Approche géochimique du fonctionnement de la nappe profonde de Gafsa Nord (Tunisie centrale)

عدد المساهمات : 1563 تاريخ التسجيل : 24/01/2010

M. YERMANI, K. ZOUARI

Laboratoire de Radio-Analyses et Environnement, Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax,

J. L. MICHELOT

CNRS Orsay Terre, Université Paris-Sud,

A. MAMOU

Observatoire du Sahara et du Sahel, Boulevard de l’Environnement,

L. MOUMNI

Commissariat Régional au Développement Agricole, Tozeur

Résumé Le bassin de Gafsa Nord renferme un système aquifère multicouche dont les principaux niveaux sont représentés par le Zebbag supérieur (Cénomano–Turonien), l’Abiod (Campanien supérieur —Maestrichtien inférieur) et le Mio-plio-quaternaire. L’hydrogéologie de ce système est largement influencée par la tectonique. En effet, le bassin est limité, au Sud, par la faille de Gafsa, qui joue le rôle de seuil hydraulique. Les données chimiques et isotopiques ont montré que le système aquifère de Gafsa Nord est principalement alimenté par les eaux des crues de l’oued El Kbir t par l’infiltration directe des eaux de pluies sur les affleurements crétacés de bordures notamment u Nord du bassin. Au centre du bassin, les âges 14C sont les plus élevés. Toutefois, l’existence de tritium, même en faible quantité, plaide en faveur d’une alimentation locale par les eaux des précipitations à travers les dunes de sables. A l’aval, près du seuil de Gafsa, les eaux représentent un mélange entre des eaux profondes anciennes infiltrées sur les affleurements au Nord, et des eaux provenant de l’infiltration à travers les affleurements locaux et/ou de la nappe alluviale de l’oued Bayech. Ce mélange est marqué par des teneurs en tritium mesurables, par une baisse des âges 14C, et par une diminution de la minéralisation totale.

Mots clefs aquifère multicouche; seuil hydraulique; isotopes; recharge; Tunisie centrale

Geochemical approach to the functioning of the Gafsa North deep aquifer (central Tunisia) Abstract
The North Gafsa basin contains a multi-layered aquifer with three principal levels: upper Zebbag (Cenomanian–Turonian), Abiod (Maestrichian) and Mio-plio- quaternary formations. The hydrogeology of this system is largely determined by tectonics. Indeed, the basin is limited to the south by the Gafsa fault, which acts as a hydraulic sill. Chemical and isotopic data show that the different aquifer levels are recharged by flood water infiltration in the valley of wadi El Kbir, and by direct infiltration of rainwater through carbonate Cretaceous outcrops in the north of the basin. In the centre of the basin, 14C ages of deep groundwaters are the highest. However, the tritium concentrations show he contribution of recently recharged water coming from direct rain infiltration through sand dunes. Downstream, near the Gafsa sill, deep old groundwaters coming from the northern outcrops mix with some recent water recharged through the local Cretaceous outcrops and/or from the wadi Bayech alluvial aquifer. This mixing is marked by measurable tritium concentration, by a lowering of 14C ages and by a decrease of total salinity. Key words multi-layered aquifer; hydraulic sill; isotopes; recharge; entral Tunisia La discussion concernant cet article est ouverte jusqu’au 1 août 2003

INTRODUCTION

Dans la région de Gafsa, l’eau souterraine constitue la principale source d’appro- visionnement en eau potable, agricole et industrielle vu la rareté des eaux de surface. Le système aquifère (multicouche) le plus important est celui de Gafsa Nord. Son fonctionnement hydrogéologique est très influencé par les caractéristiques structurales locales. La faille de Gafsa (Fig. 1) a en effet engendré l’effondrement du bloc Sud mettant en contact des niveaux de forte perméabilité au Nord avec des niveaux de moindre perméabilité au Sud. Ce “seuil hydraulique” (Castany, 1950) maintient à son amont ne pression hydrostatique nettement plus élevée qu’en aval (Fig.

