This investigation addresses the origin and nature of explosive volcanism in deep submarine environments. Volcaniclastic deposits were sampled as sediment cores from Axial Seamount, a basaltic caldera volcano situated on the Juan de Fuca mid-ocean ridge in the northeast Pacific Ocean. These prominent volcaniclastic deposits resemble those found on other mid-ocean ridge sites. The deposits are interpreted as pyroclastic reflecting explosive eruptions. On Axial Seamount, the volcaniclastic material comprises mainly basaltic glass fragments displaying a range of morphologies, including limu o Pele and Pele's hair. In the present study, glass fragments from several core sections were examined for their morphological characteristics, as well as for major, trace and volatile element compositions. Plagioclase-hosted melt inclusions recovered from selected sections of the volcaniclastic sediments were also analysed for their major, trace and volatile element budgets. The glass fragments show MgO of 9.4–6.5 wt. %, and [La/Yb]N generally between 0.95 and 1.1, with the exception of one sample group showing [La/Yb]N of 0.6–0.85. CO2 concentrations in the melt inclusions were found to vary greatly due to decompression degassing, with concentrations ranging from 260 ppm to 9160 ppm. Cooling histories of glass fragments were estimated by differential scanning calorimetry (DSC), indicating extremely rapid quench rates of up to 10^6 K s^-1 during eruptions. The physical properties of the fragments, i.e., their morphologies and cooling rates, as well as the CO2 budget of the magmatic system, are consistent with explosive activity primarily driven by high levels of magmatic CO2.In order to better understand eruption behaviour and magma fragmentation in high-pressure environments such as the deep ocean, a series of decompression experiments were performed using gum rosin-acetone mixtures as an analogue for magma-volatile systems. These experiments demonstrate that ascent rates and fragmentation behaviour of magma are influenced by various extrinsic and intrinsic parameters such as pre-eruptive bubble content and variations in conduit diameter. These factors can facilitate explosive eruptions in high-pressure environments. / Ce travail aborde l'origine et la nature du volcanisme explosif des environnements sous-marins profonds. Des carottes de dépôts volcano-clastiques ont été échantillonnées au volcan Axial, une caldeira basaltique sous-marine située sur la ride médio-océanique Juan de Fuca dans le nord-est du Pacifique. Ces dépôts volcano-clastiques proéminents ressemblent à ceux trouvés sur d'autres sites de ride médio-océanique. Les dépôts sont interprétés comme étant d'origine pyroclastique, donc ayant été formés au cours d'éruptions explosives. Au volcan Axial, le matériel volcano-clastique est composé principalement de fragments de verre basaltique de morphologies diverses, incluant des limu o Pele et des cheveux de Pele. Au cours de cette étude, les caractéristiques morphologiques et la composition en éléments majeurs, traces et volatiles de fragments de verre provenant de plusieurs sections de carottes ont été déterminées. Des inclusions de verre contenues dans des cristaux de plagioclase ont également été analysées afin d'évaluer leur budget en éléments majeurs, traces et volatiles.Les fragments de verre ont une teneur en MgO de 9.4–6.5 %m et des rapports [La/Yb]N généralement entre 0.95 and 1.1, à l'exception d'un groupe d'échantillons ayant des ratios [La/Yb]N de 0.6–0.85. La teneur en CO2 des inclusions de verre fluctue grandement dû au dégazage de décompression avec des mesures variant de 260 à 9160 ppm. L'historique de refroidissement des fragments de verre a été estimé par calorimétrie différentielle à balayage et les résultats indiquent des taux de refroidissement extrêmement rapide de plus de 10^6 K s^-1 durant les éruptions. Les propriétés physiques des fragments, i.e. leurs morphologies et leurs taux de refroidissement, ainsi que le budget du système magmatique en CO2 suggèrent une activité volcanique explosive essentiellement entrainée par les teneurs élevées en CO2 magmatique.Afin de mieux comprendre le comportement éruptif et la fragmentation du magma dans des environnements de haute pression tels les fonds marins, des expériences de décompression ont été menées en utilisant des mélanges de colophane et d'acétone en tant qu'analogue des systèmes magma-gaz. Ces expériences démontrent que les rythmes de montée du magma et sa fragmentation sont influencés par plusieurs paramètres extrinsèques et intrinsèques tels que la concentration de bulles dans le magma avant l'éruption et le diamètre du conduit magmatique. Ces facteurs peuvent faciliter le volcanisme explosif en milieu sous-marin à haute pression.

