Un modèle numérique tridimensionnel a été développé pour la simulation du système chimique quartz-eau couplé avec l’écoulement à densité et viscosité variable dans les milieux poreux discrètement fracturés. Le nouveau modèle simule aussi le transfert de chaleur dans les milieux poreux fracturés en supposant que l’expansion thermique du milieu est négligeable. Les propriétés du fluide, densité et viscosité, ainsi que les constantes chimiques (constant de taux de dissolution, constant d’équilibre, coefficient d’activité) sont calculées en fonction de la concentration des ions majeurs et de la température. Des paramètres de réaction et d’écoulement, comme la surface spécifique du minéral et la perméabilité sont mis jour à la fin de chaque pas de temps avec des taux de réaction explicitement calculés. Le modèle suppose que des changements de la porosite et des ouvertures de fractures n’ont pas d’impact sur l’emmagasinement spécifique. Des pas de temps adaptatifs sont utilisés pour accélérer et ralentir la simulation afin d’empêcher des résultats non physiques. Les nouveaux incréments de temps dépendent des changements maximum de la porosité et/ou de l’ouverture de fracture. Des taux de réaction au niveau temporel L+1 (schéma de pondération temporelle implicite) sont utilisés pour renouveler tous les paramètres du modèle afin de garantir la stabilité numérique. Le modèle a été vérifié avec des problèmes analytiques, numériques et physiques de l’écoulement à densité variable, transport réactif et transfert de chaleur dans les milieux poreux fracturés. La complexité de la formulation du modèle permet d’étudier des réactions chimiques et l’écoulement à densité variable d’une façon plus réaliste qu’auparavant possible. En premier lieu, cette étude adresse le phénomène de l’écoulement et du transport à densité variable dans les milieux poreux fracturés avec une seule fracture à inclinaison arbitraire. Une formulation mathématique générale du terme de flottabilité est dérivée qui tient compte de l’écoulement et du transport à densité variable dans des fractures de toute orientation. Des simulations de l’écoulement et du transport à densité variable dans une seule fracture implanté dans une matrice poreuse ont été effectuées. Les simulations montrent que l’écoulement à densité variable dans une fracture cause la convection dans la matrice poreuse et que la fracture à perméabilité élevée agit comme barrière pour la convection. Le nouveau modèle a été appliqué afin de simuler des exemples, comme le mouvement horizontal d’un panache de fluide chaud dans un milieu fracturé chimiquement réactif. Le transport thermohalin (double-diffusif) influence non seulement l’écoulement à densité variable mais aussi les réactions chimiques. L’écoulement à convection libre dépend du contraste de densité entre le fluide (panache chaud ou de l’eau salée froide) et le fluide de référence. Dans l’exemple, des contrastes de densité sont généralement faibles et des fractures n’agissent pas comme des chemins préférés mais contribuent à la dispersion transverse du panache. Des zones chaudes correspondent aux régions de dissolution de quartz tandis que dans les zones froides, la silice mobile précipite. La concentration de silice est inversement proportionnelle à la salinité dans les régions à salinité élevée et directement proportionnelle à la température dans les régions à salinité faible. Le système est le plus sensible aux inexactitudes de température. Ceci est parce que la température influence non seulement la cinétique de dissolution (équation d’Arrhenius), mais aussi la solubilité de quartz. / A three-dimensional numerical model is developed that couples the quartz-water chemical system with variable-density, variable-viscosity flow in fractured porous media. The new model also solves for heat transfer in fractured porous media, under the assumption of negligible thermal expansion of the rock. The fluid properties density and viscosity as well as chemistry constants (dissolution rate constant, equilibrium constant and activity coefficient) are calculated as a function of the concentrations of major ions and of temperature. Reaction and flow parameters, such as mineral surface area and permeability, are updated at the end of each time step with explicitly calculated reaction rates. The impact of porosity and aperture changes on specific storage is neglected. Adaptive time stepping is used to accelerate and slow down the simulation process in order to prevent physically unrealistic results. New time increments depend on maximum changes in matrix porosity and/or fracture aperture. Reaction rates at time level L+1 (implicit time weighting scheme) are used to renew all model parameters to ensure numerical stability. The model is verified against existing analytical, numerical and physical benchmark problems of variable-density flow, reactive solute transport and heat transfer in fractured porous media. The complexity of the model formulation allows chemical reactions and variable-density flow to be studied in a more realistic way than previously