Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. 44-52. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Au nord-ouest de la mer Méditerranée, dans le Golfe du Lion, la marge continentale est incisée par plusieurs canyons. Leur morphologie suggère que les instabilités jouent un rôle important pour la formation de ces vallées sous-marines et pour le transport de sédiments. Le canyon du Cap de Creus, situé à l'extrémité ouest du Golfe du Lion, a été sélectionné afin d'y analyser les processus d'instabilité présentement actifs. Les profils sismiques qui couvrent le secteur ont permis de déterminer la morphostratigraphie du canyon. Plusieurs essais géotechniques ont été effectués sur les sédiments du secteur d'étude afin de déterminer leurs paramètres géomécaniques et leur état de consolidation. A l'aide de ces résultats, un modèle géologique du flanc a été établi et utilisé pour modéliser la stabilité des flancs et la mobilité des masses instables. Ainsi, l'influence de processus naturels sur le développement des ruptures a été déterminée. La propagation des débris a ensuite été évaluée selon divers paramètres donnés aux débris et à la géométrie de la surface de rupture, basés sur les résultats de l'étude de stabilité. Cette étude montre que les processus d'instabilités récents n'affectent que les strates sédimentaires peu profondes et n'ont donc pas une grande influence sur l'élargissement du canyon. Les sédiments post-glaciaires sont déposés conformément aux vastes cicatrices de glissement, qui datent d'une période antérieure.

Une forme de relief est une région reconnaissable par sa forme et ses éléments saillants. L'approche qui sera ici développée vise à automatiser l’identification de formes du relief et sera appliquée aux canyons sous-marins. Les canyons sont des vallées encaissées et incisées dans le fond marin de la pente continentale. Ils représentent les principaux conduits pour le transport des sédiments en provenance du plateau continental vers la plaine abyssale. Habituellement, l’identification automatisée des formes de relief est réalisée par des traitements d’images basés sur le pixel. Les méthodes traditionnelles exigent la segmentation et la classification d’images. Ces approches calculent des descripteurs locaux tels que la courbure et dépendent de paramètres de seuil fixés par l’utilisateur. D’ailleurs, ce type de classification d’image peut omettre les caractéristiques photo-interprétatives. En général, les photo-interpréteurs reconnaissent des canyons par leur forme globale (ils sont étroits, allongés et ont des pentes raides) et leur position (ils traversent la pente de manière orthogonale), étant observés autour d’une structure saillante qui correspond à la ligne la plus basse ou talweg. Pour pallier cette difficulté, nous travaillons sur une structure topologique et des méthodes basées sur des approches objets permettant d’extraire les éléments saillants des formes de relief. Ainsi, notre structure de base est illustrée sur un réseau de triangles irréguliers (TIN) généré à partir de données capturées par un sonar multifaisceaux dans l’estuaire du Saint Laurent. À partir du TIN, nous extrayons le réseau de surface pour extraire les éléments structurants des canyons. Ensuite, l’extraction de la ligne du fond du canyon se fait par le regroupement et l’agrégation de segments formant le squelette des canyons. En troisième lieu se réalise la caractérisation des polygones qui représentent les fonds des canyons. Finalement, les résultats sont validés par rapport à une classification fournie par des géomorphologues. / Submarine canyons are steep valleys incised into the continental slope. They are the principal channels for sediment flows from the continental shelf to the sea floor. Their importance is primordial for submarine ecosystems since they act as transportation channels for nutrients and organic substances. In addition, submarine canyons are relevant features for geomorphologists because they can explain the origin and evolution of the marine landscape. Submarine canyons’ extraction involves the automatic identification of submarines elements through geomorphometric approaches or quantitative surface analysis. Traditional methods require image segmentation and classification. These approaches compute discrete local descriptors such as the curvature and depend on threshold parameters chosen by the user. Furthermore, image classification can omit global photo-interpretative characteristics. In general, photo-interpreters identify canyons by their overall shape (narrow, elongated, steep slopes) and position (running across the continental slope in a straight line), observed around salient thalwegs. We move from pixel classification to an object-oriented approach built on a topological data structure. The surface network is a graph where critical points such as pits and peaks are connected by ridges and thalwegs. Its extraction does not require any parameter. Relevant thalwegs are selected by simplifying the surface network. Simplification parameters are not set locally at pixel level but at the structure level. The valley floor is computed around each thalweg and used to classify canyons and other channels. The method is illustrated on a triangulated irregular network generated from multibeam sounding data from the St-Lawrence estuary (Canada). Results were validated against a manual classification performed by geomorphologists.

