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<p>Alpine glaciers around the world are in retreat and are unlikely to reverse course. This dissertation focuses on improving our understanding of the impact of glacial melt on mountainous alpine groundwater systems. Studies on glacial melt-groundwater interactions have become more prevalent, particularly in the past 5 years, because we are recognizing that the contribution of glacial melt to the hydrologic cycle is not limited to melt-season surficial streamflow. The importance of glacial melt to mountain groundwater systems has the potential to not only influence spring and streamflow generation, but also the longevity of alpine specific, and frequently endangered species, dependent on this source of recharge. This recharge may be vital for human water needs such as potable water, agriculture, and hydrothermal power.</p>The impact that a transition from glacial melt to snow- or rain-dominated streamflow and recharge will have on alpine ecosystems in a continually warming climate is far reaching. This dissertation: 1) tests whether glacial melt is an important source of recharge for mountain springs and their microbial communities, 2) investigates the spatial impact of glacial-melt recharge on residence times and flowpaths that support alpine springs, and 3) explores the impact of post-peak water on alpine baseflow using a statistical, timeseries approach. My results show that the groundwater systems in glaciated mountainous, alpine regions are particularly vulnerable to climate change. Springs in Mount Hood National Forest and Glacier National Park were sampled over a 4-year period, and in addition, publicly available long-term streamflow datasets were are also utilized. The chapters composing this work build upon each other, and compare and contrast the factors most important in glacial melt recharging the mountain-block. Information that is vital to the management of alpine water resources by landowners, watershed groups, scientists, and others interested in mountain groundwater systems in glaciated alpine regions is presented in the following pages.

L'entité formée par les villes de La Paz et El Alto est l'agglomération urbaine la plus importante de la Bolivie. Comme dans toutes les grandes villes, la gestion des ressources en eau représente un défi de taille à relever. Les décisions stratégiques concernant la gestion de l’eau revêtent une importance capitale du fait de l’importance de ces deux villes sur le plan national. De telles décisions doivent être prises en tenant compte d’interactions complexes entre facteurs environnementaux, légaux et sociétaux. Citons notamment, les conditions particulières du milieu telles que la géographie, la dynamique des ressources en eau, l'infrastructure existante et à prévoir, les lois sur la propriété des ressources et surtout l’état des connaissances actuelles et de la recherche sur l'ensemble des variables et des enjeux de la gestion de l’eau.<p><p>Dans cette thèse, nous présentons une analyse des variables et des enjeux de la gestion de l'eau comme un outil utile pour déterminer les bases de l’application de la GIRE (Gestion Intégrée des Ressources en Eau). Cette analyse nous permet à la fois de diminuer les incertitudes qui existent sur chacune de ces variables mais aussi d’établir les relations de dépendance entre elles et de conclure à l’importance relative de chacune de ces variables dans le bilan de l’offre et de la demande en eau. Cette analyse représente également un outil de diagnostic des systèmes en eau existants pouvant être utilisé pour la planification future de la gestion de l’eau.<p><p>En suivant cette démarche, les décisions à prendre sur la gestion de l’eau tant dans le cadre de la planification stratégique que dans celui de l’utilisation quotidienne de l’eau se baseront sur des connaissances approfondies, permettant de diminuer les risques d’erreur.<p><p>Nous présentons comme résultats de cette recherche, plusieurs conclusions concernant les variables telles que les précipitations, la dynamique de l’apport du bassin versant, le rôle des glaciers dans cet apport, la démographie, la consommation en eau, les pertes dans les systèmes ainsi que l’analyse réalisée sur les contraintes qui pèsent sur les futures sources en eau des villes de La Paz et d’El Alto.<p><p>La prise en compte de l’ensemble de ces aspects dans le cadre du bilan de l’offre et de la demande en eau nous apporte comme résultats :l’influence relative de chaque variable, l’analyse et les moments clés de la gestion de l'eau (temps de la gestion) et une proposition pour sa mise en oeuvre. Par l’application des modèles utilisés et des nouvelles méthodes suggérées dans ce travail, nous proposons de nouveaux outils pour la gestion quotidienne de l’eau.