Grid-based Hydrostratigraphic 3D Modelling of the Quaternary Sequence in the Chateauguay River Watershed, Quebec

Abstract

Groundwater recharge, groundwater-surface water interaction, and protection and management of the groundwater resource are strongly constrained by the geological nature of the substratum. A grid-oriented technique has been developed in order to build a 3D stratigraphic model of the Quaternary sediments overlying a regional fractured rock aquifer. The technique is based on the integration of the surficial sediments map and borehole logs with the use of GIS and grid-calculator software Vertical Mapper. The applied methodology focused on estimating the thickness of the stratigraphic units rather than the elevation of the contacts. First, a regular grid was generated over the study area with 30 × 30 m cells. The bulk thickness of the Quaternary sequence for each grid cell was computed as the difference between the terrain digital elevation model and the rock surface krigged over more than 5000 drillers’ logs available. Two computation methods for estimating the discrete thicknesses are discussed and evaluated: the absolute method, in which the thickness of a given unit is computed as an independent value, and the relative method, in which the thickness is computed as a fraction of the bulk thickness. The simplified Quaternary stratigraphy consists, from top to bottom, of: organics (peat), alluvium, lacustrine, aeolian, coarse marine, marine clay and fine silt, fine sandy and silty glacio-fluvial, coarse sandy and gravelly glacio-fluvial, and glacial (silty clayey till) sediments. Their spatial distribution respects fully the surficial sediments map and contacts. At locations with missing stratigraphic data, the borehole logs database was improved with the addition of control points representing the anticipated variation of the successive layers. With the absolute method, derivation of the thicknesses of the layered strata in zones of irregular bedding proved to be difficult. The relative computation method gives more consistent results for various stratigraphic settings and allows rapid, internally consistent estimation of the overburden stratification.

Les notions de recharge, d’interaction eaux souterraines-eaux de surface, et de protection et d’aménagement de la ressource en eau souterraine sont fortement dépendantes de la géologie locale. Une technique par grille (grid-based) a été conçue pour construire un modèle stratigraphique 3D des sédiments quaternaires reposant sur un aquifère fracturé. Elle est basée sur l’intégration de la carte de dépôts superficiels et des données de forage, avec l’utilisation des logiciels SIG Mapinfo et de calcul de grille Vertical Mapper. La méthodologie appliquée est basée sur le calcul de l’épaisseur des unités en place plutôt que sur l’élévation des contacts. Une grille régulière a été produite au-dessus du secteur d’étude avec des cellules de 30 par 30 m. L’épaisseur totale des sédiments quaternaires a été estimée par la différence entre le DEM et la surface du roc obtenue par krigeage sur plus de 5000 relevés de forage disponibles. Deux méthodes de calcul ont été développées pour obtenir les épaisseurs de chaque unité quaternaire à chaque cellule de la grille: la méthode absolue, dans laquelle l’épaisseur d’une certaine unité est calculée comme une valeur indépendante, et la méthode relative, dans laquelle la même unité est plutôt calculée comme une fraction de l’épaisseur totale. Les unités sédimentaires suivantes furent considérées dans le développement du modèle 3D, du sommet vers la base: organiques (tourbes), alluviales, lacustres, éoliens, marins grossiers, marins fins, fluvioglaciaires sablo-graveleux, fluvio-glaciaires sablo-silteux, et glaciaires (till silto-argileux). La distribution spatiale des unités respectent intégralement les contacts des dépôts superficiels. Aux endroits où les données stratigraphiques étaient manquantes, la banque de données de forages fut améliorée par l’ajout de points de contrôle qui miment la variation anticipée des couches stratigraphiques. Avec la méthode absolue, la dérivation des épaisseurs des unités stratigraphiques, dans les zones où l’épaisseur de la séquence quaternaire varie irrégulièrement, s’est révélée difficile. La méthode relative procure des résultats plus concordants pour plusieurs configurations stratigraphiques, et permet une estimation rapide de l’épaisseur des unités stratigraphiques, tout en respectant les données géologiques.