Définition et terminologie
L'argile de la mer de Champlain désigne l'ensemble des sédiments fins, principalement argileux et silteux, déposés au fond de la mer de Champlain, un bras de mer postglaciaire qui a occupé la vallée du Saint-Laurent, la basse vallée de l'Outaouais et la vallée du lac Champlain à la fin du Pléistocène.
L'expression « argile à Leda » (en anglais Leda clay) est également employée, surtout dans la littérature géotechnique canadienne et ontarienne. Elle renvoie à un mollusque bivalve d'eau froide autrefois classé dans le genre Leda (aujourd'hui Portlandia arctica), dont les coquilles fossiles ont été observées dans ces dépôts. Dans les travaux québécois, on parle plus couramment d'« argiles de la mer de Champlain » ou de « dépôts marins de la mer de Champlain ».
Ces argiles ne doivent pas être confondues :
- avec les sédiments fluviaux récents du Saint-Laurent, beaucoup plus jeunes et formés en milieu d'eau douce ;
- avec les argiles marines analogues déposées ailleurs au Québec par d'autres mers postglaciaires, comme la mer de Goldthwait dans l'estuaire et le golfe ou la mer de Laflamme au Saguenay–Lac-Saint-Jean, qui présentent des propriétés comparables mais relèvent d'épisodes et de bassins distincts.
Origine et histoire géologique
Retrait glaciaire et invasion marine
Au cours de la dernière glaciation, l'inlandsis laurentidien, épais de plusieurs kilomètres, a enfoncé la croûte terrestre sous son poids. Lors de sa déglaciation, la croûte déprimée n'a pas eu le temps de se relever avant que la fonte des glaces ne libère la vallée du Saint-Laurent. Les eaux salées de l'Atlantique ont alors pénétré dans cette dépression par l'est, formant la mer de Champlain.
Selon les estimations rapportées par les sources régionales, l'épisode marin s'est déroulé il y a environ 12 000 à 9 000 ans. Les chronologies publiées varient selon les méthodes de datation (années radiocarbone ou années calibrées) et selon les secteurs considérés, la mer s'étant retirée progressivement.
Sédimentation
Les eaux de fonte de l'inlandsis, qui reculait vers le nord, transportaient d'importantes quantités de « farine de roche », c'est-à-dire de particules très fines produites par l'abrasion glaciaire du socle. En milieu marin, ces particules se sont floculées sous l'effet de la salinité et se sont déposées en formant une structure ouverte, très poreuse et riche en eau. Les argiles reposent souvent sur des dépôts glaciaires (till) et sont fréquemment surmontées de sables et de silts d'eau peu profonde.
Émersion
Le relèvement isostatique de la croûte, plus rapide que la remontée du niveau marin, a progressivement fait émerger le fond de la mer. La mer de Champlain a cédé la place à un plan d'eau moins salé, parfois désigné comme le lac à Lampsilis, puis au réseau hydrographique actuel. Les cours d'eau se sont ensuite encaissés dans les dépôts marins, façonnant les terrasses et les talus argileux caractéristiques des basses-terres.
Répartition
Au Québec, les argiles de la mer de Champlain couvrent de vastes secteurs de la province géologique de la plateforme du Saint-Laurent et de ses marges. On les rencontre notamment :
- dans les basses-terres du Saint-Laurent, de la région de Québec jusqu'à la région de Montréal, sur les deux rives du fleuve ;
- dans la Montérégie, le Centre-du-Québec et la région de Lanaudière ;
- dans les basses-terres de l'Outaouais, dans la région de Gatineau et le long de la rivière des Outaouais ;
- dans les vallées inférieures des Laurentides, où les dépôts marins pénètrent les vallées du rebord du Bouclier canadien ;
- dans le bassin versant de la rivière Châteauguay et en direction de la vallée du lac Champlain, au sud de la frontière.
La mer de Champlain s'étendait également en Ontario, dans la vallée de l'Outaouais, ainsi que dans les États de New York et du Vermont, autour de l'actuel lac Champlain, qui lui a donné son nom.
Épaisseur
L'épaisseur des dépôts varie fortement selon la topographie du substratum rocheux et la position dans l'ancien bassin. Des études régionales rapportent des épaisseurs pouvant atteindre près de 80 m dans certains secteurs, tandis que les dépôts s'amincissent vers les anciens rivages et sur les reliefs, où affleurent le roc ou les dépôts glaciaires. Dans les basses-terres de l'Outaouais, la couverture argileuse est localement puissante.
Composition et propriétés
Aspect
Les argiles de la mer de Champlain sont généralement de couleur gris bleuté à l'état frais, pouvant brunir en surface sous l'effet de l'oxydation. Elles sont massives ou laminées, voire rubanées, selon les conditions de dépôt. Les faciès comprennent des argiles, des argiles silteuses, des silts et des sables ; les faciès littoraux peuvent contenir du gravier et des galets.
