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Propriétés hydrauliques et processus d’invasion par la mer de Champlain du système aquifère rocheux fracturé régional de la Montérégie est, Québec, Canada.

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Laurencelle, Marc (2018). Propriétés hydrauliques et processus d’invasion par la mer de Champlain du système aquifère rocheux fracturé régional de la Montérégie est, Québec, Canada. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 399 p.

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Résumé

Une compréhension de la dynamique d’écoulement des grands systèmes aquifères régionaux est requise pour supporter la gestion durable des ressources en eau souterraine, mais acquérir une telle compréhension présente de nombreux défis à la fois scientifiques et techniques. La pérennité des ressources en eau souterraine est menacée par les impacts potentiels des changements climatiques, particulièrement pour les aquifères côtiers où le changement relatif du niveau marin pourrait mener à l’invasion d’eau marine. L’étude des paléoconditions et de l’impact d’événements géologiques majeurs sur les aquifères peut nous éclairer sur les conditions environnementales susceptibles d’affecter les ressources régionales en eau souterraine. Afin de comprendre quantitativement la dynamique des systèmes aquifères et prédire l’impact de changements dans leurs conditions, il est nécessaire de disposer d’estimés de leurs propriétés hydrauliques d’écoulement et d’emmagasinement qui soient représentatifs à l’échelle régionale. Pour les systèmes aquifères rocheux sédimentaires, ces estimés doivent considérer plus particulièrement la réduction de la conductivité hydraulique avec la profondeur, une réduction qui est communément observée et qui contrôlerait la majeure partie de l’écoulement dans ces formations. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse avaient pour but à la fois de développer des approches fournissant de meilleures estimations de la conductivité hydraulique (K) à l’échelle régionale et d’utiliser ces estimés pour étudier l’impact de changements importants des paléoconditions de surface sur la salinité de l’eau souterraine. La région de la Montérégie Est, dans le sud du Québec au Canada, offre un milieu opportun pour réaliser de telles études, d’abord parce qu’elle a fait récemment l’objet d’une évaluation détaillée de ses ressources en eau souterraine et de ses conditions hydrogéologiques. Et ensuite, parce que son système aquifère régional se distingue par la présence d’eaux saumâtres non potables couvrant plus de 2 000 km2, et dont l’origine proviendrait de l’invasion de la Vallée du Saint-Laurent par les eaux salées de la Mer de Champlain, un bras de mer de l’océan Atlantique, il y a environ 13 000 ans. Ce contexte offre donc un cas de référence particulièrement intéressant pour illustrer la réponse à long terme d’un système aquifère soumis à la perturbation majeure que représente une invasion marine, et ainsi mieux comprendre l’impact que peuvent avoir les changements climatiques sur des systèmes aquifères régionaux.

Le premier volet de la thèse s’est intéressé à la caractérisation hydraulique des aquifères rocheux fracturés régionaux à partir de données d’essais de capacité spécifique. Les données de capacité spécifique (SC : de l’anglais “specific capacity”), effectués de façon routinière par les entreprises de forages pour évaluer la capacité de production en eau des puits domestiques, sont fréquemment utilisées pour estimer la transmissivité (T) et la conductivité hydraulique (K). Dans la mesure où les données de SC sont beaucoup plus nombreuses et plus aisément accessibles que les données d’essais de pompage standards, elles peuvent effectivement apporter une image plus complète de la variabilité spatiale de T à l’intérieur de l’aquifère, en particulier dans les études portant sur les aquifères régionaux. L’approche conventionnellement utilisée pour estimer T à partir de données de SC est basée sur la solution de Theis, mais très peu de travaux ont évalué quantitativement la fiabilité de telles estimations de T(SC). L’objectif principal des travaux du chapitre 6 était ainsi d’évaluer la fiabilité et la précision des estimations de T dérivées de données de SC à l’aide de méthodes analytiques. Pour cela, deux méthodes analytiques d’estimation de T(SC) ont été considérées et comparées, à savoir la méthode conventionnelle (basée sur la solution de Theis) et une nouvelle méthode d’estimation de T(SC) basée plutôt sur la solution de Papadopulos-Cooper, qui tient compte de l’emmagasinement de l’eau dans le tubage du puits. Les résultats du chapitre 6 de la thèse révèlent que la fiabilité des estimations de T(SC) est en réalité limitée et grandement variable. Une application de la nouvelle approche d’estimation de T(SC) proposée au jeu de données de SC de la Montérégie Est (18 313 essais de SC rapportés) démontre l’importance de tenir compte de la fiabilité et de la précision limitée des estimations de T(SC) lors de l’exploitation de jeux de données de SC, et dévoile ainsi la nature potentiellement trompeuse des résultats obtenus à l’aide de l’approche conventionnelle.

