Silvain Rafini

Forward modelling of foreland basins progressive unconformities

Progressive unconformities result from a simultaneous interference of sedimentation, erosion, and tectonic processes. For the purpose of simulating the geometry of these structures occurring on the front of active folds in foreland basin margins, we propose a 2D forward kinematic model. By analogy to several natural examples of syntectonic basins, the syncline frontal hinge typically displays a curved rather than a kinked shape. This model is incremental, and assumes that deformation in the limb of growth strata consists of simple shear parallel to pregrowth strata. It is possible to introduce erosional events at any time of kinematics history. Syntectonic basins associated to emergent structures were modelled, focusing on the syncline frontal hinge and the forelimb of the anticline, without regarding the type of fold. We show that growth stratal final geometry is closely dependent on (1) the behaviour of the synclinal hinge (hinge migration model versus limb rotation model); (2) the erosion of pre- and syntectonic beds, and the attitude of the erosional surface; (3) the evolution of the (R) ratio (amount of deformation/sediment thickness). Simulating several theoretical tectono-sedimentary scenarios, we show how growth strata geometry provides a very fine recording of every variation of the (R) ratio during amplification of folding. As an example, we propose a kinematic evolution for the classical Sant Llorenc de Morunys structures, resulting from its forward reconstruction.

Field evidence of hydraulic connections between bedrock aquifers and overlying granular aquifers: examples from the Grenville Province of the Canadian Shield

