Auscultation du pergélisol
par méthodes géo-électriques:
tomographie de polarisation provoquée,
diagraphie et tomographie de résistivité électrique en forages
Thèse
Majid El Baroudi
Doctorat interuniversitaire en sciences de la Terre
Philosophiæ Doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
Auscultation du pergélisol
par méthodes géo-électriques:
tomographie de polarisation provoquée,
diagraphie et tomographie de résistivité électrique en forages
Thèse
Majid El Baroudi
Sous la direction de:
iii
RÉSUMÉ
Au Nunavik, Québec, suite à la déglaciation et aux transgressions marines le long des côtes des Baies d’Hudson et d’Ungava, des sédiments fins gélifs se sont déposés dans ces secteurs côtiers. Lors de l’émersion postglaciaire suivant le relèvement isostatique, ces dépôts marins ont été mis en contact avec l’air froid et un pergélisol riche en glace s’est formé. Les infrastructures des communautés Inuites qui se trouvent aussi le long des côtes du Nunavik peuvent donc être construites sur un pergélisol riche en glace et leurs infrastructures sont peut-être vulnérables à la dégradation du pergélisol. Cette vulnérabilité peut affecter le développement durable de ces communautés au niveau de la performance, des coûts d’entretien et de la pérennité de leurs infrastructures nordiques.
Afin de répondre aux besoins en ingénierie nordique d’investigation efficace des environnements pergélisolés pour soit éviter les zones vulnérables à la dégradation du pergélisol ou soit concevoir des méthodes de mitigation de cette dégradation, des objectifs ont été fixés dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat: 1) de déterminer un modèle géocryologique conceptuel d’une butte de pergélisol riche en glace en zone de pergélisol discontinu au Nunavik à partir de l’interprétation d’une série de cinq essais de pénétration au cône réalisés dans cette butte, 2) en tenant compte de ce modèle conceptuel et à l’aide de la modélisation directe en géophysique, de développer une approche géophysique originale basée sur différentes méthodes géo-électriques pour l’auscultation du pergélisol, 3) de tester cette approche géophysique sur la butte de pergélisol riche en glace précédente, et 4) de développer des connaissances sur la géocryologie des buttes de pergélisol au Nunavik.
Le site d’études est localisé dans une vallée profonde près de la communauté Inuite d’Umiujaq sur la côte est de la Baie d’Hudson. Des environnements pergélisolés caractéristiques du Nunavik dont notamment des buttes de pergélisol riche en glace sont facilement accessibles à partir de cette communauté.
iv
La méthodologie de recherche comprend l’utilisation de la modélisation directe à partir d’un modèle géocryologique de la butte de pergélisol étudiée pour concevoir l’investigation géophysique par tomographies de polarisation provoquée et diagraphies de résistivité électrique. Des tomographies bidimensionnelles et tridimensionnelles de polarisation provoquée ainsi que des diagraphies de résistivité électrique ont ensuite été réalisées pour caractériser le pergélisol du site d’étude. L’inversion et l’interprétation de ces levés géo-électriques ont permis de définir des modèles unidimensionnels, bidimensionnels et voire même tridimensionnels de résistivité et de chargeabilité électrique du site d’étude. Le modèle géocryologique initial de la butte de pergélisol étudiée a été amélioré en tenant compte des résultats de l’investigation géo-électrique. Le cœur riche en glace de la butte de pergélisol a été délimité avec précision à l’aide de cette approche d’investigation géo-électrique.
En conclusion, l’approche d’investigation géo-électrique développée dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat pour l’auscultation bidimensionnelle et tridimensionnelle du pergélisol peut être utilisée pour identifier des zones vulnérables à la dégradation du pergélisol avant la construction d’infrastructures nordiques ou au droit de telles infrastructures déjà construites pour évaluer leur vulnérabilité.
v
ABSTRACT
In Nunavik (Québec), frost-susceptible marine sediments were deposited along the coasts of Hudson Bay and Ungava Bay after their deglaciation and during the subsequent marine transgression. Following the postglacial emersion due to the isostatic uplift, the marine deposits came in contact with the cold air and ice-rich permafrost formed in these deposits. Therefore, the Inuit communities located along the coasts of Nunavik may be built on ice-rich permafrost and their infrastructures may be vulnerable to permafrost degradation. This vulnerability may impact the sustainable development of these communities affecting the performance, maintenance costs and service life of their infrastructures.
In answer to the needs of efficient permafrost investigation in cold regions engineering to avoid zones vulnerable or use mitigation method to permafrost degradation, the main goals of this doctoral research project are: 1) to assess a conceptual geocryological model of an ice-rich permafrost mound in the discontinuous permafrost zone in Nunavik from the interpretation of five cone penetration tests carried out in the mound, 2) taking into account the previous model and using the forward modelling approach in geophysics, to develop an innovative geophysical approach based on different geo-electrical methods for permafrost investigation, 3) to test this geophysical approach for the characterization of the previous ice-rich permafrost mound, and 4) to contribute to knowledge development on the geocryology of permafrost mounds in Nunavik.
The study site is located in a deep valley near the Inuit community of Umiujaq along the east coast of Hudson Bay. Permafrost environments characteristic of Nunavik such as ice-rich permafrost mounds are found in this valley which is accessible from this community.
vi
The research methodology consists in using the forward modelling approach in geophysics taking into account the conceptual geocryological model of the studied ice-rich permafrost mound to design the geophysical investigation based of induced polarization tomography and electrical resistivity logging. Two-dimensional and three-dimensional induced polarization tomography and electrical resistivity logging were then performed of the study site. Unidimensional, two-dimensional and three-dimensional models of electrical resistivity and chargeability of the study site were found from the inversion of these geo-electrical surveys. The conceptual geocryological model was then improved by interpretating these geo-electrical models. The ice-rich core of the permafrost mound was accurately delineated using this geophysical approach.
In conclusion, the geo-electrical investigation approach developed herein for the two-dimensional and three-dimensional characterization of ice-rich permafrost environments can be used to delineate zones vulnerable to permafrost degradation before the construction of northern infrastructures or along existing infrastructures to assess their vulnerability.
