GEO1112 Géomorphologie périglaciaire, Automne 2024, UdeM PDF

Action du froid : Géomorphologie périglaciaire GEO1112 Département de géographie, Faculté des Arts et des Sciences Automne 2024 – Gautier Davesne  INTRODUCTION Définition de la géomorphologie périglaciaire: PERI GLAC...

Action du froid : Géomorphologie périglaciaire GEO1112 Département de géographie, Faculté des Arts et des Sciences Automne 2024 – Gautier Davesne  INTRODUCTION Définition de la géomorphologie périglaciaire: PERI GLACIAIRE Action du froid qui opère en périphérie des Inlandsis lors de la dernière grande glaciation Processus et formes liées à la présence de cycles de gel/dégel intenses et du pergélisol dans les zones non-englacées (French, 1987) Géomorphologie périglaciaire vs Étude des zones de climat froid dans lesquels le gel saisonnier et Géomorphologie des régions froides permanent, la neige et les processus azonaux sont présent de manière plus ou moins importante (French et Thorn, 2006). INTRODUCTION Les éléments fondamentaux du géosystème périglaciaire  Interface complexe entre la lithosphère (sol gelé), l’atmosphère (température, précipitation) et hydrosphère (eau gelée).  Contrôle majeur du gel et des cycles de gel/dégel.  Présence de pergélisol.  Environnements non recouverts de glacier. DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères (désert polaire) DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères (désert polaire; toundra) DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères (désert polaire; toundra; taïga) DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères (taïga, toundra, désert polaire) zones de haute altitude (notamment le plateau tibétain) DISTRIBUTION GÉOGRAPHIQUE Où retrouve-t-on des environnements périglaciaires: zones des hautes latitudes des deux hémisphères (taïga, toundra, désert polaire) zones de haute altitude (notamment le plateau tibétain) 1. PERGÉLISOL Définition : sol ou roc gelé en permanence sur une épaisseur variable et qui ne dégèle pas pendant au moins une année entière. Phénomène purement thermique (=état thermique du sol); pas nécessairement de glace. 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Le sommet du pergélisol (appelé toit du pergélisol) est surmonté d’un horizon affecté par un dégel estival limité – la couche active 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Couche active (Active Layer) : couche de sol qui gèle et dégèle annuellement au dessus du pergélisol  Épaisseur jusqu’à 5-6 m dans les sédiments, davantage dans le roc (> 10m) et variable selon le climat.  Variabilité interannuelle 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Couche active (Active Layer) : couche de sol qui gèle et dégèle annuellement au dessus du pergélisol  Épaisseur jusqu’à 5-6 m dans les sédiments, davantage dans le roc (> 10m) et variable selon le climat.  Variabilité interannuelle Chuanhua et al., 2022 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Le sommet du pergélisol (appelé toit du pergélisol) est surmonté d’un horizon affecté par un dégel estival limité – la couche active Pergélisol = sol gelé en permanence Peu inclure des zones non gelées (=talik) 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Le sommet du pergélisol (appelé toit du pergélisol) est surmonté d’un horizon affecté par un dégel estival limité – la couche active Pergélisol = sol gelé en permanence Peu inclure des zones non gelées (=talik) Base du pergélisol à une profondeur de quelques dizaines à quelques centaines de mètres 1. PERGÉLISOL A) Structure verticale du pergélisol Le sommet du pergélisol (appelé toit du pergélisol) est surmonté d’un horizon affecté par un dégel estival limité – la couche active Pergélisol = sol gelé en permanence Peu inclure des zones non gelées (=talik) Base du pergélisol à une profondeur de quelques dizaines à quelques centaines de mètres Contrôlé par le régime thermique du sol 1. PERGÉLISOL  Contrôlé par les apports de chaleur depuis la surface → Température B) Régime thermique du pergélisol moyenne annuelle de surface du sol (MAGST) 1. PERGÉLISOL  Contrôlé par les apports de chaleur depuis la surface → Température B) Régime thermique du pergélisol moyenne annuelle de surface du sol (MAGST)  ET les apports de chaleur venant des profondeurs liés aux flux géothermiques. 