Cartographie haute résolution des formes périglaciaires au sommet
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Cartographie haute résolution des formes périglaciaires au sommet
Cartographie haute résolution des formes périglaciaires au sommet du Mont Jacques-Cartier, Gaspésie. Rapport Final Présenté à : La société géographique royale du Canada Par : Myriam Hotte Département de Géographie Faculté des Arts et Sciences Université de Montréal 11 juillet 2011 Résumé Le pergélisol sporadique du sommet du Mont Jacques-Cartier en Gaspésie est étudié depuis plus de 30 ans. Actuellement, les recherches sont orientées vers la compréhension de la dynamique des processus périglaciaires et la répartition spatiale de cet îlot de pergélisol. En raison de leur morphologie et de leurs propriétés géotechniques distinctes, les formes périglaciaires (felsenmeer, coulées de blocs et polygones à triage) présentes sur le Mont Jacques-Cartier influencent son régime thermique de façon différente. Afin de modéliser le régime thermique du pergélisol à l’échelle du sommet du Mont Jacques-Cartier, une connaissance de la répartition et de la proportion des formes périglaciaires dans le paysage est requise. Les objectifs de cette recherche consistent en : 1) la production d’une carte géomorphologique haute résolution des formes périglaciaires; 2) analyser les patrons de distribution des formes périglaciaires en fonction de la microtopographie locale; 3) obtenir une représentation 3D de la carte produite. Une photo aérienne infrarouge à l’échelle 1:15 000 orthorectifiée a été utilisée afin de réaliser la cartographie. L’analyse de cette carte a principalement révélé un agencement des formes en fonction de la position sur le versant et de la pente. L’utilisation d’un modèle d’élévation numérique à l’échelle 1:20 000 a permis d’examiner le lien entre les formes et la pente ainsi que d’identifier les zones permettant la formation des différentes formes périglaciaires. Une représentation 3D de cette cartographie a aussi été réalisée, facilitant la visualisation des formes sur le sommet et l’analyse des patrons. Enfin, les résultats de cette recherche seront utilisés dans le cadre d’un projet futur pour l’élaboration d’un modèle numérique de transfert de chaleur conductif tridimensionnel qui couvrira la totalité du Mont Jacques-Cartier. 2|Page Table des matières Résumé ....................................................................................................................................................................2 1. Introduction .....................................................................................................................................................5 1.1 Revue de littérature ........................................................................................................................................6 1.1.1 Le pergélisol sporadique alpin ..........................................................................................................6 1.1.2 Les formes périglaciaires ..................................................................................................................8 1.1.3 Les propriétés thermiques des formes périglaciaires ................................................................... 11 1.2 Question de recherche et objectifs ............................................................................................................. 12 2. Le site à l’étude ............................................................................................................................................. 12 2.1 3. Mont Jacques-Cartier............................................................................................................................. 12 La méthode ................................................................................................................................................... 14 3.1 Interprétation de photographies aériennes et cartographie des formes périglaciaires. ....................... 14 3.2 Campagnes de terrain ........................................................................................................................... 14 3.3 Caractérisation des formes périglaciaires ............................................................................................. 15 3.3.1 3.4 4. 5. La pente ......................................................................................................................................... 15 Représentation 3D de la carte ............................................................................................................... 16 Résultats ........................................................................................................................................................ 17 4.1 Carte haute résolution des formes périglaciaires .................................................................................. 17 4.2 Analyses statistiques et caractérisation des formes .............................................................................. 19 4.3 Représentation 3D de la carte ............................................................................................................... 26 Discussion ...................................................................................................................................................... 27 5.1 Analyse de la carte et des pentes .......................................................................................................... 27 5.2 Le pourcentage de recouvrement par type de forme ............................................................................ 29 5.3 Les microtopographies .......................................................................................................................... 30 5.4 La taille des formes périglaciaires ......................................................................................................... 31 5.5 La représentation 3D ............................................................................................................................. 31 Remerciements ..................................................................................................................................................... 33 Bibliographie ......................................................................................................................................................... 34 3|Page Liste tableaux Tableau 1: Statistiques de pente par type de forme.............................................................................................. 19 Tableau 2: Aires et pourcentages de recouvrement par forme et couvert végétal ............................................... 