La position du Burundi, dans le nord-est de la ceinture orogénique Kibarienne, lui confère un fort potentiel en ressources minérales. En effet, une variété de roches intrusives recoupe les roches métasédimentaires du Supergroupe Burundien, l’équivalent local de la chaîne Kibarienne. Ces roches intrusives sont composées de granites accompagnés de pegmatites minéralisées en Sn, Nb-Ta, W, Li, Be, de roches mafiques minéralisées en Fe-Ti-V, de carbonatites et syénites minéralisées en terres rares et en zircon. Outre les gîtes magmatiques, des gîtes hydrothermaux composés de filons de quartz et de brèches aurifères apparaissent dans des zones de cisaillement, à proximité des failles inverses. Des veines métasomatiques minéralisées en terres rares se retrouvent dans une zone de failles normales, situées dans le horst du rift est-africain. Suite aux conditions climatiques tropicales, des latérites nickélifères se sont développées sur des roches ultramafiques et constituent un gisement important de nickel latéritique (± Cr, Cu, EGP).

Dans le cadre de la présente étude, un modèle géothermique tridimensionnel du pergélisol a été développé pour la toute première fois à l’échelle locale d’un village nordique afin d’évaluer les impacts des changements climatiques sur le pergélisol. Ce village est celui de Salluit au Québec nordique dans la zone de pergélisol continu. La majeure partie des infrastructures de ce village sont fondées sur un pergélisol salin riche en glace vulnérable aux changements climatiques. Le code numérique d’HydroGeoSphere a été modifié pour simuler la transmission de la chaleur par conduction avec changement de phase et tenir compte de la variation des propriétés thermiques du sol avec la température. Différents scénarios de changements climatiques lors du prochain siècle ont été utilisés pour alimenter le modèle géothermique. La variabilité spatiale du régime thermique du pergélisol simulée à l’échelle d’un village nordique est majeure lorsque l’hétérogénéité des dépôts, leur contenu en glace et les différentes conditions de surface observées sur le terrain sont considérés dans une modélisation numérique tridimensionnelle. L’influence des flux de chaleur latéraux dans cette modélisation produit des résultats qui sont dans certains cas significativement différents de ceux simulés au moyen d’un modèle unidimensionnel, particulièrement pour les sols sous d’importantes congères. Selon les scénarios de changements climatiques jugés pessimistes pour le maintien du pergélisol, un talik permanent se formera à partir de la seconde moitié du 21ième siècle sous les congères, en bordure d’un remblai routier où la neige et l’eau de fonte s’accumule à la surface d’un sol mal drainé et dans l’argile saline du secteur nord-est du village de Salluit. L’épaisseur maximale du talik à la fin du 21ième siècle varie entre 1,3 et 19,3 m respectivement dans l’argile et le roc sous les congères, alors qu’elle est de 2,8 m dans l’argile saline du secteur nord-est. Seuls les tills et le roc recouverts par d’importantes congères seront affectés par la présence d’un talik à la toute fin du 21ième siècle advenant un réchauffement climatique optimiste. Une dégradation plus importante du pergélisol sous les remblais routiers que pour un même sol en terrain naturel sous un couvert nival mince est à prévoir selon les scénarios climatiques pessimistes. Les infrastructures contruites sur des remblais seront potentiellement affectées par des tassements différentiels.

La région de l’Outaouais (13760 km²), au Québec, connait une forte croissance démographique et les eaux souterraines sont davantage sollicitées. La perméabilité du socle rocheux, essentiellement cristallin, est contrôlée par des fractures entrecroisées et donc hétérogène. Pour identifier des zones-cibles de forage, nous avons confronté des données de capacité spécifique du Système d’Information Hydrogéologique du Québec, validés à l’aide d’essais de pompage réalisés par l’Université Laval, avec des caractéristiques du roc, parmi lesquelles la lithologie, l’épaisseur de roc exploitée par les puits et la présence de linéaments. Il apparait que la texture et la minéralogie des roches ont une influence sur le développement de fractures perméables. On constate aussi que ces fractures se raréfient en profondeur et qu’il n’est donc pas toujours opportun de forer des puits à des profondeurs importantes (< 80 m). En revanche, aucune corrélation entre la présence de linéaments et le rendement des captage situés à proximité n’a pu être observée. / The Outaouais Region (13760 km²) is one of the most rapidly growing communities in Quebec, and where groundwater is increasingly being relied upon as a water supply. The permeability of the mostly crystalline bedrock is controlled by interconnected fractures and then heterogeneous. In order to identify target areas for installing new pumping wells, specific capacity data from the SIH database, which were validated using pumping tests carried out by Université Laval, were compared with rock characteristics including lithology, thickness of rock exploited by each well and proximity to lineaments. The texture and mineralogy of the rock seemed to have an important influence on the development of permeable fractures. We also found that the fracture density decreases with depth and therefore it is not always profitable to drill to deeper depths (> 80 m) to try to increase productivity. In contrast, proximity to lineaments didn’t seem to have any impact on the productivity of wells.

