Synthèse géologique et hydrogéologique du Shale d'Utica et des unités sus-jacentes (Lorraine, Queenston et dépôts meubles), Basses-Terres du Saint-Laurent, Québec

Le présent travail a été initié dans le cadre d'un mandat donné à l'INRS-ETE par la Commission géologique du Canada (CGC) et le Ministère du Développement durable, de l'Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec (MDDEFP). Ce rapport constitue le produit initial d'un projet de recherche de quatre ans du secteur des Sciences de la Terre de Ressources Naturelles du Canada portant sur l'évaluation de l'intégrité géologique des roches en couverture au-dessus des unités de shales à potentiel gazier de l'est canadien (Québec, Nouveau-Brunswick et Nouvelle-Écosse). Le mandat initial au Québec impliquait la production d'une synthèse des connaissances et des données publiques disponibles sur le Shale d'Utica et les unités sus-jacentes, sédiments quaternaires inclus, dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. L'objectif de cette synthèse est de supporter et orienter des travaux futurs destinés à évaluer le degré d'imperméabilité géologique des successions rocheuses entre les shales cibles pour l'exploitation du gaz de shale et les aquifères peu profonds, dans les dépôts meubles ou le roc fracturé. Cette synthèse doit notamment permettre de faire ressortir des régions ou des types de données pour lesquelles il y a peu d'information, guidant ainsi le choix de travaux futurs de recherche scientifique sur la problématique des gaz de shale au Québec. Des modèles structuraux conceptuels ont également été élaborés afin d'obtenir un portrait géologiquement représentatif du territoire visé par l'exploration pour le gaz de shale dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Chacun de ces modèles repose essentiellement sur l'interprétation de lignes sismiques choisies, sur les résultats des forages pétroliers et gaziers ainsi que sur les données géologiques de surface. L'emphase des travaux a été mise sur la représentation des relations stratigraphiques et structurales, particulièrement entre le Shale d'Utica et les aquifères rocheux situés près de la surface du sol. Dans cette optique, le document est divisé en trois sections. La première section, géologique, met en contexte le Shale d'Utica et les groupes de Lorraine et de Queenston sus-jacents dans les Basses-Terres du Saint-Laurent, présentant les relations tectoniques et stratigraphiques d'importance pour la présente étude. Cette section s'attarde ensuite aux propriétés physiques et chimiques des différentes unités. Les principales sources de données consultées pour la géologie proviennent du Ministère des Ressources naturelles du Québec (MRN) et ont été fournies par la Chaire de recherche sur la séquestration géologique du dioxyde de carbone (CO2) du Centre Eau Terre Environnement de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS-ETE). La seconde section, à caractère géologique également, présente les modèles structuraux élaborés ainsi que la méthodologie retenue. Enfin la troisième section, hydrogéologique, documente l'état d'avancement des Programmes d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines du Québec (PACES) ainsi que les données disponibles pour caractériser l'environnement hydrogéologique peu profond (dépôts meubles et roc fracturé) et profond (roc). Les principales sources de données consultées pour l'hydrogéologie proviennent du MDDEFP ainsi que du Groupe de recherche interuniversitaire sur les eaux souterraines (GRIES) qui a réalisé des projets PACES dans diverses régions du Québec. Un premier rapport comprenant la première et la dernière section a déjà été soumis à la CGC et au MDDEFP au printemps 2012 et mis en ligne par le Comité de l'évaluation environnementale stratégique (ÉES) sur le gaz de schiste (Séjourné et al., 2012). La version proposée ici a été mise à jour pour tenir compte des nouvelles données disponibles. La seconde section (modèles structuraux) est inédite. La zone d'intérêt pour le gaz de shale, telle que définie par le MRN, s'étend à travers les Basses-Terres du Saint-Laurent de part et d'autre du fleuve Saint-Laurent, de Québec à Montréal jusqu'à la baie Missisquoi du lac Champlain . L'examen des données géologiques de surface et de sous-surface indique qu'il est toutefois possible de restreindre cette zone, en particulier sur ses bordures ouest et nord-ouest, et que l'essentiel de l'effort de caractérisation géologique et hydrogéologique devrait porter sur la rive sud du fleuve Saint-Laurent, le long d'un axe qui s'étire sur 250 km environ depuis la ville de Québec jusqu'au lac Champlain et qui s'élargit vers le sud-ouest, passant de 20 km de large dans la région de Québec à environ 60 km de large entre le lac Saint-Pierre et le lac Champlain. Dans l'ensemble, les modèles structuraux proposés ici présentent de nombreuses similarités entre eux et illustrent bien le contexte tectonostratigraphique général dans lequel s'inscrivent les problématiques des relations potentielles entre les aquifères superficiels et les fluides reliés à la possible