Définition et nomenclature
Le Groupe de Lorraine est une unité lithostratigraphique de rang de groupe, c'est-à-dire un ensemble de formations géologiques apparentées. Son nom, d'usage ancien dans la géologie du nord-est de l'Amérique du Nord, a été appliqué au Québec à la succession de shales et de grès qui recouvre le Shale d'Utica dans les Basses-Terres du Saint-Laurent.
Dans la nomenclature québécoise exposée dans les synthèses du ministère responsable des ressources naturelles, notamment le rapport MM 85-02 consacré à la géologie des Basses-Terres du Saint-Laurent, le groupe comprend deux formations superposées :
- la Formation de Nicolet, à la base, surtout composée de shale avec des interlits de grès et de siltstone ;
- la Formation de Pontgravé, au sommet, qui comporte notamment du calcaire et du shale.
La succession régionale de la fin de l'Ordovicien se lit ainsi, du plus ancien au plus récent :
| Position | Unité |
|---|---|
| Supérieure | Groupe de Queenston |
| Intermédiaire | Groupe de Lorraine (formations de Nicolet et de Pontgravé) |
| Inférieure | Shale d'Utica |
Les subdivisions et les limites entre unités ont évolué au fil des travaux de cartographie. Les interprétations doivent donc être rapportées à la date des publications qui les proposent.
Répartition géographique
Le Groupe de Lorraine appartient à la plate-forme du Saint-Laurent, l'une des grandes provinces géologiques du Québec méridional, qui recouvre en discordance le socle précambrien de la Province de Grenville. Il s'étend entre les régions de Montréal et de Québec, de la rive nord du fleuve Saint-Laurent jusqu'à la faille d'Aston, dans la partie centrale des Basses-Terres.
Son épaisseur varie sensiblement selon la position dans le bassin. Elle atteint environ 2 000 à 2 500 mètres dans l'axe du synclinal de Chambly–Fortierville, grande structure plissée orientée parallèlement au front appalachien, qui conserve la partie la plus complète de la succession.
Vers le sud-est, la plate-forme est bordée par les nappes chevauchantes des Appalaches, dont la limite principale correspond à la ligne de Logan. Le Groupe de Lorraine se trouve ainsi dans la zone de transition entre le domaine autochtone, peu déformé, et le domaine appalachien, plissé et charrié.
En surface, les roches du groupe sont largement masquées par les dépôts meubles quaternaires, notamment les argiles de la mer de Champlain et les tills glaciaires. Les affleurements se concentrent donc le long des cours d'eau, des escarpements et des tranchées.
Lithologie
Le Groupe de Lorraine est constitué d'une alternance de roches sédimentaires détritiques fines à moyennes :
- shale gris à gris foncé, lithologie dominante, surtout à la base ;
- siltstone, en lits minces intercalés ;
- grès fins, en bancs plus ou moins épais ;
- calcaire et niveaux carbonatés, plus fréquents vers le sommet.
La proportion de carbonate tend à augmenter vers le haut de la succession, en particulier dans la Formation de Pontgravé. Au-dessus, la sédimentation passe aux dépôts rouges du Groupe de Queenston, qui marquent le comblement du bassin.
La base du groupe se distingue du Shale d'Utica sous-jacent par l'apparition progressive des interlits de grès et de siltstone, l'Utica étant un shale noir plus riche en matière organique et plus homogène. Cette transition, de nature graduelle, a fait l'objet de travaux de caractérisation, notamment dans le cadre des études menées sur le potentiel en gaz de shale du sud du Québec.
Dans la région montérégienne, les intrusions du Crétacé, comme celles des collines Montérégiennes, recoupent localement les shales de la plate-forme et les ont transformés par métamorphisme de contact au voisinage des massifs.
Âge et contexte géodynamique
Les roches du Groupe de Lorraine se sont déposées à l'Ordovicien supérieur. Bien que l'unité soit parfois décrite de façon générale comme siluro-ordovicienne, les synthèses de référence la placent dans l'Ordovicien supérieur, le Groupe de Queenston terminant la succession ordovicienne de la plate-forme.
