Plaques de glace permanentes : étude de leurs caractéristiques intrinsèques et de leurs effets sur la dynamique hydrologique et biogéomorphologique des versants du désert polaire arctique

Abstract

Les plaques de glace forment de petites masses de glace et de neige permanentes qui sont considérées comme un stade intermédiaire dans le continuum neige-glacier. Elles sont omniprésentes dans les régions polaires, ce qui leur confère une fonction centrale dans l’hydrologie et la géomorphologie des versants. Pourtant, très peu d’études s’y sont intéressées jusqu’à présent. Acquérir des connaissances sur ces plaques apparait donc essentiel, non seulement pour comprendre leurs caractéristiques intrinsèques, mais aussi parce que cela ouvre des perspectives importantes pour comprendre la dynamique du géosystème polaire. Afin de répondre à ce besoin, cette thèse cherche à établir l'origine et le fonctionnement des plaques de glace à l’île Ward Hunt (Haut-Arctique canadien) et d’en comprendre les effets sur la dynamique de versant du désert polaire. Cette recherche sur les plaques de glace a été guidée par une approche multidisciplinaire, conduisant à des études glaciologiques, nivologiques, hydrologiques et biogéomorphologiques.

Nos résultats ont montré que les plaques de glace se développent par l’aggradation de glace surimposée qui se forme suite au regel de l'eau de fonte à la base de l’accumulation de neige saisonnière. La texture et les propriétés physiques de cette glace varient en fonction de son âge et de l’intensité des processus de recristallisation. La variabilité spatio-temporelle des plaques de glace est principalement contrôlée par la topographie locale et les conditions micrométéorologiques. En hiver, les apports en neige dans les niches topographiques où se forment les plaques de glace sont assurés par le vent. En été, l’intensité de l’ablation est fortement influencée par le vent et le brouillard, qui modulent les échanges d’énergie à la surface des plaques. L'évolution des plaques de glace se caractérise par une stabilité à long terme due à un mécanisme d'autorégulation du bilan de masse assuré par le contexte topoclimatique. Cependant, en raison de leur petite taille, les plaques de glace peuvent disparaître rapidement lorsque l'ablation estivale dépasse un seuil à partir duquel les conditions topoclimatiques ne peuvent plus assurer leur préservation. À Ward Hunt, la présence des plaques de glace depuis au moins plusieurs siècles fait qu’elles ont fortement contribué au développement des versants. Les apports durables en eau et sédiments qui en découlent en été ont enclenché une suite de processus abiotiques et biotiques azonaux dans les marges pronivales. Il en a résulté la formation de systèmes biogéomorphologiques qui consistent en des lobes de solifluxion et des milieux humides colonisés par de la végétation et un couvert de croute biologique. Les modifications morphologiques et physiques du sol en aval des plaques de glace influencent le régime thermique de surface et les profondeurs de dégel. En outre, le développement des zones humides entraine une modification locale des propriétés physiques de la neige en exacerbant le métamorphisme cinétique qui aboutit à la croissance d’une couche de givre de profondeur à la base du manteau neigeux.

En apportant une compréhension holistique des plaques de glace polaires, cette thèse permet des avancées empiriques et conceptuelles importantes qui contribuent à mieux comprendre la dynamique du géosystème de désert polaire à un moment charnière où ces environnements subissent en transition rapide en réponse au changement climatique.

Ice patches are small perennial masses of ice and snow that are considered as part of the continuum between seasonal snow and glacier. They are ubiquitous in the Polar Regions, which gives them an important function in slope hydrology and geomorphology. Ice patches have, however, received very little scientific attention so far. Gaining new knowledge on these cryospheric elements thus appears essential, not only to understand their intrinsic characteristics, but also because it holds important perspectives for understanding the dynamics of the polar geosystem. To address this need, this thesis aims to investigate the origin and functioning of the ice patches at Ward Hunt Island (Canadian High Arctic) and to understand their effects on polar desert slope dynamics. This research on ice patches was guided by a multidisciplinary approach, involving glaciological, snow, hydrological and biogeomorphological studies. Our results demonstrated that ice patches develop through the aggradation of superimposed ice that forms by the refreezing of meltwater at the base of the seasonal snowpack. The texture and physical properties of this ice vary according to its age and the intensity of recrystallization processes. The spatio-temporal variability of ice patches is mainly controlled by local topography and micrometeorological conditions. In winter, the snow supply to the topographic niches where ice patches form is provided by the wind. In summer, the intensity of ablation is strongly influenced by wind and fog, which modulate energy exchange at the surface of the patches. The evolution of ice patches is characterized by long-term stability due to a self-regulating mass balance mechanism provided by the topoclimatic context. However, because of their small size, ice patches can disappear very quickly when summer ablation exceeds a threshold at which topoclimatic conditions can no longer ensure their preservation. At Ward Hunt Island, the presence of the ice patches for at least several centuries makes them important drivers of slope development. Sustained meltwater and sediment supplies delivered by ice patches to their pronival margin have triggered a sequence of abiotic and biotic azonal processes. This led to the formation of a biogeomorphic system, consisting of solifluction lobes and humid zones colonized by vegetation and an organic crust cover. Morphological and physical changes in the soil downslope of the ice patches influenced the surface thermal regime and thaw depths. Furthermore, our results show that the humid zone development leads to a local modification of the physical properties of snow by enhancing kinetic metamorphism responsible for the growth of a depth hoar layer at the base of the snowpack. Through a comprehensive understanding of polar ice patches and their effects, this thesis provides important empirical and conceptual advances that contribute to a better understanding of polar desert geosystem dynamics at a pivotal time when these environments are undergoing a rapid transition in response to climate change.