UNIVERSIT MOHAMMED V AGDALFACULT DES SCIENCESRabatN dordre
2376THSE DE DOCTORAT DETATPrsente parBouchaib AMMARYDiscipline:
ChimieSpcialit: Chimie Nuclaire et RadiochimieEtude gochimique et
isotopique des principaux aquifres dubassin Crtac dErrachidia et de
la plaine de TafilaletSoutenue le 26 Juillet 2007 devant le Jury
compos de:Prsident:Mr S. Bouhlassa Professeur la Facult des
Sciences de RabatExaminateurs:Mr M. Labraimi Professeur la Facult
des Sciences de RabatMr S. Fakhi Professeur la Facult des Sciences
Ben MSikCasa IIMr A. Elyahyaoui Professeur la Facult des Sciences
de RabatMr L. Kabiri Professeur la Facult des Sciences et
TechniquesdErrachidiaInvit :Mr Y. Kalai Directeur du bassin
hydraulique de Ziz, Ghris etGuir (Province dErrachidia)Facult des
Sciences, 4 Avenue Ibn Battouta B.P. 1014 RP, Rabat MarocTel +212
(0) 37 77 18 34/35/38, Fax : +212 (0) 37 77 42 61,
http://www.fsr.ac.maAvant- proposLes travaux de recherche prsents
dans le cadre de ce mmoire ont t effectus au laboratoire deChimie
Nuclaire et Radiochimie de la Facult des Sciences de Rabat en
collaboration aveclAgenceInternationale de lEnergie Atomique (AIEA)
et la directiongnrale de lhydraulique de Rabat dansle cadre dun
projet pilote rgional africain nomm RAF/08/22. Je remercie
lAIEApour sonassistancetechnique, ainsi queladministration
delhydraulique deRabatet dErrachidia pour leursupport
logistique.Lardaction de ce mmoire tant acheve, le moment estvenu
d'exprimer ma reconnaissance tout ceux qui m'ont aid, conseill,
encourag depuis le dbut de ce travail. Mes remerciements ironttout
d'abord Monsieur le professeur S. Bouhlassa linitiateur de ce
projet de recherche RAF/08/22. Jele remercie ici plus d'un titre:
parce qu'il m'a confi un sujet riche et vari; parce qu'il m'a
permis departiciper un programme de recherche pluridisciplinaire au
sein duquel j'ai purencontrer denombreux hydrogologues de renomm
internationale de lAgence Internationale de lEnergieAtomique dont
feuJean Charles Fontes, Mrs Barnes, Froelich, Sallige, Gaye,
Aguarwal, Michelot,Malosowsky, Yurtsever et dautres, qui m'ont
initidestechniquestrsvaries; parcequ'il m'apermis d'aller sur le
terrain et de dcouvrir le Sahara et le Hamada de Guir, qui par leur
beaut, leurmajestet leur austritont laissenmoi
uneempreinteindlbile. Jeleremercieenfindavoiraccepter de prsider le
jury de cette thse.Je voudrais exprimer toute ma gratitude Monsieur
le professeur Mustapha Labraimi pour l'intrtqu'il a port ce travail
en acceptant dassumer la tache de rapporteur et de participer au
jury. Sesconseils, suggestions et ses critiques et qualits humaines
mont toujours t profitables.Je suis trs reconnaissant Monsieur le
professeur Said Fakhi pour lhonneur quil me fait davoiraccepter la
tache de rapporteur et juger ce travail. Je lui adresse mes sincres
remerciements pour laconfiance qu'il m'a ainsi
tmoigne.JetiensexprimermareconnaissanceenversMonsieurleprofesseurAhmedElyahyaoui
pourlhonneur quil me fait daccepter de juger ce travail. Je le
remercie plus dun titre.Je voudrais exprimer ma gratitude Monsieur
le professeur Lahcen Kabiri, qui en grandconnaisseur delairedtudeet
fervent attachlaprovincedErrachidia, mefait l'honneur departiciper
ce jury.Monsieur YahyaKalai, Directeur dubassinhydrauliquedeZiz,
Ghris et Guir, abienvouluparticiper ce jury. Qu'il veuille bien
trouver ici le tmoignage de ma reconnaissance.Monsieurs les
professeurs Fifani, Bellaouchou et Zrineh m'ont constamment accord
leur appui etleurs conseilsamicaux. Jelesremercieainsi queMonsieur
leprofesseur MohammedLferddontlassistance et la bonne humeur ont
constitu pour moi un soutien moral dterminant.SOMMAIREINTRODUCTION
GENERALE 1PREMIERE PARTIE: REVUE BIBLIOGRAPHIQUECHAPITRE I:
CONCEPTS DE BASE DE LA GEOCHIMIE 5I.1
GENERALITES.....................................................................................................
