3.1.3. Ligne isotopique météorique

Agnès VIGNEAU, UQAM, Baccalauréat en géologie des ressources 2008.

Sommaire

Introduction.............................................................................................................................................. 1 1. Cadre de l’étude................................................................................................................................... 2

1.1. Situation géographique ............................................................................................................... 2 1.2. Contexte naturel : conditions biophysiques particulières ............................................................ 2

1.2.1. Relief et désert limitant l’occupation de l’espace.................................................................. 2 1.2.2. Particularités climatiques ..................................................................................................... 4 1.2.3. Aperçu géologique ............................................................................................................... 5 1.2.4. Données hydrologiques ....................................................................................................... 7 1.2.5. Données hydrogéologiques ................................................................................................. 9

2. Méthodes analytiques des teneurs en isotopes stables 18O, 2H................................................... 13 2.1. Principes des techniques isotopiques et champs d’application................................................. 13 2.2. Méthodologie mise en place ..................................................................................................... 14

2.2.1. Echantillonnage.................................................................................................................. 14 2.2.2. Préparation des échantillons et analyses........................................................................... 14 2.2.3. Traitement des données brutes.......................................................................................... 18

3. Interprétations des résultats et discussion.................................................................................... 19 3.1. Résultats................................................................................................................................... 19

3.1.1. Données finales pour le 18O ............................................................................................... 19 3.1.2. Données corrigées pour le 2H ............................................................................................ 20 3.1.3. Ligne isotopique météorique .............................................................................................. 21

3.2. Mise en évidence de gradients ................................................................................................. 22 3.2.1. Gradient altitudinal ............................................................................................................. 22 3.2.2. Gradient de Rayleigh ......................................................................................................... 23

3.3. Pertinence de l’hydrogéologique isotopique ............................................................................. 25 Conclusion ............................................................................................................................................. 26 Bibliographie

Annexes

Activité de synthèse – Rapport ; Etude régionale des isotopes stables des eaux souterraines du Maroc.

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Tables des illustrations

• Figures

Figure 1 : Carte du Maroc et itinéraire réalisé ................................................................................. 3 Figure 2 : Carte des climats du Maroc ............................................................................................ 4 Figure 3 : Carte géologie du Maroc (source : ONHYM, 2000) ........................................................ 6 Figure 4 : Carte de la pluviométrie au Maroc (source : site SEE Maroc) ........................................ 8 Figure 5 : Répartition des ressources en eau mobilisable (source : SEE Maroc, 2004) ................. 9 Figure 6 : Les bassins hydrauliques du Maroc (source : SEE, 2004) ........................................... 10 Figure 7 : Carte des principaux domaine hydrogéologiques ......................................................... 11 Figure 8 Principe de la méthode IRMS (source : Université Paris Sud)....................................... 15 Figure 9 : Schéma de l'injection double (HELIE, 2008)................................................................. 15 Figure 10 : Schéma du flux continu (HELIE, 2008) ....................................................................... 16 Figure 11 : Photo d'un viale........................................................................................................... 16 Figure 12 : Spectromètre pour l'analyse par pyrolyse (ci-contre).................................................. 17 Figure 13 : Equation de la réduction de l'hydrogène (HELIE, 2008) ............................................. 17 Figure 14 : Correction des données brutes ................................................................................... 18 Figure 15 : Relation δ2H en fonction de δ18O.............................................................................. 21 Figure 16 : Compositions isotopiques en 18O en fonction de l'altitude de prélèvement ................ 23 • Tableaux

Tableau 1 : Rapport d'analyses pour le δ18O VSMOW.................................................................. 19 Tableau 2 : Rapport d'analyses pour les δ2H VSMOW ................................................................. 20 Tableau 3 : Compositions isotopiques classées selon l'éloignement côtier .................................. 24


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IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

L’eau est au cœur des enjeux du 21ème siècle. Le recours aux nappes phréatiques se développe rapidement et implique de nouvelles problématiques. La qualité et la disponibilité de la ressource font l’objet de nombreux programmes de recherches afin de permettre aux autorités publiques d’en assurer une gestion durable. Dans la partie Sud de la Méditerranée, la rareté de l’eau et la succession des périodes de sécheresse conduisent à des conséquences directes, telles que la baisse des niveaux hydrostatiques et la salinisation des nappes phréatiques. Au Maroc, l’irrigation pour l’agriculture intensive n’a pas épargné les eaux souterraines. Le recours aux nappes phréatiques s’est accentué dans plusieurs régions (Fess-Saiss, Tadla, les provinces du Sud…). A cela s’ajoute le manque de données géologiques et hydrogéologiques sur les aquifères. Début mars 2008, un voyage au Maroc a permis à des étudiants en baccalauréat en géologie d’acquérir une vision d’ensemble de la géologie marocaine. Les données recueillies sur place ont été le support d’études en géologie structurale, métallogénie et en hydrogéologie. Cette activité de synthèse concerne l’étude régionale des isotopes stables (18O et 2H) des eaux souterraines du Maroc en lien avec les précipitations. Dans ce cadre, des prélèvements d’eau ont été réalisés. Les résultats ont été interprétés avec une approche hydrogéologique et hydrodynamique. De nombreux articles illustrent l’intérêt des méthodes isotopiques en hydrologie et hydrogéologie. On citera notamment les compilations de FONTES (1980) et les publications de l’agence internationale de l’énergie atomique. Concernant le Maghreb, deux articles permettent de préciser les informations pouvant être obtenues grâce aux prélèvements d’eau effectués au Maroc : « apport des isotopes stables dans l’estimation des altitudes de recharge des sources thermales du Maroc » (WINCKEL A., 2001) ; « Caractérisation isotopique de la relation barrage-nappe dans le bassin du Merguellil » (SAFOUAN B.A. 2006). Ce rapport comporte trois parties : - Une présentation du cadre de l’étude décrit les caractéristiques biophysiques du Maroc et aborde le contexte hydrogéologique des bassins échantillonnés. - La seconde partie décrit la méthode mise en œuvre pour réaliser l’analyse des teneurs en isotopes stables de la molécule d’eau. - Enfin, la dernière partie détaille les interprétations émises à partir des résultats obtenus.


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11.. CCAADDRREE DDEE LL’’EETTUUDDEE

1.1. Situation géographique Le Maroc se situe à l’extrême Nord-Ouest du continent africain (21ème – 37ème latitude Nord ; 1er - 17ème longitude Ouest). Le détroit de Gibraltar le sépare du continent européen de 14 km. L’Algérie constitue sa frontière Est et la Mauritanie, sa frontière Sud. L’Océan Atlantique borde le Maroc à l’Ouest tandis que la Méditerranée forme ses côtes Nord. Avec 3500 km de littorale, ce pays possède une position géographique stratégique. La superficie de son territoire est de 710 850 km2. La capitale du Maroc est Rabat. On peut citer les grandes villes : Casablanca, Agadir, Fès, Marrakech, Meknès, Tanger, Oujda, Ouarzazate, Laâyoune. La zone d’échantillonnage se veut large car elle s’étend du Nord au Sud et d’Est en Ouest. Toutefois, ce sont des prélèvements ponctuels réalisés à chaque arrêt près d’une source ou puits caractéristiques de la région. La Figure 1 localise le Maroc et illustre l’itinéraire effectué.

1.2. Contexte naturel : conditions biophysiques particulières

1.2.1. Relief et désert limitant l’occupation de l’espace Le Maroc se distingue des pays voisins par l’importance de l’altitude de ses montagnes. En effet, de grandes chaînes de montagnes occupent la partie centrale et Nord du territoire. On distingue le Haut-Atlas qui s’étend du Sud-Ouest au Nord-Est, le Moyen-Atlas plus au Nord, l’Anti-Atlas au Sud, et la chaîne du Rif à l’extrême Nord du Maroc. Le Haut-Atlas possède plusieurs sommets de plus de 3 500 m d’altitude, dont le Jbel Toubkal qui culmine à 4 165 m. Le Moyen-Atlas s’élève entre 2 700 m et 3 300 m. L’Anti-Atlas compte des sommets dépassant 2 500 m. Enfin, la chaîne du Rif, dont le versant Sud plonge dans la Méditerranée, atteint 2 456 m d’altitude. Le long du littoral atlantique et méditerrané, on retrouve de vastes plaines. Cependant, ce sont les plateaux qui occupent la plus grande partie du territoire. Variant de 200 à 400 m près de la côte atlantique, et de 500 à 900 m à l’Ouest des chaînes du Moyen et Haut-Atlas, ces plateaux atteignent 1 500 m dans les Causses du Moyen-Atlas et les Hauts-Plateaux de l’Oriental. Au sud du pays se trouve l'erg1 Cherbi, à proximité de la frontière algérienne. Il constitue la plus vaste étendue de pierres et de sable à l'intérieur du Maroc. Certaines dunes de sable peuvent atteindre 200 m de hauteur. Dans la partie extrême Sud du Maroc, le Sahara occidental est un territoire de désert de sable et de cailloux de 266 000 km2. Ce territoire est revendiqué et sous contrôle en grande partie par le Maroc, malgré la non-reconnaissance de cette souveraineté par la communauté internationale.