On the island of Trinidad, intense anthropogenic activity and inappropriate land use on terrain vulnerable to erosion and rapid runoff lead to severe sedimentation in the watercourses. A major impact is an increase in flood risk during the strong storm events characteristic of the tropical rainy season due to reduced channel capacity. This study addresses the problem of sedimentation in the Acono River in light of the high sediment loadings observed at the outlet of a 6.6 km2 steep catchment where an operating limestone quarry is located. A hydrologic and sediment measurement network was developed to estimate the impact of the quarry on the sediment loadings in the Acono River for several storm events during a year. Results indicated that the quarry yields tremendously more sediment than the rest of catchment. The MUSLE model was used to estimate sediment yield from soil erosion for individual rainfall events and provided good results. Several sediment transport formulae were used to determine both suspended and bed load sediment discharge during rainfall events. The significant deviation of the computed values from the measured values showed how difficult it is to predict sediment discharge in natural rivers, particularly where washload is a significant component. / Sur l'île de Trinité, une activité anthropique intense, couplée à une utilisation inadéquate de sols propices à l'érosion et à un ruissellement de surface rapide, implique une forte sédimentation dans les cours d'eau. Une conséquence est l'augmentation du risque d'inondation durant les intenses précipitations de la saison humide, en raison d'une réduction de la capacité d'écoulement de ces cours d'eau. Ce projet étudie les problèmes de sédimentation dans la rivière Acono, à la vue des importantes quantités de sédiments à l'exutoire d'un bassin versant de 6.6 km2 où une carrière de calcaire est exploitée. Un réseau de mesure hydrologique et sédimentaire a été développé afin de mesurer l'impact de cette carrière sur la charge sédimentaire dans la rivière Acono au cours de plusieurs événements pluvieux. Les résultats indiquent que la majorité des sédiments transportés provient de la carrière en comparaison du reste du bassin versant. Le modèle MUSLE a fourni une estimation satisfaisante des quantités de sédiments transportés au cours des événements pluvieux analysés. Plusieurs équations ont été utilisées pour déterminer la charge sédimentaire en suspension et par charriage durant ces événements. La différence entre les prédictions et les mesures effectuées sur le terrain illustrent la difficulté de prédire la charge sédimentaire dans des cours d'eau naturels.

The presence of frother, either singly or as a blend, is common to most mineral flotation processes. Frothers have two main functions: provide target hydrodynamic conditions and promote froth stability. In the thesis hydrodynamics is measured by bubble size and gas holdup and froth stability by water overflow rate. These functions are related to frother chemistry, or more particularly, molecular structure. However, the structure – function link is not well understood and forms the theme of the thesis. A methodology is developed to link one hydrodynamic function, bubble size reduction represented by CCC95 (critical coalescence concentration 95%), to frother structure represented by HLB (hydrophile-lypophile balance). The results indicate each frother family has a unique CCC95-HLB relationship. Empirical models are developed to predict CCC95 either from HLB or directly from frother structural parameters. Commercial frothers are shown to fit the relationships.Use of dual-frother systems to achieve independent control over the two frother functions is tested. Blends of Alcohols with Polypropylene Glycols (PPG) and Polyethylene Glycols (PEG) are selected in pre-mixed and base/additive styles. The base/additive system 1-Butanol/PEG (EO > = 4) gives the independence sought but not 1-Butanol/PPG which causes an increase in bubble size. To explain the bubble size effect, frother partitioning is determined. This is achieved by development of two analytical techniques: high pressure liquid chromatography (HPLC) and nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) associated with total organic carbon analysis (TOC). The 1-Butanol/PPG blends show strong partitioning to the froth which corresponds to the increase in bubble size. New frothers are synthesized to test the structure-function relationship by combining three groups: linear Alkyl-Ethoxy-Propoxylates (CnEOlPOm) and Alkyl-Propoxy-Ethoxylates (CnPOmEOl). It is found that varying the number of PO groups, the length of Alkyl group chain, and the position of PO and EO could affect the two functions. / Dans la plupart des processus de flottation, la mousse est communément présente soit seule, soit sous forme de mélange. Les mousses assument deux fonctions principales à savoir: créer les conditions hydrodynamiques et promouvoir la stabilité de la mousse. Dans cette thèse l'hydrodynamique est mesurée par la taille de la bulle et la rétention de gaz, tandis que la stabilité, par la vitesse de l'écoulement d'eau. Ces fonctions sont liées à la chimie des mousses et plus particulièrement à la structure moléculaire. Une méthodologie qui permet de relier la fonction hydrodynamique à la taille de la bulle représentée par le CCC95 (concentration critique de coalescence 95%) et à la structure de la mousse représentée par le HLB (budget hydrophile-lyophile), a été développée. Les résultats montrent que chaque famille de mousse possède une relation CCC95-HLB unique. Des modèles empirique été développés afin de prédire le CCC95 soit à partir du HLB, soit directement à partir des paramètres structurels de la mousse. Les mousses commerciales s'accommodent de ces relations. L'utilisation des systèmes à deux mousses visant un contrôle indépendant des deux mousses, a été testée. Les mélanges d'alcool avec les propylène-glycols (PPG) et les polyéthylène-glycols (PEG) ont été sélectionnés et préalablement mélanges et des additifs de base étaient utilisés. Le système Base/Additif 1-Butanol/PEG (EO>= 4) ont prouvé l'indépendance recherchée à la différence de 1-Butanol/PPG qui a cause une augmentation de la taille de la bulle. Pour expliquer l'effet de la taille, la partition de la mousse a été déterminée. Cela a été réalisé grâce au développement de deux techniques: la chromatographie gazeuse de haute pression (HLPC) et la résonance magnétique (RMN) associée à l'analyse du carbone total (TOC). Les mélanges 1-Butanol/PPG ont révélé une forte partition avec la mousse qui correspond à l'augmentation de la taille de la bulle. Des nouvelles mousses ont été synthétisées afin de tester la relation structure-fonction en combinant trios groupes: linéaire Alkyl-Ethoxy-propoxylates (CnEOPOm) et Alkyl-Propoxy-Ethoxylates (Cn(POnEO). Il a été observé qu'en faisant varier le nombre de PO groupes la longueur de la chaîne du groupe Alkyl et les positions PO et EO peuvent affecter les deux fonctions.

