La carbonatation minérale dans les résidus miniers est un moyen sûr et permanent de séquestrer le CO2 atmosphérique. C’est un processus naturel et passif qui ne nécessite aucun traitement particulier et donc avantageux d’un point de vue économique. Bien que la quantité de CO2 qu’il soit possible de séquestrer selon ce processus est faible à l’échelle globale, dans le cadre d’un marché du carbone, les entreprises minières pourraient obtenir des crédits et ainsi revaloriser leurs résidus. À l’heure actuelle, il y a peu d’informations pour quantifier le potentiel de séquestration du CO2 de façon naturelle et passive dans les piles de résidus miniers. Il est donc nécessaire d’étudier le phénomène pour comprendre comment évolue la réaction à travers le temps et estimer la quantité de CO2 qui peut être séquestrée naturellement dans les piles de résidus. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés aux résidus miniers de Thetford Mines (Québec, Canada), avec une approche principalement expérimentale en laboratoire. Ces travaux ont permis d’améliorer la compréhension du processus de carbonatation, mais ils nécessitent une validation à plus grande échelle sous des conditions atmosphériques réelles. L’objectif général de cette étude est de quantifier le processus de carbonatation minérale des résidus miniers sous des conditions naturelles, afin d’estimer la quantité de CO2 pouvant être piégée par ce processus. La méthodologie utilisée repose sur la construction de deux parcelles expérimentales de résidus miniers situées dans l’enceinte de la mine Black Lake (Thetford Mines). Les résidus miniers sont principalement constitués de grains et de fibres de chrysotile et lizardite mal triés, avec de petites quantités d’antigorite, de brucite et de magnétite. Des observations spatiales et temporelles ont été effectuées dans les parcelles concernant la composition et la pression des gaz, la température des résidus, la teneur en eau volumique, la composition minérale des résidus ainsi que la chimie de l’eau des précipitations et des lixiviats provenant des parcelles. Ces travaux ont permis d’observer un appauvrissement notable du CO2 dans les gaz des parcelles (< 50 ppm) ainsi que la précipitation d’hydromagnésite dans les résidus, ce qui suggère que la carbonatation minérale naturelle et passive est un processus potentiellement important dans les résidus miniers. Après 4 ans d’observations, le taux de séquestration du CO2 dans les parcelles expérimentales a été estimé entre 3,5 et 4 kg/m3/an. Ces observations ont permis de développer un modèle conceptuel de la carbonatation minérale naturelle et passive dans les parcelles expérimentales. Dans ce modèle conceptuel, le CO2 atmosphérique (~ 400 ppm) se dissout dans l'eau hygroscopique contenue dans les parcelles, où l'altération des silicates de magnésium forme des carbonates de magnésium. La saturation en eau dans les cellules est relativement stable dans le temps et varie entre 0,4 et 0,65, ce qui est plus élevé que les valeurs de saturation optimales proposées dans la littérature, réduisant ainsi le transport de CO2 dans la zone non saturée. Les concentrations de CO2 en phase gazeuse, ainsi que des mesures de la vitesse d'écoulement du gaz dans les cellules suggèrent que la réaction est plus active près de la surface et que la diffusion du CO2 est le mécanisme de transport dominant dans les résidus. Un modèle numérique a été utilisé pour simuler ces processus couplés et valider le modèle conceptuel avec les observations de terrain. Le modèle de transport réactif multiphase et multicomposant MIN3P a été utilisé pour réaliser des simulations en 1D qui comprennent l'infiltration d'eau à travers le milieu partiellement saturé, la diffusion du gaz, et le transport de masse réactif par advection et dispersion. Même si les écoulements et le contenu du lixivat simulés sont assez proches des observations de terrain, le taux de séquestration simulé est 22 fois plus faible que celui mesuré. Dans les simulations, les carbonates précipitent principalement dans la partie supérieure de la parcelle, près de la surface, alors qu’ils ont été observés dans toute la parcelle. Cette différence importante pourrait être expliquée par un apport insuffisant de CO2 dans la parcelle, qui serait le facteur limitant la carbonatation. En effet, l’advection des gaz n’a pas été considérée dans les simulations et seule la diffusion moléculaire a été simulée. En effet, la mobilité des gaz engendrée par les fluctuations de pression barométrique et l’infiltration de l’eau, ainsi que l’effet du vent doivent jouer un rôle conséquent pour alimenter les parcelles en CO2. / Mineral carbonation in ultramafic mining wastes is a safe and permanent way to sequester atmospheric CO2. This process can occur naturally and passively, and does not require special treatment, which is interesting from an economical point of view. In the context of a carbon market, mining companies could obtain carbon credits and profit financially and environmentally from their residues. However, there is currently insufficient information to accurately assess the potential for natural and passive CO2 sequestration in mining waste piles. It is therefore necessary to study the phenomenon to understand how the reaction evolves over time and estimate the amount of CO2 that can be naturally sequestered in these structures. Several research studies have focused on the ultramafic milling wastes at Thetford Mines (Quebec, Canada), and have particularly focused on laboratory experiments. The results have improved our understanding of the mineral carbonation process in milling waste, but they need to be tested at larger scales and under real atmospheric conditions. The general objective of this study is to quantify the mineral carbonation process in mining waste under natural conditions, and to estimate the amount of CO2 that can be trapped by this process. The methodology