1 Introduction

The Sahel domain in eastern Tunisia (Fig. 1A) is separated from the Atlasic domain by the ‘Axe nord–sud’ [4]. The gravity image of this axis confirms the importance of this major geological feature in Tunisia [8,12] (Fig. 1B). At the surface, this domain appears less affected and few tectonised because their architecture characters are sealed by the Plio-Quaternary sediments [1,5,6,10,14]. However, in subsurface, one observes a geological complexity, associated with Triassic halokinesis along a major faults system and an intense volcanic activity essentially from Aptian to Late Cretaceous [11]. We note also an important crustal thinning associated with the Moho discontinuity depth decrease from west to east along the north–south axis [2,3] and confirmed by the gravity data analysis (Fig. 1C and D).

2 Data used

3 General structural and gravity setting

The Bouguer gravity map of the northern part of the Sahel domain in Tunisia (Fig. 1A) shows a complex gravity field essentially in the Kairouan–Sousse–Monastir area and neighbouring regions (Fig. 1B). This area shows some playas and playa lakes (Sebkha El Kelbia, Sebkha Sidi El Héni, Sebkha El Moknine) and large Quaternary plains (Fig. 3), bordered at the west by the ‘Axe nord–sud’ [4] (Fig. 1B).

The A1–B1 cross-section (Fig. 1B) shows a good correlation between the Bouguer gravity variations (Fig. 1C) and the Moho depth variations (Fig. 1D). However, we can distinguish a particular crustal anomaly (Fig. 1D) in the Kairouan–Sousse–Monastir area. Fig. 2 confirms this observation. This figure shows the Moho isobaths variation in the study area after the seismic refraction data of Geotraverse EGT85 [2,3]. The change of the crustal thinning axis direction from NE–SW to east–west (en-doigt-de-gant form) is spectacular. This east–west locally crustal thinning is associated with the Kairouan–Sousse–Monastir area.

4 Residual gravity map and gravity profiles

The upward transformation of the Bouguer gravity anomaly was used to determine the regional gravity field. A calculated regional anomaly corresponds to a 25-km Bouguer gravity upward. This surface mirrored the known configuration of the crust–mantle boundary surface. The depth of this boundary is relatively well known in eastern Tunisia from the European Geotraverse seismic refraction profiles [2,3]. We subtracted a regional gradient from the Bouguer anomaly and obtained a residual-gravity anomaly map (Fig. 3). The remaining residual-gravity anomaly field represents mainly upper crustal density variations, including variations in the thickness and densities of sedimentary rocks on top of the Precambrian and younger basement rocks. The construction of three NNW–SSE residual-gravity profiles (Fig. 4) shows the gravity signatures of some folded structures recognized in seismic reflection profiles (5 mGal) (for example, the E–F profile in Fig. 4).

5 High-resolution detection of subsurface discontinuities: second-order enhanced analytic signal of gravity field

Since the early 1970s, a variety of automatic and semiautomatic methods, based on the use of the horizontal and/or vertical gradients (derivatives) of potential-field anomalies, have been developed to image geological discontinuities such as contacts and faults. Nabighian [13] has defined the simple analytic signal. For a high-resolution detection of subsurface discontinuities, we use the second-order enhanced analytic signal [7]. Fig. 5 shows the maximum amplitude of the second-order enhanced analytic signal of gravity field correlated with the distribution of all seismic events in the last century. Kairouan–Sousse–Monastir is one of the most active seismic zones in Tunisia [9]. This map has permitted to define a variety of gravity lineaments directions (east–west, north–south and NE–SW). The most important direction is the east–west Kairouan–Sousse–Monastir tectonic corridor (CKMS). This corridor corresponds to considerable parallel active east–west major faults, where some folded structures can be developed.

