Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2014-2015 / Six places-échantillons représentatives de la séquence temporelle écologique associée à la dégradation du pergélisol ont été sélectionnées sur un plateau silteux à pergélisol riche en glace à proximité d'Umiujaq, au Nunavik. Le présent travail a pour objectif de déterminer les changements qui se produisent dans les flux de chaleur entre les trois niveaux de l'écosystème (végétation / couverture de neige, couche active, pergélisol) ainsi que les rétroactions qui surviennent lors de la dégradation du pergélisol et à quantifier la vitesse de la transition à partir de photographies aériennes et la dendrochronologie. Pour répondre aux objectifs, la méthodologie utilisée suit le protocole du programme Adaptation et Dévelopement de l’Arctique sur le Pergélisol en Transition (ADAPT), intégrant l’analyse de données écologiques, climatiques, stratigraphiques et thermiques. Les résultats obtenus illustrent une évolution exponentielle des facteurs de dégradation du pergélisol sur une période estimée à environ 90 ans; lent durant les 60 premières années, et significativement plus rapide durant les 30 dernières années. / Six plots, representative of the regional ecological time sequence associated with permafrost degradation, were selected on a silty ice-rich permafrost plateau near Umiujaq, Nunavik. The objective of the present work is to determine the changes that occur in the flow of energy between the three layers of the ecosystem (vegetation / snow cover, active layer, permafrost) and the feedbacks that occur during the degradation of permafrost and to quantify the rate of the transition using time-lapse aerial photographs and tree ring analysis. In order to respond to these objectives, the methodology follows the ADAPT (Arctic Development and Adaptation on Permafrost in Transition) protocol, including ecological, climate, stratigraphic and thermal data analysis. The results show exponential evolution of permafrost degradation factors over a period of time of about 90 years; slowly during the first 60 years, and significantly faster during the last 30 years.

Afin de déterminer l'impact direct des changements climatiques sur la dynamique des coins de glace et le régime thermique du pergélisol, 16 sites d'échantillonnage dans la vallée de la rivière Narsajuaq (Nunavik, Canada) qui ont fait l'objet d'études substantielles sur les coins de glace en 1989 et 1990 ont été revisités entre 2016 et 2018. Les observations et les mesures démontrent qu'au cours des 25 dernières années, les coins de glace de la vallée de la rivière Narsajuaq ont subi une dégradation sans précédent de leurs excroissances, engendrant un approfondissement généralisé des étages principaux en raison de l'approfondissement de la couche active qui a atteint des profondeurs de 1,2 à 3,4 fois supérieures à celles de 1991. Le régime thermique des quatre principaux types de sols identifiés (organique sableux mince, organique sableux épais, organique épais et sables fluviatiles) dans la vallée a fait l'objet de simulations numériques afin de reproduire les changements de température du pergélisol depuis 1990 et de prévoir les variations de l'épaisseur de la couche active jusqu'en 2100. Au cours des dernières décennies, les coins de glace de tous les types de sol ont été actifs, se fissurant presque tous les ans, excepté en 2010, l'année la plus chaude jamais enregistrée. Pour le reste du 21ième siècle, les simulations prédisent l'arrêt complet de la fissuration du sol entre 2020 et 2095 en fonction du type de sol, des seuils de craquement et des scénarios climatiques choisis. Cependant, en prenant en compte la variabilité interannuelle du climat, il est très probable que plusieurs coins de glace cesseront de fissurer au cours des 20-30 prochaines années. La couche active a atteint une profondeur record en 2010, puis s'est amincie avec le refroidissement récent. Il est attendu qu'elle s'approfondisse suffisamment au cours des prochaines décennies pour causer une dégradation généralisée des coins de glace, ne laissant que des coins de glace fossiles en profondeurs dans le pergélisol d'ici la fin du siècle. Cette thèse propose également une nouvelle approche permettant d'améliorer les estimations des réserves de carbone dans le pergélisol arctique en se basant sur la photo-interprétation de la géologie de surface et des formes de relief ainsi que sur la reconstitution de l'histoire géologique du paysage. Une forte correspondance existe en effet, entre les formes du relief et les formations meubles d'une part et les stocks de carbone sous forme de matière organique dans les sols, d'autre part. / To determine the direct impact of climate change on ice-wedge dynamics and the permafrost thermal regime, 16 study sites in the Narsajuaq river valley (Nunavik, Canada) that were extensively studied for ice wedge between 1989 and 1991 were revisited between 2016 and 2018. Observations and measurements show that over the last 25 years, the ice wedges of the Narsajuaq river valley have experienced an unprecedented degradation of their upgrowth forms, resulting in a generalized deepening of their main stages due to the active layer reaching depths 1.2 to 3.4 times greater than in 1991. The thermal regime of the four main soil types identified (thin sandy peat, thick sandy peat, thick peat, fluvial sands) in the valley was modelled to reproduce permafrost temperature changes since 1990 and predict active layer thickness until 2100. In recent decades, ice wedges of all soil types have been active, cracking almost every year except in 2010, the warmest year on record. For the rest of the 21st century, simulations predict a complete cessation of soil cracking between 2020 and 2095 depending on the soil type, soil cracking threshold and the selected climate scenarios. However, based on the interannual variability of the climate in the region, it is very likely that ice wedges will stop cracking over the next 20-30 years. The active layer reached a record depth in 2010, then moved up with recent cooling. It is expected that the active layer will deepen sufficiently in the next few decades to cause widespread ice-wedge degradation, leaving only fossil ice-wedge roots deep in permafrost by the end of the century. This thesis also suggests a new approach to improve estimates of carbon stocks in Arctic permafrost based on image analysis of surface geology and landforms, as well as on the reconstitution of the geological history of Arctic permafrost landscapes. There is a strong connection between landscape features and surficial geology on the one hand, and carbon stocks as organic matter in soils on the other.