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En surface, le seuil est matérialisé par l’alignement de sources dont la température
des eaux (environ 30°C) témoigne d’une remontée depuis plusieurs centaines de mètres (Fig. 2).
Depuis quelques années, l’augmentation de l’exploitation des eaux souterraines, surtout immédiatement au ord du seuil, a conduit à une baisse de la piézométrie, entraînant l’extinction de l’artésianisme et le tarissement généralisé des sources

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Cette situation dynamique transitoire, qui s’ajoute à la complexité structurale du réservoir, rend difficile la compréhension du fonctionnement du système de Gafsa Nord par les seuls moyens de l’hydrogéologie “classique”. Les méthodes fondées sur le suivi de traceurs naturels, chimiques et isotopiques, dans un tel système offraient une alternative intéressante pour préciser son fonctionnement. En outre, il était intéressant de tester la pertinence de ces méthodes de traçage naturel ans ce type de situation complexe, où les connections multiples entre niveaux aquifères peuvent conduire à des mélanges difficiles à déchiffrer. Une étude chimique et isotopique a donc été entreprise par le Laboratoire de Géochimie Isotopique et de Paléoclimatologie (LGIP) de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax (ENIS) et la Direction Générale des Ressources en Eau (DGRE) du Ministère de l’Agriculture, en collaboration avec l’Agence Internationale de l’Energie Atomique (AIEA) de ienne et le Laboratoire d’Hydrologie et de Géochimie Isotopique (LHGI) de l’UMR “Orsay Terre” à
Orsay

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CADRE GENERAL

Le bassin de Gafsa Nord est situé au centre de la Tunisie (Fig.
1) où règne un climat aride à semi-aride. Les précipitations se caractérisent par leur irrégularité et leur violence avec une moyenne annuelle qui varie du Sud au Nord de 164 à 182 mm. D’un point de vue géologique, le bassin de Gafsa Nord appartient à l’Atlas Central caractérisé par des anticlinaux de direction moyenne SO–NE, séparés par des bassins d’effondrement plio-quaternaires (Zargouni, 1986). La cuvette de Gafsa Nord est bordée par des reliefs dont les formations affleurantes datent du Crétacé inférieur au Quaternaire, avec toutefois une lacune des dépôts néogènes. Elle contient un système multicouche où se superposent plusieurs niveaux aquifères, dont les plus importants sont, du plus récent au plus ancien, les suivants:
− Le Mio-plio-quaternaire est capté sur l’ensemble du bassin. Il s’agit de dépôts détritiques continentaux llant de sables plus ou moins grossiers à des argiles avec parfois de minces intercalations e gypse. Son épaisseur est très variable: de quelques mètres vers les zones de bordures u bassin, elle atteint un maximum de 500 m au centre du bassin dans la région d’Ouled M’Hamed. Cet aquifère est localement captif en raison de la présence de lentilles argileuses. Les niveaux producteurs d’eau sont généralement rencontrés à la base du Mio-pliocène, sur une épaisseur variant de 40 à 175 m. Les débits spécifiques, en forages, sont compris entre 0.2 et 4 × 10-3 m3 s-1 m-1, et les transmissivités entre 1 et 5 × 10-3 m2 s-1.
− L’Abiod (Campanien supérieur–Maestrichtien inférieur) est représenté par des calcaires blancs crayeux à silex d’une épaisseur moyenne de 250 m. Il affleure au niveau des jbels Bou Ramli et Orbata ù il plonge respectivement vers le NE et vers le NO. L’épaisseur de cette formation se réduit progressivement vers le Nord où elle disparaît suivant une ligne de discordance qui constitue, du point de vue paléogéographique, la limite Sud de l’aire continentale de la Tunisie centrale (Ile de Kasserine). L’Abiod est surtout capté dans les bordures Est et Ouest du bassin. Les transmissivités de ces calcaires sont généralement faibles, de l’ordre de 2 × 10-3 m2 s-1 et les débits spécifiques, en forages, varient de 0.07 à 4.5 × 10-3 m3 s-1 m-1.
− Le Zebbag supérieur (Cénomano–Turonien) est constitué de calcaires et de dolomies. Il affleure partout au niveau des anticlinaux de bordure (Fig. 1). Cette formation, qui constitue le principal aquifère u bassin de Gafsa Nord, est surtout captée à l’aval, dans la région du seuil. Son épaisseur varie de 10 à près de 300 m (épaisseur maximale traversée par forage: 292 m au niveau du seuil). Les alcaires et les dolomies du Zebbag supérieur présentent un aspect très karstifiées aussi bien à l’affleurement qu’en profondeur, ce qui leur confère de bonnes caractéristiques hydrodynamiques. D’après les pompages d’essais, les débits spécifiques atteignent 2 × 10-2 m3 s-1 m-1; les transmissivités sont de l’ordre de 3 × 10-2 m2 s-1 et le coefficient d’emmagasinement est voisin de 4 × 0-3. Dans la série, sont présents d’autres niveaux aquifères peu exploités:
− L’Aleg (Turonien– santonien), formé essentiellement d’argile et de gypse à intercalations carbonatées;
− Le Zebbag inférieur (Albien supérieur), constitué par des calcaires et des dolomies dont ’épaisseur moyenne est de 80 m; et