1 Erg : désert de dunes, à l’inverse du reg qui forme un désert de pierres.


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Ces caractéristiques physiques du Maroc constituent une limite à une occupation de l’espace homogène. La population se concentre essentiellement sur les côtes et les plaines. Les reliefs constituent de véritables barrières tant physique que biologique. Les zones reculées ont tendance à se dépeupler peu à peu en raison du manque d’infrastructures, de difficultés d’accès à l’eau potable et surtout d’un attrait croissant des villes en terme de travail.

1.2.2. Particularités climatiques Les reliefs jouent un rôle fondamental dans le climat marocain. Le pays subit diverses influences : montagnarde, méditerranéenne, océanique, continentale et saharienne. Ainsi le Maroc se divise en sept sous-zones climatiques, cf. Figure 2. Au Nord, le climat méditerranéen prédomine tandis qu’au Sud de l’Atlas c’est le climat saharien. De plus, en raison de la chaîne de l’Atlas, les régions orientales reçoivent moins de pluies que les régions occidentales. Les zones ayant la plus forte pluviométrie sont le Rif et le Moyen-Atlas avec plus de 1 000 mm de pluie/an.

Figure 2 : Carte des climats du Maroc


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Les plaines atlantiques Nord connaissent un climat méditerranéen à influence océanique avec des hivers doux et pluvieux et des étés chauds et secs. Cette région est donc une grande zone agricole. On y trouve également des forêts de chênes verts, chênes lièges et d'eucalyptus.

Des plaines de Doukkala au bassin du Souss, l’aridité est croissante. La période des pluies est inférieure à 6 mois (cumul des pluies de 250 à 350 mm/an). Les températures varient peu entre l’hiver et l’été. Les cultures d’agrumes occupent une majeure partie de la région.

Les plateaux intérieurs (de Fès à Marrakech) subissent un climat marqué par la continentalité. La pluviométrie moyenne est de 500 à 600 mm/an avec une forte amplitude thermique été/hiver. On y cultive la vigne et les oliviers.

La côte méditerranéenne et le Rif présente un climat typiquement méditerranéen (hiver doux et pluvieux, été sec et chaud). Les pins poussent sur le littoral tandis que les massifs sont couverts de cèdres et de chênes verts.

Le Moyen et Haut-Atlas sont caractérisés par un climat montagnard au centre avec de fortes précipitations de neige en hiver et des orages en été. Les versants Sud subissent l’influencent saharienne, tandis que les versants Nord sont soumis aux dépressions océaniques. Ainsi, on trouve une végétation très riche et variée.

L’Anti-Atlas et les vallées pré-sahariennes ont un climat désertique mais avec des influences montagnardes (100-200 mm/an de précipitations et températures à forte amplitude). La végétation qui y pousse est la steppe.

Le domaine saharien est typiquement désertique : précipitations quasi-absentes (moins de 100 mm/an) et températures très contrastées. La végétation est rare.

1.2.3. Aperçu géologique La Méditerranée et l’Atlantique ont un rôle primordial dans la constitution de la géologie de l’extrémité occidentale de l’Afrique du Nord. Le Maroc se situe entre les continents africain, européen et américain, ce qui lui confère une position charnière au cours de l’histoire géologique. On distingue trois grands domaines structuraux, façonnés par différents cycles orogéniques. Du Nord au Sud, on trouve :

- le domaine rifain;

- le domaine atlasique et mésetien ;

- le domaine anti-atlasique et son prolongement saharien.

Ils sont limités les uns des autres par l’accident sud-atlasique d’une part et par la limite des charriages tertiaires venus du Nord d’autre part. Les deux premiers domaines ont été façonnés par l’orogenèse varisque et alpine alors que le dernier est témoin des orogenèses précambriennes et varisque. Cf. Figure 3


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Figure 3 : Carte géologie du Maroc (source : ONHYM, 2000)

• Domaine rifain

Des formations carbonatées et schisto-gréseuses du Mésozoïque et du Tertiaire sont disposées concentriquement autour d’un noyau essentiellement cristallophyllien paléozoïque. Il se caractérise par la présence de nappes de charriage et de glissement engendrées par une tectonique alpine majeure


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• Domaine atlasique et mésetien

Il se situe entre l’accident sud-atlasique et la limite Sud du pré-Rif. Le socle paléozoïque (du Cambrien au Carbonifère), constituant les mesetas, correspond à des terrains sédimentaires marqués par une intense activité volcanique bimodale au Viséen. L’orogenèse hercynienne a structuré ce socle tout en favorisant la mise en place d’intrusions de granitoïdes. Ce domaine présente aussi une couverture formée de terrains carbonatés datant du mésozoïque et cénozoïque. Structuralement, elle est scindée en deux : - une zone de couverture plissée marquée par une tectonique alpine précoce (Haut et Moyen-Atlas) ; - une zone à couverture tabulaire comprenant le causse moyen atlasique ainsi que les hauts plateaux et la région des horts au Maroc oriental. • Domaine saharien et anti atlasique

Ce domaine présente les terrains les plus anciens avec un socle protérozoïque. Il est limité au Sud par le bouclier Ouest africain et au Nord par l’accident Sud-atlasique. Dans la zone Nord se trouve la partie mobile de la chaîne panafricaine (protérozoïque supérieur). Elle est constituée au sud par une plateforme qui laisse place à un bassin océanique au Nord, matérialisé par la paléosuture ophiolitique de Bou-Azzer. Au Nord-Est de cette boutonnière, un arc volcanique s’est développé en contexte de subduction panafricaine, accompagné par un cortège de volcanites et d’intrusions plutoniques calco-alcalines caractéristiques. Les minéralisations, mises en place sous contrôle thermodynamique, sont fréquentes dans cet ensemble (argent, cobalt…). Au Sud se trouve le socle éburnéen. En effet, la partie Nord de la dorsale archéenne des Réguibat (2,8 Ga) a été affectée par l’orogenèse éburnéenne à 2,2 Ga. Ces deux ensembles ont été structurés par l’orogenèse panafricaine. Enfin, des séries transgressives, allant de l’Infracambrien au Carbonifère, recouvrent en discordance les formations du protérozoïque. L’ensemble est déformé par l’orogenèse hercynienne, tout particulièrement dans la partie occidentale de l’Anti-Atlas.

1.2.4. Données hydrologiques Le Maroc possède beaucoup de cours d'eau (fleuves et oueds). Les grands fleuves tels que le Bouregreg, l’Oum Errabiaa, la Moulouya, et le Sébou, présentent une grande variabilité saisonnière et annuelle de débits. Les oueds sont des cours d’eau moins importants qui peuvent être à sec une partie de l’année. La variabilité des débits est un grand problème au Maroc (notamment pour l’agriculture). Le contexte hydrologique du Maroc reste principalement influencé par une irrégularité annuelle et une variabilité inter-annuelle très marquées des précipitations et une hétérogénéité de leur distribution. L'alternance de séquences de forte hydraulicité et de séquences de sécheresse d'intensité et de durée variables est également un trait dominant des régimes hydrologiques. Les moyennes annuelles des précipitations atteignent plus de 1000 mm (1 million de m3 par km2) dans les zones montagneuses du nord (Rif, Tangérois et Côtiers Méditerranéens Ouest). Toutefois, sur près de 85 % de la superficie du Maroc (bassins de la Moulouya, du Tensift, du Souss-Massa, des zones sud-atlasiques et de la zone saharienne), les pluies s’élèvent à moins de 300 mm (300.000 m3 par km2). Elles se répartissent en deux épisodes (automne et hiver). Cf. Figure 4.


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Figure 4 : Carte de la pluviométrie au Maroc (source : site SEE Maroc)

Le Maroc a connu plusieurs sécheresses dont une dizaine ont concerné la majeure partie du pays. Le dernier épisode 1998-2002 a duré quatre années consécutives. La construction de grands barrages réservoirs pour stocker les apports des années humides s’est donc imposée. Un transfert d’eau des régions favorisées aux régions déficitaires est parfois réalisé pour diminuer cette répartition inégale des ressources en eau. Le pays poursuit depuis 1967 une campagne d’édification de barrages. En 2004, on comptait 109 grands barrages au Maroc. L’eau de surface représente les deux tiers du potentiel en eau. Du point de vue de la qualité de ces eaux de surface, on constate une tendance à la dégradation du fait des rejets urbains et industriels.


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1.2.5. Données hydrogéologiques Les ressources en eau souterraine assurent notamment l’approvisionnement des populations rurales. Le potentiel en eau souterraine mobilisable s’élève à 4 milliards de m3, réparti sur 80 nappes dont 48 superficielles (SEE, 2004). La qualité globale des nappes souterraines a été identifiée comme dégradée pour 59 % des stations de prélèvement au cours d’une campagne entre 2000-2001. Une forte minéralisation de ces eaux et la présence de fortes teneurs en nitrate seraient responsables de la dégradation de la qualité des eaux. Les nappes d'eau souterraine fortement minéralisées sont la nappe de Berrechid, Chaouia côtière, Kert, Gareb, Bouareg, Beni Amir, et Tafilalt. En outre, des teneurs élevées en nitrates ont été enregistrées au niveau des nappes de Fès-Meknès, Tadla, Abda-Doukkala et Angad. La répartition de ces eaux souterraines mobilisables est présentée ci-dessous, cf. Figure 5.

Figure 5 : Répartition des ressources en eau mobilisables (source : SEE Maroc, 2004)

On recense 19 bassins hydrauliques au Maroc. Nous détaillerons par la suite les caractéristiques de ceux concernés par la campagne d’échantillonnage. Cf. Figure 6.