is based on the construction of two experimental cells of milling waste located at the Black Lake mine (Thetford Mines). The magnesium-rich milling wastes mainly consist of poorly sorted grains and fibers of lizardite and chrysotile, with smaller amounts of antigorite, brucite and magnetite. Spatial and temporal observations were made in the cells, including measurements of the composition and pressure of gas, soil temperature, volumetric water content, waste mineralogy as well as water chemistry of rain and of the cell leachate. The observations showed evidence of a significant depletion of CO2 gas concentrations (< 50 ppm) and precipitation of hydromagnesite in the milling waste, suggesting that natural and passive mineral carbonation is a potentially important process in milling wastes. After four years of observations, the CO2 sequestration rates in the experimental cells were estimated at between 3.5 and 4 kg/m3/year. These observations have led to the development of a conceptual model of natural and passive mineral carbonation at the cell scale. In this conceptual model, atmospheric CO2 (~ 400 ppm) dissolves in the hygroscopic water contained in the cells where the weathering of magnesium silicates forms magnesium carbonates. Water saturation in the cells was relatively stable over time and varied between 0.4 and 0.65, which is higher than optimal saturation values proposed in the literature, reducing CO2 transport in the unsaturated zone. Gas-phase CO2 concentrations along with gas flow rate measurements in the cells suggest that the reaction is most active close to the surface and that diffusion of CO2 is the dominant transport mechanism in the wastes. Although the carbonation reaction is exothermic, no evidence of thermal convection has been observed in the experimental cells. A numerical model was used to simulate the identified coupled processes and to validate the conceptual model with field observations. The numerical model MIN3P, for multiphase and multi-component reactive transport problems, was used to complete 1D simulations which included water infiltration through the partially-saturated column, gas diffusion, and advective-dispersive reactive mass transport. Although the calibrated moisture content and leachate composition were quite close to field observations, the simulated sequestration rate is 22 times lower than the measured rate. The simulation results also suggested that carbonates would precipitate mainly near the surface whereas field observations suggest that mineral carbonation had occurred throughout the vertical profile. This significant difference could be explained by an insufficient supply of CO2 in the simulated cells, which is the limiting factor for mineral carbonation, suggesting that gas advection, which was not considered in the simulations, could have been important. It is concluded that gas mobility generated by barometric pressure fluctuations and water infiltration, as well as wind effects, likely played a significant role for CO2 supply within the cells and should be considered in future simulations.

Des données de terrain et des études de modélisation ont montré que la recharge d'eau de fonte sous les calottes glaciaires peut avoir un impact important et durable sur l'écoulement des eaux souterraines. En Estonie, au nord du Bassin Artésien Balte (BAB), ce mécanisme de recharge est invoqué pour expliquer la présence d’importants volumes d'eaux souterraines marquées par un signal isotopique et géochimique glaciaire caractéristique, étant donné que la région a connu plusieurs glaciations durant le Pléistocène et a été entièrement recouverte par la calotte Fennoscandienne au cours du Dernier Maximum Glaciaire (DMG), il y a 20000 ans environ. Cette étude vise à tester cette hypothèse à l’aide de simulations numériques. En premier lieu, une étude conceptuelle a été effectuée pour déterminer quels processus sous-glaciaires doivent être représentés dans un modèle numérique qui reproduise adéquatement les écoulements souterrains et le transport de solutés. Les processus suivants ont été étudiés: la recharge sous-glaciaire d'eau de fonte, la déformation poroélastique du milieu poreux sous le poids de la glace, l’isostasie, l’évolution du drainage en surface, le permafrost et les écoulements densitaires impliquant des eaux douces de fonte et des saumures profondes. Ces processus ont été simulés dans un modèle représentant un bassin sédimentaire conceptuel, au cours d'un épisode glaciaire suivi d'une période postglaciaire. Le transport de trois traceurs d’eau glaciaire a été simulé: δ18O, solides dissouts et âge de l’eau. Les résultats montrent que la simulation de la recharge sous-glaciaire avec une condition-limite de type 1 (Dirichlet) n'est pertinente que pour des flux de faible amplitude, ce qui pourrait être le cas sous des calottes glaciaires dont la base n’est que partiellement en fusion. La compression de la matrice rocheuse diminue les surpressions, qui apparaissent uniquement dans les couches à faible diffusivité hydraulique et épaisses. Si la recharge sous-glaciaire est faible, la compression de la matrice rocheuse peut entraîner des sous-pressions après le retrait de la calotte glaciaire. L’isostasie réduit considérablement l'infiltration d'eau de fonte et les écoulements d'eau souterraine. Sous la couche de pergélisol, l'écoulement des eaux souterraines est réduit en-dessous de la calotte glaciaire mais augmente en région périglaciaire. Tenir compte des variations de densité en lien avec la salinité diminue l'infiltration d'eau de fonte en profondeur. Cette étude montre que chaque processus sous-glaciaire est potentiellement important et devrait être pris en compte dans des modèles d’écoulement des eaux souterraines et de transport de solutés en milieu sous-glaciaire. Cependant, il est raisonnable de ne représenter que la recharge sous-glaciaire si les informations manquent pour décrire