Étude des facteurs influençant le rendement des puits d alimentation de particuliers qui exploitent le roc fracturé en Outaouais, Québec, Canada

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Étude des facteurs influençant le rendement des puits d alimentation de particuliers qui exploitent le roc fracturé en Outaouais, Québec, Canada Mémoire Arnaud Sterckx Maîtrise interuniversitaire en Sciences de la Terre Maître ès Sciences (M.Sc.) Québec, Canada Arnaud Sterckx, 2013 Résumé La région de l Outaouais (13760 km²), au Québec, connait une forte croissance démographique et les eaux souterraines sont davantage sollicitées. La perméabilité du socle rocheux, essentiellement cristallin, est contrôlée par des fractures entrecroisées et donc hétérogène. Pour identifier des zones-cibles de forage, nous avons confronté des données de capacité spécifique du Système d Information Hydrogéologique du Québec, validés à l aide d essais de pompage réalisés par l Université Laval, avec des caractéristiques du roc, parmi lesquelles la lithologie, l épaisseur de roc exploitée par les puits et la présence de linéaments. Il apparait que la texture et la minéralogie des roches ont une influence sur le développement de fractures perméables. On constate aussi que ces fractures se raréfient en profondeur et qu il n est donc pas toujours opportun de forer des puits à des profondeurs importantes ( 80 m). En revanche, aucune corrélation entre la présence de linéaments et le rendement des captage situés à proximité n a pu être observée. iii iv Abstract The Outaouais Region (13760 km²) is one of the most rapidly growing communities in Quebec, and where groundwater is increasingly being relied upon as a water supply. The permeability of the mostly crystalline bedrock is controlled by interconnected fractures and then heterogeneous. In order to identify target areas for installing new pumping wells, specific capacity data from the SIH database, which were validated using pumping tests carried out by Université Laval, were compared with rock characteristics including lithology, thickness of rock exploited by each well and proximity to lineaments. The texture and mineralogy of the rock seemed to have an important influence on the development of permeable fractures. We also found that the fracture density decreases with depth and therefore it is not always profitable to drill to deeper depths ( 80 m) to try to increase productivity. In contrast, proximity to lineaments didn t seem to have any impact on the productivity of wells. v vi Table des matières Résumé... iii Abstract... v Table des matières... vii Liste des tableaux... ix Liste des figures... xi Remerciements... xv 1. Introduction Contexte de l étude Problématique Objectifs Méthodologie Méthode des linéaments Fondement théorique et intérêt de la méthode Interprétation des linéaments Relevés de fracturation Contexte hydrogéologique Présentation des données hydrogéologiques Compilation des données Système d Information Hydrogéologique Essais de pompage de l Université Laval Sélection des données Relation entre la capacité spécifique et la conductivité hydraulique Conversion des valeurs de capacité spécifique en conductivité hydraulique Analyse des facteurs influençant la productivité des puits...34 vii 4.1. Lithologie Profondeur des puits Relation entre le rendement et la profondeur des puits Profil vertical de fracturation Linéaments Analyse des linéaments Relevés de fracturation Corrélation des linéaments avec la capacité spécifique des puits Discussion Exploitation des données du SIH Estimation de la profondeur optimale de forage Considérations sur l échec de la méthode des linéaments Conclusions Bibliographie viii Liste des tableaux Tableau 1-1 Répartition du territoire d étude en termes de superficie et de population....1 Tableau 1-2 Perspectives de croissance démographique pour la période Tableau 3-1 Résultats des interprétations des essais de pompage réalisés en Outaouais en 2011 et 2012 par le projet PACES-ULaval Tableau 3-2 Critères ayant mené à la suppression de puits du SIH Tableau 3-3 Nombre de puits retenus pour l analyse par MRC Tableau 4-1 Gammes de porosité Tableau 4-2 Synthèse de l interprétation des linéaments au 1/ sur le territoire municipalisé de l Outaouais...46 Tableau 4-3 Synthèse de l interprétation des linéaments au 1/ sur le territoire de la MRC des Collines-de-l Outaouais ix x Liste des figures Figure 1-1 Carte de l Outaouais....2 Figure 1-2 Modèle conceptuel des facteurs influençant la distribution des ouvertures dans des roches carbonatées....6 Figure 2-1 Carte des faciès lithologiques en Outaouais...14 Figure 2-2 Carte piézométrique de l Outaouais Figure 2-3 Carte des dépôts quaternaires en Outaouais Figure 2-4 Carte des zones où les aquifères sont potentiellement confinés ou semiconfinés sous une couche de matériaux peu perméables Figure 3-1 Interprétation d