Évolution récente du delta de la Yamachiche (Québec) : processus naturels et impacts anthropiques

Bondue, Vitalie; Boyer, Claudine; Lamothe, Michel; Roy, André; Ghaleb, Bassam

doi:https://doi.org/10.7202/018001ar

Introduction

Le lac Saint-Pierre, un élargissement du fleuve Saint-Laurent, est marqué par de nombreuses fluctuations de son niveau de base depuis le retrait des glaces il y a 11 100 ans ± 100 ¹⁴C BP. La moyenne vallée du Saint-Laurent a d’abord été submergée par la mer de Champlain, puis par le lac à Lampsilis vers 9 800 ans ¹⁴C BP cal. (Parent et al., 1985). À mesure de la remontée isostatique du continent, le lac a connu des baisses successives de niveaux d’eau, ponctuées par trois phases de stabilisation (MacPherson, 1967). Après la dernière phase il y a 7 000 ans, trois fluctuations majeures ont caractérisé les niveaux d’eau du Proto lac Saint-Pierre, ainsi que des périodes de bas niveaux d’eau proches des niveaux actuels (Lamarche, 2005). Un dernier haut niveau a été enregistré il y a 1 000 ans.

Le lac Saint-Pierre est aujourd’hui caractérisé par l’existence de près de 7 000 ha de milieux humides et abrite une grande diversité biologique (Langlois et al., 1992), ce qui lui a valu sa désignation en tant que réserve mondiale de la biosphère par l’Unesco en 1998. Il est également affecté depuis les 200 dernières années par de nombreuses pressions anthropiques qui ont provoqué une modification de la topographie du lac, de son hydraulique et l’augmentation de la pollution (Cossa et al., 1998 ; Morin et Bouchard, 2001 ; Morin et Côté, 2003). Ce milieu risque d’être à nouveau déstabilisé dans les cinquante prochaines années alors que l’on prévoit une baisse de 0,5 à 1 m du niveau d’eau du Saint-Laurent, du fait du changement climatique global (Mortsch et al., 2000). Si l’impact d’une baisse de niveau sur les milieux humides (Hudon et al., 2005), sur l’écosystème (Morin et al., 2005) ou sur la sédimentologie du lac Saint-Pierre (Carignan et Lorrain, 2000) ont fait l’objet de nombreux travaux, il existe peu d’informations sur la réponse possible des tributaires du Saint-Laurent à une baisse de niveau d’eau du fleuve.

Cette étude vise à caractériser la dynamique passée d’un tributaire du Saint-Laurent, la Yamachiche, en examinant ses dépôts deltaïques à son embouchure dans le lac Saint-Pierre. Les deltas, par leur rôle de réservoir sédimentaire et par la nature et la succession de leurs faciès, permettent de retracer les taux d’accumulation d’une rivière (Hori et al., 2001 ; Pelpola et Hickin, 2004) et de déterminer l’influence des processus en jeu dans leur construction (Elliott, 1986). La nature et la vitesse de l’accumulation portent l’empreinte de l’histoire géomorphologique du bassin versant et du bassin de réception, et des effets de changements environnementaux passés (Arnaud-Fassetta, 2004 ; Brown et Pasternack, 2004 ; Diszowsky et Desloges, 2004). Par rapport aux deltas marins, l’évolution morphologique des deltas lacustres holocènes et des paramètres qui la contrôlent n’ont fait l’objet que d’un nombre restreint d’études. Or, dans les lacs, l’absence de marées supérieures à quelques centimètres, l’énergie plus faible des vagues ainsi que la plus faible salinité du plan d’eau produisent des morphologies, des processus de sédimentation et des faciès deltaïques distincts (Smith, 1991). Les objectifs de cette étude sont de reconstituer l’évolution du delta de la Yamachiche et de lier cette évolution aux processus géomorphologiques passés et actuels. La reconstitution de l’évolution du delta est réalisée à l’aide de photographies aériennes et de cartes anciennes, de forages et de coupes, et de l’utilisation de diverses méthodes de datation, incluant la luminescence stimulée optiquement, le ²¹⁰Pb et le ¹⁴C.

