Département et professeurs
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Professeurs réguliers
Professeur
Richard Fortier, ing., professeur titulaire
Pavillon Adrien-Pouliot, local 4701
T. 418 656-2746
F. 418 656-7339
richard.fortier@ggl.ulaval.ca
Champs d'intérêts
  • Cryohydrogéophysique
  • Géotechnique des régions froides
  • Géostatistiques
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Enseignement

  • GGL-2602 Géophysique appliquée
  • GGL-3600 Méthodes de terrain en génie géologique (participation)
  • GGL-4602 Intégration des données géoscientifiques
  • GLG-1004 Géophysique du globe

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Échantillon de pergélisol riche en glace formé dans des sédiments marins gélifs.

Thème, pertinence et importance des projets de recherche

Le réchauffement climatique anticipé aux hautes latitudes durant les prochaines décennies aura des impacts majeurs sur le pergélisol. Déjà, la tendance à l’augmentation de la température moyenne annuelle de l’air de l’ordre de 3 °C observée au Québec nordique depuis 1992 a provoqué une dégradation rapide du pergélisol riche en glace (pergélisol: sol ou roche dont la température est égale ou sous 0 °C durant au moins deux années). Les impacts de cette dégradation sont déjà visibles dans l’environnement nordique avec des affaissements différentiels mesurés lors des cinq dernières années supérieurs à 1 m à certains endroits dans la zone de pergélisol discontinu. Des infrastructures civiles telles que des remblais routiers sont affectés pas des problèmes structuraux reliés à la dégradation du pergélisol qui diminuent leur durée de vie utile et augmentent leur coût d’entretien. La pérennité des villages isolés et la sécurité de la population du Québec nordique sont par conséquent menacées.

Exemples de dégradation du pergélisol sur une période de 18 ans du mois d’août 1989 (photo de gauche) au mois de juillet 2007 (photo de droite). La mare de thermokarst visible à gauche sur la photographie prise en juillet 2007 envahit progressivement la butte de pergélisol riche en glace à droite.

Le dégel du pergélisol est causé par le réchauffement climatique observé récemment au Nunavik.

Affaissement d’un remblai routier construit sur un pergélisol riche en glace à Umiujaq.

Questions scientifiques

  • Quels sont les endroits vulnérables à la dégradation du pergélisol?
  • Quelles composantes du Québec nordique (environnements terrestre et lacustre, eaux souterraines, écosystèmes, infrastructures civiles, population, …) seront affectées par la dégradation du pergélisol?
  • Comment ces composantes seront-elles affectées par la dégradation du pergélisol?
  • À quel taux se dégrade le pergélisol en relation avec la variabilité climatique?
  • Quels sont les processus physiques en cause?
  • Y a-t-il des boucles de rétroaction dans la dégradation du pergélisol?
  • Est-il possible d’anticiper la dégradation du pergélisol et ses impacts sur les composantes du Québec nordique par simulation numérique des processus physiques en cause?

Objectifs des travaux

  • Développer des moyens d’auscultation du pergélisol.
  • Mettre en place une infrastructure de suivi et assurer le suivi des impacts de la dégradation du pergélisol sur les composantes du Québec nordique.
  • Corréler la dégradation du pergélisol et ses impacts avec la variabilité climatique.
  • Étudier et comprendre les processus physiques en cause.
  • Identifier et étudier les boucles de rétroaction dans la dégradation du pergélisol.
  • Simuler les processus physiques pour expliquer la dégradation du pergélisol et ses impacts.

Méthodologie

Avec l’aide de mes étudiants à tous les cycles des études supérieures, j’ai développé un système de poussée linéaire unique au monde qui me permet de réaliser des essais de pénétration au piézocône à taux de pénétration constant. Ces essais me permettent d’obtenir des renseignements précis mais ponctuels sur la cryostratigraphie du pergélisol. Afin d’étendre cette cryostratigraphie à l’ensemble d’un site d’études donné, j’utilise des méthodes géophysiques de surface d’auscultation non destructive du pergélisol (tomographie de polarisation provoquée, géoradar et sondage électromagnétique transitoire). Cette caractérisation des milieux pergélisolés me fournit l’information nécessaire pour développer des modèles géocryologiques réalistes pour la simulation numérique du régime thermique du pergélisol.

Système de poussée linéaire développé à l’Université Laval pour la réalisation d’essai de pénétration au cône dans le pergélisol.