Cette thèse de géomorphologie climatique a pour objectif de caractériser l'étage périglaciaire actuel et passé dans l'ouest des Pyrénées centrales françaises (parc national des Pyrénées). Elle se fonde sur la mise en parallèle des caractéristiques climatiques régionales (cycles gel et dégel dans l'air et dans le sol, quantité et rythmes des précipitations nivales) et des expressions morphologiques de ce climat (sols structurés, formes de solifluxion, formes de reptation du pergélisol). La première partie est ainsi axée sur le climat et sur la délimitation altitudinale des formes de versant considérées. Elle révèle que les expressions périglaciaires régionales s'étagent au sein d'une vaste ceinture située entre 1 900 et 3 200 m, dans laquelle les températures moyennes annuelles de l'air varient entre 5°C et -3°C. Les cycles gel et dégel fluctuent entre 60 et 130 par an et nos modélisations numériques ont établi que l'engel du sol peut dépasser un mètre de profondeur, quelle que soit l'altitude, en l'absence de neige. La deuxième partie traite des variabilités spatiales et paléoenvironnementales de l'étage périglaciaire. Elle montre d'abord, à l'aide d'analyses multivariées, que les étagements de formes varient sur chaque versant selon les contextes locaux (exposition, lithologie, humidité, végétation). Les espaces récemment déglacés sont les plus favorables au développement de formes, en raison de la présence importante de fines et d'humidité. Dans un second temps, elle s'attarde sur l'évolution des paysages périglaciaires depuis le Tardiglaciaire. Les observations de formes héritées et des datations au radiocarbone ont permis de mettre en évidence des phases froides favorables à la morphogenèse périglaciaire (Dryas récent, milieu de l'Holocène, Petit Âge Glaciaire). Enfin, la troisième partie est consacrée à la valorisation et à la diffusion de ces résultats au sein du parc national des Pyrénées. Pour ce faire, nous évaluons 30 géomorphosites situés dans l'étage périglaciaire. Des panneaux didactiques et un site internet ont été conçus afin de proposer au public une vulgarisation des géomorphosites les plus remarquables.

L’hydrologie, la géochimie et la météorologie du petit bassin versant glaciaire à pergélisol continu du glacier Austre Lovén (10 km2, Spitsberg occidental, 79°N) ont été étudiées au cours des trois années hydrologiques 2010, 2011 et 2012 en vue de mieux définir le rôle des eaux souterraines de la nappe supra-pergélisol dans les flux d’eau et de solutés en sortie de bassin.Le travail de thèse a montré que la période d’écoulement survient en moyenne sur une période de 141 jours (σ = 4,5 jours) comprise entre les 9-10 mai et 26-27 octobre. La lame d’eau moyenne est de 0,940 m.a-1 (σ = 0,156 m.a-1) et se répartie à 79 % en eau de fonte (54 % de fonte de neige et de glace sur le glacier, 18 % de neige sur les versants et 7 % de neige dans la zone proglaciaire), 18 % en hauteurs de précipitation efficace et 3 % en décharge sous-glaciaire pérenne. Les incertitudes sur la quantification des composantes de l’écoulement et de la lame d’eau écoulée elle-même ne permettent pas une quantification plus précise des flux en eau de la nappe supra-pergélisol. Cette étude montrerait donc qu’en termes de flux d’eau, la composante d’eau souterraine supra-pergélisol pourrait être négligeable et ne constituer qu’un réservoir de transit de l’eau. En effet, le suivi piézométrique montre que la nappe dégèle et regèle à des profondeurs similaires malgré la présence d’épisodes de recharge. Ces recharges qui surviennent majoritairement au profit d’épisodes pluvieux importants (hauteurs cumulées sur 2 à 8 jours supérieures à 20 mm) se déchargent lentement par une alimentation de la rivière par la nappe. Les suivis thermiques du sous-sol ont enfin permis d’établir que le toit du pergélisol supposé se situe à une profondeur de 2,50 m pour une puissance de nappe pouvant atteindre plus d’1,70 m, soit 70 % de la couche active. Par ailleurs, les données thermiques montrent des températures du sous-sol à moins de 0,5°C de la température de dégel, laissant supposer une dégradation prochaine du pergélisol avec par conséquent un accroissement de l’épaisseur de l’aquifère de la nappe supra-pergélisol (couche active).Les données de géochimie montrent une augmentation de la minéralisation des eaux de surface du bassin par des contributions d’eau souterraine le long des cours d’eau, preuve que les eaux de la nappe supra-pergélisol impactent les flux de solutés aux exutoires. Les analyses en chimie élémentaire (n = 178) conduites sur les différents composants du système hydrologique montrent que les eaux du bassin possèdent un faciès sulfaté-bicarbonaté calcique à bicarbonaté-sulfaté calcique lié à l’altération des carbonates et des sulfures des moraines récentes et dans