Un aquifère est composé de couches ou d'unités de sables, de graviers et de roches contenant suffisamment de matériaux géologiques saturés et perméables pour obtenir une quantité utilisable et durable d'eau souterraine potable. La réserve d'eau souterraine provient de l'eau de surface qui s'infiltre dans le sol et s'accumule dans les dépôts géologiques.
Au cours de l'histoire de la Terre, des dépôts géologiques se sont formés et ont été recouverts par les dépôts se formant par la suite. La création des dépôts capables de retenir l'eau souterraine a été le résultat d'interactions complexes et dynamiques entre les processus naturels de la Terre, notamment la météorisation et l'érosion, l'écoulement fluvial, la glaciation et la déglaciation ainsi que les fluctuations du niveau de la mer.
Aquifères captifs et libres
Aquifère captif
Un aquifère captif est un aquifère qui se forme directement sous une couche imperméable de matériaux géologiques. Cette unité sus-jacente peut être un aquiclude, qui est une couche ou une unité de matériaux géologiques dont la perméabilité est tellement faible qu'elle est presque imperméable à l'écoulement de l'eau souterraine, ou un aquitard, qui est une couche ou une unité avec une faible perméabilité, mais qui permet tout de même une diffusion limitée de l'eau souterraine.
Aquifère libre
Un aquifère libre est un aquifère qui reçoit de l'eau directement de la surface. Il n'y aucune couche sus-jacente de faible perméabilité qui peut isoler le système d'eau souterraine.
Principaux types d'aquifères
Aquifères gréseux du substratum
Dans le passé géologique, les mers anciennes recouvraient la majorité de la partie centrale de l'Amérique du Nord. Les périodes pendant lesquelles la mer empiétait sur le rivage de la masse terrestre sont appelées périodes de mer transgressive. Alors que la mer envahissait l'intérieur des terres, le sable porté vers la mer par les rivières et les ruisseaux était continuellement déposé sous forme de dépôts de plage le long du bord du rivage qui s'avance.
Les milieux sédimentaires transgressifs sont des périodes pendant lesquelles le rivage de la mer se retire de la masse terrestre. On les qualifie de milieux marins régressifs, et bien que le même mécanisme de dépôt sédimentaire se produise, la séquence verticale s'inverse, et l'on constate un dépôt de particules d'argile.
Pendant certaines périodes de l'histoire de la Terre, des épisodes de transgression et de régression marines similaires se sont répétés. Ces épisodes ont entraîné une séquence géologique qui consiste en une alternance de zones où le sable silteux (aujourd'hui des formations gréseuses courantes représentant des aquifères potentiels) et où l'argile sableuse prédominent (aujourd'hui des formations schisteuses courantes). Ces schistes ne produisent généralement pas de réserve d'eau souterraine.
Aquifères carbonatés du substratum
Les sédiments présents sur le substratum carbonaté sont une source importante d'eau souterraine dans certaines régions du Canada. Les coquilles et les sécrétions des organismes marins se sont déposées dans les eaux chaudes peu profondes des mers anciennes pour former de grandes épaisseurs de récifs coralliens produisant du carbone de calcium organique; ces résidus organiques, habituellement mélangés à des quantités variables de sable et de limon, forment ce que l'on appelle communément des aquifères calcaires.
Aquifères alluviaux
Au fur et à mesure que les roches se dégradent sous l'effet de l'érosion, les ruisseaux et les rivières transportent les particules de roche érodée par voie de terre sous forme de charge de fond, de charge en suspension et en solution. La charge de fond est composée de particules à la texture extrêmement grossière qui se déplacent au fond du chenal. La charge en suspension correspond aux sédiments ayant la texture la plus fine (habituellement de l'argile ou du sable grossier) transportés en suspension, et les matières dissoutes sont transportées en solution.
La charge de fond et les sédiments en suspension constituent des aquifères alluviaux, avec un potentiel de création de réserve d'eau souterraine qui dépend en grande partie de l'épaisseur et de la texture grossière du dépôt. Les topographies alluviales typiques comprenant des aquifères sont les plaines inondables, les terrasses, les cônes alluviaux et les deltas.
