Par Karl E. Butler, Ph.D., P.Geo., P.Eng.
Département des sciences de la Terre
Université du Nouveau-Brunswick
u printemps 2021, les départements des sciences de la Terre du monde entier se sont demandé comment proposer des écoles de terrain pendant la pandémie de Covid-19. À l'Université du Nouveau-Brunswick, à Fredericton, NB, Canada, nous avons finalement été autorisés à procéder en personne avec des mesures spéciales en place. Pour notre école de terrain géoenvironnementale, cela comprenait le changement du site d'une mine de charbon fermée à 70 km à un aquifère de vallée fluviale à quelques pas du campus - éliminant ainsi le besoin de transporter les étudiants dans des véhicules. Alors que les problèmes de santé étaient au premier plan, le changement offrait également une bien meilleure géologie pour enseigner aux étudiants comment utiliser le géoradar (GPR).
Avec l'aide du personnel de l'approvisionnement en eau de la ville de Fredericton, un collègue géochimiste et moi-même avons chargé des étudiants d'étudier l'impact du ruissellement urbain sur les eaux souterraines dans l'un des champs de captage de la ville. Le travail sur le terrain comportait trois volets : (i) mesurer les niveaux d'eau dans les puits pour déduire les directions d'écoulement des eaux souterraines, (ii) l'échantillonnage hydrogéochimique des puits pour rechercher des preuves de ruissellement urbain, y compris le sel de voirie et le nitrate, et (iii) des levés hydrogéophysiques pour mieux définir "fenêtres" à travers un aquitard argilo-limoneux discontinu qui pourrait permettre au ruissellement de surface d'atteindre l'aquifère de sable et de gravier sous-jacent. Bien que l'étude n'ait révélé aucune préoccupation liée au ruissellement, l'exercice a été un succès car il a donné aux étudiants l'occasion d'acquérir des compétences de travail sur le terrain. Cet article met en évidence certaines des activités hydrogéophysiques.
Cadre hydrogéologique
L'aquifère de Fredericton est un dépôt sinueux de sable et de gravier semblable à un esker, enfoui dans des sédiments glaciaires et postglaciaires d'une épaisseur pouvant atteindre 60 m, qui remplit partiellement la vallée actuelle du fleuve Saint-Jean. L'aquifère est semi-confiné, recouvert d'un aquitard argilo-limoneux qui a été érodé par les méandres passés du fleuve Saint-Jean, exposant des points élevés le long de la crête enfouie de l'esker pour créer ce que l'on appelle des « fenêtres ». Là où ces fenêtres sont sous-jacentes à la rivière, elles sont bénéfiques – elles permettent la recharge de l'eau pompée par les champs de captage municipaux. D'autre part, les fenêtres sur l'aquifère qui sous-tendent la ville présentent des vulnérabilités du point de vue d'une éventuelle contamination.
Levés hydrogéophysiques
Le choix des méthodes de levé géophysique a été influencé par ce qui avait bien fonctionné auparavant pour délimiter les fenêtres sous la rivière. Dans ce cas, la cartographie de la conductivité apparente d'origine hydrique avait été complétée par l'imagerie de résistivité électrique (ERI) le long du rivage et le profilage acoustique du sous-fond sur l'eau. Dans cette école de terrain, opérant à terre, le profilage GPR (Figure 1) a été remplacé par le profilage acoustique du sous-fond - fournissant des informations stratigraphiques à haute résolution similaires qui ne pouvaient pas être fournies par les deux autres méthodes basées sur la conductivité/résistivité. Ici, je me concentre sur la démonstration de la complémentarité des relevés de conductivité apparente et GPR.
Figure 2 montre une carte de conductivité apparente, acquise pour mieux définir les limites d'une fenêtre connue pour sous-tendre un parc et un terrain de rugby à proximité d'un des champs de captage de la Ville. Les données ont été acquises à l'aide d'un conductimètre EM31 ayant une profondeur effective d'exploration d'environ 6 m, ce qui rend utile la recherche de la présence ou de l'absence de l'unité argilo-limoneuse électriquement conductrice (~ 35 - 50 Ωm) qui est typiquement (où présent) enfouis sous 4 à 5 m de sables fluviaux beaucoup plus résistifs. Le changement brusque de conductivité apparente près de l'extrémité nord du terrain de rugby est interprété comme représentant le bord nord d'une fenêtre argile-limon dans cette zone, comme le suggèrent les forages à proximité.
Les étudiants ont été invités à vérifier cette interprétation en acquérant une série de lignes de relevé GPR et ERI le long du terrain de rugby. Les données GPR ont été acquises à l'aide de nos capteurs et logiciels pulseEKKO® système avec le récepteur Ultra récemment sorti (Figure 1).
Figure 3 montre des exemples de profils GPR acquis avec des antennes 100 MHz (en haut) et 50 MHz (en bas) le long de la ligne RF5. À l'extrémité gauche (nord) de la ligne, il y a un réflecteur proéminent à ~ 3 m de profondeur correspondant au sommet défini par l'érosion de l'aquitard argilo-limoneux - ou peut-être, plus probablement, au sommet de la nappe phréatique perchée dans le fluvial. sables au-dessus de cette unité. Toujours à gauche, il y a un deuxième réflecteur qui s'élève de ~ 7 m de profondeur vers le sud jusqu'à ce qu'il soit tronqué au sommet de l'argile-limon. Nous interprétons cela comme une couche dans le limon, présentant un drapé sur l'esker sous-jacent adjacent - quelque chose également vu dans les profils acoustiques du sous-fond sous le fleuve Saint-Jean. Du côté sud (droit) de la ligne, à des positions supérieures à 50 mètres, la couche argilo-limoneuse est absente, révélant une réflexion proéminente de la nappe phréatique plate à 7 m de profondeur dans l'aquifère de l'esker de sable et de gravier.
Plus à l'ouest dans le parc municipal, la cartographie de la conductivité apparente a donné une idée approximative de la position du bord sud de la fenêtre aquitard, mais le changement de conductivité était beaucoup plus graduel (Figure 2). Dans cette zone, les informations de profondeur et la géométrie des réflecteurs souterrains évidentes dans les données GPR (Figure 4) ont été particulièrement utiles pour délimiter la position du bord de la fenêtre. Les relevés GPR à cet emplacement comprenaient des profils collectés à l'aide d'antennes bistatiques blindées à fréquence centrale de 250 MHz en plus des antennes non blindées à fréquence centrale de 100 MHz. Alors que la fréquence centrale plus élevée, 250 MHz, les antennes blindées étaient pratiques pour travailler à proximité des clôtures métalliques et des gradins autour des bords du terrain de baseball, les réflecteurs les plus intéressants sont plus cohérents dans la fréquence centrale inférieure, pénétrant plus profondément 100 MHz Les données.
Les étudiants ont appris à utiliser le système GPR rapidement et ont apprécié de voir ces profils clairs défiler sur l'unité d'affichage. En interprétant leurs propres données, les étudiants ont compris l'importance des bonnes pratiques de terrain. Ils ont également appris comment une méthode peut être très utile pour résoudre l'ambiguïté dans l'interprétation d'une autre méthode. Plus généralement, l'expérience pratique leur donnera plus de confiance pour appliquer des méthodes géophysiques pour aider à résoudre les questions géologiques dans leur carrière professionnelle.
Voir aussi:
Butler, KE, Nadeau, J.-C., Parrott, R. et Daigle, A., 2004, Délimitation de la recharge d'un aquifère de vallée fluviale par sismique fluviale et méthodes EM. J. Géophysique de l'environnement et de l'ingénierie, 9, 95-109.
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