a venir

Des observations in situ et la modélisation ont été conjointement utilisées pour mieux comprendre les processus physiques qui contrôlent les échanges côte-large et étudier les transferts de matière particulaire gouvernés par l'effet des courants et des vagues dans le Golfe du Lion. Cette étude montre que les tempêtes de vent marin induisent une circulation cyclonique sur le plateau et un processus de downwelling dans les canyons sous-marins. En période automnale, lorsque la colonne d'eau est stratifiée et que l'eau du plateau est légère, le downwelling est limité en profondeur. En revanche, en hiver, les plongées d'eaux denses, formées lors des vents de nord froids sur le plateau, intensifient ce processus. D'autre part, les tempêtes de vent marin sont responsables de fortes remises en suspension sur l'ensemble du plateau (> 5 M t) et d'une exportation massive dans la partie ouest du Golfe. Le canyon du Cap Creus apparaît comme une voie d'exportation privilégiée vers le large.

Les marges continentales, passives ou actives, sont la principale voie de transfert sédimentaire entre le plateau continental et le bassin océanique profond et les plaines abyssales. Les pentes continentales sont le siège de processus d'érosion/dépôt sous le contrôle de transfert de flux particulaires continentaux chenalisés par des structures érosives, telles que les canyons sous‐marins, puis redistribues à l'ensemble de la marge. Les canyons érodent fortement les pentes continentales et contribuent à l'évolution de leur morphologie au cours du temps. On retrouve cependant des canyons sous‐marins qui ne sont pas en relation avec la présence d'un réseau fluviatile. De ce fait, la formation et l'évolution des canyons sous‐marins sont encore peu comprises. Ce travail de thèse s'intéresse aux processus de formation et d'évolution de six canyons sous-marins sur la Marge Ouest du Bassin Ligure et à dix systèmes de canyons sur la Marge Calabro-Ionienne. Le but de cette étude est de contraindre les principales caractéristiques morphométriques (longueur, largeur, profondeur, inclinaison, sinuosité), morphologique (éléments architecturaux, configuration) des canyons, de caractériser leur évolution amont‐aval et d'analyser leur structure interne, afin de mieux comprendre l'origine des canyons sous‐marins, leurs mécanismes de construction et leur évolution au cours du temps en relation avec le contexte géologique régional et leurs potentiels bassins versants subaérien. Pour cela, une approche basée sur une analyse morpho-bathymétrique et géophysiques a été mise en œuvre à partir de relevés bathymétriques complets des marges, de profils de sismiques, de Chirp et de SAR.

Les courants de turbidité dans les canyons sous-marins contribuent largement au transfert sédimentaire à travers des marges continentales. L’étude géologique des canyons sous-marins et des systèmes turbiditiques associés a permis des avancées fondamentales dans la compréhension de l’évolution des courants de turbidité.Ces études sont cependant limitées à des interprétations a posteriori, basées sur la répartition des dépôts et des évidences morphologiques. Cette thèse vise à l’application de la modélisation numérique des courants de turbidité, sur la base des processus physiques, à deux canyons sous-marins de la côte Méditerranée Occidentale.Des courants de turbidité liés au chalutage de fond sont modélisés dans le canyon de La Fonera. Les résultats du modèle permettent de spatialiser ce transport; ainsi le modèle peut être un point de départ pour l’identification de zones de pêche au chalut avec un moindre impact. L’absence d’un plateau continental au niveau de Nice a permis une alimentation continue du système turbiditique du Var indépendamment des variations du niveau marin. Ainsi ce système s’avère un laboratoire naturel pour l’étude du contrôle climatique sur l’activité turbiditique. L’influence des forces de Coriolis dans l’évolution spatiale des courants de turbidité et dans la construction de la Ride sédimentaire du Var est modélisée et mise en évidence pour la première fois.La modélisation numérique des courants de turbidité ne peut pas fournir à présent des résultats de qualité prédictive du fait de la quantité limitée d’information disponible pour établir les conditions initiales de l’écoulement qui impactent largement son évolution et dépôts. Malgré ce fait, la modélisation numérique permet d’élargir les interprétations du fonctionnement sédimentaire des canyons étudiés, d’identifier les chemins empruntés par les écoulements et leur dépôt final et de mieux préparer des cibles (mouillages et carottage) lors des campagnes à la mer. / Turbidity currents in submarine canyons are the main contribution for sediment transfer across the continental margins. Geological studies of submarine canyons and associated turbiditic systems for more than 30 years led to an extraordinary breakthrough in the understanding of how turbidite systems evolve. However, these studies remain limited to a posteriori interpretations, based on the distribution of deposits and morphological evidences. The overarching aim of this thesis is to apply a 2DH process-based model to simulate large-scale turbidity currents on two different submarine canyons in the western Mediterranean coast.The work in La Fonera canyon, in the Catalan margin, focuses on the modelling of sediment transport and accumulation resulting from trawling activities on the canyon flanks. The numerical process-based provides a 3D visualization of potential trawling impacts on sediment dynamics. The study represents a starting point for the assessment of the sedimentary impact of bottom trawling in deep continental margins. The present work can help in the identification of trawling areas with lesser impacts. The Var Sedimentary System, located in the