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Contribution de la gravimétrie à l'étude de la structure de la plaine de Mornag (nord est de la Tunisie): implications hydrogéologiques

Boutheina Farhat

1 , Ramdhane Benassi 2 , Chokri Jallouli 2 & Abdallah Ben Mammou 1 1

Laboratoire des Ressources Minérales et Environnement (LRME), Faculté des Sciences de Tunis, Département de Géologie, Campus

Universitaire, 2092 Tunis, Tunisie

boutheina.farhat@laposte.net 2

Unité de Recherche, 02/UR/10-02, Dynamique des Bassins Sédimentaires, Paléoenvironnements et Structures Géologiques, Université de

Tunis El Manar, Faculté des Sciences de Tunis, Département de Géologie, 2092 Tunis, Tunisie

Reçu le 12 Mai 2009; accepté le 9 Avril 2010; la discussion concernant cet article est ouverte jusqu'au 1er Juin 2011CitationFarhat,B.,Benassi,R.,Jallouli,C.&BenMammou,A.(2010)Contributiondelagravimétrieàl'étudedelastructuredelaplaine

de Mornag (nord est de la Tunisie): implications hydrogéologiques.Hydrol. Sci. J.55(8), 1396-1404.

RésuméCette étude est basée sur l'analyse des données gravimétriques; elle a pour but d'améliorer la connais-

sance de la structure de la plaine de Mornag. La carte de l'anomalie résiduelle a d'abord été calculée à partir de la

carte de l'anomalie de Bouguer en enlevant un gradient régional. La résiduelle calculée fournit des informations sur

la variation de la densité dans le bassin de Mornag. Afin de mettre en évidence les différentes structures dans lebassin, nous avons calculé la magnitude du gradient horizontal (MGH). Cette technique a permis de déterminer des

linéaments gravimétriques représentant l'emplacement des contrastes de densité, et de déduire une carte structurale

de la zone d'étude. Cette carte constitue un document très utile pour orienter l'exploration des ressources en eaudans la plaine de Mornag.Mots clefsplaine de Mornag; Tunisie; gravimétrie; magnitude du gradient horizontal; hydrogéologie

Gravimetry contributions to the study of the structure of the Mornag plain (north-east of Tunisia): hydro-geological implications

AbstractThis study is based on the analysis of gravity data of the Mornag plain. Its purpose is to increase the

knowledge of this basin's structure. A residual anomaly map was first calculated from the Bouguer anomaly by

removing a regional gradient. The computed map provides information on the ground density variation within the

shallow sedimentary basin of Mornag. In order to highlight the different structures of the basin, we have calculated

themagnitudeofthehorizontalgradient (MGH).Thistechnique allowedustodeterminethegravimetric lineaments

which represent the contrasts in density and then deduce a structural map of the surveyed area. This map constitutes

a very useful document for planning future hydrogeological exploration in the Mornag plain region.Key wordsMornag plain; Tunisia; gravimetry; magnitude of the horizontal gradient; hydrogeology

INTRODUCTIONLa plaine de Mornag, située à 20 km environ au sud- est de la ville de Tunis, s'étend depuis le Golfe de Tunis au nord jusqu'aux collines de Khlédia au sud, sur une superficie de 200 km 2 . De part sa proximité avec la ville de Tunis, cette plaine constitue un pôle agricole important. Les eaux de la nappe superficielle de la plaine sont généralement soumises à une exploi- tation intense qui s'est traduite par une baisse de la piézométrie et une augmentation de la salinité (Lassouedet al., 1995). De ce fait, l 'exploitation des eaux s'est résolument orientée vers les aquifères pro-

fonds logés dans les grès Oligocène et Miocène. Pourréduire l'effet de la surexploitation, la recharge artifi-

cielle de la nappe est pratiquée dans la partie amont du système aquifère depuis 1992 dans une carrière desa- ble Oligocène formant le réservoir profond. L'impact de cette recharge n'a été détecté que dans les ouvrages situés en aval du site de recharge et captant le système vue de mieux cerner la structure des réservoirs pro- fonds. Ainsi la connaissance de la configuration géométrique de ces réservoirs et leurs relations avec le système superficiel s'impose pour l'efficacité de la recharge et l'exploitation de la ressource en eau souterraine.Hydrological Sciences Journal-Journal des Sciences Hydrologiques,55(8) 20101396