un essai de pompage Figure 3-2 Histogramme des profondeurs d eau statiques des puits du SIH Figure 3-3 Histogramme des profondeurs d eau dynamiques des puits du SIH Figure 3-4 Comparaison entre les capacités spécifiques issues du SIH et celles interprétées à partir des essais de pompages réalisés par le projet PACES- ULAVAL Figure 3-5 Carte représentant les 848 puits sélectionnés dans le SIH Figure 3-6 Relations empiriques entre la capacité spécifique et la transmissivité de 26 puits au roc cristallin Figure 3-7 Conversion des capacités spécifiques des puits au roc cristallin en transmissivités puis en conductivités hydrauliques Figure 4-1 Courbes de fréquences cumulées de la capacité spécifique pour les roches sédimentaires et cristallines Figure 4-2 Courbes de fréquences cumulées de la capacité spécifique au-sein des roches cristallines Figure 4-3 Relation entre la profondeur et le rendement de puits dans des roches cristallines de Californie, USA Figure 4-4 Relation entre la profondeur totale et la capacité spécifique dans les puits au roc cristallin et sédimentaire Figure 4-5 Relation entre l épaisseur saturée et la capacité spécifique dans les puits au roc cristallin et sédimentaire xi Figure 4-6 Relation entre l épaisseur de roc saturée et la capacité spécifique dans les puits au roc cristallin et sédimentaire Figure 4-7 Distribution des fractures en fonction de la profondeur Figure 4-8 Relation entre la profondeur totale et la conductivité hydraulique dans les puits au roc cristallin Figure 4-9 Relation entre l épaisseur saturée et la conductivité hydraulique dans les puits au roc cristallin Figure 4-10 Relation entre l épaisseur de roc saturée et la conductivité hydraulique dans les puits au roc cristallin Figure 4-11 Représentations schématiques de la fissuration du roc cristallin à la base d un profil d altération Figure 4-12 Modèle d altération/fracturation du roc Figure 4-13 Carte des linéaments de la zone d étude Figure 4-14 Carte des linéaments interprétés sur le territoire de la MRC des Collines-del Outaouais Figure 4-15 Rosace directionnelle des linéaments interprétés au 1/ sur base des images Landsat Figure 4-16 Rosace directionnelle des linéaments interprétés au 1/ sur base du MNA Figure 4-17 Rosace directionnelle des linéaments interprétés au 1/ sur base des images Landsat Figure 4-18 Rosace directionnelle des linéaments interprétés au 1/ sur base du MNA Figure 4-19 Carte des principales failles dans la région d Ottawa Figure 4-20 Carte des puits du SIH et des affleurements Figure 4-21 Rosace directionnelle des fractures verticales mesurées dans la MRC des Collines-de-l Outaouais Figure 4-22 Rosace directionnelle des fractures verticales mesurées dans la carrière DJL à Val des Monts Figure 4-23 Affleurement de roc en bord de route Figure 4-24 Relation entre la capacité spécifique des puits de la MRC des Collines-del Outaouais et la distance au linéament le plus proche Figure 4-25 Relation entre la capacité spécifique des puits de la MRC des Collines-del Outaouais et la densité de linéaments xii Figure 5-1 Influence du rabattement et du rayon d influence d un puits sur la transmissivité de l aquifère Figure 5-2 Courbes de réussite cumulée pour les 632 puits au roc cristallin xiii xiv Remerciements Ce mémoire de maîtrise parachève deux années d études au-sein du groupe d hydrogéologie de l Université Laval. Je tiens à saluer toutes les personnes que j y ai côtoyées et avec qui j ai eu le plaisir de travailler. Je remercie évidemment mes directeur et co-directeur, les professeurs Jean-Michel Lemieux et John Molson. Leurs recommandations et leurs encouragements ont été fort appréciés durant la réalisation de cette maîtrise. J ai une pensée particulière pour tous les membres des projets PACES (PACES- Outaouais et PACES-CMQ). Je remercie spécialement Pierre Therrien et Guillaume Comeau pour leur aide précieuse. J aimerais également remercier le MDDEFP, à l origine de la présente étude, ainsi que les partenaires régionaux du projet PACES-Outaouais avec qui nous avons collaboré. Enfin, je tiens à remercier Wallonie-Bruxelles-International et le Ministère de l Éducation, des Loisirs et des Sports du Québec pour m avoir octroyé une bourse d exemption des droits de scolarité pour étudiants étrangers. xv xvi 1. Introduction 1.1. Contexte de l étude En 2010, un projet d acquisition de connaissances sur les eaux souterraines (projet PACES) en Outaouais a démarré à l Université Laval (Comeau et al. 2013). Mandaté par le Ministère du Développement Durable, de l Environnement, de la Faune et des Parcs du Québec, il vise à dresser le portrait des eaux souterraines sur le territoire municipalisé de la région de l Outaouais (Erreur! Source du renvoi introuvable.). Cette zone d étude s étend sur km², à cheval sur quatre MRC (Papineau, les Collines-de-l Outaouais, Vallée-de-la-Gatineau, le Pontiac) et une ville, Gatineau. En 