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Dynamique  des  Bassins  Sédimentaires, Paléoenvironnements & Structures Géologiques - DPS -

 

 

 

 

 

 

 

 

 Géophysique

PRÉSENTATION DES TRAVAUX GEOPHYSIQUES

 

Différents travaux géophysiques ont été effectués au sein de l’Unité de Recherche  DPS. Ces travaux traitent différents thèmes dont les plus importants avaient pour objectifs :

Ces travaux sont basés principalement sur le traitement et l’interprétation des données gravimétriques tout en tenant compte des travaux géophysiques et géologiques antérieurs. Les études relatives à ces thèmes déjà effectuées et publiées sont les suivantes:

 

E    Étude gravimétrique à l’échelle du Maghreb

E    Étude gravimétrique à l’échelle de la Tunisie

E    Étude gravimétrique de la Tunisie septentrionale

E    Étude gravimétrique de la zone de transition Atlas-Plateforme saharienne

E Étude gravimétrique et magnétique des régions  de Nefza et Tabarka

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Étude gravimétrique à l’échelle du Maghreb

 

L’Atlas et le Tell sont des chaînes orogéniques situées dans le Nord de l’Afrique dont la formation est liée à l’ouverture et la fermeture de la Téthys. Bien que les structures de surface et les évènements tectoniques majeurs qui étaient à l’origine de la formation de ces chaînes orogéniques soient bien connues, on ne dispose pas assez d’informations sur les structures profondes à cause du manque de données géophysiques. Pour mieux connaître la structure régionale de la croûte et du manteau supérieur sous les chaînes de l’Atlas et du Tell et le degré de raccourcissement, nous avons analysé les données gravimétriques tout en tenant compte des travaux géologiques et géophysiques antérieurs.

A partir des données gravimétriques, des cartes d’anomalies de Bouguer, Air libre, résiduelles et isostatiques ont été établies et interprétées. Une modélisation le long de deux profils traversant l’Atlas et le Tell a été effectuée pour avoir une représentation quantitative. Cette étude a permis d’apporter d’importants éclaircissements quant à la structure profonde des chaînes orogéniques du Nord de l’Afrique, l’épaisseur de la croûte, le degré et l’intensité de raccourcissement et à l’histoire tectonique. Des anomalies de Bouguer négatives de grandes amplitudes sont observées dans le haut Atlas, le Rif, l’Atlas saharien et l’intersection entre le Tell et l’Atlas tunisien. Ces anomalies sont liées principalement aux variations de l’épaisseur de la croûte, aux variations de l’épaisseur de la série sédimentaire qui est généralement de densité relativement faible, et parfois aux variations de l’épaisseur de la lithosphère. Elles reflètent, en d’autres termes, l’effet des événements tectoniques mésozoïques-cénozoïques combinés. L’analyse des différentes anomalies de Bouguer, Air libre et isostatiques a mené aux résultats suivants: 

 

< un épaississement de la croûte sous le Haut Atlas, l’Atlas saharien et l’Atlas Tunisien. Cependant la croûte est plus épaisse dans l’Atlas saharien que dans l’Atlas tunisien. L’épaisseur est de 38 à 40 km sous l’Atlas saharien en Algérie, alors qu’elle est de 34 à 36 km sous l’Atlas Tunisien.

 

< Bouguer de grandes longueurs d’ondes et de grande amplitude, cependant, cet épaississement n’était pas suffisant pour atteindre l’équilibre isostatique. En effet, les cartes d’anomalies à l’Air libre et d’anomalies isostatiques montrent que l’Atlas n’est pas isostatiquement compensé.

 

< des évidences d’un amincissement crustal sous le Tell. En effet, en allant vers la côte, les valeurs de l’anomalie de Bouguer et de l’anomalie isostatique deviennent de plus en plus élevées à cause de cet amincissement. L’épaisseur de la croûte ne dépasse pas 25 km sous la zone côtière. D’où une question se pose. Peut-on considérer le Tell comme une chaîne de collision ?

 

< la présence d’une anomalie isostatique négative entre l’Atlas saharien et l’Atlas tunisien. Cette anomalie suggère soit une sur-compensation et une croûte anormalement épaisse, soit la présence de matériel de faible densité dans la croûte supérieure.