vii
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ... iii
ABSTRACT ... v
TABLE DES MATIÈRES... xii
LISTE DES TABLEAUX ... xiii
LISTE DES FIGURES ... xv
LISTE DES ANNEXES ... xxxv
LISTE DES SYMBOLES ET DES ABRÉVIATIONS ... xxxvii
DÉDICACES ... xliii REMERCIEMENTS ... xlv AVANT-PROPOS ... xlvii CHAPITRE 1 INTRODUCTION ... 1 1.1 Le pergélisol... 1 1.1.1 Définition ... 1
1.1.2 Répartition spatiale du pergélisol ... 1
1.1.3 Formation et propriétés du pergélisol ... 7
1.1.4 Impacts de la dégradation du pergélisol ... 10
1.2 Problématique ... 14
1.3 Méthodes d’investigation géo-électrique ... 18
1.3.1 Tomographie de résistivité électrique ... 18
1.3.2 Tomographie de polarisation provoquée ... 21
1.4 Géophysique appliquée à l’auscultation du pergélisol ... 22
1.4.1 Géophysique appliquée au Québec nordique ... 23
1.4.2 Tomographie de résistivité électrique pour l’auscultation des environnements pergélisolés ... 24
1.4.2.1 Pergélisol de hautes latitudes au Québec nordique... 24
1.4.2.2 Pergélisol de hautes altitudes dans les Alpes françaises et suisses ... 26
1.4.2.3 Système électromagnétique à couplage capacitif de mesure de la résistivité électrique ... 28
1.4.3 Tomographie de polarisation provoquée pour l’auscultation des environnements pergélisolés ... 32
viii
1.4.4 Approche intégrée d’interprétation de la tomographie de
résistivité électrique ... 34
1.4.4.1 Modélisation directe ... 36
1.4.4.2 Inversion ... 37
1.4.4.3 Inférence des propriétés physiques ... 40
1.4.5 Diagraphie de résistivité électrique et tomographie de résistivité électrique forage-forage ... 40
1.5 Objectifs ... 44
1.5.1 Objectifs généraux ... 44
1.5.2 Objectifs spécifiques ... 45
1.6 Organisation de la thèse ... 46
CHAPITRE 2 SITE D’ÉTUDE ET MÉTHODOLOGIE DE LA RECHERCHE ... 49
2.1 Site d’étude ... 49
2.1.1 Localisation du site d’étude ... 49
2.1.2 Géologie régionale ... 51
2.1.2.1 Formations géologiques ... 51
2.1.2.2 Quaternaire ... 55
2.1.3 Climat ... 63
2.1.4 Formes périglaciaires riches en glace dans la zone de pergélisol discontinu au Québec nordique ... 63
2.1.5 Formes périglaciaires riches en glace dans la vallée Tasiapik près d’Umiujaq ... 65
2.1.6 Butte de pergélisol étudiée ... 66
2.1.7 Connaissances sur la butte de pergélisol étudiée ... 69
2.1.7.1 Cryostratigraphie de la butte de pergélisol ... 70
2.1.7.2 Stratigraphie des dépôts quaternaires dans la vallée Tasiapik ... 79
2.1.8 Autres instrumentations dans la butte de pergélisol du site d’étude ... 84
ix
2.2 Méthodologie de la recherche ... 87
2.2.1 Modélisation directe ... 87
2.2.2 Investigation géophysique ... 87
2.2.2.1 Résistivité électrique ... 88
2.2.2.2 Polarisation provoquée et chargeabilité électrique ... 94
2.2.2.3 Tomographie bidimensionnelle de polarisation provoquée de la butte de pergélisol du site d’étude ... 97
2.2.2.4 Tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée de la butte de pergélisol du site d’étude ... 103
2.2.2.5 Diagraphies de résistivité électrique du mollisol et du pergélisol riche en glace du site d’étude ... 106
2.2.3 Interprétation des diagraphies de résistivité électrique obtenues lors des essais de pénétration au cône ... 107
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DIRECTE ... 109
3.1 Introduction ... 109
3.2 Modèle géocryologique conceptuel ... 111
3.3 Modélisation directe des pseudo-sections de résistivité électrique ... 126
3.3.1 Modèle conceptuel de résistivité électrique ... 126
3.3.2 Modélisation directe ... 129
3.3.3 Pseudo-section de résistivité électrique apparente prédite ... 130
3.3.4 Inversion de la pseudo-section de résistivité électrique apparente prédite ... 131
CHAPITRE 4 TOMOGRAPHIES BIDIMENSIONNELLE ET TRIDIMENSIONNELLE DE POLARISATION PROVOQUÉE ... 135
4.1 Tomographies bidimensionnelles de polarisation provoquée ... 135
4.1.1 Tomographie bidimensionnelle de polarisation provoquée le long de la ligne de levé L115 ... 136
4.1.1.1 Inversion libre ... 137
4.1.1.1.1 Modèles de résistivité électrique ... 137
4.1.1.1.2 Modèles de chargeabilité électrique ... 146
4.1.1.1.3 Corrélation entre les modèles de résistivité et de chargeabilité électrique et le modèle géocryologique ... 151
x
4.1.1.2 Inversion forcée ... 153
4.1.1.2.1 Modifications des paramètres d’inversion ... 153
4.1.1.2.2 Contraintes stratigraphiques ... 158
4.1.1.3 Profondeur d’investigation et résolution du modèle ... 163
4.1.1.4 Modèle géocryologique interprétatif ... 169
4.1.2 Résultats des autres tomographies bidimensionnelles de polarisation provoquée ... 171
4.1.3 Synthèse des tomographies bidimensionnelles de polarisation provoquée ... 172
4.2 Tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée ... 176
4.2.1 Modèle tridimensionnel de résistivité électrique ... 178
4.2.1.1 Vues en coupe ... 179
4.2.1.2 Vues en plan ... 181
4.2.1.3 Vues en trois dimensions ... 185
4.2.2 Modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique ... 192
4.2.2.1 Vues en coupe ... 192
4.2.2.2 Vues en plan ... 195
4.2.2.3 Vues en trois dimensions ... 197
4.2.3 Analyse des courbes de décroissance du potentiel électrique en l’absence de courant électrique ... 202
CHAPITRE 5 DIAGRAPHIES ET TOMOGRAPHIES DE RÉSISTIVITÉ ÉLECTRIQUE EN FORAGES ... 211
5.1 Introduction ... 211
5.1.1 Diagraphies et tomographies de résistivité électrique sur les câbles à électrodes F1 et F2 ... 212
5.1.2 Diagraphies de résistivité électrique lors des essais de pénétration au cône CPT1 à CPT5 ... 216
5.2 Diagraphies et tomographies de résistivité électrique en forages ... 217
5.2.1 Diagraphies de résistivité électrique ... 217
5.2.2 Tomographies de résistivité électrique ... 221
5.2.2.1 Tomogrammes de résistivité électrique obtenus de l’inversion des diagraphies de résistivité électrique ... 221
5.2.2.2 Tomogrammes de résistivité électrique obtenus de l’inversion des tomographies de résistivité électrique ... 229
xi
CHAPITRE 6 INTERPRÉTATION DE L’ESSAI DE PÉNÉTRATION
AU CÔNE CPT3 ... 237
6.1. Description des résultats de l’essai de pénétration au cône CPT3 ... 237
6.2. Analyses en ondelettes de la périodicité des signaux de l’essai de pénétration au cône CPT3 ... 242
6.2.1 Résistance à la pointe ... 245
6.2.2 Rapport de frottement ... 247
6.2.3 Résistivité électrique ... 249
6.2.4 Différence de contenus en longueurs d’onde ... 251
6.3 Modélisation directe tridimensionnelle de la réponse électrique d’un module de résistivité électrique lors de son fonçage dans le pergélisol riche en glace... 253
6.3.1 Lentille de glace de ségrégation d’une épaisseur de 2 cm ... 258
6.3.3.1 Anomalie de résistivité électrique ... 261
6.3.2 Lentille de glace de ségrégation d’une épaisseur de 5 cm ... 262
6.3.3 Lentille de glace de ségrégation d’une épaisseur de 10 cm ... 264
6.3.4 Lentille de glace de ségrégation d’une épaisseur de 20 cm ... 267
6.3.5 Couche de silts gelés d’une épaisseur de 10 cm ... 269
DISCUSSIONS ET CONCLUSIONS ... 273
BIBLIOGRAPHIE ... 283
xiii
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1: Analyses granulométriques sur des échantillons de la butte de pergélisol du site d’étude (modifié de Calmels et Allard, 2008). ... 711 Tableau 3.1: Caractéristiques des deux diagraphies fictives
supplémentaires utilisées pour l’interpolation objective par krigeage ordinaire des diagraphies de la résistance à la pointe, du rapport de frottement, de la résistivité électrique et de la température obtenues des cinq essais de pénétration au cône effectués dans le site d’étude (Figures 3.6 à 3.9). ... 1200 Tableau 3.2: Profondeur des contacts cryostratigraphiques dans la butte de
pergélisol du site d’étude définie à partir des cinq essais de pénétration au cône (voir les figures 3.1 à 3.9 et l’annexe A). . 12222 Tableau 3.3: Épaisseur des couches cryostratigraphiques dans la butte de
pergélisol du site d’étude définie à partir des cinq essais de pénétration au cône (voir les figures 3.1 à 3.9 et l’annexe A). . 12323 Tableau 3.4: Propriétés des couches cryostratigraphiques dans la butte de
pergélisol du site d’étude définies à partir des cinq essais de pénétration au cône (voir les figures 3.1 à 3.9 et l’annexe A). . 12424 Tableau 3.5: Résistivité électrique des couches et des cryofaciès du modèle
géocryologique de la butte de pergélisol du site d’étude. ... 12727 Tableau 4.1: Information sur les inversions des données brutes et filtrées de
résistivité électrique apparente observée le long de ligne de levé L115. ... 139 Tableau 4.2: Paramètres des droites de régression ajustées aux valeurs de
chargeabilité électrique mesurées dans les quatre faciès géologiques du site d’étude... 20909 Tableau 6.1: Discrétisation du modèle géocryologique conceptuel d’une
lentille de glace de ségrégation dans un massif de silts gelés selon les axes horizontaux X et Y. ... 25757 Tableau 6.2: Discrétisation du modèle géocryologique conceptuel d’une
lentille de glace de ségrégation dans un massif de silts gelés selon l’axe vertical Z. ... 25757 Tableau B 1: Chargeabilités électriques mesurées avec des pots poreux
lors du levé de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval. ... 308 Tableau B.2: Chargeabilités électriques mesurées avec des électrodes en
acier inoxydable 316 lors du levé de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval. ... 309 Tableau B.3: Différence de chargeabilités électriques mesurées entre les
pots poreux et les électrodes en acier inoxydable 316 lors des deux levés de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval. ... 310
xv
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1: Enveloppes de température annuelle minimum et maximum en fonction de la profondeur dans le sol en régions nordiques. Le pergélisol est un sol ou une roche dont la température demeure sous le point de congélation à 0 °C pendant au moins deux années (Harris et al., 1988). ... 2 Figure 1.2: Carte circumpolaire de la répartition spatiale du pergélisol dans
l’hémisphère nord (modifiée de Brown et al., 1997, 1998; Nelson et al., 2002). ... 3 Figure 1.3: Carte de la répartition spatiale du pergélisol au Canada.
