Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière (Maroc)

Hydrochemistry (Proceedings of the Rabat Symposium, April 1997) IAHS Publ. no. 244, 1997. 245 Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière (Maroc) AHMED MARJOUA, PHILIPPE OLIVE & CLAUDE JUSSERAND Université Pierre et Marie Curie, Laboratoire de Géologie Appliquée, Centre de Recherches Géodynamiques, 47 avenue de Corzent, B.P. 510, 74203 Thonon Cedex, France Résumé Les eaux de la nappe libre de la Chaouia côtière sont caractérisées par des teneurs élevées en sels. Les chlorures atteignent 3 g l" 1. Cette salinité élevée peut, à terme, nuire gravement à l'économie de la région qui est basée essentiellement sur le maraîchage avec irrigation. L'utilisation de l'approche chimique (Cl", Br") et isotopique ( 18 0, 2 H, 3 H, 14 C) exclut l'hypothèse d'une augmentation de la salinité des eaux par dissolution de la halite, ou par evaporation des eaux avant et durant leur infiltration. Cette salinité élevée ne semble pas provenir d'une contamination marine ni d'une paléosalinité héritée d'une transgression marine, ou d'un lessivage de dépôts chlorurés préexistants dans les sédiments. D'après les résultats du présent travail, la salinité élevée des eaux aurait pour origine le lessivage des fertilisants et des embruns marins. Dans les puits côtiers, le débit actuel est à la limite des possibilités d'exploitation de la nappe, toute augmentation de ce débit aurait des conséquences négatives pour l'économie de la région. INTRODUCTION La plaine de la Chaouia côtière est située le long de la côte atlantique marocaine et présente une forme grossièrement rectangulaire sur une surface d'environ 1100 km. Elle s'étend de Casablanca à Azemmour (embouchure de l'oued Oum Rbia) sur une distance de 65 km et a une largeur de 15 à 20 km. Topographiquement cette zone est assez plane (Fig. 1). Le climat de la région est de type atlantique méridional, la pluviométrie est de l'ordre de 370 mm an" 1 et la température est modérée (17 C en moyenne). Cette région a un caractère semi-aride, toutefois atténué par la proximité de l'océan. Si l'hiver est doux et humide, l'été est par contre chaud et sec. La principale activité de cette région à vocation agricole est le maraîchage sous irrigation. Il est nécessaire en été de procéder à l'irrigation des cultures. La région étudiée abrite une nappe libre qui se développe dans la couverture grésocalcaire du Plioquaternaire et dans les schistes altérés du Primaire. Dans la partie sud-ouest de la région, la nappe se développe dans les marnocalcaires du Cénomanien qui s'intercalent entre les deux formations (Primaire et Plioquaternaire). La nappe s'écoule de façon uniforme vers l'océan, sauf au sud-ouest où la nappe est drainée par l'oued Oum Rbia (Marjoua, 1995). Les investissements réalisés dans cette région exigent beaucoup d'eau, ce qui pousse les agriculteurs à creuser davantage de puits. Il

246 Ahmed Marjoua et al. en résulte une exploitation mal maîtrisée entraînant une dégradation de la quantité (baisse des niveaux statiques) et de la qualité des eaux (augmentation de la salinité). Les eaux souterraines qui représentent la seule ressource en eau de la région sont actuellement trop minéralisées (jusqu'à 3 g l" 1 en chlorures et 1 g l" 1 en sodium) pour l'alimentation en eau potable de la population rurale (127 habitants km" 2, soit l'une des densités les plus fortes au Maroc) et pour l'irrigation. Globalement les eaux ont un faciès de type chloruré sodique. L'irrigation des cultures maraîchères par ces eaux, puis l'évapotranspiration entraînent une accumulation des sels dans le sol qui conduit ponctuellement à l'abandon de toute activité agricole. Fig. 1 Carte de situation de la plaine de La Chaouia côtière et limites de l'aquifère étudié. METHODES Le problème de la salinité élevée des eaux de la nappe de la Chaouia côtière préoccupe de plus en plus les autorités et les exploitants qui lient souvent cette augmentation de la salinité au phénomène d'invasion marine (Younsi, 1994). L'objectif de cette étude est de rechercher les causes de cette salinité excessive des eaux. L'utilisation des outils chimiques et isotopiques constitue souvent un moyen efficace pour déterminer les causes de la salinité élevée des eaux souterraines (Merlivat & Vuillaume, 1970; Cotecchia et al, 1974; Gasparini, 1989; Cabrai et al, 1991; Gometz-Martos & Albert- Beltran, 1993).

Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière, Maroc 247 Parmi les outils chimiques, l'étude du rapport BrVCl" est souvent déterminant pour préciser l'origine des chlorures dans les eaux souterraines (Rittenhouse, 1967). Des analyses de bromures et de chlorures ont donc été effectuées en chromatographic ionique sur une vingtaine d'échantillons prélevés durant l'été 1994, dans des puits répartis sur l'ensemble de la région étudiée. De plus, il a été fait appel aux méthodes de traçage isotopique naturel des eaux par les isotopes stables de la molécule d'eau Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière (Maroc), 2 H). L'interprétation porte sur l'analyse isotopique de 100 échantillons (88 en 18 0, 12 en 2 H), prélevés durant l'été 1993, dans des puits de différentes salinités et répartis sur l'ensemble de la plaine. Les analyses en isotopes radioactifs ( 3 H et 14 C) permettent d'estimer le temps de séjour moyen des eaux. Le tritium a été analysé sur une vingtaine d'échantillons prélevés durant l'été 1994 dans des puits de diverses profondeurs et répartis sur l'ensemble de la région étudiée. Certaines eaux ont aussi fait l'objet d'analyse en carbone-14. La localisation des puits échantillonnés est représentée sur la Fig. 2. RESULTATS Etude du rapport Br7Q" Pour la nappe de la Chaouia côtière, on peut considérer a priori que les sources de chlorures et de bromures dans les eaux sont soit l'eau de mer soit et la halite. Le rapport pondéral bromure-chlorure de chacune de ces sources est respectivement de 3,47 10 et de 0,183 10" 3. Les valeurs de ce rapport pour les eaux souterraines de la zone d'étude sont largement supérieures à celle correspondant à la halite. Ceci exclut donc l'hypothèse de l'existence de la halite dans la matrice de l'aquifère et de l'origine de la concentration en sels des eaux souterraines par dissolution de celle-ci. On observe qu'il n'y a pas de relation entre les valeurs de ces rapports pondéraux (BrVCl") et la situation géographique des puits. En effet, certains puits côtiers ont des rapports pondéraux largement inférieurs à celui de l'eau de mer, tandis que d'autres situés en amont, à environ 20 km de la côte, présentent des rapports pondéraux proche de l'eau de mer. Isotopes stables: ls O, 2 H Les teneurs isotopiques moyennes des précipitations annuelles dans quelques stations proches de notre zone d'étude sont de -4,0±0,5%o vs V-SMOW pour 18 0 et de -23,0±2,0%o vs V-SMOW pour 2 H. Il n'existe pas de données isotopiques de référence sur les précipitations au Maroc. Les stations de référence les plus proches sont Gibraltar, Faro et Ponta Delgada qui appartiennent au réseau de l'agence Internationale de l'energie Atomique (I.A.E.A, 1992). Les teneurs en oxygène-18 et en deuterium sont exprimées en part pour mille par rapport à l'étalon international Vienna Standard Mean Ocean Water (V-SMOW). Les teneurs en isotopes stables des eaux souterraines sont groupées entre -4,8 et - 3,2%o pour O et entre -23,3 et -16,8%o pour 2 H. Ceci montre une certaine homogénéité des teneurs en isotopes stables des eaux souterraines. La teneur isotopique moyenne des eaux souterraines est de -3,7+0,3%o pour 18 0 et de -20,l±l,8%o 2 H. Ces teneurs en 18 0 et en H s'inscrivent dans la gamme des teneurs en isotopes stables des précipitations