1. PERGÉLISOL  Contrôlé par les apports de chaleur depuis la surface → Température B) Régime thermique du pergélisol moyenne annuelle de surface du sol (MAGST)  ET les apports de chaleur venant des profondeurs liés aux flux géothermiques.  Transferts de chaleur → conduction principalement et par advection 1. PERGÉLISOL  Contrôlé par les apports de chaleur depuis la surface → Température B) Régime thermique du pergélisol moyenne annuelle de surface du sol (MAGST)  ET les apports de chaleur venant des profondeurs liés aux flux géothermiques.  Transferts de chaleur → conduction principalement et par advection Chaleur transmise par conduction dépend des propriétés thermiques du sol: - Conductivité thermique = mesure le taux de transfert de chaleur (W/m ºC) 1. PERGÉLISOL B) Régime thermique du pergélisol Régime thermique au Mont Jacques-Cartier Gray, Davesne, Fortier (2015) - Pénétration en profondeur des variations saisonnières (ondes chaude et ondes froide) - Décalage temporel en profondeur des pics thermiques 1. PERGÉLISOL B) Régime thermique du pergélisol sédiments roc 1. PERGÉLISOL C) Distribution spatiale du pergélisol 25 % des terres émergées de la planète, abritant environ 9 millions de personnes! Région où la température moyenne annuelle est inférieure à 0ºC. 1. PERGÉLISOL C) Distribution spatiale du pergélisol Distribution surtout contrôlée par le climat Pergélisol continu (>90% de la surface du territoire) Pergélisol discontinu (10-90%, isotherme -7ºC) Pergélisol sporadique (< 10%, isotherme -1ºC) https://www.coolgeography.co.uk/Alevel/AQA/Year%2012/Cold%20environs/Periglaciation/Periglacial%20processes.htm 1. PERGÉLISOL C) Distribution spatiale du pergélisol Distribution à l’échelle du Canada https://canadianpermafrostassociation.ca/What-is-Permafrost.htm 1. PERGÉLISOL C) Distribution spatiale du pergélisol Distribution à l’échelle du Québec 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle régionale Climat (surtout température) Géologie structurale 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Exposition aux rayonnements solaires 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Exposition aux rayonnements solaires 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Épaisseur de neige 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Épaisseur de neige Davesne, Fortier et al. (2017) 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Nature du sol 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Végétation 1. PERGÉLISOL C) Facteurs de contrôle de la distribution spatiale du pergélisol - Échelle locale Hydrologie de surface 2. TYPE DE PERGÉLISOL Différentes classifications: 2. TYPE DE PERGÉLISOL Différentes classifications: 1. Proportion du territoire concerné → pergélisol continu, discontinu, sporadique Pergélisol continu (>90% de la surface du territoire) Pergélisol discontinu (10-90%, isotherme -7ºC) Pergélisol sporadique (< 10%, isotherme -1ºC) 2. TYPE DE PERGÉLISOL Différentes classifications: 1. Proportion du territoire concerné → pergélisol continu, discontinu, sporadique 2. Type de territoire concerné → pergélisol des hautes latitudes vs pergélisol alpin Pergélisol sous-marin Sayedi, S. S., Abbott, B. W., Thornton, B. F., Frederick, J. M., Vonk, J. E., Overduin, P.,... & Frei, R. J. (2020). Subsea permafrost carbon stocks and climate change sensitivity estimated by expert assessment. Environmental Research Letters, 15(12), 124075. 2. TYPE DE PERGÉLISOL Différentes classifications: 1. Proportion du territoire concerné → pergélisol continu, discontinu, sporadique 2. Type de territoire concerné → pergélisol des hautes latitudes vs pergélisol alpin 3. Formation → pergélisol syngénétique vs épigénétique Pergélisol syngénétique = se forme lorsque des sédiments alluviaux, éoliens et/ou colluviaux s'accumulent sur le pergélisol et entraine une remontée du toit de celui-ci. Pergélisol épigénétique = gel de dépôts de sédiments ou d'autres matériaux terrestres déposés antérieurement (ex. refroidissement climatique) 2. TYPE DE PERGÉLISOL Différentes classifications: 1. Proportion du territoire concerné → pergélisol continu, discontinu, sporadique 2. Type de territoire concerné → pergélisol des hautes latitudes vs pergélisol alpin 3. Formation → pergélisol syngénétique