22 Tableau 3: Synthèse des superficies de recouvrement de certaines formes et du couvert végétal ...................... 23 Tableau 4: Hauteur maximale atteinte dans chaque polygone ............................................................................ 23 Tableau 5: Tailles de polygones avec et sans la marge et moyenne des marge par polygone ............................. 25 Liste des figures Figure 1: Répartition du pergélisol au Québec (Ressources Naturelles Canada, Atlas du Canada 1999) ................5 Figure 2 : Pergélisol alpin. 1) pergélisol; 2) absence de pergélisol; 3) limite. (Cheng, 2004) ...................................7 Figure 3: Patron de formes selon le degré de pente (Mann, 2003) ..........................................................................9 Figure 4: Processus de gélifraction ........................................................................................................................ 10 Figure 5: Variation des températures entre un sol minéral et une pente de blocs. ( Harris et Pederson, 1998)... 11 Figure 6: Situation géographique du Mont Jacques-Cartier (Pilote, 2010) ........................................................... 13 Figure 7: Carte haute résolution des formes périglaciaires du Mont Jacques-Cartier .......................................... 17 Figure 8: Proportion de polygones en fonction de la pente................................................................................... 21 Figure 9: Proportion de champs de blocs en fonction de la pente......................................................................... 21 Figure 10: Proportion des zones de transition en fonction de la pente ................................................................. 21 Figure 11: Proportion de coulées de blocs sans végétation en fonction de la pente............................................. 21 Figure 12: Proportions de coulées de blocs en fonction de la pente ..................................................................... 21 Figure 13: Proportion de krummholz en fonction de la pente ............................................................................... 21 Figure 14: Proportion de végétation courte en fonction de la pente .................................................................... 22 Figure 15: Microtopographie de trois polygones adjacents .................................................................................. 24 Figure 16: Microtopographie d'un polygone ......................................................................................................... 24 Figure 17: Coulées de blocs avec végétation Mont Jacques-Cartier...................................................................... 25 Figure 18: Représentation 3D de la carte des formes périglaciaires: versant Ouest............................................. 26 Figure 19: Représentation 3D de la carte des formes périglaciaires: versant Est ................................................. 26 4|Page 1. Introduction Le pergélisol est un phénomène très présent sur le territoire québécois, dont il occupe le tiers de la superficie (Allard et Séguin, 1987). Il est classé en diverses catégories en fonction de son abondance sur le territoire (Figure 1), qui répond essentiellement aux températures de l’air . Ces catégories se positionnent donc dans le paysage québécois selon un gradient climatique qui est fonction de la latitude. En suivant un transect allant du nord vers le sud, on rencontre, le pergélisol continu, dont la limite meridionale est caractérisée par l’isotherme de température annuelle moyenne allant de -6° à -8°, le pergélisol discontinu, dont la limite sud est rattachée à l’isotherme de -1°, puis le pergélisol sporadique qui répond principalement à des Figure 1: Répartition du pergélisol au Québec conditions locales et non latitudinales (French, 2007). (Ressources Naturelles Canada, Atlas du Canada 1999) Le pergélisol sporadique est constitué d’îlots dont la présence est intimement liée aux conditions de terrain nécéssaires à leur maintien ou à leur développement. Ce travail de recherche porte sur le pergélisol sporadique alpin marginal qui, comme son nom l’indique, s’observe rarement sur le territoire québécois. Le sud du Québec comporte quelques uns de ces îlots, dont le plus connu est le pergélisol des Monts McGerrigle, en particulier celui du Mont Jacques-Cartier dans les Chic-Chocs (Gray et Brown, 1979; Gray et al. 2009). Le sommet du Mont du Lac des Cygnes, dans la région de Charlevoix, comporte une petite tourbière à pergélisol (940 m d’altitude) (Payette, 1984, Barrette, 2007). Cette dernière a subi une forte dégradation, depuis les années 80, et la lentille de pergélisol qu’elle contient s’est sévèrement déteriorée (Allard et Fortier, 1990; Barrette, 2007). Il existe également d’autres îlots situés plus au sud, sur les plus hauts sommets des Appalaches en Nouvelle-Angleterre, 5|Page notamment le pergélisol du Mont Washington, aux États-Unis (Antevs, 1932 dans Péwé, 1983). Celui-ci comporte un modelé périglaciaire semblable quoique moins développé que celui du Mont Jacques-Cartier (Gaumond et Hamelin, 1959). Le pergélisol sporadique du sommet du Mont Jacques-Cartier en Gaspésie est étudié depuis plus de 30 ans. Actuellement, les recherches sont orientées vers la compréhension des facteurs de terrain locaux qui permettent le maintien du pergélisol à une altitude relativement faible (1268 m) et à une position latitudinale méridionale. En lien étroit avec la présence du pergélisol sur ce sommet, on retrouve un modelé périglaciaire important et bien développé. Plusieurs formes périglacaires y sont présentes, notamment des polygones de triages, des coulées de blocs ainsi que des champs de blocs ou felsenmeer. Les formes périglaciaires structurent le paysage du Mont Jacques-Cartier et, en raison de leur morphologie et de leurs propriétés géotechniques distinctes, elles influencent de façon différentielle le régime thermique du pergélisol (Harris et Perderson, 1998; Gorbunov et al, 2004; Marchenko et al, 2007; Sawada et al, 2002,). Ainsi, une connaissance détaillée de la répartition et de la proportion des formes périglaciaires dans le paysage est requise afin de modéliser la distribution et le régime thermique du pergélisol à l’échelle du sommet du Mont Jacques-Cartier (Gray et al. 2009; Mazerolle 2010). 