248 Ahmed Marjoua et al. - 1 o Q BERRECHI 1 CM CO @ ~4 in 290 o CD Ci i (O 270 a o a es 43 O 3 a, G 3 Kl «s

Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière, Maroc 249 de la région. On peut en conclure qu'il n'y a pas d'évaporation avec enrichissement isotopique durant l'infiltration. Les compositions isotopiques des eaux souterraines (Fig. 3) se répartissent sur la droite suivante: *2TT _ S Z H = 8,3*+ 10,4 avec «=12 et r=0,76 (1) proche de la droite météorique mondiale [8 H = 8*+ 10] (Craig, 1961). La relation entre deuterium et oxygène-18 confirme donc l'absence d'enrichissement isotopique des eaux de la nappe avant ou durant leur infiltration. Les eaux souterraines sont donc d'origine essentiellement météorique. Mer -f -10 S 03-15 ^fe /&> X M "O -5- -20- -25-30 -5-4 -3 i i i r~ -2 0 18 0 (%o vs V-SMOW) -1 Fig. 3 Relation oxygène-18 - deuterium dans les eaux souterraines. Le graphe vs Cl" (Fig. 4) montre que les teneurs en 18 0 restent relativement constantes quelque soient les teneurs en chlorures qui varient entre 5 et 120 meq l" 1. Cette relation permet de rejeter l'hypothèse d'un mélange entre l'eau douce et l'eau de mer puisque tous les points sont situés loin du "pôle mer" (Cl" = 560 meq l" 1 ; 18 0 =+0.8%o vs V-SMOW ) et de la droite de mélange. De même tous les points sont situés loin de la droite d'évaporation d'un bassin à réduction de volume s'évaporant en conditions naturelles, ce qui exclut le phénomène d'évaporation des eaux avant leur infiltration. Dans notre zone d'étude, les chlorures peuvent provenir des fertilisants et des embruns marins. Ces derniers sont lessivés par les eaux de pluie et d'irrigation et entraîné vers la nappe. Sans irrigation l'estimation de l'infiltration (P-ETR) varie entre 0 et 30 mm an". Dans les zones irriguées, qui représentent environ la moitié de la

250 Ahmed Marjoua et al. superficie de la région étudiée, elle est vraisemblablement de 70±20 mm an. L'infiltration dans les périmètres irrigués est susceptible de dissoudre les sels laissés en surface par les embruns marins qui se présentent sous forme d'une croûte blanche. A ce stade de connaissance, on peut donc avancer l'hypothèse que la charge saline des eaux souterraines a pour origine essentielle la dissolution proche de la surface d'espèces minérales chlorurées. Le lessivage des sels vers la nappe est favorisé par la nature sablo-argileuse du sol de la région. La réinfiltration des eaux d'irrigation vers la nappe ne modifie pas leur teneur en 18 0 et en 2 H. En effet, l'extraction de l'eau du sol par les racines n'est pas isotopiquement fractionnante (Bariac et al, 1989). Par contre, lors du pompage par les racines un certain nombre de sels, notamment les chlorures sont rejetés sous forme d'exsudats et s'accumulent dans le sol au niveau de la rhizosphère (Turner, 1987). La concentration en sels des solutions du sol augmente sans qu'il y ait d'enrichissement isotopique. tféaange *Aer Cl" (meq.l- 1 ) r i l l l i i i i i i i i r i i i i i 1 i r 1 l r* 25 50 75 100 125 150 175 200 Fig. 4 Teneurs en chlorures et en oxygène-18 dans les eaux souterraines. Isotopes radioactifs: 3 H, 14 C Dans les puits qui ont fait l'objet d'échantillonnage, les teneurs en tritium varient entre 0 et 9 UT, avec une majorité supérieure à 2 UT. Certains puits côtiers et certaines zones à salinité élevée présentent des teneurs en tritium relativement importantes (entre 6 et 9 UT). Ceci montre que dans ces zones la recharge est récente et importante. En utilisant le modèle mélange présenté par Hubert & Olive (1995), le temps de séjour moyen des eaux de la nappe a été estimé à 50±20 ans.(marjoua, 1995) Les eaux de trois puits présentant une teneur en tritium (1,5 UT ont été analysées en 14 C. Les activités en radiocarbone présentent des valeurs supérieures ou égales à 50