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Figure 6 : Les bassins hydrauliques du Maroc (source : SEE, 2004)

• Bassin hydraulique du Sébou (bassin 5)

Ce bassin forme une cuvette entre le Rif au Nord, le Moyen Atlas et la méseta au sud, le couloir Fès -Taza à l'Est et l'océan Atlantique à l'Ouest. Avec superficie est d’environ 40 000 km2 il est un des plus importants du pays. Il détient presqu’un tiers du potentiel de surface marocaines. Les apports sont irréguliers dans l’espace et dans le temps. Les ressources en eau souterraine constituent une grande proportion des ressources en eau du bassin. Le volume exploitable des eaux souterraines est de l'ordre de 800 Mm3 par an, soit près de 20% du potentiel national. A l'échelle du bassin, on distingue une douzaine de nappes. Notons que Fès et Méknes bénéficient de l’eau potable de la « nappe profonde de Fès-Méknes ». La qualité des eaux souterraines est en général bonne à moyenne pour les trois principales nappes, Fès/Méknès, Maamora et Gharb. Toutefois, par endroit, elles présentent des teneurs élevées en nitrates dans les zones à forte activité agricole, et en sels dans les zones côtières. (n° des échantillons 20-212). • Bassins hydrauliques du Ziz –Rhéris (bassin 14)

L'unité Ziz-Rhéris correspond aux bassins versants de ces deux oueds. La superficie totale est de 26.290 km2. Une grande partie se trouve dans le région d’Er Rachida. Les villes appartenant à ces bassins sont Er Rachida, Erfoud, Tinghir, Rissani… etc. L’influence des vents chauds sahariens est à l'origine de l’aridité du climat. L'évaporation à Er Rachida s’élève à 2 700 mm/an. Les réserves en eau souterraine dans la province d'Er Rachida sont importantes et jouent un rôle primordial dans la satisfaction des besoins en eau. Ces ressources sont constituées d'une 2 Par la suite on abrégera le numéro de l’échantillon par « n° 2 ».


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part par les nappes phréatiques situées le long des vallées (caractérisées par leur faible étendu et leur dépendance directe aux aléas climatiques) et, d'autre part, par les nappes profondes. Cf. Figure 7.

Figure 7 : Carte des principaux domaine hydrogéologiques

Les nappes phréatiques : La persistance du déficit pluviométrique cumulé depuis les cinq années dernières, conjuguée avec l'exploitation intensive des ressources en eau les plus accessibles, a engendré une baisse du niveau piézomètrique de la plupart des nappes phréatiques de la province. Cette baisse atteint 8 à 10 m dans les nappes d'Errachidia et Tinjdad. (n°10). Les nappes profondes : • Le haut Atlas : plusieurs unités hydrogéologiques communiquent entre elles (Lias et Dogger). Ces aquifères donnent naissance à plusieurs sources dont celle d’Agbalou (n°18). • Le bassin crétacé d'Er Rachida s'étend entre le Haut et le Anti Atlas et comprend deux aquifères : la nappe du Sénonien et la nappe des Calcaires Turoniens (n°15). • Nappe de l'Infracénomanien (Ain El Ati) : localement artésienne. Cette nappe est peu exploitée en raison de sa salinité et de sa profondeur. (n°14 et 13) • Les nappes de l'Anti Atlas : elles sont surexploitées à partir des khettaras3 et des puits et forages. (n°12). La profondeur, salinité et productivité de ces nappes sont données en Annexe 1. Les eaux de l'oued Ziz d'une qualité bonne en amont, deviennent ponctuellement moyennement polluées en aval des agglomérations. Les eaux souterraines sont généralement de bonne qualité sauf au niveau des zones avoisinant Ain El Ati. Les aménagements ont permis de mobiliser environ 50% du potentiel en eau disponible. La réalisation du grand barrage Hassan Eddakhil en 1971 (85 m de haut) a crée une retenue de 347 millions de m3 d’eau, alimentée essentiellement par l’oued Ziz. Son but est l’irrigation et l’alimentation en eau potable. (n°16-17).

3 Khettaras : système d’irrigation marocain constitué de canaux reliant des bassins avec à l’amont un puit.


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• Bassin hydraulique du Draa (bassin 17)

La superficie de ce bassin est de 29 500 km2. Ouarzazate est la principale ville. Le climat y est très aride, d’où une évaporation de l’ordre de 2000 à 3000 mm/an. Les eaux de surface proviennent essentiellement de l’oued Dadès à l’Est, et de l’oued Ouarzazate à l’Ouest. Ce sont les eaux souterraines du Haut-Atlas qui assurent un écoulement relativement pérenne des oueds. Ces ressources en eau sont mieux régularisées à l'Est (oued Dadès) où dominent les terrains calcaires qu'à l'Ouest (oued Ouarzazate) où des terrains du socle métamorphique et granitique sont moins perméables. (n°8 et 9). La qualité des eaux varie selon les oueds. Elle est de bonne qualité pour les eaux souterraines. • Bassin hydraulique du Tensift (bassin 10)

Situé au centre Ouest du Maroc, le bassin du Tensift s'étend sur une superficie de 19.800 km2 et couvre Marrakech et la province d’Essaouira. Les ressources en eau de surface sont irrégulières et inégalement réparties. Les montagnes constituent le château d'eau des écoulements de surface (oueds). Les réservoirs en eaux souterraines sont alimentés par les eaux pluviales. La qualité des eaux de surface est très variable. La plupart des nappes d'eau souterraine présentent une eau de qualité moyenne à bonne sauf dans les secteurs contaminés par les eaux usées ou affectés par la nature chimique des formations aquifères. (n° 1 à 7). • Bassin hydraulique de la Moulaya (bassin 4)

Il s’étend sur 74 000 km2 et comprend la ville de Midelt (n°19). Il draine les eaux du Rif oriental et du moyen Atlas à l'Ouest ainsi que le Haut Atlas au Sud. L'oued Moulouya d'une longueur de 600 km environ est le principal cours d'eau du bassin. Il prend naissance dans la chaîne du Haut et Moyen Atlas et les Hauts Plateaux. Le bassin de la Moulouya renferme une trentaine de nappes dont l'importance et la qualité varient en fonction des structures géologiques, de la nature lithologique des terrains, et de la pluviométrie. Les données actuelles indiquent un volume total d'eau souterraine mobilisable d’environ 450 Mm3/an, dont environ 80 Mm3/an présentent une salinité de plus de 2 g/l (plaines des Triffa et de Gareb- Bouareg). Les eaux superficielles sont en général d'une bonne qualité. Certaines nappes sont riches en nitrates en raison de l'épandage des eaux usées et d’autres nappes (Kert, Gareb et Bouareg) ont une qualité chimique très mauvaise (fortement minéralisées). Le Maroc se distingue des pays voisins par ses montagnes élevées. Les reliefs constituent de véritables barrières biophysiques. Ainsi, le pays subit diverses influences climatiques (méditerranéenne, atlantique, désertique …). Les cours d'eau (fleuves et oueds) sont nombreux mais la variabilité des débits constitue un grand problème. En effet, le contexte hydrologique du Maroc reste principalement influencé par une irrégularité saisonnière et une variabilité inter-annuelle des précipitations très marquées. La construction de grands barrages réservoirs pour stocker les apports des années humides s’est donc développée. Dans ce contexte, les ressources en eau souterraine jouent un rôle important. Elles présentent des avantages certains du fait de leur bonne répartition géographique, de leur facilité de captage et de leur moindre vulnérabilité face aux aléas climatiques et à la pollution. L'effort de mobilisation des eaux souterraines, entrepris depuis 1961, a permis un développement sans précédent de l'exploration et de l'exploitation des nappes souterraines.


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22.. MMEETTHHOODDEESS AANNAALLYYTTIIQQUUEESS DDEESS TTEENNEEUURRSS EENN IISSOOTTOOPPEESS SSTTAABBLLEESS 1188OO,, 22HH

2.1. Principes des techniques isotopiques et champs d’application Chaque élément chimique peut présenter un nombre variable de neutrons. Les atomes d’un même élément sont appelés isotopes de cet élément. Ils se distinguent par une masse différente engendrant des propriétés physiques particulières. Les changements de phase modifient le rapport de la quantité d’isotope lourd sur la quantité d’isotope léger d’un même élément. Les champs d’application des méthodes isotopiques dans la gestion des ressources en eau sont vastes. Parmi les applications les plus courantes, on recense :

- la localisation des zones d’alimentation, - le calcul de la recharge, - la détermination du temps moyen de séjour, - la surveillance de l’exploitation d’un aquifère, - les mécanismes de salinisation.

Plus particulièrement, nous avons étudié les teneurs en isotopes stables de l’eau (18O et 2H) des eaux souterraines du Maroc. Ces isotopes constituent des marqueurs intrinsèques de cette molécule. Dans les eaux naturelles, ils se combinent et forment neuf espèces différentes de molécule d’eau. Leur proportion relative dépend du fractionnement subi par cette eau. Ainsi, ces deux isotopes stables sont d’excellents outils de traçage. La composition isotopique d’un aquifère reflète l’origine et les mécanismes de l’alimentation en eau. La distribution de ces isotopes dans ces eaux suit des règles générales et simples.

