Traçage hydrogéochimique des systèmes aquifères-aquitards de la ceinture argileuse Barlow-Ojibway

Les travaux des Projets d’acquisition de connaissances sur les eaux souterraines en Abitibi-Témiscamingue (PACES-AT) ont permis d’établir le modèle hydrogéologique régional sur la base de données physiques recensées à l’échelle du territoire et de dresser le portrait de la qualité des eaux souterraines. Cette thèse de doctorat entre dans le cadre des travaux des PACES-AT pour réaliser une étude hydrogéochimique intégrée des eaux souterraines d’un système aquifère complexe au sein de la ceinture argileuse Barlow-Ojibway. L’objectif général de cette thèse est d’améliorer, par l’intégration de l’hydrogéochimie, les connaissances des systèmes d’écoulement à l’échelle régionale dans un système aquifère dominé par la présence d’une couverture argileuse qui recouvre près de 80% du territoire en contexte de Bouclier canadien. Pour ce faire, le travail de recherche (1) s’intéresse au traçage isotopique du cycle de l’eau, incluant les précipitations, les eaux de surface, les sources et les eaux souterraines, (2) définit les principaux processus géochimiques qui contrôlent la géochimie des eaux souterraines et son évolution spatio-temporelle, (3) identifie l’influence du contexte géologique et hydrogéologique ainsi que les sources des éléments chimiques dissous dans les eaux, dictant la signature géochimique des eaux souterraines au sein du système d’écoulement et (4) évalue la qualité régionale des eaux souterraines, par le calcul d’un indice de contamination, dans une optique de santé humaine. Pour répondre à ces objectifs, le projet de recherche s’appuie sur des travaux d’échantillonnage sur le terrain de divers types d’eau, des analyses chimiques au laboratoire ainsi que des travaux de modélisation conceptuels. La base de données de ce travail de recherche contient 706 échantillons analysés pour les ions majeurs, les nutriments et les éléments traces incluant les précipitations (neige et pluie), la neige au sol, les eaux de surface, les eaux souterraines et les sources. Parmi ces 706 échantillons, 645 échantillons ont été analysés pour les isotopes stables de la molécule d’eau (δ2H-δ18O) et 98 échantillons de source et d’eau souterraine ont été analysés pour l’activité tritium. L’introduction (chapitre 1) présente les enjeux de l’eau souterraine en région, le cadre dans lequel le travail de recherche s’inscrit, les objectifs spécifiques et la méthodologie suivie. Le chapitre 2, dédié au traçage isotopique des divers ensembles d’eaux régionales échantillonnées, explique le cycle de l’eau global régional. La composition isotopique des précipitations montre qu’elles suivent un cycle saisonnier qui dépend de la température, tel qu’indiqué par les eaux de pluie estivales enrichies en isotopes lourds qui s’opposent aux précipitations hivernales appauvries en isotopes lourds. Les échantillons des précipitations forment la droite locale des eaux météoriques reliée à la latitude. Les échantillons de neige sont localisés dans la portion inférieure de la droite des eaux météoriques, révélant que le couvert nival conserve sa composition isotopique à la fonte des neiges. Les échantillons d’eau de surface sont localisés sur une droite évaporatoire locale qui s’éloigne de la droite météorique des eaux, indiquant que les eaux de surface ne rechargent pas les eaux souterraines. En région, la variabilité isotopique issue de la recharge très présente dans les aquifères granulaires à nappe libre s’atténue le long des lignes d’écoulement et tend vers une moyenne régionale en δ18O dans les aquifères rocheux fracturés à nappe captive (-13‰) qui contiennent les eaux souterraines les plus évoluées et les plus chargées en éléments chimiques dissous. Le chapitre 3, qui porte sur l’interprétation des analyses chimiques de l’ensemble des échantillons d’eau, complémente les résultats obtenus par les isotopes stables de l’eau. Les eaux souterraines interagissent avec la lithologie des aquifères, depuis l’infiltration des précipitations dans les zones de recharge. L’augmentation observée des concentrations en éléments majeurs (Ca, Mg, Na, K, HCO3, Si, Matières dissoutes totales-MDT), manganèse et fer, ainsi que la diminution du Eh le long des chemins d’écoulement suggèrent que les eaux évoluent à partir des aquifères granulaires à nappe libre aux aquifères rocheux fracturés à nappe captive. Le contexte de nappe captive induit par la plaine argileuse combiné au temps de résidence de l’eau influence l’augmentation de la matière dissoute totale dans les eaux souterraines des aquifères les plus éloignés des zones de recharge que sont les aquifères rocheux fracturés à nappe captive. Localement, dans les aquifères rocheux à nappe libre, l’interaction entre la lithologie et les eaux souterraines est à l’origine de la présence d’éléments traces spécifiques tels l’uranium et le fluor, qui proviennent des roches intrusives plutoniques, et l’arsenic et le chrome, associés aux roches volcaniques. La combinaison des sources géogéniques ponctuelles et de l’évolution des eaux souterraines accentuée par l’effet du contexte de nappe captive prévalant sur une vaste partie de la région dicte la composition géochimique des eaux souterraines dans chaque partie du système d’écoulement. Les processus géochimiques majeurs qui influencent la composition géochimique des eaux souterraines sont la dissolution des carbonates et des silicates, l’oxydation des sulfures et la réduction des sulfates. Le chapitre 4 s’intéresse plus particulièrement à la santé des résidents qui utilisent les eaux souterraines à des fins d’approvisionnement en eau potable et se concentre sur les éléments chimiques qui dépassent les normes de recommandations gouvernementales de qualité d’eau afin de dresser un indice de contamination des eaux souterraines (ICES). Les eaux souterraines régionales sont affectées par le fer et le manganèse qui dépassent les valeurs seuils fixées pour les objectifs esthétiques et par des concentrations en arsenic et en uranium qui excèdent les normes de santé. Les échantillons dont les concentrations dépassent les concentrations maximales acceptables fixées pour les critères de santé ont été retirés pour l’élaboration de l’indice de contamination puisque jugés « impropre à la consommation humaine ». Les résultats ont révélé que 79% des puits régionaux contiennent une eau souterraine avec un niveau de contamination «faible» dont la qualité est considérée bonne et concerne particulièrement les eaux des aquifères granulaires à nappe libre qui constituent les aquifères régionaux les plus vulnérables. Les eaux souterraines présentes dans les aquifères constitués de roches plutoniques sont de meilleure qualité que ceux constitués de roches volcaniques. Le chapitre 5 conclue cette étude en rappelant que les résultats de ce travail de recherche viennent accroître les connaissances sur la compréhension globale des systèmes aquifères-aquitard de l’Abitibi-Témiscamingue, apportant ainsi des précisions sur la dynamique du système d’écoulement complexe des eaux souterraines en contexte de Bouclier canadien. Les nouvelles connaissances permettent de combler les lacunes scientifiques concernant l’origine des eaux souterraines, son évolution géochimique et sa qualité. Les principales retombées de ce travail de recherche sur la société concernent la gestion du territoire pour un meilleur aménagement en adéquation avec la protection et la préservation des ressources en eau souterraine pour les générations futures, surtout lorsqu’elles constituent la source majeure d’eau potable et qu’elle est soumise à une forte pression due à diverses activités anthropiques sur le territoire.

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