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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.

Le craton Archéen canadien, en partie situé au Québec, possède plusieurs occurrences de roches mantelliques reliées aux kimberlites, dont les intrusions Le Tac et Lac Shortt situées dans la région de Chibougamau. Les phases minérales dominantes sont l’olivine, la phlogopite et la serpentine. Les minéraux matriciels sont la serpentine, l’apatite, la pérovskite, le diopside et la calcite. Deux générations d’olivine sont observées dans les deux intrusions. La phlogopite possède une composition variable suggérant une interaction chimique avec un magma de type kimberlitique. La composition des intrusions Le Tac et Lac Shortt est similaire aux kimberlites de faciès hypabyssal des Groupes I et II. Les diagrammes des profils des multi-éléments corrèlent avec ceux des kimberlites avec des anomalies négatives en Rb, Sr et K et positives en Nd et La. Le potentiel diamantifère des deux intrusions étudiées est faible, mais cette région peut tout de même être intéressante pour l’exploration diamantifère.

Les gîtes du Dôme de Lemieux et de Sainte-Marguerite sont deux exemples de minéralisation épithermale et orogénique mise en place dans les roches sédimentaires et volcaniques siluro-dévoniennes de Gaspésie. Durant le siluro-dévonien, la Ceinture de Gaspé est interprétée comme un environnement d’arrière-arc, passant ensuite en régime de transpression lors de la déformation acadienne. Les indices du Dôme de Lemieux montrent des caractéristiques minéralogiques typiques des gisements épithermaux neutres à intermédiaires. Les veines minéralisées sont encaissées dans les roches sédimentaires siluro-dévoniennes mais leur mise en place est liée à la présence de volcanites bimodales dévoniennes. La minéralisation est probablement contemporaine du volcanisme et donc d’âge Dévonien inférieur à moyen, antérieur à la déformation acadienne. Le gîte de Sainte-Marguerite, associé à la faille acadienne de Sainte-Florence, est encaissé dans les roches volcaniques bimodales de Sainte-Marguerite. La minéralisation est représentée par cinq stades de minéralisation : (1) un stade à calcite-chlorite; (2) un stade à quartz-pyrite; (3) un stade à quartz-sphalérite-galène-chalcopyrite ± arsénopyrite-adulaire reprenant le stade 2; (4) un stade à quartz-arsénopyrite ± pyrite-sphalérite; et (5) un stade à quartz-carbonate. Le stade 2 à quartz-pyrite présente des sulfures recristallisés, indiquant que ce stade est précoce et a été affecté par le métamorphisme acadien. La pyrite et le quartz de stade 2 sont ensuite cataclasés puis cimentés par la sphalérite, la galène et la chalcopyrite de stade 3. L’attitude des veines de stade 3 et 4 est en accord avec la déformation régionale acadienne du Dévonien moyen à tardif (398 à 359 Ma) et suggère une affinité orogénique épizonale des stades 3 et 4, en accord avec les données isotopiques et les inclusions fluides. Les isotopes de l’oxygène et du carbone ainsi que la microthermométrie indiquent que les deux gîtes ont été formés à partir de saumures de bassins à des températures comprises entre 150° et 200°C et que de l’eau météorique a participé à la formation des veines du Dôme de Lemieux. Les isotopes du soufre et la composition isotopique du plomb suggèrent que le soufre et les métaux sont issus du lessivage des roches sédimentaires et volcaniques environnantes. La présence de ces gîtes dans la ceinture siluro-dévonienne de Gaspé démontre un potentiel minéral épithermal pré-orogenèse acadienne et orogénique épizonal syn-orogenèse acadienne dans les roches siluro-dévoniennes des Appalaches. / The Lemieux Dome and Sainte-Marguerite deposits are examples of epithermal and orogenic mineralization in Silurian-Devonian sedimentary and volcanic rocks of the Gaspé Peninsula. During the Silurian-Devonian, the Gaspé Belt is interpreted as a back-arc setting that eventually transformed into a transpressive setting during the Acadian orogeny. Lemieux Dome veins display mineralogical features typical of low- to intermediate-sulfidation epithermal deposits. Mineralized veins hosted by Silurian-Devonian sedimentary rocks are related to the emplacement of bimodal Devonian volcanic rocks. Mineralisation is probably coeval with volcanic rocks eruption (lower to middle Devonian), before the Acadian orogeny. The Sainte-Marguerite deposit, associated to the Acadian Sainte-Florence fault, is hosted by the Sainte-Marguerite bimodal volcanic rocks. Mineralization forms in 5 stages: (1) a calcite-chlorite stage; (2) a quartz-pyrite stage; (3) a quartz-sphalerite-galena-chalcopyrite ± arsenopyrite-adularia stage; (4) a quartz-arsenopyrite-pyrite-sphalerite stage and; (5) a quartz-carbonate stage. Stage 2 pyrite and quartz are recrystallized, indicating that sulfides formed early and were affected by Acadian metamorphism. Stage 2 pyrite and quartz were then cataclased and cemented by Stage 3 sphalerite, galena and chalcopyrite. Structural attitude of both Stage 3 and 4 veins is consistent with regional Acadian deformation during the middle to late Devonian (398 to 359 Ma), and suggests an epizonal orogenic affinity for Stage 3 and 4 mineralization, compatible with isotope and fluid inclusion data. δ18O, δ13C and microthermometric data in both deposits indicate that they were formed by infiltration of basinal brines at temperatures between 150 and 200°C. Lemieux Dome veins formed by mixing of the basinal brine with meteoric water. δ34S values and the lead isotope composition suggest that sulfur and metals were leached from surrounding sedimentary and volcanic rocks. Formation of both deposits in the Silurian-Devonian Gaspé Belt shows a mineral potential for pre-Acadian epithermal deposits, and for syn-Acadian epizonal orogenic deposits in other Silurian-Devonian rocks of the Appalachians.

