A Hydrostratigraphic Framework for the Paleozoic Bedrock of Southern Ontario

Abstract

Groundwater systems in the intermediate to deep subsurface of southern Ontario are poorly understood, despite their value for a number of societal uses. A regional hydrostratigraphic framework is a necessary precursor for improving our understanding of groundwater systems and enabling development of a 3-D hydrostratigraphic model to visualize these groundwater systems. This study is a compilation and integration of published and unpublished geological, hydrogeological, hydrochemical and isotopic data collected over the past 10 years to develop that framework.

Bedrock is covered by a thin veneer of surficial sediments that comprise an aquifer/aquitard system of considerable local variability and complexity. Aquifers in the bedrock are thin and regionally extensive, separated by thick aquitards, within a well-defined lithostratigraphic framework and a well-developed hydrochemical depth zonation comprising a shallow fresh water regime, an intermediate brackish to saline sulphur water regime, and a deep brine regime of ancient, evaporated seawater. Occurrence and movement of groundwater in shallow bedrock is principally controlled by modern (Quaternary) karstic dissolution of subcropping carbonate and evaporite rocks, and in the intermediate to deep subsurface by paleokarst horizons developed during the Paleozoic. Flow directions in the surficial sediments of the shallow groundwater regime are down-gradient from topographic highs and down the regional dip of bedrock formations in the intermediate regime. Shallow karst is the entry point for groundwater penetration into the intermediate regime, with paleo-recharge by glacial meltwater and limited recent recharge by meteoric water at subcrop edges, and down-dip hydraulic gradients in confined aquifers. Hydraulic gradient is up-dip in the deep brine regime, at least for the Guelph Aquifer and the Cambrian Aquifer, with no isotopic or hydrochemical evidence of infiltration of meteoric water and no discharge to the surface.

Fourteen bedrock hydrostratigraphic units are proposed, and one unit comprising all the surficial sediments. Assignment of lithostratigraphic units as hydrostratigraphic units is based principally on hydrogeological characteristics of Paleozoic bedrock formations in the intermediate to deep groundwater regimes, below the influence of modern meteoric water. Carbonate and evaporite rocks which form aquitards in the subsurface may form aquifers at or near the surface, due to karstic dissolution by acidic meteoric water, necessitating compromises in assignment of hydrostratigraphic units.

Keywords:

• aquifer,
• bedrock,
• groundwater,
• hydrochemistry,
• hydrostratigraphy,
• Ontario,
• Paleozoic

Résumé

Les systèmes d'eaux souterraines du sous-sol intermédiaire à profond du sud de l'Ontario sont mal compris, malgré leur valeur pour de nombreux usages par la société. Un cadre hydrostratigraphique régional est un préalable nécessaire à l’amélioration de notre compréhension des systèmes d'eaux souterraines et au développement d'un modèle hydrostratigraphique 3D pour visualiser ces systèmes d'eaux souterraines. Cette étude est une compilation et une intégration de données géologiques, hydrogéologiques, hydrochimiques et isotopiques publiées et non publiées recueillies au cours des 10 dernières années afin de développer ce cadre.

Le substrat rocheux est recouvert d'un mince placage de sédiments de surface qui comprend un système d’aquifères et d’aquitards d'une variabilité et d'une complexité locales considérables. Les aquifères du substrat rocheux sont minces et étendus au niveau régional, séparés par des aquitards épais, dans un cadre lithostratigraphique bien défini et une zonation hydrochimique verticale bien développée comprenant un régime peu profond d'eau douce, un régime intermédiaire d'eau sulfureuse saumâtre à saline et un régime profond de saumure résultant de l’évaporation d'eau de mer ancienne. La présence et le mouvement des eaux souterraines dans le substrat rocheux peu profond sont principalement contrôlés par la dissolution karstique moderne (quaternaire) des roches carbonatées et évaporitiques sub-affleurantes, et dans le sous-sol intermédiaire à profond par les horizons paléokarstiques développés au Paléozoïque. Les directions d'écoulement des eaux dans les sédiments de surface du régime peu profond sont en aval des sommets topographiques et en aval du pendage régional des formations de substrat rocheux dans le régime intermédiaire. Le karst peu profond est le point d'entrée pour l’infiltration des eaux souterraines dans le régime intermédiaire, avec une paléo-recharge d'eau de fonte glaciaire et une recharge récente limitée d'eau météorique aux bords de sous-affleurement, et un gradient hydraulique en aval-pendage dans les aquifères confinés. Le gradient hydraulique est en amont-pendage dans le régime profond de saumure, au moins pour l'aquifère de Guelph et l'aquifère du Cambrien, sans indication isotopique ou hydrochimique d'infiltration d'eau météorique et sans déversement à la surface.

Quatorze unités hydrostratigraphiques du substrat rocheux sont proposées, et une unité comprenant tous les sédiments de surface. L'attribution des unités lithostratigraphiques en tant qu’unités hydrostratigraphiques repose principalement sur les caractéristiques hydrogéologiques des formations du substrat rocheux du Paléozoïque dans les régimes intermédiaires à profonds des eaux souterraines, sous l'influence des eaux météoriques modernes. Les roches carbonatées et évaporitiques qui forment les aquitards dans le sous-sol peuvent former des aquifères à la surface ou près de la surface, en raison de la dissolution karstique par l'eau météorique acide, ce qui nécessite des compromis dans l'attribution des unités hydrostratigraphiques.