1.1 Revue de littérature 1.1.1 Le pergélisol sporadique alpin L’occurrence du pergélisol sporadique alpin est fonction de nombreux facteurs de terrain dont les plus importants sont la topographie, l’orientation, la végétation et le couvert nival (Cheng, 2004 ; Brown, 1979). Ces divers aspects ont été pris en compte lors de l’élaboration d’un système d’information géographique (SIG) présentant la distribution probable du pergélisol dans la région du Mont Jacques-Cartier (Godin, 2009). Ce SIG 6|Page a permis d’identifier le mont de la Passe, le Petit mont Saint-Anne, le mont Richardson et le mont Les Cônes comme étant susceptibles de posséder un îlot de pergélisol. La topographie La distribution altitudinale du pergélisol répond au gradient climatique en montagne induit par l’altitude et le refroidissement adiabatique de l’air (figure 1). L’orientation des versants et leur exposition au rayonnement solaire ainsi qu’aux vents dominants sont également des facteurs influençant fortement la distribution du pergélisol sporadique de montagne (Gorbunov 1978). Effectivement, les versants sud sont moins favorables à la présence de pergélisol, en opposition aux versants nord, en raison d’une Figure 2 : La répartition du pergélisol alpin. 1) pergélisol; 2) absence de pergélisol; 3) limite. (Cheng, 2004) plus grande exposition au rayonnement solaire qui influence les cycles de gel et de dégel et la température moyenne annuelle du sol. L’exposition du sommet et des versants aux vents d’hiver dominants est un autre facteur important de la dynamique du pergélisol de montagne, car elle limite l’épaisseur de neige sur les sommets, ce qui favorise la perte de chaleur en surface. La variabilité de l’abondance du pergélisol s’explique par la pente qui joue, elle aussi, sur la quantité de radiation solaire reçue sur le versant (Cheng 2004). À l’échelle microtopographique, la distribution du pergélisol est fonction de la nature du substrat et des propriétés géotechniques et géothermiques du sol (Brown et Péwé, 1973). L’altitude, la topographie, l’orientation et l’exposition sont donc des aspects structuraux importants pour la présence et la distribution du pergélisol sporadique de montagne. 7|Page La végétation La végétation arbustive a un impact négatif sur le régime thermique du pergélisol, car elle favorise l’accumulation de neige, ce qui réduit la perte de chaleur du sol en hiver (Gray et Brown, 1982). Dans le cas d’un pergélisol sporadique de montagne comme celui du Mont Jacques-Cartier, la présence d’arbres et d’arbustes est donc une condition limitant la présence du pergélisol (Gray et al. 2009). Dans certains cas, des glaciers rocheux en bas de versant permettent la présence du pergélisol à un niveau plus bas que la limite altitudinale locale (Cheng 2004). En Gaspésie, le glacier rocheux du Lac aux Américains est considéré inactif et, par conséquent, la distribution du pergélisol y est essentiellement reliée à l’altitude et la végétation (Masse, 2008). Le couvert nival La neige a un rôle isolant et réduit donc la perte de chaleur du sol pendant la saison froide, ce qui entraîne une augmentation de la température moyenne annuelle du sol (Goodrich, 1982). Il est alors nécessaire d’avoir un couvert de neige minimal pour permettre la présence de pergélisol. Dans le cas du Mont Jacques-Cartier, la forte exposition aux vents d’hiver dominants permet de maintenir un couvert de neige de quelques décimètres au sommet en comparaison avec un couvert pouvant atteindre 2 mètres dans la zone de Krummholz et quelques mètres dans la zone arborescente (Gray et Brown, 1982). 1.1.2 Les formes périglaciaires Le domaine périglaciaire se définit par la présence de pergélisol, mais aussi par la présence de formes dont la structure et l’origine sont reliées à l’action du froid. Quelques-unes de ces formes sont présentes au sommet du Mont Jacques-Cartier. Les principales formes périglaciaires qu’il est possible d’y observer sont les polygones de triage, les coulées de blocs et les champs de blocs. 8|Page Les polygones de triage et coulées de blocs Bien que ces deux formes aient une allure différente, elles sont regroupées sous la même famille de formes périglaciaires nommées patterned ground. Ce type de forme nécessite la présence de particules fines et grossières. Celles-ci mèneront à la formation de patrons suite à un remaniement par le triage des particules en raison des cycles de gel et de dégel, du soulèvement gélival, du tassement différentiel, de la déformation et du fluage du sol gelé (Kessler et Werner, 2003). Les polygones de triage se développent normalement sur des surfaces dont la pente est très faible, soit près de 0° (Washburn, 1979). Ils ont une origine polygénétique et plusieurs mécanismes peuvent entraîner la formation de polygones ayant une apparence semblable, ce qui rend leur explication difficile (Washburn, 1979). Les cycles de gel et de dégel induisent un mécanisme rappelant un mouvement de convection qui entraîne le mouvement des blocs de roches gélifractées vers la surface (Washburn, 1979). Kessler et Werner (2003) soulignent que certains phénomènes clés sont à la base de la formation des polygones, par exemple la gravité. Les blocs arrivés en surface migrent vers les marges et entraînent la concentration des particules fines au centre des polygones (Washburn 1979, Kessler et Werner 2003). D’autre part, le type de matériel parental, l’humidité du sol et le climat interfèrent dans les processus de formation des polygones et suggèrent des patrons d’organisation différents (Washburn, 1979). Les coulées de blocs résultent des mêmes phénomènes de gélifraction et de triage que les polygones, en plus de subir l’influence plus marquée de la gravité qui entraîne une élongation des formes. On observe généralement les coulées de blocs sur des pouvant varier entre 4° pentes et 11° Figure 3: Patron de formes selon le degré de pente (Mann, 2003) 9|Page (Goldthwait, 1976). La forme intermédiaire entre les polygones et les coulées se nomme guirlande et se développe sur des pentes allant de 3° à 6° C (Goldthwait, 1976). Les champs de blocs (felsenmeer) Les champs de blocs sont très communs en milieu périglaciaire et ils peuvent donner des indices quant aux limites atteintes lors de glaciations antérieures (Sellier, 1995). Ils proviennent de l’altération, sur place, du substrat rocheux. L’altération in situ de la roche résulte de plusieurs processus combinés d’altération physique et chimique. En milieu périglaciaire, l’action du froid se manifeste par la Figure 4: Processus de gélifraction Source : http://geophysics.ou.edu/geol1114/ notes/weathering/wx_soil.html gélifraction du roc qui résulte du gel de l’eau dans la porosité et les fissures de la roche, les cycles de gel et de dégel et la contraction et l’expansion thermique de la roche (Washburn, 1976). En général, les champs de blocs consistent en une couche de régolithe qui recouvre une matrice de particules plus fines (sables, silts, argiles) dérivée de l’horizon de blocs supérieur. Le taux de développement des champs de blocs n’est pas très bien connu, mais on suppose que l’origine de nombreux champs de blocs serait préglaciaire (Rea et al, 1995). Ils se développent sur des pentes pouvant aller jusqu’à 25°. Au-delà de 10° de pente, on les désigne comme pentes de blocs (block slopes) et, sur des pentes dépassant 25°, ils forment des talus (Rea et al, 1995). 