Description du site d’étude

Le lac Saint-Pierre est un lac fluvial dont le débit et les niveaux d’eau sont principalement déterminés par ceux du Saint-Laurent (fig. 1). D’une profondeur moyenne de 3 m, le lac est traversé en son centre par le chenal de navigation du Saint-Laurent de 11,3 m de profondeur. Les courants tractifs du fleuve se concentrent dans le chenal, alors que le long des berges les vitesses du courant près du fond sont presque nulles (Mingelbier et al., 2002). Le lac Saint-Pierre est caractérisé par des fluctuations de niveau d’eau intervenant à trois échelles. Des fluctuations à l’échelle du siècle au millénaire ont été documentées sur la rive nord par la datation de dépôts littoraux provenant de la stabilisation de niveaux d’eau à différentes altitudes entre 6 000 et 1 000 ans (Lamarche, 2005). À l’échelle du dernier siècle, les mesures directes des niveaux d’eau du lac Saint-Pierre depuis 1912 par le Service hydrographique du Canada témoignent de périodes de 20-30 ans de hauts et de bas niveaux. Elles correspondent aux fluctuations de débit du Saint-Laurent, qui seraient causées par des cycles climatiques influençant la quantité de précipitations et l’évaporation sur les Grands Lacs (Morin et Bouchard, 2001). Le lac Saint-Pierre connaît également d’importantes fluctuations saisonnières de niveau, avec un maximum intervenant à la fonte printanière lors de la crue des tributaires et un minimum à la fin de l’été. Si l’influence des marées est faible, les vagues peuvent augmenter les niveaux d’eau de façon particulièrement importante, surtout au printemps lorsque le vent souffle dans une direction SSO-NNE où le fetch atteint alors 30 km (Morin et al., 2005). La rive est du delta de la Yamachiche peut subir l’influence de vagues de haute énergie. Au total, l’amplitude des niveaux d’eau du lac Saint-Pierre est de 5,4 m.

Depuis 150 ans, de multiples interventions humaines ont transformé la topographie et affecté les niveaux d’eau du lac. Les plus importants ont été la construction de réservoirs en 1930, le dragage du chenal dans les années 1950 et la construction d’un barrage à l’exutoire du lac Ontario en 1958. Si les réservoirs n’ont eu qu’un impact relativement mineur sur l’augmentation des niveaux d’eau, l’impact du dragage du chenal de navigation sur l’hydraulique est plus incertain. En concentrant l’écoulement au centre du lac, cette opération pourrait avoir provoqué une réduction des vitesses en périphérie (Morin et Côté, 2003). La construction du barrage a permis de régulariser les débits en provenance des Grands Lacs à l’origine d’une diminution des fluctuations saisonnières. La crue printanière a été réduite en termes de débit et de durée alors que les niveaux bas de l’été et de l’hiver ont augmenté et montrent une plus grande stabilité. La régularisation n’affecte cependant que très peu les fluctuations d’origine climatique à l’échelle de 30 ans.

Le delta de la Yamachiche est d’une superficie de 50 ha et il ne comporte qu’un seul chenal (fig. 1). Il se distingue des autres deltas du lac Saint-Pierre par la quantité de sable dans ses dépôts. Le delta de la Yamachiche peut être classé dans la catégorie des deltas qui sont dominés par les processus fluviaux selon Tye et Coleman (1989) ou dans la catégorie des deltas caractérisés par des bancs stables à leur embouchure selon Smith (1991). Ce type de delta est marqué par une granulométrie fine (sable) et se développe dans un environnement lacustre de faible énergie érosive, peu profond et à faible pente (Smith, 1991).

La Yamachiche possède un débit moyen de 7 m³/s. Son bassin versant d’une superficie de 380 km² se situe en majorité dans la formation géologique des Basses-Terres du Saint-Laurent au relief plat et s’étend jusqu’à une zone plus vallonnée à l’amont correspondant au Bouclier canadien (fig. 2). Les Basses-Terres sont recouvertes par d’épaisses formations superficielles mises en place lors des différents épisodes marins et lacustres qu’a connus la région pendant le relèvement isostatique. La rivière est incisée dans des limons lacustres et des sables deltaïques jusqu’aux argiles d’eau profonde de la Mer de Champlain qui jouent le rôle de niveau de contrôle du fait de leur forte cohésion. La roche n’affleure que dans la partie amont du bassin versant située dans le Bouclier canadien. Dans la région des Basses-Terres, la colonisation humaine a progressé en fronts pionniers des pourtours du lac Saint-Pierre vers 1700 jusqu’au rebord du Bouclier vers 1875 (Séguin et Hardy, 2004). L’ouverture de villages s’est faite principalement durant le 19^e siècle, avec un pic de population atteint au milieu du 19^e siècle. À cette époque, les terres sont défrichées et cultivées jusqu’aux contreforts du Bouclier canadien. L’industrie forestière est également présente et toutes les rivières sont utilisées pour transporter le bois, y compris la Yamachiche, où cette exploitation cesse toutefois rapidement. Aujourd’hui, la superficie du bassin versant est majoritairement dominée par l’agriculture même si des reboisements ont été menés dans la partie sud depuis les derniers 150 ans (Lamontagne, 2004).