Le Sahel de Tunisie (Fig. 1A), avant-pays de la chaîne atlasique, est limité vers l'ouest par l'Axe nord–sud [4], qui correspondrait, étant donné sa signature gravimétrique régionale (Fig. 1B), à une structure profonde et enracinée [8,12]. Le Sahel paraît en surface peu tectonisé, mais sa véritable structure est enfouie sous les sédiments plio-quaternaires [1,5,6,10,14]. On constate, en subsurface, une complexité géologique manifeste. En effet, l'activité triasique halocinétique masque souvent les structures et les discordances préexistantes, alors que l'activité volcanique (tufs–basaltes) a été intense de l'Aptien au Crétacé terminal [11]. On signale également un important amincissement crustal en allant du domaine du bassin atlasique vers le domaine du Sahel [2,3], en accord avec la variation des anomalies de Bouguer (Fig. 1C et D). La tendance régionale, en faveur d'une remontée du manteau supérieur, est particulière au niveau de la région de Kairouan–Sousse–Monastir (Fig. 2). En effet, on observe une nette tendance au changement de l'axe de l'amincissement crustal, de la direction NE-SW à la direction est-ouest. De plus, cette région (Kairouan–Sousse–Monastir) est l'une des plus actives du point de vue sismique en Tunisie (régions de Sousse–Monastir, Menzel Nour, etc.) [9]. L'établissement de la carte d'anomalie gravimétrique résiduelle, celle du maximum d'amplitude du signal analytique, ainsi que l'analyse de trois profils gravimétriques passant par la région de Kairouan–Sousse–Monastir (intéressante du point de vue pétrolier) ont permis de mieux cerner le caractère architectural des structures profondes de la région.

La distribution des stations gravimétriques la plus récente est présentée sur la Fig. 3. Les données ont été obtenues auprès de l'Entreprise tunisienne d'activités pétrolières (Etap). La maille gravimétrique est la meilleure qui soit disponible actuellement pour le Sahel. Trois profils gravimétriques parallèles, de direction NNW–SSE, ont été sélectionnés entre Kairouan et Sousse–Monastir. Les données de puits pétroliers et de profils sismiques ont fait l'objet d'une consultation pour une vérification précise concernant les structures profondes. Les données de sismicité utilisées ont été fournies par l'Institut national de météorologie (INM) de Tunisie.

La carte des anomalies de Bouguer (Fig. 1B) de la région du Sahel de Tunisie (Fig. 1A) montre que le champ gravimétrique mesuré est perturbé au niveau de la région de Kairouan–Sousse–Monastir et de ses alentours et que le passage du bassin atlasique déformé et tectonisé vers l'est, au-delà de l'Axe nord–sud, n'est pas accompagné par une monotonie gravimétrique caractéristique d'un « shelf gravimétrique ». En effet, en surface, la région d'étude, située en avant-pays de la chaîne atlasique à l'ouest, est caractérisée par la prépondérance des Sebkhas (Fig. 3) (Sebkha El Kelbia, Sebkha Sidi El Hani, Sebkha El Moknine) et de larges plaines quaternaires. Elle est bordée, vers l'ouest, par un important élément orographique de direction globale nord–sud : l'Axe nord–sud [4].

La coupe A1–B1 (Fig. 1B) montre, que même si la tendance globale de la variation des anomalies de Bouguer (Fig. 1C) est liée à l'amincissement crustal en allant du bassin atlasique vers le domaine du Sahel (Fig. 1D), on peut signaler un important ensemble d'anomalies gravimétriques se détachant de l'effet du Moho. Cette configuration reflète le cadre architectural profond du Sahel de Tunisie, soupçonné par la sismique réflexion : larges dépressions plio-quaternaires entrecoupées par d'importants couloirs tectoniques, dans lesquels s'implantent des structures plicatives atlasiques ennoyées [1,10]. Pouvant former d'éventuels pièges pétroliers, cette structuration de subsurface pourrait être une source de promesses pour l'exploration pétrolière dans la région.

La Fig. 2 représente la carte en isobathes du Moho en se référant aux résultats de la campagne de sismique réfraction Géotraverse EGT85 en Tunisie [2,3]. Ce qui est remarquable, c'est la virgation en forme de « doigt de gant » de l'axe de l'amincissement crustal vers la région de Kairouan–Sousse–Monastir, de la direction NE–SW à la direction est–ouest. Il n'est pas évident de trouver une explication à cette variation directionnelle, mais les deux profils (variations des anomalies de Bouguer et de la profondeur du Moho) (Fig. 1C et D) selon la coupe A1–B1 (Fig. 1B) passant par ce « doigt de gant » montrent une certaine similarité concernant cette tendance. Cette direction est–ouest profonde a-t-elle influencé la structuration de la région ? Pour répondre à cette question, il est indispensable d'éliminer l'effet du Moho et de construire la carte gravimétrique résiduelle.

