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Jonathan Fortin

 

Étudiant 2è cycle

Département de géologie et génie géologique, Université Laval

Pavillon Adrien-Pouliot
1065 avenue de la Médecine
Université Laval
Québec
Québec, Canada
G1V 0A6

418.656.2131 poste 14665
jonathan.fortin.5@ulaval.ca

 

 


 
 
 

Projet de recherche

Étude de la consolidation au dégel du pergélisol riche en glace à Umiujaq au Québec nordique

Sujet et site d’étude:
En réponse au réchauffement climatique de l’ordre de 3 à 4 °C observé au Québec nordique depuis le début des années 1990, le pergélisol présente des signes de dégradation plus ou moins importants. En effet, dans la zone de pergélisol discontinu le long de la côte est de la Baie d’Hudson, des tassements au dégel sont observés au droit des buttes de pergélisol riche en glace. À certains endroits, notamment dans la vallée Tasiapik à l’est de la communauté inuite d’Umiujaq, des tassements de plus de 1 m ont été mesurés lors de la dernière décennie. Lorsque ces tassements deviennent importants, des mares de thermokarst se forment dans les dépressions ce qui exacerbent davantage la dégradation du pergélisol (Fortier et Aubé-Maurice, 2008). Suite au dégel complet du pergélisol, l’environnement terrestre des buttes de pergélisol est remplacé par l’environnement lacustre des mares de thermokarst. Il s’agit d’un changement majeur de l’écosystème associé aux buttes de pergélisol. Ces tassements au dégel affectent non seulement le milieu naturel mais aussi les infrastructures civiles construites sur le pergélisol. C’est le cas par exemple du remblai de la route d’accès à l’aéroport d’Umiujaq où des tassements de plus de 1.5 m ont mesurés depuis la construction de cette route en 1991 (Fortier et al., 2011; 2015). Ces tassements sont causés par la consolidation au dégel du pergélisol. Lors du dégel, la glace de sol fond, des pressions interstitielles dans le sol sont générées qui se dissipent progressivement, l’indice des vides diminue et cela provoque les tassements observés en surface. En fonction du taux de dégel du pergélisol suite à un réchauffement climatique ou à des modifications des conditions de surface, il est possible d’anticiper les tassements au dégel ainsi que leur taux de progression si les propriétés de consolidation au dégel du pergélisol sont connues. Ces propriétés peuvent être déterminées lors d’essais de consolidation au dégel sur des échantillons de pergélisol dans une cellule œdométrique en laboratoire (Morgenstern et Smith, 1973 ; Nixon et Morgenstern, 1974).

Objectifs et méthodologie:
Le principal objectif de mon projet de recherche à la maîtrise est d’étudier la consolidation au dégel du pergélisol riche en glace dans la zone de pergélisol discontinu à Umiujaq, au Québec nordique. Cette étude est divisée en six parties distinctes:

  1. le développement en laboratoire d’un banc d’essai de consolidation au dégel d’échantillons de pergélisol riche en glace,
  2. l’échantillonnage du pergélisol riche en glace dans de buttes de pergélisol à Umiujaq,
  3. la réalisation d’essais de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique sur les échantillons de pergélisol précédents,
  4. la détermination des propriétés de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique des échantillons de pergélisol précédents,
  5. la réalisation de modélisation numérique de la dégradation du pergélisol en fonction de scénarios simples de réchauffement climatique tout en tenant compte des propriétés de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique mesurées lors des essais,
  6. l’anticipation des tassements au dégel du pergélisol riche en glace des buttes de pergélisol à Umiujaq à partir des résultats de la modélisation numérique précédente.