(modifiée de http://atlas.crcan.gc.ca/auth/francais/maps/
environment/and/permafrost; site internet consulté le 17 mai 2013) ... 3 Figure 1.4: A) Carte de la répartition spatiale du pergélisol au Québec
nordique (modifiée de Allard et Seguin, 1987). B) Carte des limites des transgressions marines de la Mer de Tyrrell en Hudsonie et de la Mer D’Iberville en Ungava au Québec nordique. Les quatorze communautés Inuites au Québec nordique sont identifiées sur ces deux cartes. ... 4 Figure 1.5: A) Averses de neige totales à Kuujjuarapik. Températures
moyennes annuelles de l’air à B) Kuujjuarapik, C) Kuujjuaq et D) Inukjuak (voir la figure 1.4A pour la localisation de ces communautés Inuites). La moyenne et l’écart-type σ des températures moyennes annuelles de l’air ont été calculés pour la période de référence 1961-1990. Les moyennes glissantes sur une période de cinq années pour faire ressortir les tendances sont identifiées par les lignes brisées en trait plein. Les moyennes et les moyennes plus et moins un écart-type sont identifiées par les lignes en trait pointillé fin et grossier respectivement. (source des données climatologiques: Environnement Canada, http://climat.meteo.gc.ca/index_f.html; site internet consulté le 13 juillet 2013) ... 5 Figure 1.6: Profil de température mesuré le 24 août 2005 dans le forage
718-1797 de la zone 5-8 de la propriété minière Raglan sur le plateau Katinniq au Québec nordique. ... 6 Figure 1.7: Échantillon de pergélisol riche en glace. Des lentilles de glace
de ségrégation horizontales et inclinées sont visibles sur cette photographie. Le contenu volumétrique en glace est supérieur à 50% dans cet échantillon. ... 8
xvi
Figure 1.8: Photographie du milieu naturel près de la communauté Inuite d’Umiujaq au Québec nordique (Figure 1.4A) prise à bord d’un hélicoptère. Site A: absence de pergélisol mais présence d’une végétation haute qui emprisonne la neige en hiver et protège le sol du froid et du gel saisonnier en hiver. Site B: soulèvement gélival de la surface du sol à cause de la formation et de l’accumulation de la glace de ségrégation. Il s’agit d’une butte de pergélisol riche en glace (voir le chapitre 2 sur le site d’étude). Site C: butte de pergélisol en voie de dégradation. Lors du dégel du pergélisol, des tassements importants peuvent se produire et une mare dite de thermokarst peut se former dans la dépression laissée suite à la dégradation du pergélisol. ... 9 Figure 1.9: Enveloppes de températures annuelles minimum (courbes en
violet) et maximum (courbes en rouge) du sol et courbes de température moyenne annuelle du sol (courbes en bleu) pour les périodes du 1er septembre 1992 au 31 août 1993 et du 1er septembre 2002 au 31 août 2003. Ces températures ont été mesurées le long du câble à thermistances HT-154 dans le socle rocheux à l’aéroport de Salluit. La température du pergélisol à 20 m de profondeur a augmenté de près de 1 °C alors que le mollisol s’est épaissi de près de 1 m durant cette période de 10 ans en réponse à l’augmentation de la température de l’air observée au Québec nordique (Figure 1.5). Le câble à thermistances HT-154 a été installé à l’aéroport de Salluit durant l’été 1987 dans le cadre du programme de construction des aéroports au Québec nordique. (modifiée de Allard et al., 2004). ... 11 Figure 1.10: Dégradation d’une butte de pergélisol près de la communauté
Inuite d’Umiujaq (Figure 1.1) sur une période de 18 ans; soit du 18 août 1989 au 18 juillet 2007. Une mare de thermokarst s’est formée progressivement au détriment de la butte de pergélisol durant cette période. La flèche indique la position d’un câble à thermistances. Noter à l’avant-plan de la photographie prise le 18 août 1989 la présence d’un homme en guise d’échelle. Cet homme se trouve au pied d’une rupture superficielle par décollement du mollisol. Il s’agit d’un signe de dégradation du pergélisol déjà visible en 1989. La route d’accès à l’aéroport d’Umiujaq construite en 1991 est seulement visible à l’arrière-plan de la photographie prise le 18 juillet 2007 (modifiée de Fortier et Aubé-Maurice, 2008). ... 13
xvii
Figure 1.11: Route d’accès à l’aéroport d’Umiujaq affectée par des affaissements différentiels au dégel. Ce remblai routier est construit sur un pergélisol riche en glace. La dégradation du pergélisol sous le remblai est causée non seulement par la tendance au réchauffement climatique observée récemment au Québec nordique (Figure 1.5) mais aussi par l’effet d’isolation thermique de la neige qui s’accumule de part et d’autre du remblai en hiver (Fortier et al., 2011). ... 15 Figure 1.12: Piste d’atterrissage de Tasiujaq construite sur un pergélisol
riche en glace. Un affaissement subtil au dégel est visible entre l’avant-plan de la photographie et l’avion d’Air Inuit. ... 15 Figure 1.13: Dispositif expérimental de la tomographie de résistivité
électrique et distribution spatiale des lignes de courant électrique dans le sous-sol. (tirée de www.geophy.fr/resistivite.html; site internet consulté le 9 mai 2013). ... 19 Figure 1.14: Concepts de modélisation directe et d’inversion en
géophysique, et procédure pour la réalisation, le traitement et l’interprétation d’un levé géophysique (modifiée de Fortier et al., 2008). ... 35 Figure 2.1: Carte de localisation de la communauté Inuite d’Umiujaq au
Québec nordique et image satellitaire de la région immédiate d’Umiujaq. ... 49 Figure 2.2: Région immédiate d’Umiujaq. Image satellitaire IKONOS prise
en juillet 2005 drapée sur un modèle numérique d’élévation. Vue vers le sud avec illumination artificielle. Exagération verticale de 2:1. La piste d’atterrissage fait une longueur de 1.6 km en guise d’échelle. ... 50 Figure 2.3: Buttes de pergélisol dans la vallée Tasiapik près d’Umiujaq.