Minéralogie
Contrairement à de nombreuses argiles issues de l'altération chimique des roches, ces sédiments proviennent surtout du broyage mécanique du socle par les glaciers. Les travaux minéralogiques publiés notamment par le Conseil national de recherches du Canada ont montré que la fraction fine contient une proportion importante de minéraux primaires finement broyés, tels que le quartz, les feldspaths et les amphiboles, associés à des minéraux argileux comme l'illite et la chlorite. Les argiles gonflantes y sont généralement peu abondantes.
Fossiles
Les dépôts marins de la mer de Champlain renferment par endroits des coquillages fossiles d'eau froide et, plus rarement, des restes de mammifères marins, témoins du caractère marin et froid du milieu de dépôt.
Eau interstitielle
Les argiles se sont déposées dans une eau salée qui a été piégée dans leurs pores. Depuis l'émersion, les eaux souterraines douces ont graduellement lessivé une partie de ces sels. Des travaux réalisés à Polytechnique Montréal sur l'évolution géochimique de l'eau interstitielle montrent que ces sédiments peuvent conserver une signature géochimique liée à leur dépôt marin, variable selon la profondeur et le degré de lessivage.
Comportement géotechnique
Sensibilité
La propriété la plus connue des argiles de la mer de Champlain est leur sensibilité, définie comme le rapport entre la résistance au cisaillement de l'argile intacte et celle de la même argile remaniée. Leur structure floculée, très ouverte, contient souvent plus d'eau que ne le permettrait leur limite de liquidité. Tant que cette structure demeure intacte, l'argile présente une certaine résistance ; une fois remaniée, elle peut perdre presque toute cohésion et s'écouler comme un liquide.
Le lessivage des sels de l'eau interstitielle par les eaux douces est généralement considéré comme un facteur clé de cette sensibilité : la diminution de la salinité affaiblit les liaisons entre les particules sans modifier la teneur en eau. Les argiles les plus sensibles sont parfois qualifiées d'« argiles extrasensibles » ou d'« argiles à comportement liquide » (en anglais quick clays).
Autres propriétés
Certaines argiles de la mer de Champlain présentent :
- une faible résistance au cisaillement ;
- une forte compressibilité, qui peut entraîner des tassements importants sous les remblais et les bâtiments ;
- une teneur en eau naturelle élevée ;
- une perméabilité très faible.
Ces propriétés ne sont pas uniformes : elles varient d'un site à l'autre et selon la profondeur, et doivent être établies par des investigations géotechniques locales.
Glissements de terrain
Les talus taillés par les cours d'eau dans les argiles de la mer de Champlain sont le siège de nombreux mouvements de terrain, dont des coulées argileuses. On distingue généralement :
- les glissements superficiels, qui touchent une faible épaisseur de sol en bordure des talus ;
- les glissements rotationnels, qui mobilisent une masse de sol le long d'une surface de rupture courbe ;
- les coulées argileuses (ou glissements fortement rétrogressifs), au cours desquelles l'argile remaniée se liquéfie et s'écoule, entraînant le recul rapide de l'escarpement sur des distances pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres.
L'érosion à la base des talus par les cours d'eau, les fortes précipitations, la fonte des neiges et certaines interventions humaines (remblais en sommet de talus, excavations à la base, concentration des eaux de ruissellement) figurent parmi les facteurs déclencheurs reconnus.
Événements marquants
Plusieurs glissements meurtriers survenus dans ces argiles ont marqué l'histoire du sud du Québec, notamment celui de Notre-Dame-de-la-Salette, en Outaouais, en 1908, celui de Nicolet en 1955 et celui de Saint-Jude, en Montérégie, en mai 2010. La catastrophe de Saint-Jean-Vianney, survenue en 1971 au Saguenay, s'est produite dans des argiles sensibles analogues, mais déposées par la mer de Laflamme.
Gestion du risque et usages
Encadrement au Québec
En raison des risques associés, le gouvernement du Québec cartographie depuis plusieurs décennies les zones exposées aux glissements de terrain dans les dépôts argileux. Le ministère des Transports et le ministère de la Sécurité publique produisent des cartes de zones de contraintes relatives aux glissements de terrain, assorties d'un cadre normatif que les municipalités régionales de comté et les municipalités intègrent à leurs outils d'aménagement. Ces normes encadrent notamment la construction, les remblais et les excavations à proximité des talus.
Génie civil
La forte compressibilité et la sensibilité de ces argiles imposent des précautions particulières pour les fondations de bâtiments, les remblais routiers, les digues et les ouvrages enterrés. Les tassements différés, parfois aggravés par l'assèchement des sols en période de sécheresse, peuvent endommager les fondations des bâtiments.
Agriculture
Les dépôts marins de la mer de Champlain constituent le matériau parental de nombreux sols argileux des basses-terres du Saint-Laurent. Leur relief plat et leur fertilité ont favorisé l'implantation d'une agriculture intensive, ce qui fait de ces régions l'un des principaux territoires agricoles du Québec.
Recherche
Ces argiles font l'objet de travaux soutenus en géologie du Quaternaire, en hydrogéologie et en géotechnique, menés notamment par la Commission géologique du Canada, Géologie Québec, le Conseil national de recherches du Canada et des établissements universitaires québécois.