Reconstitution paléolimnologique de l'évolution de l'état trophique de deux lacs de la région minière de Fermont (Québec subarctique, Canada)

Reconstitution paléolimnologique de l'évolution de l'état

trophique de deux lacs de la région minière de Fermont

(Québec subarctique, Canada)

Mémoire

Olivier Jacques

Maîtrise en sciences géographiques

Maître en sciences géographiques (M. Sc. géogr.)

Québec, Canada

Reconstitution paléolimnologique de l'évolution de l'état

trophique de deux lacs de la région minière de Fermont

(Québec subarctique, Canada)

Mémoire

Olivier Jacques

Sous la direction de :

iii

Résumé

L'apparition récurrente d'importantes efflorescences de cyanobactéries à la surface des eaux

des lacs Sans Nom et Carheil (Fermont, Québec subarctique) au cours des dernières années

a soulevé des inquiétudes concernant leur état de santé étant donné que ce phénomène

témoigne normalement d'un processus avancé d'eutrophisation. Des démarches ont été

entreprises en vue de favoriser leur rétablissement. Cependant, peu d'informations étaient

disponibles concernant l'évolution de leur condition limnologique jusqu'à aujourd'hui, ce

qui limitait notre compréhension de la problématique qui les affectait. Le projet de

recherche visait à combler ce manque de connaissances à l'aide d'une approche

paléolimnologique. Les résultats démontrent que les lacs Sans Nom et Carheil sont

demeurés dans un état relativement stable pendant des milliers d'années jusqu'à ce que

débute approximativement l'ère industrielle (~ 1850 AD) et que des changements prennent

progressivement place dans leur condition. Les modifications dans les assemblages de

diatomées (algues microscopiques; classe Bacillariophyceae) préservés dans les sédiments

associés à cette période reflètent vraisemblablement des changements climatiques

régionaux. La dégradation de l'état de santé des lacs n'est cependant évidente qu'à partir des

années 1970 concordant avec l'établissement de la ville de Fermont et le début des rejets

d'eaux usées dans le bassin versant. L'augmentation de l'abondance relative de taxons de

diatomées typiques des milieux enrichis (e.g., Aulacoseira subarctica) et la disparition

presque totale d'espèces indicatrices de bonnes conditions écologiques (e.g., Discostella

stelligera) coïncident avec d'autres changements au niveau d'indicateurs géochimiques

(e.g., ratios carbone/azote) et témoignent de l'augmentation de la productivité primaire des

eaux. Le niveau de détérioration des lacs demeure toutefois modéré, ce qui laisse entrevoir

de bonnes perspectives de rétablissement. Les conclusions présentées dans cette étude

pourront être utilisées par les autorités locales afin d'orienter leurs prises de décision face à

la gestion de la qualité de l'eau des lacs Sans Nom et Carheil.

iv

Abstract

The recurring emergence of important cyanobacterial blooms at the water surface of lakes

Sans Nom and Carheil (Fermont, subarctic Quebec) over the last few years raised concerns

about their health as this phenomenon usually indicates an advanced eutrophication

process. Some actions have been initiated in order to promote their recovery. However,

little information was available concerning the evolution of their limnological condition up

to now, which was limiting our understanding of the problem that was affecting them. This

research project aimed to fulfill this lack of knowledge using a paleolimnological approach.

The results indicate that lakes Sans Nom and Carheil had been relatively stable for

thousands of years until approximately the onset of the industrial era (~ 1850 AD) when

some changes progressively took place in their condition. The modifications in the diatom

assemblages (microscopic algae; class Bacillariophyceae) preserved in the sediments linked

to this period likely reflect regional climatic change. The declining health of the lakes is

however only evident since the mid-1970s which corresponds with the establishment of the

town of Fermont and the beginning of waste water inputs from the catchment. The increase

in the relative abundance of diatom taxa typical of enriched environments (e.g.,

Aulacoseira subarctica) and the almost complete disappearance of species indicative of

good ecological conditions (e.g., Discostella stelligera) coincide with other changes in

geochemical proxies (e.g., carbon/nitrogen ratios) and demonstrate the increase in the water

primary production. The deterioration level of the lakes remains however moderate,

suggesting good prospects for recovery. The conclusions presented in this study may be

used by the local authorities to guide their decision regarding the management of the water

quality of lakes Sans Nom and Carheil.

v

Table des matières

Résumé ... iii

Abstract ... iv

Liste des tableaux ... vii

Liste des figures ... viii

Remerciements ... xiv

1. Introduction ... 1

1.1 Mise en contexte ... 1

1.2 Objectifs spécifiques et hypothèse préliminaire ... 3

2. Concepts généraux ... 4

2.1 Eutrophisation ... 4

2.1.1 Définition, symptômes et conséquences ... 4

2.1.2 Facteurs en cause ... 4

2.1.3 Classification trophique des lacs ... 5

2.2 Paléolimnologie ... 8

2.2.1 Principes théoriques ... 8

2.2.2 Indicateurs physiques ... 9

2.2.3 Indicateurs géochimiques ... 11

2.2.4 Indicateurs biologiques ... 13

3. Site d'étude ... 16

3.1 Situation géographique et contexte géologique ... 16

3.2 Climat et végétation ... 16

3.3 Caractéristiques des lacs et du réseau hydrographique ... 18

3.4 Occupation et activités anthropiques ... 19

3.4.1 Exploitation du territoire ... 19

3.4.2 Traitement et rejets des eaux usées ... 23

3.5 Histoire de la région ... 24

3.5.1 Développement du territoire ... 24

3.5.2 Ralentissements économiques et évolution démographique ... 24

4. Méthodologie ... 26

4.1 Échantillonnage ... 26

4.2 Stratégies d'analyse ... 26

4.3 Datations et chronologie... 27

4.4 Microfluorescence X ... 29

4.5 Perte-au-feu ... 30

4.6 Analyses granulométriques ... 31

4.7 Analyses C-N ... 31

4.8 Analyses diatomifères ... 32

4.8.1 Préparation, identification et comptages ... 32

4.8.2 Représentations graphiques et analyses de zonation ... 33

4.8.3 Reconstitution du phosphore total de l'eau ... 34

5. Résultats ... 37

5.1 Lac Sans Nom ... 37

5.1.1 Description des carottes de sédiments ... 37

5.1.2 Datations et chronologie ... 37

vi

5.1.4 Contenu en eau, matière organique et C-N ... 44

5.1.5 Granulométrie... 46

5.1.6 Assemblages diatomifères ... 47

5.1.6.1 Composition et évolution ... 47

5.1.6.2 Abondance absolue et kystes de chrysophycées ... 50

5.1.6.3 Reconstitution du phosphore total ... 51

5.2 Lac Carheil ... 51

5.2.1 Description des carottes de sédiments ... 51

5.2.2 Datations et chronologie ... 53

5.2.3 Radiographies et composition géochimique élémentaire ... 57

5.2.4 Contenu en eau, matière organique et C-N ... 59

5.2.5 Granulométrie... 60

5.2.6 Caractéristiques des laminations noires ... 62

5.2.7 Assemblages diatomifères ... 62

5.2.7.1 Composition et évolution ... 62

5.2.7.2 Abondance absolue et kystes de chrysophycées ... 67

5.2.7.3 Reconstitution du phosphore total ... 67

6. Discussion ... 68

6.1 Histoire évolutive des lacs ... 68

6.1.1 Origine, état naturel et variabilité passée ... 68

6.1.2 Première phase de changements (~ milieu XIX

e

_{siècle - 1974) ... 71}

6.1.3 Deuxième phase de changements (~ 1974-2015) ... 73

6.2 Degré de transformation et de détérioration ... 74

6.3 Comment expliquer les efflorescences de cyanobactéries ?... 75

6.4 Perspectives de rétablissement et recommandations ... 78

7. Conclusion synthèse ... 81

Références... 82

ANNEXE A : Documentation photographique aérienne ... 98

ANNEXE B : Profilages physico-chimiques de l'été 2015 ... 102

ANNEXE C : Corrélation des carottes courtes et longues de sédiments ... 105

ANNEXE D : Résultats complets des analyses réalisées sur l'intégralité des carottes