10 | P a g e 1.1.3 Les propriétés thermiques des formes périglaciaires Les formes périglaciaires composées de blocs, telles que les champs de blocs et les coulées de blocs, ont une incidence sur le régime thermique du sol. Des mesures prises en Alberta, dans des block slopes, ont révélé une différence de température au sol allant de 4° à 7° C plus froide dans les zones couvertes de blocs, en comparaison avec les zones de sols minéraux avoisinants (Figure 5) Figure 5: Variation des températures entre un sol minéral et une pente de blocs. ( Harris et Pederson, 1998) (Harris et Pederson, 1998). Ce refroidissement est dû au transfert de chaleur convectif se produisant lorsque l’air froid pénètre dans les cavités du matériel rocheux. L’air froid, plus dense favorise alors l’évacuation de l’air chaud, plus léger (Balch, 1900). La réponse thermique induite par ce processus est immédiate, et ce, jusqu’à une profondeur minimale de 50 centimètres (Harris et Pederson, 1998). Le même type d’effet a pu être observé dans des coulées de blocs en Chine où les températures étaient de 2,5° à 4° C plus froides que la moyenne annuelle des températures de l’air (Gorbunov et al. 2004). Ces études ont démontré que l’impact thermique des coulées de blocs peut entraîner le refroidissement du sol minéral en marge des formes sur une distance d’environ 15 mètres. En hiver l’évacuation de l’air chaud en haut de versant survient via des ``cheminées’’ dans le couvert de neige et pendant l’été, l’air froid est évacué vers le bas de versant en raison de sa densité plus élevée (von Wakonigg, 1996 dans Harris et Pederson, 1998). L’absorption de la chaleur latente lors de l’évaporation de l’eau ou de la fonte de la glace a également un effet refroidissant sur les blocs à proximité. Ces formes permettent donc au pergélisol de se maintenir à des températures moyennes annuelles de l’air légèrement positives. Il est primordial d’inclure ce phénomène dans les efforts de modélisation et de 11 | P a g e cartographie du pergélisol sporadique de montagne comme celui du Mont Jacques-Cartier (Harris et Pederson, 1998; Mazerolle, 2010). 1.2 Question de recherche et objectifs L’équipe de recherche travaille actuellement à obtenir les données nécessaires à la réalisation d’un modèle thermique 3D du pergélisol du Mont Jacques-Cartier. Ce modèle permettra de répondre aux questions suivantes : Quelle est la dynamique et la répartition du pergélisol sur le Mont Jacques-Cartier et dans les Chicchocs ? Quelle sera la réponse du pergélisol sporadique de montagne des Chic-Chocs aux changements climatiques (GIEC 2007, 1996) ? L’élaboration de ce modèle thermique 3D nécessite une cartographie détaillée des formes périglaciaires. Les objectifs de cette recherche sont donc: 1) produire une carte géomorphologique à haute résolution des formes périglaciaires au sommet du Mont Jacques-Cartier; 2) analyser les patrons de distribution des formes périglaciaires en fonction de la microtopographie locale ; 3) produire une représentation 3D de la carte des formes périglaciaires. 2. Le site à l’étude 2.1 Mont Jacques-Cartier Le Mont Jacques-Cartier est situé dans la péninsule Gaspésienne, plus précisément dans le Parc National de la Gaspésie (Figure 6). Le relief de la région est caractérisé par le pluton des monts McGerrigle, qui lui confère une topographie particulière où l’on retrouve plusieurs sommets ayant une altitude supérieure à 1000 mètres. Le Mont Jacques-Cartier domine avec son altitude de 1268 mètres, ce qui rend possible, malgré la latitude, la présence d’une faune et d’une flore caractéristiques de la toundra alpine. Le complexe intrusif des McGerrigle 12 | P a g e date du Dévonien et est unique en Gaspésie (de Römer, 1973). La lithologie est composée de six types de roches observables sur les différents monts. Le Mont Jacques-Cartier, quant à lui, est composé de roches hybrides, principalement de la syénite (de Römer, 1973). Figure 6: Situation géographique du Mont Jacques-Cartier (Pilote, 2010) Le plateau du Mont Jacques-Cartier constitue un terrain d’étude des plus intéressants, car il offre la possibilité d’étudier un îlot de pergélisol sporadique alpin facilement accessible. Son sommet se situe au-delà de la limite altitudinale des arbres, ce qui l’expose à être constamment balayé par les vents et induit une température annuelle moyenne plus basse favorisant, outre la faune et la flore particulière, l’observation de plusieurs formes typiques des milieux périglaciaires, tels que les polygones de triages, les coulées de blocs et les champs de blocs ou felsenmeer. 13 | P a g e 3. La méthode 3.1 Interprétation de photographies aériennes et cartographie des formes périglaciaires. L’interprétation géomorphologique a été réalisée à partir de photographies aériennes infrarouges à l’échelle 1 : 15 000. L’infrarouge a été retenu, car il permet de bien distinguer la végétation de la roche, ce qui était la principale caractéristique recherchée pour la réalisation de ce travail. La photographie aérienne a été orthorectifiée à l’aide du logiciel SIGIS et des mesures de terrain au GPS différentiel ont permis de renforcer la géorectification. Les données ont été importées dans un système d’information géographique (ArcGIS 9.3 d’ESRI) où chaque type de forme est représenté par une couche. Les coulées de blocs, les polygones de triages et les champs de blocs ont été numérisés manuellement à partir de la photo infrarouge orthorectifiée, dont un pixel représentait 0,25 mètre. Les zones dont l’interprétation était incertaine ont été, en partie, validées sur le terrain par l’auteure de cette étude. Le pourcentage de recouvrement pour chaque type de forme a, quant à lui, été calculé avec l’aire des polygones créés pour la cartographie sur le total de la zone cartographiée. La construction des graphiques de proportion de formes en fonction de la pente est basée sur la valeur moyenne des degrés de pente obtenus pour chaque type de forme. Trois classes sont représentées dans chaque graphique. La classe centrale représente la valeur moyenne plus un écart-type au dessus et un en dessous. Les différentes formes périglaciaires se développent principalement sur un degré de pente qui leur est propre. C’est pourquoi les diagrammes (figures 8 à 14) on été construit selon cette méthode, de façon à mettre en évidence l’intervalle de degrés de pente le plus représentatif pour chaque forme. 