Ces formes périglaciaires bombées sont dues à l’accumulation de la glace de ségrégation. La route à l’avant-plan donne accès au lac Guillaume-Delisle visible à l’arrière-plan. La flèche indique l’emplacement de la butte de pergélisol qui a été étudiée dans le cadre du présent projet de recherche. ... 50 Figure 2.4: Colonne stratigraphique schématisée des formations
géologiques de la région du lac Guillaume-Delisle (tirée de ARK (2007) selon Labbé et Lacoste (2004)). ... 52 Figure 2.5: Carte géologique de la région immédiate d’Umiujaq et de la
partie nord du lac Guillaume-Delisle (tirée de ARK (2007) selon Labbé et Lacoste (2004)). ... 53 Figure 2.6: Carte géologique de la région d’Umiujaq. (modifiée de
Chandler, 1988). ... 54 Figure 2.7: Coulée basaltique subaérienne au-dessus d’un grès grossier au
front de la cuesta (a) et sur les versants de la colline Umiujaq (b). ... 55
xviii
Figure 2.8: Image satellitaire IKONOS prise en juillet 2005 de la vallée Tasiapik près de la communauté Inuite d’Umiujaq (système de coordonnées projetées: NAD83 MTM 9). La butte de pergélisol du site d’étude est identifiée sur cette image satellitaire. ... 56 Figure 2.9: Modèle numérique d’élévation par rapport au niveau moyen de
la mer du même secteur de la vallée Tasiapik obtenu d’un levé LiDAR aéroporté effectué en août 2010. ... 57 Figure 2.10: Carte des dépôts quaternaires du même secteur de la vallée
Tasiapik (modifiée de Allard et al., 2007; Allard et L’Hérault, 2011; Poly-Géo, 2011). Légende: Ce: dépôts d’éboulis, A: alluvions, Mb: sédiments littoraux et prélittoraux, Ma: sédiments fins d’eau profonde, B: champ de blocs glaciels, GxT: sédiments de moraine frontale, O: matière organique selon la légende de Paradis et al. (2010). La ligne noire en trait plein correspond à l’emplacement de la coupe stratigraphique présentée à la figure 2.11. ... 58 Figure 2.11: Coupe cryohydrostratigraphique interprétative le long du bassin
versant à Umiujaq. Voir la figure 2.10 pour la localisation de la coupe. Noter l’exagération verticale de 10:1 (tirée de Fortier
et al., 2014). ... 62
Figure 2.12: Le site d’étude est une butte de pergélisol dans la vallée Tasiapik près d’Umiujaq. A) Photographie prise le 13 juillet 2006. B) Photographie prise le 15 août 2010. Durant cette période de quatre années, les mares de thermokarst 1 et 2 se sont étendues et une troisième mare s’est formée. C) Photographie prise le 18 juillet 2007. ... 67 Figure 2.13: Modèle numérique d’élévation de la surface de la butte de
pergélisol du site d’étude. Les mesures d’élévation qui ont été prises le 13 août 2010 avec un niveau optique sont identifiées par des points dans le modèle. ... 68 Figure 2.14: Ostioles à la surface de la butte de pergélisol étudiée aux
endroits où les silts affleurent en surface (photographie prise à l’automne 2004). La règle en guise d’échelle fait une longueur de 4 m. ... 69 Figure 2.15: Colonne cryostratigraphique de la butte de pergélisol du site
d’étude obtenue de la tomodensitométrie aux rayons-X sur des échantillons de pergélisol (modifiée de Calmels et Allard, 2008). L’échelle de tons de gris des images tomodensitométriques dépend de la densité des matériaux: les bulles de gaz emprisonnées dans la glace apparaissent noires, les lentilles de glace de ségrégation sont de couleur gris à gris foncé alors que le sol gelé est gris pâle. La cryostructure est dite stratifiée et réticulée. ... 70
xix
Figure 2.16: Teneurs en eau non gelée et en glace du mollisol et du pergélisol mesurées sur des échantillons de la butte de pergélisol étudiée à l’aide d’une méthode calorimétrique de terrain (Fortier et al., 1996). Profil de température mesuré le 30 juin 2000 dans cette butte de pergélisol. Masse volumique des échantillons de mollisol et de pergélisol. Contenu volumétrique en glace estimé à l’aide de la tomodensitométrie aux rayons-X sur des échantillons de pergélisol de cette butte (Calmels et Allard, 2008). ... 71 Figure 2.17: Localisation des cinq essais de pénétration au cône réalisés en
juillet 2006 par Fortier et Yu (en préparation) dans la butte de pergélisol du site d’étude. ... 72 Figure 2.18: Carte de localisation des cinq essais de pénétration au cône
réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude (CPT1 à CPT5), des deux câbles à électrodes F1 et F2 pour les diagraphies de résistivité électrique, des sept lignes de tomographie bidimensionnelle de polarisation provoquée, de l’essai de pénétration au piézocône CPTu dans la butte de pergélisol à couverture sableuse (Fortier et Yu, 2012) et du forage no. 09000003 pour l’installation d’un puits d’observation des eaux souterraines (Fortier et al., 2013). Le secteur en jaune centrée sur la butte de pergélisol correspond à la zone investiguée lors de la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée. ... 73 Figure 2.19: Photographie du système de l’essai de pénétration au cône
utilisé dans la butte de pergélisol du site d’étude et schéma de ce système. ... 74 Figure 2.20: A) Pénétromètre fabriqué par Vertek et cordon ombilical pour
brancher les capteurs insérés dans le pénétromètre au système d’acquisition de données. B) Identification des différentes parties du pénétromètre fabriqué par Vertek. C) Schéma de l’intérieur du pénétromètre fabriqué par Vertek. ... 74 Figure 2.21: A) Système de contrôle du système de poussée linéaire de
l’essai de pénétration au cône. B) Instrumentation virtuelle de suivi en temps réel du système d’acquisition de données de l’essai de pénétration au cône. ... 75 Figure 2.22: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT4 réalisé
le 5 juillet 2006 (voir les figures 2.17 et 2.18 pour la localisation de cet essai) (modifiée de Fortier et Yu, en préparation). ... 76 Figure 2.23: Résultats d’un essai de pénétration au piézocône réalisé dans
une butte de pergélisol à couverture sableuse à environ 150 m au nord de la butte de pergélisol du site d’étude (modifiée de Fortier et Yu, 2012). ... 80 Figure 2.24: Stratigraphie des dépôts quaternaires observée lors du forage
xx
Figure 2.25: Unités lithologiques forées et échantillonnées lors du forage no. 09000003: A) sédiments littoraux et prélittoraux superficiels, B) sédiments fins d’eau profonde, C) sédiments fluvioglaciaires, D) till de fond et E) socle rocheux composé de basalte hématisé (modifiée de Fortier et al., 2013). ... 83 Figure 2.26: Schéma de correspondance entre les cryofaciès déterminés
des essais de pénétration au cône et les lithologies rencontrées lors du forage no. 09000003 (Figures 2.24 et 2.25). ... 84 Figure 2.27: Marteau piqueur Pionjar (A) utilisé pour forer les avant-trous
pour foncer les câbles à électrodes (B) dans la butte de pergélisol. ... 86 Figure 2.28: Schéma de la circulation d’un courant électrique dans le
sous-sol et de la mesure des potentiels électriques induits. ... 90 Figure 2.29: Injection d’un courant électrique dans le sol dont la variation
suit une onde carrée en fonction du temps (schéma du haut). Variations du potentiel électrique induit par la circulation du courant électrique en fonction du temps (schéma du bas). Un cycle complet est illustré dans ces deux graphiques. La chargeabilité électrique est déterminée à partir de la décroissance du potentiel électrique entre deux temps t1 et t2 en l’absence de la circulation du courant électrique. Elle correspond à l’intégrale sous la courbe de décroissance entre les temps t1 et t2 qui est représentée par la surface rouge. (modifiée de Parasnis, 1997; Sumner, 1976). ... 95 Figure 2.30: Équipements utilisés pour réaliser la tomographie de
polarisation provoquée (transmetteur TXII, receveur de polarisation provoquée GRx8-16 et électrode impolarisable de potentiel). ... 98 Figure 2.31: Localisation des sept lignes de tomographie bidimensionnelle
de polarisation provoquée sur le site d’étude. La butte de pergélisol se trouve au centre des lignes et de la photographie. ... 99 Figure 2.32: Schéma de la configuration dite du dipôle-dipôle: le courant
