Synthèse géologique et hydrogéologique du Shale d'Utica et des unités sus-jacentes (Lorraine, Queenston et dépôts meubles), Basses-Terres du Saint-Laurent, Québec
Authors: Séjourné S , Lefebvre R , Malet X , Lavoie D 
Published: March 2013

Le présent travail a été initié dans le cadre d'un mandat donné à l'INRS-ETE par la Commission géologique du Canada (CGC) et le Ministère du Développement durable, de l'Environnement, de la Faune et des Parcs du
Québec (MDDEFP). Ce rapport constitue le produit initial d'un projet de recherche de quatre ans du secteur des Sciences de la Terre de Ressources Naturelles du Canada portant sur l'évaluation de l'intégrité géologique des roches en couverture au-dessus des unités de
shales à potentiel gazier de l'est canadien (Québec, Nouveau-Brunswick et Nouvelle-Écosse). Le mandat initial au Québec impliquait la production d'une synthèse des connaissances et des données publiques disponibles sur le Shale d'Utica et les unités sus-jacentes,
sédiments quaternaires inclus, dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. L'objectif de cette synthèse est de supporter et orienter des travaux futurs destinés à évaluer le degré d'imperméabilité géologique des successions rocheuses entre les shales cibles
pour l'exploitation du gaz de shale et les aquifères peu profonds, dans les dépôts meubles ou le roc fracturé. Cette synthèse doit notamment permettre de faire ressortir des régions ou des types de données pour lesquelles il y a peu d'information, guidant ainsi le
choix de travaux futurs de recherche scientifique sur la problématique des gaz de shale au Québec.
Des modèles structuraux conceptuels ont également été élaborés afin d'obtenir un portrait géologiquement représentatif du territoire visé par l'exploration pour le gaz de shale dans les Basses-Terres du Saint-Laurent. Chacun de ces modèles repose
essentiellement sur l'interprétation de lignes sismiques choisies, sur les résultats des forages pétroliers et gaziers ainsi que sur les données géologiques de surface. L'emphase des travaux a été mise sur la représentation des relations stratigraphiques et
structurales, particulièrement entre le Shale d'Utica et les aquifères rocheux situés près de la surface du sol.
Dans cette optique, le document est divisé en trois sections. La première section, géologique, met en contexte le Shale d'Utica et les groupes de Lorraine et de Queenston sus-jacents dans les Basses-Terres du Saint-Laurent, présentant les relations tectoniques et stratigraphiques
d'importance pour la présente étude. Cette section s'attarde ensuite aux propriétés physiques et chimiques des différentes unités. Les principales sources de données consultées pour la géologie proviennent du Ministère des Ressources naturelles du
Québec (MRN) et ont été fournies par la Chaire de recherche sur la séquestration géologique du dioxyde de carbone (CO2) du Centre Eau Terre Environnement de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS-ETE). La seconde section, à caractère géologique
également, présente les modèles structuraux élaborés ainsi que la méthodologie retenue. Enfin la troisième section, hydrogéologique, documente l'état d'avancement des Programmes d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines du Québec
(PACES) ainsi que les données disponibles pour caractériser l'environnement hydrogéologique peu profond (dépôts meubles et roc fracturé) et profond (roc). Les principales sources de données consultées pour l'hydrogéologie proviennent du MDDEFP ainsi que
du Groupe de recherche interuniversitaire sur les eaux souterraines (GRIES) qui a réalisé des projets PACES dans diverses régions du Québec. Un premier rapport comprenant la première et la dernière section a déjà été soumis à la CGC et au MDDEFP
au printemps 2012 et mis en ligne par le Comité de l'évaluation environnementale stratégique (ÉES) sur le gaz de schiste (Séjourné et al., 2012). La version proposée ici a été mise à jour pour tenir compte des nouvelles données disponibles. La
seconde section (modèles structuraux) est inédite.