3.2 Campagnes de terrain Deux campagnes de terrain ont été réalisées dans le cadre de ce projet. Le travail effectué a porté sur l’acquisition de points de validation à l’aide d’un GPS différentiel (TrimbleTSC1). Lors de la première campagne 14 | P a g e de terrain 60% des 14 299 points ont été pris à une précision entre 50 cm et 1 mètre et 40% entre 1 et 2 mètres. Lors de la deuxième campagne, 19% des 2579 points ont été pris à une précision de 30 à 50 cm, 63% entre 50 cm et 1 mètre, 17% entre 1 et 2 mètres et 1 % entre 2 et 5 mètres. Ces points de validation ont été utilisés comme référence lors de la réalisation de la carte des formes périglaciaires et ont permis de confirmer l’identification des formes interprétées sur la photo. L’environnement et les formes observées ont été pris en photo et décrits. 13 polygones ont été mesurés à un intervalle de 50 centimètres à l’aide d’une boussole à clinomètre (Brunton) ayant une précision de 0,5°, afin de déterminer leur taille respective, leur microtopographie et la pente. Ces mesures ont été prises du milieu de la marge entre deux polygones jusqu’au milieu de la marge du côté opposé. Afin d’obtenir la microtopographie et la hauteur des polygones, la formule suivante à été utilisée dans le logiciel Excel: Où B représente la hauteur, b la distance (50 cm) et A l’angle mesuré à la boussole à clinomètre. 3.3 Caractérisation des formes périglaciaires 3.3.1 La pente Afin de connaître le degré de pente associé à chaque forme, une carte de pente a été générée avec le logiciel ArcGIS. Le calcul des pentes est basé sur un modèle numérique d’élévation (MNE) de la région du Mont Jacques-Cartier à l’échelle 1 : 20 000 provenant du Gouvernement du Québec. La carte de pente comporte 10 classes de pente en degrés dont les 4 premières ont un intervalle plus fin que les six autres, soit 0° à 1°, 1° à 3°, 3° à 7° et 7° à 10°, alors que les classes de pente supérieures ont un intervalle de 5°. Ce choix s’explique par le 15 | P a g e besoin d’une représentation plus fine des valeurs de pente entre 0 et 10 degrés dans le cas d’une analyse des formes périglaciaires. Un filtre moyen a été appliqué au MNE à deux reprises afin de lisser l’erreur et d’obtenir plus de précision dans le traitement des données. La moyenne et l’écart-type sont calculés directement dans ArcGIS. 3.4 Représentation 3D de la carte Une représentation 3D de la carte des formes périglaciaires produite précédemment, permet d’étudier la position des formes en fonction de la topographie et de faciliter l’interprétation. Cette représentation 3D a été réalisée à l’aide du module ArcMap du logiciel ArcGIS à partir des différentes couches (shapefiles) produites pour chaque forme. L’image agrandie a été exportée en format GeoTIFF avec une résolution de 300 dpi. À l’aide de l’outil Extract by Mask, contenu dans ArcToolbox, les pixels contenus uniquement dans la zone cartographiée ont été extraits. L’affichage en 3D est réalisé via le module ArcScene, qui permet d’afficher le MNE et la carte simultanément. On drape ensuite le GeoTIFF et la photographie aérienne sur le MNE et on leur attribue un facteur d’exagération vertical (base heights) légèrement différent afin que la carte s’affiche entièrement. L’image a un facteur d’exagération de 2,00 et le MNE un facteur de 1,99. 16 | P a g e 4. Résultats 4.1 Carte haute résolution des formes périglaciaires 17 | P a g e Figure 7: Carte haute résolution des formes périglaciaires du Mont Jacques-Cartier L’étude de la carte de distribution des formes périglaciaires du sommet du Mont Jacques-Cartier permet de constater la présence d’une gradation des formes du terrain le plus plat vers les versants ayant des valeurs de pente plus accentuées. Ce patron est représenté par les zones de polygones qui sont suivies par les zones de transitions, aussi appelées guirlandes, puis par les zones de coulées de blocs et, enfin, par les champs de blocs et les pentes de blocs. Les zones de krummholz se situent sur la marge externe du sommet, particulièrement sur le versant ouest, au sein des champs et des pentes de blocs. Les zones de végétation courte, ou herbacée, sont présentes en plusieurs endroits sur le sommet et ne semblent pas former de patron particulier. On remarque aussi la présence de nombreuses failles dans la région immédiate du Mont Jacques-Cartier. D’autre part, la physiographie du versant nord se caractérise par deux cirques glaciaires. Sur le versant est, un cirque glaciaire à un stade de développement beaucoup moins avancé a été observé mais n’a pas été cartographié afin de simplifier la carte. On observe une très faible présence de champs de blocs et l’omniprésence des coulées de blocs avec végétation et des krummholz sur le versant est. Par ailleurs, il est possible d’y observer la présence de krummholz à une altitude plus élevées que sur le versant ouest (Figure 18 et 19). La présence d’une zone avec début de polygonation a également été cartographiée dans le secteur est, de même qu’une zone avec des polygones recouverts de végétation dans le secteur nord-est. La plus grande concentration de champs de blocs survient sur le versant sud-ouest. Les formes plus rares comme les terrassettes et les lobes de gélifluxion (Payette et Boudreau 1984) difficilement observables par photo-interprétation n’ont pas été cartographiées. De plus amples travaux de terrain auraient été nécessaires afin de raffiner le travail de cartographie, ce qui dépasse le cadre de cette étude. 18 | P a g e 4.2 Analyses statistiques et caractérisation des formes La pente La pente influence grandement le type de forme périglaciaire se développant sur une surface. C’est pourquoi la pente moyenne a été calculée pour chaque forme au sommet du Mont Jacques-Cartier. On peut observer une gradation des valeurs moyennes qui concorde avec l’organisation des formes au long du versant relevée précédemment à partir de l’étude de la carte. Effectivement, on peut observer une augmentation de la pente moyenne en allant des polygones aux champs de blocs et pentes de blocs. L’écart-type pour les champs de blocs est relativement élevé, de même que pour les krummholz et les zones de végétation courte, ce qui implique que ces éléments répondent moins à la pente que les autres formes cartographiées. Les maximums et minimums (Tableau 1) offrent des éventails de valeurs très larges dont certaines sont très probablement influencés par des erreurs de numérisation. Quelques pixels peuvent avoir été inclus par erreur dans les polygones, mais ils représentent de très faibles pourcentages (moins de 1 %) dans la majorité des cas. Tableau 1: Statistiques de pente par type de forme Statistiques de pente par type de forme Polygones Transition (guirlandes) Coulées de blocs +végé Coulées de blocs Champs de blocs Krummholz Végétation courte Moyenne Écart-type Maximum Minimum 0,57 1 4 0 2,99 2,57 17 0 6,71 3,15 25 0 8,64 3,46 