Méthodologie

Cette étude repose sur deux approches complémentaires : une cartographie de la progression du delta à partir de photographies aériennes et de cartes disponibles depuis le milieu du 19^e siècle et une analyse chronostratigraphique des sédiments anciens du delta.

Photographies aériennes et cartes anciennes

La cartographie de l’évolution du delta a été réalisée à partir de six séries de photographies aériennes du delta prises en 1948, 1964, 1977, 1985, 1988 et 1997, d’une carte topographique de 1921 à l’échelle 1/50 000 et d’une carte bathymétrique du lac Saint-Pierre réalisée en 1859. Trois photographies (1964, 1985, 1997) ont été géoréférencées par Environnement Canada en utilisant les données de base de cartes topographiques à l’échelle 1/20 000. Les trois autres (1948, 1977, 1988) ont été géoréférencées avec le logiciel SIGIS (version 2.6) en utilisant six points de contrôle. Aucun des documents n’a été corrigé géométriquement étant donné l’absence de relief significatif. Les deux cartes numérisées à haute résolution par Environnement Canada ont été géoréférencées avec le logiciel MapInfo (version 6.5) à l’aide de quatre points de contrôle pour la carte de 1921 et de cinq pour celle de 1859, relativement moins précise. Les positions successives du delta ont été tracées en utilisant les limites de la végétation herbacée sur les photographies aériennes et les limites de la côte sur les cartes. L’utilisation de la limite de la végétation plutôt que celle du trait de côte sur les photographies a permis d’éviter de tenir compte des variations de niveau d’eau. D’autre part, l’avancée de la végétation proximale sur le delta de la Yamachiche suit de très près l’avancée du trait de côte (Roy et al., 2004). La superposition de ces limites a permis de dégager des aires d’accumulation pour chacune des périodes couvertes par les cartes et les photographies et d’estimer les taux de progression du delta depuis 1859. La marge d’erreur de l’estimation des superficies est de l’ordre de ±0,1 ha pour les photographies aériennes et la carte topographique de 1921, et de ±1 ha pour la carte de 1859.

Analyse chronostratigraphique

L’analyse chronostratigraphique s’appuie sur la description et la datation de six coupes et de quatorze puits et forages. Les logs sont d’une profondeur moyenne de 2 m, couvrant l’épaisseur des dépôts deltaïques, et sont répartis dans le delta en transects transversaux et le long du cours d’eau, espacés à des distances de 50 à 350 m (fig. 3). Deux forages et une coupe se situent en-dehors des dépôts deltaïques. Dix puits d’une largeur de 0,5 m et d’une longueur de 1,5 m ont été creusés à la pelle et la description stratigraphique a été accomplie in situ. Les six forages ont été réalisés au moyen d’une foreuse à percussion Acker. Le matériel a été récupéré dans des tubes en aluminium, qui ont permis la conservation des structures sédimentaires. Des échantillons pour la granulométrie ont été pris à intervalles serrés, de manière à caractériser les différences granulométriques. Les échantillons ont été tamisés à sec dans la fraction comprise entre 63 μm et 2 mm. La granulométrie des unités sédimentaires a été définie par le mode de la distribution. En intégrant ces informations, nous avons produit des diagrammes de faciès reproduisant la variabilité verticale et latérale des dépôts. La localisation exacte des sondages prise avec un GPS différentiel a été ajoutée à un modèle numérique de terrain détaillé fourni par Environnement Canada. Ce modèle provient de données LIDAR de la rive nord du lac Saint-Pierre. Les datations ont été réalisées sur quatre coupes stratigraphiques et ont été faites par luminescence stimulée optiquement (OSL) principalement, mais également par ²¹⁰Pb et par ¹⁴C pour un échantillon.

Luminescence optique

Peu d’études utilisant la luminescence optique ont porté sur des sédiments fluviatiles d’âge moderne (Huot et Lamothe, 2003 ; Ward et al., 2003). En milieu fluvial, le problème majeur est la remise à zéro partielle des sédiments pendant l’évènement de transport à dater, ce qui peut provoquer une surestimation de l’âge. L’analyse statistique de nombreuses aliquotes, ou sous-échantillons, permet d’évaluer l’importance de ce phénomène. On peut aussi valider les résultats OSL avec des âges de contrôle indépendants fournis par d’autres méthodes de datation. En plus des photographies aériennes et des cartes anciennes, nous avons utilisé le ¹⁴C et le ²¹⁰Pb.