correctement les autres processus. Par conséquent, ce seul processus a été simulé pour reproduire les écoulements d'eau souterraine sous la calotte Fennoscandienne dans le BAB. Les simulations ont été réalisées dans deux modèles 2D verticaux, afin de vérifier si la recharge sous-glaciaire d’eau de fonte peut expliquer la distribution particulière de δ18O (un traceur d’eau de fonte) dans les eaux souterraines de la région. L’un recoupe l’Estonie, l’autre la Lettonie et les îles estoniennes dans le Golfe de Riga. L'écoulement des eaux souterraines est simulé durant 28000 ans, depuis le DGM jusqu’à aujourd’hui, de même que le transport de δ18O pour tracer l'eau de fonte et confronter les résultats des simulations avec les données de terrain. L'espace d’incertitude de certains paramètres a été exploré, comme l’intensité et la durée de la recharge sous-glaciaire, ainsi que la composition isotopique initiale de l'eau de fonte. Les simulations fournissent un ajustement satisfaisant entre les valeurs observées et calculées de δ18O, confirmant l’hypothèse que le BAB a subi une phase de recharge sous-glaciaire durant le DMG. Elles montrent que la recharge sous-glaciaire a créé une inversion de l'écoulement des eaux souterraines dans le bassin. L’eau de fonte a infiltré tous les aquifères, en particulier les aquifères non confinés. Après le retrait de la calotte Fennoscandienne, l'eau de fonte a été entièrement remplacée par de l'eau météorique moderne, excepté dans les aquifères confinés où de l’eau de fonte a été préservée à proximité des zones de décharge. Par ailleurs, d’importants volumes d'eau de fonte sont probablement préservés sous la mer Baltique. Les simulations indiquent enfin que des épisodes de recharge sous-glaciaire antérieurs au DGM doivent être considérés afin d'expliquer les valeurs de δ18O dans la partie plus profonde du bassin. / Field evidence and modelling studies have shown that subglacial recharge of meltwater under wet-based ice-sheets can have a significant and long-lasting impact on groundwater flow. In the northern Baltic Artesian Basin (BAB), in Estonia, this mechanism of recharge is thought to be responsible of the presence of large volumes of groundwater with a characteristic glacial isotopic and geochemical signal, because the region experienced several glaciations during the Pleistocene and was entirely covered by the Fennoscandian ice-sheet during the Last Glacial Maximum (LGM), some 20 ky BP. The present study aims at testing this hypothesis by means of numerical simulations. First, a conceptual numerical study was performed to determine which glacial and subglacial processes need to be represented in numerical models for adequately capturing subglacial groundwater flow dynamics and solute transport. The relevance of the following processes was studied: subglacial recharge of meltwater, poroelastic deformation of the porous medium under ice-sheet loading, isostasy, evolution of surface drainage, permafrost, and density-dependent flow involving fresh glacial meltwater and deep brines. Simulations of these processes were conducted in a generic sedimentary basin during a single glacial event followed by a postglacial period. The transport of three common tracers of subglacial recharge was simulated: δ18O, TDS, and groundwater age. Results show that simulating subglacial recharge with a fixed flux boundary condition is relevant only for low fluxes, which could be the case under partially wet-based ice-sheets. Glacial loading decreases overpressures, which appear only in thick and low hydraulic diffusivity layers. If subglacial recharge is low, glacial loading can lead to underpressures after the retreat of the ice-sheet. Isostasy considerably reduces the infiltration of meltwater and the groundwater flow rates. Below permafrost, groundwater flow is reduced under the ice-sheet but is enhanced beyond the ice-sheet front. Accounting for salinity-dependent density reduces the infiltration of meltwater at depth. This study shows that each glacial process is potentially relevant in models of subglacial groundwater flow and solute transport. However, representing only subglacial recharge can be a reasonable assumption if information is missing to describe the other processes properly. Therefore, this single process is simulated to reproduce groundwater flow beneath the Fennoscandian ice-sheet in the northern BAB. Simulations are performed in two cross-sectional models, in order to check whether subglacial recharge of meltwater can explain the unusual distribution of δ18O in groundwater in the region, which serves as a tracer of glacial meltwater. One model crosses Estonia, the other crosses Latvia and Estonian islands in the Gulf of Riga. Groundwater flow is simulated over 28 ky, from the Last Glacial Maximum (LGM) to present-day, along with δ18O transport for tracing meltwater and to compare the results of the simulations with field data. Parameter space exploration of subglacial recharge conditions is used to tackle the uncertainty in the intensity and duration of subglacial recharge in the northern BAB, as well as in the isotopic composition of meltwater. Simulations provide a satisfying fit between the observed and the computed values of δ18O, supporting the idea that subglacial recharge happened in the northern BAB during the LGM. Simulations show that subglacial recharge created a flow reversal in the basin. Meltwater infiltrated into all aquifers, especially the shallow ones. After the retreat of the Fennoscandian ice-sheet, meltwater was entirely replaced by modern meteoric water, excepted in confined aquifers where some meltwater has been preserved close to the discharge areas. Large volumes of meltwater are also probably preserved beneath the Baltic Sea. Simulations also indicate that episodes of subglacial recharge prior to the LGM must be considered in order to explain the values of δ18O in the deeper basin.