vs épigénétique 4. Teneur en glace → pergélisol riche en glace vs pergélisol pauvre en glace Cryostructures Interstitielle Organique Lenticulaire Veines Réticulée Suspendue Glace massive 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES Cycle gel/dégel = « moteur » de l'activité périglaciaire - Gel de l’eau → +9% de volume (cycle soulèvement gélival/tassement) - Dilatation/contraction des sol Disponibilité en eau - Écoulement de surface - Eau interstitielle Nature du sol - Porosité - Granulométrie 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Gélifraction 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Gélifraction Champs de bloc (felsenmeer) Igloolik, Nunavut Mont Jacques-Cartier, Qc 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Triage des sols Les cercles et polygones triés (sorted polygons, sorted circles). Ils se Cycle gel/dégel forment sur des replats. Le triage résulte des cycles de gel-dégel (conductivité thermique différentielle des matériaux) et du tassement Gel: soulèvement gélival différentiel du matériel dégelé (mouvement convectif). Dégel: tassement au dégel Burn et Lewkowicz, 2022 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Triage des sols Les cercles et polygones triés (sorted polygons, sorted circles). Ils se Cycle gel/dégel forment sur des replats. Le triage résulte des cycles de gel-dégel (conductivité thermique différentielle des matériaux) et du tassement Gel: soulèvement gélival différentiel du matériel dégelé (mouvement convectif). Dégel: tassement au dégel 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Triage des sols Sur les versants >5° le processus de triage des matériaux et l’effet de la gravité entraînent la formation de bande striées Cycle gel/dégel (sorted stripes). Gel: soulèvement gélival Dégel: tassement au dégel 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Fissuration thermique du sol (sédiments fins) Ouverture d’une fissure Cycle gel/dégel Gel: contraction Formation de coins de glace Dégel: dilatation 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Fissuration thermique du sol (sédiments fins) Cycle gel/dégel Gel: contraction Formation de coins de glace Dégel: dilatation 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Fissuration thermique du sol (sédiments fins) Cycle gel/dégel Gel: contraction Formation de coins de glace Dégel: dilatation On retrouve les polygones à coins de glace surtout dans les régions de pergélisol continu. Les polygones sont plus abondants dans les régions où la TAAM = < - 6 à - 8 C. On retrouve généralement les polygones sur des surfaces à faible pente mais dans certains cas, ils sont également présents dans les bas de versants. 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Ségrégation de la glace dans le sol et soulèvement gélival Processus: ségrégation de la glace par migration de l’eau interstitielle vers le front de gel (cryosuccion). Entraîne un soulèvement gélival Les formes qui en résultent : Les palses Cryosuccion: lorsqu’un sol est en train de geler, l’eau interstitielle des terrains avoisinants non-gelés (par ex. d’une nappe phréatique) va être aspirée vers les cristaux de glace en voie de croissance. 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Ségrégation de la glace dans le sol Palses: formes de 1 à 3 m de hauteur, composées d'une couche de tourbe et d'un cœur minéral de sable fin et de limon stratifié Les palses: contenant de la glace de ségrégation 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Croissance d’une lentille de glace massive par injection Processus: Mise sous pression de l’eau (pression hydraulique) lorsque le front de gel pénètre dans un sol saturé. Lorsque la pression hydrostatique de l'eau dépasse la pression de la couche supérieure, le sol sus-jacent est soulevé. Les formes qui en résultent : Les pingos 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Croissance d’une lentille de glace massive par injection Processus: Mise sous pression de l’eau (pression hydraulique) lorsque le front de gel pénètre dans un sol saturé. Lorsque la pression hydrostatique de l'eau dépasse la pression de la couche supérieure, le sol sus-jacent est soulevé. Les formes qui en résultent : Les pingos Pingos = collines au noyau de glace qui se forment après la vidange