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

Résumé

Cette étude est basée sur l'analyse des données gravimétriques; elle a pour but d'améliorer la connaissance 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 le bassin, 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 eau dans la plaine de Mornag.

Citation Farhat, B., Benassi, R., Jallouli, C. & Ben Mammou, A. (2010) Contribution de la gravimétrie à l'étude de la structure de la plaine de Mornag (nord est de la Tunisie): implications hydrogéologiques. Hydrol. Sci. J. 55(8), 1396–1404.

Abstract

This 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 the magnitude of the horizontal gradient (MGH). This technique allowed us to determine the gravimetric 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.

Mots clefs:

• plaine de Mornag
• Tunisie
• gravimétrie
• magnitude du gradient horizontal
• hydrogéologie

Key words:

• Mornag plain
• Tunisia
• gravimetry
• magnitude of the horizontal gradient
• hydrogeology

INTRODUCTION

La 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 km². 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 exploitation intense qui s'est traduite par une baisse de la piézométrie et une augmentation de la salinité (Lassoued et al., 1995). De ce fait, l'exploitation des eaux s'est résolument orientée vers les aquifères profonds logés dans les grès Oligocène et Miocène. Pour réduire l'effet de la surexploitation, la recharge artificielle de la nappe est pratiquée dans la partie amont du système aquifère depuis 1992 dans une carrière desable 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 profond. Ceci impose donc des études approfondies en vue de mieux cerner la structure des réservoirs profonds. 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.

Les études structurales basées sur les observations classiques du terrain (Turki, 1985; Ben Ayed, 1993; Chihi, 1995; Boutib et al., 1997; Boutib, 1998; Boutib & Zargouni, 1998) à l'échelle de l'affleurement et les campagnes de reconnaissance directe par sondages, 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 investigations hydrogéologiques et de prévoir l'impact de la recharge artificielle sur l'ensemble des systèmes souterrains de la région.

CONTEXTE GEOLOGIQUE ET HYDROGEOLOGIQUE

La plaine de Mornag correspond à une cuvette comblée de dépôt fluvio-continental d'âge Plio-Quaternaire. C'est un remplissage formé de sable, d'argile à intercalations conglomératiques résultant du démantèlement du relief environnant (Ladjmi, 1960) (Fig. 1). Les terrains géologiques formant le mur de ces dépôts sont également détritiques d'âges Oligocène et Miocène.

Fig. 1 Carte 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; Bujalka et al., 1971; Bujalka et al., 1972; Ben haj Ali et al., 1985).

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 ont été décrites également comme des grabens, associés à des failles normales ayant joué au Miocène moyen (Ben Ayed, 1993; Chihi, 1995). Dans notre secteur d'étude, les dépôts ont été guidés par des failles normales formant un graben d'orientation NO–SE (Chihi, 1995). Cependant l'emplacement des failles bordières majeures de ce graben est mal connu.

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 en bordure nord est de la plaine. D'après Ennabli (1980), les sables Oligocènes constituent le réservoir profond sous toute la plaine. Toutefois les reconnaissances hydrogéologiques récentes n'ont pas pu mettre en évidence le prolongement de cette série détritique au centre de la plaine. La recharge naturelle des nappes se fait par infiltration directe au niveau des affleurements 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 des courbes isoanomales de 0.5 mGal et une densité de correction de 2.67 g/cm³. Ces cartes sont établies à partir d'une couverture moyenne des points de mesures de l'ordre de 1 station/km². La répartition des stations n'est pas homogène; elle est beaucoup plus 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.

Fig. 2 Carte de l'anomalie de Bouguer de la zone d'étude (densité de correction, d = 2.67 g cm^-3). Intervalle de contour: 2.5 mGal. Les points représentent la localisation des stations de mesures gravimétriques. (J.: Jebel).

La carte de l'anomalie de Bouguer montre l'existence 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 dans les environs de Tunis (Jebel Tella, Rades, Megrine 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 qui représente l'effet des structures profondes. Comme l'extension de la région d'étude est limitée, on peut se contenter d'utiliser une régionale qui correspond à une variation linéaire de la gravité. Dans notre cas on a pris 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 direction et le pendage sont en accord avec les résultats de la sismique réfraction Géotraverse (Buness et 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 plusieurs anomalies positives et négatives qui sont bien corrélées 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 Ali et al., 1985) nous permet de faire les principales observations suivantes.