Les datations ont été faites sur quatre coupes stratigraphiques, dont l’une se trouve en-dehors des limites du delta. Les coupes sont réparties sur un gradient longitudinal, de l’amont (C4, en-dehors du delta) à l’aval (C5), de manière à retracer l’évolution du delta et de faire le lien avec les dépôts environnants. Les échantillons ont été pris dans les unités sableuses à la base des coupes C1, C3 et C4, représentant ainsi le début de l’accumulation deltaïque à différentes étapes de construction du delta, et également dans des lits sableux à mi-hauteur des coupes C5 et C1, de façon à documenter un éventuel changement dans les taux de sédimentation.

La datation a été faite sur des grains de feldspath potassique, dans la fraction granulométrique comprise entre 125 et 250 μm. Les carbonates de calcium ont été enlevés par une attaque à l’acide chlorhydrique (HCl 20 %). Les feldspaths ont été isolés en utilisant une solution de polytungstate de sodium. Les grains ont été montés en fines monocouches sur 30 disques d’un centimètre de diamètre. La datation a été effectuée à l’aide d’un lecteur Risø TL DA15 en utilisant des diodes infrarouges pour la stimulation. La luminescence a été mesurée par un tube photomultiplicateur EMI 963QA muni d’une combinaison de filtres BG39/Corning 7-59 transmettant dans une fenêtre spectrale entre 325 et 470 nm. La dose équivalente a été obtenue en utilisant le protocole de la SAR (Murray et Wintle, 2000) modifié pour les feldspaths, en utilisant une préchauffe d’une minute à 250 °C pour la dose et la test dose (Lamothe et al., 2001 ; Huot et Lamothe, 2003). La dose équivalente a ensuite été corrigée pour le transfert thermique, la remise à zéro partielle des sédiments et la décroissance anormale du signal lumineux. Le transfert thermique a été estimé pour chaque échantillon avec six aliquotes remises à zéro sous lampe solaire pendant 16 heures, puis soumises à une séquence SAR sans dose naturelle. Les valeurs de transfert thermique, en moyenne de 1 Gy pour tous les échantillons et de 0,8 Gy pour l’échantillon VC1b, ont été soustraites des doses équivalentes des aliquotes. La remise à zéro partielle des échantillons a été détectée graphiquement par la méthode des histogrammes de probabilité (Murray et al., 1995 ; Olley et al., 1998, 1999). Les histogrammes de probabilité des échantillons de la Yamachiche présentent tous à des degrés divers une distribution asymétrique des doses équivalentes, reflétant une remise à zéro partielle des sédiments (données non présentées). Pour tenir compte et corriger partiellement cet effet, nous avons utilisé le modèle des âges minimums avec la procédure de Huot (2003), qui calcule une dose équivalente minimum, correspondant à la valeur moyenne de la distribution normale de la population jeune. La dose équivalente a ensuite été corrigée pour l’anomalous fading, ou la décroissance anormale du signal lumineux. Le taux de décroissance a été calculé pour chaque échantillon selon la procédure proposée par Auclair et al. (2003). Un taux moyen de 7 % par décade a été estimé et utilisé pour corriger les doses équivalentes avec la méthode de Huntley et Lamothe (2001). La dose annuelle a été déterminée avec les concentrations de U, Th et K mesurées par activation neutronique et pondérées par la teneur en eau des dépôts.

²¹⁰Pb et ¹⁴C

Le ²¹⁰Pb est une technique de datation qui a souvent été utilisée pour évaluer l’effet des changements environnementaux dans des milieux de sédimentation récents (Walling et He, 1999 ; Owens et Walling, 2002 ; Piégay et al., 2004). Pour calculer un taux d’accumulation moyen, nous nous sommes servi de la méthode CRS (constant rate of supply) basée sur l’hypothèse d’un flux de ²¹⁰Pb atmosphérique constant, quelles que soient les variations dans les taux d’accumulation de sédiments (Appleby et Oldfield, 1978 ; Sorgente et al., 1998). Même si il n’y a pas a priori de raison de supposer une relation aussi simple dans les milieux fluviatiles, la méthode semble donner des résultats empiriquement fiables (Appleby, 2001).