possible. The present study first addresses the phenomenon of variable-density flow and transport in fractured porous media, where a single fracture of an arbitrary incline can occur. A general mathematical formulation of the body force vector is derived, which accounts for variable-density flow and transport in fractures of any orientation. Simulations of variable-density flow and solute transport are conducted for a single fracture, embedded in a porous matrix. The simulations show that density-driven flow in the fracture causes convective flow within the porous matrix and that the highpermeability fracture acts as a barrier for convection. The new model was applied to simulate illustrative examples, such as the horizontal movement of a hot plume in a chemically reactive fractured medium. Thermohaline (double-diffusive) transport impacts both buoyancy-driven flow and chemical reactions. Free convective flow depends on the density contrast between the fluid (hot brine or cool saltwater) and the reference fluid. In the example, density contrasts are generally small and fractures do not act like preferential pathways but contribute to transverse dispersion of the plume. Hot zones correspond to areas of quartz dissolution while in cooler zones, precipitation of imported silica prevails. The silica concentration is inversely proportional to salinity in high-salinity regions and directly proportional to temperature in low-salinity regions. The system is the most sensitive to temperature inaccuracy. This is because temperature impacts both the dissolution kinetics (Arrhenius equation) and the quartz solubility. / Inscrit au Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures

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Des mesures sismiques à faible profondeur ont été réalisées dans le cadre d’une étude hydrogéophysique en Outaouais pour investiguer le sous-sol. À cet effet, une approche intégrée qui regroupe plusieurs méthodes de traitement du signal sismique a été développée. Dans cette approche, l’ensemble des modes de propagation sismique est considéré en effectuant l’analyse conjointe des ondes de surface, des ondes réfractées critiquement et des ondes réfléchies de compression P et de cisaillement polarisées verticalement SV. Cette approche intégrée est beaucoup plus robuste que si chaque méthode était considérée séparément. Elle permet d’estimer la distribution spatiale des vitesses de propagation des ondes P et S de la sous-surface et d’obtenir des profils en réflexion qui permettent d’identifier les contacts stratigraphiques. Quatre études de cas dans la région de l’Outaouais sont présentées pour illustrer cette approche. Pour l’une de ces études à Buckingham, un essai de pénétration au piézocône sismique a été réalisé afin de valider les modèles de vitesse obtenus à partir de l’approche développée. Cette approche intégrée est applicable entre autres aux domaines de l’environnement, de la géotechnique, des risques naturels et de l’hydrogéologie.

Le gîte Turgeon est un sulfure massif volcanogène (SMV) riche en Cu-Zn, encaissé dans les roches volcano-sédimentaires ordoviciennes du Groupe de Fournier dans la Boutonnière Elmtree-Belledune, au Nouveau-Brunswick (Canada). Le Groupe de Fournier comprend les formations Devereaux et Pointe Verte, qui sont tous les deux composées de gabbros et de basaltes cousinés. Le gîte Turgeon est composé de deux lentilles de sulfures massifs Cu-Zn avec des stockwerks chalcopyrite-pyrite sous-jacents aux deux lentilles. La géochimie indique que les roches encaissantes sont des basaltes et des andésites d’affinité tholéiitique de type MORB. Les roches encaissantes proximales aux lentilles de sulfures massifs sont composées de chlorite + quartz dans les zones stockwerks, tandis que les zones adjacentes aux lentilles de sulfures massifs sont altérées en calcite + sidérite + pyrite + talc. Les sulfures à Turgeon ont une valeur δ34S moyenne de 6.9 ‰ (5.8 – 10‰), indiquant que le soufre est principalement dérivé de la réduction thermochimique de sulfate d’eau de mer ordovicienne. / The Turgeon deposit is a mafic-type Cu-Zn volcanogenic massive sulfide (VMS) deposit hosted in the Middle Ordovician gabbros, sheeted dykes, and pillow basalts of the Devereaux Formation of the Fournier Group in the Elmtree-Belledune Inlier, northern New Brunswick (Canada). The Turgeon deposit consists of two lensed-shaped Cu-Zn massive sulfide zones (“100m Zinc”, “48-49”) composed of pyrite, chalcopyrite, pyrrhotite, and sphalerite, underlain by chalcopyrite-pyrite stockworks. Trace element geochemistry indicates that the host rocks are composed primarily of tholeiitic basalts and andesites with mid-ocean ridge basalt (MORB) signatures. Alteration mineral assemblages of the footwall basalts proximal to mineralization are dominantly chlorite ± quartz in the stockwork zone, and calcite ± siderite ± pyrite ± talc near the massive sulfide lenses. Sulfides at Turgeon have an average δ34S of 6.9 ‰ (5.8 – 10‰), indicating that sulfur was derived from thermochemical reduction of Ordovician seawater sulfate.