Les dépôts dans les plaines inondables, souvent appelés alluvions fluviatiles, se forment dans les vallées fluviales lorsque la rivière sort de son lit (inondation), avec un dépôt subséquent des sédiments en suspension. Avec le temps, alors que la rivière serpente d'avant en arrière au fond de la vallée, ces dépôts s'unissent pour former une plaine. Ces derniers s'étendent sur une bonne partie de la largeur de la vallée, voire sur la totalité. Habituellement, en raison de la nature adéquatement triée des sédiments et des taux de recharge élevés fournis par la rivière, les dépôts dans les plaines inondables représentent souvent de bons aquifères.
En raison de changements dans la pente du ruisseau, la rivière peut reprendre le processus d'érosion le long de la vallée et provoquer des entailles descendantes dans les dépôts des plaines inondables existantes. La vallée devenant plus profonde, l'ancienne surface de la plaine inondable forme alors des terrasses le long des parois de la vallée; ces terrasses peuvent être associées, c'est-à-dire qu'elles sont présentes des deux côtés de la vallée, ou ne pas l'être, c'est-à-dire qu'elles ne se forment que d'un côté de la vallée.
On rencontre souvent de nombreux niveaux de terrasse le long de la vallée. S'ils sont saturés, les dépôts des terrasses peuvent constituer un aquifère adéquat. Toutefois, ils sont souvent touchés par le drainage qui a lieu au printemps dans la vallée adjacente.
Les cônes alluviaux prennent naissance à la base des montagnes lorsque des ruisseaux et des rivières aux courants forts transportant d'importantes charges de sédiments entrent en contact avec des vallées relativement plates adjacentes au front de la montagne. En raison de la diminution brutale de la vitesse de l'eau lorsque les rapides montagneux pénètrent dans la vallée aux flancs situés de part et d'autre, la charge en sédiments chute brusquement et d'importantes couches de sédiments se forment à la base de la montagne.
À mesure que de multiples cônes alluviaux se forment et grandissent, ils peuvent fusionner en un tronçon presque continu de sédiments reposant le long du front de la montagne.
Les caractéristiques liées à la porosité et à la perméabilité (conductivité hydraulique) des dépôts des cônes alluviaux sont plus faibles comparées à celles des alluvions fluviatiles. Toutefois, en raison de leur épaisseur souvent importante, ils peuvent aussi représenter une bonne source d'eau souterraine.
Des reliefs deltaïques apparaissent lorsque des rivières ou des ruisseaux envahissent des plans d'eau stagnante, qu'il s'agisse d'eau douce ou d'eau salée, ou lorsque des ruisseaux aux courants rapides et fortement chargés en sédiments pénètrent dans un cours d'eau aux courants moins rapides. Ces dépôts ont, en règle générale, une bonne porosité grâce à la nature adéquatement triée et bien ronde des dépôts; malgré cela, la conductivité hydraulique peut considérablement varier selon la répartition de la taille moyenne du grain.
Aquifères glaciaires
Les glaciers du Pléistocène ont eu une incidence à l'échelle mondiale au cours des trois derniers millions d'années, en particulier dans l'hémisphère Nord. La dernière progression glacière continentale a débuté il y a 80 000 ans environ et a commencé à se retirer il y a environ 10 000 à 8 000 ans. Les nappes glaciaires se sont accumulées dans les hauts plateaux de l'île de Baffin et du Labrador au Canada, puis se sont répandues à partir de ces régions.
Les débris rocheux transportés dans la glace finissent par être amenés à l'extrémité ou sur le côté du glacier et se déposent sous forme de till. Le till est défini comme un dépôt glaciaire non trié et non stratifié composé d'un mélange hétérogène d'argile, de limon et de gravier, et contenant des cailloux et des blocs rocheux de taille variable.
Les débris rocheux qui s'échappent lorsque la glace fond sont connus sous le nom de till d'ablation et forment un relief que l'on appelle moraine. De petites lentilles de sable et de gravier apparaissent lorsque le till d'ablation est remanié par l'écoulement de l'eau. Ces dépôts de sable et de gravier sont généralement présents sous forme de petites poches ou lentilles réparties au hasard dans le till; elles sont une source d'eau souterraine pour de nombreux puits individuels.