Les dépôts sont interprétés comme des flyschs d'avant-pays associés à l'orogenèse taconique. À cette époque, la collision entre la marge de la Laurentia et des arcs volcaniques situés au sud-est provoque la surcharge et la flexion de la croûte continentale. Il en résulte un bassin d'avant-pays qui s'approfondit et reçoit les sédiments arrachés aux reliefs en voie de surrection.
La séquence régionale traduit cette évolution :
- la plate-forme carbonatée antérieure s'ennoie et cède la place aux boues noires du Shale d'Utica, déposées en eau relativement profonde et mal oxygénée ;
- l'apport détritique augmente avec le Groupe de Lorraine, dont les grès et siltstones sont souvent interprétés comme des dépôts de courants de turbidité ;
- le bassin se comble progressivement, et les dépôts deviennent plus littoraux puis continentaux avec les couches rouges du Groupe de Queenston.
Le Groupe de Lorraine constitue ainsi un témoin sédimentaire de la construction des Appalaches au Québec.
Affleurements
Les affleurements du Groupe de Lorraine sont dispersés en raison de l'épaisse couverture de dépôts meubles des Basses-Terres. Ils se rencontrent principalement dans les vallées encaissées, sur les berges des rivières et dans les talus.
Dans la région de Québec, des coupes des unités d'Utica et de Lorraine sont signalées au pied de la chute Montmorency et le long de la rivière Saint-Charles. Ces secteurs, situés près du contact entre la plate-forme du Saint-Laurent et les Appalaches, figurent parmi les sites décrits dans les ouvrages consacrés au patrimoine géologique de Québec et dans le rapport MB 94-40 sur la géologie de la région de Québec.
Les vallées de rivières de la rive sud, dont celle de la rivière Nicolet qui a donné son nom à la formation inférieure du groupe, offrent également des expositions de la succession. Ailleurs, la connaissance de l'unité repose surtout sur les forages, notamment ceux réalisés pour l'exploration pétrolière et gazière, ainsi que sur les levés géophysiques.
Intérêt appliqué
Hydrocarbures
Le Groupe de Lorraine est étudié depuis longtemps dans le cadre de l'exploration pétrolière et gazière des Basses-Terres du Saint-Laurent, comme en témoignent les rapports DP 155 et les travaux de l'Institut national de la recherche scientifique sur le potentiel en hydrocarbures des bassins. Au tournant des années 2010, l'intérêt pour le gaz de shale du Shale d'Utica a conduit à des travaux de caractérisation conjointe de l'Utica et du Lorraine, dont le document DV 2012-04 de Géologie Québec. Le Groupe de Lorraine y est examiné à la fois comme roche de couverture et comme réservoir potentiel.
Hydrogéologie
Les shales et grès fracturés du groupe forment, dans plusieurs secteurs, une partie du roc qui alimente les puits domestiques. La qualité et le rendement de ces aquifères de roc fracturé dépendent de la densité des fractures et de la nature des dépôts meubles qui les recouvrent.
Sols
Les roches du groupe ont contribué aux matériaux de surface de certaines régions agricoles. Les études pédologiques, comme celle du comté de Rouville réalisée par Agriculture et Agroalimentaire Canada, décrivent le substratum de shale comme l'une des roches mères des tills et des sols locaux.
Historique des travaux
La succession ordovicienne des Basses-Terres du Saint-Laurent est décrite dès les premiers levés de la Commission géologique du Canada au XIXe siècle. Les termes d'Utica et de Lorraine, empruntés à la stratigraphie de l'État de New York, ont été appliqués aux shales de la vallée du Saint-Laurent par analogie de faciès et de position.
Au XXe siècle, les services géologiques du Québec ont précisé la cartographie et la nomenclature de l'unité. Le rapport MM 85-02, synthèse de la géologie des Basses-Terres du Saint-Laurent, a formalisé une subdivision du Groupe de Lorraine en formations de Nicolet et de Pontgravé, nomenclature encore utilisée dans de nombreux travaux.
Plusieurs rapports géologiques régionaux, dont le rapport RG 148, et des études sur les possibilités pétrolières ont complété la description de l'unité. Les études plus récentes, menées notamment par Géologie Québec et l'INRS, ont porté sur la caractérisation géochimique et géomécanique des shales, ainsi que sur l'inventaire des ressources naturelles du sud du Québec. Les données cartographiques et les rapports sont accessibles dans le Système d'information géominière du Québec (SIGÉOM).