The centre of Corsica has high relief with altitudes greater

Characterization of the aquifers in the mountains of the Mediterranean zone: An example of
the central Corsica
B. Khouméri*, J. Ferrandini**, M. Ferrandini***, C. Griolet****
*,**,*** : Université de Corse, Faculté des Sciences et Techniques,
Laboratoire des Sciences de la Terre, BP 52, 20250 CORTE
**** : DIREN Corse, Chemin Agliani Montesoro, 20200 BASTIA
Email : *[email protected]., **[email protected], ***[email protected]
****Claude.GRIOLET@developpement–durable.gouv.fr
Tél. *04-95-45-00-39, **04-95-45-00-57. Tel: 04 74 52 15 95
Mots clé : Corse, hydrogéologie, hydrogéochimie, aquifères, montagne
Keywords : Corsica, hydrogeology, hydrogeochemistry, aquifers, mountain
Abstract
The centre of Corsica has high relief with altitudes greater than 2500m. The most recent
modulus of pluviometry of this region (Meteo France data) evolved from 700mm to more
than 1500mm per year. The infiltrated water contributes to feeding different aquifers, the
organisation of which is related to regional tectonic. Corsica is made of two major units: to
the West, the old Corsica which is constituted by a succession of hercynian granite, and to the
East the alpine Corsica. These two units are separated by a major fault. This is marked out by
units of different origins, containing, in particular in the region of Corte imbricated slices.
They are composed of an inverted series formed by units which range from the carbonates of
the Triassic to the residue of the Upper Jurassic. This geological and geomorpholigical
complexity is mirrored by the diversity of the hydrogeology. As example, we present here the
study of three aquifers drained by springs located on a zone of only 10 km in the Corte region
: Noceta (fissured basement), Minesteghju (binar karstic) and Bistuglio (fissured and karstic).
The major elements plotted on Piper and Schöeller–Berkaloff diagrams show two families of
water, conductivity allows to : the first one bicarbonated calcic and sodic corresponding to
siliceous rocks The second one, bicarbonated calcic and magnesian, corresponds to
carbonated environment. The mean conductivity is linked to the nature of the rocks.
The continual recording of the physical-chemical parameters of the source of Minesteghju
permits us to conclude that almost 50% of the waters have a short residence, marked by the
conductivity between 100 and 350 µS/cm. The next half, of stronger conductivity (400 a 500
µS/cm), corresponds to the reserves of the aquifers.
Compared evolutions analysis of discharge (after calibration), conductivity, temperature, pH
and pluviometry in one part, and analysis of sorted discharge curves and recession curves in
the other part, permit to identify the type of aquifer (complex, binary karst) and to estimate
the storage capacity.
In this region the underground waters, although they are neglected for the drinking water
supply, could be used as a substitute, and or a complement or as a principal resource for the
small communities. This means an integrated and durable management, and or good
knowledge of the aquifers of the mountain, is required.
1
Résumé
Le centre de la Corse présente des reliefs d’altitude supérieure à 2500 m. Dans ce
secteur, pour la période comprise entre 1950 et 1980, le module pluviométrique évolue de 700
mm à plus de 1500 mm par an. La quantité d’eau qui s’infiltre contribue à l’alimentation des
différents aquifères dont l’organisation est liée à la tectonique régionale. La Corse comprend
deux ensembles géologiques : à l’Ouest, la Corse ancienne constituée par un cortège de
granite hercynien et à l’Est la Corse alpine. Ces deux unités sont séparées par un contact faillé
majeur. Il est jalonné par des unités d’origines différentes, avec, en particulier dans la région
de Corte, la présence d’écailles. Elles sont composées par une série inverse formée par des
unités qui s’échelonnent du Trias supérieur carbonaté au Jurassique supérieur détritique.
Cette complexité géologique et géomorphologique se traduit par une diversité des contextes
hydrogéologiques. Nous présentons ici 3 aquifères des environs de Corte, drainés par des
sources : Noceta, Minesteghju et Bistuglio.