 

< les modèles gravimétriques, les amplitudes et les longueurs d’ondes des anomalies montrent que l’intensité de raccourcissement qui est à l’origine de la formation de l’Atlas n’était pas homogène. Le raccourcissement était plus important et plus intense en Algérie qu’en Tunisie. De même pour le Haut Atlas au Maroc, la croûte n’est pas suffisamment épaisse pour atteindre l’équilibre isostatique. Ceci est dû au rôle des décrochements qui étaient et sont encore actifs (Medina et Cherkaoui, 1991) dont leur jeu peut réduire l’effet des forces de convergence et donc réduire l’épaississement crustal. L’environnement tectonique était donc convergent et décrochant au Maroc, et il était surtout convergent en Algérie et en Tunisie.

 

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Étude gravimétrique à l’échelle de la Tunisie

 

            Dans le but de comprendre les structures et reconstituer l’histoire géodynamique, plusieurs études géologiques à partir des observations de surface ont été effectuées en Tunisie. De même, quelques études géophysiques ont été effectuées et ont contribuées à une meilleure connaissance des différentes unités structurales de la Tunisie. Cependant, la subsurface de la Tunisie reste encore mal connue, et l’appel à la géophysique est nécessaire pour la compréhension des structures et déduire l’environnement tectonique. C’est dans ce cadre que nous avons utilisé les données gravimétriques de la Tunisie.

 

Les données gravimétriques de la Tunisie ont été corrélées avec les modèles de la sismique réfraction, les données de puits et les observations de surface pour étudier la structure régionale de la croûte et les variations des épaisseurs du bassin paléozoïque et mésozoïque. Toutes les stations sont rattachées au réseau IGSN-1971. Pour que les valeurs d’anomalies de Bouguer soient plus précises et plus représentatives des hétérogénéités de densité dans le sous-sol, une correction topographique a été calculée et ajoutée à chaque station. Ce calcul a été effectué en utilisant des données topographiques obtenues de « National Geophysical Data Center » des USA.

 

L’analyse effectuée de ces données comprend la construction de cartes d’anomalies de Bouguer complètes, des cartes d’anomalies résiduelles, des cartes de gradient horizontal et un modèle 2.5D le long d’un profil de l’extrémité nord à l’extrémité sud de la Tunisie.

Les anomalies de Bouguer reflètent l’effet de toutes les hétérogénéités de densité en profondeur. La caractérisation des corps, sources des anomalies, par leur localisation, leur géométrie, leur profondeur et leur densité, permet de déduire la structure et l’histoire géologique et l’environnement tectonique.

                     L’analyse ainsi effectuée a mené aux points suivants :

< Les valeurs des anomalies de Bouguer complètes varient de –85 au centre-ouest de la Tunisie (région de Gafsa) à 45 mGal à l’extrémité NE de la Tunisie (Cap Bon). L’augmentation générale des valeurs des anomalies de Bouguer vers le Nord et vers le Nord-Est de la Tunisie est dûe à l’amincissement de la croûte, alors que les autres anomalies sont dûes aux variations de densité dans la croûte supérieure y compris les bassins sédimentaires.

 

< Une résiduelle est calculée en enlevant une surface polynomiale qui se corrèle bien avec la structure du Moho déterminée par la sismique réfraction (Buness et al., 1992). Cette résiduelle représente principalement l’effet des variations de densité dans la croûte supérieur y compris les variations de densité et d’épaisseur des séries sédimentaires au-dessus du socle. En effet, les anomalies résiduelles obtenues se corrèlent mieux avec les traits structuraux connues. La carte résiduelle montre différentes anomalies de différentes longueurs d’ondes et différentes amplitudes. On distingue en Tunisie 8 types d’anomalies qui correspondent à 8 unités structurales différentes :

L’unité 1 : Elle est située à l’extrémité Sud Tunisienne. Elle présente une anomalie  négative et de grande amplitude. Elle correspond à une partie de l’Erg oriental connue au Sahara du Maghreb.

 

L’unité 2 : Elle est située au Sud de la Tunisie, dans la plate-forme saharienne. Elle présente une anomalie positive, de grande longueur d’onde et allongée dans la direction E-W. Cette large anomalie correspond à l’anticlinorium de l’Algérie. Cette anomalie s’explique par une couverture sédimentaire relativement mince à cause d’une remonté du socle le long d’un axe de direction proche de l’E-W.

