Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La compréhension des processus hydrogéochimiques qui modifient la qualité de l’eau souterraine est un élément clé pour évaluer et protéger cette ressource face aux problèmes de salinisation. Ces processus sont contrôlés par le parcours et le temps de résidence des eaux souterraines. Dès leur infiltration dans l’aquifère, les eaux souterraines sont en constante évolution de leur chimie à travers le temps, tendant, dans certains cas, naturellement vers des pôles salins. Cette évolution naturelle peut conduire à la formation de saumures continentales, lesquelles sont généralement rencontrées à de grandes profondeurs (> 500 m). L’état saumuré peut être défini comme le stade final d’évolution des processus de salinisation continentale. L’origine et la mobilité des saumures continentales, essentielles à la gestion et la protection des aquifères, demeurent controversées en raison de leur long temps de résidence en milieu profond, qui favorise la superposition de processus hydrogéochimiques et conduit à des interprétations parfois contradictoires. Dans la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean, plusieurs études suggèrent la présence d’un membre dilué de saumures continentales profondes et des vestiges d’une eau de mer ancienne à moins de 100 m de profondeur. L’origine de cette salinité et les conditions hydrodynamiques de la migration des saumures profondes constituent un enjeu majeur pour la ressource en eau souterraine. Dans ce contexte, il est essentiel de préciser l’origine de ces eaux anciennes, de comprendre leur évolution à travers le temps, de caractériser les processus de mélange entre les eaux souterraines anciennes et récentes, et d’évaluer leur participation au cycle de l’eau. Ainsi, ce projet doctoral a visé à approfondir la compréhension des processus de salinisation continentale en tenant compte des contextes géologiques, de l’histoire hydrogéologique, et du rôle des fluides profonds dans la salinisation des aquifères de subsurface. En premier lieu, une approche combinée d’analyses isotopiques et de modélisation numérique 2D d’écoulement et du transport advectif-dispersif de l’âge a été développée afin d’explorer les conditions hydrodynamiques expliquant la présence à de faibles profondeurs d’eaux anciennes et d’origines profondes. Les résultats indiquent un mélange d’eaux météoriques et de saumures profondes Précambriennes du Bouclier Canadien, pouvant, sous les conditions aux limites imposées au modèle, remonter vers la surface grâce au fort gradient topographique régional (hautes-terres vs basses-terres). L’âge simulé des eaux souterraines profondes, d’une centaine de millions d’années, cohérent avec les interprétations isotopiques, est similaire à celles des saumures identifiées à de grandes profondeurs ailleurs dans le Bouclier Canadien. Les résultats numériques démontrent également que les failles du graben agissent comme voies préférentielles, favorisant la circulation ascendante de ces eaux très anciennes. En second lieu, à l’aide de la base de données mondiale de 308 échantillons de saumures continentales profondes, cette étude a permis de comparer l’évolution des saumures trouvées dans des roches sédimentaires et l’évolution des saumures trouvées dans des roches cristallines. Les résultats montrent que les deux types de saumures continentales convergent vers un membre Ca-Cl enrichi en Br- et Sr2+. En troisième lieu, la compréhension de l’évolution hydraulique et géochimique des saumures continentales associée à une approche multi-traceurs a permis d’identifier les pôles compositionnels régionaux et de proposer un modèle conceptuel hydrogéologique régional. Les résultats révèlent trois sources principales de salinité peu profonde : une eau marine Holocène, une saumure marine Paléozoïque et une saumure Précambrienne du Bouclier Canadien (> 100 Ma) contenant 1-5% d’hélium mantellique provenant du manteau lithosphérique sub-continental. La présence d’eaux glaciaires Wisconsiniennes (entre 8.2 et 25.5 Ka BP) et de saumures profondes (entre 7.5 et 12.5 km) circulant via les failles du graben est également confirmée par cette approche multi-traceurs. Les signatures isotopiques montrent que ces fluides ont été significativement modifiés par des processus de cryo-concentration durant la dernière glaciation, soulignant l’influence d’événements paléohydrogéologiques sur le système hydrogéologique actuel. Ce projet doctoral a aussi permis de déterminer un ensemble de marqueurs géochimiques (Li/Br, B/Br et Rb/Sr) discriminant les saumures sédimentaires des saumures cristallines. Ce projet doctoral met en évidence le rôle des eaux anciennes, des événements paléohydrogéologiques et des failles profondes dans la salinisation continentale des eaux souterraines contenues dans les aquifères régionaux, et fourni un premier aperçu des mécanismes hydrodynamiques profonds en contexte de graben. Ces résultats constituent une base utile pour mieux comprendre les dynamiques hydrogéologiques locales et éclairer les réflexions sur la gestion durable de la ressource en eau, en identifiant un ensemble de traceurs géochimiques, et les zones les plus vulnérables à la salinisation des nappes d’eau fraiche superficielle