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

	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.
	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'ouest et les massifs de Rorouf, Bougarnine et Ressas à l'est. Cette anomalie 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, constituant ainsi un réservoir 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 nettement dissymétrique. Le fort gradient observé sur la bordure est du bassin indique que celui-ci s'approfondit 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 ouest par des dépôts Quaternaires de faible densité. 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 anomalie 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 surface située à une altitude plus élevée que la surface d'observation. Cette opération est très importante pour 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 prolongement des anomalies de Bouguer à une altitude 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'amplitudes 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.

Fig. 4 Carte de l'anomalie de Bouguer prolongée vers le haut de 5000 m.

Afin de localiser les emplacements des contrastes de densité et les linéaments gravimétriques qui sont indispensables pour comprendre la structure du bassin, nous avons utilisé des techniques de transformation des données gravimétriques. L'intérêt de la transformation de ce type de données a été évoqué depuis longtemps (Gerard & Griveau, 1972; Cordell & Grauch, 1982). Le succès de l'application de ces traitements a été démontré par de nombreuses études antérieures (Debeglia & Weber, 1985; Everaets & Mansy, 2001; Jaffal et al., 2003; Chennouf et al., 2004; Kattach et al., 2004, 2006; Najine et al., 2006). Parmi ces transformations, nous citons des dérivations verticales, horizontales et le calcul de la magnitude du gradient horizontal (MGH).

Dans le but d'estimer, latéralement, la localisation des limites des sources d'anomalies, la technique de la magnitude du gradient horizontal (MGH) semble être la plus adéquate (Cordell & Grauch, 1985). Les maxima du MGH, qui marquent théoriquement la localisation 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 restent 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; Jallouli et al., 2002; Benassi et al., 2006; Haj Sassi et al., 2006). La magnitude du gradient horizontal des données observées est calculée en combinant les dérivations de directions N–S et E–O:

(1)

oú G(x,y) représente les valeurs de l'anomalie gravimétrique.

La magnitude du gradient gravimétrique horizontal tend à avoir des maxima à l'aplomb des sources d'anomalies qui correspondent à des changements brutaux de densité (Blakely, 1996) et qui peuvent correspondre à des failles.

La carte de la MGH (Fig. 5) met en évidence d'importantes discontinuités de directions N–S, NE–SO et NO–SE. La comparaison de cette carte avec les différentes cartes structurales préexistantes dans la région (Fig. 6) nous permet de:

Fig. 5 (a) Carte de la magnitude du gradient horizontal (en mGal/km); et (b) représentation des linéaments gravimétriques déduits à partir de la carte MGH.

Fig. 6 Schéma structural de la zone d'étude. (1: accidents connus d'après la géologie de surface; 2: structures déduites de l'analyse des données gravimétriques.)

	confirmer l'existence de failles déjà reconnues ou supposées par les études structurales classiques antérieures, par exemple la faille de Mhamédia et l'accident BK–R;
	compléter l'information sur certaines d'entre elles en précisant leur tracé; et
	mettre en évidence de nouveaux accidents profonds ou superficiels, restés inconnus jusqu'à nos jours.

Nous distinguons en particulier, un doublet de linéaments bien exprimé par une grande amplitude du coté est de la plaine. C'est une importante mégastructure à géométrie complexe qui s'étale le long d'une faille majeure sub-méridienne (NS) bordant les reliefs de Bougarnine et Rorouf. Cet accident s'étend sur plus de 20 km en épousant la même géométrie cartographique que la grande faille de Zaghouan. Cet accident est parallèle à l'axe de Zaghouan mais n'est pas superposé à cet axe défini par les géologues (Turki, 1985) puisqu'il est situé à 4 km de celui-ci. Ce linéament, non signalé dans les anciens documents et les anciens travaux, constitue un nouvel apport de la gravimétrie puisqu'il ne présente pas de signature en géologie de surface.