Les estimations de T(SC) sont ensuite couramment utilisées pour déduire des profils verticaux de la conductivité hydraulique équivalente (Kb) d’aquifères rocheux fracturés qui, en général, tendent à être davantage fracturés et perméables à de faibles profondeurs. L’objectif clé des travaux du chapitre 7, poursuivant ceux du chapitre précédent, était donc de développer une méthode permettant d’exploiter les estimations de T(SC) afin de déduire des profils des propriétés de fracturation et de Kb représentatifs à l’échelle régionale, en tenant compte à la fois du biais d’échantillonnage lié aux pratiques courantes des puisatiers et de la fiabilité limitée des estimations de T(SC). Pour ce faire, une approche par simulation Monte Carlo a été développée. Le modèle stochastique conçu comprend deux sous-modèles : un premier simulant des milieux fracturés 1D verticaux hétérogènes, et un second qui vient y forer des puits à des profondeurs non aléatoires reproduisant ainsi le biais d’échantillonnage par les puisatiers. Des variables aléatoires sont utilisées pour paramétrer ces sous-modèles afin de simuler la variabilité ou l’incertitude des différentes composantes du problème. Une exécution itérative du modèle stochastique permet d’obtenir de multiples réalisations de colonnes d’aquifère rocheux fracturé hétérogène, et d’ensuite simuler le biais d’échantillonnage (des milieux fracturés) en reconstituant le processus de prise de décisions des puisatiers quant à la profondeur à laquelle arrêter le forage, notamment en fonction de la T du trou foré, pour chacune des colonnes simulées. Cette approche a été appliquée au système aquifère rocheux fracturé de la Montérégie Est, après division en trois contextes hydrogéologiques distincts. Le modèle stochastique a été calé manuellement pour chacun des contextes hydrogéologiques afin de reproduire les distributions de T et de profondeur des puits de la région, d’une part, et d’ensuite déduire les profils verticaux de Kb et leur incertitude associée, d’autre part. Les résultats montrent que la tendance à la décroissance de T avec la profondeur, communément obtenue lors de l’exploitation de données de SC afin de caractériser des aquifères rocheux fracturés régionaux, est un résultat trompeur découlant du biais d’échantillonnage par les puisatiers. De plus, l’hétérogénéité des ouvertures des fractures, et donc des transmissivités des fractures, a un impact nettement plus important sur les profondeurs de puits biaisées simulées que les diminutions, avec la profondeur, de l’ouverture moyenne des fractures ou de la densité moyenne de fractures. La profondeur des puits forés par les puisatiers serait donc, à l’échelle régionale, contrôlée non seulement par le contexte hydrogéologique (piézométrie, épaisseur des dépôts meubles, ...) mais aussi et surtout par la Kb très hétérogène du réseau de fractures, laquelle peut être caractérisée par l’approche stochastique proposée dans cette thèse.