À plus grande échelle, les sédiments transportés sous forme de charge de fond ou en suspension dans les grands chenaux d'eau de fonte ou dans les canaux de trop-plein, et qui proviennent de la fonte du front glaciaire, peuvent se déposer dans le chenal d'eau de fonte en tant que sable ou gravier fluvioglaciaires, ou en tant que dépôt d'épandage fluvioglaciaire sableux et graveleux stratifié (formation de couches).
Les dépôts d'épandage fluvioglaciaire s'accumulent devant la moraine dans l'eau stagnante et peuvent, en fonction du temps de séjour du contact entre la glace et la moraine, se transformer en plaine d'épandage fluvioglaciaire s'étendant sur plusieurs kilomètres.
L'épaisseur, la variabilité de la texture, l'étendue latérale et la continuité des dépôts d'épandage fluvioglaciaire varient considérablement. À la suite de multiples glaciations, ces dépôts d'épandage fluvioglaciaire ont été recouverts par les tills qui se sont formés par la suite et prennent désormais le nom de sables et de graviers « intertill », c'est-à-dire intercalés entre deux unités de till.
Bien que les éléments récupérés des dépôts d'épandage fluvioglaciaire varient fortement selon l'épaisseur et l'étendue aréale des sédiments, les puits réalisés dans les sables et les graviers intertill seront généralement supérieurs aux éléments récupérés des poches et des lentilles de dépôt fluvioglaciaire dispersées dans les unités de till individuel.
Avec la progression et le retrait des nappes glaciaires continentales à plusieurs reprises en Amérique du Nord, ce processus a entraîné une succession complexe de séquences de tills et de dépôts d'épandage fluvioglaciaire interstratifiés. La répartition du till et des dépôts d'épandage fluvioglaciaire est rendue plus compliquée par le fait que les impulsions à court terme (progressions) et les retraits du front glaciaire se sont produits à plusieurs reprises au cours de chacun des événements glaciaires majeurs. Cela a engendré la création de tills et de dépôts d'épandage fluvioglaciaire semblables à une plus petite échelle au sein des unités majeures.
Bien qu'ils ne soient pas déposés directement à partir de la glace, ou à partir de l'écoulement de l'eau de fonte, les dépôts portés par le vent, connus sous le nom de loess, sont également liés à l'activité glaciaire et, dans certaines régions, ils peuvent représenter une source potentielle d'eau souterraine. Le loess est composé de dépôts superficiels de limon non consolidé et non stratifié, formés par des vents violents qui partent du front glaciaire et qui soufflent à travers les plaines d'épandage fluvioglaciaire reposant sur le devant de la nappe glaciaire. Ces dépôts de limon portés par le vent peuvent atteindre une épaisseur et une surface couverte considérables.
Vallées préglaciaires enfouies
Le sable et le gravier aquifères qui remplissent les chenaux d'écoulement préglaciaires constituent un autre type de dépôt de sable et de gravier pouvant représenter une source potentielle d'eau souterraine. Ces vallées préglaciaires, que l'on appelle communément les vallées enfouies, sont d'anciens chenaux d'écoulement qui ont été creusés dans le paysage du substratum préglaciaire et qui ont ensuite été recouverts par les dépôts glaciaires ultérieurs.
Bien qu'ils puissent avoir une portée régionale, la répartition et la continuité hydraulique des sédiments aquifères au sein de ces anciens chenaux d'écoulement varient souvent fortement sur de courtes distances, et, de ce fait, le potentiel de création de réserve d'eau souterraine est extrêmement variable.
Aquifères ignés et métamorphiques
Le Bouclier canadien est une vaste zone composée de roches ignées et métamorphiques plissées de façon complexe ou horizontales d'âge précambrien, recouvertes d'une fine couche de dépôt glaciaire hétérogène. Ces roches solides n'ont pas les caractéristiques hydrauliques de stockage et de diffusion de l'eau nécessaires pour fournir des réserves adéquates d'eau souterraine. Toute eau souterraine obtenue de ces roches provient des fissures et des vides.