31 0 14,35 5,59 38 1 13,18 5,03 28 1 11,7 7,96 38 0 19 | P a g e Afin de mieux visualiser l’importance de la pente pour chaque type de forme, un graphique en pointes de tarte a été construit (Figures 8 à 14). Cela permet de visualiser de façon efficace la gamme de valeurs de pentes la plus représentative pour chaque type de forme. Les polygones de triages se sont donc développés, en grande majorité, sur des pentes de 0° à 1°. Les zones de transition se trouvent principalement sur les pentes de 0° à 6°, alors qu’un peu plus de la majorité des zones de coulées de blocs avec végétation sont présentes sur des pentes de 2° à 8°. Les coulées de blocs sans végétation se sont développées sur des pentes un peu plus accentuées que celles avec de la végétation, soit de 4° à 12°. Les champs de blocs se retrouvent, pour leur part, sur des surfaces caractérisées par des pentes allant de 9° à 21°. Les krummholz et la végétation courte, qui composent le couvert végétal sur le sommet du Mont Jacques-Cartier, possèdent un intervalle de pente semblable, allant de 3° à 19°. 20 | P a g e Figure 8: Proportion de polygone en fonction de la pente Figure 9: Proportion de champs de blocs en fonction de la pente Figure 10: Proportions des zones de transition en fonction de la pente Figure 11: Proportion de coulées de blocs sans végétation en fonction du degré de pente Figure 12: Proportion des Coulées de blocs en fonction de la pente Figure 13: Proportion de krummholz en fonction de la pente Figure 8: Proportion de végétation courte en fonction de la pente Pourcentage des formes cartographiées Afin de connaitre le poids de chaque forme et du couvert végétal, les pourcentages qu’ils occupent ont été calculés à l’aide de la superficie totale cartographiée. Ces pourcentages de recouvrement par type de forme (Tableau 2) permettent alors de constater la dominance des champs de blocs avec 30,4 % et des coulées de blocs avec végétation qui représentent 25,3 %. Aucune autre forme cartographiée ne surpasse 10 % de recouvrement. Tableau 2: Aires et pourcentages de recouvrement par forme et couvert végétal Aire (m²) Polygones % 69 443,5 3,8 114 726,0 6,3 6893,5 0,4 Coulées de blocs avec végétation 462 768,7 25,3 Coulées de blocs sans végétation 85 623,6 4,7 Zones de transitions 181 579,9 9,9 Champs de blocs 556 768,7 30,4 Krummholz 175 192,8 9,6 Végétation courte 160 052,0 8,8 14 439,0 0,8 Éole 1 334,9 0,1 Total 1 828 823,6 100 Polygones recouverts de végétation Début de polygonation Zones de perturbation Le tableau 3 est une synthèse du tableau 2. Il permet d’observer l’importante proportion, soit 60,4%, occupée par les formes périglaciaires principalement constituées de blocs de roches, soit les coulées et les champs de blocs. Le couvert végétal occupe 18,3 % de la superficie et surpasse ainsi le recouvrement par les polygones. Tableau 3: Synthèse des superficies de recouvrement de certaines formes et du couvert végétal Formes % Polygones 10,5 Zones de transition 10 Coulées 30 Champs de blocs 30,4 Végétation 18,3 Les microtopographies La réalisation des microtopographies permet de constater que les marges des polygones sont irrégulières en termes de largeur et de relief et qu’elles sont généralement plus larges que la portion du polygone comprenant les particules fines, soit le centre. La hauteur moyenne des polygones est de l’ordre de 25 cm, mais peut atteindre 60 cm (Tableau 4, Figures 15,16). Tableau 4: Hauteur maximale atteinte dans les quatre polygones de triage mesurés Polygones 1 2 3 4 H max (cm) 26,6 23,8 23,8 60,9 23 | P a g e 1 2 3 Figure 9: Microtopographie de trois polygones adjacents (les sections vertes représentent le centre du polygone et les sections grises les marges) 4 Figure 10: Microtopographie d'un polygone (la section verte représente le centre du polygone et les sections grises les marges) Tailles Les tailles des polygones rapportées dans le tableau 5 proviennent de deux zones de polygones différentes. Les cinq premiers proviennent de la zone de polygones à l’ouest du sentier qui contient plusieurs polygones ayant une forme légèrement allongée. On peut effectivement remarquer que l’axe a de ces polygones est plus long que celui des polygones de la deuxième zone, qui se situe à l’est du sentier. La pente est un peu plus accentuée pour les polygones du côté ouest, soit de 1° à 3° en opposition à 0° à 1° pour les polygones situés à l’est. À cet endroit, les polygones avaient des tailles similaires, mais ils n’ont pas une forme aussi allongée que ceux de la première zone. De façon générale, la taille des marges des polygones est très variable, et ce, pour la plupart des zones à polygones de triages sur le Mont Jacques-Cartier. Tableau 5: Tailles de polygones (m) avec et sans la marge et moyenne des marges par polygone axe a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 axe b 4,48 5 3,7 4,1 4,75 3,6 2,95 2,4 3,3 2,85 axe a + marges 1,7 2,05 1,9 2,5 2,5 2,2 2,1 1,3 1,95 1,5 axe b+marges 7,13 7 6,05 7,15 6,15 5,75 6,7 5,55 6,5 4,5 4,34 3,12 3,5 4,4 5,85 4,15 4,65 2,9 4,4 4,4 moyenne marges 1,32 0,77 0,99 1,24 1,19 1,03 1,57 1,19 1,45 1,14 Les coulées de blocs ont une longueur pouvant atteindre plus de cent mètres (Figure 17). Figure 11: Coulées de blocs avec végétation Mont Jacques-Cartier 4.3 Représentation 3D de la carte Légende ¯ Failles Eole Sentiers Krummholz Végétation courte Champs de blocs Coulées de blocs végétalisées Début de polygonation Coulées de blocs Polygones de triages Transition (guirlandes) Polygones recouvert de végétation Zones perturbées Figure 12: Représentation 3D de la carte des formes périglaciaires: versant Ouest Légende Failles Eole Sentiers Krummholz Végétation courte Champs de blocs Coulées de blocs végétalisées Début de polygonation Coulées de blocs Polygones de triages Transition (guirlandes) Polygones recouvert de végétation Zones perturbées Figure 13: Représentation 3D de la carte des formes périglaciaires: versant Est 26 | P a g e La représentation 3D synthétise de façon visuelle la position de chaque forme sur le versant et souligne l’importance de la topographie du terrain sur la répartition des formes périglaciaires (Figure 18 et 19). Les facteurs d’élévation appliqués pour réaliser cette représentation constituent en fait une exagération verticale du relief. C’est pour cette raison que certaines portions de l’image où les pentes sont accentuées semblent étirées. 