La notation pour exprimer les teneurs en isotopes stables est l’unité delta (δ). Ce delta représente une déviation par rapport à un étalon ou « standard ». En effet, on mesure la différence relative entre la teneur en isotope de l’échantillon et la teneur en isotope d’un standard (la teneur étant le rapport atomique entre l’isotope lourd et l’isotope commun). On l’exprime en ‰. Par exemple pour l’oxygène 18 on écrit :

δ18O = ([18O]/[16O])échantillon- ([18O]/[16O])standard x 1000 ([18O]/[16O])standard

Pour les isotopes de l’eau, le standard est le SMOW (Standard Mean Ocean Water). Notons que les teneurs en 2H et 18O des pluies mondiales, reportées sur un graphique, définissent une droite, dite météorique (Craig, 1961) :

δ2H = 10 + 8 X δ18O

Cette droite représente une norme en première approximation, et tous points s’écartant de celle-ci sont atypiques. Cette référence est très utile pour renseigner l’origine des eaux souterraines et leurs déplacements.


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2.2. Méthodologie mise en place

2.2.1. Echantillonnage L’itinéraire au travers du Maroc prévoyait un arrêt par jour au moins, chacun des arrêts étant distant de plusieurs dizaines de kilomètres. Les prélèvements concernent des sources, des rivières (oueds), des puits et des alimentations d’eau de ville. Des sites miniers ont été visités. A cette occasion, des prélèvements d’eau ont été réalisés dans les puits utilisés par les compagnies minières. Les bouteilles HDPE de 30 ml étaient rincées trois fois avec l’eau à échantillonner. On prélevait ensuite un volume maximum afin de ne pas avoir d’air dans la bouteille pour éviter l’évaporation. Chaque échantillon était bien scellé avec du ruban adhésif et identifié avec un numéro. Celui-ci était reporté dans un carnet dans lequel étaient notés les renseignements suivants : la localité, la date, l’altitude, le type de point d’eau, la roche encaissante, et toutes informations recueillies sur le terrain. Les échantillons ne nécessitaient pas de conditions de conservation particulières, hormis d’éviter une trop forte évaporation. Pour le tableau de renseignements sur les échantillons, cf. Annexe 2.

2.2.2. Préparation des échantillons et analyses Au retour du Maroc, les analyses en laboratoire avaient pour objectif de déterminer le δ18O et le δ2H sur IRMS. Tous les échantillons étaient de type eau douce. Deux méthodes ont été pratiquées : - Pour le δ18O, les échantillons ont été analysés par équilibration. - Pour le δ2H, on a réalisé des analyses par pyrolyse. Cette partie de l’activité s’est déroulée sur environ 2 semaines dans les laboratoires d’analyse des isotopes stables du centre GEOTOP à l’UQAM. Elle comprend la préparation des échantillons puis les analyses sur IRMS. La méthode d’analyse par spectrométrie de masse isotopique connaît beaucoup d’applications. Les appareils sont de plus en plus automatisés et simple d’utilisation. Le coût des analyses diminue avec la diminution du temps d’analyse. La spectrométrie de masse est une technique physique d'analyse permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse mono-isotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de caractériser la structure chimique des molécules en les fragmentant. Le principe repose sur la séparation en phase gazeuse de molécules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge (m/z). On distingue quatre parties dans le spectromètre de masse isotopique, dans l’ordre : - une source d'ionisation, - un ou plusieurs analyseurs en suivant, qui séparent les ions produits selon leur rapport m/z, - un détecteur qui compte les ions et amplifie le signal (collecteur), - un système informatique pour traiter le signal. Cf. Figure 8.


15

Figure 8 Principe de la méthode IRMS (source : HÉLIE, 2008)

On distingue la technique IRMS à injection double (DI) de celle à flux continu (CF). La première consiste à introduire successivement un volume de gaz référence puis un volume identique de gaz d’échantillon dans l’analyseur, sur une même séquence de temps (flux constant). L’appareil possède donc deux réservoirs. Cf. Figure 9. L’avantage d’une telle procédure est que les effets de fractionnement au sein de la source et du transport de gaz sont les mêmes pour le gaz de référence et l’échantillon. Ainsi, ils peuvent être négligés lors du calcul des rapports isotopiques. Cette méthode est considérée comme étant la plus précise pour l’analyse d’isotopes stables d’échantillons de gaz.

Figure 9 : Schéma de l'injection double (HÉLIE, 2008)


16

Pour la technique en flux continu, l’hélium est le gaz porteur. Une pression constante d’He est maintenue dans le système de préparation, pour d’abord expulser l’air, puis pour pousser les gaz produits vers le spectromètre de masse. Il est essentiel que la pression d’He soit constante afin que les gaz produits arrivent au même moment. La quantité de gaz produit doit aussi être la même d’une analyse à l’autre d’où l’injection de 0,3 μl. Cf. Figure 10.

Figure 10 : Schéma du flux continu (HÉLIE, 2008)

• Analyse des teneurs en 18O par équilibration Pour l’oxygène-18, on procède préalablement à un échange isotopique entre l’échantillon à analyser et du gaz carbonique dont la composition isotopique est connue. C’est ce qu’on appelle « l’équilibration » (d’une durée de 7h).

Préparation des échantillons : - On remplit des viales avec 200 μl d’eau échantillon. On dépose le volume au fond du viale en évitant toute perte d’eau et on change l’embout de pipette à chaque nouvel échantillon. Cf. ci- contre, Figure 11 : Photo d'un viale

- On referme hermétiquement les viales avec un bouchon à membrane plastique (septum). - On dispose de 21 prélèvements d’eau dont on réalise pour chacun deux duplicatas. On intercale dans la série des échantillons 12 viales avec de l’eau MilliQ et 6 avec de l’eau de Baffin. Ces eaux de référence permettent de vérifier la précision et la stabilité analytique de la séquence d’analyse. - On rentre dans un fichier informatique le nom de chaque échantillon dans l’ordre de la série de viales.


17

Analyse : La préparation est introduite dans une enceinte thermostatée à 40°C dans laquelle l’eau à analyser et le gaz de référence (CO2) sont mis en présence. Après équilibration, la composition isotopique de ce gaz est modifiée. L’analyse du CO2 permet de déterminer la composition initiale de l’échantillon. • Analyse des teneurs en 2H par pyrolyse

Préparation des échantillons : - On remplit des petits flacons entièrement de façon à ne pas laisser d’air. On utilise pour ceci des seringues que l’on change pour à chaque nouvel échantillon. On met un bouchon hermétique. - On place les flacons dans le carrousel dans l’ordre de la série d’échantillons. - Pour 21 échantillons (un seul duplicata), on a introduit en début de série trois flacons d’eau milliQ, deux d’eau de Baffin ; puis tout les dix échantillons, un de milliQ et un de Baffin ainsi qu’à la fin. Figure 12 : Spectromètre pour l'analyse par pyrolyse (ci-contre)

Analyse : Les flacons sont ordonnés dans le carrousel du spectromètre. Après une série de réglage pour correction, l’analyse peut commencer. L’échantillonneur vient prélever 0,3 μl d’eau dans le premier flacon. Il injecte ce volume dans la colonne composée de poudre de chrome surmontant de la laine de quartz. Un flux d’hélium est ensuite injecté. L’eau de l’échantillon est alors réduite en circulant dans ce réacteur chauffé à 1100°C. L’hydrogène dégagé par la réduction est utilisé pour l’analyse spectrométrique (dans la colonne chromatographique). Cf. Figure 13.

Figure 13 : Equation de la réduction de l'hydrogène (HÉLIE, 2008)

Ces deux méthodes sont simples à mettre en œuvre et permettent d’obtenir des résultats avec une bonne précision. Pour l’analyse par équilibration, la préparation des échantillons nécessite de la minutie pour obtenir un volume précis. L’équilibration dure 7h mais par la suite l’analyse du CO2 se fait en quelques minutes par viale. L’analyse par pyrolyse reste la plus


18

simple et rapide car il n’y a pas de précaution particulière lors de la préparation des échantillons (hormis d’éviter l’air). Ensuite, l’analyse par échantillon dure 3 minutes.

2.2.3. Traitement des données brutes

On obtient des données brutes en référence à VSMOW que l’on corrige à l’aide d’un fichier excel. Le rapport d’analyses brute et le fichier excel pour la correction sont présentés en Annexe 3. Le principe est d’établir une droite Y=aX + B, à partir de deux points de référence donnés par les standards internes (eau des Terres de Baffin et eau milliQ), avec pour coordonnées (δ mesuré ; δ vrai). Cette correction permet d’éliminer l’imprécision analytique de l’appareil : l’appareil donne des résultats de δ mesurés qui sont reliés par une relation directe aux valeurs δ VSMOW réelles

Figure 14 : Correction des données brutes

Si un drift est observé (les valeurs en fonction du temps forment une droite en raison de la dérive instrumentale), on corrige les valeurs corrigées pour le drift à l’aide des standards internes (corrigés pour le drift). Le drift est habituellement observé pour la méthode en flux continu, donc pour le 2H. Cette démarche consiste à évaluer l’évolution de la signature isotopique enregistrée par les standards (MilliQ et Baffin) dans le temps et à appliquer une correction aux échantillons en fonction de la dérivé calculée. La précision analytique standard est de 0,05 ‰ pour le 18O H2O par équilibration et de 0,5 ‰ pour le 2H H2O par pyrolyse.