ISSN 0262-6667 print/ISSN 2150-3435 online

© 2010 IAHS Press

doi: 10.1080/02626667.2010.530100 http://www.informaworld.com Les études structurales basées sur les observa- tions classiques du terrain (Turki, 1985; Ben Ayed,

1993; Chihi, 1995; Boutibet al., 1997; Boutib, 1998;

et les campagnes de reconnaissance directe par son- dages, ou indirecte par les méthodes gravimétriques et sismiques menées depuis longtemps n'ont pas permis de préciser la configuration géométrique et structurale de la région. Dans le cadre de ce travail, nous avons utilisé les données gravimétriques dans le but de préciser la structure du bassin afin d'orienter les inves- recharge artificielle sur l'ensemble des systèmes sou- terrains de la région.

CONTEXTE GEOLOGIQUE ET

HYDROGEOLOGIQUE

Laplaine de Mornagcorrespondà une cuvette comblée de dépôt fluvio-continental d'âge Plio-Quaternaire. C'est un remplissage formé de sable, d'argile à inter-

du relief environnant (Ladjmi, 1960) (Fig. 1). Lesterrains géologiques formant le mur de ces dépôts

sont également détritiques d'âges Oligocène et

Miocène.

En Tunisie, les cuvettes comblées de sédiments Quaternaires ont été décrites comme des fossés d'effondrement, dont les bordures paraissaient liées à d'importantes flexures passant à des fractures qui ont joué après le Pliocène (Castany, 1984). Ces dépressions des failles normales ayant joué au Miocène moyen (Ben dépôts ont été guidés par des failles normales formant un graben d'orientation NO-SE (Chihi, 1995). Cependant est malconnu.

Du point de vue hydrogéologique, la plaine de

Mornag regroupe un système aquifère multi couches formé de nappes phréatique et profonde séparées par un niveau argileux (Ennabli, 1980). Ce dernier peut renfermer des lentilles sablo-conglomératiques aux abords des reliefs. La nappe profonde est logée dans les terrains détritiques Oligocènes et Miocènes qui affleurent respectivement dans la partie sud ouest et

Fig. 1Carte géologique simplifiée du secteur d'étude (J.: Jebel). Documents consultés: cartes géologiques de la Tunisie

(1:500 000), de la Goulette (1:50 000), de Grombalia (1:50 000) et de Bir M'Cherga (1:50 000) (Jauzein, 1957; Bujalkaet al.,

1971; Bujalkaet al., 1972; Ben haj Aliet al., 1985).

Étude de la structure de la plaine de Mornag1397 en bordure nord est de la plaine. D'après Ennabli (1980), les sables Oligocènes constituent le réservoir profond sous toute la plaine. Toutefois les reconnais- sances hydrogéologiques récentes n'ont pas pu mettre en évidence le prolongement de cette série détritique se fait par infiltration directe au niveau des affleure- ments perméables Plio-Quaternaire, Miocène et Oligocène. La recharge artificielle est pratiquée dans les carrières des sables Oligocènes.

ANALYSE DES DONNEES GRAVIMETRIQUES

Les données gravimétriques utilisées dans cette étude résultent d'une campagne de mesures réalisée par l'Office National des Mines (ONM). Les données sont disponibles sous forme de cartes d'anomalies de Bouguer à l'échelle 1:50 000, avec une équidistance correction de 2.67 g/cm 3 . Ces cartes sont établies à partir d'une couverture moyenne des points de mesures de l'ordre de 1 station/km 2 . La répartition

des stations n'est pas homogène; elle est beaucoupplus importante au niveau de la plaine qu'au niveau

des régions montagneuses (Fig. 2). Ces cartes ont été numérisées avant de procéder aux différents calculs.

La carte de l'anomalie de Bouguer montre l'exis-

tence de plusieurs anomalies de formes et de signes différents avec des valeurs allant de 3.5 à 37.5 mGal.

Cette carte exhibe essentiellement une anomalie

négative au centre de la plaine de Mornag qui coïncide avec des terrains Mio-Plio-Quaternaires de densité relativement faible. De même sur cette carte on peut distinguer deux anomalies positives à l'est et au nord ouest qui coïncident respectivement avec les affleurements Jurassiques, essentiellement carbonatés, de Jebel Bougarnine et les collines gréseuses situées et se prolongeant jusqu'à Amilcar et Sidi Bou Said) (Fig. 2). Certes la carte de l'anomalie de Bouguer reflète l'effet de toutes les hétérogénéités de densité sous la surface topographique. Or ce qui nous intéresse dans cette étude c'est la structure de la couverture sédimentaire proche de la surface. Il est nécessaire de soustraire de cette anomalie de Bouguer une régionale Fig. 2Carte de l'anomalie de Bouguer de la zone d'étude (densité de correction,d¼2.67 g cm -3 ). Intervalle de contour:

2.5 mGal. Les points représentent la localisation des stations de mesures gravimétriques. (J.: Jebel).

