A three-dimensional hydrostratigraphic model of the Waterloo Moraine area, southern Ontario, Canada

Abstract

Aquifers of the Waterloo Moraine play a key role as the main source of drinking water for the Region of Waterloo. For the effective management of this water source, a sound understanding of the aquifers contained within and below the Moraine is essential. Critical knowledge required for this understanding includes the definition of the sediment facies distribution, architectural elements and geological origin of the Quaternary-aged deposits. A basin analysis approach has been applied to geologic data collection and interpretation to unravel the paleogeographic history of the study area and to provide a predictive framework for understanding its geological variability. Coarse (sand and gravel) sediment within the Waterloo Moraine was deposited during a series of high-energy meltwater discharge events from several sediment input corridors (eskers), into a deep, large, ice-supported glacial lake. This depositional setting led to a complex three-dimensional architecture comprising sand-gravel and mud units that are increasingly interbedded away from the multi-directional influx sources around the perimeter of the Moraine. A recently completed digital, three-dimensional geologic model of the area provides details of the various geological units that help refine the understanding of the hydrostratigraphy. This information has improved the understanding of groundwater flow (including interaction between surface and groundwaters) and has provided valuable information critical for source water protection. Information on the distribution, thickness, geometry and properties of these units has resulted in a better understanding of the potential linkages between near-surface recharge areas and deep aquifers across the region. This geological information is important in developing predictive models, for example, determining the location of high transmissivity zones within the moraine. Derivative products such as aquifer vulnerability and recharge maps may help inform policy makers in developing land use and nutrient management plans in the vicinity of well fields and sensitive lands.

Les aquifères de la moraine de Waterloo jouent un rôle crucial dans l’approvisionnement en eau potable dans la région de Waterloo. Afin d’assurer la gestion efficace de cette ressource en eau, il est essentiel de bien comprendre les aquifères contenus dans la moraine et sous celle-ci. Parmi les connaissances essentielles à cette compréhension, mentionnons la définition de la distribution des faciès sédimentaires, les éléments architecturaux et l’origine géologique des dépôts datant du Quaternaire. Pour retracer l’histoire paléogéographique de la zone d’étude et établir un cadre prédictif afin d’en comprendre la variabilité géologique, une approche d’analyse de bassin a été appliquée à la collecte et à l’interprétation des données géologiques. Les sédiments grossiers (sable et gravier) dans la moraine de Waterloo se sont déposés pendant une série d’événements très énergétiques de décharge d’eau de fonte provenant de plusieurs corridors d’apports sédimentaires (eskers) dans un lac glaciaire profond et large, confiné par la glace. Ce milieu de dépôt a produit une architecture tridimensionnelle complexe comportant des unités de sable-gravier et de boue qui sont de plus en plus interstratifiées à mesure que l’on s’éloigne des sources d’afflux multidirectionnelles autour du périmètre de la moraine. Un modèle géologique numérique tridimensionnel, récemment terminé et couvrant la région, fournit des détails sur les diverses unités géologiques qui aident à mieux comprendre l’hydrostratigraphie. Cette information a permis de mieux comprendre l’écoulement des eaux souterraines (y compris les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines) et a fourni des données précieuses pour la protection des eaux de source. L’information sur la distribution, l’épaisseur, la géométrie et les propriétés de ces unités a permis de mieux comprendre les liens possibles entre les zones de recharge près de la surface et les aquifères profonds dans la région. Ces informations géologiques sont importantes pour le développement de modèles prédictifs, comme par exemple pour déterminer l’emplacement des zones de grande transmissivité dans la moraine. Des produits dérivés, comme les cartes de recharge et de vulnérabilité des aquifères, peuvent aider les administrations publiques à développer des plans d’aménagement du territoire et de gestion des nutriments à proximité des champs de puits et des terres sensibles.

Acknowledgements

The authors wish to thank M. Hinton and R. Knight for internal Geological Survey of Canada review and three anonymous journal reviewers of this manuscript for their constructive comments and suggestions. This project was funded under the Groundwater Programs of both the Ontario Geological Survey and the Geological Survey of Canada. The manuscript is published with the permission of the Director of the Ontario Geological Survey. Earth Science Sector contribution number 20130195 (Natural Resources Canada).