 

L’unité 3 : Elle marque le passage du domaine de la plate-forme saharienne caractérisé par des valeurs positives, vers l’Atlas qui est caractérisé par des anomalies négatives de grandes amplitudes dues aux bassins sédimentaires profonds. Ce passage est désigné par certains auteurs par « la flexure saharienne ». Cette unité montre une anomalie négative, de grande amplitude et allongée suivant une direction E-W à NW-SE. Cette anomalie suggère que l’épaisseur de la série sédimentaire soit variable le long de la flexure saharienne.

 

L’unité 4 : Elle représente le bloc du Sahel. Cette unité est caractérisée par des anomalies relativement positives. Vers l’Ouest, on note un fort gradient gravimétrique de direction N-S. Cet alignement marque le passage du bloc du Sahel vers l’Atlas.

 

L’unité 5 : Elle est située au Sud de l’Atlas Tunisien. Elle montre des anomalies négatives de très grande amplitude témoignant une couverture sédimentaire très épaisse (bassin de Gafsa).

 

L’unité 6 : Elle est située au Centre-Nord de l’Atlas. Elle montre des anomalies négatives de grande amplitude à cause d’une série sédimentaire épaisse. De plus, elle présente un ensemble d’anomalies négatives de longueurs d’ondes plus petites et de direction NW-SE. Ces dernières sont dues aux fossés d’effondrement.

 

L’unité 7 : Elle est située au Nord de l’Atlas. Elle présente plusieurs anomalies négatives et positives de différentes longueurs d’ondes. On a une coalescence d’anomalies. Ces anomalies témoignent de la complexité de la structure dans cette région et la diversité des sources. Il faut noter que les observations de surface dans cette zone montrent des structures complexes et diverses intrusions de matériel triasique dont le mécanisme est l’objet de plusieurs controverses.

L’unité 8 : Elle est située à l’extrémité Nord de la Tunisie (le Tell). Elle montre une anomalie négative de grande longueur d’onde et des anomalies de petites longueurs d’ondes d’amplitude plus ou moins négatives. L’anomalie négative de grande longueur d’onde est due, à priori, à une épaisse série sédimentaire de très faible densité qui correspond au flysch Nummidien et aux molasses du Mio-Pleistocène. Cependant, on montre dans une étude plus récente que cette anomalie négative de grande longueur d’onde est due à une structure lithosphérique.

< Des dérivées horizontales directionnelles ont été calculées à partir des anomalies résiduelles. Les cartes de dérivées ont mis en valeur différentes anomalies qui correspondent aux structures géologiques connues telles que les fossés d’effondrement et les failles majeures. Cependant, certaines anomalies focalisées par cette technique de dérivation directionnelle, n’ont aucune correspondance avec les structures géologiques connues. De nouveaux traits structuraux sont à envisager à partir de la gravimétrie et feront l’objet des programmes de recherches futures. Comme illustration préliminaire, une carte montrant les différents linéaments gravimétriques qui correspond à des traits structuraux a été établie ;

< Pour avoir une représentation plus quantitative de la subsurface en Tunisie, un modèle gravimétrique régional a été proposé. Une modélisation directe 2.5D a été utilisée tout en tenant compte des altitudes des stations, des observations géologiques de surface, des données de quelques puits et des modèles de la sismique réfraction. Cette modélisation a permis d’imager la topographie du socle et les variations des épaisseurs des bassins paléozoïques et mésozoïques dans les différents domaines structuraux de la Tunisie tels que la plate-forme saharienne, la flexure saharienne, le domaine de Gafsa, l’île de Gasserine, le sillon tunisien et le Tell. Le modèle gravimétrique ainsi proposé étend le profil de la sismique réfraction (Buness et al., 1992) vers le Sud et apporte de nouvelles informations sur la subsurface de la plate-forme saharienne, telle que l’épaisseur de la série mésozoïque et paléozoïque des bassins de l’Erg oriental. Dans l’Atlas, le modèle gravimétrique est en accord général avec le modèle de la sismique réfraction, cependant, il exige une série mésozoïque plus mince dans le domaine de Gafsa et une série paléozoïque plus mince dans le sillon tunisien. De plus, des remontés de socle, non imagées par la sismique réfraction, sont mis en évidences dans l’île de Gasserine et dans le domaine de Gafsa. Ces remontés de socle apportent de nouvelles contraintes quant à l’évolution géodynamique de ces domaines structuraux.

