Sur la base de la température, le pergélisol est défini comme d'un sol ou de la roche dont la température est inférieure à 0°C durant toute l'année. Il se forme lorsque le sol se refroidit suffisamment en hiver pour produire une couche gelée qui persiste pendant l'été suivant.

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Température à la surface du sol.	Température à la surface du sol.
Température à la surface du sol.	Température à la surface du sol.

Le climat atmosphérique est le principal facteur déterminant l'existence du pergélisol. Toutefois, la répartition spatiale, l'épaisseur et la température du pergélisol dépendent étroitement de la température à la surface du sol. Celle-ci, bien que liée étroitement au climat, est influencée par de nombreux autres facteurs environnementaux, tels que type et densité de la végétation, couverture neigeuse, drainage et type de sol.

Un exemple représentatif des températures du sol au sein du pergélisol dans la région de Yellowknife est illustré dans la figure de gauche. L'écart annuel des températures du sol est indiqué par la température la plus chaude et la température la plus froide en profondeur. À mesure que s'accroît la profondeur dans le sol, la différence saisonnière de température diminue. Le point à partir duquel il n'y a plus de changement discernable de la température se nomme "profondeur d'amplitude annuelle zéro". À Yellowknife, cette profondeur est de l'ordre de 15 m. À des profondeurs supérieures la température change très peu au cours de l'année. Chaque année la température d'une partie du sol en surface est supérieure à 0°C pendant une partie de l'année. Cette composante du sol, nommée couche active, gèle et fond en alternance selon la saison. L'épaisseur du pergélisol et de la couche active est tributaire des conditions climatiques locales, de la couverture végétale et des propriétés du sol. L'épaisseur du pergélisol peut être modifiée par des changements climatiques ou des perturbations de la surface. Lorsque s'accroît la température du sol le pergélisol s'amincit et la couche active s'épaissit. L'épaisseur du pergélisol dépend à son tour de divers facteurs, notamment de la température de la surface du sol et du taux d'augmentation de la température en profondeur. En raison du fait que les roches situées profondément sous la croûte terrestre sont chaudes et fondues, la température sous la surface de la Terre augmente avec la profondeur. Cette variation de température est connue sous le terme de gradient géothermique.

La figure suivante illustre la variation de la température de l'air et du sol selon la latitude dans la vallée du Mackenzie. Alors que la température de l'air et du sol décroît généralement avec l'accroissement de la latitude, la température du sol est en général supérieure (de 2 à 4°C) à celle de l'air. La température du sol présente une variabilité considérable à une latitude donnée en raison des facteurs environnementaux énumérés plus haut. Il y a une exception à cette tendance générale dans la région du delta du Mackenzie. En effet, la température du sol y est considérablement supérieure à celle des hautes terres de toundra adjacentes. En fait, la température du sol y est généralement supérieure à -4°C et donc comparable à celle observée dans la vallée du Mackenzie à 100 km vers le sud. Sur l'île Richards, à latitude à peu près égale, la température du sol est d'environ -8°C. Les facteurs principaux contribuant à l'augmentation de la température du sol dans le delta du Mackenzie sont la végétation, qui favorise l'épaississement de la couverture neigeuse, et l'importance de la couverture d'eau assurée par les lacs et les chenaux de rivière.

Ainsi, la température du sol présente parfois des variations considérables sur des superficies restreintes malgré que la température de l'air ne présente que de faibles variations. Dans la région de Fort Simpson, par exemple, la température de l'air annuelle moyenne est d'environ -4°C, mais la température du sol à proximité de la surface varie de -2 à 2°C.