5I.2 CONCEPTS DE BASE DE GEOCHIMIE
.........................................................................
5I.2.1 ADSORPTION
........................................................................................................
6I.2.2 ECHANGE
IONIQUE...............................................................................................
6I.2.3 INDICE DE
SATURATION........................................................................................
7I.2.4 GEOCHIMIE DES CARBONATES
.............................................................................
7I.2.5 ALTERATION DES
ALUMINOSILICATES.................................................................
9CHAPITRE II: REVUE DES METHODES DE LA
RECHARGE..............................
11II.1FLUCTUATIONSPIEZOMETRIQUES........................................................................
11II.2 METHODE DEBILAN
HYDRIQUE..........................................................................
12II.3METHODES PHYSIQUES 13II.4 SIMULATION
HYDROGEOLOGIQUE.......................................................................
13II.5 BILAN DES
CHLORURES........................................................................................
13II.6 METHODES
ISOTOPIQUES.....................................................................................
14CHAPITRE III : TECHNIQUES
ISOTOPIQUES.....................................................15III.1
HISTORIQUE.......................................................................................................
16III.2 RAPPELS DES PRINCIPES DE
BASE...........................................................
17III.2.1ABONDANCE ISOTOPIQUE OU DELTA POUR MILLE (o)
............................... 17III.2.2 FACTEUR DE
FRACTIONNEMENT: o
.................................................................
17III.2.3 FACTEUR DENRICHISSEMENT: c
.....................................................................
17III.2.4 LA NOTATION:
A..............................................................................................
18III.2.5STANDARDS
INTERNATIONAUX......................................................................
18III.2.6 ISOTOPES STABLES: CAS DE18O,2H
ET13C.................................................
18III.2.6.1RELATION:
o2H/o18O.....................................................................................
18III.2.6.2 APPLICATION DE LA RELATION:
o2H/o18O....................................................
19III.2.6.3 CARBONE-13: INDICE DE LECHANGE
ISOTOPIQUE.......................................
20III.2.6.3.1ORIGINE
DE13C.........................................................................................
20III.2.7.1TRITIUM:3H...................................................................................................
23III.2.7.1.2 UTILISATION PRATIQUE DE
3H...................................................................
23III.2.8RADIOCARBONE:14C
......................................................................................
24III.2.8.1 CYCLEGENERAL DU CARBONE
...........................................................................
25III.2.8.2 ESTIMATION DE
A0DUCITD......................................................................
27III.2.8.2.1. DEFINITION ET PROBLEME FONDAMENTAL
.............................................. 27III.2.8.2.2
MODELES DE CORRECTION DE LACTIVITE INITIALE
A0............................ 28III.2.8.2.3 EXPLOITATION DE LA
METHODE DE RADIOCARBONE ............................... 28CHAPITRE
IV:MODELISATION MATHEMATIQUE ET GEOCHIMIQUE 31IV.1MODELES
MATHEMATIQUES...... 31IV.1.2.1.MODELES DE BOITE
NOIRE.......................................................................
32IV.2. MODELISATION GEOCHIMIQUE 34IV.2.1. CODE
NETPATHE..............................................................................................35SECONDE
PARTIE: APPLICATION DES TECHNIQUES DE L'HYDROLOGIEISOTOPIQUE ET DE
GEOCHIMIECHAPITRE I: CADRE GENERAL 37I.1 ASPECT SOCIO-ECONOMIQUE
37I.2 CADRE
GENERAL...................................................................................................
38I.2.1.TOPOGRAPHIE
...............................................................................................
38I.2.2. CARACTERISTIQUES CLIMATIQUES
....................................................... 40I.2.3.
CONTEXTE GEOLOGIQUE
....................................................................................
