Niveaux d'eau des Grands Lacs : Un problème transfrontalier

Sujet

De nouveaux résultats de nos recherches indiquent que par le passé les niveaux d’eau des Grands Lacs ont baissé de plusieurs mètres et que les lacs sont même devenus isolés les uns des autres en réponse à des conditions climatiques plus sèches que les conditions actuelles. Puisque certains scénarios de changement climatique indiquent maintenant que les niveaux d’eau des Grands Lacs pourraient s’abaisser sous la plage de variabilité actuellement considérée comme normale, la connaissance des événements historiques de changement hydrologique rapide s’avère très importante. Notre équipe a émis l’hypothèse voulant qu’après 9000 années étalonnées avant le présent (cal BP) les niveaux d’eau des Grands Lacs se sont abaissés sous les niveaux de leurs émissaires pour ainsi en arrêter l’écoulement sortant suite aux effets d’incursions accrues d’air arctique pendant la fin de la déglaciation dans la baie d’Hudson et d’apports d’air sec et chaud du Pacifique. Bien que ces événements se soient produits il y a des milliers d’années, ils constituent néanmoins des exemples utiles de changements hydrologiques marqués survenus depuis l’avènement des actuelles conditions non glaciaires dans la région des Grands Lacs.

Modèle altimétrique numérique de la région des Grands Lacs montrant les 5 principaux bassins lacustres et laltitude des surfaces de leau (Supérieur, Michigan, Huron et baie Georgienne, Érié, Ontario), la direction découlement de leau (flèches bleues) et les emplacements de valeurs ultérieures (nombres). Les limites du bassin versant des Grands Lacs sont représentées par des lignes blanches. SLR = fleuve Saint-Laurent. Carte-index tirée de lAtlas écologique des Grands Lacs (1995).

Modèle altimétrique numérique de la région des Grands Lacs montrant les 5 principaux bassins lacustres et l’altitude des surfaces de l’eau (Supérieur, Michigan, Huron et baie Georgienne, Érié, Ontario), la direction d’écoulement de l’eau (flèches bleues) et les emplacements de valeurs ultérieures (nombres). Les limites du bassin versant des Grands Lacs sont représentées par des lignes blanches. SLR = fleuve Saint-Laurent. Carte-index tirée de l’Atlas écologique des Grands Lacs (1995).

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Indications de lexistence de bas niveaux dans le bassin du lac Huron et de la baie Georgienne à lHolocène.a.  la discordance de Stanley dans la partie nord-ouest du lac Huron présentant du sable en eau peu profonde sur une argile rouge érodée et sous une argile limoneuse poivrée de FeS (carotte à gauche), sexprime également sous forme dun intense réflecteur sismique sub-superficiel (à droite) (Moore et coll., 1994); ce sable et ce réflecteur marquent un ancien niveau du lac de 50 m inférieur au niveau actuel il y a environ 7900 ± 300 ans 14C.b.  en haut : deux souches darbres in situ sur le fond lacustre à lentrée de la baie Georgienne trouvées par des profondeurs de leau de 3 à 43 m dont les âges déterminés par radiodatation sétablissent de 7230 ± 90 à 9360 ± 80 BP; en bas à droite : enregistrement au sonar à balayage latéral montrant des crêtes de plages par des profondeurs de leau de 48 à 53 m (Blasco, 2001).

Indications de l’existence de bas niveaux dans le bassin du lac Huron et de la baie Georgienne à l’Holocène.
a.  la discordance de Stanley dans la partie nord-ouest du lac Huron présentant du sable en eau peu profonde sur une argile rouge érodée et sous une argile limoneuse poivrée de FeS (carotte à gauche), s’exprime également sous forme d’un intense réflecteur sismique sub-superficiel (à droite) (Moore et coll., 1994); ce sable et ce réflecteur marquent un ancien niveau du lac de 50 m inférieur au niveau actuel il y a environ 7900 ± 300 ans 14C.
b.  en haut : deux souches d’arbres in situ sur le fond lacustre à l’entrée de la baie Georgienne trouvées par des profondeurs de l’eau de 3 à 43 m dont les âges déterminés par radiodatation s’établissent de 7230 ± 90 à 9360 ± 80 BP; en bas à droite : enregistrement au sonar à balayage latéral montrant des crêtes de plages par des profondeurs de l’eau de 48 à 53 m (Blasco, 2001).