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Une étude hydrogéologique conjointe de l'Université Laval et de la Commission Géologique du Canada (CGC) a été réalisée dans le bassin versant de la rivière Chaudière. Le but de cette étude est d’accroître les connaissances sur le système hydrogéologique du bassin versant de la rivière Chaudière qui s’étend de la frontière américaine jusqu’au fleuve Saint-Laurent. La zone étudiée a une superficie de 6675 km2. Il s’agit d’une région densément peuplée (~ 390,000 hab.) à vocation principalement agricole où 65 % de la population utilise l’eau souterraine comme principale source d’eau potable. L’aquifère régional se compose de deux unités principales : le substratum rocheux de la province géologique des Appalaches et certaines unités quaternaires granulaires. Le confinement de l’unité rocheuse est contrôlé par des sédiments glaciaires, marins ou lacustres fins d’épaisseurs et de distribution variables. L’écoulement dans le roc se fait dans sa partie supérieure où la fracturation est la plus importante. La première étape des travaux a d’abord consisté à définir les propriétés hydrauliques des formations géologiques. Les données utilisées proviennent de divers rapports, de données du système d’information hydrogéologique (SIH), du Ministère du Développement Durable, de l’Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec (MDDEFP), de rapports de consultants ainsi que d’une campagne de travaux de terrain effectuée à l’été 2007. Parmi ces données, la conductivité hydraulique (K) constitue la principale propriété à définir. Plusieurs valeurs de K ont été extraites directement ou indirectement de rapports existants. Une partie importante des valeurs de la conductivité hydraulique a été estimée à partir de la base de données SIH. Parmi celles-ci, 1333 valeurs ont été évaluées à partir de la capacité spécifique (Bradbury et al, 1985); 89 de ces mesures ont étés qualifiées de données de qualités car elles respectent toutes les conditions de la méthode, à l’exception du temps de pompage souvent trop court (94% des cas). En se basant sur les mesures recueillies, la moyenne géométrique des données de conductivité hydraulique (K) s’élève à 5 x 10-6 m/s avec un écart-type du logarithme de K égal à 0.60. La lithologie ne semble pas avoir une grande influence sur les valeurs de la conductivité hydraulique car toutes les valeurs moyennes de chacune des lithologies se trouvent à l’intérieur d’un même ordre de grandeur. Un modèle numérique a été construit pour l’ensemble de la zone d’étude à l’aide du logiciel de modélisation par éléments finis Watflow (Molson et al., 2002) afin d’interpréter le système d’écoulement de l’eau souterraine au niveau régional. Le modèle tridimensionnel est composé de 28 couches dont 18 représentent les dépôts meubles et 10 le roc. Le maillage 3D comprend 1.694.672 noeuds et 3.344.516 éléments triangulaires prismatiques. La rivière Chaudière et ses tributaires constituent des limites à charge imposée. Le modèle numérique d’élévation (MNE), constitue la surface du modèle. La base du modèle ainsi que le reste des limites externes sont considérées comme des limites à flux nul. La recharge à la surface a été calculée en utilisant le modèle d’infiltration HELP (Benoît et al., 2012). Les puits municipaux sont représentés de façon ponctuelle. La consommation associée aux puits ou réseaux privés, puits industriels et à l’agriculture a été répartie sous forme de lame d’eau équivalente et soustraite de la recharge. La conductivité hydraulique horizontale ainsi que l’anisotropie verticale constituent les paramètres de calage du modèle. Le calage du modèle est réalisé avec 68 données de puits municipaux. Les résultats du calage du modèle ont montré que l’erreur du bilan de masse est près de nul, ce qui implique que la somme des flux entrants est égale à la somme des flux sortants. L’eau souterraine étant une source d’approvisionnement importante, la mauvaise gestion peut mener à des discordes entre les différents utilisateurs. Connaître au mieux la capacité d’alimentation en eau ainsi que le système d’aquifère permet de prévenir des problèmes potentiels entre les différents utilisateurs mais aussi à les sensibiliser à une utilisation mieux adaptée de la ressource. Différents scénarios, incluant les variations de la recharge, ont été simulés à l’aide du modèle calé. Ces simulations ont consisté à faire varier les taux de recharge et de pompage de  20 %, permettant d’identifier les zones nécessitant un suivi de la qualité de l’eau