La vallée du Saint-Laurent est caractérisée par la présence d’argiles marines post-glaciaires susceptibles aux glissements de terrain. Un des facteurs responsables pour le développement des glissements de terrain est l’augmentation des pressions interstitielles dû à l’infiltration importante de l’eau dans le sol, ce qui réduit la contrainte effective du sol. Cette étude vise à comprendre la réponse des pressions interstitielles aux événements climatiques dans les dépôts argileux, ce qui permettra une meilleure compréhension des mécanismes qui entrainent les glissements de terrain et permettra d’aider à réduire leur impact. Le site d’étude est un terrain plat situé à Sainte-Anne-de-la-Pérade. La stratigraphie est caractérisée par la présence de deux couches argileuses, en alternance avec des couches de sable et de silt. Le site a été instrumenté à haute résolution spatiale et temporelle afin d’obtenir les données des conditions climatiques et les conditions hydrogéologiques et géotechniques du sol. Des essais ont aussi été réalisés en laboratoire et sur le terrain afin d’obtenir les propriétés géotechniques et hydrodynamiques des différentes couches de sol. Puis, une compensation barométrique par régression linéaire été appliquée pour les données de pressions interstitielles. Les résultats obtenus ont permis de réaliser des simulations afin de tenter de reproduire les données du site d’étude. L’interprétation des résultats a permis d’établir en premier lieu l’effet du climat sur l’infiltration de l’eau, qui dépend des précipitations, de la température et du gel du sol. Puis, les mécanismes responsables des variations de pressions interstitielles ont été identifiés, soit le climat, les propriétés des couches de sol ainsi que la rivière Sainte-Anne à proximité. L’interprétation des données et des simulations a permis de produire un modèle conceptuel représentant l’écoulement de l’eau souterraine. Finalement, le potentiel de glissement de terrain a été évalué pour le site et a été jugé faible dans les conditions actuelles. / The St-Lawrence Valley is characterized by thick and extensive post-glacial marine clay deposits that are susceptible to landslides. One important factor responsible for landslide development is the important pore water pressure increase due to the significant infiltration of water into the soil, which reduces the effective strength in the soil. This study aims at understanding pore pressure response to climatic events in clay deposits which will lead to a better knowledge of the mechanisms that trigger landslides and could help to reduce their impact. The study site is a flat terrain located in Ste-Anne-de-la-Pérade. The stratigraphy is characterized by two clay layers, alternating with sand and silt layers. The study relies on high resolution spatial and temporal meteorological, geotechnical and hydrogeological observations. Laboratory tests on samples from the site and field investigations were done in order to measure the geotechnical and hydraulic properties of the soils. Barometric compensation by linear regression was also applied on pore pressure data. The results obtained allowed us to realise simulation in order to try to reproduce the study site data. The interpretation of the results firstly established the effect of the climate on the infiltration of water, which depends on precipitation, temperature and freezing of the soil. Then, the mechanisms responsible for variations in pore pressures were identified, which are the climate, the properties of the soil layers and the nearby Ste-Anne River. Interpreting data and simulations led to a conceptual model representing the flow of groundwater. Finally, landslide potential was assessed for the site and was considered low under current conditions.

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 / 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 5x10-6 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).