longues ... 108

ANNEXE E : Données complètes des comptages de diatomées ... 113

ANNEXE F : Flore diatomifère fossile des lacs Sans Nom et Carheil (planches

photographiques) ... 158

ANNEXE G : Liste des taxons de diatomées inclus dans les regroupements ... 173

ANNEXE H : Résultats des tests d'analogie avec les assemblages de diatomées du Québec

méridional ... 178

vii

Liste des tableaux

Tableau 1. Classes trophiques des lacs selon les intervalles de valeurs utilisés par le

MDDELCC (2018) pour les paramètres de concentration en phosphore totale et en

chlorophylle a de l'eau et de profondeur observable du disque de Secchi (m). Les valeurs

réfèrent aux moyennes estivales (période de stratification thermique de la colonne d’eau). . 6

Tableau 2. Aperçu sommaire des caractéristiques physico-chimiques du lac Sans Nom. À

l'exception de la mesure de la transparence de l'eau obtenue à l'aide du disque de Secchi, les

données s'appliquent aux eaux de surface. ... 22

Tableau 3. Aperçu sommaire des caractéristiques physico-chimiques du lac Carheil. À

l'exception de la mesure de la transparence de l'eau obtenue à l'aide du disque de Secchi, les

données s'appliquent aux eaux de surface. ... 22

Tableau 4. Liste des échantillons datés au

14

C et de leurs âges radiocarbones et calendaires

(réels) respectifs dans la carotte composite SN. ... 41

Tableau 5. Liste des échantillons datés au

14

_{C et de leurs âges radiocarbones et calendaires}

(réels) respectifs dans la carotte composite CAR. ... 56

Tableau E-1. Abondances relatives (%) de l'ensemble des taxons de diatomées recensés

dans la carotte composite CAR (0,0-18,0 cm). ... 114

Tableau E-2. Abondances relatives (%) de l'ensemble des taxons de diatomées recensés

dans la carotte composite CAR (18,0-60,0 cm). ... 125

Tableau E-3. Abondances relatives (%) de l'ensemble des taxons de diatomées recensés

dans la carotte composite SN (0,0-14,0 cm). ... 136

Tableau E-4. Abondances relatives (%) de l'ensemble des taxons de diatomées recensés

dans la carotte composite SN (14,0-44,0 cm). ... 147

Tableau G-1. Liste des taxons de diatomées inclus dans le groupe des petites fragilarioïdes.

... 174

Tableau G-2. Liste des taxons de diatomées inclus dans le groupe des épiphytiques. ... 175

Tableau G-3. Liste des taxons de diatomées inclus dans le groupe des planctoniques... 176

Tableau G-4. Liste des taxons de diatomées inclus dans le groupe des mésotrophes et

viii

Liste des figures

Figure 1. Représentation schématique de l’eutrophisation et des caractéristiques

typiquement associées aux lacs oligotrophes et eutrophes. ... 7

Figure 2. Représentation schématique de l’approche paléolimnologique. Les tranches de

sédiments prélevées à différents niveaux de profondeur sont caractérisées par des

indicateurs biologiques représentatifs des conditions environnementales actuelles (« present

time ») et anciennes dans le bassin versant (tiré de Smol 2008; utilisé avec permission). .. 10

Figure 3. Carte de localisation et de présentation du site d’étude (couches de données :

Ressources naturelles Canada, Statistique Canada et OBV Duplessis). ... 17

Figure 4. Représentation bathymétrique du lac Sans Nom (modifiée de OBV Duplessis

2011). Les flèches bleues représentent les principaux affluents et effluents du lac, alors que

l’étoile rouge marque la localisation du site de carottage. ... 20

Figure 5. Représentation bathymétrique du lac Carheil (modifiée de OBV Duplessis 2011).

Les flèches bleues représentent les principaux affluents et effluents du lac, alors que l’étoile

rouge marque la localisation du site de carottage. ... 21

Figure 6. Évolution de la population de Fermont selon les données de recensement du

Canada de 1976 à 2016 (Statistique Canada 1977-2017). ... 25

Figure 7. Présentation des carottes de sédiments tirées du lac Sans Nom et de la carotte

composite SN. Le trait rouge marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires

qui ont été combinées pour former la carotte composite. ... 38

Figure 8. Courbes d’activité du

210

Pb non-supporté et du

137

Cs dans la carotte SN-1. ... 39

Figure 9. Courbe âge-profondeur de la carotte SN-1 basée sur les résultats obtenus des

analyses au

210

Pb et l’application du modèle CRS. ... 39

Figure 10. Modèle chronologique établi pour la carotte composite SN à l’aide des résultats

des datations au

210

Pb et au

14

C. Le trait rouge sur la photographie marque la séparation

entre les deux séquences sédimentaires qui ont été combinées pour former la carotte

composite. ... 41

Figure 11. Radiographies (radio) et profils de variation géochimique élémentaire obtenus

ix

d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD). ... 42

Figure 12. Profils de variation géochimique (% Eau, % MO, % C, % N, C/N) et

granulométrique (Taille moyenne des grains) de la carotte composite SN. La ligne

pointillée représente l’année d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD), alors que le

trait rouge sur la photographie marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires

qui ont été combinées pour former la carotte composite. ... 45

Figure 13. Profil stratigraphique des taxons communs de diatomées (abondance relative ≥

2,5 % dans au moins un niveau, sauf A. formosa et B. microcephala) préservés dans les

assemblages de la carotte composite SN. La ligne pointillée représente l’année

d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD), alors que la ligne pleine marque la

séparation des deux zones biostratigraphiques (~ 1920 AD). Le trait rouge sur la

photographie marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires qui ont été

combinées pour former la carotte composite. ... 48

Figure 14. Profil stratigraphique des diatomées de type petites fragilarioïdes, épiphytiques,

planctoniques et mésotrophes et eutrophes dans la carotte composite SN. La liste des taxons

constituant chaque groupe peut être retrouvée à l'Annexe G. Les profils de variation du

ratio des kystes de chrysophycées sur les frustules de diatomées, de l'abondance absolue

des valves de diatomées et de la concentration de phosphore total de l'eau inférée à partir

des assemblages diatomifères (PT

inféré

) sont également illustrés. La ligne pointillée

représente l’année d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD), alors que la ligne

pleine marque la séparation des deux zones biostratigraphiques (~1920 AD). Le trait rouge

sur la photographie marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires qui ont été

combinées pour former la carotte composite. ... 49

Figure 15. Présentation des carottes de sédiments tirées du lac Carheil et de la carotte

composite CAR. Le trait rouge marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires

qui ont été combinées pour former la carotte composite. ... 52

Figure 16. Courbes d’activité du

210

Pb non-supporté et du

137

Cs dans la carotte CAR-1. .. 54

Figure 17. Courbe âge-profondeur de la carotte CAR-1 basée sur les résultats obtenus des

analyses au

210

Pb et l’application du modèle CRS. ... 54

Figure 18. Modèle chronologique établi pour la carotte composite CAR à l’aide des

résultats des datations au

210

Pb et au

14

C. Le trait rouge sur la photographie marque la

séparation entre les deux séquences sédimentaires qui ont été combinées pour former la

carotte composite. ... 56

x

Figure 19. Radiographies (radio) et profils de variation géochimique élémentaire obtenus

par microfluorescence X de la carotte composite CAR. La ligne pointillée représente

l’année d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD). ... 58

Figure 20. Profils géochimique (% Eau, % MO, % C, % N, C/N) et granulométrique

(Taille moyenne des grains) de la carotte composite CAR. La ligne pointillée représente

l’année d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD), alors que le trait rouge sur la

photographie marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires qui ont été

combinées pour former la carotte composite. ... 61

Figure 21. Comparaison des caractéristiques associées aux laminations noires (LN) et à la

matrice sédimentaire principale (MP) dans la carotte CAR-2. Les boîtes identifient le 1

er

(Q1) et le 3

e

(Q3) quartiles de la distribution des valeurs, la barre horizontale représente la

médiane et les barres verticales adjacentes définissent l'étendue des données. Pour une

même variable, deux lettres différentes (a et b) indiquent des moyennes significativement

différentes selon le test non-paramétrique de Mann-Whitney, alors que deux lettres

identiques (a et a) indiquent qu'aucune différence statistique n'est existante. Contrairement

au protocole, une quantité de 0,10 à 0,15 g de sédiments a ici été utilisée pour la

perte-au-feu. ... 63

Figure 22. Profil stratigraphique des taxons communs de diatomées (abondance relative ≥

2,5 % dans au moins un niveau, sauf S. hantzschii) préservés dans les assemblages de la

carotte composite CAR. La ligne pointillée représente l’année d'inauguration de la ville de

Fermont (1974 AD), alors que la ligne pleine marque la séparation des deux zones

biostratigraphiques (~1850 AD). Le trait rouge sur la photographie marque la séparation

entre les deux séquences sédimentaires qui ont été combinées pour former la carotte

composite. ... 65

Figure 23. Profil stratigraphique des diatomées de type petites fragilarioïdes, épiphytiques,

planctoniques et mésotrophes et eutrophes dans la carotte composite CAR. La liste des

taxons constituant chaque groupe peut être retrouvée à l'Annexe G. Les profils de variation

du ratio des kystes de chrysophycées sur les frustules de diatomées, de l'abondance absolue

des valves de diatomées et de la concentration de phosphore total de l'eau inférée à partir

des assemblages diatomifères (PT

inféré

) sont également illustrés. La ligne pointillée

représente l’année d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD), alors que la ligne

pleine marque la séparation des deux zones biostratigraphiques (~1850 AD). Le trait rouge

sur la photographie marque la séparation entre les deux séquences sédimentaires qui ont été

combinées pour former la carotte composite. ... 66

Figure A-1. Comparaison du territoire de la ville de Fermont avant sa construction, en

xi

Ministère de l'Énergie et des Ressources naturelles). ... 99

Figure A-2. Comparaison du territoire situé en bordure du Sans Nom en 1949 et en 2013

(photographies : Ministère de l'Énergie, des Mines et des Ressources et Ministère de

l'Énergie et des Ressources naturelles). ... 100

Figure A-3. Évolution du territoire situé en bordure de la partie nord du lac Carheil de

1949 à 2013 (photographies : Ministère de l'Énergie, des Mines et des Ressources et

Ministère de l'Énergie et des Ressources naturelles). ... 101

Figure B-1. Données de profilage de la température et de l'oxygène dissous de la colonne

d'eau du lac Sans Nom au point de carottage (profondeur : 20,6 m) lors de l'été 2015. Les

mesures ont été obtenues à l'aide d'une sonde multiparamétrique de type YSI 650 MDS. 103

Figure B-2. Données de profilage de la température et de l'oxygène dissous de la colonne

d'eau du lac Carheil au point de carottage (profondeur : 10,2 m) lors de l'été 2015. Les

mesures ont été obtenues à l'aide d'une sonde multiparamétrique de type YSI 650 MDS. 104

Figure C-1. Comparaison des profils des carottes SN-1 et SN-2 tirées du lac Sans Nom.

Les résultats de la teneur en eau (A) et en matière organique (B) ne permettent pas d'établir

une concordance entre les deux carottes. Cependant, l'inspection visuelle de leur aspect

stratigraphique (C), ainsi que les variations géochimiques enregistrées au niveau de certains

éléments sélectionnés (D) démontrent clairement qu'aucun décalage n'est existant entre les

deux séquences sédimentaires et que la surface de la carotte SN-2 n'a donc pas été perdue

lors du carottage... 106

Figure C-2. Comparaison des profils des carottes CAR-1 et CAR-2 tirées du lac Carheil.

Les résultats de la teneur en eau (A) et en matière organique (B), de l'inspection

stratigraphique visuelle (C) et des variations géochimiques enregistrées au niveau de

certains éléments sélectionnés (D) démontrent tous qu'un décalage est existant entre les

deux séquences sédimentaires et qu'environ les cinq premiers centimètres de la surface de

la carotte CAR-2 ont été perdus lors du carottage. ... 107

Figure D-1. Radiographies (radio) et profils de variation géochimique élémentaire obtenus

par microfluorescence X de la carotte SN-2. La ligne pointillée représente l’année

d'inauguration de la ville de Fermont (1974 AD). ... 109

Figure D-2. Profils de variation du contenu en eau et en matière organique de la carotte

SN-2. Contrairement au protocole, certains résultats issus de la perte-au-feu pour la portion

supérieure de cette carotte proviennent d'échantillons de sédiments < 0,20 g. ... 110

xii

Figure D-3. Radiographies (radio) et profils de variation géochimique élémentaire obtenus

par microfluorescence X de la carotte CAR-2... 111

Figure D-4. Profils de variation du contenu en eau et en matière organique de la carotte

CAR-2. ... 112

Figure H-1. Dissimilarité moyenne entre les assemblages de diatomées fossiles de chaque

niveau analysé de la carotte composite SN et les assemblages modernes des lacs du Québec

méridional. ... 179

Figure H-2. Dissimilarité moyenne entre les assemblages de diatomées fossiles de chaque

niveau analysé de la carotte composite CAR et les assemblages modernes des lacs du

Québec méridional. ... 179

xiii

A lake is the landscape's most beautiful

and expressive feature. It is the earth's eye;

looking into which the beholder measures

the depth of his own nature.

xiv

Remerciements

Un tel projet de recherche ne serait réalisable sans l'apport de plusieurs personnes.

