Pergélisol 101

Qu'est-ce que le pergélisol ?

• Le pergélisol est un sol (sol ou roche) qui demeure à une température de 0 °C ou moins pendant au moins deux années consécutives. Une grande partie du pergélisol au Canada contient également de l'eau sous forme de glace.

• Le pergélisol est présent là où le climat est froid, mais où la surface n'est pas recouverte de glaciers. On le trouve partout au Nord et à hautes altitudes dans les régions montagneuses comme les Rocheuses dans l'ouest du Canada et les monts Chic-Choc dans l'est.

• L'épaisseur du pergélisol, sa température, sa teneur en glace de sol ainsi que la proportion du terrain qu'il recouvre varient grandement. Dans l'Extrême-Arctique (p. ex. sur l'île d'Ellesmere), la température moyenne du sol est environ-15 °C, le pergélisol a plus de 700 m d'épaisseur et est présent partout sauf sous les lacs ou les rivières profondes. Dans la région subarctique (comme près de Yellowknife), le pergélisol s’étend sur la moitié du territoire, sa température moyenne se situe habituellement entre -1 °C et 0 °C et son épaisseur varie de quelques mètres à quelques dizaines de mètres seulement. Parmi les régions les plus au sud oὺ le pergélisol existe, il y a le golfe du Saint-Laurent, près de Blanc-Sablon, où la température est légèrement inférieure à 0 °C et l'épaisseur du pergélisol est inférieure à 5 m.

Figure 1. Modifié de Heginbottom et al. (1995). Cartographie de B. O’Neill. L'Atlas national du Canada; Ressources naturelles Canada, Géomatique Canada, MCR Series no. 4177, 1995, 1 feuille, (Source: Ressources naturelles Canada)

Qu'est-ce que la glace de sol?

• La glace présente dans le pergélisol est appelé glace de sol. Elle peut être microscopique, cachée dans les pores du sol ou visible sous forme de corps de glace distincts.

• La concentration de la glace varie de presque zero à de corps volumineux de glace presque pure. Cette variation a une grande incidence sur la réaction du pergélisol au changement climatique.

• La glace de sol visible peut se présenter sous plusieurs formes.  Les formes les plus courantes sont:

  • Glace de ségrégation, présente sous forme de lentilles ou de couches de quelques millimètres à quelques centimètres d'épaisseur ;

  • Coins de glace, jusqu'à plusieurs mètres de large et 10 mètres de profondeur sous les polygones de la toundra ;

  • Glace massive, présente sous forme de couches ou de corps de glace dont l'épaisseur peut atteindre 10 m ou plus.

Figure 2 a) Exemple de polygones en coin de glace (Copyright Gouvernement des Territoires du Nord-Ouest) b) Glace massive exposée dans le mur de tête d'un glissement de terrain près de Holmes Creek TNO (Photo de Trevor Lantz)

Qu'est-ce que la couche active?

• Le sol qui se trouve immédiatement sous la surface du sol dégèle en été et gèle de nouveau en hiver. C'est ce qu'on appelle la couche active.

• Au Canada, la couche active a généralement une épaisseur de 0,5 m à 2 m.

• Plus le climat est froid, plus la couche active est mince. Par conséquent, les couches actives les plus minces se trouvent dans l'Extrême-Arctique, tandis que les couches actives les plus épaisses se trouvent près de la limite sud du pergélisol.

Figure 3 a) Courbe en trompette du profil thermique du pergélisol. La profondeur maximale affectée par les variations de température annuelles est appelée profondeur d'amplitude annuelle nulle; il varie en fonction de la température de l'air et du type de sol (Source: ADAPT). b) Effondrement exposant la couche active sans glace assise au-dessus d'un grand coin de glace. Crédit photo: Benjamin Jones, USGS, domaine public (modifié par la NASA)

Qu'est-ce qu'un talik?

• Le pergélisol est généralement présent immédiatement sous la couche active, mais il peut y avoir une couche intermédiaire, appelée talik, dont la température est supérieure à 0 °C durant toute l'année. Cela signifie qu'il ne s'agit pas de pergélisol, mais qu'il ne fait pas parti de la couche active (Figure 4).
• L'existence d'un talik est souvent un signe que le pergélisol se dégrade.
• Les taliks peuvent également se trouver en profondeur, par exemple générés par un débit d'eau constant.
• Sous de grands plans d'eau, il peut se former un talik qui communique avec d’importantes couches dégelées au-dessous de sa partie inférieure. C'est ce qu'on appelle un talik traversant.