The performance of the Global Environmental Multiscale (GEM) model, Canadian operational numerical model, in reproducing atmospheric low-frequency variability is first evaluated in the context of Northern Hemisphere blocking climatology. The validation is conducted by applying a comprehensive but relatively simple blocking detection algorithm. Comparison to reanalysis reveals that the maximum blocking frequency over the north Atlantic and western Europe is generally underestimated and its peak season is delayed from late winter to spring. This contrasts with the blocking frequency over the north Pacific which is generally overestimated during all seasons. The biases in blocking frequency are found to be largely associated with the biases in climatological background flow. Specifically, modelled stationary wave shows a seasonal delay in zonal wavenumber 1 and an eastward shift in zonal wavenumber 2 components. Next, we extend our methodology to preliminary analyses of Northern Hemisphere blocking climatology from a subset of climate models participating in the Coupled Model Inter-comparison Project phase 5 (CMIP5). Historical integrations reveal that the maximum Euro-Atlantic blocking frequency is generally underestimated during the cold season and that significant overestimation of maximum Pacific blocking frequency occurs throughout the year in some models, as compared to reanalysis. In contrast, RCP8.5 integrations show a weak hint of reduced blocking frequency over the Pacific sector in comparison to historical integrations. However, no significant trend in terms of block duration within the RCP8.5 integrations is found. / Les performances du modele Global Environment Multiscale (GEM), qui est le modele numerique operationel Canadien, a reproduire les variabilites atmospheriques de basse frequence sont evaluees en premier lieu dans le contexte de la climatologie de bloquage atmospherique dans l'hemisphere Nord. Afin de valider le modele, un algorithme de detection de bloquage qui est a la fois comprehensif et relativement simple est applique aux donnees atmospheriques. Les resultats montrent que la frequence maximum de bloquage au dessus de l'Atlantique Nord et l'Europe de l'Ouest est generalement sous-estimee et il y un delai dans la saison d'amplitude maximale puisqu'elle se produit au printemps au lieu de tard en hiver. De plus, la frequence de bloquage est generalement sur-estimee au dessus du Pacifique Nord. Il a ete trouve que les erreurs dans la frequence de bloquage sont grandement associees aux erreurs dans la circulation climatologique de l'atmosphere. En fait, les ondes stationnaires modelisees montrent un delai saisonnier dans le nombre d'onde zonal 1 et un deplacement vers l'Est des composantes du nombre d'onde zonal 2. Ayant confiance en la capacite de notre index pour identifier des bloquages atmospheriques, nous appliquons notre methodologie sur des analyses preliminaires de bloquage climatologique dans l'hemisphere Nord a partir d'un sous-ensemble de modeles climatologiques faisant partie du Coupled Model Inter-Comparison Project Phase 5 (CMIP5). Les integrations historiques revelent que la frequence maximale de bloquage sur l'Euro-Atlantique est generalement sous-estimee durant la saison froide et que la sur-estimation de la frequence maximale de bloguage sur le Pacifique se produit tout au long de l'annee dans certains modeles. En comparaison, les integrations de type RCP8.5 montrent un leger indice d'une reduction de la frequence de bloquage sur le Pacifique meme si aucune tendance significative en terme de duree de bloquage n'a ete trouvee.

Ethiopia's climate variability coupled with the country's heavy reliance on rain-fed agriculture make it vulnerable to the impacts of drought. This vulnerability is evident in the Awash River Basin, where a significant proportion of the population is dependent on international food assistance for survival. Given this vulnerability to drought, effective drought forecasts are an essential tool for effective water resource management as well as mitigation of some of the more adverse consequences of drought. This study forecast the Standard Precipitation Index (SPI) on both short-term and long-term lead times. For short-term forecasts this study computed SPI 1 and SPI 3, short-term drought indicators which represent agricultural drought. For long-term forecasts, SPI 12 and SPI 24 were computed. These two indices are long-term drought indicators which represent hydrological drought conditions.The SPI forecasts were done using five data driven models. Forecasts were compared between two machine learning techniques: artificial neural networks (ANNs) and support vector regression (SVR). The results from these two techniques were compared to a traditional stochastic forecast model, namely an autoregressive integrated moving average (ARIMA) model. In addition, ANN and SVR models were coupled with wavelet analysis (WA) to produce wavelet-neural network (WA-ANN) and