J'aimerais donc adresser des remerciements à tous les gens et les organismes qui m'ont aidé

de près ou de loin à mener mes travaux de maîtrise. J'aimerais tout d'abord remercier mon

directeur de recherche, Reinhard Pienitz, pour sa disponibilité, son support et sa confiance

tout au long du projet. Je remercie également chaleureusement Ghassen Ibrahim, directeur

général de l'Organisme de bassins versants Duplessis (OBV Duplessis), pour son aide

indispensable sur le terrain avec l'organisation logistique et l'échantillonnage, ainsi que

pour avoir pris le temps de répondre à mes multiples questions sur les lacs et la région de

Fermont. Merci aussi à Reinhard et Ghassen, via l'OBV Duplessis, pour l'attribution de

bourses d'études. À cet effet, je suis également reconnaissant envers l'Association de

protection de la rivière Moisie (APRM) et sa coordonatrice, Ginette Pelletier, ainsi

qu'envers Cliffs Natural Resources Inc. (récemment renommé Cleveland-Cliffs Inc.) pour

leur contribution financière. Je tiens aussi à remercier Michel Hudon, Guy Leblanc,

Richard Désy, Normand Bergeron, Sonny Couturier et la Ville de Fermont pour le matériel

et l'aide logistique sur le terrain.

J'aimerais aussi remercier tous les membres du Laboratoire de paléoécologie aquatique

(LPA) de l'Université Laval (UL) qui m'ont aidé directement ou indirectement avec mon

projet de maîtrise. En particulier, merci à Isabelle Cyr-Parent, Biljana Narancic, Claudia

Zimmermann, Émilie Saulnier-Talbot et Sébastien Bourget, soit pour leur assistance en

laboratoire ou pour leurs commentaires et conseils qui m'auront permis de progresser.

Merci aussi à Dermot Antoniades, professeur au Département de géographie de l'UL, qui a

agi à titre de membre externe sur mon comité d'encadrement à la maîtrise et qui nous a fait

part de son opinion et de son avis scientifique à différentes étapes du projet de recherche. Je

suis également reconnaissant envers Roxane Tremblay (CIMA+) qui a gentiment accepté

que j'utilise son modèle de reconstitution du phosphore total de l'eau et qui m'a envoyé la

procédure et les scripts nécessaires à son application. Je remercie aussi Karine Tessier (UL)

pour l'aide avec la création de la carte du site d'étude; Donald Cayer (UL) pour l'assistance

avec les analyses granulométriques; Guillaume Labrecque (UL) pour les datations et les

xv

analyses C-N; et Arnaud de Coninck (Institut national de la recherche scientifique - Centre

Eau Terre Environnement) pour les analyses avec le scanneur ITRAX.

Je remercie également le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du

Canada (CRSNG) qui a permis le financement du projet de recherche par le biais de fonds

de recherche attribués à Reinhard Pienitz. Merci au Centre d'études nordiques (CEN) et à

l'UL pour le support administratif et logistique du projet.

Finalement, un merci spécial à mon amour et à ma famille qui m'ont toujours encouragé à

suivre mes passions et qui m'ont supporté tout au long de mes études. Enfin, merci

également à tous ceux et celles que j'aurais pu omettre de mentionner ici, mais qui ont tout

de même apporté une contribution quelconque au projet.

1

1. Introduction

1.1 Mise en contexte

L'apparition récurrente d'importantes efflorescences de cyanobactéries à la surface des eaux

des lacs Sans Nom et Carheil de 2005 à 2011 s'est avérée préoccupante pour les habitants

de la ville minière de Fermont (Québec subarctique, Canada). En effet, en plus d'être

directement nuisibles aux activités humaines, les cyanobactéries témoignent normalement

d'un processus avancé d'eutrophisation et de dégradation de la qualité de l'eau (Smol 2008).

Or, les lacs Sans Nom et, surtout, Carheil ont une grande valeur récréotouristique pour la

région et comptent parmi les importants lacs de tête de la rivière Moisie, réputée pour ses

activités de pêche et de descente en embarcation. Dans ce contexte, l'Organisme de bassins

versants Duplessis (OBV Duplessis) a été mandaté afin d'examiner l'état de santé des lacs.

Dans une série de deux rapports (OBV Duplessis 2010, 2011), ils ont conclu que les lacs

Sans Nom et Carheil possédaient des concentrations en phosphore dépassant le critère de

bonne qualité de l'eau fixé à ce moment par le Ministère du Développement durable, de

l'Environnement et des Parcs (MDDEP; Berryman 2006) et qu'ils étaient de toute évidence

enrichis par une source de nature anthropique. Ils ont identifié cet enrichissement en

nutriments comme étant vraisemblablement le principal facteur responsable des

efflorescences de cyanobactéries.

Bien que le travail effectué par l'OBV Duplessis a permis de dresser un portrait récent des

caractéristiques actuelles et fondamentales des lacs et de leur bassin versant, plusieurs

questions demeuraient cependant en suspens concernant leur condition antérieure.

Effectivement, très peu de données étaient disponibles concernant l'état naturel et la

variabilité passée des lacs Sans Nom et Carheil et leur évolution limnologique depuis

l'établissement des populations humaines dans la région suivant la construction de la ville et

le début des activités minières vers le milieu des années 1970. Les seules informations

semblaient provenir d'une étude réalisée en 1976 par Verrette et al. sur le profil écologique

de la rivière Carheil et de ses affluents, incluant le lac du même nom. Ils ont déterminé que

les eaux du bassin étaient à cette époque très claires, diluées, saturées en oxygène et

biologiquement peu productives avec une macrofaune benthique typique des eaux pures.

2

Cependant, leur rapport ne présentait aucune donnée concernant le lac Sans Nom. Par

ailleurs, aucun suivi régulier de la qualité de l'eau n'avait été réalisé sur les lacs de la région

de Fermont depuis ce jour et aucune donnée plus ancienne n'était existante. Or, une bonne

connaissance de l'histoire évolutive des lacs représente un atout majeur permettant d'assurer

une gestion plus efficace de leur état de santé, car elle permet de mieux comprendre les

causes et l'amplitude de leur détérioration (Ford 1989). De cette manière, il est plus facile

de mettre en évidence des éléments à prioriser afin d'améliorer la qualité de l'eau et

d'élaborer des objectifs réalistes de restauration tenant compte des perspectives de

rétablissement des lacs et de leur condition naturelle (Rast et Holland 1988). En 2010, suite

aux problématiques de cyanobactéries, la ville de Fermont a apporté des changements

importants à sa station d'épuration dans le but de réduire la concentration en phosphore des

eaux usées rejetées dans le bassin versant. Auparavant, les eaux n'étaient traitées que par

rétention des matières solides (OBV Duplessis 2011). Sans plus d'informations concernant

l'état historique des lacs Sans Nom et Carheil, il était cependant difficile de prédire si ces

modifications adoptées à la station d'épuration allaient réellement permettre d'améliorer la

qualité de l'eau ou si d'autres interventions seraient nécessaires, par exemple.

La présente étude visait donc à combler le manque critique de connaissances concernant

l'évolution passée des lacs Sans Nom et Carheil dans le but de faciliter la prise de décisions

futures en ce qui a trait à la préservation et le rétablissement de ces plans d'eau. Pour y

parvenir, une approche paléolimnologique a été utilisée. La paléolimnologie se base sur

l'analyse des sédiments des lacs pour reconstituer leur histoire. En absence de données

historiques de suivi de la qualité de l'eau, elle représente une alternative efficace afin de

retracer les informations manquantes (Smol 1992; Pienitz et Vincent 2003). L'approche

paléolimnologique a été utilisée à de nombreuses reprises au cours des dernières décennies

afin d'étudier les cas problématiques de lacs en milieux urbains. Notamment, Laperrière et

al. (2008, 2009) l'ont utilisé afin de retracer l'histoire évolutive du lac Dauriat situé dans la

région minière de Schefferville à environ 225 km au nord de Fermont. Leur étude a permis

de déterminer que l'exploitation minière intensive et les rejets d'eaux usées étaient

responsables de l'eutrophisation accélérée du lac et que beaucoup de temps serait nécessaire

3

avant qu’il retrouve son état écologique initial en dépit de la fermeture des mines et de la

désertion de la ville au début des années 1980.