Dans l’optique de réhabiliter les eaux souterraines d’un site contaminé par des hydrocarbures incluant le benzène, le toluène et le xylène (BTX), une méthode efficace qui est souvent utilisée afin de stimuler la biodégradation des BTX est l’injection de persulfate de sodium (Na2S2O8). Cette oxydation chimique in situ (ISCO) permet d’éliminer l’essentiel de la masse contaminée, par réaction avec le persulfate (S2O8 2-). Le reste de la masse est ensuite éliminée par augmentation de la biorestauration (EBR), puisque le BTX restant réagit avec le sulfate produit de la réaction d’oxydation chimique. Cette méthode de traitement séquentiel a notamment été utilisée lors d’un essai-terrain à Borden, en Ontario, dans le cadre d’un projet RDC-CRSNG entre 2010-2015. Sur le terrain, la méthode de suivi habituelle de l’efficacité d’une technique de réhabilitation est la mesure des concentrations. Toutefois, la diminution des concentrations peut être attribuée à plusieurs effets tels que la complexité d’une zone source (phase libre), l’écoulement transitoire de l’eau souterraine, les hétérogénéités du milieu poreux ainsi que la dispersion hydrodynamique. La séparation des processus responsables de la diminution de masse n’est pas facile à évaluer sur le terrain. Pour analyser les changements de zones oxydo-réductrices, l’analyse isotopique δ13C et δ2H – méthode précise pour situer les réactions – peut être utilisée. Afin de mieux comprendre le comportement des signatures sous conditions variables, et d’identifier les limitations de l’approche, la méthodologie doit être testée en conditions de contrôle. À Borden, ce fractionnement isotopique n’avait pas encore été simulé. Les simulations numériques à l’aide du modèle BIONAPL/3D sont réalisées afin de reproduire l’essai-terrain de Borden, l’objectif étant de mieux comprendre le cheminement de dégradation des hydrocarbures en eau souterraine. Les compositions isotopiques permettent de conclure quant aux différents processus responsables de la dégradation des BTX. Toutefois, ces compositions ne permettent pas de quantifier la masse dégradée. / An emerging strategy for the remediation of contaminated sites is the integration of different treatment technologies. One example of a synergistic sequential treatment system is to use persulfate, a strong chemical oxidant (ChemOx), to target the bulk of the contaminant mass in the high concentration zones and then allow the produced sulfate to enhance biodegradation of the remaining mass. The design and subsequent performance of this combined remedy depends on the development of an enhanced bio-remediation (EBR) zone from the initial ChemOx zone. To provide insight into the development of these two dynamic mass removal zones, the isotopic fractionation signatures of representative petroleum hydrocarbons were simulated using the BIONAPL/3D model, which includes groundwater flow and multi–component reactive transport. This model was used to simulate a pilot-scale experiment conducted at the Canadian Forces Base Borden where persulfate was injected into a controlled-release plume of dissolved BTX components (benzene, toluene and xylene). Isotopic signatures of δ13C and δ2H were used to identify redox reactions, and to provide insight into hydrocarbon degradation pathways including aerobic biodegradation, chemical oxidation by persulfate, and anaerobic biodegradation by microbial sulfate reduction. Isotopic fractionation of C and H was included by associating the fractionation factors with the maximum substrate utilization rates. Simulated isotopic signatures agree reasonably well with the observed isotope ratios, showing increasing shifts of δ13C and δ2H over time in the remaining dissolved BTX. Spatially distinct redox zones, which are also affected by advection and dispersion, were identifiable from the simulated isotope ratios. The simulation results show that mass loss was dominated by chemical oxidation followed by sulfate EBR. The modelling tool and approach will be useful for application at other sites to support the design of persulfate/EBR sequential treatment systems, and to investigate the role of engineering controls on system behavior.

Le Nunavik est peuplé de communautés s'approvisionnant majoritairement en eau de surface. Plusieurs contraintes, telles que les coûts de traitement et le tarissement des sources en hiver, motivent la recherche d'une alternative, soit l’approvisionnement en eau souterraine. Or, la disponibilité de l’eau souterraine en région nordique est limitée en raison de la présence du pergélisol. De plus, l’exploitation durable des eaux souterraines en région nordique reste à démontrer puisque les processus de recharge des nappes phréatiques ainsi que la dynamique d’écoulement des eaux souterraines sont différents de ceux observés en région tempérée. L’objectif principal du projet est d’évaluer la disponibilité des eaux souterraines en région froide pour l’approvisionnement en eau potable d’une communauté nordique. Pour ce faire, le bilan hydrologique d’un petit bassin versant de 2,1 km2 situé dans la vallée Tasiapik, près de la communauté d’Umiujaq (Nunavik), a été réalisé entre le 1er juillet 2014 et le 1er juillet 2015. Les précipitations totales ont été évaluées à partir des données d’environnement Canada pour une somme de 520 mm. Les évapotranspirations potentielles et réelles ont été calculées à l’aide des équations d’Hydro-Québec (Bisson et Roberge, 1983) et de Budyko (1974) pour des valeurs respectives de 330 mm et 192 mm. L’installation d’un canal jaugeur dans le cours d’eau principal a permis d’évaluer la décharge à l’exutoire de 280 mm. L’emmagasinement dans les réservoirs de surface et souterrain a été estimé en fermant le bilan hydrologique de surface et représente une lame d’eau équivalente de 48 mm. La recharge des eaux souterraines a été caractérisée selon la méthode de Darcy par l’instrumentation de quatre sites recouverts par une végétation différente. Ainsi, la recharge moyenne sur l’ensemble du bassin versant représente 207 mm, ce qui correspond à environ 40% des précipitations totales. Par ailleurs, le bassin versant connait un épisode de recharge par année, à l’instar des deux épisodes normalement observés au Québec méridional. La raison derrière ce phénomène est d’abord reliée à un été plus court et à la fonte tardive de la neige engendrée par le type de végétation. Ensuite, le débit de base est estimé par la séparation d’hydrogramme. La moyenne du débit de base calculé prend une valeur de 193 mm. Ce résultat correspond à un pourcentage du débit total d’environ 69%, ce qui est caractéristique des régions sans pergélisol. Ce résultat n’est toutefois pas surprenant en considérant que le pergélisol est peu présent dans le bassin versant et se retrouve exclusivement sous forme de buttes isolées. De ce fait, son impact sur les écoulements souterrains est limité, sans compter sur le fait qu’il est présent dans une couche de silt qui est peu perméable, même en absence de pergélisol. Par ailleurs, la décharge à l'exutoire est influencée par les eaux souterraines provenant d'autres bassins versants, ce qui explique en partie la valeur élevée obtenue. Le transfert d’eau souterraine entre bassins versants, qui est obtenu en fermant le bilan hydrologique, correspond à un apport d’eau de 34 mm provenant des bassins versants adjacents. Cette estimation semble cohérente avec les caractéristiques du site d’étude. En effet, ce dernier est situé dans une vallée entourée notamment d’une cuesta et d’une colline possédant toutes deux un relief important. Ces caractéristiques font en sorte que la ligne de partage des eaux souterraines est significativement plus étendue que celle de surface. La décharge des eaux souterraines permet également d’estimer la quantité d’eau pouvant être utilisée dans une optique de développement durable. La lame d’eau équivalente à ce paramètre possède une valeur de 193 mm, ce qui représente 405 300 000 litres d’eau. Le bassin versant contient donc suffisamment de cette ressource pour subvenir au besoin du village puisque la communauté utilise environ 18 370 450 litres d’eau par année, soit 4,5% de la ressource disponible. Les campagnes de terrain ont aussi permis la prise d’échantillons afin d’analyser la chimie de l’eau. Ces résultats ont ensuite été comparés aux concentrations maximales acceptables pour l’eau potable provenant du Règlement sur la qualité de l’eau potable du gouvernement du Québec (MDDELCC, 2016) et aux objectifs esthétiques de Santé Canada (2016). La conclusion qui en découle est que l’eau est potable, mais qu’elle dépasse la limite en ce qui a trait au manganèse, ce qui n’est pas un problème, puisque cet élément est surtout nuisible à la lessive et pour les équipements de plomberie. Toutefois, quelques paramètres physico-chimiques n’ont pas été analysés et un examen approfondi des normes bactériologiques est nécessaire pour se prononcer avec certitude sur la potabilité de l’eau souterraine. / Nunavik’s communities rely mainly on surface water. Several constraints, such as treatment costs and drying-up in the winter, motivate the search for an alternative. The availability of groundwater in the northern region is limited, due to the presence of permafrost. Moreover, the sustainable exploitation of groundwater in the Nordic region remains to be demonstrated, as groundwater recharge processes and the dynamics of groundwater flows are different from those observed in temperate regions. The main objective of the project is to assess the availability of groundwater for drinking water supply of a northern community. The water budget of a 2.1 km2 watershed in the Tasiapik Valley near the Umiujaq community (Nunavik) was carried out between July 2014 and July 2015. The total precipitation was evaluated using environment Canada data’s for a sum of 520 mm. Potential and actual evapotranspiration were calculated using the Hydro-Québec equations (Bisson and Roberge, 1983) and Budyko (1974) for respective values of 330 mm and 192 mm. The installation of a gauging channel in the main stream made it possible to evaluate the discharge at the outlet for a total of 280 mm. Storage in surface and underground reservoirs were estimated by closing the surface water budget and represents 48 mm. Groundwater recharge was characterized according to the Darcy method by the instrumentation of four sites covered by different vegetation. Thus, the average recharges over the entire catchment area represents 207 mm, which corresponds to about 40% of the total precipitation. In addition, the watershed experiences one recharge episode per year, which is different from the two episodes normally observed in southern Québec. The reason behind this phenomenon is firstly related to a shorter summer and to the late melting of snow caused by the type of