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Origine et évolution géochimique des eaux souterraines du système aquifère des Basses-Laurentides dans les roches sédimentaires paléozoïques des basses-terres du Saint-Laurent, Québec, Canada.

Cloutier, Vincent (2004). Origine et évolution géochimique des eaux souterraines du système aquifère des Basses-Laurentides dans les roches sédimentaires paléozoïques des basses-terres du Saint-Laurent, Québec, Canada. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 346 p.

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Résumé

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Le projet «caractérisation hydrogéologique régionale du système aquifère fracturé du sud- ouest du Québec» a été initié par la Commission géologique du Canada (CGC). Cette thèse de doctorat est une étude détaillée de l'hydrogéochimie des eaux souterraines de ce système aquifère de roches sédimentaires paléozoïques, et a été réalisée dans le cadre de ce projet de la CGC. Les objectifs principaux de ce doctorat étaient d'évaluer la qualité régionale des eaux souterraines, de déterminer l'influence des contextes hydrogéologiques et géologiques sur la géochimie des eaux souterraines, d'identifier l'origine des eaux souterraines, de reconnaître les processus contrôlant la chimie des eaux souterraines et son évolution dans l'espace et le temps, ainsi que de développer un modèle intégré de l'évolution géochimique des eaux souterraines des Basses-Laurentides. Des échantillons d'eau souterraine ont été prélevés à 153 sites répartis sur l'ensemble de la région d'étude de 1500 km², caractérisant toutes les unités géologiques et les contextes hydrogéologiques jusqu'à une profondeur de 140 m. L'eau souterraine a été analysée pour les constituants inorganiques majeurs, mineurs et traces, les isotopes stables δ²H, δ18O et δ13C du carbone inorganique dissous (CID), et certains échantillons ont été analysés pour 87Sr/86Sr, ³H et 14C du CID. L'analyse isotopique des précipitations et l'analyse chimique de l'eau interstitielle des argiles marines complètent la connaissance des sources susceptibles d'influencer la géochimie des eaux souterraines. Les données hydrogéochimiques ont été analysées en utilisant une combinaison de méthodes géochimiques classiques et statistiques, dont l'utilisation de diagrammes géochimiques, la classification en types d'eau, la modélisation géochimique, la classification automatique hiérarchique (CAH), et l'analyse en composantes principales (ACP). La distribution régionale des types d'eau a montré le contrôle des conditions hydrogéologiques sur la chimie des éléments majeurs des eaux souterraines. Les zones de recharge sont caractérisées par une eau souterraine moderne enrichie en tritium de type Ca-Mg-HC03, et les zones confinées par des eaux souterraines submodernes de types Na- HC03 et Na-Cl. L'analyse CAH a permis de reconnaître le contrôle des formations géologiques sur les éléments mineurs et traces. Deux sources d'eau souterraine sont identifiées dans le système aquifère, l'eau météorique moderne et l'eau Pléistocène de la Mer de Champlain. L'eau souterraine est aussi affectée par les processus géochimiques au cours de son écoulement. La dissolution de minéraux carbonatés domine dans les zones de recharge produisant l'eau souterraine de type Ca-Mg-RC03. Dans le système aquifère en conditions confinées, l'échange ionique Ca2+-Na+ est responsable pour l'évolution de l'eau au type Na-HC03, alors que le mélange avec l'eau de la Mer de Champlain et la diffusion d'ions des argiles marines sont responsables pour la présence d'eau de type Na- Cl. L'invasion marine qui a résulté en la Mer de Champlain est la cause de la salinisation du système aquifère caractérisé. Les traceurs conservateurs Cl⁻ et Br⁻, ainsi que δ18O, ont permis de déterminer que l'eau originale de la Mer de Champlain, dans la région d'étude, était un mélange d'environ 34% d'eau de mer et de 66% d'eau douce. La géochimie actuelle de l'eau souterraine a permis de déterminer que le système aquifère est à différentes étapes du processus de désalinisation, de l'eau marine ancienne étant encore présente dans les parties stagnantes, alors que dans les secteurs à plus forte circulation, celle-ci a été complètement remplacée par une eau souterraine moderne. L'intégration de l'hydrogéochimie, incluant l'origine, l'évolution et les processus, avec les contextes géologiques et hydrogéologiques a permis de diviser le territoire en quatre régions géochimiques, procurant un portrait global de la dynamique du système aquifère. Les facteurs suivants sont reconnus comme influençant l'évolution de l'eau souterraine observée dans chacune des régions géochimiques: 1) les caractéristiques géologiques, incluant le type de roche sédimentaire et la composition minéralogique du till; 2) les caractéristiques hydrogéologiques, dont le niveau de confinement et le gradient hydraulique; et 3) l'histoire géologique, dont la dernière glaciation et la Mer de Champlain. Avec son approche intégrée, cette étude hydrogéochimique apporte une contribution à la caractérisation et la compréhension de systèmes d'écoulement complexes, ainsi qu'à l'évolution à long terme de systèmes hydrogéologiques.