l’altération d’aluminosilicates dans les moraines plus anciennes. Les données d’isotopie du strontium (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr  ; n = 8) corroborent un apport du calcium dissous par les aluminosilicates de par leur signature radiogénique. Les teneurs en ¹³C du CID des eaux (n = 30) sont cohérentes aussi bien avec un système ouvert sur le CO₂ du sol (à -20 ‰) et le CO₂ atmosphérique (entre -6,5 et -8 ‰) qu’avec un système fermé sur le CO₂ où la signature de δ ¹³C des carbonates marins (à 0 ‰) peut s’imposer par dissolution. Les données d’isotopie de la molécule d’eau (n = 592) ont permis d’identifier les signatures des différentes familles d’eau composant l’hydrosystème et de proposer un modèle de mélange entre 4 pôles expliquant les signatures des eaux aux exutoires du bassin versant : eaux de fonte, précipitations estivales, eaux sous-glaciaires et eaux de la nappe supra-pergélisol. Le couplage entre les teneurs en ¹⁸O et SO²₄⁻ des eaux aux exutoires confirme ce modèle de mélange, le renforçant même en termes de variations temporelles. La mesure de ³H-³He tendrait vers un temps de séjour court tandis que les premières mesures d’activité ¹⁴C (n = 15) sont faibles, renseignant une minéralisation des eaux par un carbone ancien. / The hydrology, geochemistry and meteorology of a small, Arctic glacial watershed under continuous permafrost conditions (Austre Lovén glacier catchment area of 10 km2, western Spitsbergen, 79°N) were studied during the three hydrological years 2010, 2011 and 2012 to better define the role of suprapermafrost groundwater on both water and solute fluxes at basin outlet. The runoff period occurs on average over a 141 days period (σ = 4.5 days) between May 9-10 and October 26-27. The mean total discharge is 0.940 m a-1 (σ = 0.156 m a-1) divided into 79 % of meltwater (54 % of snowmelt and icemelt from the glacier, 18 % of snowmelt from the slopes and 7 % of snowmelt from the proglacial area), 18 % of effective summer precipitation and 3% of perennial subglacial discharge. Uncertainties in quantifying the runoff components and the total discharge itself don’t allow more precise quantification of water fluxes from the suprapermafrost groundwater by water balance. This study would so show that the suprapermafrost groundwater component would be negligible in the water balance and only constitute a transit tank for water. Indeed, the potentiometric level monitoring shows that the water-table thaws and freezes at similar depths despite recharge events occurring during summer. Those recharge events mainly occur in favor of important rain events (cumulative amounts on 2 to 8 days higher that 20 mm). The water-table discharges towards rivers. The monitoring of ground temperature indicates that the frozen ground (supposed permafrost) top is located at a maximum depth of 2.50 m for a groundwater thickness reaching up to 1.70 m, or 70 % of the active layer. Thermal data show ground temperatures between 0 and - 0.5°C, close to thaw temperature, which let suppose a permafrost degradation between 2.50 and 3.40 m deep is about to occur due to climate warming. Consequently, the suprapermafrost groundwater aquifer (active layer) is expected to thicken. Geochemical data show an increase of the basin surface water mineralization by groundwater contribution along the rivers, proof of a suprapermafrost groundwater impact on the solutes fluxes at the outlets. Elementary chemical analyses (n = 178) performed on the different components of the hydrological system show that basin waters have a sulfate-bicarbonate calcium to bicarbonate-sulfate calcium type linked to carbonates dissolution and sulfides (pyrite) oxydation in the recent moraines and to aluminosilicates weathering in older moraines. Strontium isotopic data (87Sr/86Sr; n = 8) are consistent with a contribution in dissolved calcium from aluminosilicates according to their radiogenic signature. The ¹³C contents of water DIC (n = 30) are consistent just as well with a system open on the soil CO₂ (at -20 ‰) and the atmospheric CO₂ (between -6.5 et -8 ‰) than with a system closed on the CO₂ where the δ ¹³C of marine carbonates (at 0 ‰) control the δ ¹³C signature by dissolution. Isotopic data of the water molecule (n = 592) are helpful to separate the signatures of the different water masses of the hydrosystem and to propose a 4 end-members mixing model explaining the river water signature: meltwaters, summer precipitations, subglacial water and suprapermafrost groundwater. The coupling between river water contents in ¹⁸O and SO²₄⁻ confirms this mixing model, even reinforcing it in terms of temporal variations. The unique measurement of ³H-³He tends to a short residence time while the first ¹⁴C activity data (n = 15) are low, giving a water mineralization by an old carbon.