wavelet-support vector regression (WA-SVR) models. This study proposed and explored, for the first time, SVR and WA-SVR methods for short term and long term SPI drought forecasting at different lead times.Traditionally, the number of wavelet decompositions of a time series (for forecasting applications) are determined either by trial and error or using the formula L = int[log(N)], with N being the number of samples. This study found that in almost all cases the approximation series after decomposition, and not the detail series, yielded the best forecast results. The decomposition level which had the approximation that yielded the best forecast results was determined to be the appropriate decomposition.With regards to ANN model architecture, traditionally the optimal number of neurons in the hidden layer is either determined using a trial and error procedure, or is determined empirically to be log (N) or 2n+1, where n is the number of input layers. This study combined all these approaches. The empirical methods helped establish upper and lower bounds for the optimal number of neurons within the hidden layer. After an interval was determined, a trial and error procedure was used to determine the optimal number of neurons in the hidden layer.The forecasts in this study were evaluated using a measure of persistence, R2, RMSE, and MAE. The forecast results indicate that WA-ANN and WA-SVR models were the most accurate methods for forecasting the SPI on both short and long-term time scales. / La variabilité du climat de l'Éthiopie combinée à la forte dépendance de ce pays sur l'agriculture dépendant de la pluie le rend vulnérable aux impacts des sécheresses. Cette vulnérabilité est évidente dans le bassin de la rivière Awash, où une grande proportion de la population dépend de l'aide alimentaire internationale pour survivre. Étant donné cette vulnérabilité aux sécheresses, des prévisions efficaces d'inondations sont un outil essentiel pour la gestion efficace de ressources hydriques ainsi que pour mitiger les conséquences les plus graves des sécheresses. Cette étude prévoit l'Indice de Précipitations Standard (IPS) sur des temps de défilement à court et à long terme. Pour les prévisions à court terme, cette étude s'est penchée sur IPS 1 et IPS 3, des indicateurs de sécheresse à court terme qui représentent la sécheresse agricole. Pour les prévisions à long terme, IPS 12 et IPS 24 ont été calculés. Ces deux indices sont des indicateurs de sécheresse à long terme qui représentent des conditions de sécheresse hydrologique.Les prévisions d'IPS ont été effectuées en employant cinq modèles à base de données (data-driven models). Des prévisions ont été comparées entre deux techniques d'apprentissage automatique (machine learning) : les réseaux de neurones artificiels (RNA) et les supports de régression vectorielle (SRV). Les résultats de ces deux techniques ont été comparés à un modèle académique traditionnel de prévision, soit un modèle autorégressif intégré de moyenne mobile (ARIMM). De plus, les modèles RNA et SRV ont été combinés à une analyse d'ondelettes (AO) pour produire des modèles d'ondelettes-réseaux de neurones (AO-RNA) et des modèles d'ondelettes-supports de régression vectorielle (AO-SRV). Cette étude propose et examine, pour la première fois, des méthodes SRV et AO-SRV pour des prévisions de sécheresse IPS à court et long terme à des temps de défilement différents.Traditionnellement, le nombre de décompositions d'ondelettes dans une série temporelle (pour les applications de prévision) sont déterminées soit par essai et erreur ou en utilisant la formule L=int[log(N)], N représentant le nombre d'échantillons. Cette recherche permis de constater que dans presque tous les cas, la série d'approximation après décomposition, et non la série détail, produisait les meilleurs résultats de prévision. Le niveau de décomposition dont l'approximation avait produit les meilleurs résultats prévisionnels a déterminé la décomposition appropriée. Par rapport au modèle d'architecture RNA, traditionnellement, le nombre optimal de neurones dans une couche cachée est obtenu en utilisant une méthode d'essai et erreur, ou alors est fixé empiriquement à log (N) ou 2n+1, où n est le nombre de niveaux de input de données. Cette étude a combiné toutes ces approches. Les méthodes empiriques ont aidé à déterminer les limites supérieures et inférieures pour le nombre optimal de neurones au sein de la couche cachée. Après avoir procédé à la détermination d'un intervalle, l'essai et l'erreur ont été utilisés pour parvenir au nombre optimal de neurones dans un niveau caché.Les prévisions dans cette recherche ont été évaluées selon les mesures de la persistance, du coefficient de détermination (R2), de la déviation de valeur efficace (RMSE), et de l'erreur moyenne absolue (MAE). Les résultats de prévision indiquent que les modèles AO-RNA et AO-SRV étaient les méthodes les plus justes pour prévoir les IPS à des échelles à court comme à long terme.

