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For remote and vast northern watersheds, hydrological data are often sparse and incomplete. Landscape hydrology provides useful approaches for the indirect assessment of the hydrological characteristics of watersheds through analysis of landscape properties. In this study, we used unsupervised Geographic Object-Based Image Analysis (GeOBIA) paired with the Fuzzy C-Means (FCM) clustering algorithm to produce seven high-resolution territorial classifications of key remotely sensed hydro-geomorphic metrics for the 1985–2019 time-period, each spanning five years. Our study site is the George River watershed (GRW), a 42,000 km2 watershed located in Nunavik, northern Quebec (Canada). The subwatersheds within the GRW, used as the objects of the GeOBIA, were classified as a function of their hydrological similarities. Classification results for the period 2015–2019 showed that the GRW is composed of two main types of subwatersheds distributed along a latitudinal gradient, which indicates broad-scale differences in hydrological regimes and water balances across the GRW. Six classifications were computed for the period 1985–2014 to investigate past changes in hydrological regime. The seven-classification time series showed a homogenization of subwatershed types associated to increases in vegetation productivity and in water content in soil and vegetation, mostly concentrated in the northern half of the GRW, which were the major changes occurring in the land cover metrics of the GRW. An increase in vegetation productivity likely contributed to an augmentation in evapotranspiration and may be a primary driver of fundamental shifts in the GRW water balance, potentially explaining a measured decline of about 1 % (∼ 0.16 km3 y−1) in the George River’s discharge since the mid-1970s. Permafrost degradation over the study period also likely affected the hydrological regime and water balance of the GRW. However, the shifts in permafrost extent and active layer thickness remain difficult to detect using remote sensing based approaches, particularly in areas of discontinuous and sporadic permafrost.

Recent excavation in the new CRREL Permafrost Tunnel in Fox, Alaska provides a unique opportunity to study properties of Yedoma — late Pleistocene ice- and organic-rich syngenetic permafrost. Yedoma has been described at numerous sites across Interior Alaska, mainly within the Yukon-Tanana upland. The most comprehensive data on the structure and properties of Yedoma in this area have been obtained in the CRREL Permafrost Tunnel near Fairbanks — one of the most accessible large-scale exposures of Yedoma permafrost on Earth, which became available to researchers in the mid-1960s. Expansion of the new ∼4-m-high and ∼4-m-wide linear excavations, started in 2011 and ongoing, exposes an additional 300 m of well-preserved Yedoma and provides access to sediments deposited over the past 40,000 years, which will allow us to quantify rates and patterns of formation of syngenetic permafrost, depositional history and biogeochemical characteristics of Yedoma, and its response to a warmer climate. In this paper, we present results of detailed cryostratigraphic studies in the Tunnel and adjacent area. Data from our study include ground-ice content, the stable water isotope composition of the variety of ground-ice bodies, and radiocarbon age dates. Based on cryostratigraphic mapping of the Tunnel and results of drilling above and inside the Tunnel, six main cryostratigraphic units have been distinguished: 1) active layer; 2) modern intermediate layer (ice-rich silt); 3) relatively ice-poor Yedoma silt reworked by thermal erosion and thermokarst during the Holocene; 4) ice-rich late Pleistocene Yedoma silt with large ice wedges; 5) relatively ice-poor fluvial gravel; and 6) ice-poor bedrock. Our studies reveal significant differences in cryostratigraphy of the new and old CRREL Permafrost Tunnel facilities. Original syngenetic permafrost in the new Tunnel has been better preserved and less affected by erosional events during the period of Yedoma formation, although numerous features (e.g., bodies of thermokarst-cave ice, thaw unconformities, buried gullies) indicate the original Yedoma silt in the recently excavated sections was also reworked to some extent by thermokarst and thermal erosion during the late Pleistocene and Holocene.