La mise en évidence des différentes familles d’eaux a été obtenue par le traitement des
données, concernant les éléments majeurs (sous forme de diagrammes de Piper, SchöllerBerkaloff) et les mesures de conductivité : la première bicarbonatée calcique et magnésienne
correspond à un environnement carbonaté (Bistuglio et Minesteghju), la deuxième
bicarbonatée calcique et sodique correspond à des eaux issues de grès et conglomérats
siliceux. La conductivité moyenne est liée à la nature de la roche : faible pour Noceta (50
µS/cm) et plus élevée pour Minesteghju et Bistuglio (respectivement 300 et 600 µS/cm).
L’enregistrement en continu des paramètres physico-chimiques de la source du
Minesteghju permet de mettre en évidence qu’environ 50% des eaux ont un temps de séjour
faible marqué par une conductivité entre 100 et 350 µS/cm, la deuxième moitié, de plus forte
conductivité (400 à 500 µS/cm), correspond aux réserves de l’aquifère. L’analyse comparée
des variations du débit (après tarage), de la conductivité, de la température, du pH et de la
pluviométrie permet de décrire le comportement de l’aquifère qui semble complexe.
Ces résultats qui ne concernent qu’une année hydrologique (2006/2007) marquée par
une sécheresse prolongée, montrent que la source du Minesteghju a un comportement
singulier (système karstique complexe). L’acquisition de nouvelles données permettra
d’approfondir ces conclusions préliminaires.
Introduction
Dans les régions de montagnes, les eaux souterraines peuvent être utilisées en fonction
des débits comme ressource de substitution ou comme ressource principale pour les petites
communes.
C’est le cas de la région de Corte où de nombreuses sources existent. Leurs bassins
versants reçoivent des précipitations très variables (de 700 mm à 1 500 mm) en liaison avec
leur topographie. Les caractéristiques de ces sources sont également liées à la géologie
(Fig.1). Deux ensembles d’unités se dégagent, séparés par un contact majeur. Le premier situé
à l’Ouest correspond au socle hercynien granitique. Dans le secteur de Corte cette unité
dépasse 2000m d’altitude. Le deuxième ensemble, situé à l’Est du contact correspond au
domaine alpin dont l’altitude ne dépasse pas localement 1 000 m. Dans le Cortenais une zone
d’écailles (d’une largeur maximale de 3 km) sépare le domaine alpin du socle hercynien.
2
Contexte hydrogéologique des aquifères étudiés
Bistuglio
Minesteghju
Noceta
39
Légendes
• 27, 29, 40, 38, 39 et 51: Hercynien (granite,
roches associées et couverture)
12, 14, 24 et 43: Alpin (écailles de Corte,
nappes et série ophiolitique)
•
Les aquifères étudiés jalonnent le contact
nord-sud qui séparent les unités granitiques
de l’Hercynien au Sud-Ouest des unités
pines au Nord-Est.
al
alpines
Fig. 1 Situation géographique et géologique des sources étudiées
Nous étudions ici trois aquifères de cette région, avec du Sud vers le Nord : les sources
de Noceta, du Minesteghju et de Bistugliu.
La source de Noceta est utilisée comme ressource principale de la commune de
Casanova ainsi que pour l’irrigation de cette même commune. La source de Bistugliu est
utilisée comme ressource principale des villages de Bistugliu et de Tralonca, pour l’irrigation
et l’abreuvage des animaux.
La source de Minesteghju alimente quelques fontaines de la ville de Corte et était
utilisée autrefois comme source d’eau potable. Aujourd’hui, l’eau de l’Orta (rivière alimentée
en partie par cette source) est pompée par quelques agriculteurs des environs. L’étude menée
ici est réalisée en partenariat avec la DIREN dans le but de déterminer si prochainement cette
source pourrait être utilisée comme ressource de substitution à l’eau de la Restonica en cas de
sécheresse ou de pollution de la rivière.
Les résultats préliminaires exposés dans ce travail concernent l’année hydrologique
2006-2007 : courbes de débits classés, courbes de récession, courbes d’évolutions comparées
des différents paramètres physicochimiques, du débit et de la pluie. L’analyse de ces
différents résultats devraient nous permettre d’identifier le type d’aquifère, de décrire son
fonctionnement et enfin, d’estimer sa capacité de stockage.
