Introduction

Troughs in Tunisia were described as small basins oriented NW–SE and filled by Quaternary sediments, whose edges appeared to be related to important flexures and normal faults that have played after the Pliocene [6]. These depressions were also described like grabens associated with normal faults having played in the Middle Miocene [3,7]. This study, based on gravity and seismic data, allows us to specify the geodynamic evolution and the structuring of an example of trough related to the polyphase slip of a flower structure associated with a wrench: the Grombalia trough.

The study area is located at the North-East of Tunisia (Fig. 1). It shows a NW–SE-directed structure that corresponds to the Grombalia trough (Fig. 1B). This direction is recognised to the west in the Algero-Tunisian continental domain (FR, FS and FF, Fig. 1A) and to the east in the central Mediterranean (‘zone de décrochement’ de Medina, Fig. 1A) [5,12].

The deep structure of the western edge of the Grombalia trough is poorly known, because it is covered by the Quaternary series. Under this series, several authors have proposed a graben structure limited by two major faults to explain the thickening of the Mio-Plio-Quaternary series in this trough [3,7,15]. The tectonic nature of the eastern edge is also unclear and is known with the outcrop only in the southern part of the trough, where we observe the Hammamet Fault over a 5-km length (Fig. 1B), recognized by several authors [3,4,7,8,10]. In this study, we try to clarify the deep structure of the Grombalia trough, on the basis of gravity and seismic data.

Gravity data analysis

The gravity data used in this study were obtained from the Tunisian Company of the Petroleum Activities (ETAP). Free-air and Bouguer corrections are carried out using the sea level as a reference. Terrain corrections were added by Jallouli and Mickus [11] using the 5-min topographic grid of the US National Geophysical Data Centre. The residual gravity map (Fig. 2) is obtained by removing the regional anomaly (simple plan of first degree, which corresponds to the thinning of the crust). Residual map shows a NW–SE negative residual gravity anomaly whose maximum amplitude is −15 mGal (Fig. 2). This anomaly is localised between the Golf of Hammamet in the South and the Golf of Tunis in the North.

Between Grombalia and Beni Khalled (Fig. 2), a high-amplitude negative anomaly with a sub-circular form indicates a deficit of mass associated with a Cenozoic subsidence. Two gravity profiles I–J and K–L (Fig. 2) crossing this area indicate the existence of a mass deficit on the length of the trough. The magnitude of the horizontal gradient of the Bouguer anomaly (Fig. 3) helps us to locate features that correspond to the faults recognized by the seismic interpretation in the Grombalia trough.

Seismic data analysis

Three NE–SW seismic profiles (L1, L2 and L3) calibrated by SOL-1 and MZN-1 wells (Fig. 1B) cross the Grombalia trough (Figs. 3 and 4). These profiles show the collapse of the lumachellic carbonated bar of the Aïn Grab Formation (AG, Burdigalian, Fig. 4). The seismic profile L1 shows a flower structure that coincides with a negative gravity anomaly where amplitude varies between 0 to −5 mGal. This structure (characteristic of wrench), probably rooted in the ante-Triassic basement presents ramifications that are related to the Hammamet Fault.

Discussion and conclusion

Les fossés d'effondrement de Tunisie ont été décrits comme des cuvettes NW–SE comblées de sédiments quaternaires, dont les bordures paraissaient liées à d'importantes flexures passant à des fractures qui ont joué après le Pliocène [6]. Ces dépressions ont été décrites également comme des grabens, associés à des failles normales ayant joué au Miocène moyen [3,7]. Cette étude, basée sur une analyse des données gravimétriques et sismiques, permet de préciser l'évolution géodynamique et la structuration d'un exemple de fossé lié au jeu polyphasé d'une structure en fleur, associé à un décrochement : le fossé de Grombalia.

La région d'étude est située au Nord-Est de la Tunisie (Fig. 1). Elle montre une structure orientée NW–SE qui correspond au fossé de Grombalia (Fig. 1B). Cette direction se retrouve dans les structures semblables, à l'ouest, dans le domaine continental algéro-tunisien (FR, FS et FF, Fig. 1A) et, à l'est, dans la Méditerranée centrale (zone de décrochement de Medina) [5,12].