électrique est injecté entre les deux électrodes A et B alors que la différence de potentiel électrique induit par la circulation du courant est mesurée entre les deux autres électrodes M et N. La distance de séparation entre les électrodes des deux dipôles AB et MN est la même (a). La distance entre les deux dipôles AB et MN est un facteur entier n multiplicatif de a. ... 101 Figure 2.33: Configuration des électrodes du dipôle-dipôle employée pour la
tomographie bidimensionnelle de polarisation provoquée de la butte de pergélisol du site d’étude. ... 102 Figure 2.34: Configuration des électrodes du pôle-dipôle employée pour
réaliser la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée de la butte de pergélisol du site d’étude. ... 105
xxi
Figure 2.35: Diagraphie forage-forage de résistivité électrique avec un résistivimètre Terrameter SAS 300B d’ABEM selon la configuration du dipôle-dipôle. Le dipôle de courant est sur les électrodes 2 et 4 (à des profondeurs de 0 et 1 m) de la boîte de contact électrique de gauche (câble à électrodes no. 1) alors que le dipôle de potentiel se trouve sur les mêmes électrodes aux mêmes profondeurs de la boîte de contact électrique de droite (câble à électrodes no. 2). ... 106 Figure 2.36: Configuration des électrodes pour les diagraphies forage-forage
de résistivité électrique. ... 107 Figure 3.1: Modèle numérique d’élévation de la surface de la butte de
pergélisol du site d’étude. Localisation des cinq essais de pénétration au cône réalisés par Fortier et Yu (en préparation) le long du profil AA’. ... 112 Figure 3.2: Topographie de la surface le long du profil AA’ (voir la figure 3.1
pour la localisation du profil). Localisation des cinq essais de pénétration au cône réalisés par Fortier et Yu (en préparation) le long du profil. Les valeurs en mètres le long des lignes verticales en pointillé des essais correspondent aux profondeurs atteintes lors des essais. ... 113 Figure 3.3: Diagraphies de la résistance à la pointe des cinq essais de
pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures 3.1 et 3.2 pour la localisation des essais les uns par rapport aux autres). Les lignes pointillées horizontales correspondent aux différents contacts stratigraphiques identifiés lors de l’interprétation de chaque essai (Annexe A). La courbe en gris superposée à chacune des diagraphies correspond à une équation polynomiale de degré 6 afin d’atténuer la variabilité avec la profondeur de la résistance à la pointe et de faire ressortir les tendances. ... 114 Figure 3.4: Diagraphies du rapport de frottement des cinq essais de
pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures 3.1 et 3.2 pour la localisation des essais les uns par rapport aux autres). Les lignes pointillées horizontales correspondent aux différents contacts stratigraphiques identifiés lors de l’interprétation de chaque essai (Annexe A). La courbe en gris superposée à chacune des diagraphies correspond à une équation polynomiale de degré 6 afin d’atténuer la variabilité avec la profondeur du rapport de frottement et de faire ressortir les tendances. ... 115
xxii
Figure 3.5: Diagraphies de la résistivité électrique des cinq essais de pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures 3.1 et 3.2 pour la localisation des essais les uns par rapport aux autres). Les lignes pointillées horizontales correspondent aux différents contacts stratigraphiques identifiés lors de l’interprétation de chaque essai (Annexe A). La courbe en gris superposée à chacune des diagraphies correspond à une équation polynomiale de degré 6 afin d’atténuer la variabilité avec la profondeur de la résistivité électrique et de faire ressortir les tendances. ... 116 Figure 3.6: Interpolation objective par krigeage ordinaire des diagraphies
de la résistance à la pointe des cinq essais de pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude le long du profil AA’. Les essais sont représentés par des lignes noires verticales. Les points d’interrogation correspondent à des zones d’incertitude élevée d’interpolation. ... 117 Figure 3.7: Interpolation objective par krigeage ordinaire des diagraphies
du rapport de frottement des cinq essais de pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude le long du profil AA’. Les essais sont représentés par des lignes noires verticales. Les points d’interrogation correspondent à des zones d’incertitude élevée d’interpolation. ... 117 Figure 3.8: Interpolation objective par krigeage ordinaire des diagraphies
de la résistivité électrique des cinq essais de pénétration au cône réalisés dans la butte de pergélisol du site d’étude le long du profil AA’. Les essais sont représentés par des lignes noires verticales. Les points d’interrogation correspondent à des zones d’incertitude élevée d’interpolation. Noter l’échelle logarithmique en base 10 utilisée pour la résistivité électrique. ... 118 Figure 3.9: Interpolation objective par krigeage ordinaire des diagraphies
de la température à l’équilibre du sol mesurée à l’aide d’une thermistance dans un tubage en plastique rempli d’huile de silicone foncé dans le trou ouvert suite à chaque essai de pénétration au cône dans la butte de pergélisol du site d’étude le long du profil AA’. Les tubages sont représentés par des lignes noires verticales. Les points d’interrogation correspondent à des zones d’incertitude élevée d’interpolation. .... 118 Figure 3.10: Modèle géocryologique conceptuel de la butte de pergélisol du
site d’étude. ... 125 Figure 3.11: Discrétisation en blocs du modèle géocryologique du site
d’étude. Les blocs ont une épaisseur plus faible près de la surface afin d’avoir une meilleure résolution lors de la modélisation directe. ... 127
xxiii
Figure 3.12: A) Modèle conceptuel (ou initial) de résistivité électrique en blocs du site d’étude inféré du modèle géocryologique conceptuel (Figure 3.10) selon l’affichage graphique du logiciel RES2DMOD. Le même modèle a été reproduit à l’aide du logiciel Surfer sans interpolation (B) et avec interpolation entre les blocs (C). ... 128 Figure 3.13: Pseudo-section de résistivité électrique apparente prédite du
site d’étude obtenue par modélisation directe à partir du modèle initial de résistivité électrique (Figure 3.12). ... 130 Figure 3.14: Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion de la
pseudo-section de résistivité électrique apparente prédite (Figure 3.13). Mise en graphique du logiciel RES2DINV. ... 133 Figure 3.15: A) Modèle de résistivité électrique du site d’étude obtenu de
l’inversion de la pseudo-section de résistivité électrique apparente prédite (Figure 3.13). Mise en graphique dans le logiciel Surfer. B) Modèle initial de résistivité électrique du site d’étude (Figure 3.12C). ... 133 Figure 3.16: Pseudo-section de l’erreur moyenne quadratique en fonction de
la distance et de la pseudo-profondeur. ... 134 Figure 4.1: Résultats de la tomographie de polarisation provoquée le long
de la ligne de levé L115. A) Pseudo-section des données brutes de résistivité électrique apparente observée. B) Pseudo-section de résistivité électrique apparente calculée à partir de l’inversion des données brutes de résistivité électrique apparente observée. C) Pseudo-section de la différence entre les données de résistivité électrique apparente calculée et observée. D) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre des données brutes de résistivité électrique apparente observée (exagération verticale de 3.2:1). La mise en graphique de ces pseudo-sections provient directement de la sortie du logiciel RES2DINV alors que la mise en graphique du modèle a été faite dans le logiciel Surfer. ... 138 Figure 4.2: Résultats de la tomographie de polarisation provoquée le long
de la ligne de levé L115 après le filtrage des données jugées aberrantes. A) Pseudo-section des données filtrées de résistivité électrique apparente observée. B) Pseudo-section de résistivité électrique apparente calculée à partir de l’inversion des données filtrées de résistivité électrique apparente observée. C) Pseudo-section de la différence entre les données de résistivité électrique apparente calculée et observée. D) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre des données filtrées de résistivité électrique apparente observée (exagération verticale de 3.2:1). ... 143
xxiv