Les changements climatiques en cours affectent particulièrement les écosystèmes des régions nordiques, dont les tourbières situées dans les secteurs à pergélisol continu et discontinu. Dans ce contexte, les modifications des conditions climatiques régionales peuvent perturber l'évolution des écosystèmes tourbeux et indirectement affecter leur bilan en carbone. Comme les changements climatiques actuels sont grandement attribuables aux contenus de l'atmosphère en gaz à effet de serre (GES) tel que le CO2 et le CH4, il devient important de mieux connaître l'influence du climat sur la dynamique des tourbières à pergélisol et sur le bilan de carbone dans ces milieux. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer les effets des changements climatiques sur l'évolution des tourbières des régions à pergélisol discontinu par la reconstitution de la paléohydrologie d'une tourbière à palses du secteur de Kuujjuarapik sur la côte est de la baie d'Hudson. La relation entre les thécamoebiens et les niveaux de nappe phréatique des tourbières a été bien démontrée au cours des dernières années. La première étape pour réaliser ce projet a été de développer une fonction de transfert adaptée aux contextes de développement des tourbières du Québec au moyen de ces organismes afin d'inférer des valeurs d'élévation de la nappe phréatique (NP). Cette fonction de transfert a été construite à partir de thécamoebiens provenant d'échantillons de surface (modernes) de six tourbières ombrotrophes et six rninérotrophes réparties sur l'ensemble du territoire québécois. Ensuite, cet outil a été utilisé pour reconstituer les changements de conditions hydrologiques holocènes, à partir du contenu en thécamoebiens fossiles de deux profils tourbeux provenant d'une tourbière à palses dans la zone de pergélisol discontinu du secteur de Kuujjuarapik. Les résultats des échantillons modernes de thécamoebiens et des tests statistiques ont permis de développer une fonction de transfert pour la reconstitution des niveaux passés de NP des tourbières ombrotrophes et minérotrophes bien adaptée aux différents contextes québécois (Nb.: 86; RMSEP: 4,73 cm ; R2: 0,77). La comparaison des valeurs de NP inférées par cette fonction de transfert à celles d'une autre fonction de transfert nord-américaine déjà existante (Booth, 2008), confirme le potentiel de cet outil pour les recherches portant sur la paléohydrologie des tourbières. Les résultats des analyses stratigraphiques et de thécamoebiens de deux profils de tourbe indiquent un développement et des conditions d'accumulation du carbone distincts entre la zone à palses au centre de la tourbière et la bordure forestière en marge du bassin. Ces différences sont attribuées en partie à l'influence des processus autogènes variables entre ces deux secteurs de la tourbière. Les résultats des conditions hydrologiques du centre de la tourbière présentent plusieurs évènements synchrones avec des épisodes de changement de niveau d'eau de lacs du Québec nordique. Deux phases de développement du pergélisol ont été identifiées entre 1420 - 600 ans étal. BP et entre 440 ans étal. BP et l'actuel. Les résultats montrent aussi l'influence du pergélisol sur les taux d'accumulation en carbone avec des baisses de 11,12 g.m-2.an-1 et 9,23 g.m-2.an-1 lors des épisodes froids. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : tourbière, pergélisol, thécamoebiens, fonction de transfert, Holocène, carbone

Les glaciers rocheux sont l'une des expressions visibles du pergélisol de montagne et sont à ce titre l'objet d'études nombreuses et variées depuis plus de 20 ans. Deux principaux thèmes sont actuellement étudiés par la communauté scientifique : i) mieux appréhender les mouvements qui affectent les glaciers rocheux ainsi que les mécanismes qui les régissent et évaluer l'impact des changements atmosphériques globaux sur ces formes périglaciaires. Dans ces travaux de thèse nous proposons de contribuer au premier de ces deux thèmes de recherche en utilisant un des outils offerts par la télédétection, déjà utilisé dans d'autres pays pour l'étude des glaciers rocheux : l'interférométrie radar différentielle (D-InSAR). L'interférométrie radar différentielle (D-InSAR) est une méthode basée sur la mesure de la différence de phase entre deux images radar qui couvrent la même zone à différents intervalles de temps et depuis des orbites quasi-similaires. Déjà été utilisée dans d'autres domaines, notamment en glaciologie, volcanologie et sismologie, cette technique crée des interférogrammes, cartes de la déformation du sol en deux dimensions dans la ligne de visée du satellite, qui permettent de détecter et de quantifier un déplacement de quelques centimètres survenu au sol entre deux acquisitions radar. Des recherches en Suisse ont également montré que cette technique pouvait être utilisée pour semi-quantifier les mouvements de glaciers rocheux sur de vastes secteurs et parfois les quantifier (sous réserve de respecter certains critères lors de la création et l'analyse des interférogrammes). Dans ce travail de thèse, nous avons acquis des images radar provenant des satellites ERS (datant de 1991 à 1995) et TerraSAR-X (datant de l'été 2012) grâce à l'ESA (agence spatiale européenne) et au DLR (Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt, agence spatiale Allemande) dans le but de créer et d'analyser des interférogrammes dans le secteur des Alpes françaises. Nous nous intéressons principalement à la détection des glaciers rocheux. Les archives des satellites ERS-1 et 2 nous ont permis de travailler à l'échelle de l'ensemble des Alpes françaises avec une résolution moyenne (25m en géométrie sol). Les données provenant de TerraSAR-X (TSX) ont permis des analyses plus fines grâce à une meilleure résolution en géométrie sol (10m). Cependant le secteur d'études s'est restreint à la Haute Maurienne/Haute Tarentaise à cause du coût des données et du temps nécessaire à la création et à l'analyse des interférogrammes. Pour les données ERS, nous avons pris en compte l'ensemble des images disponibles au-dessus des Alpes françaises et choisi celles adaptées pour notre étude. Finalement 9 interférogrammes ont été créés. Pour analyser ces données deux méthodes ont été employées : i) une analyse visuelle par des géomorphologues dans un SIG (aidée par des ortho-images et des données topographiques) ; ii) une évaluation de la pertinence des résultats par l'intermédiaire d'une comparaison entre les résultats D-InSAR et des inventaires de glaciers rocheux existants. Finalement une carte de l'ensemble des glaciers rocheux détectés dans les Alpes françaises a été produite. Les données TSX ont été analysées sensiblement de la même manière. Enfin, une troisième étude s'est concentrée sur le cas peu commun du glacier rocheux « déstabilisé » de Pierre Brune (mouvements > 2m/an). Une reconstitution historique des déplacements a été réalisée à partir d'images optiques d'archive et des données GPS ont été acquises durant l'été 2012 et comparées aux données obtenues par D-InSAR. En nous basant sur ces études aux résolutions d'image et aux échelles spatiales variées, nous proposons une discussion sur la pertinence de l'utilisation de la méthode D-InSAR pour du « monitoring » à moyen et long termes des glaciers rocheux mais également sur les atouts et inconvénients de la méthode. / Rockglaciers are one the visual expressions of mountain permafrost and have been the focus of numerous and various studies in the last two decades. Two main topics are studied by the scientific community: i) better understanding the movements of active rockglaciers and the phenomena that generate those movements; ii) assessing impact of global atmospheric change on these periglacial shapes. Here we propose to contribute to the first topic by using remote sensing method of displacement measurements already used in other countries for rockglaciers studies: Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar (D-InSAR). D-InSAR is a method of measurement based on the phase difference between two radar images, which represent the same area but at different time intervals. The technique generates interferograms, maps of surface deformation in two-dimensions allowing for the detection and quantification (in centimeters) of variations in distance between the target and the radar between two different data acquisitions. Recent research has shown that the InSAR technique can be used to semi-quantify rockglacier deformation (under the assumption that certain conditions are respected with regard to generating and interpreting the interferograms). In the present thesis, ERS radar images (dating from 1991 to 1995) and TerraSAR-X data (dating from summer 2012) were obtained in courtesy of ESA (European Space Agency) and DLR (Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, German Space Agency) with the aim of generating interferograms. We are interested by the detection of rockglacier movements. The ERS archives allowed us to work at French Alps scale with moderate resolution (25m in ground geometry) whereas TerraSAR-X data have better ground resolution (10m) but our analysis are more local (Haute Maurienne/Haute Tarentaise) due to the cost of the data and the time-consuming nature of the analyzes. With ERS, we selected all archives data and chose the more relevant of them. Finally 9 interferograms were generated. To analyse this amount of data two methods were employed: i) a GIS analysis of interferograms by geomorphologists (helped by ortho-images and topographic data), ii) a comparison between interferograms and existing rockglaciers shape inventory to evaluate the quality of the radar detections. At the end of the analysis a map of the French Alps with all detected rockglacier movements was produced. With TerraSAR-X data, the method of analysis was almost the same. Analyzes focused on the Haute Maurienne/Haute Tarentaise massif. A third scale of analysis is focus on Pierre Brune rockglacier which has been detected on ERS interferograms as destabilized rockglaciers (movement > 2 m/year). Further investigations have been carried out on this site (historical movements reconstitution and GPS acquisitions). Based on these studies with different scales and resolutions, we proposed a discussion about suitability of D-InSAR measurements method for long term rockglaciers monitoring as well as drawbacks and benefits of the method.