 

 

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Étude gravimétrique de la Tunisie septentrionale

 

Les études gravimétriques régionales présentées ci-dessus ont montré que l’extrémité nord de l’Atlas et le Tell est un domaine structural particulier. En effet, cette région montre:

                    - une anomalie à l’Air libre et isostatique positive,

                    - une croûte très amincie,

                    - un linéament structural de direction E-W observée sur toutes les cartes de dérivées.

 

Ces observations ont permis de poser des questions quant à l’évolution géodynamique de la région : Le Tell peut-il être considéré comme une chaîne de collision ? Pourquoi il n’y a pas de raccourcissement et épaississement de la croûte ?

 

La plupart des auteurs sont d’accord sur les évènements tectoniques majeurs qui ont contrôlé le Nord de la Tunisie. Il y’avait un rifting et la mise en place d’une marge passive avec dépôt d’évaporites au Trias et Carbonates et turbidites au cours du Jurassique. Cette phase de rifting était active jusqu’au Crétacé inférieur. Après cette période relativement calme, une tectonique de convergence s’est installée entre l’Eurasie et l’Afrique à partir du Crétacé supérieur jusqu'à présent. Cependant, il y a des controverses sur la structure de la croûte et sur le type d’interaction entre l’Afrique et l’Eurasie.

 

Pour apporter des éclaircissements supplémentaires sur la structure de la croûte et la nature de la marge de l’Afrique du Nord, nous avons effectué une analyse approfondie des données gravimétriques du Nord de la Tunisie en vue de mieux comprendre l’évolution géodynamique de cette région particulière.

 

1- Tout d’abord nous avons calculé une régionale qui représente l’effet du Moho dont la profondeur et les vitesses sont déterminées par la sismique réfraction (Buness et al., 1989 ; 1992). Vu le contraste important de vitesse au niveau de l’interface coûte/manteau supérieur (6km/s à 8km/s), la discontinuité du Moho a été bien imagée par la sismique réfraction. L’effet gravimétrique de cette interface a été calculé en utilisant une modélisation directe 3D, et il a été extrait de l’anomalie de Bouguer complète observée pour avoir une résiduelle.

 

2- La résiduelle ainsi obtenue montre des anomalies de petites longueurs d’ondes qui correspondent à des hétérogénéités de densité peu profondes associées à des structures géologiques superficielles. Cependant, une anomalie de grande longueur d’onde et de grande amplitude est encore présente dans la résiduelle avec des valeurs de plus en plus négatives vers le Nord.

 

3- Les anomalies de petites longueurs d’ondes ont été analysées en utilisant la technique du signal analytique de haute résolution. Cette analyse montre l’évidence d’un linéament structural important de direction E-W dans l’extrémité Nord de l’Atlas, à une latitude 36,75 degrés. Cette analyse indique aussi que les sources de ce linéament E-W sont à une profondeur de 3 à 7 km environ. Ces profondeurs correspondent à la majorité des foyers des séismes.

 

4- Pour expliquer l’anomalie de grande longueur d’onde, trois hypothèses ont été discutées :

 

 

5- Une modélisation de 2D1/2 a été effectuée le long d’un profil N-S. Cette modélisation montre que l’anomalie résiduelle de grande longueur d’onde peut être expliquée par deux modèles différents:

6- La confrontation de ces deux modèles avec les résultats des autres travaux géologiques et géophysiques, a permis de favoriser le modèle de subduction continentale. Les différents points qui supportent ce modèle sont :

7- Le linéament gravimétrique de direction E-W évoqué plus haut correspond à une structure importante dans la région. Bien que cette structure soit mal connue, deux explications sont proposées :

 

 

Cette étude a apporté de nouveaux éclaircissements sur l’environnement tectonique et l’évolution géodynamique de la région. De même, elle précise la nature et le type d’interaction entre l’Afrique et l’Eurasie qui est l’objet de plusieurs controverses. Pour mieux expliquer le modèle proposé, une coupe géologique montrant la partie Sud de la Méditerranée, le Tell et le Nord de l’Atlas a été établie en se basant sur le modèle gravimétrique.