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p dir="ltr">Alpine glacier meltwater is an important source of recharge supporting groundwater flow processes in the high mountains. In the face of rapid ice loss, knowledge of response times of mountain aquifers to loss of glacial ice is critical in evaluating the sustainability of alpine water resources for human communities and alpine ecosystems. Glaciers are very sensitive to changes in climate, they advance during periods of global or regional cooling, and they retreat in response to global or regional warming conditions. When the glaciers grow, the equilibrium-line altitude separating the zone of accumulation and zone of ablation on the glacier moves downslope; it moves upslope when they retreat. The latter is not a sustainable condition for the glacier. Previous studies have shown that glacial meltwater is an important source of groundwater recharge. However, we lack fundamental information on the importance of glacial meltwater in mountain groundwater processes such as supporting baseflow generation to alpine streams, perennial flow to alpine springs, and the geochemical evolution of groundwater in mountain aquifers. Thus, continued glacial ice loss may have severe consequences for alpine hydrological and hydrogeological systems.</p><p dir="ltr">Glacier National Park (GNP) and Mount Hood National Forest (MH), both have alpine glaciers. These two study sites show different responses to climate change since their glaciers are in different states of retreat. GNP glaciers are in advanced stages of retreat compared to MH glaciers. Groundwater samples were collected from springs, seasonal snow, glacial ice, and glacial melt (subglacial flow) in GNP and MH. The samples were analyzed for a suite of environmental isotopes and geochemical tracers to address the following questions: 1) How are isotopic fingerprints of glacial meltwater preserved in mountain-block aquifers? What does the isotopic fingerprint of subglacial flow tell us about melting, meltwater processes, and mixing processes? 2) Is the preservation of the isotopic fingerprint of glacial meltwater affected by aspect controls on ice preservation? Aspect is defined as the compass direction of the slope where the glacier is found. 3) What controls groundwater flow and flowpath connectivity from high elevations (near glacier) to lower elevations? What geologic units support groundwater flow to local- and regional-scale springs and flowpath connectivity across spatial scales in each study site?</p><p dir="ltr">The flow of groundwater in mountainous terrain is heavily dependent on the hydraulic properties of the bedrock including presence/absence of dipping layers and structural features, primary and secondary porosity, and presence/absence of ongoing tectonic activity. Strontium isotopes (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr) were used to identify the rock units that host groundwater flowpaths and to quantify flowpath connectivity across spatial scales in both study sites. The ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr data show that flowpaths in GNP are primarily hosted in the Helena Formation and permeable facies in the Snowslip Formation. Groundwater also flows through alluvium and younger bedrock units, and there is some flow along or through the volcanic sill in the Helena Formation. Hydrostratigraphy also affects groundwater flow and the spatial distribution of alpine springs in GNP. At MH, the rock units hosting flowpaths are young reworked volcanic rock units that are Quaternary in age. Flowpaths in MH appear to be connected across spatial scales since warm springs emerging along the lower southern slopes of Mount Hood preserve stable isotopic signatures of glacial meltwater. In comparison, nearly all the sampled springs in GNP emerge on south-facing slopes. This is not an indication of ice preservation, instead it’s controlled by hydrostratigraphy. In fact, it’s unlikely that high-elevation groundwater is strongly connected to low-elevation sites due to hydrostratigraphy. There are more springs on south-facing slopes at MH as well; however, they do not preserve an isotopic signature of recharge from glacial meltwater except for the warm springs. Springs on north-facing slopes in MH, however, do preserve the signature.