Géologie du Quaternaire
Le Quaternaire: beaucoup de glace, beaucoup d’eau et
beaucoup de sédiments!
La glaciation
Pendant la période du Quaternaire, de longues séquences de refroidissement ont favorisé la croissance de glaciers continentaux sur l’Amérique du Nord. Au cours de la dernière glaciation, il y a environ 21 000 ans, l’inlandsis Laurentidien recouvrait entièrement l’est du Canada jusqu’aux Rocheuses et une partie des États-Unis (Figure 5). Ce glacier avait une épaisseur pouvant atteindre 4 000 m en son centre, au voisinage de la Baie d’Hudson. Cette immense masse de glace a façonné le paysage par son action d’érosion et de transport de sédiments.
Figure 5. Extension de la calotte glaciaire
Les glaciers se déplaçaient sous l’effet de la gravité. Des débris de toutes tailles étaient incorporés à sa base, érodant la surface du sol, à la manière d’un papier sablé. D’autres fragments du socle rocheux étaient arrachés par l’action du gel et du dégel de l’eau sous le glacier. On distingue les sédiments glaciaires, déposés directement par la glace sur place ou aux marges du glacier (ex : moraines, tills), et les sédiments fluvioglaciaires redistribués par les eaux de fonte du glacier et déposés sur la plaine d’épandage (ex : eskers, kames).
Les dépôts meubles
Les dépôts meubles sont l’ensemble des sédiments qui recouvrent le socle rocheux. Ils proviennent généralement de l’érosion de la roche, mais aussi parfois de la matière organique ou des volcans. Les dépôts meubles possèdent généralement une porosité importante. Ils peuvent contenir entre 30 et 50% de leur volume en eau. L’aptitude de ces aquifères granulaires à laisser circuler l’eau dépend toutefois de la taille des pores et de leur interconnexion dans le matériau constituant les dépôts (Figure 8). Ainsi, plus les pores sont interconnectés, plus le milieu géologique est perméable et plus l’eau peut pénétrer et circuler facilement. La granulométrie des sédiments, c’est-à-dire la taille des grains, est importante en hydrogéologie car elle détermine la taille des pores. Plus les pores sont gros, plus ils sont interconnectés et plus l’aquifère de dépôts meubles est perméable. Inversement, plus les pores sont petits, moins ils sont interconnectés et moins les sédiments sont perméables.
Figure 8. Aquifère granulaire
Les dépôts meubles sont souvent représentés sur une carte montrant la répartition spatiale des dépôts présents en surface (ex: carte de la géologie du Quaternaire). Ceci ne permet pas de visualiser comment sont organisés les sédiments en profondeur. L’agencement stratigraphique avec la profondeur peut être connu à partir des forages qui constituent pour l’hydrogéologue des fenêtres indispensables pour « voir » ce qui se retrouve sous terre.
Épaisseur des dépôts meubles
L’épaisseur et les propriétés des dépôts meubles qui recouvrent le roc influencent l’écoulement de l’eau souterraine à l’échelle régionale. Lorsque les dépôts meubles sont grossiers (sables et graviers) et que leur épaisseur est suffisamment importante, ils constituent un aquifère granulaire potentiellement exploitable. Cependant, si les dépôts meubles sont fins (argile et silt; les mots glaise et limon sont aussi utilisés) et suffisamment épais, ils forment plutôt un aquitard. Les informations sur l’épaisseur des dépôts meubles peuvent aussi s’avérer utiles dans d’autres domaines que l’hydrogéologie comme la construction d’infrastructures et le transport.
Topographie du roc
La topographie du roc sert à identifier les dépressions (creux, vallées enfouies) importantes du roc où ont pu s’accumuler une grande quantité de dépôts meubles, lesquels peuvent avoir un potentiel aquifère intéressant si ces sédiments sont grossiers (sables et graviers).