Field evidence of hydraulic connections between a bedrock aquifer and an overlying granular aquifer in the Canadian Shield (Grenville Province) is presented. This issue is rarely considered and investigated despite its important hydraulic and chemical consequences and its widespread occurrence worldwide. The methodology employed is based on complementary field tests conducted at specific experimental sites instrumented both in the rock and in the overlying deposits. One of the bedrock sites revealed a natural hydraulic connection with the overlying granular aquifer caused by the weathered surface of the uppermost bedrock. Another site revealed an artificial hydraulic connection between the bedrock and the granular aquifer created by an improperly sealed casing. A regional study showed that hydraulic connections yield an erroneous interpretation of the true hydraulic properties of the tested aquifer. The detection of hydraulic connections is therefore essential to properly define well-capture areas and contamination conditions. It is recommended to practitioners that pumping tests be performed as well as hydrochemical comparisons of each existing aquifer unit. Falling-head permeability tests are also helpful in verifying the quality of the seal at the bedrock–casing contact. More effective procedural controls and better well-construction practices are necessary to reduce the risks of cross-contamination induced by defective seals.RésuméDes preuves de terrain de connexions hydrauliques entre l’aquifère de socle et l’aquifère sédimentaire détritique sus-jacent dans le bouclier canadien (province de Grenville) sont présentées. Cette question est rarement considérée et étudiée en dépit de ses conséquences importantes du point de vue hydraulique et chimique et de la présence de ce type de configuration très largement répandue dans le monde entier. La méthodologie utilisée est basée sur des tests complémentaires menés sur le terrain sur des sites expérimentaux spécifiques instrumentés à la fois dans les formations de socle et dans les dépôts sus-jacents. Un des sites en contexte de socle a révélé une connexion hydraulique naturelle avec l’aquifère sédimentaire détritique sus-jacent du fait de la surface altérée de la partie supérieure du substratum rocheux. Un autre site a révélé une connexion hydraulique artificielle entre le substratum rocheux et l’aquifère sédimentaire détritique créée par un tubage scellé de manière inappropriée. Une étude régionale a montré que les connexions hydrauliques conduisent à une interprétation erronée des véritables propriétés hydrauliques de l’aquifère testé. La détection des connexions hydrauliques est donc essentielle afin de définir de manière adéquate les zones de captage et les conditions de contamination. Il est recommandé aux praticiens d’effectuer des essais de pompage ainsi que des comparaisons hydrochimiques au niveau de chaque unité aquifère. Des tests de perméabilité à charge variable sont également utiles pour vérifier la qualité de l’étanchéité entre le substratum et le tubage du forage. Des contrôles de procédures plus efficaces et de meilleures pratiques de réalisation de forages sont nécessaires pour réduire les risques de contamination induits par des défauts d’étanchéité au niveau des tubages du forage.ResumenSe presentan evidencias de campo de las conexiones hidráulicas entre un acuífero de basamento y un acuífero granular suprayacente en el escudo canadiense (Provincia de Grenville). Este tema es raramente considerado e investigado a pesar de las importantes consecuencias hidráulicas e hidroquímicas y su amplia ocurrencia en todo el mundo. La metodología empleada está basada en ensayos complementarios de campo realizados en sitios experimentales específicos seleccionados tanto en la roca como en los depósitos suprayacentes. Uno de los sitios de la roca de basamento reveló una conexión hidráulica natural con el acuífero granular suprayacente provocado por la superficie meteorizada de la parte más alta del basamento. Otro sitio reveló una conexión hidráulica artificial entre el basamento y el acuífero granular creado por un caño camisa mal sellado. Un estudio regional mostró que las conexiones hidráulicas dan una interpretación errónea de las verdaderas propiedades hidráulicas del acuífero ensayado. La detección de las conexiones hidráulicas es asimismo esencial para definir adecuadamente las áreas de captura de los pozos y las condiciones de contaminación. Se recomienda a los operarios la realización de ensayos de bombeo, así como comparaciones hidroquímicas de cada una de las unidades acuíferas existentes. Las pruebas de permeabilidad con caída de carga hidráulica son también útiles para verificar la calidad del sello en el contacto entre la roca y el caño camisa. Se necesitan controles de procedimientos más efectivos y mejores prácticas de construcción de pozos para reducir los riesgos de contaminación cruzada inducidos por sellados defectuosos.摘要本文介绍了加拿大地盾(格林威尔区)一个基岩含水层和其上覆的粒状含水层之间水力联系的现场证据。尽管水力上和化学上具有重要影响以及世界上分布很广,但对这个问题很少进行研究和调查。所使用的方法基于基岩和其上覆的沉积层中特定试验场进行的互补性现场试验。一个基岩试验场揭示了由于最上层基岩的风化面造成的基岩含水层和上覆粒状含水层之间天然水力联系。另一个试验场揭示了由于套管密封不恰当而造成的基岩含水层和和粒状含水层之间的人为水力联系。区域研究显示,水力联系可对所实验的含水层真正水力特性给出错误的解译。因此,探测水力联系对于正确确定井的捕获区和污染条件非常重要。建议对每个现有的含水层单元进行抽水实验及水化学对比。变水头渗透试验对验证基岩套管接触面的密封质量也有帮助。减少由于密封不佳造成的交叉污染风险需要有更有效的过程控制手段和更好的成井实践。ResumoSão apresentadas evidências de campo de conexões hidráulicas entre o substrato rochoso e um aquífero granular sobrejacente no Escudo Canadiano (Província de Grenville). Esta questão é raramente considerada e investigada, apesar das importantes consequências hidráulicas e químicas e da sua ocorrência generalizada em todo o mundo. A metodologia utilizada é baseada em testes de campo complementares realizados em sítios experimentais específicos, com instrumentação quer na rocha de base, quer nos depósitos sobrejacentes. Um dos locais do substrato revelou uma conexão hidráulica natural com o aquífero granular sobrejacente causada pela superfície mais alterada da parte superior do substrato rochoso. Outro lugar revelou uma ligação hidráulica artificial entre o substrato rochoso e o aquífero granular, criado por uma tubagem indevidamente selada num furo. Um estudo regional mostrou que as ligações hidráulicas podem conduzir a uma interpretação errónea das verdadeiras propriedades hidráulicas do aquífero testado. A deteção de ligações hidráulicas é, portanto, essencial para definir adequadamente os perímetrso de proteção e as situações de contaminação. Recomenda-se aos profissionais que os testes de bombeamento sejam realizados, bem como comparações hidroquímicas em cada unidade aquífera existente. Ensaios de permeabilidade são também úteis para verificar a qualidade da selagem no contacto com o substrato rochoso. São assim necessários processos de controlo mais eficazes e melhores práticas de construção para reduzir os riscos de contaminação cruzada induzidos por selagens defeituosas.

A numerical investigation to illustrate the consequences of hydraulic connections between granular and fractured-rock aquifers