L’anticlinal de San Corneli qui se situe dans les Pyrénées centrales espagnoles, est une structure plissée et faillée en contexte d’avant-pays de chaînes de montagnes. Cette structure compressive s’est mise en place lors du développement de la ceinture de chevauchement au-dessus de la plaque ibérique au Méso-Cénozoïque. Géométriquement, l’anticlinal de San Corneli correspond à un pli de propagation (8 km x 10 km) développé au-dessus du chevauchement de Boixòls, soit la structure la plus frontale de la nappe de Boixòls. Des structures extensives pré-compression ont été reconnues au sein de l’anticlinal ; il s’agit d’un réseau de failles normales et de fractures précoces ayant joué lors du dépôt de sédiments dans des bassins extensifs au Mésozoïque. Notre problématique de recherche est de développer une méthodologie de modélisation 3D à partir de techniques existantes pour permettre de vérifier l’influence de ces failles normales sur le développement de l’anticlinal de San Corneli et leur effet sur la géométrie particulière de ce pli de propagation. D’autre part, dans cette région le couvert végétal est minimal et l’anticlinal de San Corneli affleure bien, permettant l’acquisition de nombreuses données de surface et facilitant la modélisation de la géométrie du pli. Afin d’avoir une meilleure compréhension des relations qui existent entre la géométrie de formation d’un pli et les failles précoces, la modélisation 3D s’avère indispensable. La méthodologie utilisée consiste, dans un premier temps, en une modélisation inverse 3D. Le modèle géologique volumique est restauré à l’aide du module Restauration 3D proposé par gOcad, basée sur l’équilibrage de coupe. Cette technique permet d’obtenir un modèle paléogéographique 3D, et ainsi d’y déduire l’emplacement et la géométrie des failles normales préexistantes au moment du dépôt des sédiments dans le bassin. Dans le but de tester différentes hypothèses concernant le mode de développement de ce pli-faille nous avons effectué une série de modélisations directes 3D à partir du modèle paléogéographique. La modélisation directe 3D consiste à revenir à l’état actuel de déformation du modèle. Nous avons pu ainsi mieux apprécier la chronologie des évènements qui ont affecté le pli et voir dans quelle mesure les failles précoces ont influencé la formation du pli de San Corneli. En ce sens, nous avons pu faire ressortir que l’orientation des failles préexistantes par rapport à la contrainte régionale compressive avait une importance sur le devenir de ces structures. / The San Corneli anticline located within the Spanish central Pyrenees, is a foreland fault-related fold. This compressive structure developed within the Boixòls thrust sheet during the emplacement of the fold and thrust belt above the Iberian plate during the Meso-Cenozoic. Geometrically, the San Corneli anticline corresponds to a fault propagation fold (8 km by 10 km). Pre-compression extensive structures have been recognized within the anticline. These syntectonic normal faults and fractures were formed during deposition of sediments in the mesozoic rifted basin. The aim of our research is to determine the influence of these normal faults on the development of the San Corneli anticline and their effect on the particular geometry of this fault propagation fold. We used 3D geometrical modeling to gain a better understanding of the relationship between the pre-existing structures and the geometry and kinematics of the fault propagation fold. Furthermore, in this area the vegetative cover is minimal and the San Corneli anticline is very well exposed giving access to numerous field data and facilitating surface modeling of the present geometry of the fold. Our methodology consists, as a first step, in reverse 3D modeling. The geological model volume is restored using the 3D Restoration plugin proposed by gOcad based on cross section balancing. This technique allows to obtain a 3D paleogeographic model, and thus to deduce the location and geometry of preexisting normal faults with depositing sediments in the basin. In order to test different assumptions about the mode of development of this fault propagation fold, we have conducted a series of 3D geometrical models directly from the paleogeographic model. The aim of 3D forward modeling is to revert to the current state of deformation of the model. We were able to better appreciate the chronology of events that have affected the fold and evaluate to what extent the early faults have influenced the kinematics of the San Corneli fold. In this sense, we were able to show that the orientation of pre-existing faults with respect to the regional compressive stress influences the way in which these faults will be reactivated, either in a vertical (reverse) or horizontal sense (strike-slip).

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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