vicinity of Nice (France), is connected to the Var River during both low and high-stands and it can be considered as a natural laboratory for the study of the climatic control on the turbiditic activity. The influence of Coriolis forces on the spatial evolution of the hyperpycnal flows and hence in the construction of the Var Sedimentary Ridge (VSR) is evidenced and supported for the first time.The major drawback is the limited amount of information for the necessary initial and boundary conditions; hence modelling results might not be of predictive quality. However, modelling results provide a full-scale vision of the system allowing the identification of sediment pathways and deposition areas on the basis of physical processes and enlarge the present knowledge of the canyons studied. The results obtained may help in the identification of strategic mooring and coring sites to further advance the state of our knowledge on sediment dynamics of the different cases studies.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Les canyons et chenaux sous-marins sont formés par des courants de densité subaquatiques et sont les principaux conduits par lesquels les sédiments continentaux atteignent les milieux marins profonds. Plusieurs canyons et chenaux sous-marins incisent les marges de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent jusqu’à une profondeur de ≥ 300 m. Des données hydroacoustiques et sédimentologiques récemment acquises ont permis d’analyser en détail la morphologie et les processus sédimentaires tardi-quaternaires qui ont modifié l’architecture de ces systèmes turbiditiques. Quatre types de systèmes turbiditiques ont été identifiés en fonction de leur source respective de sédiments. Un premier type de système, alimenté par la dérive littorale, a été cartographié dans les secteurs de Sept-Îles, Les Escoumins et Tadoussac. La formation et l’évolution de ces trois systèmes semblent être étroitement liées à un apport sédimentaire provenant de l’érosion des rives avoisinantes. Vers la mi-Holocène, alors que la charge sédimentaire provenant des rivières a drastiquement diminué, l’érosion des fronts deltaïques a vraisemblablement contribué à alimenter ces systèmes turbiditiques. L’activité gravitaire est aujourd’hui dominée par des mouvements de masse qui permettent le transfert sédimentaire vers le niveau de base. Un second type de canyon a été découvert dans le secteur de Pointe-des-Monts. Bien qu’il ne reçoive pas d’apport sédimentaire, ce dernier est le seul où des formes en croissant, probablement associées à des courants supercritiques, ont migré récemment. Leur activité holocène peut être expliquée par des mouvements de masse épisodiques et des courants quasi-continus d’origine hydrodynamique se déplaçant sur le plancher marin. Des données sédimentologiques suggèrent que ces courants d’origine hydrodynamique seraient responsables de la formation des canyons. Deux autres types de chenaux et canyons ont été identifiés dans l’estuaire, soit des systèmes reliés aux rivières et aux glaciers. Ces deux types de systèmes ont été actifs majoritairement au début de l’Holocène, alors que la charge sédimentaire transportée vers l’estuaire était plus importante, permettant la génération de courants hyperpycnaux. Ainsi, cette recherche a permis de démontrer la variabilité morphologique des canyons et chenaux de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent ainsi que les différentes phases d’activité et types de processus gravitaires qui ont mené à la formation de systèmes turbiditiques dans un contexte tectonique et climatique similaire. / Submarine canyons and channels are formed by subaqueous sediment density flows and are the main conduits through which continental sediments reach deeper sedimentary basins. Numerous submarine canyons and channels incise the margins of the Estuary and Gulf of St. Lawrence, to a depth of ≥ 300 m. Multibeam bathymetry, acoustic backscatter, seismic reflection and sedimentological analysis have allowed examining in great detail the morphology and the late-Quaternary sedimentary processes within these systems. Four types of submarine fans were identified based on their respective source of sediment. A submarine fan located in ≤ 60 m deep in the Sept-Îles sector has illlustrated the role of longshore drift on the formation and evolution of such systems. Longshore drift, through submarine transverse bars and coastal sand bars, forced the formation of a submarine fan near 5 ka BP. Its activity is now dominated by the passage of low density/intensity flows forming sandwaves on the edge of the coastal shelf and high energy flows (probably slope failures) that allow the accumulation of sediment on the deeper submarine fan. Two other systems fed by longshore drift were identified in the Tadoussac and Les Escoumins sectors, where similar recent episodic activity has been described. A second type of canyon system was discovered in the Pointe-des-Monts sector. These canyons are sediment-starved and yet, they are the only systems in which crescentic bedforms recently migrated upslope. Their short- and long-term activity can be explained by slope failures and quasi-continuous hydrodynamic processes along the seafloor. Sedimentological data suggest that quasi-continuous flows of hydrodynamic origin are responsible for the formation of the canyons. Two other types of channels and canyons were identified in the St. Lawrence: systems fed by rivers and glaciers. Both types of systems were active mainly in the early-Holocene, when sediment supply to the St. Lawrence was greater. When sediment supply drastically diminished during mid-Holocene, erosion of deltaic fronts likely led to an increase in longshore-drift transport and the formation and/or continuated activity of the Sept-Îles and Les Escoumins systems.