Natural or artificial hydraulic connections between a granular aquifer in contact with a fractured-rock aquifer can have significant physical and chemical impacts at both a local and a regional scale. In this study, numerical simulations are conducted in order to illustrate the hydrogeological consequences of such hydraulic relationships. The numerical investigation, based on a conceptual model, focuses on the effects of the hydraulic connections when conducting a pumping test in a well that is set into a granular confined aquifer overlying a fractured-rock aquifer which presents a few fractures directly connected to the granular aquifer. It is illustrated that when interpreting the pumping test with the conventional methods consisting of plotting the drawdown versus time, a bias is introduced on the estimation of the transmissivity of the granular aquifer due to groundwater flowing from the fractured-rock aquifer via connecting fractures. However, it is underlined that plotting drawdown log-derivative versus time helps to diagnose the existence of these hydraulic relationships and therefore avoids committing a bias on the transmissivity estimation of the granular aquifer. Numerical simulation results also illustrate that hydraulic connections between the two aquifers can have significant impacts on the hydrogeochemical signature of the granular aquifer under investigation.ResuméDes connexions naturelles ou artificielles entre un aquifère granulaire au contact d’un aquifère fissuré peuvent avoir des incidences physiques et chimiques à des échelles à la fois locale et régionale. L’investigation numérique, basée sur un modèle conceptuel, est focalisée sur les effets des connexions hydrauliques lorsqu’on effectue un test de pompage dans un puits foré dans un aquifère granulaire confiné surmontant un aquifère fissuré qui présente quelques fractures directement connectées à l’aquifère granulaire. On montre que lorsqu’on interprète le test de pompage avec les méthodes conventionnelles consistant à enregistrer les rabattements en fonction du temps, un biais sur l’estimation de la transmissivité de l’aquifère est introduit en raison du flux d’eau provenant de l’aquifère fissuré par les fractures connectées. Toutefois, on souligne que l’enregistrement de la dérivée logarithmique du rabattement en fonction du temps aide à diagnostiquer l’existence des ces relations hydrauliques et par la suite de commettre un biais sur l’estimation de la transmissivité de l’aquifère granulaire. Les résultats de la simulation numérique illustrent aussi que des connections hydrauliques entre les deux aquifères peuvent avoir des impacts significatifs sur la signature hydrogéochimique de l’aquifère granulaire étudié.ResumenLas conexiones hidráulicas naturales o artificiales entre un acuífero granular en contacto con un acuífero de roca fracturada pueden tener impactos físicos y químicos significativos tanto a escala local como regional. En este estudio, las simulaciones numéricas se llevaron a cabo para ilustrar las consecuencias hidrogeológicas de tales relaciones hidráulicas. La investigación numérica, basada en un modelo conceptual, se enfoca en los efectos de las conexiones hidráulicas cuando se realiza un ensayo de bombeo en un pozo que es construido en un acuífero granular confinado suprayacente a un acuífero de rocas fracturadas el cual presenta unas pocas fracturas directamente conectadas con el acuífero granular. Se ilustra que cuando se interpreta el ensayo de bombeo con los métodos convencionales que consisten en graficar la depresión en función tiempo, se introduce un sesgo en la estimación de la transmisividad del acuífero granular debido al flujo subterráneo desde el acuífero de la roca fracturada a través de las fracturas conectadas. Sin embargo, se resalta que el gráfico de la derivada logarítmica de la depresión en función del tiempo ayuda para diagnosticar la existencia de estas relaciones hidráulicas y por lo tanto evita cometer un sesgo en la estimación de la transmisividad del acuífero granular. Los resultados de la simulación numérica también ilustran que las conexiones hidráulicas entre los dos acuíferos puede tener impactos significativos sobre las características hidrogeoquímicas del acuífero granular bajo investigación.摘要在局部和区域尺度上,孔隙和裂隙含水层之间的天然或者人为的水力联系都有着明显的物理和化学上的影响。在本次研究中,用地下水数值模拟方法来研究这种水力联系在水文地质上的意义。基于概念模型的数值模拟研究重点在于当在一个处于孔隙承压含水层中的井中做抽水试验时水力联系的影响,这个孔隙承压含水层覆盖在通过几处断裂与之直接联系的裂隙含水层之上。研究表明,当利用画降深-时间曲线的常规方法来解释抽水试验时,由于裂隙含水层中的地下水能通过与孔隙含水层连接的断裂通道流向孔隙含水层,在估计孔隙含水层的导水系数时就会产生偏差。但是,需要强调的是通过画降深-时间对数导数曲线有助于判断水力联系的存在,继而在估计孔隙含水层的导水系数时可以避免偏差的产生。数值模拟的结果也表明,这两个含水层之间的水力联系对在调查中的孔隙含水层的水文地球化学特征会产生显著的影响。ResumoConexões hidráulicas naturais ou artificiais entre um aquífero granular em contato com um aquífero fraturado podem ter importantes impactes físicos e químicos, tanto a escala local como a escala regional. Neste estudo, são realizadas simulações numéricas, de modo a ilustrar as consequências hidrogeológicas de tais relacionamentos hidráulicos. A investigação numérica, com base num modelo concetual, incide sobre os efeitos das ligações hidráulicas ao realizar um teste de bombeamento num furo instalado num aquífero granular confinado sobrejacente a um aquífero fraturado que apresenta algumas fraturas com ligação direta ao aquífero granular. É ilustrado que, na interpretação do teste de bombagem com os métodos convencionais, que consistem em traçar o rebaixamento em função do tempo, é introduzido um erro sobre a estimativa da transmissividade do aquífero granular, devido ao fluxo das águas subterrâneas via fraturas de ligação do aquífero fraturado. No entanto, é sublinhado que a construção do gráfico da derivada do logaritmo do rebaixamento versus tempo ajuda a diagnosticar a existência dessas relações hidráulicas e, portanto, evita cometer um erro na estimativa de transmissividade do aquífero granular. Resultados da simulação numérica também ilustram que as conexões hidráulicas entre os dois aquíferos podem ter impactes significativos sobre a assinatura hidrogeoquímica do aquífero granular sob investigação.