Pendant la majeure partie du Pléistocène, les régions de la Terre recouvertes de pergélisol ont été des accumulateurs nets de carbone (C) d’origine végétal et transféré au sol. L’accumulation de ce C organique dans les sols de la région de pergélisol circumpolaire nord a conduit à des stocks qui contiennent actuellement une masse C supérieure à celle qui existe dans l'atmosphère par un facteur de plus de deux. Dans le même temps, les rivières du pergélisol arctique rejettent environ 11% du flux d’eau fluvial global dans les océans, et ce dans un océan (l’Arctique) correspondant à 1% du volume d’eau total des océans et une très grande surface ce qui le rend relativement sensible aux afflux de matières dérivées des surfaces terrestres. Ce flux fluvial provient de précipitations sous forme de pluie ou de neige qui, lors du contact initial avec la surface, ont le potentiel immédiat d'interagir avec le C de l'une des deux manières suivantes: d’une part, l'eau qui coule sur des roches carbonatées ou silicatées provoquera une réaction dont le réactif nécessite l'absorption de CO2 atmosphérique, qui est ensuite transporté dans l'eau des rivières. Ce C inorganique issu de l’interaction de l’eau, de l’atmosphère et de la lithosphère représente donc un vecteur de stockage ou de «puits» du C. D’autre part, l’eau qui interagit avec la matière organique présente dans les arbres, la litière ou le sol peut dissoudre le C qu’elle contient et le transférer par les eaux de surface et souterraines dans les rivières. Ce carbone peut ensuite être métabolisée vers l’atmosphère ou exportée dans la mer. Des améliorations récentes dans la compréhension de la dynamique du C terrestre indiquent que ce transfert hydrologique de matière organique représente le devenir dominant du carbone organique, après prise en compte de la respiration des plantes et du sol. Dans le contexte du réchauffement climatique d’origine anthropique amplifié de l'Arctique, l'exposition thermique imposée au stock de pergélisol de C, associé à d'une augmentation des précipitations futures, laisse présager des changements importants dans le cycle du carbone organique et inorganique induit par les flux latéraux. Cependant, la totalité des processus impliqués rend difficile la prévision de ce changement. Partant de ce constat, cette thèse s’appuie sur les avancées antérieures en matière de modélisation du système terrestre pour inclure la production et le transport latéral de carbone organique dissous (COD), de CO2 dérivé de la respiration et d’alcalinité dérivée au sein d’un modèle global de surface terrestre développé précédemment pour résoudre spécifiquement les processus des régions boréales. Al’aide de données de pointe sur le sol, l'eau, la végétation et la climatologie pour forcer les conditions aux limites nous sommes en mesure de reproduire les processus et les flux de transport latéraux existants ainsi que faire des projections futures. Dans cette thèse, nous montrons que les exportations d'alcalinité panarctique et l'absorption du CO2 qui l'accompagne augmentent avec le réchauffement, que les flux de COD diminuent en grande partie à cause des circuits d'écoulement d'eau plus profonds dans le sol et des changements qui en résultent dans les interactions carbone-eau. Enfin, nous observons que la libération de COD dans l’Articque n’est pas linéairement liée à la temperaturre. Par conséquent, la future libération de COD dans l'Arctique peut augmenter ou diminuer avec la température en fonction des modifications de l'état thermique et des trajectoires hydrologiques dans les sols profonds. L'effet net de ces flux sur les océans est de réduire l'acidification future de l'eau de mer d'origine terrestre. Les améliorations futures apportées au modèle pour inclure des représentations du carbone particulaire, de génération de méthane, de COD pyrogénique, de subsidence de glace / surface du sol sont nécessaires pour accroître la rigueur des résultats générés par ce modèle. / For much of the Pleistocene, regions of the Earth underlain by permafrost have been net accumulators of terrestrially-fixed plant carbon (C), known as organic C, to the extent that in the present day the soils of the northern circumpolar permafrost region alone contain a C mass outweighing that which exists in the modern atmosphere by a factor of over two. At the same time, the rivers of the Arctic permafrost region discharge about 11% of the global volumetric river water flux into oceans, doing so into an ocean (the Arctic) with 1% of global ocean water volume and a very high surface area: volume ratio, making it comparatively sensitive to influxes of terrestrially derived matter. This river flux is sourced from precipitation as either rain or snow, which, upon initial contact with the landscape has the immediate potential to interact with C in one of two ways: Water running over carbonate or silicate –bearing rocks will cause a reaction whose reactant requires the uptake of atmospheric CO2, which is subsequently transported in river water. This ‘inorganic’ C derived from interaction of water, atmosphere and lithosphere thus represents a C storage or ‘sink’ vector. In addition, water interacting with organic matter in tree canopies, litter or soil can dissolve C contained therein, and transfer it via surface and