42I.2.4. CARACTERISTIQUESHYDROGEOLOGIQUES
.............................................. 44I.2.5. LES APPORTS
NATURELS.....................................................................................
47CHAPITRE II: ANALYSES CHIMIQUES ET ISOTOPIQUES 49II.1 RAPPELS
METHODOLOGIQUES 49II.2 Prparation et analyses chimiques 49II.3
Prparation et analyse isotopique de18O,2H 50II.3.1 Mesure de18O
50II.3.2 Mesure de o2H 51II.4 Echantillonnage et Mesure de 3H
51II.5Echantillonnage et Mesure de14C 53CHAPITRE
III:CARACTERISATION CHIMIQUE DES EAUX 58III.1 Analyses
physico-chimiques 58III.2 Hydrochimie 58III.2.1 ORIGINE DE LA
MINERALISATION 58III.2.2 Rapports ioniques 59III.2. 3 INDICE DE
SATURATION64III.3CONCLUSION AU CHAPITRE
...............................................................................
65CHAPITRE IV: ETUDE DES PROFILS
ISOTOPIQUES........................................... 67IV.1
OBJECTIFS ET METHODOLOGIES
.........................................................................
67IV.2 DONNEES DU TRAAGE ISOTOPIQUE DES EAUX PAR 18O,2H,3H ET
14C............. 68IV.2.1 ANALYSE ISOTOPIQUE PAR BASSIN
.................................................................
68IV.2.1.1. BASSIN
ZIZ..................................................................................................
68IV.2.1.2. BASSIN RHERIS
..........................................................................................
74IV.3CONCLUSION AU
CHAPITRE...............................................................................
76CHAPITRE V: APPROCHE GEOCHIMIQUE ET
ISOTOPIQUE............................ 78V.1
INTRODUCTION...............................................................................................
78V.2. DONNEES DE
BASE............................................................................................
78V.3 TENTATIVES DE SIMULATION: REACTIONS GEOCHIMIQUES
................................ 79V.4 ANALYSE
GEOCHIMIQUE.....................................................................................
80V.4.1 NAPPE DE
TAFILALET.......................................................................................
80V.4.1.1 MODE DE RECHARGE DE LA NAPPE 81V.4.1.2 TEMPS DE TRANSIT
ENTRE DEUX POINTS D'EAU............................................
84V.4.2 .1.BASSIN ZIZ
..................................................................................................
85V.3.2.3 TEMPS DE TRANSIT ENTRE DEUX POINTS D' EAU
............................................ 87V.4 CONCLUSION AU
CHAPITRE
.................................................................................
88CHAPITRE VI: TEMPS DE RESIDENCE 89VI.1 PROBLEMATIQUE DE LA
RECHARGE
...................................................................
89VI.2 TEMPS MOYEN DE
RESIDENCE............................................................................
90VI.2.1 MODELES D'EVOLUTIONS DU TRITIUM DANS LA NAPPE 92VI.3
CONCLUSION AU
CHAPITRE................................................................................
96CONCLUSION
GENERALE...........................................................................................
99REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
......................................................................
102ANNEXE...........................................................................................................................