La construction de la carte d'anomalie, gravimétrique résiduelle (Fig. 3) est effectuée en soustrayant une anomalie régionale, qui correspond à l'effet de l'amincissement crustal en allant de l'ouest vers l'est, défini par la campagne de sismique réfraction Géotraverse EGT85 [2,3]. Cette anomalie régionale correspond à l'anomalie de Bouguer, prolongée vers le haut de 25 km. La carte d'anomalie gravimétrique résiduelle exprime un gradient positif des anomalies gravimétriques, du nord vers le sud et de l'ouest vers l'est. Ceci explique un enfoncement prononcé, associé à un épaississement de la série sédimentaire en allant vers l'ouest et vers le nord. Plusieurs formes d'anomalies (fermées, courbes, allongées, etc.) peuvent être reconnues. La construction de trois profils gravimétriques parallèles de l'anomalie résiduelle, de direction NNW–SSE, permet de mieux visualiser les anomalies de subsurface affectant la croûte (Fig. 4). Les deux gradients de variations de l'anomalie gravimétrique résiduelle sont des gradients qui montrent clairement l'enfoncement, et donc la subsidence, du bassin du sud vers le nord et de l'est vers l'ouest. Les anomalies en forme de crêtes (signalées par une étoile sur la Fig. 4) représentent simplement la signature des structures plicatives ennoyées. Ces structures (d'environ 5 mGal) sont plus fréquentes et plus évidentes en allant de l'ouest vers l'est. Le profil E–F de la Fig. 4 montre, par exemple, trois structures plicatives, confirmées par la sismique réflexion et non explorées actuellement.

Depuis le début des années 1970, un large éventail de méthodes automatiques et semi-automatiques, fondées sur l'utilisation du gradient horizontal et/ou vertical du champ gravimétrique (dérivées mathématiques), a été développé afin de déterminer avec précision la localisation des limites géologiques (essentiellement les failles). Le succès de ces méthodes a amené Nabighian [13] à suggérer une technique utilisant tous les gradients possibles dans l'espace (gradients verticaux et gradient horizontal). C'est la technique du signal analytique. La technique du signal analytique d'ordre 2, qui est considérée actuellement comme une technique de haute résolution efficace et précise [7], est utilisée dans cette étude. La mise en oeuvre de cette technique, calée par la distribution des foyers sismiques durant le XX^e siècle, permet de délimiter avec précision les grandes discontinuités tectoniques reconnues dans la région, sur lesquelles s'agencent les structures transpressives. La construction de la carte du signal analytique d'ordre 2 du champ gravimétrique (Fig. 5) met en évidence d'importantes discontinuités de directions est–ouest, nord–sud et NE–SW. Ces dernières correspondent donc au maximum d'amplitude du signal analytique. Elles s'alignent parfaitement avec les foyers des événements sismiques enregistrés dans la région durant le XX^e siècle. Sur cette carte (Fig. 5), la direction est–ouest, qui exprime déjà une anomalie crustale profonde en « doigt de gant » (Fig. 2), est la plus remarquable. Elle correspondrait à un important couloir tectonique, dit de Kairouan–Sousse–Monastir (CKSM), sismiquement actif, sur lequel se greffent ou viennent s'emboîter d'importantes structures plicatives issues de la réactivation des failles, lors des événements atlasiques. Ce couloir serait donc né sur une zone particulière d'amincissement crustal. Notons enfin la multitude de possibilités d'agencement des discontinuités au niveau de la zone de Monastir et vers le sud-ouest (exemple, le nœud sismotectonique de Monastir), qui est associée à une activité sismique intense (régions de Sousse–Monastir, Menzel Nour, etc.).

Cette étude a permis de mieux poser et de cerner plus précisément le contexte crustal et gravimétrique de la partie nord du Sahel de Tunisie. L' « effet de butoir » lié aux déformations atlasiques de l'Axe nord–sud [4] est loin d'être le seul cas d'anomalie du point de vue de la signature gravimétrique du Sahel. En effet, la carte des anomalies de Bouguer, ainsi que celle des anomalies résiduelles, montrent clairement un ensemble d'anomalies gravimétriques, de formes et de directions diverses, ne reflétant guère une « monotonie gravimétrique » en passant du domaine atlasique vers le domaine du Sahel. La courbure en « doigt de gant » de l'axe de l'amincissement crustal vers la région de Kairouan–Sousse–Monastir, de la direction NE–SW à la direction est–ouest, est confirmée par les données gravimétriques. Sur cette zone particulière d'amincissement crustal prennent naissance d'importantes discontinuités tectoniques, sur lesquelles s'organisent de nombreuses structures plicatives en « fleurs positives » enfouies. Ces discontinuités sont parfaitement délimitées par la technique du signal analytique haute résolution d'ordre 2. Calée par la distribution des foyers sismiques durant le XX^e siècle, la carte du signal analytique montre clairement cette complexité structurale profonde de la région d'étude. Ainsi, le nœud sismotectonique de Monastir présente, à lui seul, une complexité structurale certaine.