souterraine et un suivi piézométrique. Les zones les plus sensibles aux variations climatiques ont été aussi déterminées. Les changements du taux de pompages et de recharge ( 20%) provoquent une variation de moins de 5 m sur le système modélisé principalement par rapport au niveau de la nappe. / A joint hydrogeological assessment study between Université Laval and the Geological Survey of Canada (GSC) has been conducted in the Chaudière River watershed. The main objective of the study was to gain further understanding into the groundwater resources within the region. The watershed extends over ~ 6700 km2 from the United States border northwards to the Saint Lawrence River in the province of Québec (Canada). Groundwater is an important source of drinking water as well as for irrigation and industrial use, however the supply is finite and there are potential risks of conflicts arising from different users. It is thus important to understand the aquifer systems throughout the watershed in order to avoid possible conflicts and to help decision makers to better manage the resource. Within the catchment, up to 65% of the population relies on groundwater as the primary drinking water resource, whereby most of the water is used for agricultural purposes. The regional aquifer system is dominated by the underlying rock substratum of the Appalachian province and Quaternary aquifer units. The degree of confinement of the fractured aquifers is controlled by the overlying glacial, marine and fine lacustrine sediments of variable thicknesses. The groundwater circulation within the fractured aquifers predominantly takes place in the uppermost part of the fractured water-bearing units, where fracture density is highest. As a first step, the hydraulic properties of the fractured basement were defined, for which the hydraulic conductivity (K) of the formations can be considered as the most important hydraulic characteristic. A literature review of the available reports as well as the SIH and the MDDEFP data bases was performed in order to assemble the data. Additional field work was completed by the GSC during the spring of 2007 to supplement the data base. Most of the values of the hydraulic conductivity K were taken from the existing reports while others were estimated from the SIH data base. The data base contains 1333 values which were evaluated using Bradbury’s method, of which 83 satisfied the “quality criteria”, since they respected suggested conditions regarding the minimum pumping (which was not met in 94% of the cases). The geometric mean value of the measured hydraulic conductivities was 510-6 m/s with a standard deviation of 0.60. The maximum difference between the hydraulic conductivities of the different lithological units was about a factor of 100x. A 3D numerical finite element model was built with the Watflow model (Molson et al., 2002) for simulating the regional groundwater flow system. The model domain extends over the entire watershed and is subdivided into 28 layers, 18 for the unconsolidated deposits and 10 within the basement rock. The 3D triangular prismatic mesh contains 1,694,672 nodes and 3,344,516 elements. The topographic DEM (digital elevation model) forms the uppermost surface of the model. For the model boundary conditions, the Chaudière River and major tributaries and lakes are set as first-type boundaries with constant hydraulic heads. The model base, as well as the lateral limits, are considered as no-flow boundaries. The net recharge over the model surface was estimated using the infiltration model HELP, combined with estimates of the surface-distributed local water withdrawals. The major pumping wells are represented in the model domain as point sinks. The horizontal hydraulic conductivity together with the vertical anisotropy values for each formation were used as the model calibration parameters, using the observation data from 68 observation wells. The results of the calibration of the model showed that the mass balance error is close to zero which implies that the sum of inflows is equal to the sum of outflows. Different scenarios with recharge variations were simulated with the calibrated model. The simulations allowed identifying the principal sensitive zones which need piezometric and water quality control. It was also possible to determine the areas most sensitive to climate variations. Changes in the rate of pumping and recharge ( 20%) did not have a significant impact on the modeled system mainly in relation to groundwater level (observed variations were 5m).