Au cours des dernières décennies, les observations de glace de glacier enfouie exposée dans les falaises côtières et les glissements de terrain causés par le dégel du pergélisol arctique démontrent que des quantités importantes de glace de glacier ont survécu à la déglaciation et sont toujours préservées dans le pergélisol. Le premier volet de cette étude visait à caractériser des expositions de la glace massive observée à l’île Bylot, au Nunavut, afin de connaitre l’origine de la glace. Puisque la glace de glacier enfouie peut jouer un rôle important dans l’évolution des paysages périglaciaires, cette thèse s’intéresse également au rôle joué par la glace de glacier enfouie dans l'initiation et l’évolution de lacs de thermokarst. Nos résultats démontrent que le pergélisol de l'île Bylot contient des restes de glace de glacier du Pléistocène qui ont survécu aux dernières déglaciations. Dans la vallée Qarlikturvik, des masses de glace intraglaciaire (dérivée du névé) sont associées à un courant de glace de l’inlandsis laurentidien qui recouvrait une partie de la plaine sud de l’île vers la fin du Pléistocène. Cette masse de glace formait une zone de convergence avec les glaciers alpins locaux s'écoulant de la calotte glaciaire centrée sur les monts Byam Martin. Sur l’un des plateaux bordant la vallée Qarlikturvik, une masse de glace de glacier enfouie est associée à la partie basale d'un glacier dont l’âge minimal est estimé à environ 0.77 Ma, mais pourrait être aussi vieux que 2.6 Ma. En raison de sa localisation, à environ 500 m d’altitude, la glace proviendrait vraisemblablement d’une avancée glaciaire régionale et pourrait être associée à la Glaciation de Baffin, soit la plus vieille avancée glaciaire régionale reconnue sur l'île Bylot. De plus, cette glace représente le plus vieux reste de glacier connu en Amérique du Nord et l’une des premières indications de glaciations dans l’est de l’Arctique canadien. La persistance et la fonte tardive de ces épaisses couches de glace de glacier datant du Pléistocène ont eu des effets importants sur le paysage de l'île Bylot, notamment sur les lacs. En effet, nos résultats démontrent que l'initiation des lacs profonds (> 5 m) est liée à la fonte de la glace de glacier enfouie. Ces lacs de thermokarst glaciaire continueront d’évoluer dans un contexte périglaciaire par la fonte de la glace intrasédimentaire (p. ex., glace de ségrégation) et des coins de glace formés ultérieurement dans les sédiments encaissants lors de l’aggradation du pergélisol suivant le retrait glaciaire. Alors qu’une grande partie des paysages arctiques est encore fortement déterminée par leur héritage glaciaire, la fonte de ces masses de glace aura un impact important sur la dynamique des géosystèmes et écosystèmes arctiques., Over the past decades, observations of buried glacier ice exposed in coastal bluffs and headwalls of retrogressive thaw slumps of the Arctic have indicated that considerable amounts of late Pleistocene glacier ice survived the deglaciation and are still preserved in permafrost. The first phase of this project aimed to characterize two exposures of massive ice observed on Bylot Island (Nunavut) to infer their origins. Since buried glacier ice can play a significant role in reshaping periglacial landscapes, this study also investigates the initiation and development of thermokarst lakes in a tundra valley in response to the melting of buried glacier ice. Our results show that the permafrost of Bylot Island contains remnants of Pleistocene glacier ice that survived the past deglaciations. In the Qarlikturvik valley, bodies of englacial ice (firn-derived) originated from an ice stream flowing from the Laurentide Ice Sheet, which covered part of the southern plain of the island towards the end of the Pleistocene. These glacier ice bodies formed a convergence zone with local alpine glaciers flowing from the ice cap centred over the Byam Martin Mountains. On the edge of a flat plateau bordering the Qarlikturvik Valley, a buried glacier ice body is associated with the basal part of a glacier whose minimum age is estimated at 0.77 Ma, but could be as old as 2.6 Ma. Due to its location on a 500-m a.s.l. plateau, the ice likely originates from a regional glacial advance and could be associated with the Baffin Glaciation, which is the oldest known glaciation on Bylot Island. In addition, this buried glacier ice represents the oldest glacier ice preserved in ice-free Arctic landscapes, and the earliest evidence of a Pleistocene glaciation in the eastern Canadian Arctic Archipelago. The persistence and delayed melting of these thick beds of buried Pleistocene glacier ice had wide-ranging effects on the landscape of Bylot Island. Our results suggest that the initiation of deeper thermokarst lakes (> 5 m) was triggered by the melting of buried glacier ice in our study area, while shallow thermokarst lakes were triggered from the melting of intrasedimental ice and ice wedges. These glacial thermokarst lakes will continue to evolve in a periglacial context through the melting of intrasedimental ice (e.g. segregation ice) and ice wedges subsequently formed in the surrounding sediments during permafrost aggradation following the glacial retreat. As most of the glaciated Arctic landscapes are still strongly determined by their glacial legacy, the melting of these large ice bodies will have significant impacts on Arctic ecosystems and geosystems.