Figure 4.3: Modèles de résistivité électrique obtenus de l’inversion libre des données brutes (A) et des données filtrées (B) de résistivité électrique apparente observée pour des fins de comparaison. C) Modèle de chargeabilité électrique obtenus de l’inversion libre des données filtrées de chargeabilité électrique apparente observée (voir la section 4.1.1.1.2 et la figure 4.4). Exagération verticale de 3.2:1. ... 144 Figure 4.4: Résultats de la tomographie de polarisation provoquée le long
de la ligne de levé L115 après le filtrage des données jugées aberrantes. A) Pseudo-section de chargeabilité électrique apparente observée. B) Pseudo-section de chargeabilité électrique apparente calculée à partir de l’inversion des données filtrées de chargeabilité électrique apparente observée. Modèles de chargeabilité électrique obtenus de l’inversion libre C) des données filtrées de chargeabilité électrique apparente observée et D) des données de chargeabilité électrique apparente observée inférieures à 4 mV/V. ... 148 Figure 4.5: A) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre
des données filtrées de résistivité électrique apparente observée (Figure 4.2D). B) Modèle de chargeabilité électrique obtenu de l’inversion libre des données de chargeabilité électrique apparente observée inférieures à 4 mV/V (Figure 4.4D). C) Modèle géocryologique conceptuel (Figure 3.10) le long de la ligne de levé L115. Exagération verticale de 3.2:1. ... 152 Figure 4.6: Modèles de résistivité électrique obtenus de l’inversion libre (A)
ou forcée par les paramètres d’inversion (B) des données filtrées de résistivité électrique apparente observée le long de la ligne de levé L115. Exagération verticale de 3.2:1. ... 156 Figure 4.7: Modèles de chargeabilité électrique obtenus de l’inversion libre
(A) ou forcée par des paramètres d’inversion (B) des données filtrées de chargeabilité électrique apparente observée le long de la ligne de levé L115. Exagération verticale de 3.2:1. ... 157 Figure 4.8: Modèles de résistivité électrique le long de la ligne de levé L115
obtenus de l’inversion libre des données filtrées de résistivité électrique apparente observée (A) et de l’inversion forcée des données filtrées de résistivité électrique apparente observée en tenant compte des contacts cryostratigraphiques (B) et en fixant les valeurs de résistivité électrique des couches (C). Exagération verticale de 3.2:1. ... 161 Figure 4.9: A) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre
des données filtrées de résistivité électrique apparente observée le long de la ligne de levé L115. Le trait blanc identifie la profondeur d’investigation déterminée de la matrice de résolution. B) Résolution de ce modèle. ... 167
xxv
Figure 4.10: A) Modèle géocryologique interprétatif le long de la ligne de levé L115. Les modèles de résistivité électrique (B) et de chargeabilité électrique (C) obtenus de l’inversion libre des données filtrées le long de la même ligne sont fournis pour des fins de comparaison (Figures 4.2D et 4.4D respectivement). Exagération verticale de 3.2:1. ... 170 Figure 4.11: Limites de 1 000 ohm-m déterminées sur les modèles de
résistivité électrique au droit de la butte de pergélisol du site d’étude afin de délimiter le pergélisol riche en glace le long de chacune des sept lignes de levé. Les variations d’élévation observées le long de chaque ligne sont représentées par les lignes noires en trait plein. La même échelle horizontale et la même exagération verticale de 3.2:1 sont utilisées pour toutes les lignes. ... 175 Figure 4.12: Histogramme de distribution des valeurs de résistivité électrique
des prismes rectangulaires du modèle tridimensionnel de résistivité électrique obtenu de l’inversion de la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée du site d’étude. ... 178 Figure 4.13: Vues en coupe du modèle tridimensionnel de résistivité
électrique le long des axes des X (du sud-ouest vers le nord-est) produites par RES3DINV. Chaque vue est équivalente à un modèle bidimensionnel qui représente une portion du modèle tridimensionnel. Par exemple, la première section en haut à gauche (X-Z plane 1) représente une moyenne de la résistivité à des distances entre 0 et 5 m du modèle tridimensionnel. ... 182 Figure 4.14: Vues en coupe du modèle tridimensionnel de résistivité
électrique le long des axes des Y (du sud-est vers le nord-ouest) produites par RES3DINV. Chaque vue est équivalente à un modèle bidimensionnel qui représente une portion du modèle tridimensionnel. Par exemple, la première section en haut à gauche (Y-Z plane 1) représente une moyenne de la résistivité à des distances entre 0 et 2.5 m du modèle tridimensionnel. ... 183 Figure 4.15: Vue en plan à une profondeur de 8 m du modèle
tridimensionnel de résistivité électrique produite par RES3DINV. Le haut de cette vue en plan est orienté vers le nord-ouest. ... 184 Figure 4.16: Représentation tridimensionnelle du modèle de résistivité
électrique de la zone investiguée sous la forme de vues en coupe et en plan qui se recoupent dans un volume prismatique. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de résistivité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. A) Vue en plan. B) Vue en coupe le long de l’axe des X (du sud-ouest au nord-est). C) Vue en coupe le long de l’axe des Y (du sud-est au nord-ouest). D) Assemblage des trois vues en plan et en coupe précédentes. ... 186
xxvi
Figure 4.17: Représentation tridimensionnelle du modèle de résistivité électrique de la zone investiguée sous la forme de surface d’iso-valeurs de résistivité électrique. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de résistivité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. A) Résistivité électrique fixée à 3 000 ohm-m pour faire ressortir l’effet résistif du cœur riche en glace de la butte de pergélisol. B) Résistivité électrique fixée à 5 000 ohm-m pour identifier le contact au socle rocheux à la base du modèle. ... 188 Figure 4.18: Représentation tridimensionnelle du modèle de résistivité
électrique de la zone investiguée sous la forme de volumes composés d’éléments dont la résistivité électrique est supérieure à 3 000 ohm-m. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de résistivité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest... 189 Figure 4.19: Représentation tridimensionnelle du modèle de résistivité
électrique de la zone investiguée sous la forme de prismes de différentes résistivités électriques. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de résistivité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 190 Figure 4.20: Représentation tridimensionnelle du modèle de résistivité
électrique de la zone investiguée selon différents types d’affichage dans Voxler. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de résistivité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest... 191 Figure 4.21: Vues en coupe du modèle tridimensionnel de chargeabilité
électrique le long des axes des X (du sud-ouest vers le nord-est) produites par RES3DINV. Chaque vue est équivalente à un modèle bidimensionnel qui représente une portion du modèle tridimensionnel. Par exemple, la première section en haut à gauche (X-Z plane 8) représente une moyenne de la chargeabilité à des distances entre 35 et 40 m du modèle tridimensionnel. ... 193 Figure 4.22: Vues en coupe du modèle tridimensionnel de chargeabilité
électrique le long des axes des Y (du sud-est vers le nord-ouest) produites par RES3DINV. Chaque vue est équivalente à un modèle bidimensionnel qui représente une portion du modèle tridimensionnel. Par exemple, la première section en haut à gauche (Y-Z plane 2) représente une moyenne de la chargeabilité à des distances entre 2.5 et 5 m du modèle tridimensionnel. ... 194 Figure 4.23: Vue en plan à une profondeur de 8 m du modèle
tridimensionnel de chargeabilité électrique produite par RES3DINV et mis en forme dans SURFER. Le haut de cette vue en plan est orienté vers le nord-ouest. Voir la figure 4.15 pour la vue en plan à une profondeur de 8 m du modèle tridimensionnel de résistivité électrique. ... 196
xxvii