La figure suivante montre la variabilité du pergélisol des sols minéraux dans la région de Fort Simpson, qui est située dans la zone à pergélisol discontinu. Dans cette région, la présence en surface d'une couche organique est un des facteurs clés qui sont nécessaires à l'existence du pergélisol. La conductivité thermique de la tourbe change au cours de l'année : elle devient un isolant particulièrement efficace (faible conductivité) en été lorsqu'elle est sèche et un bon conducteur en automne/hiver lorsqu'elle est humide. Cette caractéristique permet la conservation du pergélisol dans un milieu par ailleurs dépourvu de pergélisol. Le site 84-4A est situé sur un sol sablonneux à la base d'une dune de sable en terrain éolien, à l'est du fleuve Mackenzie et au nord de Fort Simpson. Les sols du site 85-8A sont composés de 5 m de sables et de silts recouvrant de l'argile riche en glace et couverts par 0,7 m de tourbe. Au site 85-9, des sols granulaires grossiers sont en général dépourvus de couche organique de surface isolante, alors qu'au site 85-11 une couverture de 30 cm de tourbe repose sur 1-2 m de gravier et de sable reposant à leur tour sur de l'argile. Aux sites 84-4A et 85-9, dépourvus de tourbe en surface, il n'y a pas de pergélisol et la température moyenne du sol est d'environ 1,5°C. Aux sites 85-8A et 85-11, tous deux pourvus d'une couche de tourbe en surface, le pergélisol y est chaud, la température étant supérieure à -1°C au premier site et supérieure à -0,5°C au second. En outre, l'épaisseur du pergélisol est plus grande à 85-8A (11 m) qu'à 85-11 (2 m).

Lorsque la température est inférieure à 0°C, presque toute l'humidité dans le sol est présente sous forme de glace souterraine. Dans les régions à pergélisol, la glace souterraine constitue un des attributs les plus importants du terrain. Sa présence influe sur la topographie, les processus géomorphiques, la végétation et la réaction du paysage aux changements environnementaux, qu'ils soient naturels ou anthropogènes. Une notion clé pour la compréhension de l'influence des conditions relatives à la glace souterraine est celle de glace excédentaire, c'est-à-dire de glace qui, lorsque fondue, dépasse en volume le volume vide ou le volume poreux des sédiments hôtes. La fonte de sols riches en glace peut se traduire par l'affaiblissement ou le tassement du sol. La prise en considération du contenu en glace souterraine et des conditions thermiques du sol constitue un des aspects importants du génie nordique. Dans l'ensemble du Nord, la température de la glace souterraine est généralement à quelques degrés du point de fusion, et souvent, dans la zone à pergélisol discontinu, à une fraction de degré de 0°C. Des perturbations de la surface telles que l'élimination de la végétation ou l'enlèvement de la couche organique à des fins de construction, ou encore des feux de forêt entraînent le réchauffement et la fonte du pergélisol. Cela peut provoquer ultérieurement le tassement par la fonte ou des instabilités de pente.

La glace souterraine se présente sous deux aspects, soit sous forme de glace structurante liant les sédiments hôtes, soit sous forme de corps volumineux de glace plus ou moins pure. Les formes structurantes de glace comprennent la glace de ségrégation, la glace intrusive, la glace en filonnets réticulés, les cristaux de glace et les pellicules de glace sur les particules du sol. Les corps volumineux de glace plus ou moins pure, qui sont présents surtout dans la partie supérieure du sol, apparaissent sous forme de noyaux de pingos, de couches massives de glace ou de fentes de glace.

La distinction entre glace structurante et corps de glace souterraine massive est importante aux fins du génie et de la construction. Il est en effet nécessaire, pour la conception, la construction et les plans opérationnels des travaux de génie, de tenir compte de la présence de glace structurante sous les fondations, car celle-ci est ubiquiste. En revanche, les corps plus volumineux de glace souterraine peuvent souvent être évités, à condition de pouvoir les identifier et détecter leur localisation. Les techniques d'analyse des formes de terrain et d'exploration géophysique sont d'une grande utilité pour résoudre ce problème.

Ainsi, il est impératif de disposer d'informations suffisantes et précises sur le caractère, la répartition et la forme du sol gelé et de la glace souterraine ainsi que sur leur cadre géographique, géologique et géothermique pour pouvoir planifier rationnellement le développement du Nord du Canada. À maints égards, le pergélisol a toujours influé largement sur le développement du Nord, en particulier sur les secteurs énergétiques et miniers, mais également sur la construction des établissements modernes et des éléments d'infrastructure, tels que routes, chemins de fer, pipelines, terrains d'aviation et services publics.

Texte et diagrammes tirés de Burgess et Smith (2000), Heginbottom (2000), et Wolfe (1998a).