</p><p dir="ltr">Tritium (³H) and chlorine-36 (³⁶Cl/Cl) were measured to assess how the isotopic fingerprint of glacial meltwater is preserved in mountain aquifers. The ³H activities in spring water are elevated in GNP and it’s difficult to differentiate between modern precipitation and glacial meltwater. Tritium activities are lower in MH, but it’s also difficult to differentiate between potential endmembers. This discrepancy could imply that glacial meltwater doesn’t contribute to groundwater recharge, but this doesn’t support the Bayesian stable isotope mixing model results of an earlier study. Instead, I infer that englacial mixing processes are affecting the isotopic fingerprint of subglacial melt. An englacial mixing model (EMM) was developed to explain how the isotopic fingerprint of subglacial flow (glacial meltwater) changes in relation to the stage of retreat. The stage of retreat is important because it controls the proportion of glacial meltwater to runoff from snowmelt and rain that enters the englacial network from the surface of the glacier. Mixing occurs in the englacial network, and the mixed water is transported to the base of the glacier. Englacial mixing in conduits, fractures, and moulins affects the ³H and ³⁶Cl/Cl fingerprint of subglacial flow and will, in turn, affect the isotopic fingerprint of recharge from glacial meltwater. For this study, the ³H is not robust by itself; however, ³⁶Cl/Cl shows some additional benefits over ³H. The EMM suggests that the impact of englacial mixing and the influence of modern precipitation on the isotopic composition of subglacial flow increases as the glacier retreats in both GNP and MH. This model is novel to the best of our knowledge. Additional testing of the EMM should be prioritized in the near future.</p>

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / La présente thèse porte sur la reconstitution de la déglaciation de la partie sud du haut bassin de la rivière Saint-François et, de façon générale, sur les problèmes de reconstitution du dernier retrait glaciaire dans les Appalaches du Sud du Québec et du Nord de la Nouvelle-Angleterre. Malgré les études déjà effectuées dans cette région depuis plus d'un siècle, le déroulement da dernier retrait glaciaire y demeure encore problématique. En effet, la revue de la littérature montre qu'au moins trois principaux modèles y furent déjà proposés pour expliquer la déglaciation de cette région : (1) le modèle de retrait de l'Inlandsis laurentidien, (2) le modèle de retrait d'une glace laurentidienne ainsi que d'un ou de plusieurs glaciers appalachiens autonomes et (3) le modèle de retrait d'une ou de plusieurs calottes résiduelles détachées de l'Inlandsis laurentidien. Ces différents modèles divergent principalement quant à la provenance, à la taille ainsi qu'à la dynamique du ou des glaciers en cause. Ils furent élaborés à partir d'un faible nombre d'indices relevés dans la région, essentiellement des indices d'écoulement glaciaire, tels que l'orientation de nervures et de striures glaciaires ainsi que la répartition d'indicateurs lithologiques. Or, ces indices ont également enregistré des événements glaciaires plus anciens, puisqu'ils ont déjà permis de retracer une séquence contenant jusqu'à sept phases d'écoulement glaciaire pour la fin du Quaternaire, dans les Appalaches du Sud du Québec. Au contraire, dans cette thèse, nous utilisons une approche basée sur une interprétation du mode de mise en place de modelés tardiglaciaires relevés dans une région stratégique, plutôt que sur le seul sens des derniers écoulements glaciaires. Bien qu'ils aient été moins utilisés dans l'élaboration des différents modèles de déglaciation déjà proposés, les formes et les dépôts tardiglaciaires sont aussi des indices du dernier retrait glaciaire. Une reconstitution de leur environnement de mise en place devrait donc nous permettre de reconstituer des éléments principaux servant à élaborer un modèle de déglaciation, à savoir : (1) les lacs tardiglaciaircs et le drainage des eaux de fonte, (2) les principales positions bordières et (3) le sens des derniers mouvements glaciaires. Or, les modèles de retrait antérieurs ne rendent pas compte de l'existence possible de lacs proglaciaires dont la reconstitution n'a pas encore été faite, sauf seulement pour les niveaux les plus marqués dans le paysage, et ce malgré l'important modelé glaciolacustre qui est relevé dans la région. Un des éléments majeurs de cette thèse est justement la reconstitution des nombreux lacs proglaciaires et résiduels, y compris ceux ayant une faible dimension. L'évolution des niveaux glaciolacustres qui leur sont associés sert ensuite de repère chronologique pour délimiter les principales positions bordières qui sont établies à partir non seulement des moraines de retrait, mais aussi de toutes les formes juxtaglaciaires où la position de la glace peut être définie. Finalement, les derniers mouvements glaciaires ont été déterminés