Hydrogeochemical evolution and groundwater mineralization of shallow aquifers in the Bas-Saint-Laurent region, Québec, Canada

Abstract

This study presents the first regional groundwater hydrogeochemical portrait of the Bas-Saint-Laurent region (BSL), a region shaped by the Appalachians, a strong Quaternary glacial heritage, and coastal dynamics from the St. Lawrence Estuary. The proximity of BSL’s aquifers to St. Lawrence Estuary and its geological history with the past Goltwait Sea transgression create unique issues with respect to groundwater mineralization and sustainability in the region. The study is based on the distribution of major and trace elements and stable isotope signatures of water and inorganic carbon (δ¹⁸O, δ²H, δ¹³C_DIC) in 145 groundwater samples collected in private and municipal wells distributed evenly over the study area. Groundwater shows a wide range of composition as indicated by the seven facies revealed by their composition of major elements. Ca-HCO₃ and Na-HCO₃ facies mainly dominate the regional groundwater composition, representing respectively 66 and 20% of the samples. Nevertheless, no significant relation between the geology, the aquifer confinement, and the geochemical facies emerged. This suggests that factors other than the hydrological settings may control the chemical composition of the groundwater in the study area. A hierarchical cluster analysis (HCA), including major, minor and trace elements, was performed, allowing the water samples to be distributed into four distinct geochemical groups that reveal a gradient from less mineralized (C4 and C2 groups with a dominant Ca-HCO₃ facies) in the recharge areas to more mineralized (C1 with a Ca-HCO₃ facies, to C3 with a Na-HCO₃ facies) in the coastal discharge areas. Based on geochemical graphs and isotopic signatures, a conceptual model is proposed to explain this hydrogeochemical evolution at the regional scale. The most remarkable finding is that groundwater mineralization does not originate from modern seawater mixing despite the proximity of St. Lawrence seawater. Most of the hydrochemical evolution and groundwater mineralization is induced by the mixing with evaporated or remnant seawater originated from past transgressions, cation exchanges and mineral dissolution.

L’étude propose le premier portrait hydrogéochimique des eaux souterraines de la région du Bas-St-Laurent, une région physiographiquement marquée par la présence de la chaine Appalachienne, un fort héritage de l’histoire quaternaire et la dynamique côtière. La proximité actuelle avec les eaux salées de l’Estuaire du St-Laurent ainsi que les anciennes transgressions de la Mer de Goltwait sur le territoire soulèvent des questions particulières quant aux mécanismes de minéralisation des eaux souterraines à l’échelle régionale et à leur préservation. Ce portrait se base sur la distribution des ions majeurs, mineurs et en traces, ainsi que sur la signature isotopique de l’eau et du carbone inorganique dissous (δ¹⁸O, δ²H, δ¹³C_DIC) de 145 échantillons prélevés dans des puits municipaux et privés, répartis dans toute la région. Basé sur les ions majeurs, sept facies géochimiques se distinguent. Les facies Ca-HCO₃ et Na-HCO₃ sont prépondérants, représentant respectivement 66 et 20% des échantillons. Aucune relation significative n’a cependant pu être observée entre les facies, la géologie et le degré de confinement des aquifères, ce qui suggère que d’autres facteurs pourraient contrôler la composition géochimique des eaux souterraines dans l’aire d’étude. Une classification hiérarchique des échantillons basée sur les ions majeurs, mineurs et en trace révèle quatre groupes qui se distinguent par leur degré de minéralisation : les moins minéralisés dans les zones de recharge des aquifères (C4 et C2 dominés par un facies en Ca-HCO₃) aux plus minéralisés dans les zones de décharge côtière (C1 avec un facies en Ca-HCO₃ et C3 en Na-HCO₃). En se basant sur des graphiques binaires et les signatures isotopiques, un modèle conceptuel est proposé pour expliquer l’évolution hydrogéochimique et la minéralisation des eaux souterraines de la région. Malgré la proximité des eaux salées du St-Laurent, la minéralisation observée ne semble pas résulter du mélange avec des eaux salées actuelles. L’évolution hydrochimique et la minéralisation observée est principalement induite par le mélange avec de l’eau de mer évaporée ou restée piégée dans les pores des roches à la suite des transgressions passées, des échanges de cations qui en résulte et de la dissolution des minéraux les plus solubles.

Acknowledgements

The authors thank numerous field assistants for their support, the collaboration of the local population and municipal authorities, and Laure Devine for the English revision. The authors would like to thank Marie Larocque and Vincent Cloutier for the invitation to submit this contribution to the PACES special issue, and the two anonymous reviewers for their helpful comments that contributed to the improvement of the manuscript.