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Le Crétacé inférieur, où l’on trouve sables, grès, dolomies, argiles et gypses. Une carte piézométrique a été établie par Farhat & Moumni (1989). Elle suggère que la nappe est alimentée par les oueds Sidi Aïch et El Kbir (Fig. 4), en particulier dans leur partie amont. Une part de cette alimentation peut également provenir de la cuvette de Majen bel Abbès située au Nord-Ouest du bassin, au travers d’un repli anticlinal. Les dunes de sable situées au centre du bassin, dans la zone limitée par les oueds Bayech et el Melah pourraient également permettre une infiltration des eaux de pluie durant les événements pluviométriques exceptionnels (Ben Ouezdou et al., 1990).
Le seuil hydraulique de Gafsa constitue le principal exutoire naturel par les sources et le flux souterrain qui se déverse vers la nappe de Gafsa Sud (Fig. 2). La perte de charge induite par le seuil est d’environ 7 m (Castany & Breusse, 1950; Belgacem, 1988; Farhat & Moumni, 1989). D’après la carte piézométrique de Farhat & Moumni (1989), les gradients hydrauliques varient considérablement dans l’espace: les plus faibles valeurs (0.5 × 10-3) sont observées au centre du bassin (Ouled M’Hamed et Jedida), alors qu’ils atteignent leur maximum (5 × 10-3) dans la région du seuil.

ECHANTILLONNAGE ET TECHNIQUES ANALYTIQUES

La Fig. 5 montre la localisation des différents points où des prélèvements ont eu lieu dans la nappe profonde de Gafsa Nord en mai et juin 1996. Les paramètres physico- chimiques (pH, conductivité, température) ont été mesurés in situ. Les analyses chimiques des éléments majeurs ont été réalisées par différentes méthodes (gravimétrie, titrimétrie, compléxométrie et photométrie de flamme) au Laboratoire de Recherches et des Sciences de l’Environnement de l’ENIS ainsi qu’au laboratoire d’analyses chimiques de la DGRE. Les teneurs isotopiques des eaux (18O, 2H, 13C et

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14C) ont été déterminées au Laboratoire d’Hydrologie et de Géochimie Isotopique d’Orsay. Les incertitudes analytiques sur les mesures sont de ± 0.2‰ pour l’oxygène-
18 et le carbone-13 et de ±2‰ pour le deutérium. Les activités en carbone-14 ont été mesurées par scintillation liquide sur des précipités de carbonate de baryum préparés sur le terrain. Certains échantillons ont également été analysés au LGIP en utilisant la
même technique, montrant une bonne concordance entre les résultats des deux laboratoires. Les teneurs en tritium ont été déterminées par le laboratoire de la section Hydrologie Isotopique de l’AIEA, à Vienne.