Matériels et méthodes
1) Contexte hydrogéologique des aquifères étudiés (Fig. 1)
Les aquifères étudiés, Noceta, Minesteghju, Bistugliu, jalonnent le contact nord-sud
qui sépare les unités granitiques de l’Hercynien au Sud-Ouest des unités alpines au Nord-Est.
La source de Noceta qui culmine à 700 m d’altitude est liée à trois unités géologiques.
La première est constituée par le massif fissuré du Cardo (Eocène supérieur), la deuxième par
les schistes lustrés carbonatés (Crétacé supérieur). Ces deux unités sont en contact par un
système de failles N-S sub-verticales. La troisième unité est constituée par des dépôts fluvioglaciaires formés de blocs hétérométriques, de grés éocènes emballés dans une matrice sabloargileuse. Les eaux qui alimentent la source de Noceta sont donc issues du massif du Cardo et
sont transportées par des conduits ou chenaux qui parcourent la formation fluvio-glaciaire. Le
bassin versant a une superficie totale de 4.33 km² avec des altitudes comprises entre 661 et
2413 m. 50% de la surface ont une altitude supérieure à 1 600 m.
3
La source de Bistuglio se place dans un cadre géologique différent. Au nord de Corte
affleure un massif de calcaire dolomitique du Trias supérieur, Lias inférieur. Il fait partie d’un
ensemble d’unités, en série renversée, de natures variées : « les écailles de Corte ». Il est
encadré par des failles N-S à l’Est comme à l’Ouest. La source de Bistuglio se situe à environ
600 m d’altitude sur le flanc N du massif du Monte Ceccu (820 m). Cette unité calcaire ne
présente pas de bassin versant topographique bien délimité en raison d’une infiltration rapide.
La présence de tufs, non datés, dont l’épaisseur dépasse 10 m, témoigne d’une paléohydrogéologie différente de l’actuelle.
La source de Ministeghju se situe au Nord de Corte dans la vallée de l’Orta à 550m
d’altitude. Ce secteur est formé par « les écailles de Corte » qui comprennent là des unités
calcaires (Lias et Trias) et conglomératiques (Crétacé supérieur) et qui s’appuient sur le
granite hercynien. Elles sont surmontées par sa série ophiolitique. Le bassin versant a une
superficie totale de 16 km² avec des altitudes comprises entre 390 et 1 951 m. 56% de la
surface ont une altitude supérieure à 900 m. Les trois quarts du bassin versant topographique
sont constitués par les granites.
2) Etude physicochimique des trois sources
Les dosages des cations majeurs (calcium, magnésium, potassium, et sodium) et des
anions majeurs (chlorure, nitrate, sulfate, carbonate et bicarbonate) des trois sources sont
réalisés par le laboratoire départemental d’analyse d’Ajaccio. Les concentrations exprimées
en milliéquivalents par litre sont reportées sur les diagrammes de Schöller-Berkaloff et de
Piper.
La conductivité et le pH sont régulièrement mesurés à l’aide d’appareils portables
(WTW).
Une station de mesures équipe la source du Minesteghju (la plus importante). Placée
dans la chambre de mise en charge, elle comprend :
- une sonde multiparamètres Actéon 3000 (Néotek) qui enregistre les paramètres
physicochimiques (pH, rédox, conductivité, température, oxygène dissous) toutes les heures,
- un Thalimèdes (appareil de marque Ott, installé par la DIREN) qui mesure
quotidiennement le niveau d’eau par un système de flotteur,
- une échelle limnigraphique.
Douze jaugeages ont permis de mesurer les débits de la source et d’établir la courbe de
tarage (qui exprime la valeur du débit en fonction des hauteurs lues sur l’échelle).
Des données météorologiques (pluie, température, évapotranspiration) proviennent de
la station Météo France de Corte (convention Université de Corse/Météo-France).
Résultats et discussion
1) Etude générale des trois sources
Le report des éléments majeurs dans les diagrammes de Schöeller-Berkaloff et Piper
montre la présence de deux familles d’eau : les eaux de Bistuglio et Minesteghju ont un faciès
chimique du type bicarbonaté calcique et magnésien ; l’eau de Noceta est de type bicarbonaté
calcique et sodique (Fig. 2 et 3).