Origines des sels dans l'aquifère de la Chaouia côtière, Maroc 251 pcm. Le temps de séjour moyen de ces eaux, calculé avec un modèle de mélange, est supérieur à 100 ans.(marjoua,1995). Par rapport à la circulation générale de la nappe, ces eaux doivent suivre des cheminements plus lents à travers des particularités géologiques locales et limitées, au sein de la circulation générale. CONCLUSION L'examen du rapport Br/Cl et des teneurs en tritium et en carbone-14 montre une certaine hétérogénéité dans la nappe. Cette hétérogénéité est liée à celle de la recharg qui dépend des modes d'irrigation et des propriétés du sol. La détermination d'âges récents par les isotopes radioactifs ( H, C) permet d'exclure l'hypothèse que la salinité actuelle soit héritée d'une hypothétique transgression marine ancienne comme cela peut parfois être le cas (Shivanna et ai, 1993). Ce travail permet de conclure que le recyclage des eaux souterraines par l'irrigation augmente leur charge saline. Des mesures doivent donc être prônées afin d'améliorer les pratiques agricoles. Certaines techniques d'irrigation permettent de diminuer les volumes d'eau appliqués et une fertilisation raisonnée peut limiter les apports en engrais et en pesticides. REFERENCES Bariac, T., Jusserand, C. & Mariotti, A. (1989) Evolution spatio-temporelle de la composition isotopique de l'eau dans le continuum sol-plante-atmosphère. Geochim. Cosmochim. Acta 54.413-424. Cabrai, J.M.P., Carreira, P.M. & Vieira, M.C. (1991) Study of groundwater salinization in Algarve, Portugal, using environmental isotope techniques. Im Isotope Techniques in Water Resources Development. IAEA, Vienna, 694-697. Cotecchia, V., Tazioli, G.S. & Magri, G. (1974) Isotopic measurements in research on seawater ingression in the carbonate aquifer of the Salentine Peninsula, southern Italy. In: Isotope Techniques in Groundwater Hydrology, vol. I, IAEA, Vienna, 445-463. Craig, H. (1961) Isotopic variations in meteoric waters. Science 133, 1702-1703. Gasparini, A. (1989) Hydrochimie et géochimie isotopique de circulations souterraines en milieu volcanique sous climat semi-aride (Grande Canarie, Iles Canaries). Thèse de Doct. Univ. Paris sud (Orsay), 261 pp. Gometz-Martos M. & Albert-Beltran (1993) Determination of salinity in the Benisa depression (Alicante). Ini Isotope techniques in the study of past and current environmental changes in the hydrosphere and the atmosphere. IAEA, Vienna, 527-530. Hubert, P. & Olive, Ph. (1995) Modélisation par une loi gamma de la distribution des temps de séjour de l'eau dans les systèmes hydrogéologiques en régime permanent. In: Tracer Technologies for Hydrological Systems, IAHS Publ. 229, 211-217. IAEA (1992) Statistical Treatment of Data on Environmental Isotopes in Precipitation. IAEA Tech. Rep. Ser. 331, 100-111. Marjoua, A. (1995) Approche géochimique et modélisation hydrodynamique de l'aquifère de la Chaouia côtière (Maroc): origines de la salinisation des eaux. Th. Doct. Univ. P- M. Curie, Paris, France, 179 pp. Merlivat, L. & Vuillaume, Y. (1970) Caractérisation de l'intrusion marine, dans la nappe de la Crau, à l'aide du deuterium. Bull. Bur. Et. Géol. Min. 11(2), 81-85. Rittenhouse, G. (1967) Bromide in oilfieldwaters and use in determining possibilities of origin of these waters. Bull. Am. Assoc. Pet. Geol. 51, 2430-2440.

252 Ahmed Marjoua et al. Shivanna, K., Navada, S. V., Nair A. R. & Rao, S. M. ( 1993) Isotope and geochemical evidence of past seawater salinity in Midnapore groundwaters. In; Isotope techniques in the study of past and current environmental changes in the hydrosphere and the atmosphere. IAEA, Vienna, 199-212. Turner J.V. (1987) Environmental isotope hydrology of salinized experimental catchments. J. Hydrol. 94, 89-107. Younsi, A. K. (1994) Etude des mécanismes des intrusions marines vers le système aquifère compris entre oued Oum Rbia et Bir Jdid: Hydrogéologie, Hydrodynamique, Hydrochimie et modélisation mathématique. Th. Diplôme Etudes Sup., Univ. Chouaïb Doukkali, Faculté Sci. El Jadida, Maroc, 127 pp.