19

33.. IINNTTEERRPPRREETTAATTIIOONNSS DDEESS RREESSUULLTTAATTSS EETT DDIISSCCUUSSSSIIOONN

3.1. Résultats

3.1.1. Données finales pour le 18O

La séquence d’analyses s’est bien déroulée. Seuls deux viales n’ont pas été analysés par le spectromètre mais on dispose de la valeur de leur deuxième duplicata. La précision obtenue est satisfaisante : les résultats des δ18O VSMOW ont une erreur maximale de +/- 0.03 ‰ mais elle est généralement de +/- 0.02 ‰. L’erreur que l’on accepte est +/- 0.05 ‰. Toutefois, l’échantillon « Aïn El Ati » a une erreur de +/- 0.14 ‰. Il est possible que l’un des duplicatas ait été mal préparé. Ainsi, on note « à recommencer » dans le tableau de résultats. Ci-dessous se trouve le tableau donnant les δ18O VSMOW finales.

Tableau 1 : Rapport d'analyses pour le δ18O VSMOW

RAPPORT D'ANALYSES Échantillonné par: A Vigneau Type d'analyse: Nombre d'échantillons traités: 18O de l'eau N° de laboratoire: EO-26

# Échantillon d18O /

VSMOW +/- Remarques (Serie du 2008-04-21)

Marrakech 1 -7,21 0,02 Source trias Toufliht 1 -6,67 0,01 Source 2 Toufliht 1 -6,49 0,02 Tadart 1 -7,81 0,02 Taznakht 1 -7,88 0,00 Puit 1 Bou azzer 1 -7,85 0,00 Puit 2 Bou azzer 1 -9,61 0,01 Agoumad 1 -8,54 0,02 Todra 1 -8,49 0,01 Tarhouit 1 -8,89 0,03 Erfoud 1 -6,56 0,02 Merzouga 1 -2,94 0,01


20

Oued ziz -9,77 Ain el Ati 1 -9,61 0,14 A recommencer Er Rachida 1 -8,68 Barrage retenue 1 -5,91 0,00 Barrage sortie 1 -6,63 0,01 Source Agbalou 1 -8,54 0,00 El Hammam 1 -6,96 0,02 Meknes 1 -6,83 0,01 Rabat 1 -4,21 0,00

3.1.2. Données corrigées pour le 2H

L’analyse des eaux par la spectrométrie de masse par pyrolyse est une technique simple à mettre en pratique. Toutefois, l’appareil n’ayant pas été utilisé depuis quelques semaines, nous avons eu des problèmes lors des analyses. Le réglage des paramètres a dû être effectué. Dès le premier échantillon, aucune valeur n’a été transmise. Il s’est avéré que la poudre de chrome contenue dans la colonne avait formé une croûte empêchant la circulation des gaz. Les données présentées ont été réalisées ultérieurement. Elles semblent satisfaisante avec une erreur analytique de +/- 1‰. Aucun drift n’a été observé. Ci-dessous se trouve le tableau donnant les δ2H VSMOW finales.

Tableau 2 : Rapport d'analyses pour les δ2H VSMOW

RAPPORT D'ANALYSES Échantillonné par: A Vigneau Type d'analyse: Nombre d'échantillons traités: 2H de l'eau N° de laboratoire: EH-14

# Échantillon d2H /

VSMOW Remarques (Serie du 08-05-15) Pyrolyse

Marrakech -47,6

Source trias Touflit -39,3 Source 2 Touflit -35,7

Tadart -49,4 Taznakht -51,8

Puit 1 Bou Azzer -51,2 Puit 2 Bou Azzer -67,8

Agoumad -61,4


21

Todra -58,5 Tarhouit -60,9 Erfoud -36,6

Merzouga -40,3 Oued ziz -65,8

Ain El Ati -65,5 Er Rachida -58,8

Barrage retenue -41,1 Barrage sortie -46,0

Source Agbalou -55,9 El Hammam -43,9

Meknes -41,5 Rabat -24,1

3.1.3. Ligne isotopique météorique En première approche de ces résultats, on trace la relation δ2H en fonction de δ18O des eaux échantillonnées avec les barres d’erreur. On va pouvoir la comparer à la droite météorique globale mise en évidence par Graig (1961) :

δ2H = 10 + 8 X δ18O Voici ce que l’on obtient :

Ligne isotopique météorique

y = 8x + 10

-100

-80

-60

-40

-20

0-15 -10 -5 0

δ18O ‰

δ2H

‰

Echantillons Maroc

Droite météoriqueglobaleLinéaire (Droitemétéorique globale)

Figure 15 : Relation δ2H en fonction de δ18O

12

17

16

2, 20

3, 11


22

Tout d’abord, on note que globalement les points se retrouvent sur la droite météorique globale. Un tel résultat permet d’affirmer que les eaux sont peu évaporées et qu’elles sont d’origine météorique (Océan Atlantique). Le caractère faiblement évaporé implique une recharge rapide. La géologie régionale apporte une explication. En effet, les eaux concernées proviennent de domaines géologiques à couverture calcaire (mésozoïque et paléozoïque). Ces calcaires étant très fracturés, l’infiltration vers les réseaux souterrains s’opère rapidement. Quelques échantillons semblent tout de même différés de la droite globale. L’eau de Merzouga (n°12) se situe bien en dessous de la droite. On considère aussi que l’eau provenant du barrage Haasan Eddakhil (n°16 et 17) est dans la partie inférieure. Ces eaux sont stagnantes et soumises à l’évaporation dans un puits ou un lac. On notera aussi qu’elles se trouvent dans la partie saharienne du Maroc (bassin du Ziz). L’évaporation au niveau d’Er Rachida s’élève à 2 700 mm/an. Ainsi, un caractère évaporatoire, du fait du climat semi-aride, est ici démontré. L’absence de ce caractère pour les autres échantillons pourrait plutôt indiquer une recharge grâce aux crues des oueds ou à une infiltration rapide en domaine fracturé. On a la possibilité d’établir une droite d’évaporation dont l’intersection avec la droite globale donne la composition initiale des pluies. Avec les deux points pertinents on obtient une composition initiale des pluies de (-6.5 ; -42 ‰) (δ18O ; δ2H). Ceci reste une donnée peu exploitable mais cela montre les applications possibles. Les échantillons des sources de Toufliht (n°2 et 3), et ceux d’Erfoud (n°11) et de Meknes (n°20) s’écartent au dessus de la droite globale. Ceci pourrait s’expliquer par le fait que les droites météoriques locales dans le Maghreb montrent généralement un excès en 2H de l’ordre de 11 (BEN AMMAR, 2006) alors que l’excès ici représenté est de 10.

3.2. Mise en évidence de gradients

3.2.1. Gradient altitudinal

Les précipitations continentales sont appauvries en 18O et 2H par rapport aux précipitations côtières. Ainsi on peut définir la distance à la source de vapeur d’une eau. Une relation existe aussi entre les teneurs en isotopes et l’altitude. Le signal isotopique de l’eau est fonction de la température au sol lors de la recharge. Celui-ci est conservé après l’infiltration.

Au préalable, on définit un gradient altitudinal avec les compositions isotopiques des précipitations de la zone d’étude. En raison d’absence de données sur les précipitations, on a utilisé le gradient pour la région du Rif et du Moyen Atlas qui est de -0,25 +/- 0,03‰ pour 100 m d’élévation (compositions en 18O en ‰ vs SMOW) (WINCKEL, 2002). Cf. Figure 16.


23

Compositions isotopiques en 18O en fonction de l'altitude de prélèvement

0500

1000150020002500

30003500

-15 -10 -5 0

18O en ‰ vs SMOW

altit

ude

de p

rélè

vem

ent

(en

m) Altitude - compo

isotopiqueGradient altitudinal

Figure 16 : Compositions isotopiques en 18O en fonction de l'altitude de prélèvement

L’altitude de recharge des eaux souterraines est alors estimée par interprétation du décalage entre les altitudes du lieu d’échantillonnage et de la recharge estimées à partir des teneurs en 18O. Toutefois, notons que cette méthode ne s’applique qu’à des eaux récentes (recharge holocène). Un décalage sources-impluviums de 150 à 1800 m d’altitude souligne que les émergences étudiées sont très proches de la recharge pour certaines, et plus distantes pour d’autres. Notons que la valeur la plus à droite n’est pas valable car c’est celle de Merzouga ayant un fort caractère évaporatoire. Les échantillons n°14 à 17 (région d’Er Rachida) ont le décalage le plus important. En effet, il est tout à fait possible que ces eaux proviennent des précipitations sur les massifs de l’Anti-Atlas, à environs 2000 m d’altitude. L’aire d’alimentation des sources peut donc être approchée en corrélant les altitudes de recharge calculées, la topographie et la géologie.

3.2.2. Gradient de Rayleigh

La composition isotopique moyenne des précipitations tend vers des valeurs négatives quand on se déplace de la côte océanique vers l’intérieur des terres. En effet, la pluie précipite progressivement par condensation quand elle se déplace vers l’intérieur des terres. Les molécules légères ont tendance à rester dans la phase vapeur. L’humidité de l’air est donc de plus en plus pauvre en isotopes lourds par rapport à l’océan. C’est ce qu’on appelle le gradient de Rayleigh. A partir des données obtenues on peut mettre en évidence ce phénomène. Les échantillons ont été classés en partant de la côte marocaine vers l’intérieur du pays (Rabat sur la côte alors qu’Er Rachida est distante de 400 km de la côte). On constate que les compositions isotopiques en 18O et 2H des eaux s’appauvrissent en allant vers Er Rachida. Ceci illustre bien un effet de continentalité, cf. Figure 17. Toutefois, notons que l’effet d’altitude peut masquer cet effet de continentalité.