In this thesis, I examined multiple sulfur isotopes in two different systems: mass dependent fractionation and mass independent fractionation. Mass dependent sulfur isotopes elucidate low-temperature oxidative processes from pyrite nodules within Miocene lake sediments found in the Haughton impact structure on Devon Island, Nunavut. Mass independent samples are investigated for lithological and geographical controls on the pattern of 33S and 36S anomalies in Mesoarchaean samples from Northwestern Ontario. In mass dependent systems, the distribution of isotopes can be predicted based on the differences in mass of the various isotopes. Published studies of abiotic and biotic sulfur oxidation show negligible fractionation between starting sulfide and resulting sulfates. Pyrite nodules are being oxidized in a polar desert environment to a variety of sulfates including gypsum, jarosite, and schwertmannite. Within individual nodules, fractionation between sulfate and sulfide range from -10.1 to +17.9 ‰. In addition, a two-component mixing between pyrite and bedrock sulfates divides the nodules into three types. The first two are explained by conventional oxidation and mixing; however, most samples cannot be described solely through mixing or oxidation. Measuring large fractionations in sulfide oxidation has implications for the study of 'biosignatures' such that an oxidizing environment, for example the surface of Mars, would be incompatible with the preservation of 'biosignatures'. In samples older than approximately 2.45 billion years, mass independent fractionation is observed in rock samples. These anomalous enrichments or depletions in 33S cannot be predicted solely on mass differences; rather they are attributed to photochemical reactions of SO2 in an oxygen poor atmosphere. Within the Mesoarchaean the magnitude of these anomalous 33S measurements are considerably diminished compared to contiguous time periods. Previous work has focused on changes in atmospheric chemistry to explain these minimum values. By looking at samples from Northwestern Ontario, the effect of lithology and geography are tested. In addition, a sulfur isotope database compiles the literature data. The range of multiple sulfur isotope data is extended as compared to the data from South Africa and Australia; however, the magnitude remains small when compared to adjacent time periods. Nevertheless, the isotope systematics of the Mesoarchaean, with this added dataset, follow the Archaean reference array which has previously not been used for the Mesoarchaean samples. Regarding lithology, chemically and biologically precipitated samples show large variation in anomalous 33S whereas clastic rocks remain close to zero. / Cette étude se penche sur le comportement des différents isotopes du soufre dans deux systèmes distincts : le fractionnement dépendant de la masse et le fractionnement indépendant de la masse. Les isotopes du soufre dépendants de la masse élucident les procédés oxydants de basse température dans des nodules de pyrite de sédiments lacustres d'âge Miocène trouvés dans la structure d'impact Haughton sur l'Île Devon. Les échantillons indépendants de la masse ont été étudiés afin d'évaluer les contrôles lithologique et géographique sur les anomalies en 33S et 36S d'échantillons Mésoarchéens du nord-ouest de l'Ontario. Pour les systèmes dépendants de la masse, la distribution des isotopes peut être prédite en fonction des différences de masse des isotopes. Les ouvrages publiés traitant de l'oxydation abiotique et biotique du soufre démontrent un fractionnement négligeable entre les sulfites d'origine et les sulfates résultants. Les nodules de pyrite ont été oxydées dans un environnement polaire désertique pour former différents sulfates, comme le gypse, la jarosite, et la schwertmannite. À l'intérieur des nodules, le fractionnement entre sulfates et sulfites varie de -10.1 à +17.9 ‰. De plus, un mélange à deux composants entre la pyrite et les sulfates du substrat rocheux divise les nodules en trois types. Les deux premiers sont expliqués par des procédés d'oxydation et de mélange conventionnels, bien que la plupart des échantillons ne peuvent être décrits uniquement en termes de mélange ou d'oxydation. La mesure de grands fractionnements associés à l'oxydation des sulfites a des implications pour l'étude de « biosignatures » puisqu'un environnement oxydant, par exemple la surface de Mars, serait incompatible avec la préservation de telles « biosignatures ». Pour les échantillons rocheux vieux de plus de 2.45 milliards d'années, on observe le fractionnement indépendant de la masse. Ces augmentations ou réductions anormales en 33S ne peuvent pas être expliquées seulement par la différence de masse. Celles-ci sont plutôt attribuées aux réactions photochimiques du SO2 dans une atmosphère pauvre en oxygène. Au cours de Mésoarchéen l'ampleur de ces mesures anormales en 33S sont considérablement diminuées en comparaison avec les périodes de temps adjacentes. Les travaux antérieurs se sont concentrés sur les changements de la chimie atmosphérique pour expliquer le minimum. En considérant des échantillons du nord-ouest ontarien, les effets lithologiques et géographiques sont testés. En plus, une base de données des isotopes du soufre compile les données de la littérature. La variation des données sur les multiples isotopes du soufre est étendue en rapport aux données du l'Afrique du Sud et de l'Australie. Par contre, l'amplitude du fractionnement demeure limitée en comparaison aux périodes adjacentes. Toutefois, la systématique isotopique du Mésoarchéen, avec ces données additionnelles, suit les valeurs de référence de l'Archéen alors que celles-ci n'avaient pas été utilisées jusqu'ici pour des échantillons Mésoarchéens. En ce qui concerne les effets lithologiques, les échantillons précipités lors de procédés chimiques et biologiques montrent de grandes variations en 33S anormal alors que les roches clastiques demeurent près de la valeur zéro.

