Le rôle des formes périglaciaires dans l’hydrologie et l’évolution des pentes d’un désert polaire dans le Haut-Arctique canadien

Le contexte géomorphologique permet d’établir les liens de fonctionnalité d’un paysage avec ses composantes écosystémiques. Dans le cas des paysages périglaciaires, leurs mécanismes d’évolution demeurent peu étudiés, car leur historique de recherche est fortement empreint d’une impression d’exceptionnalité tirant son origine des conditions climatiques extrêmes qu’ils encourent. Il est cependant primordial de pouvoir identifier les mécanismes dominants de flux sédimentaires afin d’établir les liens entre les composantes du système géomorphologique. À l’échelle fondamentale d’une pente, les mécanismes issus du cryo-conditionnement du paysage vont dicter son évolution ainsi que ses fonctions écosystémiques. La thèse étudie ces mécanismes en examinant le rôle que tiennent les formes périglaciaires dans l’établissement d’un réseau de drainage sur une pente d’un désert polaire du Haut-Arctique. Elle cherche surtout à établir les liens entre les processus azonaux fondamentaux de transport sédimentaires par le ruissellement et les conditions dérivées des processus climatiques de redistribution de neige ainsi que de triage et de mouvements de masses associés à la formation des sols triés. Elle y parvient en s’attardant à la morphologie des dépôts de surface (ch. 2) ainsi qu’aux fonctions qu’occupent les patrons de triage face à l’hydrologie (ch. 3), à l’évolution de la pente (ch. 4) et aux impacts sur les conditions limnologiques d’un lac de tête (ch. 5). L’organisation du réseau de drainage est issue de la combinaison des processus de triages ainsi que du pouvoir érosif des écoulements provenant de la fonte des combes à neige. La nature grossière des dépôts de surface permet un écoulement dans les vides entre les particules, formant un réseau de drainage souterrain possédant une conductivité hydraulique relativement élevée. Ce réseau d’écoulement préférentiel est efficace afin d’évacuer les eaux de fonte de la neige, ce qui réduit la durée de leur interaction avec les sols se trouvant hors des zones d’écoulement préférentiels. Les eaux émergent en bas de pente, transportant parfois avec elles des sédiments en suspension dont les concentrations sont limitées par leur disponibilité. Ces concentrations demeurent comparables aux concentrations publiées pour les eaux de surface ailleurs dans l’Arctique. Le travail principal de dénudation de la pente s’effectue par le transport en solution, qui excède jusqu’à un ordre de grandeur les transports en suspension. Le ruissellement contribue à l’apport de chaleur au lac de tête qu’il nourrit, et la pente possédant cet écoulement préférentiel est le premier secteur de dégel du couvert de glace de lac, contribuant à sa disparition totale aux étés 2011 et 2012. Le réseau de drainage réagit également à la dégradation du pergélisol, transportant des eaux d’une salinité élevée. Ces apports de chaleur et de sels dissous ont le potentiel d’influencer les conditions limnologiques du littoral. La thèse souligne ainsi l’importance des processus azonaux dans l’établissement du modelé d’une région dominée par le gel. Elle démontre que l’évolution d’une pente en désert polaire s’est effectuée à travers la relation entre les processus périglaciaires de triages et le ruissellement, et que cette relation exerce un certain contrôle pour l’écosystème du lac de tête en aval. Geomorphology exerts a fundamental control on ecosystems. In the case of periglacial landscapes, the mechanisms by which they evolve are not clearly defined, as research on the subject has often been excessively focused on the expressions of freeze-thaw processes as climatic control over landform development. It is however essential to identify and clarify what are the fundamental dynamics of sediment transport in periglacial regions to understand the evolution and the functions of these landscapes. At the scale of a unit slope, the mechanisms originating from cryo-conditioning are the main drivers of evolution. These include the effects of freeze-thaw processes on surface deposits and the production of large, periodic water supplies by snow redistribution and snowmelt. This thesis investigates the role played by periglacial landforms in the establishment of drainage pathways on a High Arctic polar desert landscape. It aims at establishing links between the azonal processes of runoff generation and sediment transport, and the climate-dependant processes of sorting and mass movement associated with the formation of patterned ground. It achieves this objective by focussing on surface deposit morphology (ch. 2), on the hydrological functions those patterned ground possess (ch. 3), on sediment transport on the slope (ch. 4) and on the impacts of those flowpaths on limnological conditions in a downstream headwater lake (ch. 5). The organisation of the drainage pathways is dependant upon the combination of sorting processes with erosion from snowmelt of large snowdrifts. The coarse nature of the reworked glacial drift and gelifracted slope deposits allowed water to move through the large voids between the particles, creating underground flow pathways of a relatively high hydraulic conductivity. These networks of preferential flow pathways similar to water tracks were efficient at transporting snowmelt, preventing the interaction of water with the rest of the soil outside of the flow paths. Some of the seeping water sources downslope from the snowdrifts yielded amounts of suspended sediments of similar amplitudes as other surface flow pathways in the Arctic. Solute transport was however the main driver of denudation, with concentrations exceeding suspended sediments by up to an order of magnitude. The presence of these flow paths influenced the timing of ice melting on the lake, contributing to the novel disappearance of perennial ice on the donwstream lake in 2011 and 2012. In addition, these flowpaths reacted to the degradation of the transient layer of permafrost in 2014, releasing solute rich waters in the soils and into the downstream lake. Further degradation of permafrost is expected to increase inputs of salt-rich waters to the littoral zone. The thesis effectively exemplifies how the evolution of a polar desert slope under severe periglacial conditions can be dependant upon the relation between sorting and water flow. This underlines the relevance of azonal processes for the geomorphology of a frost-dominated region, but maintains the importance of the periglacial control on soil morphology exerted by freeze-thaw processes.

Keyphrases: Dénudation du paysage, Écoulement préférentiel, Érosion, Évolution de pente, Géomorphologie, Hydrologie périglaciaire, Limnologie, Sols triés, Ward Hunt, Geomorphology, Limnology, Patterned ground, Periglacial hydrology, Periglacial slope, Polar desert, Preferential flow, Sediment transport, Water tracks