Géologie du substratum rocheux

Hydrogéologie du sud-ouest de la Mauricie

Les formes du paysage actuel des Basses-Terres du Saint-Laurent consistent en un remodelé du dernier cycle glaciaire, un système sédimentaire où l’inlandsis Laurentien et ses eaux de fonte ont érodé la roche en place, remanié les sédiments pris en charge, puis redéposé le matériel détritique. L’ère glaciaire fut suivie par l’invasion marine de la Mer de Champlain et ses systèmes sédimentaires littoraux, deltaïques et d’eau profonde, et puis finalement par les dynamiques continentales non glaciaires avec la vidange des lacs proglaciaires, la sédimentation fluviale, l’activité éolienne et la formation des tourbières. On retrouve dans la région du sud-ouest de la Mauricie des vestiges complexes de ces systèmes sédimentaires, des unités glaciaires Illinoiennes jusqu’aux dunes éoliennes récentes.

Puisque l’infiltration, l’écoulement et l’emmagasinement de l’eau souterraine en milieu granulaire sont fortement contrôlés par les caractéristiques physiques de ces formations géologiques (changements de milieux, hétérogénéités, discontinuités, etc.), un modèle tridimensionnel de la géologie en place est nécessaire pour mieux comprendre ces phénomènes. Le sud-ouest de la Mauricie est ainsi abondamment pourvu d’aquifères constitués de matériaux granulaires superficiels, tels les paléode1tas des rivières Saint-Maurice et Yamachiche, la Moraine de Saint-Narcisse et les hautes terrasses sablonneuses remaniées par le littoral de la Mer de Champlain. Ces aquifères sont partiellement connus via les études hydrogéologiques réalisées dans le cadre de projets de captage locaux (aqueducs municipaux, embouteillage commercial, pisciculture et autres études d’impacts de projets privés sur les eaux souterraines), mais ces études demeurent locales et fragmentaires.

Une première cartographie régionale de la ressource en eau souterraine en Mauricie fut réalisée en 1983 (Mc Cormack, 1983). Cet auteur recensa plusieurs sites dans le secteur entre Grandes-Piles et le fleuve Saint-Laurent présentant des vallées enfouies remplies d’unités sablo-graveleuses aquifères. Le potentiel hydrogéologique de ces aquifères confinés n’a cependant jamais été évalué. Une compilation des ouvrages de captage (puits de production, puits privés et ouvrages abandonnés) fut également effectuée par McCormack. L’auteur conclut que les dépôts de surface de la rive nord présentent un bon potentiel aquifère, alors que le potentiel en milieu fracturé est moindre. Denis (1974) note également que la région de Saint-Gabriel-de-Brandon et du lac Maskinongé possède un faible potentiel aquifère dans le roc, alors que les aquifères granulaires des dépôts fluvio-glaciaires, des sables deltaïques ainsi que des hautes terrasses sont des formations beaucoup plus intéressantes.

En ce qui concerne le socle rocheux, le potentiel aquifère en milieu fracturé de la région fut brièvement revisité par Hébert dans le cadre du projet de caractérisation hydrogéologique régional du sud-ouest de la Mauricie (Leblanc et al., 2010). Celui-ci note que la formation des Basses-Terres du Saint-Laurent expose des roches très peu déformées. Les roches précambriennes du Bouclier Canadien ont subi davantage de déformations, datant de l’orogénie grenvillienne. Contrairement aux failles de chevauchement, ces failles normales peuvent former de vastes réseaux interconnectés qui pourraient emmagasiner de grandes quantités d’eau. La plupart de ces failles sont aujourd’hui soudées, mais certaines ont été remplies de roches calcosilicatées ou de marbre. Ces zones de brèches tectoniques forment des milieux plus poreux dotés d’un potentiel aquifère notable. Cependant, très peu de ces structures ont été mises en évidence jusqu’à aujourd’hui; les seules formations observables de ce genre ont été identifiées le long de la faille de la rivière Saint-Maurice.

De plus, un patron de diaclases se serait formé lors du refroidissement de la masse magmatique dans les roches plutoniques comme la Monzonite de Saint-Didace. Ce système de diaclases constituerait un réseau susceptible de former des réservoirs contenant des volumes d’eau appréciables. Les prélèvements d’eau souterraine les plus importants en Mauricie sont toutefois effectués dans les aquifères granulaires, les aquifères fracturés n’étant exploités que par des puits privés de faible capacité. Puisque l’écoulement et l’emmagasinement de l’eau souterraine en milieu granulaire sont fortement contrôlés par les caractéristiques physiques de ces formations géologiques (changements de milieux, hétérogénéités, discontinuités, etc.), un modèle géologique tridimensionnel exhaustif s’avère donc un outil intéressant dans une caractérisation hydrogéologique régionale.

Modélisation géologique et hydrostratigraphie

Les modèles géologiques tridimensionnels (3D) connaissent une popularité grandissante dans le monde de la géologie, de l ‘hydrogéologie et du secteur minier. Ils permettent de visualiser des objets géologiques dans un environnement digital à trois dimensions et de comprendre plus facilement les relations entre ceux-ci dans la réalité. Les modèles permettent également d’assigner différentes propriétés aux objets dans l’espace (conductivité hydraulique, porosité, etc.) et sont ainsi utiles lors de la modélisation de l’écoulement de l’eau souterraine (hydrogéologie). Il s’agit d’un outil essentiel lors d’une étude hydrogéologique sur un secteur telle la rive nord du fleuve Saint-Laurent puisque les sédiments quaternaires en place contrôlent largement la recharge et les conditions de confinement de l’aquifère régional rocheux. Toutefois, la complexité stratigraphique des bassins quaternaires et la présence de formes géomorphologiques à géométrie irrégulière rendent délicats les calculs d’interpolation et d’extrapolation des données géologiques. Plusieurs méthodes de modélisation géologique ont été employées lors d’études de caractérisation hydrogéologique régionales. Des systèmes d’information géographiques (SIG) non spécialisés (MapInfo, Surfer, ArcGIS, Grass) peuvent être utilisés pour construire des modèles géologiques tridimensionnels régionaux à l’aide de leurs outils d’interpolation/extrapolation respectifs. Leur utilisation est toutefois limitée à la création de surfaces (2D) qui doivent, par la suite, être superposées afin de créer les modèles 3D.

