Groundwater plays an important role in a wide range of geologic processes. Sedimentary basins are heterogeneous, layered and faulted which strongly impacts regional groundwater flow. An important concern is how anthropogenic alterations such as groundwater or shale gas development affect these complex systems. Heterogeneities are likely to impact groundwater age and affect geologic processes that depend on groundwater or solute fluxes. They may also enhance long term contamination of shallow aquifers from the fracturing of the target shale unit, as contaminants may migrate from the shale to shallow aquifers through preferential pathways such as faults. We use numerical modelling to study the effect of a layered system on distribution of groundwater age in a regional groundwater basin and the impact of hydraulic fracturing in a generic faulted sedimentary basin on potential contamination of a shallow aquifer. First, we show that high age zones with predictable locations occur in layered geologic systems across a wide range of hydraulic gradients, basin geometries and permeabilities. The zones of older groundwater result from two mechanisms: low groundwater velocities in the low permeability layer; and the rejuvenation of the groundwater through mixing of different flow paths near discharge zones. Second, we show that hydraulic fracturing leads to the transport of contaminants along the fault and long-term contamination of a shallow aquifer in some specific, realistic cases. The location of the hydro-fractured zone relative to the fault zone and the top of the shale is the most critical factor controlling contaminant transport potential. / L'eau souterraine joue un rôle déterminant dans de nombreux processus géologiques. Les bassins sédimentaires comportent des hétérogénéités, des couches sédimentaires ainsi que des failles géologiques, qui ont un impact important sur l'écoulement régional de l'eau souterraine. Une question essentielle est de comprendre comment les altérations anthropiques, comme l'extraction d'eau souterraine ou de gaz de schiste, affectent ces systèmes complexes. Les hétérogénéités peuvent probablement avoir un impact sur l'âge de l'eau souterraine et affecter les processus géologiques qui dépendent des flux d'eau souterraine ou de solutés. Elles peuvent aussi favoriser la contamination à long terme des nappes phréatiques par la fracturation hydraulique d'une formation de schiste, en permettant aux contaminants de migrer du schiste vers les nappes phréatiques peu profondes le long de chemins préférentiels comme les failles géologiques. Nous modélisons l'écoulement régional d'eau souterraine afin d'étudier l'effet d'un système à couches multiples sur la distribution de l'âge de l'eau souterraine, ainsi que l'impact de la fracturation hydraulique sur la contamination potentielle d'une nappe phréatique superficielle par migration le long d'une faille géologique. Premièrement, nous montrons que des zones de grands âges, dont la localisation est prévisible, se forment dans des systèmes géologiques à couche multiples pour de nombreux gradients hydrauliques, géométries et perméabilités. La formation de zones comportant de l'eau souterraine est due aux faibles vitesses de l'eau souterraine dans la couche peu perméable, ainsi qu'au rajeunissement de l'eau souterraine par mixage d'eaux issues de différentes trajectoires à proximité des zones de décharge. Deuxièmement, nous montrons que la fracturation hydraulique entraine le transport de contaminants le long de la faille géologique et la contamination à long terme d'une nappe phréatique superficielle dans certains cas réalistes. La localisation de la zone de fracturation par rapport à la faille géologique et à l'interface supérieure de la formation de schiste sont des facteurs critiques qui contrôlent le potentiel de transport de contaminants.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119745 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Gassiat, Claire |
| Contributors | Thomas Gleeson (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Civil Engineering & Applied Mechanics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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