La déglaciation
Les glaciers ont commencé à se retirer du Québec il y a environ 13 000 ans. Avec le poids gigantesque de la glace, la croûte terrestre s’est temporairement affaissée et la surface continentale s’est retrouvée par endroit sous le niveau de la mer. Lors de la fonte des glaciers, les Basses-Terres du Saint-Laurent, la région du Saguenay-Lac-Saint-Jean et les côtes de la Gaspésie et de la Côte-Nord ont ainsi été inondés, donnant naissance à la mer de Champlain, le Golfe de Laflamme (Figure 6) et la mer de Goldthwait. Ces dernières ont laissé derrière elles des dépôts marins d’eau profonde constitués d’argiles, ainsi que des sédiments littoraux constitués de sables fins. Ces sédiments ont recouvert les dépôts d’origine glaciaire. Ailleurs, les eaux de fonte se sont accumulées dans des lacs proglaciaires en marge des glaciers, comme le lac Ojibway en Abitibi-Témiscamingue. Ces lacs ont aussi laissé des argiles et des sables.
Figure 6. Extension maximale de la Mer de Champlain
Par la suite, les eaux de fonte du glacier ont redistribué ces matériaux sur la plaine d’épandage, façonnant différentes formes de dépôts fluvioglaciaires (Figure 7). En marge de ces plans d’eau, d’importants deltas se sont formés à l’embouchure des rivières charriant les eaux de fonte des glaciers, où des sédiments grossiers de type graveleux et sableux s’y sont accumulés.
Figure 7. Formes glaciaires et fluvioglaciaires
La croûte terrestre, libérée du poids de la glace, s’est ensuite mise à remonter, un phénomène appelé relèvement isostatique. Ce retour à l’équilibre s’accomplit depuis des milliers d’années et se poursuit encore aujourd’hui. Suite au relèvement isostatique, les invasions marines telles la mer de Champlain se sont finalement vidées par le fleuve Saint-Laurent.
Les principaux types de dépôts meubles
Les sédiments glaciaires
Les tills
Les tills forment un mélange de roches broyées dans une matrice fine et laissées en place lors du passage des glaciers. Ils résultent du transport par les glaciers de fragments arrachés au substrat rocheux et de dépôts meubles anciens. Ils sont constitués de grains de toutes tailles et sont communément peu perméables. Les tills dits « remaniés » font toutefois exception car les particules fines de leur matrice ont été lessivées par les eaux fluvio-glaciaires.
Tills
Moraine
Les moraines forment des crêtes de dépôts composés de till, de sédiments fluvioglaciaires (sables, graviers, blocs) ou d’un mélange des deux. Elles sont le résultat de l’accumulation des matériaux érodés par le glacier à son front (moraine frontale), sur ses côtés (moraine latérale) ou dans des crevasses (moraine de De Geer). Par exemple, la moraine frontale de Saint-Narcisse, formée lors d’une réavancée glaciaire, a laissé en place une très grande quantité de dépôts qui forment une crête à proximité de la limite entre le Bouclier canadien et les Basses-Terres-du-Saint-Laurent. Les moraines peuvent être perméables aux endroits où les grains fins ont été transportés plus en aval par l’eau de fonte.
Sables, graviers, blocs fluvioglaciaires
Les sédiments fluvioglaciaires
Esker
Un esker se présente en un cordon sinueux et allongé, constitué de sables et de graviers stratifiés et pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilomètres de long. Les eskers résultent du dépôt des sédiments dans des tunnels sous-glaciaires creusés par l’évacuation des eaux de fonte du glacier. Ces matériaux ont généralement une grande perméabilité et un potentiel aquifère important, et constituent des zones favorables à la recharge mais plus vulnérables aux contaminations.
Esker, Abitibi-Témiscamingue (en haut : vue en coupe ; en bas : vue d’en haut)
En complément: Portrait de l’esker aquifère Saint-Mathieu-Berry (SESAT)
Kames et kettles
Les kettles sont des dépressions en cuvette laissées dans un dépôt glaciaire ou fluvioglaciaire. Ils résultent de l’effondrement des sédiments suite à la fonte d’un gros bloc de glace emprisonné sous les dépôts de sable et gravier. Les sédiments ainsi déplacés forment alors une dépression à l’aspect d’entonnoir. On les retrouve souvent occupés par des lacs que l’on appelle alors « lacs de kettle », mais peuvent aussi être secs.