17

15, 16

14


24

Tableau 3 : Compositions isotopiques classées selon l'éloignement côtier

(de haut en bas, les points de prélèvements sont de plus en plus distants de la côte)

Échantillon n° échantillon

d18O / VSMOW

d2H / VSMOW

Distance côtière en

km Rabat 21 -4,21 -24,1 0 Meknes 20 -6,83 -41,5 100 El Hammam 19 -6,96 -43,9 250 Marrakech 1 -7,21 -47,6 150 Source trias Toufliht 2 -6,67 -39,3 200 Source 2 Toufliht 3 -6,49 -35,7 220 Tadart 4 -7,81 -49,4 250 Taznakht 5 -7,88 -51,8 270 Puit 1 Bou azzer 6 -7,85 -51,2 300 Puit 2 Bou azzer 7 -9,61 -67,8 320 Agoumad 8 -8,54 -61,4 350 Todra 9 -8,49 -58,5 350 Tarhouit 10 -8,89 -60,9 370 Oued ziz 13 -9,77 -65,8 380 Ain el Ati 14 -9,61 -65,5 390 Er Rachida 15 -8,68 -58,8 400

Teneur en 18O en fonction de la distance cotière

y = -0,0115x - 4,753R2 = 0,8203

-12

-10

-8

-6

-4

-2

00 100 200 300 400 500

Distance côtière en km

Tene

ur e

n 18

O e

n ‰

Figure 17 : Gradient de Rayleigh

En faisant le graphe du δ18O en fonction de la distance côtière, on peut établir une courbe de tendance linéaire y = ax + b. Ainsi la pente est de -0,0115 ‰ /km, ce qui donne un gradient d’appauvrissement en 18O de -1,15 ‰ pour 100 km d’éloignement par rapport à la côte. Nos résultats soulignent donc bien un gradient de Rayleigh.


25

3.3. Pertinence de l’hydrogéologie isotopique

Dans l’éventail des techniques utilisées en hydrogéologie, la méthode isotopique se développe de plus en plus. La simplification de la mise en œuvre des techniques spectrométriques a joué un grand rôle dans cet essor. Les appareils permettent de réaliser des analyses assez rapidement (une à deux journées pour 21 échantillons), avec une bonne précision et à faible coût. Il est tout de même nécessaire de vérifier les résultats d’analyses fournis par un laboratoire car les procédures mal appliquées peuvent fausser les données. L’analyse des teneurs en isotopes stables de la molécule d’eau permet de connaître l’origine et l’altitude de la recharge d’un aquifère. Elle peut aussi aider à quantifier un bilan en eau régional. La connaissance du trajet des eaux souterraines se définit grâce à la géochimie, permettant une meilleure gestion des ressources. Choisir une méthode isotopique, et se demander ensuite ce que l’on peut bien faire des résultats, ne constitue sûrement pas la démarche optimale. Mais dans le cadre d’une recherche d’une caractéristique hydrologique bien définie, la méthode isotopique est pertinente à tous points de vue.

Etude régionale des isotopes stables des eaux souterraines du Maroc en lien avec les précipitations

26

CCOONNCCLLUUSSIIOONN

Cette activité de synthèse avait deux objectifs : s’initier aux techniques d’analyse en isotopes stables et aborder l’éventail des applications possibles en hydrogéologie. La mise en pratique des méthodes isotopiques s’est bien déroulée. L’échantillonnage au Maroc a succité la curiosité et l’intérêt des professeurs marocains et des habitants. La préparation des échantillons a demandé de la rigueur et de l’application. Il a été intéressant de comprendre le principe de la méthode IRMS. Enfin, les résultats ont permis de proposer des interprétations cohérentes.

Les eaux échantillonnées se situent globalement autour de la droite isotopique établit par

Craig. Les eaux provenant du bassin hydraulique du Ziz montre un caractère évaporatoire plus ou moins prononcé. Le mode de recharge privilégié pour les autres bassins semble être les crues des oueds ou l’infiltration rapide des pluies en domaine calcaire. On retiendra que le croisement des données isotopiques, hydrologiques et géologiques permet de caractériser et de comprendre le fonctionnement des bassins.

Deux effets de fractionnement isotopique ont pu être abordés : l’altitude et la continentalité. Le

décalage d’altitudes source-impluvium pour les eaux de la région d’Er Rachida implique une recharge localisée sur l’Anti-Altas. Le gradient de Rayleigh (effet de continentalité) est bien illustré par nos résultats. L’appauvrissement croissant en isotopes lourds lorsqu’on pénètre dans les terres est intéressant à observer.

Pour conclure, cette étude constitue une première approche des utilisations possibles des

techniques isotopiques. Elle m’a permise d’en intégrer les principes afin de développer une capacité critique sur ce type de résultats. En effet, on est souvent amené à sous-traiter les analyses en laboratoire. La critique des chiffres obtenus devient alors un précieux atout, pour tout scientifique ou professionnel, afin d’éviter de fausser les interprétations.

Pendant longtemps les domaines en Sciences de la Terre sont restés cloisonnés. Aujourd’hui,

on voit se développer des études multidisciplinaires et ceci au service de la Science.

Agnès VIGNEAU, UQAM, Baccalauréat en géologie des ressources 2008, Activité de synthèse - Rapport.

BBIIBBLLIIOOGGRRAAPPHHIIEE

• Ouvrages BEN AMMAR S., & al. – 2006. Caractérisation isotopique de la relation barrage-nappe dans le bassin du Merguellil, in : Hydrological Sciences, 51(2) avril 2006, pp. 272-280 CLARK, I.D. & FRITZ, P. - 1997. Environmental isotopes in hydrogeology. Lewis Publishers. 328 p. ETCHEVERRY D. – 2002. Valorisations des méthodes isotopiques pour les questions pratiques liées aux eaux souterraines, isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène. Rapports de l’OFEG, série géologie, Berne, pp. 10-18. HÉLIE J.F. – 2008. Méthodes analytiques en spectrométrie de masse des isotopes stables et légers. UQAM SCT8255, 79 p. KABBAJ A., & al. – 1978. Contribution des isotopes du milieu à l’étude des grands aquifères du Maroc, in : Isotope Hydrolgy, IAEA, Neuherberg, pp 491-524. PIQUE A. – 1994. Géologie du Maroc, les domaines régionaux et leur évolution structurale. Ed., 284 p. WINCKEL A., & al. – 2002. Apport des isotopes stables dans l’estimation de l’altitude de recharge des sources thermales du Maroc, in : C. R. Géosciences 334, pp. 469-474.

• Sites internet http://www.onhym.com/brpm/geologie.htm http://www.wikipedia/maroc.htm http://www.see.htm

Etude régionale des isotopes stables des eaux souterraines du Maroc en lien avec les précipitations

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Table des Annexes

Annexe 1 : Caractéristiques des nappes du bassin hydraulique du Ziz Annexe 2 : Tableau d’échantillonnage Annexe 3 : Rapport d’analyses avec données brutes et tableau de correction pour 18O

Annexe 1

Caractéristiques des nappes du bassin hydraulique du Ziz

Nappe Profondeur (m) Productivité ( l/s) Salinité ( g/l) Utilisation

Nappes phréatiques

5 à 25

20

1 à 3

(12 à Tafilalet)

Puits et forages

Haut Atlas 5 et 40 Sup. à 100 Inf. à 2 Sources

Crétacé d'Errachidia

- Nappe du Sénonien

- Nappe du Turonien

artésienne entre

Bouânane-oudnib

5 et 40

20

Sup. à 20

1 à 5

1 à 2.5 g

Puits et forages

(12 Mm3/an)

14 Mm3/an

l'Infracénomanien

( Ain El Ati )

5 et 90 (localement artésienne)

Jusqu'à 50

0.7 à 2

( >14 au sud de Rteb)

Khettaras

(3 Mm3)

Nappes de l'Anti Atlas

5 à 15 Jusqu'à 30

0.5 à 2.5

( > 3.5 à Majrane)

Khetaras, puits

forages

Annexe 2Tableau d'échantillonage

LocalisationDate du

prélèvementAltitude

(m)Point GPS (UTM)

Roches aquifères

Remarques

Marrakech 24/02/2008 eau potable

Toufliht 25/02/2008 0647102 E ; 3484332 N Trias eau d'infiltration dans le Trias

Toufliht 25/02/2008 1423 0648837 E ; 3484633 N Triaseau d'infiltration dans le Trias (neige)

Taddert 25/02/2008 1486 0651020 E ; 3472273 N

la population locale considère que cette eau a des vertues thérapeutiques ; présence de concrétions calcaires.

Taznakht 26/02/2008 1415 0700087 E ; 3378364 NRoches

cristallines

eau potable pour la mine de cobalt, eau amenée par une conduite ; nappe à 20 m de profondeur.

Bou Azzer 26/02/2008

usage industriel, pompage à 600 m. Infiltration des pluies, pas d'aquifère, présence faille ?

Bou Azzer 26/02/2008 108520 E ; 3380 065 83 (UTM NAS zone 29)usage industriel, pompage à 40 m sous l'Oued. Alimentation par les crues.