Abstract

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The project on the «regional hydrogeological characterization of the fractured aquifer system in south-western Quebec» was initiated by the Geological Survey of Canada (GSC). This Ph.D. thesis is a comprehensive hydrogeochemical study of groundwater of this Paleozoic sedimentary rock aquifer system carried out as part of this GSC project. The main objectives of this thesis were to evaluate regional groundwater quality, determine the influence of hydrogeological and geological contexts on groundwater geochemistry, identify groundwater origin, recognize processes controlling groundwater geochemistry and its evolution in space and time, as weIl as develop an integrated model of the geochemical evolution of groundwater within the Basses-Laurentides aquifer system. Groundwater samples were collected at 153 sites distributed over the whole 1500 km² study area, characterizing all geological units and hydrogeological contexts to a maximum depth of 140 m. Groundwater was analyzed for major, minor and trace inorganic constituents, stable isotopes δ²H, δ180 and δ13C of dissolved inorganic carbon (DIC), and some samples were analyzed for 87Sr/86Sr, ³H and 14C of DIC. The isotopic analysis of precipitation and the chemical analysis of marine clay pore water complete the dataset on end-members that could influence groundwater geochemistry. The hydrogeochemical data were analyzed by combining conventional geochemical and statistical methods: geochemical diagrams, water types classification, geochemical modeling, hierarchical cluster analysis (HCA) and principal components analysis (PCA). The regional distribution of groundwater types showed that the hydrogeological conditions exert a dominant control on the major ions chemistry of the groundwater. Preferential recharge are as are characterized by modem tritiated groundwater of Ca-Mg-HC03 type, and confined conditions by submodern groundwater of Na-HC03 and Na-Cl types. The HCA allowed the recognition of the importance of the geological formations on minor and trace elements. Two groundwater end-members are identified in the aquifer system, modem meteoric water and Pleistocene Champlain Sea water. Geochemical processes along the flow system also affect groundwater. Dissolution of carbonates dominates in the preferential recharge areas resulting in Ca-Mg-HC03 groundwater type. In the aquifer system under confined conditions, Ca2+-Na+ ion exchange is the cause of groundwater evolution to Na-HC03 type. In the deeper areas, groundwater mixing with Pleistocene Champlain Sea water as well as solutes diffusion from the marine clay aquitard are the causes of the occurrence of Na-Cl groundwater. Salinization of the aquifer system resulted from the marine invasion that created the Quaternary Champlain Sea. Conservative tracers cl- and B-, as well as δ180, showed that the original Champlain Sea water, in the study area, was a mixture of about 34% seawater and 66% freshwater. The current geochemistry of the groundwater indicates that the aquifer system is at different stages of desalinization, ranging from the original Champlain Sea water still present in hydraulically stagnant areas of the aquifer to fully flushed conditions in the more active parts of the aquifer system, especially in preferential recharge zones. The integration of hydrogeochemistry, including the origin, the evolution and the geochemical processes, within the geological and hydrogeological contexts allowed the division of the region into four main geochemical areas, providing a global picture of the aquifer system dynamics. The following factors were recognized as influencing the evolution of groundwater identified in all geochemical areas: 1) geological characteristics including sedimentary rock type and till mineralogy; 2) hydrogeological characteristics related to the level of confinement and the hydraulic gradient; and 3) geological history linked to the latest glaciation as well as Champlain Sea invasion. With its integrated approach, this hydrogeochemical study contributes to the characterization and understanding of complex groundwater flow systems, as well as an example of the longterm evolution of hydrogeological systems.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Savard, Martine M.; Therrien, René
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: géochimie; eaux souterraines; aquifère; roche sédimentaire paléozoïques; hydrogéologie; géologie ; Basses-Laurentides
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 18 juin 2013 15:51
Dernière modification: 12 nov. 2015 18:33
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/1445

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