5. Discussion 5.1 Analyse de la carte et des pentes La répartition des formes périglaciaires sur le sommet du Mont Jacques-Cartier permet de mieux cerner le lien qui existe entre la répartition des formes périglaciaires et les facteurs de terrain locaux. Il s’agit d’une source de données indispensables à la modélisation du régime thermique du pergélisol. Les polygones de triages occupent peu d’espace sur le sommet. Ils sont situés sur les surfaces presque horizontales du plateau, principalement là ou le degré de pente se situe entre 0° et 4°. Ces mesures confirment les observations faites par Baron-Lafrenière (1983), qui rapporte que les polygones sur le Mont Jacques-Cartier peuvent seulement être observés à des pentes inférieures à 5°. La moyenne obtenue à l’aide de la carte de pente met en lumière une valeur moyenne de pente de 0,56 °, confirmée par une proportion de 87 % des polygones qui se situent sur les terrains ayant une pente entre 0° et 1. Il est donc probable que les polygones cartographiés dans les zones de 3° et 4° de pente appartiennent à la catégorie des zones de transition ou guirlandes. La zone qui semble contenir des polygones recouverts de végétation, située au nord-est du sommet, a soulevé de nombreux questionnements. Le professeur James T. Gray a rapporté avoir observé de la météorisation chimique profonde à un endroit sur ce versant (Wang et al, 1982, Ross et al, 1982, Gray et al., 1987). Ce phénomène contribue à la production de particules fines (substrat), et, combiné à une pente plus 27 | P a g e douce et à une protection contre les vents dominants, favorise l’implantation de la végétation. On peut également observer la présence de krummholz dans cette zone, phénomène indiquant une certaine stabilité du terrain. Ces faits suggèrent que, sur cette portion du Mont Jacques-Cartier, les formes périglaciaires sont très peu actives, du moins en ce qui concerne les polygones. La petite zone caractérisée par un début de polygonation sur le versant Est, pourrait s’expliquer par la faiblesse des processus de formation de particules fines qui mettrait un frein au développement des polygones. Les zones de transition, ou guirlandes, correspondent aux valeurs de pentes rapportées dans la littérature, soit entre 3° et 6° (Goldthwait, 1976). Effectivement, la pente moyenne y est de 3°, et 92% des formes de transition cartographiées sont présentes sur des terrains de 0° à 6 ° de pente. Suite à ces zones, on observe la présence de coulées de blocs avec une pente moyenne de 6,7°, qui correspond également avec les valeurs rapportées dans la littérature, soit entre 4° et 11° (Goldthwait, 1976). On peut donc observer clairement une organisation des formes en fonction des degrés de pente, et ce, de façon marquée et précise. La présence de coulées de blocs sans végétation s’explique par la quantité plus faible de particules fines et la pente un peu plus élevée observée dans ces zones, qui défavorise l’implantation de la végétation en raison des mouvements de versant plus actifs L’importante gamme de valeurs observée pour les champs de blocs s’explique par l’absence de distinction, lors de la numérisation, entre les champs de blocs se développant sur des terrains avec une pente de moins de 10° et les pentes de blocs (block slopes) s’observant sur des pentes plus abruptes (jusqu’à 25°). Il n’en demeure pas moins que ces deux formes ont les mêmes propriétés et font partie de la même famille de formes périglaciaires. Un travail de raffinement sera éventuellement nécessaire afin de discriminer ces deux formes et d’obtenir une carte plus précise. La concentration de champs de blocs sur le versant Sud-ouest pourrait être le résultat de l’exposition aux vents dominants d’hiver favorisant un faible couvert ne neige et renforçant les processus de gélifraction. Sur le versant Est, la concentration de coulée et l’altitude plus importante à laquelle 28 | P a g e on observe de petites zones de Krummohlz pourrait être due à une pente plus douce et à une certaine protection des vents qui arrivent principalement de la direction opposée, favorisant ainsi un couvert de neige légèrement plus épais et l’implantation de la végétation. Les zones de végétation ne semblent pas suivre un patron très uniforme, c’est-à-dire qu’elles couvrent une large gamme de valeurs. La raison pour laquelle une valeur précise de pente est difficile à attribuer aux zones de végétations est que celle-ci colonise les formes inactives, ou moins actives, de même que les moindres petits replats caractérisant la microtopographie. Elle profite aussi de la moindre accumulation de particules fines, occasionnée par les processus de triage. C’est pourquoi ces zones semblent se développer de façon aléatoire sur le sommet du Mont Jacques-Cartier. Leur présence répond toutefois à des conditions locales favorables à leur établissement. Par contre, on retrouve très rarement ces zones dans les secteurs où la pente excède 20°. 5.2 Le pourcentage de recouvrement par type de forme Suite à la lecture du tableau 3, on peut facilement observer la dominance des formes constituées de blocs de roches. Effectivement, les coulées de blocs et champs de blocs composent 60,4 % de la superficie totale cartographiée. Il s’agit d’un fait intéressant qui devra être pris en compte dans la modélisation du régime thermique du pergélisol du Mont Jacques-Cartier, car, tel que mentionné précédemment, ce type de forme a un effet positif sur le refroidissement du sol et conséquemment sur le maintien du pergélisol sporadique alpin. Cette grande proportion s’explique par l’altération de la roche en place qui fournit une grande quantité de blocs. Gray et Brown (1979) ont estimé la couverture de blocs à 3 mètres dans les champs de blocs, et Payette et Boudreau (1984) rapportent que cette couverture peut dépasser 4 mètres par endroit. Les polygones, quant à eux, occupent seulement 10,45 % de la superficie. Ils sont donc positionnés très localement et une hypothèse suggère qu’ils se seraient formés en raison de la présence d’un diamicton (Baron-Lafrenière, 1983; Gray et al., 29 | P a g e 1987) qui aurait été sujet au triage par les processus de gel-dégel pendant les intervalles plus froids, durant le Tardiglacaire et l’Holocène (Payette et Boudreau 1984). 5.3 Les microtopographies L’étude des microtopographies produites dans le cadre de ce projet permet de mieux comprendre la distribution du couvert nival au sommet du Mont Jacques-Cartier. Des observations effectuées pendant l’hiver 2009-2010 et 2010-2011, permettent de constater que le vent balaie la majorité de la neige sur le sommet du Mont Jacques-Cartier. Selon l’Atlas Canadien d’Énergie Éolienne, les vitesses des vents hivernaux au Mont Jacques-Cartier se situent entre 36 et 43 km/h. Cela permet un balayage efficace de la neige sur le sommet, qui explique l’absence d’une épaisse couverture de neige. Ce type de milieu voit donc son couvert de neige être principalement influencé par les microreliefs permettant l’accumulation de neige (Sturm et Holmgren, 1994). De nombreuses mesures de terrain effectuées par James T. Gray dans les années 80 (communication personnelle) permettent de confirmer que, soumises aux forts vents d’hiver dominants, l’épaisseur maximale de neige sur le Mont Jacques-Cartier est fonction de la microtopographie des formes qui façonnent son sommet. Les données obtenues dans le cadre de ce projet indiquent que la microtopographie des formes périglaciaires est généralement inférieure à 40 cm. Elles concordent avec l’épaisseur moyenne du couvert nival mesurée précédemment (Gray et Brown, 1982) et les mesures plus récentes effectuées en 2009, par M. Gray, qui ont révélé la présence d’un couvert de neige moyen de 34,6 centimètres au-dessus du champ de polygones situé à 0,8 km au nord du sommet (Éole). 