Un glissement de terrain actif menace l’intégrité de l’unique chemin de fer qui relie la ville de Gaspé au reste du Québec. Il est impératif de comprendre les mécanismes qui contrôlent cette instabilité afin d’augmenter la sécurité de ce tronçon de la voie ferrée. Un système d’instrumentation du massif fût mis en place en 2009 pour caractériser le glissement, décrire son comportement cinétique, proposer des scénarios de rupture et évaluer le risque. Cette thèse de doctorat rassemble trois articles portant sur ces aspects. Ce document se veut aussi un moyen de partager les connaissances acquises sur l’instrumentation d’un massif rocheux, ainsi que la contribution de ces instruments à un système de prédiction d'un événement potentiellement dangereux. Le glissement de Gascons est une rupture dièdre asymétrique de 410 000 m³. Il glisse sur le litage de la formation sédimentaire de l’Anse-à-Pierre-Loiselle, une unité de transition composée majoritairement de calcilutite à nodules. Le glissement est divisé en blocs par l’étude des linéaments et des fractures. De plus, des surfaces de rupture intermédiaires sont reconnues. Le suivi in-situ couplé au suivi satellitaire mesure des déplacements variant de 6 à 111 mm/an selon les secteurs. L’interaction entre le glissement et les facteurs environnementaux, comme la présence d’eau, est complexe, mais bien présente. La nappe phréatique se situe généralement tout juste sous la surface de rupture dans la majorité du glissement, mais les précipitations et la fonte des neiges augmentent les pressions d’eau et le niveau équivalent de l’eau sous-terraine augmente au-dessus de la surface de rupture dans le secteur amont du glissement. Une analyse quantitative du risque est effectuée en adaptant la méthodologie proposée par Fell et al. (2005). Des scénarios de ruptures sont déterminés et l’effet domino d’une rupture partielle est étudiée avec un arbre d’évènements qui permet d’associer des probabilités relatives. La probabilité spatio-temporelle minimale sans prédiction est définie afin de caractériser le risque associé à un glissement actif sans prédire la rupture. Enfin, cette recherche contribue à améliorer la compréhension théorique des mécanismes associés au domaine de la post-rupture, par exemple le rôle de l’eau dans la progression d’une instabilité active. / An active rockslide threatens the integrity of the single railway connecting the town of Gaspé to the rest of Quebec. A better understanding of the mechanisms controlling this instability is needed to increase the safety of this section of the track. An instrumentation system was set up in 2009 to characterize the rockslide, describe its kinematic behaviour, propose failure scenarios and assess the risk. This thesis presents three papers covering these aspects. This document is also meant to share knowledge on the instrumentation of a very slow rockslide, and the contribution of these instruments to an early warning system of a potentially dangerous event. The Gascons slide is a 410 000 m³ asymmetrical wedge failure. It slides on the bedding of the sedimentary Formation of Anse-à-Pierre Loiselle, which is a transition unit mostly made up of nodulous calcilutite. The slide is divided into blocks by the study of lineaments and fractures and intermediate sliding surfaces are identified. In-situ monitoring, coupled with satellite monitoring, shows displacements varying from 6 to 111 mm/yr across different sectors. The slide is sensitive to environmental forces, such as groundwater level variations, but the interactions are complex. The water table is generally right below the sliding surface, but rainfall and snowmelt increase groundwater pressure, and the equivalent water level is then above the sliding surface in the uphill part of the slide. A quantitative risk analysis is carried out by adapting a methodology proposed by Fell et al. (2005). Failure scenarios are determined and the domino effect of a partial collapse event is evaluated by constructing an event tree, which enables the determination of relative probabilities. The concept of minimum temporal spatial probability without forecasting is defined to characterize the minimal risk associated with an active slide without predicting the rupture. Finally, this work contributes to improving the theoretical understanding of the mechanisms associated with the post-failure stage, for example the role of water in the progression of an active instability.

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Inscrite au Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures

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