4
Ca
meq/L
300
mg/L
6000
Mg
Na+K
Cl
mg/L
mg/L
mg/L
3000
6000
SO4 HCO3+CO3 NO3
mg/L
mg/L
300
10000
100
1000
1000
Schöeller
Berkaloff
meq/L
10000
10000
100
mg/L
10000
1000
1000
1000
10
1000
1000
10
100
100
100
100
2/8/2006
100
100
1
1
10
10
13/9/2006
100
4/4/2007
2/8/2006
10
13/9/2006
10
10
10
0.1
18/12/2006
10
0.1
1
1
2/8/2006
18/12/2006
1
1
4/4/42007
1
1
0.01
0.1
0.1
4/4/2007
13/9/2006
1
0.01
18/12/2006
0.1
0.1
0.1
0.03
0.02
0.03
0.001
Fig. 2 : Diagramme de Piper
0.04
0.05
0.1
0.07
0.1
0.07
0.001
Fig. 3 : Diagramme de Schoëller-Berkaloff
Les valeurs de conductivités s’accordent avec les faciès chimiques des trois sources :
elle est en moyenne de 50 µS/cm pour les eaux issues des roches acides (source de Noceta),
de 300 à 600 µS/cm pour les eaux issues de roches calcaires à dolomitiques (sources du
Minesteghju et de Bistugliu). La conductivité, toujours élevée de cette dernière s’accorde avec
un réservoir important qui permet la mise en équilibre chimique de l’eau.
Le fort débit d’étiage du Minesteghju (17 L/s) est remarquable. Il est largement
supérieur à celui de la source de Brando dans le Cap Corse (Fournier, 1994). Pour la source de
Noceta le faible débit d’étiage (0,5 L/s) est du à l’existence de plusieurs émergences qui
drainent le massif du Cardo. Pour Bistuglio (3 L/s) ce n’est pas le cas.
En conclusion, malgré la faible distance qui sépare les trois sources (6 km) mais à
cause des contextes géologiques différents, les aquifères présentent une variabilité importante
(Tab. 1).
Sources
Géologie
calcaire
dolomitique
Bistuglio
du Trias
supérieur
calcaire du
Minesteghju
Lias
Noceta
grès et
poudingue
siliceux
conductivité
moyenne
annuelle
(µS/cm)
débit
d'étiage
(L/s)
600
3
bicarbonaté
fissuré et
calcique et
karstique
magnésien
17
bicarbonaté
karstique
calcique et
binaire
magnésien
0,5
bicarbonaté
calcique et
sodique
300
50
facies
chimique
nature des
réservoirs
milieu
fissuré
Tab. 1 : Caractéristiques principales des sources
5
De par ses caractéristiques la source du Minesteghju a été choisie comme référence
dans le cadre d’une étude plus approfondie des aquifères de montagne.
2) Principaux résultats de l’étude de la source du Minesteghju
Le cumul des précipitations relevé à la station Météo France de Corte est de 355 mm
pour l’année 2006. Pour une année normale la pluviométrie moyenne est d’environ de 700
mm donc le cycle étudié correspond à une année à faibles précipitations (pluie et neige). Les
résultats présentés ici sont donc préliminaires.
La variation des débits, mesurés par jaugeage, en fonction des hauteurs
limnigraphiques est ajustée avec une bonne corrélation par la courbe de tarage d’équation
polynômiale d’ordre 2 (Fig.4). Elle permet de transformer les niveaux mesurés
quotidiennement par le Thalimèdes en débit.
y = 4 E-05x 2 - 0 .00 3x + 0 .078 1
R 2 = 0 .99 11
0.1000
0.0800
0.0600
0.0400
0.0200
0.0000
0
50
100
Haut eur ( cm)
Fig. 4: Courbe de tarage
L’analyse des débits classés en ordonnée de probabilité est réalisée avec un intervalle
de classe de 3,66 10-3 m3.s-1 (Fig. 5). La courbe obtenue comporte 3 segments de droite de
pente différente (α1>α2<α3). Elle permet de mettre en évidence le fonctionnement de
l’aquifère [Mangin,1971 in Marsaud]. Le changement de pente observé au point A (situé dans
les faibles pourcentages) indique soit que les écoulements exploitent un système de drainage
plus transmissif soit que le bassin est alimenté par un autre bassin versant. En B (situé dans
les forts pourcentages) on peut dire qu’il y a mise en fonctionnement d’un trop plein et/ou
stockage momentané dans un milieu moins transmissif.