30 | P a g e 5.4 La taille des formes périglaciaires Les tailles mesurées pour les polygones correspondent à un environnement de formation caractérisé par la présence d’un pergélisol riche en glace et des températures moyennes annuelles de l’air de -4° à -6° C sévissant pendant plusieurs centaines d’années (Goldthwait, 1976). Les températures moyennes de l’air au sommet du Mont Jacques-Cartier ont été estimées entre 3° et 5° (Gray et al., 2009) et correspondent donc avec celles présentée par Goldthwait (1976).Toutefois, la présence de lichens sur les blocs composant les marges des polygones ainsi que la présence de végétation dans les centres indiquent une stabilité des formes suggérant qu’elles sont probablement inactives, voire reliques. Par conséquent, on ne peut pas tenir pour acquis qu’elles sont le témoin sans conteste d’un pergélisol sous-jacent à cet endroit. Les coulées de blocs atteignent des longueurs impressionnantes. Toutefois il est difficile de déterminer si ces formes sont toujours actives. Payette et Boudreau (1984) ont relevé la présence de nombreux indices pouvant suggérer une reprise de l’activité périglaciaire récente (ca.5200 BP) particulièrement dans les zones de coulées (1400 et ca. 250 BP). Effectivement, ils ont noté la présence de krummholz dont la mort semble être liée aux mouvements des blocs dans les coulées (1420± 150 BP). Aussi, certaines coulées semblent être caractérisées par l’absence de lichens, ce qui suggère qu’elles sont actives et répondent principalement à la pente et à la force de gravité. 5.5 La représentation 3D La représentation 3D de la carte des formes périglaciaires constitue un très bon outil complémentaire qui permet l’analyse de la répartition des formes et des facteurs de terrain locaux, et ce, de façon simultanée. Donc, la succession des formes en fonction de la position sur le versant, présentée précédemment, ainsi que le relief peuvent y être observés plus facilement que sur la représentation 2D. 31 | P a g e Conclusion Le rapport du GIEC (2007) fait état de hausses des températures de l’ordre de 1,8° à 4° degrés au cours du prochain siècle. Cela risque d’engendrer une réponse du régime thermique des îlots de pergélisol sporadiques alpins en raison de leur plus grande sensibilité aux variations du climat (IPCC, 1996). Le suivi du régime thermique du pergélisol du Mont Jacques-Cartier permettra d’utiliser ce site comme observatoire des changements climatiques. La modélisation numérique 3D du régime thermique permettra de mieux délimiter la répartition spatiale du pergélisol et de mieux comprendre les processus périglaciaires et de versants en jeu. Pour y arriver, il est nécessaire de connaître la répartition des formes périglaciaires, car elles possèdent des propriétés thermiques qui leurs sont propres. La production de la carte des formes périglaciaires indique un patron de formes allant du sommet vers les versants. Effectivement, en suivant un transect du sommet vers le bas de versant, on rencontre des polygones de triage, des zones de transition (guirlandes), des zones de coulées de blocs puis des champs de blocs, ou pentes de blocs. Les différents types de formes sont représentés par les valeurs de pentes moyennes suivantes : 0,57° pour les polygones, 2,99° pour les zones de transitions, 6,71° pour les coulées de blocs avec végétation, 8,64° pour les coulées de blocs sans végétation, 14,35° pour les champs de blocs, 13,18° pour les krummholz et 11,7° pour les zones de végétation courte. La distribution des formes permet également d’expliquer la répartition et l’épaisseur moyenne de la neige au sommet du Mont Jacques-Cartier, un élément clé pour le maintien du pergélisol. La dégradation complète du pergélisol des Chic-Chocs, en réponse aux changements climatiques, entraînera des changements majeurs de l’écosystème de montagne suite à la disparition des plantes de toundra, à la colonisation du sommet par les krummholz et la disparition du caribou de montagne, d’où l’importance d’y porter une attention particulière. 32 | P a g e Remerciements De nombreuses personnes m’ont accompagnée dans cette aventure. Je tiens d’abord à remercier Daniel Fortier pour le temps investi dans les nombreuses rencontres, pour avoir répondu à mes milliers de petites questions et pour la grande importance qu’il accorde aux étudiants de premier cycle sous sa tutelle. Je remercie également James T. Gray pour l’aide apportée à la réalisation de ce projet, pour les innombrables informations qu’il détient sur le Mont Jacques-Cartier et les Chic-chocs, ainsi que pour tout l’intérêt qu’il porte à la recherche. Je voudrais aussi exprimer ma gratitude envers Marc Girard pour sa patience, sa disponibilité et pour le temps passé à m’expliquer de nombreux petits aspects techniques au plan cartographique qui ont permis la réalisation de mon projet. Merci également à Jean Daoust pour l’orthorectification de la photo aérienne et à mes aides de terrain, Etienne Godin et Stéphanie Coulombe, pour leur aide précieuse malgré le vent et le froid omniprésents. Les étudiants du Géocryolab ont également ma reconnaissance pour leur aide et soutient. Je veux aussi remercier François Boulanger et Claude Isabel du Parc National de la Gaspésie pour l’aide apportée lors des campagnes de terrain. La Société Géographique Royale du Canada est aussi remerciée, car sans leur soutient financier, ce projet aurait été beaucoup plus compliqué. Je tiens à exprimer mon éternelle reconnaissance envers mes parents qui ont toujours été là pour moi et qui m’ont toujours poussé à me dépasser. Enfin, merci à Renaud Bélanger-Forget pour son incroyable patience et pour son aide précieuse et constante. 33 | P a g e Bibliographie Allard, M., Fortier, R. (1990) The thermal regime of permafrost body at Mont du Lac des Cygnes, Québec. Canadien Journal of Earth Science, 27 : 694-697 Allard, M., Séguin, M. K. (1987) Le pergélisol au Québec nordique: bilan et perspectives. Géographie physique et Quaternaire, 41, 141-152. Antevs, E. (1932) Alpine zone of Mt. Washington Range. 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