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Activités de recherche

Objectifs:

Cette recherche a comme but ultime l’utilisation des données géologiques pour améliorer la compréhension de la sensibilité des Grands Lacs au changement climatique. Les objectifs sont premièrement de corroborer et de vérifier l’existence de lignes fermées de bas niveau des Grands Lacs, deuxièmement d’utiliser de multiples sources de données indirectes sur de petits lacs dans le bassin versant des Grands Lacs pour évaluer les changements paléoclimatiques et troisièmement de reconstituer la paleoégéographie des Grands Lacs puis de modéliser la relation entre pléoclimat et hydrologie.

Carte de reconstitution paléogéographique montrant les lignes de rivage fermées (jaune) de bas niveaux des lacs vers 7900 ans 14C BP. Les lignes rouges représentent les lignes de rivage les plus basses auxquelles lécoulement est encore possible au-dessus de laltitude du seuil. Les lignes de rivages actuelles des lacs sont représentées en blanc.E = bassin du lac Érié, G = bassin de la baie Georgienne, H = bassin du lac Huron, and O = bassin du lac Ontario.

Carte de reconstitution paléogéographique montrant les lignes de rivage fermées (jaune) de bas niveaux des lacs vers 7900 ans 14C BP. Les lignes rouges représentent les lignes de rivage les plus basses auxquelles l’écoulement est encore possible au-dessus de l’altitude du seuil. Les lignes de rivages actuelles des lacs sont représentées en blanc.
E = bassin du lac Érié,
G = bassin de la baie Georgienne,
H = bassin du lac Huron, and
O = bassin du lac Ontario.

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Méthodes:

Afin de corroborer les interprétations des données existantes sur les bas niveaux passés des lacs et de s’assurer que l’eau des Grands Lacs pendant les périodes modélisées provenait de processus hydrologiques non glaciaires, des profils sismiques et des carottes de sédiments obtenus lors d’études antérieures feront l’objet de nouvelles analyses. En outre, un certain nombre de nouvelles carottes seront prélevées et de nouveaux levés sismiques seront exécutés aux fins d’analyses paléoclimatiques fondées sur des micro-organismes fossiles comme le pollen pour compléter les données existantes. Les intervalles passés pendant lesquels de bas niveaux des lacs ont existé seront identifiés par l’application de méthodes paléomagnétiques et de la SMA14C aux carottes qui feront de plus l’objet d’analyses par des méthodes géochimiques isotopiques et des fonctions de transfert paléo-écologiques pour l’établissement de corrélations entre les conditions hydrologiques et atmosphériques historiques et les oscillations des niveaux de l’eau des Grands Lacs. Les données issues de ces analyses permettront la modélisation de la relation entre le climat et l’hydrologie des Grands Lacs au moyen d’un modèle opérationnel des processus hydrologiques (NOAA).

Image captée au sonar multifaisceaux en direction de louest de la baie Georgienne à lemplacement de lescarpement du Niagara submergé et du seuil entre les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne (Parcs Canada, Service hydrographique du Canada et Tekmap Consulting). Les lignes blanches marquent lemplacement des isobathes de 35 m et 90 m. Noter les chenaux entaillant le seuil, probablement érodés par leau débordant du bassin du lac Huron lorsque le niveau sabaissait vers celui ayant marqué les lignes de rivage fermées ou sen élevait.

Image captée au sonar multifaisceaux en direction de l’ouest de la baie Georgienne à l’emplacement de l’escarpement du Niagara submergé et du seuil entre les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne (Parcs Canada, Service hydrographique du Canada et Tekmap Consulting). Les lignes blanches marquent l’emplacement des isobathes de 35 m et 90 m. Noter les chenaux entaillant le seuil, probablement érodés par l’eau débordant du bassin du lac Huron lorsque le niveau s’abaissait vers celui ayant marqué les lignes de rivage fermées ou s’en élevait.