La structure profonde de la bordure occidentale du fossé de Grombalia est mal connue, du fait qu'elle est cachée par les séries du Quaternaire récent, qui reposent en discordance angulaire sur les séries tertiaires. Sous la couverture du Quaternaire récent, plusieurs auteurs ont supposé l'existence de deux failles majeures subméridiennes limitant une structure en graben, pour expliquer l'épaississement des séries mio-plio-quaternaires dans ce fossé [3,7,15].

La nature tectonique de la bordure orientale est également imprécise et n'est connue à l'affleurement que dans la partie sud du fossé, où on observe la faille de Hammamet sur une longueur de 5 km (Fig. 1B), reconnue par plusieurs auteurs [3,4,7,8,10].

En se basant sur les données gravimétriques et de la sismique réflexion, ce travail essaie de préciser la structuration profonde du fossé de Grombalia.

Les données gravimétriques utilisées dans cette étude ont été obtenues auprès de l'Entreprise tunisienne des activités pétrolières (Etap). Les corrections à l'air libre et de plateau sont effectuées en utilisant le niveau zéro de la mer comme référence et une densité de 2,67 g cm⁻³. Une correction de terrain a été ajoutée par Jallouli et Mickus [11] à partir d'une grille de 5 min de l'US National Geophysical Data Center.

La carte de l'anomalie gravimétrique résiduelle (Fig. 2) est obtenue en supprimant l'anomalie régionale (plan simple de premier degré qui correspond à l'amincissement de la croûte en allant vers le nord-est). Sur cette carte, on distingue une anomalie gravimétrique résiduelle négative, dont l'amplitude maximale est de −15 mGal. Cette anomalie est localisée entre le golfe de Hammamet, au sud, et le golfe de Tunis, au nord, selon une direction NW–SE. Entre Grombalia et Beni Khalled (Fig. 2) se distingue une anomalie négative de grande amplitude et de forme subcirculaire, qui traduit un déficit de masse, associé à une subsidence cénozoïque. Cette anomalie gravimétrique négative est bordée par deux zones anomales, qui présentent toutes les deux des réponses gravimétriques résiduelles positives, indiquant un excès de masse. Ces deux zones coïncident avec les reliefs des bordures occidentale et orientale du fossé de Grombalia. Les deux profils gravimétriques I–J et K–L (Fig. 2) illustrent l'ampleur des anomalies négatives traduisant l'existence d'un déficit de masse sur l'allongement du fossé. Ce dernier est plus important au niveau de la partie nord du fossé de Grombalia, où on observe une anomalie négative plus forte (Fig. 2, profil I–J).

La magnitude du gradient horizontal de l'anomalie de Bouguer (Fig. 3) permet de reconnaître les linéaments suivants dans le fossé de Grombalia :

• – un linéament NW–SE, bien exprimé par une grande amplitude du coté ouest ;
• – deux linéaments subméridiens, s'individualisant dans le centre et dans la bordure orientale.

Ces linéaments correspondent aux failles reconnues par la sismique.

Les données de forage et de sismique réflexion utilisées dans ce travail sont fournies par l'Etap. On a utilisé trois profils (L1, L2 et L3) de direction NE–SW, qui traversent le fossé de Grombalia et qui sont calés par les forages SOL-1 et MZN-1 (Figs. 1B et 3).

Ces trois profils sismiques montrent clairement l'effondrement de la barre carbonatée lumachellique de la formation d'Aïn Grab (AG, Burdigalien, Fig. 4).

Le profil sismique L1 montre une structure en fleur bien développée, qui occupe le dépocentre du fossé. Celle-ci correspond à une anomalie gravimétrique négative, variant entre 0 et −5 mGal. S'enracinant probablement dans le socle antétriasique, la structure en fleur (caractéristique des décrochements) présente des ramifications qui se greffent sur la faille de Hammamet.

Le profil sismique L2, calé par le puits MZN-1 (Fig. 1B), recoupant la formation Abiod (Campanien supérieur–Maastrichtien inférieur) à une profondeur de 1390 m, montre une structuration en demi-grabens de part et d'autre du dépocentre principal (fossé de Grombalia). Le rejet vertical cumulé de la barre repère d'Aïn Grab est de 0,6 s, ce qui correspond approximativement à un rejet de 850 m. Ce rejet est compensé par une subsidence manifeste de la série mio-plio-quaternaire, bien évidente au niveau des cartes et du profil gravimétrique K–L (Figs. 2 et 3).