Le climat du Nunavik s’est réchauffé de près de 3 °C entre 1990 et 2000. Ce réchauffement climatique affecte le régime thermique et la stabilité du pergélisol. Des impacts de ce réchauffement touchent les pistes d’atterrissage du Nunavik, lien vital entre les communautés nordiques et le sud du Québec. Il est donc fondamental de connaître les conditions physiques du pergélisol sous ces infrastructures pour anticiper les impacts du réchauffement climatique prévu pour le prochain siècle aux hautes latitudes. À cette fin, l’auscultation non destructive des milieux physiques à l’aide de méthodes géophysiques est une avenue intéressante. Des profilages de résistivité électrique avec un système couplé capacitivement et des levés de géoradar ont été réalisés le long des pistes d’atterrissage des communautés de Tasiujaq, Aupaluk, Kangirsuk et Quaqtaq en Ungava. Intégrés ensemble, l’interprétation des résultats des deux méthodes géophysiques a permis de produire une coupe stratigraphique du remblai de piste et des conditions de pergélisol sous chaque piste.

Ce mémoire présente les résultats d’une étude pétrographique et métallogénique d’indices de Ni-Cu de la Suite Plutonique de De La Blache (SPDLB). Située dans la partie est de la Province de Grenville et datée à 1327 Ma, la SPDLB s’est mise en place durant l’Elsonien moyen. Elle consiste en un coeur anorthositique à leucotroctolitique, et une bordure (gabbro)noritique (±Ol) à ultramafique. Les indices étudiés peuvent être subdivisés en deux groupes: les indices Outardes-4 sud, Boudrias-Est/Doyon et de la Buse, encaissés dans des roches ultramafiques; et l’indice Thibault encaissé dans des leucotroctolites. Les données géochimiques suggèrent que les indices proviendraient de magmas distincts. Les concentrations en Se, S et les valeurs δ34S montrent une composante crustale importante, liée à une contamination par les gneiss encaissants. Les dépôts de Ni-Cu se seraient formés dans les unités (ultra)mafiques produites par cristallisation fractionnée, selon le modèle classique de mise en place de dépôts de sulfures magmatiques. Le faible potentiel économique des indices étudiés peut s’expliquer par l’absence de certains facteurs clés généralement présents dans les dépôts de Ni-Cu-ÉGP magmatiques de classe mondiale. / This master thesis is a petrographic and metallogenic study of Ni-Cu prospects associated with the De La Blache Plutonic Suite (DLBPS), in the eastern part of the Grenville Province. Dated at 1327 Ma, the DLBPS intruded during the middle Elsonian. It consists of an anorthositic to leucotroctolitic core, and a (gabbro)noritic(±Ol) to ultramafic border. The studied prospects can be subdivided in two groups: the Outardes-4 South, Boudrias- Est/Doyon and Buse prospects, hosted in ultramafic rocks; and the Thibault prospect, hosted in leucotroctolites. Geochemical data suggests that the different prospects originated from distinct magmas. Se and S concentrations, as well as δ34S values show an important crustal component, related to contamination by the country-rock gneisses. The Ni-Cu deposits formed in the (ultra)mafic units produced by fractional crystallization, as in the classical sulfide magmatic deposits genesis model. The weak economic importance of the studied prospects can be explained by the absence of key factors generally present in worldclass Ni-Cu-PGE magmatic deposits.