Agoumad 27/02/2008 1168 0729203 E ; 3433461 Ninfiltration des eaux de l'Oued El Hajaje situé à 30 m

Tinghir - Gorges du

Todra27/02/2008 1372 0254571 E ; 34938209 N

Lias -calcaire karstifié

hypothèse d'eaux juvéniles provenant du Haut-Atlas (mélange ?)

Tarhout 27/02/2008

Erfoud 28/02/2008Calcaires du paléozoïque (dévonien)

Annexe 2Tableau d'échantillonage

Merzouga 28/02/2008 633 0403520 E ; 3441778 N (NAS 27 canada)eau issue du système d'irrigation

Oued ziz 28/02/2008 829 0387251 E ; 3488419 NInfracénonien ou

Quaternaire

nappe captive infracénonienne ou quaternaire

Ain El Ati 28/02/2008 856 0386960 E ; 3492740 N Infracénomaniennappe infracénomanienne à 2-3 m

Er Rachidia 01/03/2008 Turoniennappe turonienne à 10 m (bassin crétacé).

Hassan Eddakhil

01/03/2008 1112 0361546 E ; 3540492 N

Alternance marne (Lias inférieur) et

calcaire (Dogger)

bassin versant de l'Oued Ziz

Hassan Eddakhil

01/03/2008 1070 0362248 E ; 3540289 N idemprélèvement à la sortie de la prise de fond

Krando 01/03/2008 1283 0369170 E ; 3569352 Neau chaude 25-30°C (source Agbalou)

Midelt 02/03/2008mine El Hammam, eau indsutrielle provenant de l'Oued Beht

Meknès 02/03/2008

Rabat 03/03/2008Bassin sédimentaire quaternaire

S : source ; P : puits ; R : rivière ; V : eau de ville ; B : eau de la retenue

Annexe 3Rapport d’analyses avec données brutes et tableau de correction pour 18O

Stable Isotope AnalysisBatch results sheet

DateCurrent 28/5/08 7:27 Sheet: #NOM?Batch start 21/4/08 14:24 Filename: #NOM?Batch end 22/4/08 20:48 Path: #NOM?

Analysis resultsIndex Acquisition date delta 45 std error n= delta 46 std error n= 13C 18O Yield wrtSMOWDelta2 NameIndex AcquisitionDateErrCorrDelta1SEErrCorrDelta1CountErrCorrDelta1ErrCorrDelta2SEErrCorrDelta2CountErrCorrDelta2CorrectedDelta1CorrectedDelta2TransducerPresswrtSMOWDelta2 DataFileName

1 21/4/08 23:13 0,494 0,007 10 12,008 0,010 10 -17,766 -29,376 67,5 0,577575 080421 MilliQ12 21/4/08 23:32 0,486 0,007 10 12,073 0,007 10 -17,776 -29,313 68,0 0,642262 080421 MilliQ23 21/4/08 23:51 0,487 0,006 10 12,036 0,009 10 -17,775 -29,349 69,6 0,604999 080421 MilliQ34 22/4/08 0:10 0,489 0,007 10 12,032 0,004 10 -17,772 -29,353 66,7 0,601274 080421 MilliQ45 22/4/08 0:29 0,476 0,005 10 12,094 0,014 10 -17,788 -29,293 68,1 0,662888 080421 MilliQ56 22/4/08 0:48 0,487 0,003 10 12,110 0,008 10 -17,777 -29,278 68,5 0,678427 080421 MilliQ67 22/4/08 1:06 0,469 0,005 10 12,053 0,005 10 -17,794 -29,332 69,4 0,622578 080421 MilliQ78 22/4/08 1:25 0,497 0,003 10 12,063 0,006 10 -17,765 -29,323 68,7 0,632173 080421 MilliQ89 22/4/08 1:44 0,024 0,009 10 -1,048 0,007 10 -17,820 -41,877 68,0 -12,3093 080421 Baffin110 22/4/08 2:03 0,002 0,006 10 -1,057 0,011 10 -17,842 -41,886 69,0 -12,3182 080421 Baffin211 22/4/08 2:22 0,527 0,005 10 11,707 0,005 10 -17,721 -29,664 68,4 0,280498 080421 EO-26 Marrakech 112 22/4/08 2:40 0,550 0,004 10 12,232 0,006 10 -17,715 -29,161 67,6 0,799019 080421 EO-26 Source trias Toufliht 113 22/4/08 2:59 0,551 0,005 10 12,424 0,004 10 -17,721 -28,977 67,2 0,988667 080421 EO-26 Source 2 Toufliht 114 22/4/08 3:18 0,787 0,007 10 11,157 0,007 10 -17,430 -30,192 68,4 -0,26333 080421 EO-26 Tadart 115 22/4/08 3:37 0,570 0,004 10 11,076 0,008 10 -17,655 -30,269 68,5 -0,34275 080421 EO-26 Taznakht 116 22/4/08 3:55 0,575 0,005 10 11,104 0,007 10 -17,650 -30,242 68,3 -0,31512 080421 EO-26 Puit 1 Bou azzer 117 22/4/08 4:15 0,463 0,005 10 9,416 0,004 9 -17,711 -31,858 67,4 -1,98064 080421 EO-26 Puit 2 Bou azzer 118 22/4/08 4:34 0,670 0,006 10 10,464 0,005 10 -17,529 -30,855 66,8 -0,9469 080421 EO-26 Agoumad 119 22/4/08 4:53 0,493 0,006 10 10,484 0,009 10 -17,716 -30,835 68,9 -0,92615 080421 EO-26 Todra 120 22/4/08 5:11 0,558 0,006 10 10,131 0,010 10 -17,636 -31,173 67,6 -1,27542 080421 EO-26 Tarhouit 121 22/4/08 5:31 0,568 0,007 10 12,359 0,010 10 -17,700 -29,039 68,3 0,924378 080421 EO-26 Erfoud 122 22/4/08 5:50 0,479 0,005 10 12,107 0,012 10 -17,785 -29,281 68,3 0,675756 080421 Milli Q 923 22/4/08 6:08 0,021 0,005 10 -1,035 0,008 10 -17,823 -41,864 69,0 -12,2963 080421 Baffin 324 22/4/08 6:27 0,642 0,007 10 15,810 0,005 10 -17,739 -25,735 68,5 4,330919 080421 EO-26 Merzouga 125 22/4/08 6:56 0,887 0,002 10 9,521 0,008 10 -17,269 -31,758 70,8 -1,8782 080421 EO-26 Ain el Ati 126 22/4/08 7:16 0,513 0,005 10 10,310 0,006 10 -17,689 -31,001 67,4 -1,09815 080421 EO-26 Er Rachida 127 22/4/08 7:35 0,564 0,006 10 12,966 0,008 10 -17,725 -28,459 66,7 1,522978 080421 EO-26 Barrage retenue 128 22/4/08 7:54 0,554 0,005 10 12,271 0,006 10 -17,712 -29,124 67,4 0,837532 080421 EO-26 Barrage sortie 129 22/4/08 8:13 0,513 0,004 10 10,448 0,009 10 -17,694 -30,870 68,4 -0,96243 080421 EO-26 Source Agbalou 130 22/4/08 8:32 0,558 0,006 10 11,950 0,007 10 -17,697 -29,432 68,3 0,520124 080421 EO-26 El Hammam 131 22/4/08 8:51 0,579 0,007 10 12,097 0,004 10 -17,679 -29,291 67,1 0,664989 080421 EO-26 Meknes 132 22/4/08 9:10 0,638 0,003 10 14,601 0,012 10 -17,702 -26,893 68,9 3,137273 080421 EO-26 Rabat 133 22/4/08 9:29 0,522 0,006 10 11,740 0,007 10 -17,727 -29,632 66,1 0,313646 080421 EO-26 Marrakech 234 22/4/08 9:48 0,531 0,004 10 12,252 0,003 10 -17,735 -29,143 70,1 0,818098 080421 EO-26 Source trias Toufliht 2