Le profil sismique L3 (Fig. 4), situé au nord des profils L1 et L2, passe par le dépocentre principal du fossé de Grombalia, où on note le maximum de l'anomalie gravimétrique négative sur le profil gravimétrique I–J (−15 mGal, Fig. 2). L'enracinement de la structure en fleur s'approfondit et présente des indices de rejeu inverse, témoin des mouvements d'inversions, accompagné d'une structure en éventail synsédimentaire du type rim-syncline. Le rejet vertical cumulé affectant la barre repère d'Aïn Grab est à ce niveau de 2,4 s (>3500 m d'effondrement). Les données de vitesse au niveau d'un forage fictif, localisé au centre du fossé, permet d'estimer la profondeur de la barre d'Aïn Grab à 4000 m. Ceci traduit l'importance de la subsidence à ce niveau, qui serait associée à de possibles phénomènes d'accumulation de la matière organique reconnue sous forme de lignite dans les séries du Miocène supérieur affleurant au J. Abd ar Rahman.

Les données gravimétriques et de sismique réflexion analysées dans cette étude ainsi que les données géologiques ont permis de préciser les points suivants.

À l'extrémité sud-est du fossé de Grombalia, on a confirmé l'existence de la faille de Hammamet. Cette dernière se présente comme une faille majeure profonde, sur laquelle se greffent des rameaux de failles, lui donnant l'allure d'une structure en fleur, caractéristique d'un décrochement. Cette structure a joué en premier temps en décrochement, avec une composante normale pendant le Miocène supérieur, puis en décrochement à composante inverse au cours du Plio-Quaternaire inférieur. Le deuxième jeu décrochant a annulé en partie le premier mouvement. Ces mouvements successifs ont pour conséquence l'élaboration d'un relief modéré au niveau de la bordure orientale du fossé [8].

De plus, dans la partie nord de ce couloir, à proximité de la ville de Grombalia, on observe le maximum de subsidence, qui est exprimé par une anomalie négative locale d'amplitude −15 mGal, qui s'explique par une série sédimentaire très épaisse et de faible densité.

L'exemple du fossé de Grombalia illustre la genèse d'un fossé lié au jeu polyphasé d'une structure en fleur de décrochement. Un tel dispositif se retrouve dans les exemples qu'on observe à terre en Tunisie et en mers Pélagienne et Ionienne, avec des décrochements dont la direction moyenne varie de NW–SE à est–ouest.

De telles structures en fleur sont décrites par Bédir et Bobier [2] dans la plate-forme Pélagienne et par Thomas et Gennesseaux [14] dans l'île de Sardaigne et la mer Tyrrhénienne.

Au Maroc, les structures extensives similaires reconnues dans l'Atlas sont mises en place par un système tectonique transtensif, dont l'axe de contrainte principale maximale est NW–SE pendant le Miocène supérieur, du fait de la convergence NW–SE entre l'Afrique et l'Eurasie [1].

En Tunisie, dans la région de Kasserine, le fossé de Foussana–Kasserine, associé au décrochement de Kasserine (DK, Fig. 1), est affecté par des failles normales syn-sédimentaires d'âge Miocène supérieur [7]. Dans la région de Bouficha, en Tunisie nord-orientale, des failles est–ouest à N120 sont réactivées (au cours de la même période), selon un jeu à composante normale, et sont associées à la genèse de plis NE–SW ; ces structures sont liées à une compression dont la contrainte σ1 est orientée N120 à N140 [13]. Ces mouvements ont été également signalés dans la région de Metlaoui [17].

Au Plio-Quaternaire inférieur, les failles est–ouest, N120 et N140 présentent des jeux dextres à composantes inverses, liées à la compression subméridienne, reconnues par la plupart des auteurs [3,7,9,17]. Au Quaternaire moyen, ces failles rejouent, avec une composante normale, et sont observées dans différentes régions de la Tunisie : région de Kasserine [7,9,16], région de Gafsa [17].