Lac de kettle (Metabetchouan, Lac St-Jean)
Les sédiments marins et glaciolacustres d’eau profonde
Argiles et silts
Le principal héritage des mers et lacs proglaciaires ayant inondé les terres suite à la fonte des glaciers est une épaisse couche d’argile marine (comme celle qui recouvre les Basses-Terres du Saint-Laurent) ou lacustre (comme celle qui recouvre l’Abitibi-Témiscamingue). Les argiles sont caractérisées par une très faible conductivité hydraulique malgré leur forte capacité d’emmagasinement de l’eau, ce qui leur confère la propriété d’aquitard. Elles forment donc une couche de protection contre l’infiltration des contaminants vers les eaux souterraines, mais ne constituent pas des zones de recharge préférentielles.
Dans le cas des argiles lacustres, on les retrouve souvent sous forme de rythmites, où les minces couches d’argiles s’alternent avec les couches de silts plus épaisses. Chacune de ces couches marque un processus de sédimentation lié au rythme des saisons. En effet les saisons influencent l’énergie des courants d’eau, et plus les courants sont forts (comme c’est le cas au printemps), plus ils peuvent transporter des sédiments grossiers, les particules les plus fines ne pouvant se déposer qu’en eau calme (comme c’est le cas l’hiver). Cette séquence de deux couches représentant la sédimentation d’une année porte alors le nom de varve. Les silts sont aussi peu perméables.
argiles
rythmites
Les sédiments d’eau peu profonde
Sables deltaïques et littoraux
Pendant et suite au retrait du glacier, les eaux de fonte généraient des débits très importants, charriant des tonnes de sédiments. Ces sédiments s’accumulaient ensuite dans les plans d’eau marine surélevés et temporaires tels la mer de Champlain, ou encore dans les lacs proglaciaires d’eau douce, faute de courant suffisant pour les garder en suspension, formant ainsi des deltas. Ces dépôts forment aujourd’hui de grands aquifères. Les sables littoraux sont des dépôts perméables qui ont été mis en place en bordure des plages de l’époque de la déglaciation avancée, en eau peu profonde, et peuvent aussi constituer de bons aquifères lorsqu’ils sont d’épaisseur suffisante.
Sables deltaïques, figures de courant (au centre)
LE PALÉO-DELTA DE LA SAINT-MAURICE :
SOURCE D’EAU POTABLE POUR DES MILLIERS DE PERSONNES
Pendant et suite au retrait du glacier, les eaux de fonte étaient canalisées dans la rivière Saint-Maurice qui devait alors avoir un débit dix fois supérieur à son débit actuel et charriait des tonnes de sédiments (silts, sables et graviers). Une fois parvenus dans les eaux calmes de la mer de Champlain, ces sédiments s’accumulaient, faute de courant suffisant pour les garder en suspension. Au fur et à mesure que la mer de Champlain s’est retirée, le front du delta s’est avancé vers le fleuve Saint-Laurent, alors que la rivière Saint-Maurice a érodé ses propres sédiments et les sédiments sous-jacents dans sa vallée principale. Ces dépôts très poreux se sont, par la suite, remplis avec les eaux provenant des précipitations et ils forment aujourd’hui le plus grand aquifère de la région.
Les sédiments éoliens
Les dunes
Mis à découvert par le retrait des glaces et des eaux, les dépôts de surface sont soumis à l’action des vents intenses qui peuvent remanier leur morphologie en forme de dunes. Ces dépôts éoliens peuvent constituer de bons aquifères.
Les sédiments alluviaux
Alluvions
Mis à découvert par le retrait des glaces et des eaux, les dépôts de surface sont soumis à l’action des vents intenses qui peuvent remanier leur morphologie en forme de dunes. Ces dépôts éoliens peuvent constituer de bons aquifères.
Alluvions (à gauche), Rivière Hall, Gaspésie (à droite)
Les sédiments (ou dépôts) organiques
Milieux humides
Les milieux humides sont définis comme l’ensemble des sites saturés d’eau ou inondés pendant une période suffisamment longue pour influencer la végétation et le substrat. Ces milieux peuvent jouer un rôle important dans le cycle hydrologique d’un bassin versant, notamment sur les processus de recharge et de décharge des eaux souterraines.
Au Québec, les milieux humides sont majoritairement constitués de tourbières. Les tourbières ont une couche inférieure (le catotelme) composée de matière organique décomposée peu perméable, alors que la couche supérieure (l’acrotelme) est composée de matière organique fraîche perméable.
Tourbière du Lac Rose, Centre-du-Québec