vegetation. Then, the base flow is estimated by the hydrograph separation technic. The average calculated flow rate correspond to an equivalent of water of 193 mm. This represents 69% of the total flow, which is characteristic of regions without permafrost. This result, however, is not surprising considering that permafrost is present in small quantity in the watershed and is found exclusively in the form of isolated mounds. As a result, its impact on underground flows is limited, not to mention the fact that it is present in a layer of silt that is poorly permeable, even in the absence of permafrost. On the other hand, discharge at the outlet is influenced by groundwater from other watersheds, which partly explains the high value obtained. The transfer of groundwater between catchments, which is obtained by closing the groundwater water budget, corresponds to a water supply of 34 mm coming from the adjacent catchments. This estimate seems consistent with the characteristics of the study site. Indeed, the latter is located in a valley surrounded by a cuesta and a hill both having an important relief. These characteristics mean that the groundwater watershed is larger than the surface watershed. Groundwater discharges can also be used to estimate the amount of water that can be used for sustainable development. The equivalent water of this parameter has a value of 193 mm, which represents 405 300 000 litres of water. The watershed therefore contains enough of this resource to meet the village's needs, since the community uses about 18,370,450 litres of water per year, or 4.5% of the available resource. The field campaigns also allowed the sampling in order to analyze the chemistry of water. These results were then compared with the maximum acceptable drinking water concentrations from the Government of Quebec's Drinking Water Quality Regulation (MDDELCC, 2016) and the aesthetic objectives of Health Canada (2016). The conclusion is that the water is drinkable, but that it exceeds the limit with respect to manganese, which is not a problem, since this element is mostly harmful to the laundry and for plumbing equipment. However, some elements have not been analyzed and a thorough examination of the bacteriological standards is necessary in order to determine with certainty the potability of this groundwater.

L'étude de l'écoulement, du transport de masse et des échanges isotopiques en milieu fracturé est nécessaire à la compréhension des gîtes minéraux d'affiliation hydrothermale. L'application du modèle de simulation numérique HydroSphère, intégrant le transport de masse par advection, diffusion, et dispersion hydrodynamique, ainsi que les échanges isotopiques, à l'écoulement tridimensionnel dans une matrice discrètement fracturée, permet d'approfondir les connaissances fondamentales sur ces sujets. Des simulations étudiant différentes configurations de fracture et conditions limites hydrogéologiques ont été faites. L'étude des patrons d'isoplèthes de O pour différents types de fractures et de systèmes fracturés ayant un degré croissant de complexité, révèle que les fractures dominent les mécanismes de transport et d'échange isotopique. C'est donc leur nombre, leur orientation, leurs propriétés hydrauliques et leur connectivité qui déterminent la forme des patrons d'isoplèthes modélisés. Il est possible d'interpréter certaines asymétries dans la géométrie des patrons d'isoplèthes pour déterminer la direction d'écoulement des fluides hydro thermaux. / An understanding of fluid flow, mass transport and isotopic exchange in fractured rock is required to understand the origin of hydrothermal deposits. The numerical model HydroSphere simulates advection, molecular diffusion, mechanical dispersion and isotopic exchange in a 3D discretely fractured media. HydroSphere was used to better understand the processes of transport and exchange in fractured rocks. Study of 18O isopleth patterns for different types of fractures and fracture networks with a range of complexity, shows that fracture properties and geometry control mass transport and isotopic exchange. The hydraulic properties, as well as the number, spacing and connectivity of fractures determine the isotopic patterns. Asymmetries in the geometry of isotopic patterns could be used to determine the direction of hydrothermal fluid flow.

Quatre intrusions, deux cheminées (NDN1 et BT44) situées au Témiscamingue et deux dykes (Torngat 1 et Torngat 2) provenant des Monts Torngat, ont été caractérisées par des études minéralogiques et géochimiques. Le potentiel diamantifère des corps a été évalué par la méthode des minéraux indicateurs. NDN1 est une brèche kimberlitique hétérolitique hypabyssale à spinelle et apatite. BT 44 est une brèche kimberlitique hétérolitique tuffissitique à pérovskite et apatite. Le dyke, Torngat 1 est un lamprophyre ultramafique (melnoïte) hypabyssal riche en phlogopite montrant des similitudes pétrographiques avec les orangéïtes. Torngat 2 est une aillikite, lamprophyre ultramafique hypabyssal à matrice carbonatée. Le potentiel diamantifère des intrusions est faible à nul. Les roches présentent des profils de terres rares et éléments traces typiques des roches ultramafiques alcalines telles que les kimberlites, les orangéïtes ou les lamprophyres ultramafiques, caractérisés par un fort enrichissement en terres rares légères (La : 76-308 ppm) et un fort fractionnement (La/Ybn > 100).