RESULTATS ET DISCUSSION Hydrochimie
Salinité et faciès chimique
Les analyses chimiques montrent que la minéralisation totale augmente d’une façon logique des régions e bordures vers le centre du bassin et le seuil. Les plus faibles valeurs caractérisent le Nord-Ouest du bassin et semblent être en relation avec une infiltration des eaux de crues dans la vallée e l’oued El Kbir. Au Nord, dans la région d’El Fej, les affleurements calcaro-dolomitiques karstifiés du Zebbag supérieur permettent une infiltration rapide des eaux de pluie, ce qui explique la faible salinité des eaux à cet endroit. Au centre du bassin, dans la région de Jedida, la salinité dépasse 2 g l-1. Ceci peut résulter de la nature de la roche encaissante, à prédominance d’argile avec des passées de gypse. De plus, cette région est caractérisée par un faible gradient hydraulique: la circulation des eaux est alors très lente, ce qui favorise l’augmentation de la concentration en sels dissous dans les eaux par suite d’un contact prolongé avec la roche. Dans la région du seuil, la salinité n’est pas toujours en parfait accord avec le

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sens d’écoulement déduit de ce que l’on connaît de la piézométrie. En effet, certains forages proches de la faille de Gafsa, qui représente l’exutoire principal de la nappe profonde, captent des eaux moins salées que d’autres forages en principe situés en amont, selon la carte piézométrique de Farhat & Moumni (1989). Les captages les plus profonds fournissent les eaux les plus salées. Cette stratification des aux de l’aquifère du Zebbag supérieur dans la région du seuil pourrait trouver son origine dans un apport local d’eau douce à la partie supérieure de l’aquifère, en provenance soit de la nappe alluviale de l’oued Bayech, soit des affleurements du Zebbag supérieur situés près du seuil (jbel Assala). Cette hypothèse est confortée par la présence de tritium dans ces eaux (voir paragraphe “teneurs en tritium”)

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Acquisition de la charge saline Des corrélations ont été établies entre la
concentration de chaque élément et la minéralisation
totale (Fig.7).

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générale, les teneurs en Ca2+, SO 2- et Mg2+ augmentent avec la charge saline dans les différents iveaux aquifères, et sont donc déterminantes dans la minéralisation des eaux. Toutefois, les teneurs en Cl- et Na+ participent significativement à l’augmenta- tion de la charge saline, surtout dans les eaux du io-plio-quaternaire (probable dissolution de halite). Les teneurs en NO3- et HCO3- sont assez constantes dans ’ensemble.
Le programme WateqF (Truesdell & Jones, 1974; Plummer et al., 1976) a été utilisé pour calculer les indices de saturation des eaux vis-à-vis des phases minérales présentes dans les réservoirs aquifères. Généralement, les eaux sont sous-saturées (indice de saturation, IS < 0) vis-à-vis du gypse et ursaturées (IS > 0) vis-à-vis de la calcite et de la dolomite (Fig. 8), ce qui suppose, a priori, une possibilité de dissolution

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du premier minéral et de précipitation des seconds. De nombreux points analytiques se positionnent au-dessous de la droite de mise en solution du gypse (Fig. 9) raduisant un “déficit” en Ca2+ qui peut être attribué à une précipitation secondaire de calcite et/ou à un échange de base (Ca/Na) sur les minéraux argileux, dont l’intervention est suggérée par un relatif excès de Na+ par rapport à Cl- pour la plupart des points (Fig. 10).
Hydrologie isotopique
Oxygène-18 et deutérium
Les teneurs en 18O et en deutérium présentent une large gamme de variation (2.4‰ pour l’oxygène-18 et 21.4‰ pour le deutérium) (Tableau 1) compte tenu de la faible superficie du bassin et des différences d’altitude (500 m environ). Au Nord du bassin dans la région d’El Fej, la teneur en 18O des eaux de l’aquifère du Zebbag supérieur (–5.7‰ vs SMOW) peut être comparée à celles mesurées dans les précipitations de la station de Sfax. La moyenne pondérée pour es évènements pluvieux supérieurs à 5 mm, c’est-à-dire susceptibles de donner lieu à une infiltration significative, est de –4.6‰ s SMOW (Maliki et al., 2000). La différence d’altitude entre Sfax (au niveau de la mer) et la région d’El Fej est d’environ 400 m. Si l’on considère un gradient “classique” e teneur en 18O avec l’altitude de 0.3‰ par 100 m (voir par exemple Clark & Fritz, 1997), il est très vraisemblable que la teneur mesurée dans les eaux du Zebbag supérieur à El Fej corresponde à celle de la echarge efficace actuelle ou récente sur la région. Cette teneur reflète donc une infiltration directe des eaux de pluie sur les affleurements du Zebbag supérieur. Des teneurs plus faibles (–6.1 à –6.3‰ vs SMOW) sont observées vers le Nord- Ouest du bassin où la contribution des eaux des crues de l’oued El Kbir dans l’alimentation de la nappe semble être importante. Ces teneurs peuvent à nouveau être expliquées en terme d’altitude de précipitation, puisque l’altitude moyenne du haut- bassin de l’oued El Kbir est d’environ 600 m. Elles peuvent donc également correspondre à des eaux récentes. Au centre du bassin, où les échantillons prélevés proviennent exclusivement du Mio-plio-quaternaire, on observe les teneurs en isotopes lourds les plus basses, avec des teneurs en 18O voisines de –7 à –8‰ vs SMOW. Plus à l’aval, dans la région du seuil, les teneurs sont assez homogènes, voisines de –7‰ vs SMOW. Cette homogénéité tient au fait que les forages, en quasi-totalité captent le même niveau