An essential requirement in evaluating the potential impacts of climate warming in Polar Regions, is a greater understanding of the nature and behavior of the active layer and the permafrost system. Numerous studies have documented the inherent capacity of permafrost to limit significant degradation from seasonal thawing because of the ability of overlying soil layers to dissipate influxes of heat. However, information on the degree to which these layers are able to act as buffers to permafrost degradation is limited, and thus further research on this system is needed.The research presented in this thesis in the form of two manuscripts. The first manuscript (Chapter 3) discusses the role of chemical processes in the soil weathering regime on Herschel Island. Three distinct cryostratigraphic layers were observed in the soil profiles, including; (1) the modern active-layer located immediately below the ground surface (0 – 39 cm); (2) a paleo-active (transition layer), extending from the bottom of the modern active layer to the top of an undisturbed permafrost layer (39 – 192 cm); and (3) the underlying permafrost. These layers are marked by two thaw unconformities that separate the modern active layer from the transition layer and the transition layer from the permafrost layer, respectively. The two thaw unconformities were distinguished by abrupt breaks in the cryogenic texture and peaks in the concentrations of several chemical components. The upper thaw unconformity, located at the base of the modern active layer, coincided with a doubling in the concentration of major soluble cations and a tripling in the organic matter content compared to those of the overlying soil horizons. The lower thaw unconformity is marked by the highest concentration of Al2O3 and K2O in the entire profile and the second highest concentration of Na2O. Between these two unconformities, (i.e. in the transition zone), soluble cation concentrations varied considerably, the bulk soil SiO2 concentration increased significantly and there was a noticeable decrease in the concentrations of Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO and K2O in the depth interval of 82-107 cm. Chemical weathering indices recorded an overall decrease in the intensity of chemical weathering with depth; the soil layers immediately above the first thaw unconformity were the most weathered and the deeper permafrost layer was the least weathered.The second manuscript (Chapter 4) employs a heat conduction algorithm (Stefan equation) based on the composition and thermal properties of the soils discussed in Chapter 3, and measured active layer depth values, to evaluate heat transfer from the ground surface to the underlying permafrost. Thermal constants (the square root of the ratio of twice the thermal conductivity of the unfrozen soil to the latent heat of fusion of ice) were calculated using the De Vries method and were compared to empirical thermal constants derived from measurements of active layer depths and the corresponding thawing degree days using the Stefan equation. The theoretical constants are approximately 38% lower than those derived empirically, a difference that is likely due to the fact that the Stefan equation does not consider advective heat transfer and that the active layer depths were probably overestimated because of the method of measurement (resistance to penetration of a metal probe). Third generation Canadian Global Coupled Models (CGCM 3.1/T63) from the Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis (CCCma), based on the IPCC SRES A2 and B1 scenarios, were used in conjunction with the theoretically and empirically derived thermal constants to predict active layer depths for 2050 and 2100. These calculations suggest that the active layer will thicken by up to 41.76 % before the end of this century. This thesis provides new insights into the important role that the active and transition layers play in controlling the response of permafrost systems to climate change. / Une condition essentielle pour évaluer les impacts potentiels du réchauffement climatique dans les régions polaires est l'acquisition d'une meilleure compréhension de la nature et du comportement de la couche active du pergélisol. La recherche présentée dans cette thèse est présentés sous la forme de deux manuscrits. Le premier manuscrit examine le rôle des processus chimiques dans le régime d'altération du sol sur l'île Herschel. Trois couches distinctes cryostratigraphiques ont été observées dans les profils de sol: (1) la couche active moderne située immédiatement sous la surface du sol (0 - 39 cm), (2) la couche paléo-active (couche de transition) s'étendant de la base de la couche moderne active à la partie supérieure de la couche de pergélisol non perturbée (39 - 192 cm) et (3) le pergélisol sous-jacent. Ces couches sont marquées par deux discordances de dégel séparant la couche active moderne de la couche de transition et la couche de transition de la couche de pergélisol, respectivement. Ces deux discordances de dégel ont été identifiées grâce à la présence de ruptures brutales dans la texture cryogénique et par des pics dans la concentration de plusieurs composants chimiques. La discordance de dégel supérieure, située à la base de la couche moderne active, coïncide avec un doublement de la concentration des principaux cations solubles et un triplement de la teneur en matière organique par rapport aux horizons sus-jacents. La discordance de dégel inférieure est marquée par la plus forte concentration en Al2O3 et en K2O de l'ensemble du profil et par la deuxième plus forte concentration en Na2O. Entre ces deux discordances, les concentrations en cations solubles varient considérablement, la concentration en SiO2 du sol brut s'accroit de façon significative et on observe une diminution notable des concentrations en Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO et K2O dans l'intervalle de profondeur de 82-107 cm. Les indices d'altération chimique ont enregistré une diminution globale de l'intensité de l'altération chimique avec la profondeur ; les couches de sol immédiatement au-dessus de la première discordance de dégel sont les plus altérées et la couche profonde du pergélisol est la moins altérée.Le second manuscrit utilise un algorithme de conduction de la chaleur basé sur la composition et les propriétés thermiques des sols examinés au chapitre 3 et sur les mesures des valeurs de profondeur de la couche active afin d'évaluer le transfert de chaleur de la surface du sol au pergélisol sous-jacent. Des constantes thermiques (la racine carrée du rapport entre deux fois la conductivité thermique du sol non gelé et la chaleur latente de fusion de la glace) ont été calculées en utilisant la méthode de De Vries et comparées aux constantes thermiques empiriques issues des mesures de profondeur de la couche active et des degrés-jours de dégel correspondant en utilisant l'équation de Stefan. Les constantes théoriques sont environ 38% inférieures à celles obtenues empiriquement, une différence qui s'explique probablement par le fait que l'équation de Stefan ne considère pas le transfert de chaleur par advection et que les profondeurs de la couche active ont probablement été surestimées en raison de la méthode de mesure (résistance à la pénétration d'une sonde métallique). La troisième génération du modèle couplé climatique global canadien (CGCM 3.1/T63) du Centre canadien de la modélisation et de l'analyse climatique (CCmaC), basée sur les scénarios A2 et B1 du IPCC SRES, a été utilisée en conjonction avec les constantes thermiques théoriques et empiriques pour prédire les profondeurs de la couche active pour 2050 et 2100. Ces calculs suggèrent que la couche active s'épaissira de jusqu'à 41,76% avant la fin du siècle.Ce mémoire apporte un nouvel éclairage sur le rôle important que les couches actives et de transition jouent dans le contrôle de la réponse des systèmes de pergélisol au changement climatique.