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Résultats courants:

Cette recherche vise à déterminer à quel point l’hydrologie du bassin versant des Grands Lacs est sensible aux changements climatiques rapides. Pour ce faire, il était d’abord nécessaire de démontrer au moyen du modèle des processus hydrologiques de la NOAA que les changements climatiques pouvaient forcer la fermeture des Grands Lacs. Des modèles existants pour le ruissellement sur les grands bassins tels qu’appliqués à l’ensemble des 121 bassins versants drainés par les Grands Lacs ont été intégrés à des modèles thermodynamiques et du bilan hydrique pour chacun des Grands Lacs ainsi qu’à des modèles des écoulements et des courants de débordement dans les chenaux. Le nouveau modèle hydrologique intégré qui en résulte a été mis à l’épreuve avec les données météorologiques enregistrées et jugé acceptable pour la modélisation des niveaux d’eau dans les Grands Lacs. Des scénarios de changement climatique ont été élaborés en fonction de climats plus chauds et secs en utilisant des décréments pour les précipitations et des incréments pour la température par rapport à ces paramètres dans le climat moyen actuel. Le modèle hydrologique intégré a ensuite été appliqué à chacun des scénarios pour produire des projections pour les niveaux des lacs suivant chaque ensemble de conditions. Il a été démontré que de tels changements climatiques pouvaient entraîner la fermeture des Grands Lacs (Croley et Lewis, 2006). 

Corroboration de bas niveaux dans les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne.a.  sable avec matière organique (foncée) sus-jacents et sous jacents à des sédiments argileux clastiques (gris pâle) indiquant dantérieures occurrences de bas niveaux de leau à lHolocène sur le cours inférieur de la rivière des Français au nord-ouest de la baie Georgienne, b.  profil sismique du lac Simcoe montrant des réflecteurs tronqués aux pointes des flèches dans les sédiments glaciolacustres (surface de lunité en vert à une profondeur de 25 m) sous des sédiments deau profonde (en bleu) indiquant une érosion à lHolocène, probablement par des vagues agitant un ancien lac au niveau plus bas (Todd et coll. sous presse), c.  profil sismique (Coakley et Lewis, 1985) de la partie orientale du lac Érié (profondeurs en m sous la surface actuelle du lac à gauche) montrant lérosion (sub-surface inclinée tronquant des réflecteurs sous-jacents gisant à plat) par les vagues sur lavant-plage dun ancien lac au niveau plus bas, qui aurait existé à lHolocène précoce daprès le pollen dans les strates et la radiodatation.

Corroboration de bas niveaux dans les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne.
a.  sable avec matière organique (foncée) sus-jacents et sous jacents à des sédiments argileux clastiques (gris pâle) indiquant d’antérieures occurrences de bas niveaux de l’eau à l’Holocène sur le cours inférieur de la rivière des Français au nord-ouest de la baie Georgienne,
b.  profil sismique du lac Simcoe montrant des réflecteurs tronqués aux pointes des flèches dans les sédiments glaciolacustres (surface de l’unité en vert à une profondeur de 25 m) sous des sédiments d’eau profonde (en bleu) indiquant une érosion à l’Holocène, probablement par des vagues agitant un ancien lac au niveau plus bas (Todd et coll. sous presse),
c.  profil sismique (Coakley et Lewis, 1985) de la partie orientale du lac Érié (profondeurs en m sous la surface actuelle du lac à gauche) montrant l’érosion (sub-surface inclinée tronquant des réflecteurs sous-jacents gisant à plat) par les vagues sur l’avant-plage d’un ancien lac au niveau plus bas, qui aurait existé à l’Holocène précoce d’après le pollen dans les strates et la radiodatation.

