Évolution géochimique de l'eau interstitielle d'une argile de la mer de Champlain

Ce mémoire s'inscrit dans un vaste projet de caractérisation des conditions géotechniques, hydrogéologiques et hydrogéochimiques des argiles de la mer de Champlain qui constituent une grande partie des dépôts meubles superficiels des Basses Terres de la vallée du Saint Laurent. Les travaux consistent essentiellement en une caractérisation des argiles ainsi qu'une étude géochimique des éléments majeurs des eaux souterraines de ce système aquitard.Les principaux objectifs de cette maîtrise étaient d'identifier les processus majeurs contrôlant la chimie de l'eau interstitielle et son évolution dans le temps, ainsi que de développer un modèle simple de cette évolution hydrogéochimique. Au total, neuf forages ont été effectués dans le but de prélever des carottes d'argile en vue d'investigations au laboratoire.En premier lieu une caractérisation physico-chimique des argiles a été entreprise : analyse minéralogique semi-quantitative par diffraction des rayons X, détermination de la CEC, de la surface spécifique ainsi que de la perte au feu, les données géotechniques étant par ailleurs déjà disponibles.Un total de 74 extractions d'eau à basses pressions a été réalisée pour déterminer l'hydrogéochimie à chaque site sur toute l'épaisseur de la couche. L'eau ainsi extraite a été analysée pour les éléments majeurs à savoir : Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3 et SO4 ainsi que pour le pH et les éléments traces Al et Si pour quelques échantillons. Une méthode d'extraction à haute pression à été mise au point dans le but de s'enquérir de l'influence de la pression d'extraction sur la qualité chimique de l'eau extraite. Celle-ci a montré une augmentation générale des concentrations en ions Na, K, Ca, Mg et HCO3, une constance de la concentration en Cl- et dans une certaine mesure, du pH. Le sulfate quant à lui se comporte de façon anarchique.Un essai de lessivage au laboratoire à été conçu afin de simuler le lessivage de l'argile in situ sur une période de temps beaucoup plus courte. L'eau recueillie à la sortie du dispositif a été analysée pour les mêmes paramètres. Cet essai a permis de mieux contraindre les processus influençant l'évolution géochimique de l'eau interstitielle en mettant notamment en évidence une importante production de bicarbonate possiblement due à l'activité microbienne et en particulier à la réduction des sulfates.Les extractions à basses pressions, dont la procédure a été validée par un contrôle qualité, ont permis d'obtenir des profils de concentration des ions en fonction de la profondeur. L'analyse de ces profils combinée à une modélisation géochimique du lessivage de l'argile au laboratoire et in situ a dévoilé un contrôle de la chimie de l'eau par les phénomènes d'advection et de diffusion couplés à une éventuelle réduction bactérienne des sulfates ainsi qu'à la dissolution des carbonates, lorsque l'eau devient suffisamment diluée. Les échanges ioniques entre cations divalents et monovalents paraissent également jouer un rôle, tandis que la dissolution/précipitation des phases silicatées ne semble pas avoir d'influence significative.

Abstract

This thesis belongs to a big characterisation project of the geotechnical, hydrogeological and hydrogeochemical conditions of the Champlain sea clays which represent most of the surficial sediment deposits of the Saint-Lawrence Lowland. This work consists in a geochemical study of the aquitard ground water major ions.The main objectives of this project were to identify the most important processes controlling the pore water chemistry and its evolution through the time, and to develop a simple model of this hydrogeochemical evolution.Nine boreholes were drilled in order to take clay core samples for laboratory investigations.Firstly, a physico-chemical characterization of the clay was conducted: mineralogical analysis with X-ray diffraction, determination of the CEC, the specific area and the loss on ignition. The geotechnical properties were already available. Water extractions were conducted (74 in total) for each site on the whole thickness of the clay deposit. The water was analysed for the following major elements: Na, K, Ca, Mg, Cl, HCO3 and SO4. For some sample, the pH was also measured and trace elements Al and Si were analysed.A high pressure extraction method was developed in order to evaluate the influence of the extraction pressure on the extracted water chemistry. This extraction procedure showed a global increase of the concentration of the ions Na, K, Ca, Mg and HCO3. The concentration of Cl and the pH stayed approximately constant while sulphate concentration didn't show any particular trend.A laboratory test method was designed for the simulation of the in situ leaching of the clay, on a much smaller time scale. The collected water was analysed for the same parameters. This experiment allowed to better understand the processes controlling the pore water geochemical evolution and underlined the important production of bicarbonate, which are probably due to microbial activity and in particular to the bacterial reduction of sulphate.The low pressure extraction method was validated with some quality control tests and provided the porewater geochemical profiles as a function of depth. The analysis of these data integrated with a geochemical modelling of the clay leaching in laboratory and in situ show a control of the water chemistry by the advection/diffusion phenomena coupled with the production of bicarbonate probably due to sulphate reduction and carbonates dissolution when the water becomes sufficiently diluted. Ionic exchanges between divalent and monovalent cations also seem to be important while the dissolution/precipitation of silicates does not seem to have any significant influence.