Les marges continentales, passives ou actives, sont la principale voie de transfert sédimentaire entre le plateau continental et le bassin océanique profond et les plaines abyssales. Les pentes continentales sont le siège de processus d’érosion/dépôt sous le contrôle de transfert de flux particulaires continentaux chenalisés par des structures érosives, telles que les canyons sous‐marins, puis redistribues à l’ensemble de la marge. Les canyons érodent fortement les pentes continentales et contribuent à l’évolution de leur morphologie au cours du temps. On retrouve cependant des canyons sous‐marins qui ne sont pas en relation avec la présence d’un réseau fluviatile. De ce fait, la formation et l’évolution des canyons sous‐marins sont encore peu comprises. Ce travail de thèse s’intéresse aux processus de formation et d’évolution de six canyons sous-marins sur la Marge Ouest du Bassin Ligure et à dix systèmes de canyons sur la Marge Calabro-Ionienne. Le but de cette étude est de contraindre les principales caractéristiques morphométriques (longueur, largeur, profondeur, inclinaison, sinuosité), morphologique (éléments architecturaux, configuration) des canyons, de caractériser leur évolution amont‐aval et d’analyser leur structure interne, afin de mieux comprendre l’origine des canyons sous‐marins, leurs mécanismes de construction et leur évolution au cours du temps en relation avec le contexte géologique régional et leurs potentiels bassins versants subaérien. Pour cela, une approche basée sur une analyse morpho-bathymétrique et géophysiques a été mise en œuvre à partir de relevés bathymétriques complets des marges, de profils de sismiques, de Chirp et de SAR. / Sediment transfer from the continental shelf to the deep basin is of great interest as it partially controls the morphological and architectural evolution of continental margins. Transfer of particles on the continental slope associates with processes of erosion and deposition that control the construction of typical features such as submarine canyons. Because they strongly erode the continental slope, canyons contribute significantly to its morphological evolution through time. However, a number of studies have evidenced submarine canyons that do not connect with sub‐aerial channelized systems, questioning their processes of formation and evolution. This study aims to better understand the processes of formation and evolution of six submarine canyons identified on the western margin of the Ligurian Basin and ten canyons systems on the Calabro-Ionian margin. From morphometric and structural analyses based respectively on bathymetric, seismic‐reflexion (24‐channel profiles) data, Chirp and SAR profiles we constrained the main morphometric characteristics (length, width, depth, slope gradient, sinuosity index), morphologic (architectural elements and configuration) of canyons, their downward evolution and we analyzed their internal structure in order to better understand their origin, construction mechanisms and evolution in relation with the regional geological context and their potentials subaerial systems.