The Baffin Island picrites are interpreted to represent primitive magmas (up to ~22 wt % MgO) that are minimally changed since leaving their mantle source and thus provide important insights into our understanding of high-MgO primary magmas and the heterogeneity of their mantle sources. In this study of olivine-hosted melt inclusions, the ratio of potassium to titanium (K/Ti) is used as a probe for the mantle source as both these elements are incompatible in olivine and plagioclase, K/Ti behaves in a similar manner to La/Sm and remains unaffected by crystal fractionation. We define depleted glass compositions (N-type) as those with K/Ti < 0.2 and enriched glass compositions (E-type) as those with K/Ti > 0.2, based on an apparent population minimum in the melt inclusion data set at ~ 0.2. Whereas N-type melt inclusions are hosted dominantly in the higher-Fo content olivines (Fo89 to Fo87), the E-type melt inclusions are mostly found in the lower-Fo content olivines (Fo87-Fo83), suggesting that the E-type component was less magnesian than the N-type. Both E- and N-type melt inclusions and pillow margin glasses are low in volatile contents, indicating that both magmas were significantly degassed upon eruption. Higher overall Cl and F contents in the E-type melt inclusions, however, may indicate that the E-type magmas were slightly less degassed than the N-type. The variation in K/Ti observed in the melt inclusions cannot be successfully modeled by crystal fractionation of olivine and plagioclase, by contamination by continental crust, nor by contamination by hydrothermally altered oceanic crust. Therefore, the E-type and N-type components likely reflect small-scale heterogeneities in the mantle source. The similarity in composition between the melt inclusions and the pillow margin glasses indicates that the melt inclusions were trapped immediately before eruption. Melt inclusions in olivines from the same outcrop have restricted K/Ti ratios (within ~0.1), whereas the two components are both present in single hand specimens and in at least one sample within a single olivine phenocryst. This indicates that the two components were present at least on the scale of tens of centimetres (i.e., hand sample), and implies a fine-scale mixing of the two magmas. We conclude that the E- and N-type magmas were distinct in the mantle and partially homogenized in a shallow-level reservoir of less than 4 kilometers depth. / Les picrites provenant de l'île de Baffin sont considérés comme représentant de magmes primitifs (jusqu'à ~ 22% en poids de MgO) qui auront étés peu changés depuis leur extraits de leur source mantellique et sont au cœur de notre compréhension de magmes primaires contenant haute-MgO et les sources mantelliques hétérogènes. Dans cette étude d'inclusions de fonte de silice piégés en olivine, le rapport du potassium au titane (K/Ti) est utilisé comme analogue d'enrichissement d'éléments de trace car ces deux éléments sont incompatibles en olivine et plagioclase, K/Ti se comporte d'une manière similaire à La/Sm et cette proportion est insensible à la cristallisation d'olivine et plagioclase. Nous considérons des compositions de roche comme appauvri (« N-type ») quand leurs rapports de K/Ti <0,2 et enrichies (« E-type ») quand leurs rapports de K/Ti> 0,2. Cette limite est basée sur une population minimale d'inclusions de fonte apparente ~ 0,2. Alors que les inclusions de fonte N-type sont hébergés dans les olivines avec un contenu de forstérite à partir de Fo89 à Fo87, les inclusions E-type se trouvent principalement dans les olivines moins forstéritiques (Fo87-Fo83) ; cela implique que le composant E-type était moins riche en Mg que le composant N-type. Les deux types d'inclusions vitreuses et les bordures vitreuses des laves cousinées sont faibles en matières volatiles, ce qui indique que les deux magmes étaient significativement dégazé à l'éruption. Cependant, des contenus supérieurs de Cl et F dans les inclusions magmatiques de type E peuvent indiquer que les magmes de type E sont légèrement moins dégazés que type N. La variation de K / Ti observée dans les inclusions vitreuses ne peut pas être modélisé avec succès par la cristallisation fractionnée d'olivine et de plagioclase, ni par la contamination par la croûte continentale, ni par la contamination par la croûte océanique subie d'altération hydrothermale. Par conséquent, probablement que les variations de composition de type E et de type N reflètent des petites hétérogénéités dans la source mantellique. La similitude de composition entre les inclusions vitreuses et les bordures vitreuses des laves cousinées, ainsi que des profils de composition plats dans les olivines hébergeant à la fois des inclusions vitreuses de type E et de type N, indiquent que les inclusions vitreuses ont été piégées immédiatement avant l'éruption. Les inclusions vitreuses provenant des mêmes sites geographiques ont des rapports de K/Ti restreints (~ 0,1), tandis que les deux composants sont présents dans les échantillons à la main et dans au moins un échantillon dans un seul phénocristal d'olivine. Ceci indique que les deux composants sont présents au moins sur l'échelle de quelques dizaines de centimètres (c.-à-échantillons à la main), et que les deux composants étaient présents à petite échelle. Nous concluons que les magmes de type E et type N étaient distincts dans le manteau et partiellement homogénéisé dans un réservoir peu profond, moins de 4 kilomètres de profondeur.