Le second volet de la thèse s’est intéressé à l’étude paléo-hydrogéologique du système aquifère régional de la Montérégie Est, du début de l’épisode d’incursion marine par la Mer de Champlain jusqu’à aujourd’hui. L’objectif central des travaux documentés dans le chapitre 8 était ainsi de mieux comprendre les processus en jeu dans l’invasion d’eau marine des systèmes aquifères sous les paléoconditions ayant prévalu dans le sud du Québec. Les travaux ont été fondés sur un modèle conceptuel qui considère l’évolution temporelle des paléoconditions marines (niveau d’eau et salinité), la mise en place d’un aquitard argileux sur le fond marin et la diminution de la conductivité hydraulique de l’aquifère rocheux avec la profondeur. Les processus régissant le transport de la salinité ont été investigués à partir de modèles considérant des conditions allant de très simples à plus complexes et réalistes. Certains des modèles numériques ont été préparés puis simulés dans l’environnement de programmation R, et d’autres avec le logiciel FEFLOW. Les paléoconditions et processus en jeu ont d’abord été étudiés à l’aide de modèles numériques en une dimension (colonnes 1D verticales) et ensuite été simulés de façon combinée sur une coupe 2D verticale représentant schématiquement la région d’étude. Les résultats démontrent l’impact majeur de la sédimentation d’un aquitard argileux sur le fond marin, non seulement pendant mais aussi après l’épisode marin. L’aquitard en formation a tôt fait de freiner l’invasion marine directe de l’aquifère rocheux sous-jacent. Une partie de la salinité emmagasinée dans le grand volume d’eau piégée dans l’aquitard continue toutefois à être émise dans l’aquifère et ce, même après que l’aquitard soit entièrement formé. La consolidation de l’aquitard argileux pendant sa formation apparaît capable de transférer des volumes considérables d’eaux salées vers l’aquifère rocheux. De plus, les simulations numériques en 2D montrent que la pénétration de l’eau marine dans l’aquifère rocheux est fortement dépendante du taux de décroissance de la conductivité hydraulique avec la profondeur dans celui-ci. Elles révèlent également que de l’eau douce migrant vers le haut dans l’aquifère rocheux parallèlement à la plongée d’eaux marines sous l’effet de leur densité relative, peut s’accumuler à proximité de la base de l’aquitard. Mais surtout, elles montrent à quel point la digitation et l’entraînement densitaire des eaux salées introduites dans l’aquifère rocheux y sont des mécanismes d’invasion importants, et encore actifs aujourd’hui. Dans les zones plus élevées et libres d’argiles, le lessivage des eaux salées par la circulation convective d’eaux douces devient le processus prédominant dès le retrait des eaux inondantes, et mène à une évacuation quasi complète des eaux marines précédemment introduites dans l’aquifère rocheux. À l’opposé, là où la couverture argileuse est épaisse, le lessivage de l’aquifère rocheux s’avère quasi nul. Néanmoins, il s’avère que c’est principalement la diffusion qui contrôle l’évolution post-marine de la salinité maximale pouvant être rencontrée dans la partie supérieure du système aquifère, principalement en évacuant peu à peu son stock de salinité vers la surface. Les résultats montrent, en outre, qu’il est fort probable que les eaux profondes de la Mer de Champlain aient eu une salinité marine normale (~35 g/L) durant la plus grande partie de l’épisode marin, ce qui est en contradiction avec des travaux antérieurs ayant affirmé que l’eau de la Mer de Champlain était diluée. Les salinités maximales observées aujourd’hui dans la zone d’eaux saumâtres en Montérégie Est (~12 g/L) ne seraient donc pas directement représentatives de la salinité d’une eau marine diluée au départ, mais plutôt le résultat de la longue évolution interne, et de la réduction associée, de la salinité au sein du système aquifère. Cette étude paléo-hydrogéologique contribue, en somme, à une meilleure compréhension des processus d’invasion marine des aquifères rocheux sous des paléoconditions réalistes.

Dès l’amorce de ce projet, il a été jugé nécessaire de disposer d’estimés de la conductivité hydraulique représentatifs des conditions régionales afin de reconstituer de façon plausible le processus d’invasion marine. Les résultats de nos travaux ont de fait montré l’importance critique de la conductivité hydraulique sur le processus d’invasion. En effet, même si l’aquitard argileux exerce un contrôle majeur sur l’entrée puis la préservation d’eau marine dans l’aquifère rocheux sous-jacent, la profondeur d’invasion et, plus généralement, la distribution spatiale de l’eau marine dans l’aquifère apparaissent aussi largement contrôlées par la réduction de la conductivité hydraulique avec la profondeur, qui ne permet pas une pénétration profonde de l’eau marine. Le profil vertical de la conductivité hydraulique estimé dans le premier volet de la thèse (pour le contexte hydrogéologique de la Plate-forme du Saint-Laurent, dans lequel siègent les eaux souterraines saumâtres de la région d’étude) a fourni des salinités simulées de l’eau souterraine qui concordent avec celles observées dans l’aquitard argileux et l’aquifère rocheux. La nature imparfaite des données disponibles sur la capacité spécifique, la fiabilité limitée des estimations de transmissivité puis de conductivité hydraulique dérivées de celles-ci, les limites de nos connaissances sur la structure hydraulique de l’aquifère et notre reconstitution nécessairement simplifiée des paléoconditions imposent toutes, néanmoins, une marge d’incertitude à nos résultats. Enfin, nonobstant que cette étude soit basée sur des conditions spécifiques à une région, les méthodes développées et les processus étudiés devraient être généralement applicables à plusieurs des autres régions du monde ayant connu des conditions analogues et constituent donc, à notre avis, un progrès scientifique intéressant dans l’étude du phénomène d’invasion marine.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Parent, Michel; Molson, John
Mots-clés libres: capacité spécifique ; transmissivité ; conductivité hydraulique ; solutions analytiques ; effet de l’emmagasinement dans le puits ; fiabilité ; erreurs dans les données d’entrée ; biais d’échantillonnage par les puisatiers ; aquifère rocheux fracturé ; modèle de propriétés des fractures ; simulation Monte Carlo ; paléo-hydrogéologie ; salinité ; modélisation numérique ; invasion marine ; Mer de Champlain; specific capacity; transmissivity; hydraulic conductivity; analytical solutions; wellbore storage effect; reliability; input data errors; well-drillers’ sampling bias; fractured rock aquifer; fracture properties model; Monte Carlo simulation; paleo-hydrogeology; salinity; numerical modeling; marine invasion; Champlain Sea
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 01 oct. 2018 18:35
Dernière modification: 20 mai 2019 04:00
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7618

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