A numerical investigation of pumping-test responses from contiguous aquifers

Adequate groundwater management requires models capable of representing the heterogeneous nature of aquifers. A key point is the theoretical knowledge of flow behaviour in various heterogeneous archetypal conditions, using analytically or numerically based models. This study numerically investigates transient pressure transfers between linearly contiguous homogeneous domains with non-equal hydraulic properties, optionally separated by a conductive fault. Responses to pumping are analysed in terms of time-variant flow dimension, n. Two radial stages are predicted (n: 2 – 2) with a positive or negative vertical offset depending of the transmissivity ratio between domains. A transitional n = 4 segment occurs when the non-pumped domain is more transmissive (n: 2 – 4 – 2), and a fractional flow segment occurs when the interface is a fault (n: 2 – 4 – 1.5 – 2). The hydrodynamics are generally governed by the transmissivity ratio; the storativity ratio impact is limited. The drawdown log-derivative late stabilization, recorded at any well, does not tend to reflect the local transmissivity but rather the higher transmissivity region, possibly distant and blind, as it predominantly supplies groundwater to the well. This study provides insights on the behaviour of non-uniform aquifers and on theoretical responses that can aid practitioners to detect such conditions in nature.RésuméUne gestion adéquate des eaux souterraines requiert des modèles capables de représenter la nature hétérogène des aquifères. Un point clef est la connaissance théorique du comportement de l’écoulement dans des conditions variées d’hétérogénéité, en utilisant des modèles analytiques ou numériques. Cette étude explore du point de vue numérique les transferts de pression entre des domaines hétérogènes linéairement contigus avec des propriétés hydrauliques non-égales, séparées de manière optionnelle par une faille conductrice. Les réponses au pompage sont analysées en termes de dimension d’écoulement, n, variant dans le temps. Deux stades de rayon sont prédits (n: 2 – 2) avec un décalage vertical positif ou négatif en fonction du rapport de transmissivité entre les domaines. Un segment transitoire correspondant à n = 4 se produit lorsque le domaine non pompé est plus transmissif (n: 2 – 4 – 2), et qu’un segment d’écoulement fractionnel prend place lorsque l’interface est une faille (n: 2 – 4 – 1.5 – 2). L’hydrodynamique est généralement gouvernée par le rapport de transmissivité ; l’impact du rapport du coefficient d’emmagasinement est limité. La stabilisation tardive de la dérivée logarithmique du rabattement du niveau piézométrique, enregistrée dans n’importe quel puits, n’a pas tendance à refléter la transmissivité locale mais plutôt la région de transmissivité supérieure, éventuellement éloignée et aveugle, car elle fournit de manière prédominante l’eau souterraine au puits. Cette étude fournit des informations sur le comportement des aquifères non uniformes et sur les réponses théoriques qui peuvent aider les professionnels à détecter de telles conditions dans la nature.ResumenUna gestión adecuada del agua subterránea requiere modelos capaces de representar la naturaleza heterogénea de los acuíferos. Un punto clave es el conocimiento teórico del comportamiento del flujo en diversas condiciones arquetípicas heterogéneas, utilizando modelos analíticos o numéricos. Este estudio investiga numéricamente las transferencias de presión transitoria entre dominios homogéneos linealmente contiguos con propiedades hidráulicas no iguales, opcionalmente separadas por una falla conductora. Las respuestas al bombeo se analizan en términos de la dimensión del flujo variante en el tiempo, n. Se predicen dos etapas radiales (n: 2 – 2) con un desplazamiento vertical positivo o negativo dependiendo de la relación de la transmisividad entre dominios. Un segmento de transición n = 4 se produce cuando el dominio no bombeado es más transmisivo (n: 2 – 4 – 2), y un segmento de flujo fraccional ocurre cuando la interfaz es una falla (n: 2 – 4 – 1.5 – 2). La hidrodinámica está generalmente gobernada por la relación de transmisividad; el impacto de la relación de almacenamiento es limitado. La estabilización tardía de la derivación logarítmica registrada en cualquier pozo no tiende a reflejar la transmisividad local, sino más bien la transmisividad más alta de la región, posiblemente distante y ciega, ya que suministra predominantemente agua subterránea al pozo. Este estudio proporciona información sobre el comportamiento de los acuíferos no uniformes y sobre las respuestas teóricas que pueden ayudar a los profesionales a detectar tales condiciones en la naturaleza.摘要适当的地下水管理需要能够展示含水层异质特性的模型。关键要点就是利用基于解析和数值的模型掌握各种异质原型条件下水流习性的理论知识。本研究从数值上调查了由传导断层随意分开的、具有非均等水力特性的线性连续均质域之间的瞬时压力转移。根据时间变量水流维n分析了对抽水的响应。用一个正的或者负的垂直补偿预测了两个径向阶段(n: 2 – 2),用正的或者负的垂直补偿取决于域之间的导水系数比值。当非抽水域透水性更强时(n: 2 – 4 – 2),就会出现过渡的n = 4段,当界面是断层时(n: 2 – 4 – 1.5 – 2),就会出现分数流段。水动力特性通常受导水系数比值控制;释水系数比值有限。任何井记录的水位下降录井--派生的后期稳定性并不反映局部导水系数,而是反映具有较高导水系数的区域,可能是更遥远的区域及导水系数不明的区域,因为这些区域向井供水。本研究提供了非均一含水层习性及理论上响应方面的认识,这些认识可以帮助研究人员从本质上发现这样的状况。ResumoUm gerenciamento adequado das águas subterrâneas requer modelos capazes de representar a natureza heterogênea dos aquíferos. O ponto chave é o conhecimento teórico do comportamento do fluxo em várias condições arquetípicas heterogêneas, usando modelos analíticos ou numéricos. Este estudo investiga numericamente a transferência de pressão transitória entre domínios homogêneos linearmente contínuos com propriedades hidráulicas variadas, opcionalmente separado por uma falha condutora. Respostas do bombeamento são analisadas em termos da dimensão de variação temporal do fluxo, n. São previstos dois estágios radiais (n: 2 – 2) com uma compensação positiva ou negativa dependendo da proporção da transmissividade entre os domínios. Um segmento transicional n = 4 ocorre quando o domínio não bombeado é mais transmissivo (n: 2 – 4 – 2), e um segmento de fluxo fracionado ocorre quando a interface é uma falha (n: 2 – 4 – 1.5 – 2). As hidrodinâmicas geralmente são governadas pela proporção da transmissividade; o impacto da capacidade de armazenamento é limitado. A estabilização tardia do rebaixamento derivado logarítmico, registrada em qualquer poço, não tende a refletir a transmissividade local, mas preferivelmente a região de maior transmissividade, possivelmente distante e imperceptível, uma vez que fornece predominantemente água subterrânea ao poço. Este estudo proporciona conhecimento sobre o comportamento de aquíferos heterogêneos e respostas teóricas que podem auxiliar profissionais a detectar tais condições na natureza.