subsurface water flows into rivers, whereupon it may either be metabolised to the atmosphere or exported to the sea. Recent improvements in understanding of terrestrial C dynamics indicate that this hydrologic transfer of organic matter represents the dominant fate of organic carbon, after plant and soil respiration are accounted for. In the context of amplified Arctic anthropogenic warming, the thermal exposure imposed on the permafrost C stock with expectations of enhanced future precipitation point toward substantial shifts in the lateral flux-mediated organic and inorganic C cycle. However, the complex totality of the processes involved make prediction of this shift difficult. Addressing this gap in instrumental power and theoretical understanding, this collection of studies builds upon previous advances in earth system modelling to include the production and lateral transport of dissolved organic C (DOC), respiration-derived CO2, and rock-weathering derived alkalinity in a global land surface model previously developed to specifically resolve permafrost-region processes. By subjecting the resulting model to state of the art soil, water, vegetation and climatology datasets, we are able to reproduce existing lateral transport processes and fluxes, and project them into the future. In what follows, we show that while Pan-Arctic alkalinity exports and attendant CO2 uptake increase over the 20th and 21st Centuries under warming, DOC fluxes decline largely as a result of deeper soil water flow-paths and the resulting changes in carbon-water interactions. Rather than displaying a clear continuous (linear or non-linear) temperature sensitivity, future Arctic DOC release can increase or decrease with temperature depending on changes in the thermal state and hydrologic flow paths in the deep soil. The net marine effect of these fluxes is to decrease future terrestrially derived seawater acidification. Future model improvements to include representations of particulate C, methane generation, pyrogenic DOC, peat generation, soil ice/land surface subsidence are required to increase the rigor of the results generated by these models.

La vallée A’ą̈y Chù est située au Sud-Ouest du Yukon dans le Parc National Kluane. Le pergélisol y est isolé et présent sous forme de lithalses, retrouvées dans les milieux humides. La présente étude s’intéresse à ces formes périglaciaires afin de comprendre les conditions et processus de formation et conservation des lithalses. Nous avons effectué huit forages sur deux sites, à l’est et à l’ouest de la vallée. Notre étude cryostratigraphique des lithalses incorpore des analyses sédimentaires, de cryostructure, de contenu en glace, d’ions majeurs et d’isotopes d’eau. Les lithalses se sont développées sous le climat froid du Petit Âge Glaciaire, avec des conditions écosystémiques tel qu’un substrat gélif (silt, sable fin) couplé d’une forte disponibilité en eau. La végétation était composée de mousses, d’herbacées (Carex spp.) et de buissons (Salix spp.), formant un couvert organique poreux et isolant. Le pergélisol était d’une faible épaisseur jusqu’à 2,2 m de profondeur. Sept forages comportaient un talik de 21 à 48 cm d’épaisseur, et débutant dans le premier mètre de sol. Les cryostructures principales étaient lenticulaire et microlenticulaire. Aux sites 1 et 2, le contenu volumétrique en glace moyen était 66,7 % ±9,1 et 63,9 % ±13,7, la glace en excès était responsable jusqu’à 61,3 % et 45,6 % de la hauteur des lithalses. Plusieurs signes de dégradation (talik, ravinement, mares de thermokarst, remparts) indiquent un état mécanique et thermique instable. Une succession d’étés et d’hivers chauds pourraient d’abord faire balancer les lithalses vers un état relique, puis vers un dégel final. / The A’ą̈y Chù valley in southwestern Yukon, Kluane National Park features isolated permafrost occurring in lithalsas formed in wetlands. We investigate these persistent permafrost features to understand the specific conditions and processes that allowed their formation and conservation. We drilled and sampled eight boreholes at two different sites, on the east and west sides of the valley. The lithalsas were studied with a cryostratigraphic approach, with analyses of cryostructure, ice content, sediment characteristics, major ions, and water isotopes. Lithalsas developed during the colder climate of Little Ice Age due to ecosystem conditions that include a frost susceptible substrate composed of silt and fine sand coupled with high water availability. The vegetation cover was mainly moss, herbs (Carex spp.) and shrubs (Salix spp.) which formed a porous insulating cover. The permafrost body was thin with a maximum depth of 2,2 m. Seven boreholes had a talik 21 to 48 cm thick, starting within the first meter of soil. The cryostructures were mainly lenticular and microlenticular. The average volumetric ice content was 66,7 % ±9,1 at Site 1 and 63,9 % ±13,7 at Site 2. The average excess ice content accounts for up to 61,3% and 45,6% of the height of lithalsas, at Site 1 and 2. Many signs of permafrost degradation (talik, gullies, thermokarst ponds, ramparts) indicate an unstable thermal and mechanical state. A succession of warm summers and winters could make the lithalsas balance towards a relic state first then to final thaw.