1.2 Objectifs spécifiques et hypothèse préliminaire

Plus spécifiquement, la présente étude avait pour but de reconstituer l'évolution de l'état

trophique des lacs Sans Nom et Carheil au cours des dernières décennies et derniers siècles.

Elle visait à définir l'état naturel et la variabilité limnologique passée des deux lacs,

déterminer les facteurs responsables de leur dégradation et évaluer leur niveau de

détérioration. L'OBV Duplessis (2010) a identifié les rejets d'eaux usées en provenance de

la ville comme seule source d'importance connue de phosphore. L'hypothèse principale de

cette recherche était donc que le début des rejets suivant la construction de la ville au début

des années 1970 marquerait un point critique dans l'histoire des lacs et le début d'un

processus accéléré d'eutrophisation. Les résultats présentés dans ce mémoire pourront être

utilisés par les autorités et organismes de la région afin de mieux guider les efforts de

gestion de la qualité de l'eau des lacs. D'un point de vue plus général, cette étude permet

également de documenter l'histoire limnologique d'une région encore peu étudiée du

Québec subarctique et d'illustrer l'influence du développement anthropique sur ses

écosystèmes aquatiques. Dans le contexte du Plan Nord du Québec où un important

développement minier pourrait survenir sur le territoire de la province au-delà du 49e

parallèle, de telles connaissances sont importantes afin de prévenir et de limiter d'éventuels

dommages environnementaux.

Le mémoire est divisé en plusieurs chapitres. Le chapitre 2 présente les concepts généraux

associés à l'eutrophisation et à la paléolimnologie. Les caractéristiques du site d'étude sont

ensuite décrites dans le chapitre 3 et permettent de définir le contexte géographique du

projet de recherche. Puis, les chapitres qui suivent présentent l'approche méthodologique

détaillée, les résultats des analyses pour chacun des lacs et une discussion synthèse sur

l'évolution des lacs Sans Nom et Carheil. Les conclusions les plus importantes et des

recommandations sont finalement fournies à la fin du document.

4

2. Concepts généraux

2.1 Eutrophisation

2.1.1 Définition, symptômes et conséquences

L'eutrophisation réfère généralement au processus d'enrichissement en nutriments des

milieux aquatiques. Elle se traduit par une croissance plus importante des algues et des

macrophytes (Smith et al. 1999). Elle favorise également la prolifération des cyanobactéries

souvent sous forme d'efflorescences (ou « blooms ») à la surface de l'eau (Smith 1990).

L'augmentation de la productivité primaire dans les lacs entraîne une plus grande

accumulation de matière organique à la surface des sédiments. Il en résulte une

accentuation des processus de décomposition bactérienne et, par conséquent, une

diminution de la concentration en oxygène dans l'hypolimnion. L'augmentation de

l'abondance du phytoplancton diminue également la transparence de la colonne d'eau

(Wetzel 2001). La pénétration de la lumière dans l'eau est donc réduite. Les changements

associés à l'eutrophisation provoquent une foule de perturbations écologiques majeures au

sein des écosystèmes aquatiques (Mason 1996; Dorgham 2014). De plus, plusieurs types de

cyanobactéries produisent des toxines qui donnent un goût et/ou une odeur désagréable à

l'eau et qui sont néfastes pour la santé humaine (Codd et al. 1999). C'est pourquoi

l'eutrophisation représente souvent un frein majeur aux activités récréotouristiques, telles

que la pêche, la baignade et le nautisme. De ce fait, elle peut également entraîner des

conséquences économiques importantes (Dodds et al. 2009).

2.1.2 Facteurs en cause

Le phosphore (P) et l'azote (N) sont les nutriments clés à la base de la problématique

d'eutrophisation. Ces éléments comptent parmi les constituants fondamentaux des êtres

vivants et sont nécessaires à la productivité primaire. Or, leur concentration dans les

environnements aquatiques est généralement beaucoup plus faible que les besoins des

organismes photosynthétiques, ce qui limite leur développement et leur multiplication

(Istvánovics 2009). En particulier, le phosphore est généralement le principal agent limitant

5

dans les lacs (Schindler 1977) et c'est pourquoi il joue un rôle crucial dans l’eutrophisation

(Correll 1998).

L’eutrophisation est un processus normal dans le cycle de vie de la plupart des lacs et

survient habituellement de manière graduelle sur une longue période de temps. Par ailleurs,

le phosphore et l'azote sont naturellement présents dans l'environnement et sont transportés

dans les lacs via l’atmosphère, les eaux souterraines et le ruissellement à la surface des sols,

par exemple. Il arrive cependant que les activités humaines telles que les rejets d'eaux usées

(source ponctuelle) et les activités agricoles (source diffuse) résultent en un accroissement

massif des apports en nutriments. Par conséquent, les lacs subissent un enrichissement

rapide et, donc, une eutrophisation accélérée (ou vieillissement prématuré). On parle alors

d’eutrophisation culturelle (Smol 2008). Plus rarement, une eutrophisation accélérée peut

également être entraînée par des facteurs naturels, tels que des changements climatiques

(e.g., Brüchmann et Negendank 2004) ou des épisodes importants de feux de forêt (e.g.,

Hickman et al. 1990; Enache et Prairie 2000) ou de morts massives d'arbres (e.g.,

Boucherle et al. 1986; St. Jacques et al. 2000).

2.1.3 Classification trophique des lacs

Les lacs sont généralement classés sous différentes catégories d'état trophique en fonction

de leur concentration en phosphore total (PT) et en chlorophylle a (chl a) et de la

profondeur observable du disque de Secchi, permettant d'estimer le degré de transparence

de la colonne d'eau (OECD 1982). Le tableau 1 présente les intervalles de valeurs utilisés

pour ces paramètres par le Ministère du Développement durable, de l’Environnement et de

la Lutte contre les changements climatiques (MDDELCC) afin de définir les différentes

classes trophiques.

De manière générale, les lacs oligotrophes sont caractérisés par une faible concentration en

nutriments et productivité primaire, un hypolimnion bien oxygéné et des eaux claires et

diluées (Figure 1). À l'opposé, les lacs eutrophes possèdent une concentration en nutriments

6

Classes trophiques

_{Phosphore total}

(μg/L)

Chlorophylle a

(μg/L)

Secchi (m)

Classe principale

Classe secondaire

Ultra-oligotrophe

< 4

< 1

> 12

Oligotrophe

4 - 10

1 - 3

12 - 5

Oligo-mésotrophe

7 - 13

2,5 - 3,5

6 - 4

Mésotrophe

10 - 30

3 - 8

5 - 2,5

Méso-eutrophe

20 - 35

6,5 - 10

3 - 2

Eutrophe

30 - 100

8 - 25

2,5 - 1

Hyper-eutrophe

> 100

> 25

< 1

Tableau 1. Classes trophiques des lacs selon les intervalles de valeurs utilisés par le MDDELCC (2018)

pour les paramètres de concentration en phosphore totale et en chlorophylle a de l'eau et de profondeur

observable du disque de Secchi (m). Les valeurs réfèrent aux moyennes estivales (période de stratification

thermique de la colonne d’eau).