2006, elle était peuplée par plus de habitants (Tableau 1-1). Tableau 1-1 Répartition du territoire d étude en termes de superficie et de population. MRC ou Ville Superficie totale (km²) Population (en territoire municipalisé) Territoire d étude km² % MRC de Papineau ,3 Ville de Gatineau ,8 MRC des Collines-del Outaouais MRC de la Vallée-de-la- Gatineau , ,0 MRC du Pontiac ,9 Total ,0 Plus de 90% de la population vivant en dehors des centres urbains s approvisionnent en eau potable grâce aux eaux souterraines, soit 1/3 de la population totale de la zone d étude, grâce à des puits individuels ou des réseaux de distribution (PACES-ULaval, 2011). Ces eaux souterraines proviennent de deux types d aquifères qui sont exploités à l aide de puits domestiques ou de puits municipaux : - Le roc fracturé, qui constitue le substrat rocheux sur toute la région ; 1 - Les dépôts meubles, qui atteignent des épaisseurs importantes localement. D après les relevés stratigraphiques disponibles dans le Système d Information Hydrogéologique du Québec (SIH), environ 10% des puits de particuliers exploitent le roc, les 90% restant exploitent les dépôts meubles. Figure 1-1 Carte de l Outaouais. Les territoires municipalisés sont en vert. 2 Depuis 2010, des travaux ont été menés en Outaouais par le projet PACES-ULaval pour caractériser les ressources en eau, tant du point de vue hydrochimique qu hydrodynamique : essais de pompage, échantillonnage des eaux souterraines, levés géophysiques, nouveaux forages, modélisation, etc. À terme, il s agit de réunir suffisamment de connaissances sur les eaux souterraines pour en assurer une gestion efficace et durable Problématique Les dépôts meubles constituent habituellement de bonnes cibles d exploration de l eau souterraine puisqu ils présentent des conductivités hydrauliques généralement élevées. Les dépôts meubles ont néanmoins une extension verticale et horizontale limitée en Outaouais. De plus, les dépôts de surface peuvent être plus vulnérables à la contamination. Dès lors, de nombreux puits sont installés dans les formations rocheuses (le roc ). Cependant, ces formations ont une très faible porosité primaire, typiquement inférieure à 1%, et des conductivités hydrauliques plus faibles que les dépôts meubles. Elles peuvent toutefois présenter localement une perméabilité plus élevée, grâce à la présence d un réseau de fractures entrecroisées (Singhal & Gupta, 2010 ; Cook, 2003). Cette porosité secondaire autorise alors une circulation de l eau souterraine et on parle d aquifères fracturés. D après Singhal & Gupta (2010), ce type d aquifère couvre plus de la moitié des continents. Les fractures qui permettent une augmentation de la perméabilité de la roche peuvent être de différentes natures : de grandes failles régionales pouvant correspondre à des couloirs de déformations ou de petites failles locales, des joints de stratification dans le cas de roches sédimentaires, ou encore des fractures qui peuvent être d origine tectonique ou issues de processus d altérations. Ces différents types de fractures se distribuent de façon hétérogène. La perméabilité du roc est donc elle aussi hétérogène et le comportement hydrogéologique des aquifères fracturés s avère particulièrement délicat à comprendre. En l absence d informations sur les formations rocheuses et leur fracturation, l installation de puits demeure une opération dont les chances de réussite sont incertaines. En effet, le puisatier n a aucune garantie de recouper des fractures 3 perméables susceptibles d acheminer de l eau jusqu à son puits. Pour cette raison, les puits au roc présentent des productivités assez variables. Or, la croissance démographique en Outaouais s annonce considérable durant les prochaines années (+24 % d ici 2031, Erreur! Source du renvoi introuvable.). L étalement périurbain s intensifie, surtout en périphérie de la ville de Gatineau. Les nouvelles constructions sont essentiellement des maisons unifamiliales qui ne sont pas reliées à un réseau de distribution d eau potable. Les nouveaux résidents doivent donc construire un puits de captage pour s alimenter en eau. Dans ce contexte, de nouveaux puits de particuliers sont à prévoir et les eaux souterraines seront davantage sollicitées. Tableau 1-2 Perspectives de croissance démographique pour la période d après le scénario standard (ISQ, 2009). Les populations sont en milliers d habitants. Région Population en 2006 Population en 2031 Croissance Outaouais % Le Québec % 1.3. Objectifs L objectif de cette étude est de déterminer quels sont les facteurs qui influencent la productivité des puits d alimentation domestiques, à l échelle régionale. À partir de ces facteurs, nous voulons savoir s il est possible de prévoir la productivité des puits domestiques dans le roc fracturé sans passer par une étude de terrain ciblée, à l échelle locale. La connaissance des facteurs qui contrôlent