Les habitats de coraux d’eau froide formés par des scléractiniaires coloniaux, des gorgones, des antipathaires et des pennatules sont des hotspots de biodiversité et de biomasse. Ils fournissent des fonctions importantes, comme des refuges et des zones d’alimentation, pour d’autres organismes. Mais, ils sont également vulnérables aux activités humaines, parce qu’ils sont fragiles, croissent lentement et atteignent des records de longévité. Dans les canyons sous-marins, le relief tourmenté, l’hydrodynamisme et l’hétérogénéité des substrats offrent des conditions environnementales propices au développement des habitats coralliens. Dans le Golfe de Gascogne, les coraux d’eau froide sont connus depuis la fin du 19e siècle, mais leur distribution, leur densité et leur rôle fonctionnel avaient été très peu étudiés.Pour augmenter cette connaissance, 24 canyons sous-marins et 3 sites sur l’interfluve/haut de pente contiguë aux canyons adjacents ont été visités par un ROV et une caméra tractée pendant 46 plongées au cours de 7 campagnes océanographiques. Les habitats coralliens définis par le système de classification CoralFISH ont été cartographiés à partir des images prises par les engins sous-marins puis la faune associée, les types de substrat et les déchets ont été annotés.Onze habitats coralliens et 62 morphotypes de coraux ont été observés dans les canyons sous-marins du Golfe de Gascogne hébergeant 191 morphotypes de faune associée, dont 160 morphotypes uniques. Les patrons de distribution à l’échelle locale et à l’échelle régionale pourraient être liés aux régimes hydrodynamiques et sédimentaires. Le type de substrat était important pour les assemblages de coraux et leurs faunes associées, distinguant les habitats biogéniques, sur substrat dur et sur substrat meuble. Les assemblages de coraux étaient similaires entre habitats biogéniques et habitats sur substrat dur, mais la faune associées était plus abondante et diversifiée sur les habitats biogéniques. La diversité-alpha, -beta et –gamma étaient étonnement élevée sur les habitats coralliens sur substrat meuble, égalant ou dépassant la diversité des habitats biogéniques.Les déchets marins étaient abondants et principalement composés de plastiques et de matériels de pêche. Ces déchets pourraient impacter les habitats coralliens : ils ont été trouvés à des profondeurs similaires et les déchets étaient piégés par des reliefs créés par des structures biologiques et géologiques. L’ocurrence des récifs de coraux préférentiellement sur les pentes plus abruptes des canyons sous-marins tandis que les débris de coraux sont plus fréquents sur des aires plus plates de l’interfluve ou du haut de pente, pourraient indiquer un impact de la pêche.Cette étude a contribué à l’initiative en cours de création d’un réseau Natura 2000 qui protégera à terme l’habitat « récif » dont les habitats coralliens biogéniques et sur substrat dur, mais pas les habitats coralliens sur substrat meuble. Pour ces derniers, un complément d’étude et d’autres stratégies de préservation seront nécessaires. / Cold-water coral (CWC) habitats formed by colonial scleractinians, gorgonians, antipatharians and sea pens are biodiversity and biomass hotspots that provide important functions, such as shelter and feeding grounds, to other organisms. But, they are also vulnerable to human activities, because they are long-lived, grow slowly and have a low resistance. Submarine canyons may offer the environmental conditions needed for CWC habitat development, due to their steep topography, complex hydrodynamics and substrate heterogeneity. In the Bay of Biscay, which margin is incised by hundreds of canyons, CWCs are known to exist since the late 19th century, but their distribution, density and functional role remained largely unknown, which impaired their preservation.To increase this knowledge, 24 canyons and three locations between adjacent canyons were visited with an ROV and a towed camera system during 46 dives on 7 cruises. Images were analysed for CWC habitats using the CoralFISH classification system. Within these habitats, corals, associated fauna were identified and substrate cover measured. Litter was identified in 15 out of 24 canyons.Eleven coral habitats constructed by 62 coral morphotypes were observed in the canyons of the Bay of Biscay hosting 191 associated megafaunal morphotypes, including 160 unique morphotypes. The distribution patterns at regional and local scales could be linked to hydrodynamics and sedimentary regimes. Substrate type was an important driver for coral and associated faunal assemblages, distinguishing biogenic, hard substrate and soft substrate habitats. Coral assemblages were similar between biogenic and hard substrate habitats, but the associated fauna was more abundant and diverse on biogenic habitats. The alpha, beta and gamma diversity was surprisingly high on soft substrate habitats, equalling or exceeding that of biogenic habitats.Marine litter was abundant and was mainly composed of plastic items and fishing gear. Litter could co-occur with CWCs and impact them: litter and most CWC habitats were observed at similar water depths and litter was more abundant in areas with a seafloor relief created by biological or geological features. Observations of coral reefs on steeper areas in the canyons and coral debris on flatter areas on the interfluve/upper slope may indicate a potential impact of the fishing industry. This study supports the ongoing effort to create a Natura 2000 network that will protect biogenic and hard substrate habitats, but also points out the need to develop a framework for the preservation of coral habitats on soft substrate.