7

Figure 1. Représentation schématique de l’eutrophisation et des caractéristiques typiquement associées aux

8

et une productivité primaire élevées, un hypolimnion anoxique et des eaux turbides. Les

lacs mésotrophes présentent des conditions intermédiaires entre ces deux états trophiques

(Mason 1996; Schindler et Vallentyne 2008).

2.2 Paléolimnologie

2.2.1 Principes théoriques

Les sédiments des lacs sont formés de matériel allochtone et autochtone. La matière

allochtone est produite à l'extérieur du lac et consiste, par exemple, en des particules

érodées et transportées par les cours d'eau affluents ou en des poussières directement

déposées via l'atmosphère. À l'inverse, la matière autochtone est formée à l'intérieur du lac

et provient principalement de la décomposition des macrophytes, algues et autres

organismes aquatiques et de la formation de précipités chimiques créés selon des processus

naturels dans l'eau (O'Sullivan 2003; Smol 2008). Par conséquent, les caractéristiques des

sédiments sont représentatives des conditions environnementales prédominantes au niveau

du lac et de son bassin versant (Håkanson et Jansson 1983). Or, les milieux lacustres

représentent généralement des environnements de faible énergie et sont donc favorables au

dépôt et à l'accumulation temporelle des sédiments selon le principe de superposition des

couches stipulant que pour une séquence sédimentaire non perturbée, les sédiments en

profondeur sont plus vieux et ceux en surface plus récents (Wetzel 2001; Barker 2009). En

étudiant les archives sédimentaires, il est donc possible de reconstituer l'évolution

temporelle d'un plan d'eau et de son milieu environnant.

La paléolimnologie se base sur ces principes afin de retracer, par exemple, les changements

climatiques historiques régionaux et planétaires, ou encore l'historique de la pollution dans

certains milieux lacustres (Cohen 2003; Smol 2008). Elle a notamment permis de mettre en

évidence à plusieurs reprises l'impact des activités humaines, telles que les rejets d'eaux

usées (e.g., Levine et al. 2012), la déforestation et les activités agricoles (e.g., Pan et

Brugam 1997), ainsi que les activités industrielles (e.g., Guilizzoni et al. 2001) et minières

(e.g., Kerfoot et al. 1999) sur l'évolution de la qualité de l'eau des lacs. L'approche

paléolimnologique consiste typiquement à prélever une ou plusieurs carottes de sédiments

9

au fond d'un lac et à étudier les propriétés physiques, géochimiques et biologiques des

différentes couches. Les sédiments en profondeur reflètent son état passé, alors que les

sédiments en surface sont représentatifs de sa condition récente (Figure 2). La chronologie

de la séquence sédimentaire peut être établie de manière précise à l'aide de diverses

méthodes de datation (Last et Smol 2001).

2.2.2 Indicateurs physiques

La variation de la couleur du matériel sédimentaire peut fournir un premier aperçu de

structures et de zones stratigraphiques importantes dans une carotte de sédiments. La teinte

des sédiments est généralement représentative du contenu en matière organique d'un

échantillon (e.g., Soiniemi 1972), mais peut également indiquer des différences au niveau

de la teneur en carbonate, de la concentration en fer ou de l'état d'oxydoréduction,

notamment (Kemp et al. 2001). L'identification des horizons clés est souvent facilitée ou

confirmée à l'aide de mesures quantitatives de la variation du contenu en eau et en matière

organique des sédiments basées sur des méthodes physiques d’analyse (séchage et

combustion).

Le contenu en eau des sédiments varie verticalement dans un lac en fonction du degré de

compaction, mais peut aussi être influencé par différents facteurs, tels que la nature du

matériel sédimentaire, ainsi que les taux de sédimentation et niveaux de bioturbation

actuels et passés (Håkanson et Jansson 1983). La variation du contenu en matière organique

dans une carotte de sédiments est un paramètre important et peut indiquer plusieurs

modifications dans la condition historique d'un lac et de son bassin versant. Elle peut,

notamment, suggérer des changements évolutifs au niveau de la productivité primaire de

l'écosystème. En effet, la plus importante source de matière organique dans les lacs

provient souvent de la mort du phytoplancton, bien que les débris organiques en

provenance du bassin versant peuvent aussi apporter une contribution importante (Meyers

1997). Le pourcentage de matière organique est également influencé par la quantité de

matériel minéral entrant dans le lac (Rowan et al. 1992) et peut donc indiquer une plus forte

érosion au niveau des berges ou du bassin versant, par exemple (e.g., Almquist-Jacobson et

al. 1992; Brown et al. 2000).

10

Figure 2. Représentation schématique de l’approche paléolimnologique. Les tranches de sédiments prélevées à

différents niveaux de profondeur sont caractérisées par des indicateurs biologiques représentatifs des

conditions environnementales actuelles (« present time ») et anciennes dans le bassin versant (tiré de Smol

2008; utilisé avec permission).

11

La texture des sédiments, telle que définie par les caractéristiques des grains (taille, forme,

arrangement) dont ils sont formés, est également un indicateur physique clé. Elle peut

révéler des détails importants concernant la source du matériel sédimentaire, les

mécanismes responsables de son transport et les conditions environnementales physiques,

chimiques et limnologiques passées au site de déposition dans le lac, ainsi que

paléoclimatiques et paléohydrologiques dans le bassin versant (Last 2001). Une

augmentation de la taille des grains dans une carotte de sédiments peut, par exemple,

indiquer une période de plus forte érosion dans le milieu environnant (e.g., Koinig et al.

2003). La densité, la composition minéralogique et la susceptibilité magnétique des

sédiments sont d'autres indicateurs physiques qui sont également parfois utilisés afin

d'approfondir les analyses paléolimnologiques.

2.2.3 Indicateurs géochimiques

Divers indicateurs géochimiques peuvent fournir des détails supplémentaires concernant

l'évolution des écosystèmes lacustres et de leur milieu environnant. En particulier, la

variation de la concentration élémentaire de certains métaux dans les sédiments peut

témoigner de modifications au niveau des processus érosifs ou encore de la condition des

sols et du couvert végétal dans le bassin versant d'un lac. Elle peut également suggérer des

changements au niveau de la productivité primaire d’un plan d'eau ou indiquer l'apparition

de sources polluantes.

Les éléments détritiques, tels que le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg) et

le titane (Ti), proviennent de la dégradation de la roche mère où ils sont typiquement

abondants. Ces éléments sont généralement peu altérés dans les environnements lacustres et

peuvent donc être utilisés afin d'évaluer le lessivage, le développement des sols et l'érosion

dans le bassin versant d'un lac (Engstrom et Wright 1984). L'intensité des processus érosifs

varie selon les activités qui se déroulent sur un territoire et les caractéristiques du sol et de

la végétation qui le recouvre. Un sol mature et couvert résultera en un transport plus faible

d'éléments détritiques vers le lac. À l'inverse, un sol exposé permettra une plus grande

érosion et engendrera des apports plus élevés de métaux dans l'eau et les sédiments.