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aquifère, logé dans le Zebbag supérieur, et que ces points d’eau ne sont pas très dispersés géographiquement. Les différences d’altitude relevées sur le bassin ne sont pas suffisantes pour expliquer des teneurs aussi basses qui témoignent donc, probablement, de la présence d’une eau infiltrée sous un climat différent de l’actuel.
Sur le diagramme δ2H–δ18O (Fig. 11), l’ensemble des points prélevés se répartit autour de la droite des précipitations mondiales (δ2H = 8δ18O +10; Craig, 1961) et celle de la station de Sfax établie pour a période 1992–1998 (δ2H = 8δ18O + 11; Celle- Jeanton et al., 2001). Certains échantillons présentent des marques nettes d’évaporation (excès en deutérium <10), comme c’est le cas des forages Ameïmia 2, Guedir Trab et LP4. Cependant, il n’y a pas de dépendance nette entre les teneurs en chlorures et celles en 18O, ce qui prouve que, même si l’évaporation existe, son effet sur la salinisation des eaux est très limité (Fig. 12).

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Les teneurs en tritium
Des teneurs
en tritium faibles mais significatives ont été observées sur l’ensemble des points échantillonnés. Ces teneurs mesurables témoignent de la présence d’une composante infiltrée depuis moins de cinquante ns sur pratiquement l’ensemble du bassin. Cette composante est particulièrement bien représentée dans les eaux du forage El Fej au Nord du bassin, ce qui confirme l’hypothèse d’une recharge actuelle ou récente (voir paragraphe “Oxygène-18 et deutérium”) mais elle existe aussi près du seuil, où elle peut être à l’origine des phénomènes de “dilution” enregistrés dans la chimie des eaux (voir paragraphe Salinité et faciès chimique”).
Les isotopes du carbone
Les activités en 14C mesurées sur le carbone minéral dissous dans les échantillons d’eau varient de 5 à 65 pcm (pour cent de carbone moderne). Les “âges” correspondants calculés selon le modèle de Pearson (Ingerson & Pearson, 1964) s’échelonnent de 0 à environ 17 000 ans BP. Ces âges confirment la présence d’eau relativement récente sur les bordures Nord et Nord-Ouest du bassin où les âges corrigés sont nuls. Le centre est caractérisé par la présence d’eaux anciennes, notamment le forage Jedida où l’“âge” des eaux atteint 16 770 ans BP. Dans la région du seuil, qui constitue l’exutoire principal de la nappe profonde, les âges deviennent plus faibles, de l’ordre de 6500 ans. Cette diminution apparente des âges 14C depuis le centre du bassin jusqu’au seuil confirme le mélange des eaux anciennes, transitant depuis les affleurements en bordure de bassin, avec des eaux beaucoup plus écentes (contenant du tritium) infiltrées sur les affleurements situés près du seuil et/ou provenant de la nappe alluviale de l’oued Bayech.