à partir de plusieurs indices d'écoulement glaciaire, mais ils ont ensuite été validés avec des indicés donnant le sens du retrait glaciaire. Une fois reconstitués les lacs tardiglaciaires, délimitées les principales positions bordières et déterminés les derniers mouvements glaciaires, il est ensuite possible d'établir une séquence chronologique des principales étapes de la déglaciation de la région étudiée, avant d'élaborer un modèle de déglaciation pour la région étudiée. Celui-ci repose sur le retrait d'un inlandsis laurentidien dont la glace aurait continué d'être active, même lorsque la bordure glaciaire reculait. Toutefois, en se retirant, cet inlandsis aurait également abandonné de petits culots glaciaires résiduels au cours de l'émergence de limites d'interfluve, comme les montagnes Frontalières. Nous avons aussi pu établir que la bordure de l'Inlandsis avait un tracé assez rectiligne, sauf dans les zones où le relief possède un fort dénivelé, et qu'elle s'est retirée principalement vers le nord-ouest. Ce retrait effectué dans le sens de la pente régionale serait aussi responsable de l'endiguement des eaux de fonte dans les vallées et de leur évacuation vers le sud puis le sud-ouest, en direction du Nord de la Nouvelle-Angleterre. Le modèle de déglaciation élaboré dans cette thèse est enfin comparé avec les autres modèles les plus récents issus de la littérature. C'est le modèle de retrait d'un inlandsis laurentidien qui s'accorde le plus avec nos conclusions, malgré qu'il ne tient toutefois pas compte des traces de stagnation glaciaire observées sur l'adret des interfluves. Par contre, les autres modèles évalués, dont le plus récent basé sur le retrait de vastes calottes résiduelles séparées d'un inlandsis laurentidien, n'expliquent pas le déroulement du dernier retrait glaciaire dans la région étudiée, en particulier le recul d'une grande masse glaciaire unique vers le nord-ouest, l'écoulement tardiglaciaire vers le sud-est, le tracé plutôt rectiligne des positions bordières, l'existence et révolution des paléolacs proglaciaires ainsi que le drainage des eaux de fonte vers la Nouvelle-Angleterre. D'ailleurs, ce sens du drainage proglaciaire implique également l'absence d'une importante masse glaciaire, qu'elle soit résiduelle ou bien autonome, qui serait centrée dans le Nord de la Nouvelle-Angleterre, juste au sud de la région étudiée.

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / U/Pb and (U-Th)/He (ZHe) dating of detrital zircons from glacial till samples in the Ross Embayment, Antarctica records cooling after the Ross/Pan-African orogeny (450-625 Ma) followed by a mid-Jurassic to mid-Cretaceous heating event in the Beacon basin. Zircons were extracted from till samples from heads of major outlet glaciers in East Antarctica, one sample at the mouth of Scott Glacier, and from beneath three West Antarctic ice streams. The Ross/Pan-African U/Pb population is ubiquitous in these Antarctic tills and many Beacon Supergroup sandstones, thus 83 grains were analyzed for ZHe to subdivide this population. Two ZHe age populations are evident in East Antarctic tills, with 64% of grains 115-200 Ma and 35% between 200-650 Ma. The older population is interpreted to be associated with the Ross/Pan-African orogeny including cooling of the Granite Harbour Intrusives and/or exhumation of the older basement rocks to form the Kukri Peneplain. The lag time between zircon U/Pb, ZHe and 40Ar/39Ar ages from K-bearing minerals show cooling over 200 My. Grains in East Antarctic tills with a ZHe age of 115-200 Ma likely reflects regional heating following the breakup of Gondwana from the Ferrar dolerite intrusions, subsidence within the rift basin, and a higher geothermal gradient. Subsequent cooling and/or exhumation of the Transantarctic Mountains brought grains below the closure temperature over a span of 80 My. This population may also provide a Beacon Supergroup signature as most of the tills with this age are adjacent to nunataks mapped as Beacon Supergroup and contain an abundance of vi Beacon pebbles within the moraine. Nine zircons grains from three Beacon Supergroup sandstones collected from moraines across the Transantarctic Mountains yield ages from 125-180 Ma. West Antarctic tills contain a range of ZHe ages from 75-450 Ma reflecting the diverse provenance of basin fill from East Antarctica and Marie Byrd Land. ZHe and U/Pb ages <105 Ma appear to be distinctive of West Antarctic tills. The combination of U/Pb, ZHe and 40Ar/39Ar analyses demonstrates that these techniques can be used to better constrain the tectonic evolution and cooling of the inaccessible subglacial source terrains beneath the Antarctic Ice Sheet.