12

Une augmentation de la concentration de silicium (Si) et d'aluminium (Al) peut également

être indicatrice d'une plus grande érosion (Cohen 2003). Cependant, une bonne proportion

du silicium retrouvé dans les sédiments a plutôt une origine biogénique, c'est-à-dire qu'il

provient d'organismes vivants tels que les diatomées, les chrysophycées et les éponges (voir

section 2.2.4). C'est pourquoi celui-ci peut également être un indicateur de la productivité

primaire (Croudace et al. 2006). Par ailleurs, l'abondance de l'aluminium dans les sédiments

est également en partie dépendante de l'acidité de l'eau alors que la solubilité de cet élément

augmente considérablement à un pH inférieur à 5 (Wetzel 2001). Une variation de la

concentration de l’aluminium dans les sédiments peut donc aussi être indicatrice de

modifications importantes au niveau de l'acidité de l'eau (Boyle 1994).

Le fer (Fe) et le manganèse (Mn) sont deux autres éléments très importants en

paléolimnologie et peuvent témoigner de changements au niveau du potentiel

d'oxydoréduction d'un lac ou du type de végétation présente dans son bassin versant. Le

manganèse et, encore davantage, le fer sont très peu solubles en conditions oxydantes. Ils

auront donc tendance à s'accumuler dans les sédiments de lacs bien oxygénés. Cependant,

au fur et à mesure qu'un lac s'enrichit en nutriments et progresse vers un état trophique

supérieur, la concentration en oxygène à l'interface des sédiments diminue et, par

conséquent, le fer et le manganèse s'accumulent plus difficilement dans les sédiments où ils

sont même libérés, puis dissous dans l'eau (Wetzel 2001). La variation de leur

concentration et de leur ratio (Fe/Mn) dans les sédiments peut donc potentiellement s'avérer

un outil intéressant afin de documenter l'évolution de l'état trophique d'un lac (Smol 2008).

Par contre, une transition vers de plus grandes concentrations en fer et en manganèse peut

également être indicatrice de modifications au niveau du type de végétation dominante dans

un bassin versant (e.g., Engstrom et Hansen 1985). Par exemple, les sols formés par une

végétation de type coniférienne sont propices au développement d'un horizon organique

épais. De tels sols riches sont acides et pauvres en oxygène et ont donc tendance à favoriser

la mobilité du fer et du manganèse qui redeviennent insolubles lorsqu'ils atteignent les eaux

d'un lac bien oxygéné (Engstrom et Wright 1984). Dans de telles conditions, leur

concentration dans les sédiments est plus importante, mais peut être modifiée si des

changements importants surviennent au niveau de la végétation dominante.

13

Les métaux lourds, tels que le chrome (Cr), le cobalt (Co), le cuivre (Cu), le zinc (Zn), le

cadmium (Cd), le mercure (Hg) et le plomb (Pb), présentent un intérêt particulier puisque

leur grande abondance dans les sédiments d'un lac dérive souvent d'activités anthropiques

(Håkanson et Jansson 1983). Les processus industriels et les rejets d'eaux usées et de

déchets peuvent introduire des concentrations importantes de ces éléments dans l'eau.

L'augmentation de la concentration en métaux lourds dans les sédiments de plusieurs lacs

origine d’ailleurs du début de l'ère industrielle (e.g., Thomas 1972; Aston et al. 1973). Les

activités minières sont également souvent reliées à une augmentation des métaux lourds

dans les écosystèmes aquatiques (Förstner et Wittmann 1979).

Finalement, l'analyse de la concentration de certains éléments non métalliques peut

également s'avérer pertinente. Mesurer directement la concentration en carbone (C) et en

azote (N) des sédiments offre notamment un portrait plus précis de la variation de la

concentration en matière organique dans une carotte de sédiments que les méthodes

physiques d’analyse par combustion. De plus, l’analyse du ratio C/N permettra de mieux

détecter les changements dans l'état trophique des lacs. Effectivement, le carbone et l'azote

représentent des composantes fondamentales chez tous les organismes vivants. Ils peuvent

cependant être retrouvés dans des proportions différentes. Le phytoplancton possède

notamment un ratio C/N plus faible que les plantes vasculaires des milieux terrestres. En

analysant les variations du ratio dans une séquence sédimentaire, il est donc possible

d'évaluer les changements au niveau de la contribution relative de chaque source de

matériel organique dans un lac (Meyers 2009). Par exemple, une diminution du ratio C/N

dans les sédiments témoignera d'une plus grande contribution de la biomasse algale et

suggérera donc une hausse de la productivité primaire (e.g., Antoniades et al. 2011).

D'autres indicateurs géochimiques, tels que la composition isotopique des sédiments,

peuvent également être étudiés en parallèle aux autres analyses et fournir de plus amples

détails sur l'évolution des écosystèmes lacustres.

2.2.4 Indicateurs biologiques

Les lacs représentent un riche milieu de vie qui inclut une multitude d'organismes de taille

faible ou microscopique qui jouent un rôle clé au sein des écosystèmes. Plusieurs d'entre

14

eux croissent uniquement sous des conditions limnologiques spécifiques. À la fin de leur

existence, les restes de certains demeurent préservés dans les sédiments lacustres. L'examen

de ces archives offre un énorme potentiel afin de retracer l'évolution des conditions

environnementales dominantes au sein d'un lac et de son bassin versant.

Les diatomées (classe Bacillariophyceae) sont des organismes photosynthétiques

unicellulaires microscopiques formant une composante majeure des communautés d'algues

d'eau douce. Elles sont abondantes, omniprésentes et diversifiées dans les environnements

aquatiques où elles occupent des microhabitats spécifiques et se reproduisent rapidement.

Pour ces raisons, elles forment de bons indicateurs des conditions écologiques au sein d'un

écosystème et peuvent être utilisées afin d'étudier les variations de la qualité de l'eau et de

l'environnement (Smol et Stoermer 2010). De plus, leur exosquelette silicieux est bien

préservé dans les archives sédimentaires, ce qui permet leur utilisation afin de reconstituer

les conditions limnologiques du passé (Battarbee et al. 2001). En particulier, les diatomées

représentent de puissants indicateurs de l'eutrophisation (Hall et Smol 2010). Chaque taxon

de diatomées peut être classé en fonction de ses préférences en lien avec l'état trophique des

lacs (e.g., van Dam et al. 1994). En examinant la succession des taxons dominants

préservés dans les sédiments, il est donc possible de documenter l'évolution de l'état

trophique d'un lac. Plus encore, certains modèles basés sur la composition des assemblages

de diatomées permettent de reconstituer quantitativement l'évolution de la concentration de

phosphore total de l'eau (e.g., Hall et Smol 1996; Tremblay et al. 2014). La variation de la

proportion d'espèces benthiques et planctoniques peut également être utilisée afin d'évaluer

les modifications au niveau de la productivité primaire (e.g., Schelske et al. 1999). Par

ailleurs, les diatomées peuvent aussi permettre la détection de changements au niveau de

l'acidité de l'eau (Battarbee et al. 2010) ou encore de la disponibilité de microhabitats (e.g.,

Reavie et al. 1998), notamment.

Les chrysophycées sont un autre type d'algue silicieuse dont les kystes sont préservés dans

les sédiments et peuvent être étudiés afin de caractériser l'évolution des bassins lacustres

(Smol 1988). En particulier, le ratio de frustules de diatomées en rapport avec la

concentration des kystes de chrysophycées peut s'avérer un bon indicateur d'eutrophisation

15

(Smol 1985). Les restes de plusieurs autres organismes, tels que les cladocères, les

chironomides et les éponges d'eau douce, de même que les pigments photosynthétiques

préservés dans les sédiments, peuvent également être utilisés afin de procéder à des

reconstitutions paléolimnologiques.