99.999
99.99
99.9
α3
99.7
99.5
99
α2
% Probabilité cumulée
98
96
94
92
90
85
80
B
α1
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
A
25
20
15
10
8
6
4
3
2
1
0.1
0.01
0.1
Débit (m3/s)
Fig. 5 : Courbe de débits classés (d’après B. Ladouche, BRGM Montpellier)
6
Débit (m3/s)
La courbe de récession étudiée correspond aux valeurs de débits comprises dans la
période du 22/06/2007 au 30/9 2007. Les modèles choisis [Mangin 1970 in Marsaud] pour
traiter la courbe de récession (Fig. 6) sont respectivement : pour l’infiltration le modèle de
1 − ηt
− αt
Boussinesq : Q t = q0 1 − εt et pour le tarissement celui de Maillet : Qt = QR0e
(avec
ε=coefficient d’hétérogénéité de l’écoulement, η=coefficient d’infiltration, α=coefficient de
tarissement, q0 = Q0-Qi avec Qi : débit d’infiltration à l’instant ti, marquant le début du
tarissement).
Les paramètres α et QR0 ont été déterminés pour un temps ti = 26 jours jusqu’à la fin du
tarissement. Le coefficient de tarissement (α = 0.0026 j-1) est faible donc caractéristique d’un
système inertiel, mal drainé, peu karstifié. Il permet d’estimer les réserves : le volume
dynamique Vdyn = Qi/α*86400 = 777 600 m3. Le coefficient ε = 0.09 a été calé afin d’ajuster
au mieux la courbe modèle à la courbe expérimentale (infiltration). Plusieurs ajustements sont
possibles, les résultats donnés ici correspondent à un ajustement moyen. Ainsi l’observation
de la courbe de récession montre la complexité du système hydrogéologique.
L’acquisition de nouvelles données sur plusieurs cycles devrait confirmer la position de cette
source dans la classification de Mangin dans les systèmes complexes (Mangin, 1974).
0.044
0.043
0.042
0.041
0.04
0.039
0.038
0.037
0.036
0.035
0.034
0.033
0.032
0.031
0.03
0.029
0.028
0.027
0.026
0.025
0.024
0.023
0.022
0.021
0.02
0.019
0.018
0.017
0.016
0.015
0.014
0.013
0.012
0.011
0.01
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
α=0.0026 j-1
ε=0.09 j-1
Q0
ti=26 jours
η=0.0385 j-1
Q0=0,0412
Qi=0.0234 m3/s
QR0=0.0250 m3/s
QR0
q0=0,0178m3/s
Qi
ti
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100 105 110
Temps (jours)
Courbe de récession expérimentale
Tarissement
Infiltration
Fig. 6 : Courbe de récession (infiltration et tarissement) du 4 juillet 20007
L’évolution comparée de la pluie efficace, de la conductivité et du débit (Fig. 7 et 8) montre
certaines corrélations. La courbe de débit présente trois domaines. Du 1 octobre 2006 au 10
février 2007 le débit est faible et constant. Du 10 février au 22 juin 2007 la courbe de débit est
caractérisée par trois fortes augmentations. Du 22 juin au 30 septembre 2007 la courbe de
débit enregistre le tarissement. Les réponses des débits par rapport aux pluies efficaces posent
problème. En effet des pluies efficaces positives faibles, au printemps, correspondent aux plus
fortes augmentation de débits. Il s’agit certainement d’apport supplémentaires dus à la fonte
des neiges, ce qui est confirmé par la baisse de la conductivité pendant cette même période
(Fig. 8). Celle ci varie sur l’année de 145 à 465 µS/cm en corrélation inverse avec le débit.