116I. Introduction GnraleLes priodes de scheresse qui ont durement
affect de nombreuses rgions dans le Mondedurant les deuxdernires
dcennies, ont mis enrelief laprcaritdes rserves
eneauxsouterraineset desurfacedansles zones semi-arideset arides,
ainsi quelancessitdesouscrire aux recommandations de la Dcennie
Internationale de leau.Au Maroc, la raret et le caractre alatoire
des prcipitations, la dsertification de plus enplusinquitante,
lensablementquirsultedeladgradationdesressourcesnaturellessouslactionde
lhomme et de la rigueur des conditions climatiques menacent, enplus
desagglomrations, les terrains agricoles et les infrastructures
dirrigation. La surexploitation deseauxsouterraines,
lielafortepressiondmographiqueet
auxactivitsd'agricultureetd'levage, a accentu la tendance la baisse
des niveaux des nappes. Il savre doncncessairedemettreen uvre,
paralllement auxprogrammes dexploitation, des tudesglobales pour la
reconnaissance des ressources en eaux.La rgion
dErrachidia-Tafilalet situe dans la zone sud atlasique du Maroc,
est confronte dnormes difficults alliant raret et faible qualit de
leau suite, aux longues priodes descheresse svre qui l'ont affecte
durant ces dernires dcennies, et dont les consquencescologiques
sont considrables, comme latteste le recul du domaine irrigu sous
lactiondela dsertification et la progression des sols
sals.Danscettezone, lagriculturereprsente90%delactivitconomique
delapopulationdont 55 % exerce cette activit. L'activit
industrielle est quasi inexistante alors que tourismese dveloppe
mais occupe encore une place modeste, en de des potentialits
offertes. Cetteactivit agricole est toutefois lie directement la
disponibilit des oueds, des sources, et deskhettaras qui ont t
utilises depuis lantiquit par la population de cette zone pour
exploiterparcimonieusement leau (Boudad et Kabiri, 2002 ; kabiri et
al., 2001; kabiri, 2001 et 2004).De vastes programmes dexploitation
des eaux surfaciques et subsurfaciques ont t initisdans cette rgion
durant les dernires dcennies, des efforts d'amnagement des
ressources etdegrandsprojetsont texcuts,
soldsparlaralisationdeplusieursouvragesdont
lebarrageHassanAddakhil,
picematressedelagrandehydrauliquedunecapacitde380Mm3. Dautre part,
la ralisation du projet de transfert des eaux de crue de Rhris vers
le Ziz,a permis damliorer lirrigationde la plaine de Tafilalet et
lalimentationde sa nappephratique.Cependant, les ressources en eau
htivement exploites, ont montr dans bien des cas leurvulnrabilit
aussi bien sur le plan qualitatif que quantitatif. A partir des
annes cinquante,pour faire face la demande croissante en eau,
l'extraction par les motopompes a exacerbe lapression sur la
ressource (Margat, 1977; Bellouti et Ben Dhia, 1997; kabiri et al.,
2001). Lescoulements de plus en plus temporaires et les dbits trs
irrguliers des cours deausajoutent aux priodes de scheresses
prolonges pour accentuer le recours lasurexploitation des nappes
phratiques (Kabiri et Boudad., 2001; Kabiri et al., 2001 ;
Kabiri,2004). Ainsi, le recours croissant aux prlvements deaux
souterraines qui a suivi lascheresse des annes 80 a provoqu une
baisse importante du niveau des nappes menaantainsi lquilibre de
lcosystme de la rgion dont notamment la palmeraie de 15000 ha
situedans la plaine de Tafilalet.Largionconnat
deplusunprocessusdedsertificationquisemanifestesousformedensablement,
de dgradation du couvert vgtal, de salinisation des sols,
dpuisement desnappes et drosion hydrique et olienne (Yahyaoui,
1987; Benmohammadi et al., 2000). Denombreux projets damnagement ou
de protection des systmes agro-cologiques ont t misenplacenotamment
laprotectionimmdiatepar les barrires mcaniques et
biologiques(Mainguet et Chemin, 1979 ; Yahyaoui, 1987 ;Abrou,
1991;Benmohammadi et al., 2000).Toutefois et malgr limportance des
actions entreprises, les secteurs vitaux et oasisconnaissent
toujours une alimentation continue en sables. Dautre part, la
salinisation menace terme laressourceeneau
etsoletfavoriseunedsertificationrampante:leprocessus desalinit
progresse peu peu dans la rgion, fait reculer progressivement les
surfaces cultives,et semble sacclrer notamment dans des secteurs
jusqu prsent prservs. Une meilleureconnaissance de l'origine et des
mcanismes de dgradation chimique des eaux, contribuerait une
gestion durable de l'eau et du sol de la rgion.La correction de la
baisse de plus en plus marque des niveaux des nappes etlamlioration
de la gestion des ressources, passent par la connaissance des
causes dudsquilibre et des termes du bilan hydrique rgional et
ncessitent une meilleure matrise dufonctionnement des systmes
aquifres exploits. Ainsi, pour tablir des schmas de
gestionrationnelle desressourceseneau,
unedestoutespremiresconditionsestde vrifiersilesbaisses
pizomtriques constates sont imputables laugmentation des
dbitsextraits ou une baisse de la recharge naturelle des nappes.