Un deuxième linéament a été identifié à l'ouest de la plaine, qui s'allonge selon une direction NE–SO. Ce linéament conforte les résultats de la sismotectonique, de la tectonique récente et la cartographie structurale couplée aux techniques de télédétection qui délimitent un alignement sismotectonique de direction N60 correspondant au grand accident de Mhamédia (Boutib et al., 1997; Boutib, 1998; Boutib & Zargouni, 1998). C'est la principale faille confirmée, dont le tracé a été prolongé vers le nord ouest jusqu'aux environs de Naassen, au sud de Sebkhet Es Sijoumie.

D'autre part, un linéament de direction proche de N140 confirme l'accident BK–R qui résulte de la différence d'épaisseur et de faciès entre la série barrémienne du Jbel Bougarnine et celle de Jbel Ressas (Turki, 1985).

On a pu mettre en évidence la présence de trois linéaments gravimétriques de directions E–O et N–S au sud‐est du secteur d'étude. Le premier accident de direction proche d'E–O a été représenté sur la carte géologique. Les deux autres linéaments, non cartographiés, pourraient être des discontinuités masquées et pourraient également résulter d'un changement de faciès.

Cependant, on remarque que les linéaments de direction NO–SE qui matérialisent les limites du fossé d'effondrement ont été partiellement mis en évidence sur la carte gravimétrique. Cette sélectivité peut s'expliquer par le caractère ancien de cette faille. Les failles NO–SE à E–O ont été activées essentiellement à partir du Crétacé supérieur, alors que les failles N–S à N60 correspondent aux directions les plus anciennes (Boutib, 1998).

Cette carte structurale de la zone d'étude constitue un document très utile pour orienter l'exploitation des ressources en eaux souterraines dans la plaine de Mornag. En effet, la présente étude confirme l'épaississement du système aquifère de Mornag, en allant vers le sud‐est. Elle révèle également que les discontinuités lithologiques mises en évidence (failles, contacts géologiques, etc.) constituent des zones de circulation préférentielles des eaux souterraines et représentent donc des cibles favorables à l'implantation des sondages de reconnaissance de ces eaux. En outre, la dissymétrie de la cuvette et l'épaisseur du remplissage permettent d'orienter les sondages profonds vers la bordure est de la plaine de Mornag.

CONCLUSION

Le présent travail, basé sur l'analyse des données gravimétriques a permis de mettre en exergue les différentes structures géologiques présentes dans la région, qui sont parfois partiellement ou totalement masquées par la couverture sédimentaire. Au terme de ce travail, un schéma structural de la zone d'étude a été dressé, qui confirme l'existence de failles déjà reconnues ou supposées par les études structurales classiques en précisant leur tracé d'une part et met en évidence de nouveaux accidents restés inconnus jusqu'à nos jours d'autre part.

Les linéaments ainsi localisés par les données gravimétriques correspondraient aux failles bordières du fossé à remplissage Mio-Plio-Quaternaire de Mornag. Ce fossé, d'après cette architecture, est dissymétrique.La bordure est est de direction N–S, alors que la bordure ouest est de direction NE–SO. De même, compte tenu de la magnitude des gradients gravimétriques au niveau des deux linéaments, il semble que la faille bordière du côté est soit plus profonde, de pendage plus fort et de rejet plus important. En effet, la carte des anomalies résiduelles montre que le minimum de l'anomalie négative associée au bassin est plus proche du côté est de la plaine. Sur le plan hydrogéologique, la présente étude confirme l'épaississement du système aquifère de Mornag, en allant vers le sud‐est. La dissymétrie de la cuvette et l'épaisseur du remplissage permettent d'orienter les sondages profonds vers la bordure est de la plaine de Mornag. Enfin, la carte structurale établie constitue un document de base susceptible d'aider au choix des sites d'implantation des sondages de reconnaissance des eaux souterraines.

Remerciements Les auteurs tiennent à remercier M. Mohammed Jaffal et un rapporteur anonyme pour leurs commentaires et suggestions qui ont permis d'améliorer la version initiale du manuscrit.