Les échantillons ont été prélevés dans la partie sommitale de trois coupes, C5, C1 et C3, dont la base est datée par luminescence optique. Six échantillons ont servi à caractériser les 90 premiers centimètres de C5 et les 50 premiers centimètres de C3, et huit échantillons ont été prélevés dans les 110 premiers centimètres de la coupe C1. Les analyses ont été réalisées sur la fraction granulométrique inférieure à 63 μm au laboratoire GEOTOP de l’Université du Québec à Montréal. L’activité du ²¹⁰Po, qui est considéré comme étant en équilibre séculaire avec le ²¹⁰Pb, a été mesurée par spectromètre alpha. Le ²²⁶Ra a été mesuré par spectromètre de masse à ionisation thermique. Le ²¹⁰Pb en excès a été calculé en soustrayant le ²²⁶Ra du ²¹⁰Pb total. L’âge du sédiment échantillonné a été estimé par :

où t est l’âge du sédiment, Inv.x est l’inventaire de l’excès de ²¹⁰Pb à la profondeur x, Inv.t est l’inventaire total de l’excès de ²¹⁰Pb et λ est la constante de désintégration du ²¹⁰Pb (0,3108). Le taux d’accumulation verticale moyen est obtenu par :

Étant donné que dans le modèle CRS, l’incertitude devient importante dans le bas du profil (Turner et Delorme, 1996), les valeurs de chaque coupe dont les concentrations étaient inférieures à la marge d’erreur ont été enlevées des profils âge-profondeur.

Une date au ¹⁴C a été réalisée sur des morceaux de bois trouvés à 2,10 m de profondeur dans la coupe C1, à la base de l’unité sédimentaire datée par OSL avec l’échantillon VC1b. Les morceaux de bois identifiés comme étant des branches de Pinus strobus et de Salix ont été datés au laboratoire Beta University Branch à Miami (États-Unis). Un prétraitement au HCl et au NaOH a été effectué avant la datation par la méthode conventionnelle. L’âge radiocarbone obtenu a été corrigé du δ¹³C mesuré à ‑25,9 ‰ pour obtenir l’âge radiocarbone conventionnel.

Résultats

Photographies aériennes et cartes anciennes

Le delta actuel de la Yamachiche est caractérisé par une faible pente qui descend de façon continue vers le bassin peu profond du lac Saint-Pierre (fig. 4). La plaine deltaïque à l’amont présente une topographie irrégulière qui reflète la migration de la rivière et les anciennes positions du chenal, visibles sur les photographies aériennes et les cartes anciennes. La progression du delta de la Yamachiche a été relativement rapide depuis 1859 (fig. 5A). On voit nettement sur la carte que le delta était embryonnaire et qu’il s’est construit essentiellement durant les 150 années suivantes. Cette construction n’a pas été régulière et elle s’est faite en quatre périodes (fig. 5B). Entre 1859 et 1921, la progression a été relativement lente, en moyenne de 740 m²/an ; de 1921 à 1964, l’avancée est rapide avec un taux de progression moyen de 2 100 m²/an ; de 1964 à 1988, la progression du delta est fortement ralentie avec un taux moyen de 640 m²/an mais reprend à nouveau rapidement de 1988 à 1997, où le taux moyen de progression est de 2 960 m²/an.

Figure 5

Progression du delta de la Yamachiche d’après la limite de la végétation selon les photographies aériennes de 1948 à 1997 et d’après la limite de la côte selon les cartes topographiques de 1921 et 1859. (A) Carte des limites successives. (B) Progression cumulée du delta pour chacune des périodes couvertes par les cartes et les photographies aériennes.

Yamachiche River delta progradation from the vegetation limit of the 1948 to 1997 aerial photographs, and from the shore limit of the 1921 and 1859 topographic maps. (A) Map of the successive limits. (B)Cumulative progradation of the delta since 1859.

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La forme du delta a aussi changé au cours de son évolution. D’un contour plus arrondi en 1859 et 1921, le delta a progressé par la suite vers l’ouest en suivant une forme allongée. La progression s’accomplit par une accumulation de sédiments au front accompagnée d’une avancée de la végétation. Elle s’effectue également par une accumulation de sédiments sur la rive droite et dans la baie adjacente, alors que la rive gauche semble plutôt être soumise à l’action érosive du lac. Le delta suit un même patron de construction de 1859 à 1948. Il se développe dans un axe NE-SO le long d’un chenal d’abord rectiligne puis caractérisé par une migration latérale et la formation de nouveaux méandres (fig. 6). Depuis 1948, le delta progresse le long de la rivière de façon rectiligne. Le dernier méandre à l’aval développé avant 1948 est toujours dans la même position en 1997. À l’amont, le tracé du chenal a été caractérisé par la coupure d’un méandre pour la construction de l’autoroute entre 1969 et 1975. On observe également deux autres coupures de méandre intervenues entre 1921 et 1948 (fig. 6).