la productivité des puits au roc pourrait constituer un outil de travail important pour les futurs travaux de prospection en eau souterraine dans les formations rocheuses, en permettant de forer des puits plus productifs à moindre coût Méthodologie Ce projet repose sur une compilation à l échelle régionale d essais hydrauliques réalisés dans le roc. La source principale consultée pour le projet est le Système d Information Hydrogéologique du Québec (SIH), qui contient des résultats d essais de 4 production (i.e. essai de capacité spécifique) réalisés dans des puits d alimentation en eau de particuliers. La seconde source de données consultée est une série d essais de pompage réalisés dans le cadre du projet PACES. Ces données ont été triées afin de conserver uniquement les essais jugés les plus crédibles. Elles ont aussi été comparées entre elles lorsque les essais de production du SIH et les essais de pompage PACES étaient disponibles pour un même puits. Les données retenues ont ensuite été confrontées à différentes variables explicatives afin de déterminer s il existe un lien entre celles-ci et les propriétés hydrauliques du roc à l échelle régionale. Les variables explicatives suivantes ont été investiguées : la lithologie du roc, ainsi que la profondeur, l épaisseur de roc ou encore l épaisseur saturée des puits. Enfin, dans le but de mettre en évidence une éventuelle relation spatiale entre la productivité des puits et la présence de failles régionales, la méthode dite des linéaments a été utilisée. La démarche scientifique qui a été suivie dans le cadre de ce travail a été conditionnée par la grande superficie de la zone d étude (13760 km²). Pour couvrir toute cette étendue, nous avons opté pour une approche du problème à petite et moyenne échelle, en utilisant de grands jeux de données (données hydrogéologiques du SIH, données lithologiques de la carte géologique, informations sur l infrastructure des puits provenant également du SIH, linéaments extraits à partir de supports cartographiques, etc.). Ces données sont trop nombreuses pour qu on puisse accorder à chacune d elle un degré de confiance élevé. En revanche, elles ont un réel sens sur le plan statistique. En procédant de la sorte, nous avons cherché à mettre en évidence de grandes tendances qui sont déterminantes pour l écoulement de l eau souterraine dans les aquifères de roc de l Outaouais. 5 Méthode des linéaments Fondement théorique et intérêt de la méthode Hobbs (1904) a été le premier à mentionner le terme de «linéament». En 1976, O Leary et al. ont défini les linéaments comme a mappable, simple or composite linear feature of a surface whose parts are aligned in a rectilinear or slightly curvilinear relationship and which differ from the pattern of adjacent features and presumably reflect some sub-surface phenomenon. Les linéaments sont donc des structures linéaires identifiables sur des supports cartographiques et on pense qu ils sont l expression en surface de structures géologiques plus profondes. Typiquement, les linéaments sont associés à la présence de failles ou de zones de fracturation. Figure 1-2 Modèle conceptuel des facteurs influençant la distribution des ouvertures dans des roches carbonatées (tiré de Lattman & Parizeck, 1964). En 1964, Lattman & Parizeck ont fait le lien entre la présence de linéaments et la capacité spécifique des puits dans des roches carbonatées de Pennsylvanie. Ils ont remarqué que les puits localisés à proximité, sur des linéaments ou à l intersection de linéaments présentent des capacités spécifiques de 10 à 100 fois plus élevées que les autres puits. Ils en ont conclu que les linéaments reflètent des zones de plus grande perméabilité et donc de plus grande fracturation, comme le montre leur modèle conceptuel à la Figure 1-2. D après eux, cette découverte pourrait être utilisée pour installer de 6 nouveaux puits dans des formations rocheuses où la porosité effective primaire est peu élevée. Toutefois, peu de chercheurs ont embrayé sur cette découverte, jusqu aux progrès récents de la télédétection avec le développement de l imagerie satellitaire. Dans les années 90, de nombreuses études ont été réalisées dans le Sud de l Afrique (Botswana, Zimbabwe), avec des résultats en demi teinte. Gustafsson (1994) a remarqué une corrélation entre la capacité spécifique des puits et la proximité aux linéaments tandis que Magowe & Carr (1998) ont noté une corrélation entre le rendement des puits et la densité de linéaments. En revanche Greenbaum et al. (1991), cité par Wright (1992) notent qu aucune relation n a été mise en évidence entre le rendement des puits et la proximité des linéaments, ni avec leur longueur ou leur direction ; les travaux de géophysique de Carruthers et al. (1991) n ont pas mis à jour de relation entre les linéaments et la présence de fractures p
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