La zone d'intérêt pour le gaz de shale, telle que définie par le MRN, s'étend à travers les Basses-Terres du Saint-Laurent de part et d'autre du fleuve Saint-Laurent, de Québec à Montréal jusqu'à la baie Missisquoi du lac Champlain . L'examen des
données géologiques de surface et de sous-surface indique qu'il est toutefois possible de restreindre cette zone, en particulier sur ses bordures ouest et nord-ouest, et que l'essentiel de l'effort de caractérisation géologique et hydrogéologique devrait porter sur la rive
sud du fleuve Saint-Laurent, le long d'un axe qui s'étire sur 250 km environ depuis la ville de Québec jusqu'au lac Champlain et qui s'élargit vers le sud-ouest, passant de 20 km de large dans la région de Québec à environ 60 km de large entre le lac Saint-Pierre et le
lac Champlain. Dans l'ensemble, les modèles structuraux proposés ici présentent de nombreuses similarités entre eux et illustrent bien le contexte tectonostratigraphique général dans lequel s'inscrivent les problématiques des relations potentielles entre les
aquifères superficiels et les fluides reliés à la possible exploitation du gaz naturel dans le Shale d'Utica. Les modèles donnent ainsi des informations sur la présence et la géométrie d'intervalles gréseux ou silto-gréseux présents dans la partie
supérieure de la séquence sédimentaire (sommet de la Formation de Nicolet et unités sus-jacentes). Les modèles renseignent également sur la nature et la distribution des discontinuités structurales qui affectent localement la couverture au-dessus du Shale d'Utica.
Ces discontinuités consistent essentiellement en des failles normales et des dykes mafiques (intrusions montérégiennes), les failles de chevauchement n'étant impliquées que dans la zone frontale des Appalaches.
L'élaboration des modèles structuraux a également été l'occasion d'un travail de revue (non exhaustive) des données pétrolières et gazières qui permettent de mieux apprécier la nature de l'aquifère rocheux. Ainsi il semble que les eaux de faible
salinité se rencontrent généralement à moins de 200 m de profondeur. Bien que des indices de salinité soient documentés dans les shale de l'Utica et du Groupe de Lorraine lorsque ceux-ci affleurent le long de l'axe du fleuve Saint-Laurent, la majorité des indices
les plus profonds sont documentés dans les roches du Groupe de Queenston. Dans un cas seulement, près de Québec, la présence d'eau faiblement salée est documentée à plus grande profondeur. Dans l'ensemble également, l'examen des caractéristiques
lithologiques des roches des formations de Bécancour, Pontgravé et Nicolet révèle que ces unités comprennent des intervalles gréseux ou siltogréseux en proportion décroissante vers le bas (ils sont inexistants à proximité du Shale d'Utica), et que
ces grès sont généralement cimentés par de la calcite ou des oxydes de fer, ce qui diminue d'autant leur potentiel aquifère. Bien qu'il s'agisse là d'une sommation d'observations plutôt que d'une démonstration, les données disponibles semblent bien
supporter l'idée selon laquelle les aquifères d'eau douce dans la région d'étude correspondent généralement à un intervalle de roc fracturé profond de quelques dizaines de mètres au plus, sans connexion directe avec les unités plus profondes sauf
dans le cas particulier de la présence de discontinuités structurales.
La synthèse géologique et hydrogéologique réalisée ici démontre qu'il n'existe pas de réelle lacune géographique dans la couverture des données déjà disponibles (géologie et forages pétroliers et gaziers) ou qui seront disponibles au
terme des Programmes d'acquisition de connaissances sur les eaux souterraines du Québec (PACES) actuellement en cours. Les projets PACES couvrent en effet l'ensemble de la rive sud du fleuve Saint-Laurent à l'intérieur de la zone d'intérêt. Quant aux données
géologiques de sous-surface, elles demeurent certes plus lacunaires dans le secteur sud-est, qui correspond au domaine appalachien, mais cette région ne parait pas représenter un intérêt immédiat pour l'exploration - et a fortiori l'exploitation - du gaz de shale.