La planète Mars est pourvue d'un climat glaciaire et d'un pergélisol riche en glace. Le comportement mécanique du pergélisol est affecté par la présence de la glace. L'objectif de cette étude est (1) de mesurer expérimentalement la viscosité de mélanges glace-roche analogues au pergélisol et (2) d'appliquer ces résultats à la rhéologie du pergélisol, la tectonique et la morphologie. Des implications climatiques et tectoniques sont obtenues à partir de l'étude de glaciers rocheux et des rides compressives. Les résultats expérimentaux établissent que le mélange glace-roche se déforme de manière visqueuse pour des proportions de glace en volume, donc des porosités, supérieures à 28%. La déformation est cassante pour des proportions de glace inférieures à 28%. Ainsi, lorsque la porosité du pergélisol est élevée, celui-ci est ductile avec une résistance nettement inférieure aux niveaux fragiles. La profondeur à laquelle la déformation ductile du pergélisol peut s'effectuer est limitée par la porosité. La déformation visqueuse du pergélisol s'observe en surface sous la forme de glaciers rocheux situés dans les régions de latitude 35 à 50° où les températures sont actuellement d'environ -60°C. A partir des données de rhéologie et d'observations morphologiques, nous montrons que ces glaciers rocheux ont pu se former sur des durées de l'ordre du milliard d'années et des températures invariablement froides. Aucun réchauffement climatique important n'a pu survenir au cours de l'évolution récente de la planète, soit depuis environ 2 Ga. Les "rides" martiennes sont des structures compressives interprétées comme des chevauchements enracinés à faible profondeur. A partir d'observations structurales d'une part et des résultats expérimentaux d'autre part, nous montrons (1) que ces structures sont enracinées sur un niveau de décollement à environ 1.5 km de profondeur et (2) que ce niveau correspond à un interface ductile dû à la glace du sous-sol. Enfin nous développons le problème de la nature du champ de compression à l'origine des rides. En utilisant les observations, les méthodes de datation par cratères et les modèles de refroidissement de la planète, nous arrivons à la conclusion que la déformation compressive est générée par la contraction thermique globale de la planète.

L’objectif de ce mémoire est d’acquérir une connaissance détaillée sur l’évolution spatiale de la température de surface du sol (GST) au mont Jacques-Cartier et sur la réponse thermique de son îlot de pergélisol alpin aux changements climatiques passés et futurs. L’étude est basée sur un ensemble de mesures de température (GST, sous-sol) et de neige, ainsi que des modèles spatiaux de distribution potentielle de la GST et des simulations numériques du régime thermique du sol. Les résultats montrent que la distribution de la GST sur le plateau est principalement corrélée avec la répartition du couvert nival. Au-dessus de la limite de la végétation, le plateau est caractérisé par un couvert de neige peu épais et discontinu en hiver en raison de la topographie du site et l’action des forts vents. La GST est alors couplée avec les températures de l’air amenant des conditions froides en surface. Dans les îlots de krummholz et les dépressions topographiques sur les versants SE sous le vent, la neige soufflée du plateau s’accumule en un couvert très épais induisant des conditions de surface beaucoup plus chaude que sur le plateau dû à l’effet isolant de la neige. En raison de la quasi-absence de neige en hiver et de la nature du substrat, la réponse du pergélisol du sommet du mont Jacques-Cartier au signal climatique est très rapide. De 1978 à 2014, la température du sol a augmenté à toutes les profondeurs au niveau du forage suivant la même tendance que les températures de l’air. Si la tendance au réchauffement se poursuit telle que prévue par les simulations climatiques produites par le consortium Ouranos, le pergélisol pourrait disparaître d’ici à 2040-2050. / The objective of the study was to acquire detailed knowledge of the spatial evolution of the ground surface temperature (GST) on Mont Jacques-Cartier and the thermal response of its marginal permafrost body to the past and future climate changes. The study is based on temperature (GST, underground) and snow measurements, and spatial modeling of the potential GST distribution and numerical modeling of the ground thermal regime. The result showed that the spatio-temporal variability of the GST over the summit is mainly correlated with the snowpack distribution. On the wind-exposed plateau, the snowpack is thin and discontinuous. The GST is thus closely connected to the very cold air temperature in winter. In the krummholz patches and in the topographic depression on the leeward slope, drifted snow accumulation is significant leading to surface condition warmer than over the wind-exposed plateau. Because of the near snow-free condition of the plateau summit and the highly conductive nature of its bedrock, the response of the permafrost to the climate signal is rapid. From 1978 to 2014, the ground warmed at all depths. If the recent trend continues as predicted by the climate simulations provided by the Ouranos consortium, the complete disappearance of the permafrost body at Mont Jacques-Cartier could occur around 2040-2050.