Modelling Seismically Induced Mesothermal Goldfields along the Deep-Rooted Cadillac-Larder Lake Fault, Abitibi, Canada

Gold deposits are not uniformly distributed along major faults due to complex (and long-debated) interactions between seismicity, hydrothermalism, and structural heterogeneities. Here, we use static stress modelling (SSM) to quantitatively investigate these interactions, by exploring the role of Cadillac-Larder Lake Fault (CLLF) Archean seismicity in the genesis of the regional goldfields. Various rheological factors are evaluated for optimizing the models’ ability to reproduce known gold occurrences, regarded as the fossil primary markers of synkinematic hydrothermal systems. We propose that the marked structural heterogeneities of the CLLF induced persistent seismic segmentation and recurrent ruptures of the same fault windows that arrested on robust node points. These ruptures favour repeated occurrences of seismically triggered hydrothermalism along long-existing fluid pathways having an enhanced permeability and iterative ore formation into supracrustal discharge zones by means of episodic drops and build-ups of pressure. Two-dimensional SSM permits the predictive mapping of these high-potential zones. These modelled zones correlate positively with the actual observed gold distribution. We demonstrate that the ruptures along the Joannes Segment arresting on the Davidson Fault and Lapa’s bend can explain the occurrence and location of the Rouyn and Malartic goldfields; the models’ validity is improved by implementing regional geological constraints; and the distant gold occurrences from the CLLF, including the Bourlamaque field, can be explained by doublet seismic events along the Riviere-Heva and Lapause subsidiary faults. Our results provide new perspectives from a fundamental standpoint and for exploration purposes.