CONCLUSION
L’application des outils hydrogéochimiques dans l’investigation des eaux souterraines du système aquifère de Gafsa Nord a permis de préciser son fonctionnement général. Les analyses chimiques montrent que les eaux du Mio-plio-quaternaire sont du type sulfaté sodique et les eaux du Zebbag supérieur sont sulfatées calciques. La salinisation des eaux semble être principalement due à la dissolution du gypse et à un degré moindre de la halite. La salinité des eaux croît généralement des zones de bordures vers le centre du bassin et le seuil. Cependant, dans le détail, cette évolution n’est pas toujours en parfait accord avec le sens d’écoulement déduit de ce qui est connu de la piézométrie, surtout dans la région du seuil où on a pu mettre en évidence l’existence d’une stratification verticale des eaux dans l’aquifère du Zebbag supérieur. Cette stratification résulte vraisemblablement d’apports d’eau récente (tritiée) et douce infiltrée localement à partir des affleurements de la formation et/ou de la nappe alluviale. D’après les teneurs en oxygène-18 et en deutérium, la vallée de l’oued El Kbir au Nord-Ouest du bassin et les affleurements carbonatés du Zebbag supérieur au Nord constituent les principales zones de recharge de la nappe, ce qui confirme les tendances enregistrées dans la piézométrie. Au centre du bassin l’existence de quantités détectables de tritium malgré les âges carbone-14 élevés (entre 9000 et 17 000 ans BP) atteste de la présence d’une composante relativement écente dans les eaux du Mio- plio-quaternaire, composante qui peut provenir d’une infiltration locale des précipitations au travers des dunes de sables. Vers la région du seuil, les âges deviennent plus faibles, de l’ordre de 6000 ans BP, par suite de l’apport d’eaux récentes déjà détecté par la baisse de la salinité et les teneurs en tritium.

REFERENCES

Belgacem, Ch. (1988) Fonctionnement hydraulique du seuil de Gafsa. Mém. de DEA, Fac. Sci . Tunis.

Ben Ouezdou, H., Kallel, M. R. & Mamou, A. (1990) Les pluies exceptionnelles de janvier 1990 en Tunisie:
les conséquences hydrologiques, hydrogéologiques et géomorphologiques. C. R. Acad. Sci. Paris, Géogr. Phys. 311(II), 1375–1382. Castany, G. & Breusse, J. J. (1950) Les seuils hydrauliques de Tunisie.
Etudes géologiques, géophysiques et hydrogéologiques. In: Le seuil de Gafsa. BIRH, Tunis.

Celle-Jeanton, H., Zouari, K., Travi, Y. & Daoud, A. (2001) Caractérisation isotopique des pluies en Tunisie.
Essai de typologie dans la région de Sfax. C. R. Acad.Sci. Paris. 333(IIA), 625–631.
Clark, I. & Fritz, P. (1997) Environmental Isotopes in Hydrogeology. Lewis, New York, USA.
Craig, H. (1961) Isotopic variations in meteoric waters. Science 133, 1702–1703.

Farhat, H. & Moumni, L. (1989) Etude hydrogéologique de la nappe de Gafsa Nord. DGRE, Tunis.

Ingerson, E. & Pearson, F. J. (1964) Estimation of age and rate of motion of groundwater by the 4C ethod. In: Recent

Researches in the Field of Hydrosphere, Atmosphere and Nuclear Geochemistry (ed. by Y. Myake & T. Koyama), 263–283. Maruzen, Tokyo, Japan.

Maliki , A., Krimissa, M., Michelot, J. L. & Zouari, K. (2000) Relation entre nappes superficielles et aquifère profond dans le bassin de Sfax (Tunisie). C. R. Acad. Sci. Paris 331(IIA), 1–6.

Plummer, L. N., Jones, B. F. & Truesdell, A. H. (1976) WateqF, a Fortran IV version of WateqQ, a omputer program for calculating chemical equilibrium of natural waters. US Geol. Survey Water Res. Invest. 76(13).

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J. Research USGS 2(2), 233–239.

Zargouni, F. (1986) Tectonique de l’Atlas méridional de Tunisie. Evolution géométrique et cinématique des structures en zone de cisaillement.
Mém. Rev. Sci. de la Terre, vol. 3. CNRST, Tunis.

Reçu 9 octobre 2001; accepté
11 octobre 2002

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