16

3. Site d'étude

3.1 Situation géographique et contexte géologique

Les lacs Sans Nom (52°45' N 67° 04' O) et Carheil (52°40' N 67° 05' O) sont situés

quelques kilomètres au sud de la ville de Fermont dans la MRC de Caniapiscau qui fait

partie de la région administrative de la Côte-Nord (Figure 3). La municipalité se trouve en

bordure de la frontière du Labrador à proximité des villes de Labrador City et de Wabush

localisés approximativement 20 km au nord-est. La région fait partie de la ceinture

parautochtone de la province géologique de Grenville appartenant au Bouclier canadien

(Rivers et al. 1989). Elle est également située dans le prolongement de la fosse du Labrador

(ou « orogène du Nouveau-Québec »), riche en gisements de fer (Neal 2000; Corriveau et

al. 2007). Le territoire présente un relief accidenté et est situé à une élévation d'environ 580

à 700 m au-dessus du niveau de la mer.

La roche mère précambrienne est principalement constituée de gneiss, de schistes et

d'unités métasédimentaires de formation de fer comprenant notamment un peu de

carbonates. La roche de fond la plus récente est de composition variable, mais est

généralement formée de gabbros, granites, syénites, migmatites et/ou amphibolites (Clarke

1960; Murphy 1960). Bien que ces formations géologiques affleurent à plusieurs endroits

sur le territoire, elles sont généralement recouvertes par des dépôts meubles pléistocènes et

récents d'argile, de sable, de gravier et de blocs erratiques (Clarke 1960; Murphy 1960).

Suivant la fin de la glaciation wisconsinienne, le retrait de l'indlandsis Laurentidien a

permis de libérer la région des glaces entre 6,8 et 7,5 ka BP (Occhietti et al. 2011).

3.2 Climat et végétation

Le climat de la région est de type continental subpolaire (MDDELCC 2017). Les données

climatiques historiques de 1981 à 2010 de la station du lac Wabush, située à environ 25 km

au nord-est de la ville de Fermont, indiquent une température moyenne annuelle de -3,1 °C

et un total annuel moyen de précipitations de 839,5 mm (pluie : 502,9 mm;

17

Figure 3. Carte de localisation et de présentation du site d’étude (couches de données : Ressources naturelles

18

neige : 336,6 mm). La période de gel s'étire environ de la mi-septembre jusqu’au début du

mois de juin (Environnement Canada 2017).

La végétation fait partie du domaine boréal, plus précisément de la pessière à lichens

(MFFP 2016), et est généralement pauvre en espèces. La forêt est peu dense et présente des

lichens qui croissent en étendue. La faible richesse et diversité de la flore

pourrait être en partie due à l'action dévastatrice de feux de forêt au cours des derniers

siècles (Blondeau et Dignard 2001). Certains auteurs font d'ailleurs part de traces

importantes laissées par un incendie qui serait survenu sur le territoire avant la construction

de la ville de Fermont (Murphy 1960; Dufresne 1975). La documentation photographique

aérienne révèle également que certaines portions du territoire en bordure des lacs Sans Nom

et Carheil étaient dénudées en 1949 et regagnent depuis une végétation progressivement

plus importante (voir Annexe A). Par ailleurs, les sols de la région sont généralement mal

drainés et plusieurs tourbières et marécages sont présents (Bourassa 1977b), ce qui explique

que les plantes arbustives et herbacées retrouvées sont généralement tolérantes aux

conditions humides (OBV Duplessis 2010). D'après le rapport d'herborisation réalisé par

Blondeau et Dignard (2001), les espèces vasculaires les plus fréquentes et abondantes dans

un rayon de 10 km du centre de la ville de Fermont sont l'épinette noire (Picea mariana), le

bouleau glanduleux (Betula glandulosa), le saule à feuilles planes (Salix planifolia), le

bleuet boréal (Vaccinium boreale), le carex brunâtre (Carex brunnescens) et la sanguisorbe

du Canada (Sanguisorba canadensis). La région fait partie de la zone de pergélisol

sporadique (Allard et Seguin 1987). Celui-ci se présente en îlots isolés, le plus souvent dans

les tourbières (Blondeau et Dignard 2001).

3.3 Caractéristiques des lacs et du réseau hydrographique

La ville de Fermont est bordée au sud et à l’est par le lac Daviault (Figure 3). À la sortie de

ce dernier, les eaux circulent dans un petit émissaire avant d’atteindre le lac Sans Nom, puis

le lac Carheil plus en aval. Les eaux empruntent ensuite la rivière Carheil avant de se

déverser dans la rivière aux Pékans et, par la suite, dans la Moisie qui débouche dans le

réseau du fleuve Saint-Laurent à la hauteur de Sept-Îles. Le bassin versant du lac Carheil

19

Le bassin principal du lac Sans Nom présente une longueur approximative de 1,2 km et une

largeur maximale d'environ 0,75 km. La profondeur du lac est en moyenne de 14,9 m et

atteint un maximum de 32 m (OBV Duplessis 2011; Figure 4). En comparaison, le lac

Carheil affiche une taille beaucoup plus grande. Il est composé de deux principaux bassins

et présente une longueur approximative de 18 km avec une largeur maximale d'environ 2

km. La profondeur du lac est en moyenne de 33,9 m et atteint un maximum de 76 m (OBV

Duplessis 2011; Figure 5). En raison de ces dimensions importantes, le lac Carheil serait

caractérisé par une grande inertie (Verrette et al. 1976). Le temps de renouvellement de

l'eau y serait vraisemblablement assez élevé (possiblement quelques années; G. Ibrahim,

comm. pers.).

Les Tableaux 2 et 3 présentent certaines données physico-chimiques collectées aux lacs

Sans Nom et Carheil au cours des dernières années. En général, les eaux des lacs semblent

bien oxygénées en surface et affichent un pH variant de circumneutre à légèrement alcalin,

ainsi qu’une faible conductivité spécifique. Entre 2011 et 2015, des concentrations de

phosphore total variant entre 6 et 16 μg/L pour le lac Sans Nom et 2 et 7 μg/L pour le lac

Carheil ont été mesurées. Des données de profilage physico-chimique de la colonne d’eau

des lacs obtenues à l'été 2015 peuvent être retrouvées à l'Annexe B.

3.4 Occupation et activités anthropiques

3.4.1 Exploitation du territoire

Les activités minières sont le principal moteur économique de la région. Elles sont

essentiellement centrées sur l'exploitation de gisements de fer. La mine à ciel ouvert de

Mont-Wright, située à environ 15 km à l'ouest de la ville et des lacs, représente le plus

important lieu d'activité. Un peu plus au nord, une autre mine à ciel ouvert, celle du lac

Bloom, a vu le jour en 2010. Elle a cependant fermé ses portes vers la fin de l'année 2014

en raison d'un manque de rentabilité et d'importantes amendes reçues en lien avec des

déversements et des rejets illégaux de contaminants dans divers lacs et ruisseaux situés sur

le site de la mine, en dehors du bassin versant des lacs Sans Nom et Carheil. Un dépôt de

20

Figure 4. Représentation bathymétrique du lac Sans Nom (modifiée de OBV Duplessis 2011). Les flèches

bleues représentent les principaux affluents et effluents du lac, alors que l’étoile rouge marque la localisation

du site de carottage.