Many growing southern Ontario communities, including Guelph, rely on fractured bedrock aquifers for drinking water. Contamination and overexploitation pose a threat to these water resources, necessitating characterization of vulnerability, risks, and recharge areas. Quaternary sediments southeast of the City of Guelph, including the Paris Moraine, were investigated in order to delineate hydrostratigraphy. This was achieved through study of 9 cored-holes, as well as existing MOE, GRCA, and University of Guelph data. Falling head permeameter measurements and empirical grain-size distribution measurements and analysis were employed for determination of 𝐾𝑠𝑎𝑡 values, which were used to construct a hydrostratigraphy. Of 19 methods evaluated, The Kozeny-Carman empirical grain-size method for determining 𝐾𝑠𝑎𝑡 was found to be more representative of measured values for the study area. The area is dominated by a conductivity regime of 2.72x10-7 – 1.40x10-6 m/s with local heterogeneity present on the scale of 10’s to 100’s of meters. The Paris Moraine, particularly its backslope, is at higher risk due to its relatively high conductivity, greater occurrence of aquifer units, as well as prevalence of small-scale topographic (hummocky topography), and bedrock topographic lows. / Thesis / Master of Science (MSc)

Variable groundwater quality in complex aquifer-aquitard systems presents a challenge for sustainable groundwater development. In the Lower Murrumbidgee alluvial fan of the Murray-Darling Basin in semi arid inland Australia, shallow groundwater is saline (12000 &micro S/cm) and locally contaminated by nitrate. Deep fresh aquifers (150 &micro S/cm), developed as an irrigation water supply, were thought to be protected from downwards leakage by laterally extensive aquitards. However, hydrochemical sampling, augmented by historic data, revealed that aquifer salinisation (400 to 4000 &micro S/cm) had occurred at some sites to 50 m depth since the mid 1980s. Aquitard windows, landscape depositional features at a scale of 10s to 100s of metres which are rarely detected by conventional investigations, were proposed as conduits for rapid downwards leakage in stressed systems. Intensive research was conducted at the Tubbo site where downhole geophysical logging and minimally disturbed cores were used to describe a saline clayey silt to 15m depth, an indurated clayey sand and 2 deep deposits of hard clayey silt. Fracturing was inferred by the scale dependency of aquitard permeability (Kv 10E-11 to 10E-6 m/s). Lithological variation near the surface was delineated by electrical imaging which revealed a 40m wide aquitard window beneath a veneer of smectite clay. Intensive monitoring of groundwater pressures in six piezometers (23-96 m depth) near the Tubbo irrigation bore and two other peizometers upgradient, indicated that the indurated clayey sand formed an effective hydraulic barrier but the deep silty deposits were spatially discontinuous. Groundwater samples were collected before, three times during, and after the 1998-99 irrigation season. A large, but delayed TDS increase occurred in the shallow aquifer and small pulses of saline water were sustained in the middle aquifer but shortlived in the deep aquifer. Hydrochemical and isotopic data dC-13, dH-2, dO-18, C-14 and H-3) showed the middle aquifer mixing with the deep aquifer, though retaining the signature of a palaeowater. Hydrochemical changes were accounted for with PHREEQC inverse mass balance models for the shallow aquifer. Mixing of aquifer water with 20-70% saline porewater from the upper aquitard occurred, together with ion exchange and NaCl dissolution. Based on an axisymmetric radial FEFLOW model, 5-30% of the volume pumped was accounted for by vertical leakage from the middle aquifer. Leakage from the shallow aquifer was small but significant, as it allowed high salinity water to migrate. Permeability and compressible storage measurements (Ss 10E-5 to 10E-4 /m) were used to constrain model calibration, and to show that direct mixing occurred mainly via aquitard windows at depth, and between the shallow and middle aquifers via leaky boreholes. Fracture flow and aquifer-aquitard interaction by diffusion were of secondary importance.

L'élaboration de modèles hydrodynamiques à des fins de gestion rationnelle des aquifères et des prélèvements à une échelle régionale nécessite la connaissance du fonctionnement hydrodynamique des aquitards.La caractérisation de ces formations semi-perméables implique de déterminer leurs propriétés géologiques, hydrodynamiques et leur degré d'hétérogénéité. La région de Bordeaux, soumise à d'importants prélèvements, sert ici de support d'étude pour appréhender le rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique d'un multicouche complexe. La caractérisation de ces formations semi-perméables a été obtenue au travers d'approches directes, indirectes et numériques. L'outil diagraphique a permis une réinterprétation de la géologie et a abouti à la mise à jour de la géométrie hydro-géologique du domaine d'étude ainsi qu'à une nouvelle organisation verticale des unités aquifères et aquitards. Les propriétés hydrodynamiques des aquitards ont été approchées grâce à la réalisation d'un forage expérimental dédié à l'étude d'une éponte. Des mesures pétrophysiques et l'analyse des séries temporelles enregistrées en différents niveaux de l'aquitard ont été effectuées et ont fourni des estimations des paramètres de conductivité hydraulique et d'emmagasinement spécifique de l'aquitard. Enfin, l'approche quantitative du rôle des aquitards dans le fonctionnement hydrodynamique du système aquifère a été réalisée à l'aide d'un modèle hydrogéologique. Celui-ci prend en compte la géométrie revisitée, issue des données diagraphiques, et intègre les valeurs des paramètres hydrodynamiques obtenues par les mesures de laboratoire et in situ. Le modèle a été utilisé pour préciser les flux de drainance au sein du système multicouche ainsi que leurs proportions relatives. Les résultats démontrent l'impact et le rôle d'un horizon semi-perméable au sein d'un aquitard puissant. In fine, l'intégration des hétérogénéités d'un aquitard s'avère obligatoire dans l'élaboration d'outils de gestion raisonnée (quantitative et qualitative) à court et long terme des ressources en eau souterraines d'un système aquifère multicouche complexe.

La recherche sur le stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde est conduite, en France, dans les argilites du Callovo-Oxfordien (Est du Bassin de Paris). L'origine et l'histoire de l'eau présente dans cette roche argileuse peu perméable est une problématique majeure alors qu'il s'agit du vecteur de radioactivité vers la biosphère. Différents traceurs géochimiques (ΔD, Δ18O, 87Sr/86Sr et teneurs en gaz rares) sont utilisés ici pour comprendre l'origine et l'histoire de l'eau porale. La principale difficulté réside dans l'impossibilité d'extraire l'eau des argillites, ayant rendu nécessaire la mise au point de protocoles analytiques rigoureux adaptés à ce type de roches. Les résultats obtenus sont confrontés aux analyses géochimiques des eaux des formations calcaires qui encadrent les argilites. Les origines des eaux et les interactions avec les roches avec lesquelles elles sont ou ont été en contact constituent l'intérêt de ce travail. L'analyse de la texture des argilites par adsorption de gaz permet en outre d'étudier leur porosité, leur capacité d'adsorption ainsi que leur comportement à l'hydratation.<br /> Les eaux porales des argilites s'avèrent être d'origine météorique, ce qui signifie que les eaux marines originellement présentes ont été envahies par des eaux météoriques, probablement par diffusion. Les eaux des deux formations calcaires encadrant les argilites présentent des signatures géochimiques distinctes, révélant le rôle d'écran joué par la couche imperméable des argilites.