La série de conférences en hydrogéologie

RÉSUMÉ

It is necessary to understand the presence, movement, and persistence of contaminants in aquifers in order to develop adequate protection plans for groundwater resources. Fractured bedrock aquifers with thin overburden cover are particularly sensitive to contamination, and little is known about transport processes from the ground surface to depth in this setting. This lecture will describe research undertaken at a field site in eastern Ontario to improve the understanding of agricultural impacts on water quality in a natural fractured bedrock aquifer with minimal overburden cover. The temporal and spatial variations of several contaminants and indicators (including nitrate and E. coli) were examined. Also, a unique infiltration tracer experiment was conducted to simulate the transport of solutes from the ground surface to wells. Results showed that the temporal variability of nitrate and E. coli concentrations is an important consideration for those drinking groundwater in this setting, as concentrations may be acceptable one month while unsuitable another month (or even another day for fecal bacteria). The infiltration tracer experiment illustrated that solute transport from the ground surface through thin soil to wells in fractured bedrock can be extremely rapid (on the order of hours). This is an important consideration for private and municipally-owned drinking water systems that draw water from shallow bedrock aquifers. Indeed, protecting water at the source is imperative to preserve water quality in sensitive fractured bedrock aquifers with minimal overburden cover.

RÉSUMÉ

L'océan côtier attire particulièrement mon attention car il joue en effet un rôle prépondérant sur les cycles biogéochimiques globaux. En effet, c’est une zone qui est non seulement soumise à d’importants apports continentaux à l’origine d’une forte production biologique, mais qui est aussi directement soumis aux perturbations anthropiques. Entre continent et océan, on considère souvent les fleuves comme la principale voix d’échange de carbone, de nutriments, ou de divers contaminants organiques ou inorganiques. Cependant, il existe une autre source d'apports plus diffuse et commune en domaine littoral: les décharges d’eau souterraine. Ces décharges, qui se font par suintement, connectent directement les aquifères côtiers à l’océan via de véritables estuaires souterrains invisibles. Elles sont une voix de transport et de transformation pour le carbone, les nutriments et les contaminants encore négligée et mal évaluée, particulièrement dans les régions nordiques.

Quels sont les processus biogéochimiques mis en place dans ces zones de mélanges invisibles? Comment quantifier les échanges souterrains entre continent et océan? Comment prédire le devenir de ces échanges et leurs impacts sur la santé des écosystèmes adjacents dans la perspective des changements globaux? Telles sont les questions que j’aborde dans le cadre de la Chaire de recherche.

RÉSUMÉ

Rapid warming and thawing of continuous and discontinuous permafrost is an important component of changes being observed in cold-regions hydrology. Although difficult to observe and measure, subsurface freezing and thawing involve complex feedbacks between the frozen subsurface, groundwater, and surface flow systems. A new numerical groundwater model, SUTRA 3.0, was developed to try and elucidate some of these processes. This code, based on the U.S. Geological Survey SUTRA model for coupled groundwater flow and heat transport, simulates freezing and melting of groundwater, including proportional heat capacity and thermal conductivity of water and ice, decreasing permeability due to ice formation, and latent heat effects. The model code is verified by correctly simulating an analytical solution for ice formation and matching field data from a northern peatland. A Tothian-type hillslope model is used to show the potential influence of groundwater flow in accelerating the rate of permafrost melting.

RÉSUMÉ

Des relevés effectués par la Commission géologique du Canada ont confirmé les observations antérieures de concentrations élevées en fluorure (F-) et en bore (B) dans les eaux souterraines de la région du Lac Saint-Martin, à 250 km au nord de Winnipeg. En concentration élevée dans l’eau potable, le F- peut causer des maladies hydriques comme la fluorose dentaire, ou dans les cas extrêmes, la fluorose squelettique. Les concentrations de F- et de B sont fortement corrélées et atteignent 15.1 et 8.5 mg/L, respectivement. Toutes les analyses de F- excédant la limite permise de 1.5 mg/L proviennent de puits captant des aquifères à l’intérieur de l’astroblème du Lac Saint-Martin. Ce cratère de 23 km de diamètre forme le sous-sol d’une grande partie de la région étudiée mais ne présente aucune expression en surface. Les eaux élevées en F- peuvent être groupées en deux selon leurs compositions géochimiques et isotopiques. Les eaux du premier groupe sont caractérisées par une composition Na-HCO3-SO4-Cl, avec concentration en chlorure (Cl-) de plus de 100 mg/L et une composition isotopique appauvrie en 18O indiquant une origine lors de conditions climatiques froides. Les échantillons de ce groupe démontrent une distribution spatiale fortement reliée à la morphologie du cratère, étant disposés en arc sur son rebord sud. Les eaux du second groupe sont caractérisées par une composition Na-HCO3-SO4, avec peu de Cl- et une composition isotopique moins appauvrie en 18O. Les échantillons de ce groupe représentent des eaux souterraines rechargées localement, sur une basse crête à l’intérieur de l’astroblème. Utilisant des traceurs géochimiques (Cl- et Br-) et isotopiques (18O), la source probable de F- est identifiée comme étant les nodules phosphatées que renferment les schistes argileux de la Formation de Winnipeg. Dans la région étudiée, cette couche clastique basale du basin sédimentaire de l’ouest canadien se retrouve à peu de profondeur grâce à un soulèvement du socle de plus de 200 m causé par l’impacte météoritique. Ailleurs dans le sud-est du Manitoba, la Formation de Winnipeg constitue un aquifère important, contenant des eaux non-calcaires avec, localement, des concentrations élevées en F-. Ainsi, les eaux souterraines du premier groupe sont interprétées comme des eaux anciennes provenant de la Formation de Winnipeg là où elle se bute contre les dépôts remplissant le cratère. Les eaux du deuxième groupe sont interprétées comme des eaux modernes, rechargées à l’intérieur de l’astroblème et déplaçant des eaux du premier groupe. En conclusion, les concentrations élevées en F- et en B sont la signature géochimique du rejaillissement local d’un aquifère régional profond. Cette zone de décharge, insoupçonnée jusqu’à présent, est située là où l’aquifère s’approche de la surface dans la ceinture de soulèvement structural entourant le cratère.