Ceci constituera une donne capitale pour laconception dune gestion
prudente de la ressource hydrique.Si dans les rgions humides o les
hauteurs des pluies sont suprieures lvapotranspiration, lebilanest
gnralement positif et lonpeut envisager unerechargequasi continue
des nappes. En revanche, il nen va pas de mme pour les zones
semi-arides arides caractrises par une forte vapotranspiration
excdant de loin la pluviosit annuelle. Ilest alors ncessairede
vrifier si avecle rgime actuel des prcipitations, il
existeunerecharge des nappes den identifier le rgime et quantifier
le taux.SelonFreeze etCherry(1979),
larechargedunenappesouterraineestleprocessusparlequel le surplus de
linfiltration sur lvapotranspiration scoule travers la zone
racinaire etcontinuecirculer
danslazonenonsatureendirectiondelanappe, oil
participeaurenouvellement des rserves en eau. Lapproche la plus
vidente des problmes dinfiltrationdevait tre donc la mesure des
flux de percolation travers la zone non sature. Toutefois,comme le
font remarquer Allison et al. (1983), Gee et Hilled (1988), et
Fontes et al. (1989), lacomplexit de cette zone na pas encore
permis de faire un usage routinier de ces mthodes. Adfaut, les
hydrogologues sen sont remis dautres mthodes dvaluation de
lalimentationdes nappes, soit en reliant les variations
pizomtriques observes aux prcipitations, soit entablissant un bilan
deau lchelle dun bassin versant.Lestudesmenes durant les
deuxderniresdcennies, ont montrqueles mthodesusuelles destimation
de la recharge des nappes nont pas apport les prcisions souhaites
enparticulier dans les rgions semi-arides arides caractrises par un
fort dficitpluviomtrique, et que les recherches devraient tre
poursuivies sur lutilisation conjointe desmthodes physiques, et les
techniques gochimiques et isotopiques, pour approcherlvaluation de
la recharge des nappes.Ainsi, lhydrologieisotopiqueemployant les
donnes gochimiques et isotopiques,
estdevenueunmoyenincontournablepour
unemeilleurecomprhensiondufonctionnementhydrologique des systmes
aquifres. Ces mthodes de traage des eaux par les isotopes
delenvironnement ont donn des rsultats intressants sous diffrents
types de climat, enparticulier en zones arides et semi-arides
(Fontes, 1976 et 1989), et se rvlent doncparticulirement utilespour
rpondreauxquestionsdeloriginedeseauxet leurmodederecharge.Les
traceurs isotopiques naturels permettent dobtenir des informations
concernant lage,lorigine des eaux, et leur vitesse dcoulement. En
effet, ces traceurs donnent en particulieraccs des indications sur
lorigine et le temps de rsidence des eaux de la nappe,
c'est--dire,en termes de gestion, sur les sources dalimentation du
rservoir et sur le taux derenouvellement de leau dans ce rservoir.
Dans les rgions arides et semi-arides enparticulier, ces techniques
dhydrologie isotopique permettraient de pallier linsuffisance
dedonnes topographiques et contourner les conditions aux limites
dapplicabilit de la loi deDarcy (Fonte, 1976, 1982 et 1989).L'tat
actuel desconnaissances sur les systmes aquifresdelargion, et les
travauxisotopiques antrieurs de Louvat et Bichara (1990), Michelot
et al. (1992), Bouabdellaoui etal. (1995)
danslebassinCrtacd'Errachidia, bienquelimits, mettent
envidencedessignatures isotopiques diffrencies des aquifres des
formations turoniennes, snoniennes etinfracnomaniennes, mais ne
permettent ni dindiquer les origines des eaux ni de
confirmeroudinfirmer les possibles interconnexions de ces aquifres
entre eux et encore moinsdtablir lorigine des eaux de la nappe
alluviale de la plaine de Tafilalet dont lescaractristiques
isotopiques ntaient pas connues malgr son importance vitale pour
lemaintiendelapalmeraie. Larsolutiondeces problmatiques, ajoutes
unemeilleureconnaissancedeloriginedelasalinitdecertainsaquifresconstituent
latramedecettetude.Le mmoire comprenddeuxparties. La premire
regroupe quatre chapitres gnrauxabordant les principales mthodes
dinterprtation gochimique et isotopique et lamodlisationmathmatique
des coulements des eaux par traceurs intrinsques. Dans laseconde
partie regroupant cinq chapitres, nous examinerons les informations
apportes par lesdiffrents sites d'chantillonnage. Nous commenons
par les caractristiques climatiques,gologiques et hydrogologiques
qui conditionnent en grande partie l'interprtation desdonnes
chimiques et isotopiques recueillies dans le cadre ce travail.