Plusieurs lacunes de nature thématique sont en revanche mises en lumières, notamment en ce qui a trait au cadre tectonostratigraphique régional, aux propriétés physiques et chimiques de l'environnement hydrogéologique profond, et à l'intégrité de la
couverture au-dessus du Shale d'Utica. Si les principales caractéristiques des aquifères proches de la surface - dépôts meubles et roc fracturé peu profond - sont ou seront bien documentées grâce aux efforts de cartographie des aquifères initiés dans les
années 1960 et qui culminent avec la réalisation des projets PACES en cours (compilation des données existantes, travaux de terrain et modélisation), la caractérisation de l'environnement hydrogéologique profond ne pourra être approchée que par
l'intermédiaire des données disponibles pour les puits d'exploration pétrolière et gazière déjà forés. Une revue de détail de ces données géologiques a été réalisée afin d'orienter et de faciliter le travail
d'intégration avec les données hydrogéologiques peu profondes. En particulier, le cadre tectonostratigraphique, la disponibilité des enregistrements diagraphiques et des carottes, ainsi que les propriétés physiques et chimiques du roc (composition minéralogique,
pression, température, porosité et perméabilité notamment) font ici l'objet d'une synthèse détaillée. Ce travail de compilation s'accompagne d'un recensement des informations disponibles sur la nature des fluides documentés dans le roc et les dépôts
meubles à partir des forages pétroliers et gazier, en particulier les indices et analyses d'eau, de gaz et de pétrole.
Une grande partie des lacunes thématiques identifiées pourraient être comblées en tirant parti des données géologiques publiques inventoriées dans le présent rapport, au moins à une échelle semiquantitative ou semi-régionale. La variabilité
géologique naturelle, la répartition des lignes sismiques et des forages pétroliers et gaziers, de même que la nature et la qualité variables des données publiées pour ces forages, ne permettent cependant pas d'espérer caractériser l'environnement
hydrogéologique profond avec le même degré de finesse que celui obtenu pour les dépôts meubles et le roc fracturé peu profond.
Les principales recommandations en ce sens sont résumées ainsi sous quatre thèmes :
1. Perfectionnement du modèle stratigraphique et structural :
- Établir des critères lithostratigraphiques et pétrophysiques consensuels pour clarifier et homogénéiser les limites des unités sus-jacentes au Shale d'Utica (roches couvertures) et pour développer un cadre stratigraphique séquentiel régional. Ce
processus devra tenir compte des observations lithologiques disponibles (rapports de fin de forage et données de terrain), des diagraphies existantes, et pourra être complété par l'examen des carottes et des déblais de forage disponibles (pétrographie, fluorescence et
diffraction des rayons X). Un certain nombre de puits types, représentatifs de la variabilité géologique régionale, pourrait ainsi être identifié et servir de base à l'homogénéisation du cadre stratigraphique régional pour les unités susjacentes
au Shale d'Utica.
- Raffiner la géométrie des relations structurales en procédant au retraitement des lignes sismiques pour lesquelles les données brutes sont disponibles. Les lignes dont la version umérique présentement disponible est de mauvaise qualité devront être
priorisées, mais celles e qualité moyenne pourront également faire l'objet d'un tel traitement en vue d'optimiser la visualisation de la continuité des réflecteurs au sein des flyschs du Groupe de Lorraine.
-Développer des modèles structuraux en trois dimensions qui tiennent compte des contacts lithostratigraphiques révisés et de l'interprétation des lignes sismiques retraitées, afin de raffiner les modèles hydrogéologiques régionaux.
2. Définition des propriétés physiques des aquifères profonds à partir des données pétrolières et gazières :
- Compiler et synthétiser les analyses de fluides (eau, gaz et pétrole) disponibles dans les rapports de fin de forage des puits pétroliers et gaziers, afin de mieux définir le portrait régional des fluides présents en sous-surface (contact eau douce/eau salée,
présence de gaz dissous ou d'hydrocarbures immiscibles) et aider à mieux contraindre les modèles pétrophysiques, notamment en ce qui a trait à la résistivité apparente de l'eau en diagraphie.
- Examiner et analyser les carottes et les déblais de forages disponibles pour les unités susjacentes au Shale d'Utica (roches couvertures) afin de lever les incertitudes quant à la présence et à l'épaisseur des intervalles gréseux, calcareux ou silteux
décrits dans les rapports de forages et afin de préciser le degré de cimentation des intervalles gréseux, ainsi que leur porosité efficace et leur perméabilité.