Les logiciels de modélisation géologique pennettent la création de surfaces, la création d’objets géologiques ainsi que l’attribution de propriétés spécifiques à des éléments finis. Il s’agit d’une particularité intéressante puisque le modèle géologique créé peut servir à modéliser d’autres phénomènes qui dépendent directement des caractéristiques du sous-sol. Les logiciels les plus couramment utilisés sont souvent associés au domaine minier (Datamine, Vulcan, gOcad) puisqu’ils pennettent de représenter avec une bonne précision les fonnations géologiques fmies ainsi que d’autres structures comme des failles ou des linéaments. La Commission géologique du Canada (CGC) et l’Institut National de la Recherche Scientifique – Eau, Terre et Environnement (INRS-ETE) utilisentgOcadpour leurs projets d’hydrogéologie régionale depuis 2003. Bajc et Newton ont modélisé un système quaternaire complexe aquifère/aquitard de 19 couches dans la région de Waterloo en Ontario (Bajc et Newton, 2006).

L’élévation de chaque couche matricielle produite fut interpolée à partir des données stratigraphiques des forages tout en appliquant des règles topologiques strictes dans le but d’éviter tout chevauchement (overlapping). L’interpolation est faite par un calcul de distance carrée inverse isotropique. Une valeur d’élévation est attribuée à chaque cellule pour chacune des 19 couches; si une cellule possède une valeur réelle provenant d’une observation locale (forage), la valeur interpolée est abandonnée. Une fois affiché dans un environnement 3D (Datamine), l’espace entre les surfaces modelées est rempli par des cellules modèles pour créer des blocs tridimensionnels. Les auteurs décrivent eux-mêmes cette technique comme très itérative dans un sens où les problèmes sont identifiés puis résolus pendant l’étape de la modélisation puisqu’il est difficile de les anticiper au préalable.

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Table des matières

REMERCIEMENTS
RESUME
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
CHAPITRE 1 ITRODUCTION
1.1 Contexte
1.2 Problématique
1.2.1 Hydrogéologie du sud-ouest de la Mauricie
1.2.2 Modélisation géologique et hydrostratigraphie
1.3 Objectifs
1.4 Structure du mémoire
CHAPITRE, II SECTEUR A L’ETUDE
2.1 Physiographie et hydrographie
2.2 Géologie du substratum rocheux
2.2.1 Basses-Terres du Saint-Laurent
2.2.2 Grenville
2.2.3 Aspects hydrogéologiques
2.3 Géologie du Quaternaire
2.3 .1 Formations superficielles
2.3.2 Stratigraphie régionale.
CHAPITRE III MÉTHODOLOGIE
3.1 Travaux sur le terrain
3.1.1 Uniformisation de la cartographie des dépôts de surface
3.1.2 Sismique réfraction
3.1.3 Résistivité électrique
3.1.4 Sismique-réflexion haute-résolution
3.1.5 Forages
3.2 Travaux de laboratoire
3.2.1 Analyses granulométriques
3.2.2 Analyse de tomodensitométrie axiale
3.2.3 Datations radiocarbone
3.3 Modélisation 3D
3.3.1 Compilation des données
3.3.2 Uniformisation
3.3.3 Cotes de fiabilité
3.3.4 Création des surfaces
3.3.5 Validation
CHAPITRE IV CONTEXTES HYDROGÉOLOGIQUES DU SUD-OUEST DE LA MAURICIE
4.1 Plaine argileuse
4.2 Piedmont
4.3 Paléodelta
4.3.1 Secteur Ouest (Pointe-du-Lac & Trois-Rivières-Ouest
4.3.2 Secteur Est (Trois-Rivières & Cap-de-Ia-Madeleine)
4.4 Bouclier Laurentien
CHAPITRE V GÉOLOGIE 3D ET HYDROSTRATIGRAPIDE DU SUD-OUEST DE LA MA URI CIE
5.1 Roc
5.2 Quaternaire
5.2.1 Dépôts du Quaternaire ancien
5.2.2 Séquence glaciaire wisconsinienne
5.2.3 Séquence fluvioglaciaire
5.2.4 Séquence marine
5.2.5 Séquence Saint-Narcisse
5.2.6 Sables supérieurs
CHAPITRE VI DISCUSSION ET CONCLUSION
6.1 Synthèse stratigraphique régionale
6.2 Fiabilité du modèle, incertitudes et développements futurs
6.3 Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPIDQUES
ANNEXEA CARTE DE LA GÉOLOGIE DU SOCLE ROCHEUX DU SUD-OUEST DE LA MAURICIE
ANNEXEB RESULTATS: SISMIQUE REFRACTION
ANNEXEC RESULTATS: RESISTIVITE ELECTRIQUE
ANNEXED SONDAGES CPT
ANNEXEE GRILLE D’ÉVALUATION DE LA FIABILITÉ DES FORAGES (pACES,2009)
ANNEXEF COUPES GÉOLOGIQUES INTERPRÉTÉES DE SISMIQUE RÉFLEXION HAUTE RÉSOLUTION: VERSIONS COMPLÈTES