d’un lac lorsque les sédiments saturés d’eau du fond commence à geler. Au fur et à mesure qu’elle gèle, l’eau contenue dans les sédiments prend de l’expansion, ce qui pousse l’excès d’eau vers le centre du lit de lac (augmentation de la pression hydraulique). L’eau sous pression et le gel de celle-ci soulève la mince couche de sol au-dessus. Le pingo continue de grossir jusqu’à ce que son noyau soit complètement formé de glace  3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Fluage lent des sols cryogéniques Glacier rocheux Glacier rocheux = un amas de blocs sursaturé en glace qui se déplace lentement vers l'aval. 3. PROCESSUS ET FORMES PERIGLACIAIRES  Fluage lent des sols cryogéniques Gélifluxion Gélifluxion = fluage d’un matériel devenu plastique sous l’effet de la fonte d’un sol gelé et/ou de l’infiltration d’eau provenant de la fonte neige ou de la pluie 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES Facteurs climatiques importants: Évolution de la température Évolution de l’enneigement Date d’arrivée et de fonte de la neige Anomalie annuelle dans la durée de l'enneigement (jour /année) Évolution de la température de l’air sur la période 1960-2010 pour la zone arctique Dégradation du pergélisol 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES Facteurs climatiques importants: Évolution de la température Évolution de l’enneigement Date d’arrivée et de fonte de la neige Amplification polaire Réchauffement du pergélisol https://www.ouranos.ca/fr/phenomenes-climatiques/degel-pergelisol-impacts Biskaborn et al. 2019 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES Dégradation du pergélisol: 1. Réchauffement de la surface du sol 2. Approfondissement de la couche active 3. Formation d’un talik 4. Disparition du pergélisol talik 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES Dégradation du pergélisol: 1. Réchauffement de la surface du sol 2. Approfondissement de la couche active 3. Formation d’un talik 4. Disparition du pergélisol Changements dans la répartition du pergélisol prévus entre 2081-2090 et 2006-2015 par les simulations de projections futures. Yokohata et al., 2020 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES La fonte de la glace du pergélisol entraîne plusieurs formes de dégradation du milieu naturel et a une incidence majeure sur la dynamique des biogéosystèmes et sur la performance et la durée de vie des infrastructures construites sur pergélisol. Effets:  Lac de thermokarst La chaleur transmise par l’eau d’un lac thermokarstique entraîne la formation d’une zone non-gelée (talik) sous le bassin du lac. 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES La fonte de la glace du pergélisol entraîne plusieurs formes de dégradation du milieu naturel et a une incidence majeure sur la dynamique des biogéosystèmes et sur la performance et la durée de vie des infrastructures construites sur pergélisol. Effets:  Thermo-érosion Sur le littoral: Érosion côtière par l’action des vagues et de la dérive littorale sur le pergélisol (thermo-abrasion, thermo-érosion, effondrements) Cunliffe et al. 2019 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES La fonte de la glace du pergélisol entraîne plusieurs formes de dégradation du milieu naturel et a une incidence majeure sur la dynamique des biogéosystèmes et sur la performance et la durée de vie des infrastructures construites sur pergélisol. Effets:  Thermo-érosion En milieu terrestre: Transfert de chaleur convectif par écoulement d’eau sur le pergélisol → formation de ravins Ile Bylot (1999) Ile Bylot (2008) 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES La fonte de la glace du pergélisol entraîne plusieurs formes de dégradation du milieu naturel et a une incidence majeure sur la dynamique des biogéosystèmes et sur la performance et la durée de vie des infrastructures construites sur pergélisol. Effets:  Mouvement de terrain Effondrement de parois rocheuses Glissement rétrogressif (Thaw slump) 4. PERGÉLISOL ET CHANGEMENTS CLIMATIQUES La fonte de la glace du pergélisol entraîne plusieurs formes de dégradation du milieu naturel et a une incidence majeure sur la dynamique des biogéosystèmes et sur la performance et la durée de vie des infrastructures construites sur pergélisol. Effets:  Tassement du sol