The mechanisms of volcanic eruptions have been studied for many decades, but there are still many unknowns due to our inability to observe the process in-situ. We have used microtomographic imaging of synthetic, volatile-rich volcanic melt foams with numerical simulations in order to investigate the effects that bubble wall thickness distributions have on the critical force per fibre (analogous to strength) of magmatic foams.Synchrotron X-ray microtomography was used to image experimentally produced, hydrous melts as they vesiculated, expanded and ultimately failed. The microtomographic imaging was conducted as the melt was heated to 1200 C in order to image the sample at a resolution of 5.96 um from the beginning of bubble expansion to 18 s of bubble growth. These experiments led to bubble wall thickness data over the lifespan of the foam. These data were then used as the input for computer simulations based on the fibre bundle model (FBM) where the squared widths of the bubble walls become the squared widths (and therefore strengths) of the fibres. The critical force per fibre of all experimental data sets does not change significantly with time. The relatively constant strength together with the insignificant change in the bubble wall thickness distributions with time imply that these magmatic foams have constant strength (the water-poor sample) or are not weakening with time, and if given enough growth time without fragmentation the constant strength could decrease potential volcanic hazards. / Les mécanismes des éruptions volcaniques ont été étudié pendant plusieurs dizaines d'années, mais il y a encore plusieurs inconnus dut au fait que nous ne pouvons pas observer ces processus in-situ. Pour ce projet de recherche nous avons utilisé l'imagerie microtomographique sur des échantillons de vitres volcaniques, riches en volatiles, avec des simulations numériques afin de voir les effets de la distribution des épaisseurs des murs sur la force relative du foam magmatique durant son évolution. La microtomographie a été utilisé pour obtenir des images 2-dimensionnelles pour reconstructions 3-dimensionnelles d'un foam magmatique pendant les 18 premières secondes de son évolution temporel. Les échantillons sont chauffés dans un four à base de laser jusqu'à 1200 C. Nous pouvons prendre des images de résolution près de 5.96 um. Nous avons obtenu des valeurs pour la distribution des épaisseurs des murs et à l'aide de simulations numériques nous avons trouvé que la valeur de force par fibre ne changent quasiment pas dans les deux échantillions. Nous pensons que le peu de chagements dans la force par fibre ainsi que les propriétés de connectivités indiquent que, si un foam peu survivre aux premiers moments chaotiques, il est possible que cela suffit pour diminuer les chances d'éruptions volcaniques dévastatrices.

Volcanic eruptions have large impacts on society. The 2010 eruption at Eyjafjallajökull volcano, Iceland had major consequences for air traffic and industry due to the large amounts of ash produced. This study explores the relationship between magma-water interaction and 3-dimensional (3-D) bubble size distributions in volcanic rocks with the aim of investigating if and how power law exponents in these distributions can be correlated to the degree of explosivity of a volcanic eruption. Results obtained from Eyjafjallajökull were compared to those at Stromboli volcano, Italy, where extensive research has been conducted. Normal strombolian activity reflects power law exponents of approximately 1 whereas more explosive paroxysmal eruptions show power law exponents of approximately 1.5. Power law exponents for natural scoria samples from Eyjafjallajökull are of approximately 0.8, which is more similar to normal strombolian activity than to paroxysmal events. These lower power law exponents are not be attributed to magma-water interaction present during the eruption, because experiments simulating this environment do not show any relation between power law exponents and magma-water interaction. The power law exponents obtained for Eyjafjallajökull are likely a reflection upon the eruption mechanisms at shallow levels, similar to typical strombolian activity. This similarity with strombolian activity suggests that during the time the samples were erupted, Eyjafjallajökull was being constantly fed by new magma that was mixing in with older magma in a shallow chamber. / Les éruptions volcaniques ont un important impact sur la société. L'éruption du volcan Eyjafjallajökull, Islande en 2010 a eu d'énormes conséquences sur l'industrie aérienne, et sur le trafic aérien dû à la quantité de cendres émise par le volcan. Cette étude examine la relation entre l'interaction magma-eau et la distribution tridimensionnelle de la taille des bulles dans les roches volcaniques afin d'investiguer comment et si l'exposant de la loi de puissance peut être corrélé avec le degré d'explosivité de l'éruption volcanique. Les résultats obtenus à Eyjafjallajökull ont été comparés à ceux du volcan Stromboli, Italie qui a été étudié en détail. L'activité strombolienne normale est caractérisée par des exposants de loi de puissance d'environ 1 tandis que les évènements de paroxysmes plus explosives sont représentés par des exposants d'environ 1.5. Les exposants de la loi de puissance des échantillons de scorie naturel d'Eyjafjallajökull sont d'environ 0.8, ce qui est plus semblable à l'activité strombolienne normale qu'aux évènements de paroxysme. Ces exposants peu élevés ne peuvent être attribués à l'interaction magma-eau présente durant l'éruption puisque l'expérimentation simulant l'environnement hydraté ne révèle aucune relation entre les exposants de loi de puissance et l'interaction magma-eau. Les exposants de loi de puissance reflètent sûrement les mécanismes d'éruption à basse profondeur, semblables aux éruptions typiques de Stromboli. La similarité entre les éruptions suggère qu'au moment où que les échantillons ont été produits, Eyjafjallajökull s'alimentait constamment de nouveau magma qui se mélangeait avec le magma plus vieux dans une chambre magmatique peu profonde.