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Estimations quantitatives du climat de 11 000 ans 14C BP (base) à aujourdhui (sommet) basées sur lanalyse de fonction de transfert appliquée à des données dassemblages de pollens recueillies dans un petit lac (étang Porqui) près de la partie sud-est de la baie Georgienne. Les graphiques illustren la température moyenne en janvier (à gauche), la température moyenne en juillet (au centre) et les précipitations annuelles moyennes (à droite) (avec la permission de J.H. McAndrews et F.M.G. McCarthy). À lépoque des bas niveaux dans les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne à lHolocène précoce représentés par des bandes grises,a.  les températures hivernales étaient plus froides, b.  les températures estivales étaient légèrement plus élevées et c.  les précipitations annuelles étaient substantiellement inférieures à ce quelles sont aujourdhui et caractéristiques dun climat similaire à celui que subit de nos jours Minneapolis (MN).

Estimations quantitatives du climat de 11 000 ans 14C BP (base) à aujourd’hui (sommet) basées sur l’analyse de fonction de transfert appliquée à des données d’assemblages de pollens recueillies dans un petit lac (étang Porqui) près de la partie sud-est de la baie Georgienne. Les graphiques illustren la température moyenne en janvier (à gauche), la température moyenne en juillet (au centre) et les précipitations annuelles moyennes (à droite) (avec la permission de J.H. McAndrews et F.M.G. McCarthy). À l’époque des bas niveaux dans les bassins du lac Huron et de la baie Georgienne à l’Holocène précoce représentés par des bandes grises,
a.  les températures hivernales étaient plus froides,
b.  les températures estivales étaient légèrement plus élevées et
c.  les précipitations annuelles étaient substantiellement inférieures à ce qu’elles sont aujourd’hui et caractéristiques d’un climat similaire à celui que subit de nos jours Minneapolis (MN).

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Collaborateurs:



Publications récentes:

  • Croley II, T.E. and Lewis, C.F.M. 2006. Warmer and Drier Climates that Make Terminal Great Lakes 2006. Journal of Great Lakes Research 32(4):852-869.  RÉSUMÉ
  • Lewis, C.F.M., Blasco, S.M. and Gareau, P.L. 2007. Glacial isostatic adjustment of the Laurentian Great
    Lakes basin: using the empirical record of strandline deformation for reconstruction of early Holocene
    paleo-lakes and discovery of a hydrologically closed phase. Géographie physique et Quaternaire, 2005, vol.
    59, nos. 203, p. 167-210.
  • Lewis, C.F.M., Heil Jr., C.W., Hubeny, J.B., King, J.W., Moore Jr, T.C. and Rea, D.K. 2007. The Stanley
    unconformity in Lake Huron basin, evidence for a climate-driven closed lowstand about 7900 14C BP, with
    similar implications for the Chippewa lowstand in Lake Michigan basin. Journal of Paleolimnology.
    Published online. Doi 10.1007s 10933-006-9049-y.  RÉSUMÉ

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Liens utiles

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Références additionnelles
  • Blasco, S.M. 2001. Geological history of Fathom Five National Marine Park over the past 15000 years. In: Parker S, Munawar M (Eds.) Ecology, Culture and Conservation of a Protected Area: Fathom Five National Marine Park, Canada. Ecovision Monograph Series, Backhuys Publishers, Leiden, p. 45 à 62.
  • Coakley, J.P. et Lewis, C.F.M. 1985. Postglacial lake levels in the Erie basin. Dans Karrow, P.F. et Calkin, P.E. (Eds.) Quaternary Evolution of the Great Lakes, Geological Association of Canada Special Paper 30, pp. 195-212. Référence
  • Moore Jr., T.C., Rea, D.K., Mayer, L.A., Lewis, C.F.M., Dobson, D.M. 1994. Seismic stratigraphy of Lake Huron - Georgian Bay and postglacial lake history. Journal canadien des sciences de la Terre 31:1606 à 1617. Référence
  • l’Atlas écologique des Grands Lacs, 1995. Les Grands Lacs, Atlas écologique et manuel des ressources, troisième édition. Gouvernement du Canada, Toronto, Ontario et United States Environmental Protection Agency, Chicago, Illinois. Version en ligne
  • Todd, B.J., Lewis, C.F.M. et Anderson, T.W. sous presse. Quaternary features beneath Lake Simcoe, Ontario, Canada: drumlins, tunnel channels, and records of proglacial to postglacial closed and overflowing lakes. Journal of Paleolimnology.