Annexe 3Rapport d’analyses avec données brutes et tableau de correction pour 18O

35 22/4/08 10:06 0,481 0,004 10 12,079 0,006 10 -17,782 -29,308 67,5 0,648004 080421 Milli Q 1036 22/4/08 10:25 0,013 0,006 10 -1,093 0,009 10 -17,830 -41,920 67,4 -12,3536 080421 Baffin 437 22/4/08 10:44 0,542 0,003 10 12,394 0,007 10 -17,728 -29,006 67,1 0,958599 080421 EO-26 Source 2 Toufliht 238 22/4/08 11:02 0,791 0,004 10 11,135 0,011 10 -17,424 -30,212 66,7 -0,28485 080421 EO-26 Tadart 239 22/4/08 11:21 0,567 0,007 10 11,080 0,010 10 -17,659 -30,264 67,2 -0,33825 080421 EO-26 Taznakht 240 22/4/08 11:40 0,572 0,004 10 11,107 0,006 10 -17,654 -30,239 67,8 -0,31226 080421 EO-26 Puit 1 Bou azzer 241 22/4/08 11:59 0,467 0,003 10 9,426 0,006 10 -17,707 -31,848 68,8 -1,97114 080421 EO-26 Puit 2 Bou azzer 242 22/4/08 12:18 0,652 0,003 10 10,439 0,005 10 -17,548 -30,878 68,4 -0,97112 080421 EO-26 Agoumad 243 22/4/08 12:36 0,502 0,004 10 10,503 0,012 10 -17,707 -30,817 67,5 -0,90762 080421 EO-26 Todra 244 22/4/08 12:55 0,541 0,004 10 10,087 0,009 10 -17,652 -31,215 68,2 -1,31858 080421 EO-26 Tarhouit 245 22/4/08 13:14 0,574 0,006 10 12,328 0,003 10 -17,693 -29,069 68,4 0,893685 080421 EO-26 Erfoud 246 22/4/08 13:32 0,615 0,007 10 15,818 0,011 10 -17,767 -25,727 70,6 4,338924 080421 EO-26 Merzouga 247 22/4/08 13:51 0,972 0,006 10 9,271 0,004 10 -17,172 -31,998 70,3 -2,12495 080421 EO-26 Oued ziz 248 22/4/08 14:10 0,837 0,007 10 9,332 0,011 10 -17,316 -31,939 67,8 -2,06471 080421 EO-26 Ain el Ati 249 22/4/08 14:39 0,570 0,004 10 12,969 0,008 10 -17,719 -28,455 67,4 1,526639 080421 EO-26 Barrage retenue 250 22/4/08 14:59 0,557 0,005 10 12,280 0,008 10 -17,709 -29,116 66,3 0,845752 080421 EO-26 Barrage sortie 251 22/4/08 15:18 0,514 0,005 10 10,443 0,003 10 -17,692 -30,874 67,6 -0,96698 080421 EO-26 Source Agbalou 252 22/4/08 15:36 0,558 0,005 10 11,977 0,011 10 -17,698 -29,405 68,1 0,547282 080421 EO-26 El Hammam 253 22/4/08 15:55 0,575 0,003 10 12,079 0,005 10 -17,684 -29,308 69,4 0,647371 080421 EO-26 Meknes 254 22/4/08 16:14 0,639 0,005 10 14,596 0,007 10 -17,702 -26,897 68,4 3,132523 080421 EO-26 Rabat 255 22/4/08 16:32 0,492 0,005 10 12,033 0,008 10 -17,769 -29,351 68,6 0,602724 080421 MilliQ 1156 22/4/08 16:51 0,490 0,006 10 12,061 0,005 10 -17,772 -29,325 67,1 0,629815 080421 MilliQ 1257 22/4/08 17:10 0,015 0,004 10 -1,110 0,008 10 -17,827 -41,936 69,3 -12,3703 080421 Baffin 558 22/4/08 17:29 0,027 0,006 10 -1,082 0,012 10 -17,815 -41,909 68,6 -12,3425 080421 Baffin 6

Projet: EO-26 MilliQ -6,85Nom: A Vigneau Baffin -20,57Date: 21/04/2008

Ech.# Nom de l'échantillon d18O brute Drift d18O corr driftd18O final sigmavs SMOW vs SMOW vs smow

1 080421 MilliQ1 0,58 0,58 -6,912 080421 MilliQ2 0,64 0,64 -6,843 080421 MilliQ3 0,60 0,60 -6,884 080421 MilliQ4 0,60 0,60 -6,895 080421 MilliQ5 0,66 0,66 -6,826 080421 MilliQ6 0,68 0,68 -6,807 080421 MilliQ7 0,62 0,62 -6,868 080421 MilliQ8 0,63 0,63 -6,859 080421 Baffin1 -12,31 -12,31 -20,55

10 080421 Baffin2 -12,32 -12,32 -20,5611 080421 EO-26 Marrakech 1 0,28 0,28 -7,2312 080421 EO-26 Source trias Toufliht 10,80 0,80 -6,6813 080421 EO-26 Source 2 Toufliht 10,99 0,99 -6,4814 080421 EO-26 Tadart 1 -0,26 -0,26 -7,8015 080421 EO-26 Taznakht 1 -0,34 -0,34 -7,8816 080421 EO-26 Puit 1 Bou azzer 1-0,32 -0,32 -7,8617 080421 EO-26 Puit 2 Bou azzer 1-1,98 -1,98 -9,6218 080421 EO-26 Agoumad 1 -0,95 -0,95 -8,5219 080421 EO-26 Todra 1 -0,93 -0,93 -8,5020 080421 EO-26 Tarhouit 1 -1,28 -1,28 -8,8721 080421 EO-26 Erfoud 1 0,92 0,92 -6,5422 080421 Milli Q 9 0,68 0,68 -6,8123 080421 Baffin 3 -12,30 -12,30 -20,5324 080421 EO-26 Merzouga 1 4,33 4,33 -2,9425 080421 EO-26 Ain el Ati 1 -1,88 -1,88 -9,5126 080421 EO-26 Er Rachida 1 -1,10 -1,10 -8,6827 080421 EO-26 Barrage retenue 11,52 1,52 -5,9128 080421 EO-26 Barrage sortie 10,84 0,84 -6,6429 080421 EO-26 Source Agbalou 1-0,96 -0,96 -8,5430 080421 EO-26 El Hammam 1 0,52 0,52 -6,9731 080421 EO-26 Meknes 1 0,66 0,66 -6,8232 080421 EO-26 Rabat 1 3,14 3,14 -4,2033 080421 EO-26 Marrakech 2 0,31 0,31 -7,1934 080421 EO-26 Source trias Toufliht 20,82 0,82 -6,6635 080421 Milli Q 10 0,65 0,65 -6,8436 080421 Baffin 4 -12,35 -12,35 -20,5937 080421 EO-26 Source 2 Toufliht 20,96 0,96 -6,5138 080421 EO-26 Tadart 2 -0,28 -0,28 -7,8239 080421 EO-26 Taznakht 2 -0,34 -0,34 -7,8840 080421 EO-26 Puit 1 Bou azzer 2-0,31 -0,31 -7,8541 080421 EO-26 Puit 2 Bou azzer 2-1,97 -1,97 -9,6142 080421 EO-26 Agoumad 2 -0,97 -0,97 -8,5543 080421 EO-26 Todra 2 -0,91 -0,91 -8,4844 080421 EO-26 Tarhouit 2 -1,32 -1,32 -8,9245 080421 EO-26 Erfoud 2 0,89 0,89 -6,5846 080421 EO-26 Merzouga 2 4,34 4,34 -2,9347 080421 EO-26 Oued ziz 2 -2,12 -2,12 -9,7748 080421 EO-26 Ain el Ati 2 -2,06 -2,06 -9,7149 080421 EO-26 Barrage retenue 21,53 1,53 -5,9150 080421 EO-26 Barrage sortie 20,85 0,85 -6,6351 080421 EO-26 Source Agbalou 2-0,97 -0,97 -8,5552 080421 EO-26 El Hammam 2 0,55 0,55 -6,9453 080421 EO-26 Meknes 2 0,65 0,65 -6,8454 080421 EO-26 Rabat 2 3,13 3,13 -4,2155 080421 MilliQ 11 0,60 0,60 -6,8856 080421 MilliQ 12 0,63 0,63 -6,8657 080421 Baffin 5 -12,37 -12,37 -20,6158 080421 Baffin 6 -12,34 -12,34 -20,5859 -7,5260 -7,52

MilliQ

7 080421 MilliQ7 0,62 0,628 080421 MilliQ8 0,63 0,63

22 080421 Milli Q 9 0,68 0,68

35 080421 Milli Q 10 0,65 0,65

55 080421 MilliQ 11 0,60 0,6056 080421 MilliQ 12 0,63 0,63

0,64 -6,850,02

Baffin

9 080421 Baffin1 -12,31 -12,3110 080421 Baffin2 -12,32 -12,32

23 080421 Baffin 3 -12,30 -12,3036 080421 Baffin 4 -12,35 -12,35

57 080421 Baffin 5 -12,37 -12,3758 080421 Baffin 6 -12,34 -12,34

-12,33 -20,570,03

Agnès VIGNEAU, UQAM, Baccalauréat en géologie des ressources 2008, Activité de synthèse - Rapport.

POUR RESUMER…

Les milieux semi-arides du pourtour méditerranéen présentent des enjeux considérables en terme de ressources en eau. Chaque sécheresse vient rappeler la nécessiter de gérer les réserves. La connaissance des processus hydrodynamiques des bassins, de leur mode de recharge constitue un préalable indispensable à une bonne gestion. Dans ce cadre, de plus en plus d’hydrogéologues ont recours au croisement de méthodes complémentaires pour établir les bilans en eau régionaux. Cette activité de synthèse souligne la complémentarité de la géochimie isotopique et de l’hydrologie. L’intérêt des isotopes de la molécule de l’eau vient aussi du fait que la méthode est pratique, fiable et peu onéreuse. Nous avons traversé le Maroc du Nord au Sud. L’échantillonnage a donc concerné des points d’eau représentatifs de différents bassins (21 échantillons). Les analyses en laboratoire avaient pour objectif de déterminer le δ18O et le δ2H sur IRMS. La méthode par équilibration a été effectuée pour le δ18O et celle de la pyrolyse pour le δ2H. L’étude a mise en évidence un gradient altitudinal et un gradient de type Rayleigh (effet continental). Un lien entre les teneurs en isotopes stables et le régime des précipitations du Maroc est identifié. Ainsi, les eaux des puits présentent un caractère évaporatoire, du fait du climat semi-aride. L’essentiel des eaux souterraines marocaines indiquent grâce aux crues des Oueds ou une infiltration rapide en domaine fracturé. Toutes les interprétations sont appuyées par les données recueillies dans la bibliographie concernant le sujet.

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3.1.3. Ligne isotopique météorique