exploitation du gaz naturel dans le Shale d'Utica. Les modèles donnent ainsi des informations sur la présence et la géométrie d'intervalles gréseux ou silto-gréseux présents dans la partie supérieure de la séquence sédimentaire (sommet de la Formation de Nicolet et unités sus-jacentes). Les modèles renseignent également sur la nature et la distribution des discontinuités structurales qui affectent localement la couverture au-dessus du Shale d'Utica. Ces discontinuités consistent essentiellement en des failles normales et des dykes mafiques (intrusions montérégiennes), les failles de chevauchement n'étant impliquées que dans la zone frontale des Appalaches. L'élaboration des modèles structuraux a également été l'occasion d'un travail de revue (non exhaustive) des données pétrolières et gazières qui permettent de mieux apprécier la nature de l'aquifère rocheux. Ainsi il semble que les eaux de faible salinité se rencontrent généralement à moins de 200 m de profondeur. Bien que des indices de salinité soient documentés dans les shale de l'Utica et du Groupe de Lorraine lorsque ceux-ci affleurent le long de l'axe du fleuve Saint-Laurent, la majorité des indices les plus profonds sont documentés dans les roches du Groupe de Queenston. Dans un cas seulement, près de Québec, la présence d'eau faiblement salée est documentée à plus grande profondeur. Dans l'ensemble également, l'examen des caractéristiques lithologiques des roches des formations de Bécancour, Pontgravé et Nicolet révèle que ces unités comprennent des intervalles gréseux ou siltogréseux en proportion décroissante vers le bas (ils sont inexistants à proximité du Shale d'Utica), et que ces grès sont généralement cimentés par de la calcite ou des oxydes de fer, ce qui diminue d'autant leur potentiel aquifère. Bien qu'il s'agisse là d'une sommation d'observations plutôt que d'une démonstration, les données disponibles semblent bien supporter l'idée selon laquelle les aquifères d'eau douce dans la région d'étude correspondent généralement à un intervalle de roc fracturé profond de quelques dizaines de mètres au plus, sans connexion directe avec les unités plus profondes sauf dans le cas particulier de la présence de discontinuités structurales. La synthèse géologique et hydrogéologique réalisée ici démontre qu'il n'existe pas de réelle lacune géographique dans la couverture des données déjà disponibles (géologie et forages pétroliers et gaziers) ou qui seront disponibles au terme des Programmes d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines du Québec (PACES) actuellement en cours. Les projets PACES couvrent en effet l'ensemble de la rive sud du fleuve Saint-Laurent à l'intérieur de la zone d'intérêt. Quant aux données géologiques de sous-surface, elles demeurent certes plus lacunaires dans le secteur sud-est, qui correspond au domaine appalachien, mais cette région ne parait pas représenter un intérêt immédiat pour l'exploration - et a fortiori l'exploitation - du gaz de shale. Plusieurs lacunes de nature thématique sont en revanche mises en lumières, notamment en ce qui a trait au cadre tectonostratigraphique régional, aux propriétés physiques et chimiques de l'environnement hydrogéologique profond, et à l'intégrité de la couverture au-dessus du Shale d'Utica. Si les principales caractéristiques des aquifères proches de la surface - dépôts meubles et roc fracturé peu profond - sont ou seront bien documentées grâce aux efforts de cartographie des aquifères initiés dans les années 1960 et qui culminent avec la réalisation des projets PACES en cours (compilation des données existantes, travaux de terrain et modélisation), la caractérisation de l'environnement hydrogéologique profond ne pourra être approchée que par l'intermédiaire des données disponibles pour les puits d'exploration pétrolière et gazière déjà forés. Une revue de détail de ces données géologiques a été réalisée afin d'orienter et de faciliter le travail d'intégration avec les données hydrogéologiques peu profondes. En particulier, le cadre tectonostratigraphique, la disponibilité des enregistrements diagraphiques et des carottes, ainsi que les propriétés physiques et chimiques du roc (composition minéralogique, pression, température, porosité et perméabilité notamment) font ici l'objet d'une synthèse détaillée. Ce travail de compilation s'accompagne d'un recensement des informations disponibles sur la nature des fluides documentés dans le roc et les dépôts meubles à partir des forages pétroliers et gazier, en particulier les indices et analyses d'eau, de gaz et de pétrole. Une grande partie des lacunes thématiques identifiées pourraient être comblées en tirant parti des données géologiques publiques inventoriées dans le présent rapport, au moins à une échelle semiquantitative ou semi-régionale. La variabilité géologique naturelle, la répartition des lignes sismiques et des forages pétroliers et gaziers, de même que la nature et la qualité variables des données publiées pour ces forages, ne permettent cependant pas d'espérer caractériser l'

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