1398B. Farhat et al.

l'extension de la région d'étude est limitée, on peut se contenter d'utiliser une régionale qui correspond à une variationlinéaire delagravité. Dansnotre cason apris un polynôme de premier degré calculé à partir des valeurs de Bouguer comme régionale. Ce polynôme correspond à une surface lisse et inclinée dont la direc- tion et le pendage sont en accord avec les résultats de la sismiqueréfraction Géotraverse (Bunesset al., 1992)et les modélisations régionales (Mickus & Jallouli, 1999; Jallouli & Mickus, 2000). La résiduelle obtenue suite à la soustraction d'un polynôme d'ordre 1, représenterait l'effet des hétérogénéités de densité dans la couverture sédimentaire peu profonde. La carte des anomalies résiduelles (Fig. 3) montre les mêmes caractéristiques que celles de l'anomalie de Bouguer. Elle présente des valeurs variant de-20 à

15 mGal, avec une valeur nulle délimitant la plaine de

Mornag. La carte résiduelle montre l'existence de plu-

sieurs anomalies positives et négatives qui sont biencorrélées avec les grands traits structuraux de la région.

La superposition de ce document à la carte géologique de la région extraite de la feuille 1:500 000 nord de la Tunisie (Ben Haj Aliet al., 1985) nous permet de faire les principales observations suivantes. -Au nord ouest de la zone d'étude, une anomalie positive (P1) d'amplitude 8 mGal, et de direction

NNE-SSO à l'aplomb des affleurements denses

dans les massifs environnants de Tunis (les collines de Bir El Kassaâ, de Rades-Megrine et la falaise d'Amilcar et Sidi Bou Saîd) et Jebel Tella. Cet axe gravimétrique positif peut correspondre à une zone de faible profondeur du socle, qui devrait jouer un rôle important sur le plan hydrogéologique. En effet, cette ride de socle, représenterait une barrière, qui devrait engendrer une compartimentation du système aquifère de Mornag et dont la ligne de crête devrait matérialiser une ligne de partage des eaux souterraines.

Fig. 3Carte gravimétrique des anomalies résiduelles de la zone d'étude. Intervalle de contour: 2 mGal.

Étude de la structure de la plaine de Mornag1399 -Au centre de la carte, une anomalie gravimétrique négative (N1) allongée en direction NNE-SSW, d'amplitude 20 mGal, encadrée par Jebel Tella et les collines de Radès à l'ouestetlesmassifsde Rorouf, Bougarnine et Ressas à l'est. Cette anom- alie coïncide avec le maximum de remplissage quaternaire de la plaine de Mornag et traduit un déficit de masse représenté par l'augmentation de l'épaisseur des dépôts sédimentaires au centre de la cuvette de Mornag. Cette puissance importante du remplissage sédimentaire au centre de la plaine et aux environs de Khlédia et Mhamedia traduit un épaississement des aquifères. Ce résultat corrobore ceux des études géologiques et hydrogéologiques antérieures qui montrent que les grès Oligocènes et Miocènes forment dans les massifs de Khlédia et

Tella une masse puissante pouvant atteindre 500 m

d'épaisseur,constituantainsi unréservoir important et une zone d'alimentation du système aquifère profond. Ceci se traduit par une faible fluctuation de la piézométrie dans cette zone. En effet, on a montré que les zones les plus influencées par des fortes remontées (>5m) sont le piedmont de Jebel