- Procéder à l'analyse des diagraphies disponibles afin d'estimer, entre autres, la porosité efficace, la saturation en eau, et la salinité de l'eau présente dans les formations situées entre le Shale d'Utica et les dépôts meubles de surface. Ces informations
permettraient notamment de préciser la profondeur maximale à laquelle se rencontre l'eau douce ainsi que d'autres indices de communication avec la profondeur.
- Examiner la possibilité technique de procéder à de nouveaux enregistrements diagraphiques, à travers le coffrage, dans les puits pétroliers et gaziers actuellement suspendus, afin de compléter le corpus de données pétrophysiques disponibles pour les
intervalles à potentiel aquifère susjacents au Shale d'Utica.
3. Vérification de l'intégrité de la couverture et connexion avec les aquifères :
- Développer ou mettre en pratique des méthodes indirectes qui permettent de mettre en évidence l'existence d'une circulation de fluides depuis la sous-surface vers la surface, notamment par l'échantillonnage et l'analyse systématique des gaz dissous, la réalisation de
levés sismiques peu profonds à haute résolution, l'interprétation de linéaments combinée avec la distribution spatiale des indices de gaz dans les dépôts meubles, l'examen des rapports de fin de forages pétroliers et gaziers qui peut révéler des
pertes de circulation associées à des intervalles faillés ou fracturés, l'analyse de certains types de diagraphies (température, acoustique et micro-résistivité notamment) qui permet de caractériser la nature et le degré de fracturation naturelle des
roches, l'analyse des carottes qui ont rencontré des zones faillées ou fracturées pour mieux comprendre la nature de ces zones et vérifier leur degré de cimentation.
- Examiner l'effet de la circulation des fluides de fracturation sur la possible conductivité hydraulique des discontinuités structurales existantes selon des modèles d'interaction fluideroche statique et dynamique (système ouvert et fermé), établir le rythme et le
degré selon lesquels les fractures vont se refermer sous l'effet des gradients de pression naturels après que l'injection soit terminée (périodes de reflux, de production et d'abandon), et dans le cas d'un système ouvert, établir la vitesse à laquelle les fractures
seront cimentées par précipitation des éléments dissous.
- Caractériser les propriétés mécaniques des unités de la couverture au-dessus du Shale d'Utica et identifier les intervalles qui peuvent agir comme barrière à la propagation des fractures naturelles ou artificielles, en examinant les différentes fabriques
architecturales visibles dans les carottes de shale disponibles et surtout à l'aide des diagraphies acoustiques, qui permettent de mettre en évidence des contrastes de ductilité au sein des roches de la couverture.
- Établir les conditions permettant la réactivation des discontinuités structurales (failles, fractures et dykes) par le biais d'une étude géomécanique qui tienne compte des nouvelles données fournies par les résultats des puits d'exploration
réalisés pour le gaz de shale. De manière préalable à toute opération de fracturation, ces résultats valides à l'échelle régionale devront naturellement être complétés au cas par cas par une étude qui tienne compte des
caractéristiques structurales locales, et vérifiés en temps réel par un contrôle microsismique lors d'opérations de fracturation hydraulique du Shale d'Utica réalisées avec un encadrement scientifique.
4. Réalisation de forages scientifiques :
- Procéder à une série de forages scientifiques profonds de quelques centaines de mètres afin de combler le hiatus qui existe entre les données hydrogéologiques peu profondes acquises au cours des campagnes de caractérisation des projets du Programme de
connaissances sur les eaux souterraines (PACES) du MDDEFP - quelques dizaines de mètres - et les données issues de l'industrie pétrolière et gazière pour de plus grandes profondeurs - généralement au-delà de 500 m de profondeur.
- Localiser ces nouveaux forages scientifiques de manière à valider les interprétations tirées des données pétrolières et gazières là où de telles données sont disponibles, et à compléter ces jeux de données là où aucun
forage pétrolier et gazier n'est disponible. Ces forages devraient permettre la prise de diagraphies, l'échantillonnage du roc, de l'eau et des gaz dissous, l'analyse chimique et isotopique des fluides, et la caractérisation hydraulique des aquifères potentiels
rencontrés.