Tomographie de polarisation provoquée et profilage de géoradar.

Suivi de l’affaissement au dégel d’un remblai routier à Umiujaq au Québec nordique.

Exemple de résultats des travaux

Un affaissement différentiel aussi important que 0,85 m s’est produit le long de la route d’accès à l’aéroport d’Umiujaq au Nunavik (Québec) dans la zone de pergélisol discontinu. Des travaux d’investigation géotechnique et géophysique dont un essai de pénétration au piézocône, des profils de géoradar et de résistivité électrique, et des simulations numériques du régime thermique du remblai routier et de l’infrastructure ont été réalisés afin de caractériser la stratigraphie du sous–sol et les conditions du pergélisol, et d’expliquer les impacts de la dégradation du pergélisol sur le remblai routier. L’affaissement est causé par la consolidation au dégel d’une couche de silt riche en glace d’une épaisseur de 4 m sous une couche superficielle de sable. Alors que seule la partie supérieure de la couche de sable subissait initialement les cycles saisonniers de gel–dégel, le front de dégel atteint maintenant la couche de silt riche en glace instable au dégel. Selon les simulations numériques, la tendance au réchauffement climatique récemment observée au Nunavik ne peut pas être la seule cause de l’affaissement observé. Telle une barrière à neige, le remblai routier épais favorise l’accumulation de la neige sur ses accotements. La dégradation du pergélisol est donc non seulement provoquée par la tendance au réchauffement climatique mais aussi par l’effet d’isolation thermique du couvert nival qui prévient le refroidissement du remblai en hiver.

 

Exemple d’un essai de pénétration au piézocône au pied du remblai routier à Umiujaq: diagraphies de la résistance à la pointe, du rapport de frottement, de la température et de la résistivité électrique en fonction de la profondeur. La colonne stratigraphique a été obtenue de l’interprétation des diagraphies.

Le géoradar et la tomographie de résistivité électrique sont des méthodes géophysiques complémentaires pour l’auscultation non destructive du pergélisol. La stratigraphie à haute résolution d’un milieu pergélisolé peut être obtenue d’un levé de géoradar en mode réflexion (profil du haut) mais peu d’informations sont obtenues sur les propriétés physiques des couches alors que la tomographie de résistivité électrique (modèle de résistivité électrique du milieu) fournit de l’information sur les conditions de ce milieu mais les contacts stratigraphiques ne sont pas localisés avec précision. L’intégration de l’interprétation de ces deux levés géophysiques fournit une coupe stratigraphique du dépôt de sédiments marins pergélisolés (coupe du bas).

Modèle géothermique du remblai routier et de la sous-fondation développé à partir de l’investigation géotechnique et géophysique pour simuler le régime thermique du pergélisol sous le remblai.

Distributions spatiales de la température dans le remblai et la sous-fondation pergélisolée en septembre lorsque le front de dégel a presqu'atteint sa profondeur maximum sous un climat froid constant de -5,5 °C qui sévissait à Umiujaq avant 1992 (graphique de haut) et immédiatement après un réchauffement de 3 °C sur 15 ans (de -5,5 à -2,5 °C, cela correspond à l’augmentation de la température moyenne annuelle de l’air observée au Québec nordique depuis 1992) avec des accumulations de neige sur les accotements du remblai (graphique du bas). En l’absence de neige sous un climat constant de -5,5 °C, le remblai serait stable car le front de dégel n'atteint pas la couche de silts marins riche en glace dans de telles conditions. C'est l'effet combiné de la tendance au réchauffement et de l'isolation thermique de la neige qui a été l'élément déclencheur du dégel du pergélisol et des affaissements observés. Le front de dégel atteint maintenant la couche de silts marins riche en glace. Pour expliquer les affaissements au dégel du remblai routier, le double impact de la tendance au réchauffement climatique observée au Nunavik et de l'effet d'isolation thermique de la neige doit être considéré.