Ensuite nous mettons profit unoutil
desimulationbassurlacombinaisondesdeuxapprochesgochimiqueetisotopique
pour la mise en vidence des principaux mcanismes ractionnels
plausiblesresponsables de la minralisation, et l'age apparent des
eaux. Enfin, nous tenterons
dequantifierletempsmoyendersidencedeleaudanslaquifrealluvialedelaplainedeTafilaletaumoyendemodlesmathmatiquesapproprisdescoulementsdeseauxparletritium.
Les principaux rsultats synthtiss dans la conclusion gnrale, font
ressortir lapportapprciable de ces techniques pour l'valuation et
la dfinition des caractristiques
dessystmesaquifrestudiesenvuededfinirlesconsignesd'unegestionrationnelledelaressource
en eau dans cette rgion.PremirepartieRevuebibliogra phiqueCHAPITRE
I: Rappels des concepts de base de gochimieI.1. GnralitsOn
distingue dans la nature trois grandes familles de roches:
sdimentaires, magmatiques,et mtamorphiques. Ces roches peuvent tre
cohrentes (le granite), meubles (sables etgalets), plastiques
(argiles) et liquides (le ptrole). Elles sont constitues dun
assemblage dediffrents lments en grains appels minraux. Ltude de
ces minraux constitue laminralogie.Plusieurs centaines despces
minrales sont connues dans la nature, chacune dentre elleest
dfinieparsastructurecristalline, et
sacompositionchimique(formulestructuraleduminral). Toutes les
formes cristallines connues drivent de 7 mailles lmentaires
ousystmes cristallins. Chacune de ces sept mailles lmentaires est
dfinie par sa gomtrie etses axes de symtrie.Les minrauxsont
habituellement classs endeuxgrands groupes: les silicates et
lesminraux non silicats. Les silicates, trs abondants, constituent
en poids presque 90 % de lacrote terrestre. Les silicates les plus
communs sont:Le quartz: SiO2,Les feldspaths,
quiregroupentdeuxfamilles(les feldspaths potassiques:lorthose)
etlesplagioclases (albite et anorthite),Les micas, qui regroupent
deux varits dont les micas noirs (biotite) et les micas
blancs(moscovite),Les pyroxnes, qui forment une trs grande famille
avec plusieurs varits,Les amphiboles, formant galement une trs
grande famille (olivines).Les
minrauxnonsilicats,sontvolumtriquementtrsrduitspar
rapportauxsilicates.Leur concentration locale donne naissance des
gisements de substances utiles ou demineraissouvent,
duntrsgrandintrt conomique: lacalcite, gypse, pyrite, fluorine,
labarytine, la halite, la malachite, la blende..etc.I.2. Rappels
des principes de base de gochimieDans certaines conditions de
temprature, pression, dficit en sel et ltat hydrique du sol,il se
produit une dissociation des minraux qui engendrent dans leau du
sol des groupementsioniques. De cette mise en solution des sels,
rsultent diffrents phnomnes dontladsorption et lchange
ionique.I.2.1. AdsorptionLadsorption est par dfinition un phnomne
de surface. Par action des forces dattractionet
derpulsionexistantesentre lesionsoulesmolculesdesdiffrentesphases,
certainscations et anions se trouvent fixs sur la surface des
lments solides du milieu.Dans la nature, les argiles et les
collodes prsentent de grandes surfaces spcifiques et
sontlectriquement chargs. Leur charge globale est le plus souvent
ngative. Quand cesparticules se trouvent en prsence de solutions
renfermant des ions, ceux-ci vont tre attirspar ces particules, une
partie y sera adsorbe. Les collodes et les argiles fortement
chargsfixent prfrentiellement les ions bivalents.La facilit avec
laquelle un ion adsorb peut tre remplac par un autre, ou l'ordre
observpour les cations alcalins et alcalino-terreux est Na 8 et
pH