Figure 4.24: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité électrique de la zone investiguée sous la forme de vues en coupe et en plan qui se recoupent dans un volume prismatique. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 198 Figure 4.25: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité
électrique de la zone investiguée sous la forme de vues en coupe et en plan qui se recoupent dans un volume prismatique. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 198 Figure 4.26: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité
électrique de la zone investiguée sous la forme de vues en coupe et en plan qui se recoupent dans un volume prismatique. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 199 Figure 4.27: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité
électrique de la zone investiguée sous la forme de surface d’iso-valeurs de chargeabilité électrique. La chargeabilité électrique a été fixée à 1.5 mV/V. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 200 Figure 4.28: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité
électrique de la zone investiguée sous la forme de volumes composés d’éléments dont la chargeabilité électrique est supérieure à 2 mV/V. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 200 Figure 4.29: Représentation tridimensionnelle du modèle de chargeabilité
électrique de la zone investiguée sous la forme de prismes de différentes chargeabilités électriques. Vue oblique vers le nord-ouest. L’ordonnée du modèle tridimensionnel de chargeabilité électrique se trouve en surface au coin sud-ouest. ... 201 Figure 4.30: Courbes de décroissance du potentiel électrique après l’arrêt
de la circulation du courant électrique mesuré dans la dune de sable au sud-est du site d’étude. Ces mesures ont été effectuées lors des tomographies bidimensionnelles de polarisation provoquée. ... 204 Figure 4.31: Courbes de décroissance du potentiel électrique après l’arrêt
de la circulation du courant électrique mesuré dans les silts non gelés saturés en eau du secteur marécageux autour de la butte de pergélisol du site d’étude. Ces mesures ont été effectuées lors de la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée. ... 204
xxviii
Figure 4.32: Courbes de décroissance du potentiel électrique après l’arrêt de la circulation du courant électrique mesuré dans les silts gelés riches en glace de la butte de pergélisol du site d’étude. Ces mesures ont été effectuées lors de la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée. ... 205 Figure 4.33: Courbes de décroissance du potentiel électrique après l’arrêt
de la circulation du courant électrique mesuré dans les sédiments fluvioglaciaires sous la butte de pergélisol. Ces mesures ont été effectuées lors de la tomographie tridimensionnelle de polarisation provoquée. ... 205 Figure 4.34: Courbes moyennes de décroissance du potentiel électrique
avec les écart-types mesurés dans les quatre faciès géologiques du site d’étude. ... 206 Figure 4.35: Graphique double-logarithmique des courbes de décroissance
du potentiel électrique dans les quatre faciès géologiques du site d’étude. Les symboles colorés présentent les valeurs de la chargeabilité électrique alors que les traits de couleur qui leurs sont associés représentent les droites de régression ajustées aux valeurs de chargeabilité électrique. ... 207 Figure 5.1: Diagraphies de résistivité électrique en forage réalisées
le 17 juillet 2007 le long du câble à électrodes F1 selon les configurations des électrodes du dipôle-dipôle (a = 0.5 m et n = 1) et de Wenner (a = 0.5 m). Diagraphie de résistivité électrique obtenue lors de l’essai de pénétration au cône CPT2 pour des fins de comparaison avec les deux diagraphies précédentes. L’essai CPT2 est celui le plus près des deux câbles à électrodes F1 et F2. La colonne stratigraphique à droite a été inférée de l’interprétation de l’essai CPT2 (voir la section 2.1.7.1 et l’annexe A). ... 219 Figure 5.2: Diagraphies de résistivité électrique en forage réalisées
le 17 juillet 2007 le long du câble à électrodes F2 selon les configurations des électrodes du dipôle-dipôle (a = 0.5 m et n = 1) et de Wenner (a = 0.5 m). Diagraphie de résistivité électrique obtenue lors de l’essai de pénétration au cône CPT2 pour des fins de comparaison avec les deux diagraphies précédentes. L’essai CPT2 est celui le plus près des deux câbles à électrodes F1 et F2. La colonne stratigraphique à droite a été inférée de l’interprétation de l’essai CPT2 (voir la section 2.1.7.1 et l’annexe A). ... 220 Figure 5.3: Tomogramme de la résistivité électrique obtenu par inversion
des données de diagraphies de résistivité électrique réalisées le 17 juillet 2007 sur les câbles à électrodes F1 et F2 avec la configuration des électrodes de Wenner. ... 223 Figure 5.4: Tomogramme de la résistivité électrique obtenu par inversion
des données de diagraphies de résistivité électrique réalisées le 17 juillet 2007 sur les câbles à électrodes F1 et F2 avec la configuration des électrodes du dipôle-dipôle. ... 224
xxix
Figure 5.5: Superposition de la diagraphie de résistivité électrique de l’essai de pénétration au cône CPT2 sur le tomogramme de résistivité électrique obtenu de l’inversion des diagraphies de résistivité électrique selon la configuration des électrodes de Wenner réalisées le 17 juillet 2007 (Figure 5.3). ... 228 Figure 5.6: Tomogramme de la résistivité électrique obtenu de l’inversion
des mesures normales de tomographie forage-forage avec la configuration du dipôle-dipôle réalisées le 17 juillet 2007. Les dipôles de courant et de potentiel se trouvent respectivement sur les câbles à électrodes F1 et F2 avec un espacement inter-électrodes de 1 m et un déplacement des dipôles par intervalle régulier de 0.5 m le long des câbles à électrodes pour effectuer leur balayage. Modèle géocryologique interprétatif du tomogramme de résistivité électrique obtenu de l’inversion des mesures normales de tomographie forage-forage ... 232 Figure 5.7: Tomogramme de la résistivité électrique obtenu de l’inversion
des mesures réciproques de tomographie forage-forage avec la configuration du dipôle-dipôle réalisées le 17 juillet 2007. Les dipôles de courant et de potentiel se trouvent respectivement sur les câbles à électrodes F2 et F1 avec un espacement inter-électrodes de 1 m et un déplacement des dipôles par intervalle régulier de 0.5 m le long des câbles à électrodes pour effectuer leur balayage. Modèle géocryologique interprétatif du tomogramme de résistivité électrique obtenu de l’inversion des mesures réciproques de tomographie forage-forage. ... 234 Figure 5.8: Tomogramme de la résistivité électrique obtenu de l’inversion
des mesures normales et réciproques de tomographies forage-forage avec la configuration du dipôle-dipôle, réalisées en juillet 2007. Modèle géocryologique interprétatif du tomogramme de résistivité électrique obtenu de l’inversion des mesures normales et réciproques de tomographies forage-forage. ... 236 Figure 6.1: Diagraphies de la résistance à la pointe, du rapport de
frottement et de la résistivité électrique dans le pergélisol riche en glace obtenues lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir l’annexe A). ... 239 Figure 6.2: Parties réelle et imaginaire de l’ondelette de Morlet dans le
domaine du temps (modifiée de Torrence et Compo, 1998). ... 244 Figure 6.3: Diagraphie (partie supérieure de la figure) et spectre de
puissance du signal (partie inférieure de la figure) de la résistance à la pointe mesurée dans le pergélisol riche en glace lors de l’essai de pénétration au cône CPT3. ... 246 Figure 6.4: Diagraphie (partie supérieure de la figure) et spectre de
puissance du signal (partie inférieure de la figure) du rapport de frottement mesuré dans le pergélisol riche en glace lors de l’essai de pénétration au cône CPT3... 248
xxx
Figure 6.5: Diagraphie (partie supérieure de la figure) et spectre de puissance du signal (partie inférieure de la figure) de la résistivité électrique mesurée dans le pergélisol riche en glace lors de l’essai de pénétration au cône CPT3. ... 250 Figure 6.6: Diagraphies (partie supérieure des figures) et spectres de