Publications

1)Articles dans des revues avec comité de lecture:

  • Buteau, S., Fortier, R. et M. Allard, 2010. Permafrost weakening as a potential impact of climatic warming. Journal of Cold Regions Engineering, Vol. 24, No. 1, pp. 1-18.
  • Chouinard, C., Fortier, R. et J.-C. Mareschal, 2007. Recent climate variations in the subarctic inferred from three borehole temperature profiles in Northern Quebec, Canada. Earth and Planetary Science Letters, Volume 263, Issue 3-4, pp. 355-369.
  • Fortier, R., LeBlanc, A.M., Allard, M., Buteau, S. et F. Calmels, 2008. Internal structure and conditions of permafrost mounds at Umiujaq in Nunavik, Canada, inferred from field investigation and electrical resistivity tomography. Journal canadien des sciences de la Terre, Vol. 45, pp. 367-387.
  • Fortier, R., LeBlanc, A.M. et W. Yu, 2011. Impacts of permafrost degradation on a road embankment at Umiujaq in Nunavik (Quebec), Canada. Revue canadienne de géotechnique, Vol. 48, pp. 720-740.
  • Kneisel, C., Hauck, C., Fortier, R et B. Moormann, 2008. Advances in geophysical methods for permafrost investigation. Permafrost and Periglacial Processes, pp. 157-178.
  • LeBlanc, A.-M., Fortier, R., Cosma, C.G. et M. Allard, 2006. Tomographic imaging of permafrost using a three-component seismic cone penetration test. Geophysics, Vol. 71, no. 5, pp. H55-H65.

2)  Autres contributions avec comité de lecture (articles dans des comptes-rendus de conférences):

  • Fortier, R. et B. Aubé-Maurice, 2008. Fast permafrost degradation near Umiujaq in Nunavik (Canada) since 1957 assessed from time-lapse aerial and satellite photographs. Comptes-rendus, Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, USA, Vol. 1, pp. 457-462.
  • Fortier, R. et M. Bolduc, 2008. Thaw settlement of degrading permafrost: a geohazard affecting the performance of man-made infrastructures at Umiujaq in Nunavik (Quebec). Quatrième conférence canadienne sur les géorisques, Québec (Québec), Canada, pp. 279-286.
  • Fortier, R. et M. El Baroudi, 2011. Étude hydrogéophysique d’un aquifère à Beauport par profilages de géoradar et de polarisation provoquée. GeoHydro 2011, Congrès conjoint de la CANQUA et de l’AIH-CNC, Québec (Québec), Canada, 8 p.
  • Fortier, R., LeBlanc, A.-M., Falorni, G. et R. Therrien, 2012. PSInSAR monitoring of ground movement at Salluit, Quebec (Canada), due to freeze-thaw cycles, active layer thickening, and permafrost warming. Comptes-rendus, Tenth International Conference on Permafrost, Salekhard, District automne de Yamal-Nenets, Russie, Vol. 1, International Contributions, pp. 113-118.
  • Fortier, R. et C. Savard, 2010. Engineering geophysical investigation of permafrost conditions underneath airfield embankments in Northern Quebec (Canada). GEO2010, VIth Canadian Conference on Permafrost, Calgary, Alberta, Canada, pp. 1307-1314.
  • Fortier, R. et W. Yu, 2012. Penetration rate-controlled electrical resistivity and temperature piezocone penetration tests in warm ice-rich permafrost in Northern Quebec (Canada). Comptes-rendus, 15th International Conference on Cold Regions Engineering, Quebec, Canada, 11 p.

3)  Contributions sans comité de lecture:

  • a)  résumés longs dans des comptes-rendus de conférence:
    • Fortier, R., Arenson, L.U., Fujun, N., Doré, G., Varlamov, S.P., Zabolotnik, S. Ingenam-Nielsen, T. et J.-F. St-Laurent, 2012. Engineering test sections in permafrost environment: performance of permafrost protection measures and mitigation techniques to permafrost degradation. Résumés longs, Tenth International Conference on Permafrost, Salekhard, District automne de Yamal-Nenets, Russie, Vol. 4/1, pp. 153-154.
    • LeBlanc, A.-M., Fortier, R., Allard, M. et R. Therrien, 2008. The influence of snowdrift on the geothermal field of permafrost: results from three-dimensional numerical simulations at a local scale. Résumés longs, Ninth International Conference on Permafrost, Fairbanks, Alaska, États-Unis, Vol. 1, pp. 171-172. (Ministère de la sécurité publique du Québec)
  • b)  rapports techniques:
    • Fortier, R., 2006. Étude du couvert de glace de la rivière St-François à l’aide d’un géoradar à ondes courtes radio. Rapport présenté à Yves Choquette, Institut de recherche d’Hydro-Québec, 18 p.
    • Fortier, R., 2006. Étude du pergélisol de la zone 5-8 du plateau Katinniq au Nunavik (Québec). Rapport présenté à Pascal Lessard, Géologue senior de projet, XStrata Nickel, 26 p.
    • Fortier, R., 2010. Geophysical investigation along the realignment of Dalton Highway at 9-Mile Hill near Livengood. Report of activities, Alaska University Transportation Center (AUTC), 20 p.
    • Fortier, R., 2011. Geophysical investigation along the realignment of Dalton Highway at 9-Mile Hill near Livengood and at Ag Farm in Fairbanks in March 2011. Summary report of activities, Alaska University Transportation Center (AUTC), 15 p.
    • Fortier, R., Étienne, M. et D. Proulx, 2010. Parc Max-Séjour inc.: étude hydrogéophysique d’un site contaminé à Vaudreuil-Dorion. Rapport remis au Ministère du développement durable, de l’environnement et des parcs (MDDEP) du Québec, 30 p. (MDDEP)
    • Fortier, R., Allard, M., Lemieux, J.-M., Therrien, R., Molson, J. et D. Fortier, 2011. Stratégie de déploiement du réseau Immatsiak: Cartographie des dépôts quaternaires et compilation des informations disponibles des villages nordiques de Whapmagoostui, Umiujaq, Salluit et Kuujjuaq. Rapport de synthèse de la phase I remis au MDDEP, 126 p. (MDDEP)
    • Fortier, R., Lemieux, J.-M., Therrien, R. et J. Molson, 2012. Campagne de levés géophysiques pour des informations complémentaires aux sites des villages nordiques de Whapmagoostui, Umiujaq, Kuujjuaq et Salluit. Rapport de la phase II du projet de déploiement du réseau Immatsiak remis au MDDEP, 229 p. (MDDEP)
    • c)  présentations à l’occasion de conférences:
    • Fortier, R., 2008. Les impacts de la variabilité climatique sur le pergélisol, le paysage périglaciaire et les infrastructures civiles du Nunavik. Colloque sur la sécurité civile, Kuujjuaq, Québec, Canada.
    • Fortier, R., 2009. Cryogeophysics – applied geophysics to permafrost investigation: assessment of permafrost conditions underneath a road embankment affected by thaw subsidence from GPR and ERT. Conférencier invité, University of Alaska Fairbanks, Fairbanks, Alaska, États-Unis.
    • Fortier, R., 2009. Permafrost degradation and related geological hazards in Northern Quebec, Canada. Keynote Speech, VIIIth International Symposium on Permafrost Engineering, Xi’an, Chine.
    • Fortier, R., 2009. Cryogeophysics – applied geophysics to permafrost investigation: two case studies from Umiujaq in Northern Quebec, Canada. Conférencier invité, Cold and Arid Regions Environment and Engineering Research Institute (CAREERI), Lanzhou, Chine.

4)  Notes de cours:

  • GGL-2601 Analyse et modélisation des systèmes naturels: Travaux pratiques 2, 3 et 4: énoncés et solutions, 100 p.
  • GGL-2602 Géophysique appliquée: Cahier de laboratoires, 105 p.
  • GGL-2602 Géophysique appliquée: Document sur les méthodes géophysiques, 285 p.
  • GGL-3600 Méthodes de terrain en génie géologique: Sortie 3 – Géophysique appliquée à la reconnaissance des risques naturels: Les affaissements de terrain à Notre-Dame-des-Laurentides, 16 p.
  • GGL-4602 Cahier d’exercices: Document sur les méthodes géophysiques, 350 p.
  • GGL-4602 Études de cas: Document sur les méthodes géophysiques, 100 p.
  • GGL-4602 Document de références: Document sur les méthodes géophysiques, 188 p.
  • GLG-1004 Géophysique du globe: Cahier d’exercices et de laboratoires, 75 p.
  • GLG-1004 Géophysique du globe: Document de références, 202 p.
  • GLG-1004 Géophysique du globe: Recueil de tableaux et de figures, 169 p.
  • GLG-1004 Géophysique du globe: Solution des problèmes, 115 p.

Affiliations

  • Membre de l'Ordre des ingénieurs du Québec (OIQ)

Formation et expériences professionnelles

  • Ph.D. (École Polytechnique de Montréal)
  • M.Sc.A. (Université Laval)
  • B.Sc.A. (Université Laval), ing.

 

 
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