Figure 4. Changements dans l'épaisseur de la couche active (ALT) en réponse au réchauffement climatique. L'ALT atteint un maximum avant le développement du talik. Figure de Connon et al., 2018.

Pourquoi le pergélisol change-t-il?

• Le pergélisol est contrôlé par le bilan énergétique à la surface du sol.  Si cela change, les températures du sol, donc le pergélisol, sont affectés.
• La chaleur supplémentaire peut provenir d'un réchauffement climatique, d'une couche de neige plus épaisse ou d'une perturbation de la surface. Tous ces facteurs augmentent l'épaisseur de la couche active, ce qui entraîne le dégel des couches supérieures du pergélisol et, si cela se poursuit pendant des décennies, la fonte potentielle de tout le pergélisol.
• Là où le pergélisol contient beaucoup de glace de sol, son dégel entraîne des processus thermokarstiques, dont les affaissements et le glissement de terrain.
• Les modifications du pergélisol et de la couche active peuvent affecter le drainage des eaux de surface, ce qui peut également affecter le pergélisol.

Pourquoi le pergélisol est-il important?

• Le pergélisol affecte de nombreux aspects de la vie au Nord. Par example :

  • La conception et la construction de bâtiments, de routes, d'aéroports, de barrages, de pipelines et de pylônes de transmission électrique, qui doivent réduire au minimum la quantité de chaleur supplémentaire qui passe dans le sol pour qu'il reste solidement gelé.

  • Les coûts d'entretien des infrastructures de transport construites sur le pergélisol, qui augmentent par rapport à ceux des zones qui n’ont pas de pergélisol.

  • L'écologie du Nord, y compris la faune, par son interaction avec la végétation et le drainage.

  • Les résidents du Nord, qui chassent et pêchent dans les zones de pergélisol.

  • Le potentiel de glissements de terrain dans les régions de terrain escarpé comme les montagnes du Yukon et des Territoires du Nord-Ouest.

  • L’addition de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, sous forme de la matière organique (principalement de la matière végétale) présentement stockée dans le sol gelé, et qui en se dégelant, se décompose en dioxyde de carbone ou en méthane sous les effets des bactéries. C'est ce qu'on appelle la rétroaction positive du carbone issu du dégel du pergélisol.

Figure 5. Vue d'ensemble oblique de la route Dempster km 27, montrant les remblais et les perturbations liés au dégel du pergélisol (van der Sluijs et al., 2018).

Ingénierie du Pergélisol

L'ingénierie du pergélisol est l'application de principes d'ingénierie dans les zones où le pergélisol peut être présent et les conditions de conception sont affectées par des températures inférieures à 0° C. Ces conditions existent principalement aux hautes latitudes nord et sud ou à haute altitude. Ces dernières années, les projets d'ingénierie et les développements dans des environnements froids ont gagné en importance en raison de l'accès requis pour permettre l'exploitation des ressources naturelles, le transport des ressources (par exemple, les pipelines), ou pour améliorer les infrastructures et l'accessibilité (par exemple, les couloirs d'infrastructure).

À des fins d'ingénierie, il est important d'apprécier les différences physiques dans les matériaux qui peuvent être rencontrés et utilisés comme fondations ou pour la construction telle que la neige et la glace sous formes spéciales, y compris la glace de mer, la glace de glacier, la glace interstitielle, la glace sépareé, la glace de sol, plateaux de glace ou icebergs. Cependant, la compréhension des conditions dans la cryosphère est également nécessaire pour la conception de conditions induites artificiellement, par exemple, le gel artificiel du sol utilisé pour augmenter temporairement la résistance du sol à construire des tunnels, des grottes ou des puits (exemple: thermosyphons).

Figure 6. Thermosyphons (Photo gracieuseté de BGC Engineering Inc.)

Outre les défis posés par les propriétés complexes des matériaux, d'autres défis notables sont liés à la logistique, tels que l'éloignement d'un site, la disponibilité d'équipements de contrôle sur site et de matériaux de construction, ou les environnements escarpés et montagneux. En outre, les effets des conditions climatiques difficiles, notamment les températures froides, l'obscurité à haute latitude ou les grandes variations diurnes de la température de l'air et les faibles niveaux d'oxygène dans les zones de haute montagne, affectent l'équipement et les personnes. Il en résulte souvent des informations de conception limitées, telles que des études de site ou des données climatiques historiques. Cependant, ce dernier est important pour faire des projections futures et concevoir les effets potentiels du changement climatique. Étant donné que la cryosphère se trouve souvent dans des environnements écologiquement sensibles, il est important de comprendre comment une infrastructure planifiée affecte l'environnement et il est essentiel de sélectionner une stratégie d'adaptation appropriée.