puissance du signal (partie inférieure des figures) de la résistance à la pointe, du rapport de frottement et de la résistivité électrique mesurées dans le pergélisol riche en glace lors de l’essai de pénétration au cône CPT3. ... 252 Figure 6.7: Modèle géocryologique conceptuel d’une lentille de glace de
ségrégation dans un massif de silts gelés pour simuler le fonçage d’un module de résistivité électrique lors d’un essai de pénétration au cône dans le pergélisol riche en glace à l’aide du logiciel DCIPF3D. La résistivité électrique de la glace est de 50 kohm-m alors que celle des silts gelés est de 0.5 kohm-m. Ce modèle peut être inversé de telle façon que la lentille de glace de ségrégation est remplacée par une couche de silts gelés alors que le massif de silts gelés est remplacé par une couche épaisse de glace. Différentes épaisseurs de lentille de glace de ségrégation ont être considérées. ... 256 Figure 6.8: Modèle de résistivité électrique d’une lentille de glace de 2 cm
d’épaisseur dans un massif de silts gelés et diagraphie simulée de résistivité électrique (diagraphies à gauche). Diagraphie mesurée de résistivité électrique lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 (diagraphie au centre). Diagraphie mesurée de la résistance à la pointe lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 et diagraphie du gradient vertical calculé de résistance à la pointe (graphique à droite). Les échelles de profondeur de toutes les diagraphies ont la même amplitude de 0.5 m mais leurs limites sont différentes pour les paramètres simulés (diagraphies à gauche) et ceux mesurés (diagraphies au centre et à droite). ... 259 Figure 6.9: Modèle de résistivité électrique d’une lentille de glace de 5 cm
d’épaisseur dans un massif de silts gelés et diagraphie simulée de résistivité électrique (diagraphies à gauche). Diagraphie mesurée de résistivité électrique lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 (diagraphie au centre). Diagraphie mesurée de la résistance à la pointe lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 et diagraphie du gradient vertical calculé de résistance à la pointe (diagraphie à droite). Les échelles de profondeur de toutes les diagraphies ont la même amplitude de 0.5 m mais leurs limites sont différentes pour les paramètres simulés (diagraphies à gauche) et ceux mesurés (diagraphies au centre et à droite). ... 263
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Figure 6.10: Modèle de résistivité électrique d’une lentille de glace de 10 cm d’épaisseur dans un massif de silts gelés et diagraphie simulée de résistivité électrique (diagraphies à gauche). Diagraphie mesurée de résistivité électrique lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 (diagraphie au centre). Diagraphie mesurée de la résistance à la pointe lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 et diagraphie du gradient vertical calculé de résistance à la pointe (diagraphie à droite). Les échelles de profondeur de toutes les diagraphies ont la même amplitude de 0.5 m mais leurs limites sont différentes pour les paramètres simulés (diagraphies à gauche) et ceux mesurés (diagraphies au centre et à droite). ... 266 Figure 6.11: Modèle de résistivité électrique d’une lentille de glace de 20 cm
d’épaisseur dans un massif de silts gelés et diagraphie simulée de résistivité électrique (diagraphies à gauche). Diagraphie mesurée de résistivité électrique lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 (diagraphie au centre). Diagraphie mesurée de la résistance à la pointe lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 et diagraphie du gradient vertical calculé de résistance à la pointe (diagraphie à droite). Les échelles de profondeur de toutes les diagraphies ont la même amplitude de 0.5 m mais leurs limites sont différentes pour les paramètres simulés (diagraphies à gauche) et ceux mesurés (diagraphies au centre et à droite). ... 268 Figure 6.12: Modèle de résistivité électrique d’une couche de silts gelés
de 10 cm d’épaisseur dans une couche de glace et diagraphie simulée de résistivité électrique (diagraphies à gauche). Diagraphie mesurée de résistivité électrique lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 (diagraphie au centre). Diagraphie mesurée de la résistance à la pointe lors de l’essai de pénétration au cône CPT3 et diagraphie du gradient vertical calculé de résistance à la pointe (diagraphie à droite). Les échelles de profondeur de toutes les diagraphies ont la même amplitude de 0.5 m mais leurs limites sont différentes pour les paramètres simulés (diagraphies à gauche) et ceux mesurés (diagraphies au centre et à droite). ... 270 Figure A.1: Localisation des cinq essais de pénétration au cône réalisés en
juillet 2006 par Fortier et Yu (en préparation) dans la butte de pergélisol du site d’étude. (reproduction de la figure 2.17). ... 297 Figure A.2: Carte de localisation des cinq essais de pénétration au cône
réalisés en juillet 2006 par Fortier et Yu (en préparation) dans la butte de pergélisol du site d’étude (CPT1 à CPT5). (reproduction de la figure 2.18) ... 298 Figure A.3: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT1 réalisé
le 8 juillet 2006 dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures A.1 et A.2 pour la localisation de cet essai). ... 299
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Figure A.4: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT2 réalisé le 18 juillet 2006 dans la butte de pergélisol du site (voir les figures A.1 et A.2 pour la localisation de cet essai). ... 300 Figure A.5: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT3 réalisé
le 3 juillet 2006 dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures A.1 et A.2 pour la localisation de cet essai). ... 301 Figure A.6: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT4 réalisé
le 5 juillet 2006 dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures A.1 et A.2 pour la localisation de cet essai). (reproduction de la figure 2.22). ... 302 Figure A.7: Résultats de l’essai de pénétration au cône CPT5 réalisé
le 17 juillet 2006 dans la butte de pergélisol du site d’étude (voir les figures A.1 et A.2 pour la localisation de cet essai). ... 303 Figure B.1: Courbes de décroissance des chargeabilités électriques
mesurées avec des pots poreux lors du levé de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval. ... 311 Figure B.2: Courbes de décroissance des chargeabilités électriques
mesurées avec des électrodes en acier inoxydable 316 lors du levé de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval. ... 311 Figure B.3: Différences entre les chargeabilités électriques mesurées entre
les pots poreux et les électrodes en acier inoxydable 316 en fonction du temps (levé de polarisation provoquée du 8 juin 2011 à l’Université Laval). ... 312 Figure C.1: Résultats de la tomographie de polarisation provoquée le long
de la ligne de levé L100. A) Modèle de résistivité électrique. Modèles de chargeabilité électrique obtenus de l’inversion (B) des données filtrées et (C) des données inférieures à 4 mV/V. D) Modèle géocryologique interprétatif. Exagération verticale de 3.2:1. ... 317 Figure C.2: A) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre
des données filtrées de résistivité électrique apparente observée le long de la ligne de levé L100. Le trait blanc identifie la profondeur d’investigation déterminée de la matrice de résolution. B) Résolution du modèle de résistivité électrique. ... 318 Figure C.3: Résultats de la tomographie de polarisation provoquée le long
de la ligne de levé L105. A) Modèle de résistivité électrique. Modèles de chargeabilité électrique obtenus de l’inversion (B) des données filtrées et (C) des données inférieures à 4 mV/V. D) Modèle géocryologique interprétatif. Exagération verticale de 3.2:1. ... 319 Figure C.4: A) Modèle de résistivité électrique obtenu de l’inversion libre
des données filtrées de résistivité électrique apparente observée le long de la ligne de levé L105. Le trait blanc identifie la profondeur d’investigation déterminée de la matrice de résolution. B) Résolution du modèle de résistivité électrique. ... 320