La sensibilité du lac Saint-Charles à l'eutrophisation a été démontrée. Des installations septiques sont soupçonnées de contribuer à son enrichissement en nutriments. La littérature révèle que certaines installations septiques âgées provoquent une contamination de la nappe, notamment en phosphore. Cette étude présente un modèle conceptuel de la contamination issue d’installations septiques basé sur la littérature et un portrait sommaire de l’hydrogéologie du bassin-versant du lac Saint-Charles. Des essais en colonnes ont été menés sur trois échantillons de sédiments récoltés dans la zone d’étude. Les résultats de ces essais suggèrent un épuisement éventuel des sites de rétention de phosphore et la libération de fortes concentrations de phosphore suite à l’introduction d’eau pure. La présence d’une zone oxydante augmente la quantité de phosphore retenue et diminue la réversibilité des mécanismes de rétention du phosphore. Les installations septiques contribuent probablement à l’eutrophisation du lac Saint-Charles, surtout lorsque leur conception ou utilisation ne favorisent pas l’oxydation de l’effluent. / The changes of Lac Saint-Charles toward eutrophication have been demonstrated. Septic systems are suspected to contribute to its enrichment in nutrients. Literature reveals that aged septic systems can lead to groundwater contamination, including release of phosphorus which is responsible for lacustrine eutrophication. This study presents a conceptual model of contamination from septic systems as described in the literature and a general description of the hydrogeology of lac Saint-Charles’ watershed. Column tests were carried out on three sediment samples from the study area. Results suggest an eventual exhaustion of retention sites and the release of important concentrations of phosphorus following the introduction of pure water. Presence of an oxidizing zone will increase the retention and diminish the reversibility of the phosphorus attenuation mechanism. Aged septic systems most probably contribute to lac Saint-Charles eutrophication, more importantly when their use or design do not favour effluent oxidation.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Dans le cadre du projet PACES III pour la région de Chaudière-Appalaches, situé au sud de la ville de Québec, au Canada, l'étude présente une analyse approfondie de l’influence des dynamiques d’écoulement sur la qualité des eaux souterraines dans un contexte régional. L’écoulement régional, le transport d’âge et l'impact d'une faille sur la qualité de l'eau souterraine sont étudiés par l’entremise de modèles numériques bidimensionels. La combinaison des connaissances hydrogéologiques physiques et chimiques, y compris une analyse des concentrations de ¹⁴C dans les eaux souterraines échantillonnées, a conduit à l’ébauche d'un modèle conceptuel de l’écoulement régional. Ce dernier est mis à l’essais pas l’entremise d’un modèle d'écoulement numérique suivant une ligne d’écoulement régionale dans le plan 2D vertical à l’aide du logiciel FLONET. Le modèle est d'abord calibré à l’aide d’une méthode semi-automatisé qui utilise le logiciel PEST en comparant les charges simulés à la piézométrie régionale, et est validé par la comparaison des flux simulés à la recharge. Bien que le modèle affiche l’existence d’un écoulement régional profond, la région à l’étude apparaît être dominée par des systèmes d'écoulements locaux à des échelles maximales d'environ 5 km, avec un écoulement significatif dans le roc fracturé peu profond. L’écoulement actif se limitant à une profondeur maximale de 40 m à 60 m du roc fracturé, confirme que la géochimie des eaux souterraines échantillonnées à partir de puits résidentiels est susceptible d'être affectée par les eaux faisant parti de l’écoulement intermédiaire et régional. Le transport advectif-dispersif de l'âge est ensuite simulé avec le simulateur de transport TR2 et comparé aux temps de déplacement advectifs le long des lignes d’écoulements et à l'âge ¹⁴C des eaux échantillonnées. Enfin, l’influence de la faille de la Rivière Jacques Cartier sur le contexte hydrogéologique régional est étudiée à travers divers scénarios hypothétiques de perméabilité de faille. / As part of the PACES III project in the Chaudière-Appalaches region, south of Quebec City, Quebec, Canada, the study herein presents insights into the extent to which regional groundwater quality is shaped by flow dynamics. In this context, 2D numerical modelling is used to simulate regional flow, transport of groundwater age and the possible influence of a fault on groundwater quality. Combining physical and chemical hydrogeological knowledge, including an analysis of ¹⁴C concentrations in sampled groundwater, leads to the development of a regional conceptual flow model. The conceptual model is tested by representing the system with a two-dimensional numerical flow model oriented in the vertical plane roughly south-north towards the St. Lawrence River using the FLONET code. The model is first calibrated to regional piezometry through a semi-automated workflow using PEST and is then validated with average recharge values. Although some evidence for deeper regional flow exists, the area appears to be dominated by local flow systems on maximum length scales of about 5 km, with significant flow through the shallow fractured sedimentary rock aquifer. This regional scale flow model is also supported by the local hydrogeochemical signatures. Active flow appears contained within the top 40 m to 60 m of the fractured bedrock, which confirms that the geochemical signatures of groundwater sampled from residential wells are likely affected by the slow moving waters of the intermediate and regional flow systems. Advective-dispersive transport of groundwater age is then simulated with the TR2 transport model and compared with advective travel times and sampled ¹⁴C water ages. Finally, the possible role of the Jacques-Cartier River fault on regional flow dynamics is investigated by testing various fault permeability configurations.