60
80.00
70,00
550.000
500.000
60,00
70.00
50,00
60.00
450.000
400.000
30
30,00
350.000
50.00
300.000
40.00
250.000
Conductivité (µS/cm)
40,00
Débit (L/s
40
Débit (L/s)
Pluviométrie (m
50
Débit
Conductivité
20
20,00
30.00
10,00
20.00
200.000
150.000
10
100.000
Temps (jours)
Fig. 7 : Courbes débits/pluie efficace positive
10.00
50.000
30
/0
9
14 /06
/1
0
28 /06
/1
0
11 /06
/1
1
25 /06
/1
1
09 /06
/1
2
23 /06
/1
2
06 /06
/0
1
20 /07
/0
1
03 /07
/0
2
17 /07
/0
2
03 /07
/0
3
17 /07
/0
3
31 /07
/0
3
14 /07
/0
4
28 /07
/0
4
12 /07
/0
5
26 /07
/0
5
09 /07
/0
6
23 /07
/0
6
07 /07
/0
7
21 /07
/0
7
04 /07
/0
8
18 /07
/0
8
01 /07
/0
9
15 /07
/0
9
29 /07
/0
9/
07
30/09/07
16/09/07
02/09/07
19/08/07
05/08/07
22/07/07
08/07/07
24/06/07
10/06/07
27/05/07
13/05/07
29/04/07
15/04/07
01/04/07
18/03/07
04/03/07
18/02/07
04/02/07
21/01/07
07/01/07
24/12/06
10/12/06
26/11/06
12/11/06
29/10/06
15/10/06
0,00
01/10/06
0
Temps (jours)
Fig. 8 : Courbes débits/conductivité
7
La distribution des fréquences des valeurs de la conductivité (Fig. 9) met en évidence
trois modes. Celui correspondant aux faibles valeurs de la conductivité indique une circulation
dans des drains alors que le mode trois s’accorde avec des eaux stockées dans des systèmes
annexes. Cela rend compte de la complexité de cet aquifère.
25
20
20
15
15
10
10
5
5
Fréquence
25
0
0
100-150
150-200
200-250
250-300
300-350
350-400
400-450
450-500
Classes de conductivités
Fig. 9 : Distribution de fréquences des valeurs de la conductivité
Conclusion
Les premiers travaux réalisés sur une seule année hydrologique, sur les trois sources et en
particulier celle du Minesteghju ont permis de :
- reconnaître les caractéristiques physico-chimiques des eaux. Deux familles d’eaux ont
été identifiées en conformité avec la géologie des bassins versants.
- construire la courbe de tarage et de donner son équation. De nouveaux jaugeages pour
les forts débits en particulier seront entrepris pour conforter cette équation.
- établir la courbe des débits classés qui montre la complexité du système.
- montrer les relations entre le débit, conductivité et précipitations (pluies et neige).
Sachant que cette année hydrologique est particulièrement sèche, l’acquisition de
futures données est indispensable pour améliorer la connaissance du fonctionnement
des aquifères.
- analyser une courbe de tarissement et estimer les réserves dynamiques. L’obtention
dans le futur de nouvelles courbes de tarissement précisera le volume des réserves et
permettra de positionner l’aquifère du Minesteghju dans la classification de Mangin.
Pour les prochaines années hydrologiques les études complémentaires porteront
principalement :
- sur le calcul de la surface d’alimentation et de sa délimitation grâce aux données
géologiques et aux essais de traçage.
- sur la relation entre les différents aquifères, par exemple rechercher s’il y a des
relations entre Bistuglio et le Minesteghju.
Références Bibliographiques
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l’aquifères karstique et de la karstification , 269p.
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la Corse, 758-766. in « Aquifères et eaux souterraines de France » Ouvrage collectif sous le
direction de J.-C ; Roux, BRGM Edition, 944p.
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Brando (Haute Corse). Rapport BRGM N 1847 4S/DR6 BAS 94, 6p et annexes.
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courbes de décrue et de tarissement, Annales de Spéléologie, t 25,3, pp 581-609.
Mangin A., (1971). Etude des débits classés d’exutoires karstiques portant sur un cycle
hydrologique, Annales de spéléologie, t 26, 2, pp 283,329.
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de Spéléologie, t 29,3, pp 283-332.
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résultats expérimentaux, Thèse de l’Université Paris XI Orsay, 286 p.
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