiques n’est pas de la même intensité dans toutes les sous-régions. Pendant que l’Ouest et le Nord se réchauffent à une vitesse rapide depuis de nombreuses décennies, l’Est de l’Arctique canadien a connu une certaine stabilité jusqu'au tournant du dernier siècle. Cette thèse consiste en une étude paléolimnologique et hydrologique de la région Est de l’Arctique canadien, plus précisément du sud-ouest de l’île de Baffin et des régions côtières de la Baie d’Hudson au Nunavik (Québec nordique, Canada). L’étude des assemblages de diatomées provenant de deux carottes et la caractérisation sédimentaire de quatre carottes prises dans le lac Nettilling (l’île de Baffin) ont permis la reconstruction des changements environnementaux de la région du lac à l’échelle millénaire. Les signaux isotopiques de l’oxygène préservés dans les frustules de diatomées ont permis la reconstruction paléoclimatique et paléohydrologique de la région. Les analyses isotopiques à haute résolution combinées à l’étude de la composition spécifique des assemblages de diatomées étaient un ajout important aux reconstructions paléoenvironnementales de la région du lac Nettilling démontrant l’histoire postglaciaire, qui a débuté avec une transgression marine (ca. 8300 ans cal. avant le présent-AP) suivi d’une phase transitoire d’eau saumâtre (ca. 7300 ans cal. AP) vers un environnement lacustre (ca. 6000 ans cal. AP) qui perdure encore de nos jours. L’étude des lacs thermokarstiques (lacs issus de la fonte du pergélisol) a évalué l'influence de la température, des précipitations et la dégradation du pergélisol sur le bilan hydrologique actuel de 86 lacs thermokarstiques au Nunavik. Un modèle de bilan de masse isotopique a été utilisé pour la région d’étude afin d’établir la source des eaux et d’estimer la perte de vapeur spécifique à chaque lac. Les résultats obtenus suggèrent que ces lacs sont très sensibles aux variations de précipitations et de la température de l’air. Certains lacs en milieu de pergélisol sporadique sont sensibles à l'évaporation puisque la quasi-absence de dégel du pergélisol ne fournit plus une source d'eau qui pourrait compenser pour l'effet de l'évaporation dans un territoire où le pergélisol est moins dégradé et plus riche en glace. / The Arctic regions are warming at an alarming rate. However, the magnitude of climate change in the Canadian Arctic is not of the same intensity in all its sub-regions. While the West and North are warming rapidly, the eastern Canadian Arctic experienced climate stability until the turn of the last century. This thesis is a paleolimnological and hydrological case study of the eastern Canadian Arctic region, more specifically of southwestern Baffin Island and of the coastal regions of Hudson Bay in Nunavik (Northern Quebec, Canada). Studies of diatom assemblages from two cores and sedimentary characterization of four cores taken from Nettilling Lake (Baffin Island) allowed for the paleolimnological reconstruction of the region. Stable oxygen isotope signals preserved in diatom frustules allowed for the paleoclimatic and paleohydrological reconstruction of the region. High-resolution isotope analysis combined with the study of the specific composition of diatom assemblages were an important addition to paleoenvironmental reconstructions in the Lake Nettilling region showing that the postglacial history began with a marine transgression (ca. 8300 yrs cal. before present-BP), followed by a transitional brackish phase (ca. 7300 yrs cal. BP) leading to the freshwater lake environment (ca. 6000 yrs cal. BP) which persists to the present-day. The study of thermokarst lakes (permafrost thaw lakes) evaluated the influence of temperature, precipitation and permafrost degradation on the current water balance of 86 sites in Nunavik. A model of isotopic mass balance was used in the study area to establish the lake-specific input water sources and evaporation rates. The results suggest that these lakes are very sensitive to variations in precipitation and air temperature. Some lakes located in sporadic permafrost terrain are susceptible to evaporation as the near absence of permafrost thaw no longer provides a source of water that could compensate for the effect of evaporation in a landscape where permafrost is less degraded and richer in ice.

The recent discovery of the 31-km-wide Hiawatha impact crater has raised unanswered questions about its age, impactor and highly unusual organic carbon component. Previous research suggests a fractionated iron meteorite impactor, a probable maximum 3–2.4 Ma impact age and a possible Younger Dryas impact age. The first objective in this study has been to investigate a possible link between the Cape York meteorites and the Hiawatha impact crater by comparing the chromium isotopic signature in chromite from a Cape York meteorite with the chromium isotopic signature in potential chromite from the Hiawatha impactor. The second objective has been to investigate a possible Hiawatha signature in the Younger Dryas deposits from Baffin Bay. The third objective has been to study the organic carbon component in impactites derived from the Hiawatha impact crater. Heavy mineral grains were separated from glaciofluvial sediment which contains Hiawatha impactite grains. Not a single chromite grain was found and the possible link to the Cape York meteorites could not be tested. The petrographic examination of Younger Dryas marine deposits resulted in absence of impact-related Hiawatha grains. A petrological investigation revealed that organic carbon was likely found in five of six variably shocked impactites derived from the Hiawatha impact crater. The character of the organic carbon varies between the samples and also within individual samples. Vitrinite reflectance measurements of the organic carbon in two impactites yielded low reflectance values compared to charcoalification experiments of wood. Organic particles with different reflectance in the same sample suggest that the particles had different impact histories prior to settling and becoming a rock. Diagnostic conifer cellular texture was found in at least one of the samples. The character of the organic particles in the impactites supports the suggestion in a previous study that the sources of the Hiawatha organic carbon component are unmetamorphosed surficial deposits containing dead conifer tree trunks and fine-grained layered clay and organic matter.  In this study it is concluded that the apparent absence of chromite in the examined glaciofluvial sediment sample corroborates the significance of previous research which suggests that the Hiawatha impactor was an iron meteorite. The apparent absence of impact related grains in the Younger Dryas deposits suggests that although a Younger Dryas age for the Hiawatha impact crater is less likely now, the possibility remains open. The organic carbon with diagnostic conifer cellular texture in the Hiawatha impactites corroborates the conclusion in a previous study that the Hiawatha impact-related organic carbon component stems from local, thermally degraded conifer trees with a probable age of ca. 3–2.4 Ma. It is also concluded that the relatively low reflectance values of the organic carbon in the Hiawatha impactites seem to be related to the short duration of the high-temperature excursion during the hypervelocity impact event.

Dans le cadre du projet Mary River, situé à l'île de Baffin, une ligne de chemin de fer sur du pergélisol doit être construite. Afin d'évaluer le comportement à long terme de la ligne de chemin de fer, le développement d'un modèle prévisionnel de l'endommagement des remblais est nécessaire. L'élaboration du modèle prévisionnel est possible par la réalisation de simulations numériques et d'essais en laboratoire. Les simulations numériques, effectuées avec le logiciel GéoStudio, permettent de prédire le comportement thermique à long terme des remblais et l'état des contraintes additionnelles dans le sol d'infrastructure induites par le remblai. En laboratoire, des essais de fluage et de consolidation au dégel sont réalisés pour caractériser le comportement mécanique des sols. Ces essais permettent de développer une loi de comportement caractérisant le fluage secondaire des sols gelés. Ainsi, la combinaison des simulations numériques et des essais en laboratoire permet de prédire le taux de déformation du sol d'infrastructure à un endroit précis et ce, pour une température et une contrainte définie.