 

 

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Étude gravimétrique de la zone de transition Atlas-Plateforme saharienne

 

C’est une étude qui concerne « la flexure saharienne » ou « accident sud atlasique » séparant deux domaines paléogéographiques différents et qui a été réalisée dans le cadre d’un mémoire de DEA que j’ai encadré en collaboration avec le professeur H. Zouari. La zone de transition entre ces deux domaines a intéressé plusieurs géologues, géographes et géomorphologues. Cependant, l’emplacement de cet accident sud atlasique en Tunisie n’est pas aussi nette qu’en Algérie et au Maroc.

Un traitement des anomalies de Bouguer, basé essentiellement sur des dérivations directionnelles et supporté par des données de sismique et de puits, a permis de localiser géographiquement l’emplacement la limite entre ces deux domaines paléogéographiques : le domaine de l’Atlas méridional caractérisé par une importante anomalie négative et par plusieurs linéaments gravimétriques de directions majeures NW-SE et E-W ; et le domaine de la plate-forme caractérisé par une anomalie relativement positive et par quelques linéaments gravimétriques N-S. De plus, cette étude montre que l’allure générale de cette ligne de démarcation se présente actuellement sous forme de segments de directions majeures NW-SE, E-W et NE-SW. Des précisions sur la nature de cette limite seront apportées en effectuant une modélisation le long de quelques profils.

 

 

 

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Étude gravimétrique et magnétique des régions  de Nefza et Tabarka

 

Cette étude concerne l’activité magmatique durant le miocène qui a eu lieu dans la marge nord-africaine. Cette activité miocène est mise en évidence le long d’une ceinture étroite dans le Nord du Maghreb, et elle s’est déplacée progressivement de l’Ouest (Nord du Maroc) vers l’Est (Nord de la Tunisie). Cependant, dans le Nord de la Tunisie, l’activité magmatique miocène n’est connue que par quelques petits affleurements tels que Ras Rajel (Tabarka), Kef Kebir, Oued Belif, J. Hadada et Mogod.

 

Dans le but de mieux caractériser les corps ignés dans la subsurface des régions de Nefza et Tabarka, nous avons analysé les données aéromagnétiques et de nouvelles données gravimétriques. Cette analyse comprend la construction des cartes de l’intensité du champ magnétique et du signal analytique, une modélisation 3D des données magnétiques et une modélisation 2D1/2 des anomalies gravimétriques. Cette modélisation a permis de définir la distribution latérale et verticale des corps ignés dans les régions de Nefza et Tabarka. Il s’agit de corps presque tabulaires, de forme circulaire et de largeur pouvant dépasser 20 km. Cette étude met en évidence la présence de  larges corps ignés en subsurface.

 

Cette étude montre que l’activité magmatique miocène était importante dans le Nord-Ouest de la Tunisie, beaucoup plus importante que l’on croyait. La présence d’autres corps dans la subsurface est très probable dans tout le Nord de la Tunisie. D’ailleurs, des roches volcaniques interstratifiées dans les séries miocènes ont été mises en évidence par quelques forages au Golf de Hammamet. D’autres part, les analyses géochimiques et pétrologiques des roches ignées en affleurement (Laridhi-Ouazaa, 1994) montrent que l’activité magmatique dans le Nord-Ouest de la Tunisie était Calc-alkaline durant la période 14-8 Ma. L’extension de l’activité magmatique mise en évidence par l’analyse des données géophysiques et les résultats des analyses géochimiques et pétrologiques indiquent que ce secteur de la Tunisie était sous un régime compressif. L’activité magmatique calco-alkaline dans le Nord du Maroc et au Nord de l’Algérie est expliquée par la présence d’une ou plusieurs zones de subductions Girod et Girod (1977). La zone de subduction au Maroc a été confirmée par des évidences géophysiques (Seber et al., 1996). Puisqu’une zone de subduction est évidente le long d’une partie du Nord de l’Afrique, le régime compressif mis en évidence dans le Nord-Ouest de la Tunisie serait dû aussi à une zone de subduction qui était active au cours du Miocène. Cette explication renforce bien le modèle gravimétrique suggéré par Jallouli et al., (2002).

 

 

 

 

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