Rorouf et Bougarnine et le piedmont de Jebel

Ressas, alors que les principales zones où la nappe fluctue peu sont Khlédia, Mhamedia, Bir el Kassa et Chbedda (Jarraya, 2004). Il faut noter aussi que cette anomalie négative dans la plaine de Mornag est représentée par des courbes isanomales concentriques très serrées dans la partie est et plus au moins espacées dans la partie sud ouest. Ceci montre que la forme du bassin est nette- ment dissymétrique. Le fort gradient observé sur la bordure est du bassin indique que celui-ci s'approfon- dit rapidement de ce coté. -Au nord est, une anomalie positive (P2), allongée de direction NO-SE, de forte amplitude et de grande longueur d'onde. Cette anomalie coïncide avec l'anticlinorium de Jebel Bougarnine-Jebel Srara, qui correspond à des terrains de densité plus forte, constitués essentiellement des calcaires et des marno-calcaires dont l'âge s'étend du Lias à l'Eocène. La carte géologique nous montre que Jebel Bougarnine est limité au nord est et au sud

De même au nord ouest de l'affleurement

Mésozoïque, on observe les dépôts Cénozoïques de Jebel Rorouf. Cette anomalie positive devrait correspondre à une ride du socle, qui marque la limite orientale du bassin de Mornag.-Le massif de Ressas se caractérise par une anom- alie positive (P3) orientée NNE-SSO, qui est due aux terrains Triasiques qui sont entourés par des terrains Cénozoïques et Quaternaires de densité relativement faible. -La partie sud-est de la carte, qui nous intéresse peu dans la présente étude, montre une anomalie négative (N2) d'amplitude maximale 8 mGal, de direction NNE-SSO, encadrée au nord par les jebels Bounour et Ressas, à l'ouest par Jebel

Ennouali et Jebel Sidi Salem et à l'est par El

Mjedib. Elle correspond vraisemblablement à une petite dépression et elle est due à la présence d'un matériel relativement moins dense que celui des affleurements Triasiques et Jurassiques des jebels Ressas et Sidi Salem. Cette anomalie est de petite longueur d'onde, ce qui témoigne de son origine peu profonde. Pour valider localement les résultats obtenus par l'analyse de la carte gravimétrique, nous avons procédé aux prolongements vers le haut à différentes altitudes. Cette technique consiste à calculer la forme et l'amplitude de l'anomalie de Bouguer sur une sur- face située à une altitude plus élevée que la surface d'observation.Cette opérationest trèsimportantepour discuter des structures profondes. Elle permet de favoriser les anomalies de grandes longueurs d'ondes (sources profondes). Ce traitement est très important pour suivre l'évolution des anomalies à différentes altitudes. Dans la présente étude, nous avons réalisé le de 5000 m. La vue d'ensemble présente un aspect schématique, reflétant essentiellement les structures profondes de la zone d'étude. Cette carte montre que les anomalies deviennent plus étendues et d'ampli- tudes plus faibles (Fig. 4). L'anomalie négative N1 à l'aplomb de la plaine de Mornag persiste, ce qui témoigne de son origine profonde. A des altitudes de prolongement plus importantes cette anomalie prend l'aspect d'un couloir sensiblement négatif par rapport au champ gravimétrique de la région.

Afin de localiser les emplacements des contrastes

de densité et les linéaments gravimétriques qui sont nous avons utilisé des techniques de transformation des données gravimétriques. L'intérêt de la transfor- mation de ce type de données a été évoqué depuis longtemps (Gerard & Griveau, 1972; Cordell & Grauch, 1982). Le succès de l'application de ces

1400B. Farhat et al.

traitements a été démontré par de nombreuses études antérieures (Debeglia & Weber, 1985; Everaets &

Mansy, 2001; Jaffalet al., 2003; Chennoufet al.,

2004; Kattachet al., 2004, 2006; Najineet al.,

2006). Parmi ces transformations, nous citons des

dérivations verticales, horizontales et le calcul de la magnitude du gradient horizontal (MGH). Danslebutd'estimer,latéralement, lalocalisation des limites des sources d'anomalies, la technique de la magnitude du gradient horizontal (MGH) semble être la plus adéquate (Cordell & Grauch, 1985). Les max- ima du MGH, qui marquent théoriquement la localisa- tion des contrastes de densité verticaux, peuvent se décaler d'une certaine distance de l'emplacement actuel des limites des sources d'anomalie, si elles ne sont pas verticales. Mais les résultats de la MGH rest- ent très utiles pour déterminer l'emplacement de linéaments gravimétriques. La fiabilité de cette méthode à été prouvée suite à des études antérieures (Jallouli & Mickus, 2000; Jallouliet al., 2002; Benassi

et al., 2006; Haj Sassiet al., 2006). La magnitude dugradient horizontal des données observées est calculée

en combinant les dérivations de directions N-SetE-O: 2

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