Ce mémoire a pour objectif d’approfondir les connaissances scientifiques sur les comportements hydrologiques des bassins versants arctiques et subarctiques. Les rivières drainant ces bassins versants sont parmi les systèmes fluviaux les moins étudiés et compris, étant donné leur vaste étendue et leur localisation éloignée. L’approche utilisée, issue de la discipline de l’hydrologie paysagère, présente une technique de classifications non-supervisées jumelées à des données de télédétection afin de caractériser le comportement hydrologique et les changements à l’échelle du paysage qui se sont produits sur les 35 dernières années dans un bassin versant subarctique de 42 000 km2. Plus précisément, plusieurs analyses géographiques d’image orientées-objet (AGIOO), employant des variables hydrogéomorphométriques et combinées à l’algorithme de classification Fuzzy C-Means, ont été produites, puis comparées afin de classifier et identifier les changements dans le paysage du vaste bassin versant de la Rivière George (BVRG), situé au Nunavik (Canada). Nos résultats indiquent que le BVRG contient deux types distincts de sous-bassins versants typologiquement similaires, distribués selon un gradient latitudinal, mettant en lumière une hétérogénéité spatiale dans les structures des sous-bassins constituant le BVRG. De plus, une expansion du type de bassins versants du sud dans le nord du BVRG est observée depuis les 35 dernières années. Cette expansion est principalement due à une augmentation de la production végétale et de l’humidité contenue dans les sols et la végétation, elle-même induite par une augmentation des températures moyennes annuelles et des précipitations totales annuelles associée aux changements climatiques. Ces changements observés dans la couverture terrestre ont des impacts importants et à long terme sur les processus hydrologiques du BVRG en augmentant les taux d’évapotranspiration. Ce phénomène pourrait expliquer la diminution d’environ 1% des débits annuels observée dans le BVRG entre les années 1970 et 2017., The objective of this study is to develop scientific knowledge on the hydrological behaviors of Arctic and Subarctic watersheds. Rivers draining high-latitude watersheds are among the least studied and understood fluvial systems, given their large extent and their remote locations. Here we develop a landscape hydrology approach which pairs unsupervised classifications with remote sensing data to characterize the hydrological behavior and landscape scale changes that have occurred over a 42 000 km2 sub-arctic watershed over the last 35 years. More precisely, multiple Geographic Object-Based Image Analysis (GeOBIA), employing hydrogeomorphometric variables and combined to the Fuzzy C-Means clustering algorithm, were produced and then compared to classify and identify landscape change across the vast George River Watershed (GRW), situated in Nunavik (Canada). Our results indicate that the GRW contains two distinct subwatershed types which are distinct in their typology and distributed along a latitudinal gradient, which highlights spatial heterogeneity in the structures of the subwatersheds constituting the GRW. Moreover, an expansion of the southern type subwatersheds in the north of the GRW has been observed since the last 35 years. This expansion is principally due to increases in vegetation production and moisture content in soils and vegetation, themselves induced by increases in mean annual temperature (MAT) and total annual precipitation (TAP) associated with the changing climate in this northern watershed. These land cover changes are likely to have important and long-term impacts on the hydrological processes within the GRW by increasing rates of evapotranspiration. This phenomenon may explain the decrease of about 1% in the George River’s annual discharge observed between the mid-1970s and 2017.

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.