Lors de mon assistance de recherche de l’été 2016 sous la supervision de mon directeur de recherche, le professeur Richard Fortier au département de géologie et de génie géologique et membre-chercheur du Centre d’études nordiques de l’Université Laval, j’ai déjà débuté la mise au point du banc d’essai de consolidation au dégel. Grâce à une campagne d’échantillonnage du pergélisol riche en glace qui a été réalisée à l’été 2015 dans des buttes de pergélisol, j’ai effectué en juillet 2016 un premier essai de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique dans une cellule œdométrique spécialement conçue pour contrôler le dégel des échantillons de pergélisol. Des modifications doivent être apportées au banc d’essai à l’automne 2016 et à l’hiver 2017. Lors de travaux de terrain prévus à Umiujaq en octobre 2016 et en juillet 2017, il est prévu d’échantillonner à nouveau le pergélisol riche en glace et de rapporter ces échantillons maintenus congelés au laboratoire de géophysique appliquée de l’Université Laval. Lorsque le banc d’essai sera finalisé, il est prévu de réaliser une dizaine d’essais de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique sur autant d’échantillons de pergélisol.

La modélisation numérique de la transmission de chaleur, de la consolidation au dégel et de l’écoulement de l’eau de fonte de la glace de sol sera effectuée à l’aide du code numérique HEATFLOW SMOKER écrit par le co-directeur de mon projet de recherche à la maîtrise, le professeur John Molson au département de géologie et de génie géologique et membre-chercheur du Centre d’études nordiques de l’Université Laval.

Plusieurs étapes sont nécessaires pour réaliser des essais de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique à charge constante et variable sur des échantillons de pergélisol. En plus de prélever des échantillons de pergélisol dans une butte de pergélisol à Umiujaq à l’aide d’une foreuse portative spécialement conçue à cet effet, et de rapporter ces échantillons congelés jusqu’à l’Université Laval, les échantillons doivent être usinés à l’aide d’une perceuse à colonne et d’une scie à ruban dans une chambre froide. Chaque échantillon usiné est alors placé dans la cellule œdométrique qui a été préalablement conditionnée à une température de -10 °C. Un système d’acquisition automatique enregistre les données de six thermistances, d’un capteur de déplacement et d’un capteur de pressions interstitielles. Une charge morte qui représente le poids des terres est appliquée grâce à un système de poulies. Le test débute en conditionnant le sommet de l’échantillon à une température supérieure à zéro tandis que la base se trouve sous le point de congélation. Lorsque l’échantillon est entièrement dégelé, un essai de consolidation à charge contrôlée est amorcé suivant la norme ASTM D-2435. Durant l’essai de consolidation, des tests de conductivité hydraulique à charge constante (ASTM D-2434) ou à charge variable sont réalisés. Suite à l’analyse et l’interprétation des données, les propriétés de consolidation au dégel et de conductivité hydraulique sont déterminées.

Références:
Fortier, R. et B. Aubé-Maurice, 2008. Fast permafrost degradation near Umiujaq in Nunavik (Canada) since 1957 assessed from time-lapse aerial and satellite photographs. Comptes-rendus, 9th International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, États-Unis, Vol. 1, pp. 457-462.

Fortier, R., Guo, S. et P. Lamontagne-Hallé, 2015. High-resolution monitoring of thaw subsidence affecting the access road to Umiujaq Airport in Nunavik (Quebec). Comptes-rendus, 7ième Conférence canadienne sur le pergélisol (GEOQuébec 2015), Québec (Québec), Canada, 8 p.

Fortier, R., LeBlanc, A.-M. et W. Yu, 2011. Impacts of permafrost degradation on a road embankment at Umiujaq in Nunavik (Quebec), Canada. Revue canadienne de géotechnique, Vol. 48, pp. 720-740.

Morgenstern, N.R. et L.B. Smith, 1973. Thaw-consolidation tests on remoulded clays. Revue canadienne de géotechnique, vol. 10, pp. 202-214.

Nixon, J.F. et N.R. Morgenstern, 1974. Thaw-consolidation tests on undisturbed fine-grained permafrost. Revue canadienne de géotechnique, vol. 11, pp. 202-214.

 
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