Abridged English version
Nowadays the development of sensors for acquiring hyperspectral images contributes greatly to the identification of different constituents of the earth's surface and therefore to the improvement of cartographic products. The spectral signature of rocks and soils has been widely discussed by several authors to identify minerals contained by these materials (Crowley, 1986, 1991; Gaffey, 1986; Hunt, 1970; Hunt and Salisbury, 1970; Lagacherie et al., 2008; Salisbury et Eastes, 1985; Van der Meer, 1995, 1996, 1997).
The applications are obvious to the geological mapping of mineral abundance, but the complexity of the overlapping parameters to the origin of the spectral signatures of petrological facies remains a barrier to its systematic development at all scales of observation that requires a classic geological analysis.
The aim of this work is to show what are the relevant parameters in hyperspectral remote sensing for the production of geological maps from field spectrometry, going beyond conventional studies of detection of mineralogy, to address the notion of facies. It is also about testing the potential of field spectrometry as a quantitative method for identifying different stages of diagenesis of carbonate microfacies of the Essaouira Basin of western High Atlas of Morocco.
To achieve this goal, we adopted a methodology that is based on two different and complementary approaches: petrological and spectrometric analysis.
The petrological analysis is based on a description of textures according to the classification of Dunham (1962), observed in thin sections. To facilitate its correlation with their optical properties governing spectrometry, these textures are analyzed by the scanning of thin sections under identical conditions of shots (fixed gain) and searching for maximum illumination of the image histograms of gray levels (Fig. 3). More crystalline a facies, the higher its histogram maximum occurs at high values of gray level. Conversely, the more micritic facies tend to have a maximum at lower levels of gray (Figs. 2 and 3).
Méthode d’analyse pétrologique : à gauche la photo de la lame mince et à droite l’histogramme correspondant.
Petrological analysis method, on the left shows the photo of the thin section, and on the right the corresponding histogram.
Les éléments d’analyse pour la caractérisation sédimentologique et spectrométrique de la coupe d’Arigh Ouzla.
Analytic elements for sedimentological and spectrometry characterisation of Arigh Ouzla section.
The reflectance spectra of the different facies of the Arigh Ouzla formation were acquired directly on the ground with an ASD FieldSpec 3 spectroradiometer. Three detectors covering the wavelength range between 0.35 and 2.5 μm with a spectral resolution of 3 to 10 nm give spectra in luminance. The reflectance is given by the ratio between the target and a Spectralon.
Several measures of spectral signature have been done on different types of surface (patina (P), lichen (V), fresh fracture (C) and plating (R)) for each level of the stratigraph (Fig. 7). The comparison of spectra within the same bank revealed differences between them. It seems they are related to the effects of surface roughness. A part of this can be removed by a normalization of the spectra, facilitating their comparison (Dunham, 1962). Basically this involves the division of a spectrum by its trend obtained by a large low-pass filter (Fig. 4). The normalized spectra retain information specific to mineralogy and petrographic facies without being altered by the information related to shadowing due to common surface roughness. However, particular diffusions due to the interaction between light and geometric roughness, like cutting-lines, remain. Therefore, normalized spectra keep information on the continuum (the general shape of the spectrum) related petrographic facies (Fig. 5) but cutting-lines still alter their shape in the short wavelength range.
Les spectres de réflectance dans le visible et le proche infrarouge de différentes lithologies de la coupe d’Arigh Ouzla : pour les classes patine (P), lichens (V), cassure (C) et Placage (R).
Visible and near-infrared reflectance spectra of different lithologies of the Arigh Ouzla section: for different classes patina (P), lichen (V), crack (C), facing (R).
Spectre analysé, spectre filtré, spectre normalisé et continuum d’une surface carbonatée recouverte par des lichens.
Spectrum analyzed, filtered spectrum, normalized spectrum and continuum of a surface carbonate covered by lichens.
(a) spectres de la patine et de la cassure d’un échantillon de dolomie, (b) même spectres après normalisation.
(a) spectra of the patina and the fracture of a sample of dolomite, (b) same spectra after normalization.
The main information about the mineralogy is given by the analysis of characteristic absorption features, independent of the continuum, using an index. We build an index similar to the NDVI (Asrar et al., 1989; Baret and Guyot, 1991; DeFries et Townshend, 1994; Friedl et al., 1995; Wang et al., 2004) for the chlorophyll but, instead of measuring a red edge, we calculate the normalized difference between the well of the carbonate absorption feature and its right shoulder (long wavelength side) (Fig. 6). We name this index the Normalized Difference Carbonate Index or NDCI. Since these carbonates can be either calcite or dolomite, the procedure begins by finding the wavelength λBmin of minimum reflectance ρB of the carbonate absorption band sought and the wavelength (λBmax) of maximum reflectance ρE to the right of the minimum, in the wavelength interval 2.1 to 2.4 μm. When the minimum ρB and maximum ρE reflectances are found with sufficient difference in reflectance and within a 10 nm interval (Fig. 6), the depth of the absorption band is calculated (NDCI equation, see text).
Exemple de calcul de l’indice NDCI sur les deux spectres de réflectance de calcite et de dolomite.
Example of calculating the NDCI index of two minerals: calcite and dolomite.
At the scale of the Arigh Ouzla Formation samples, the distribution of wavelength centres of primary carbonates’ absorption bands (λBmin) varies between 2.319 and 2.323 μm (Fig. 2). All samples are therefore dominated by dolomite. The NDCI intensity can estimate the degree of diagenesis, but only when considering similar surfacic states. Such findings, considering carbonate's absorption feature depth, have been verified in other parts of the world (Clark and Roush, 1984; Gaffey, 1986; Hunt and Salisbury, 1970), but not on crude samples in their natural outcrop. In addition, we show that the texture of the carbonates is also reflected by a significant petrological component of the continuum which can be used to confirm the determination of the relative grain size. The increase in grain size increases the depth of the absorption bands as expected (Clark, 1999; Cooper and Mustard, 1999; Ghrefat et al., 2007), but it is also accompanied by a curvature of the continuum between 1 and 2.5 μm without the need to use another mineralogy to explain that curvature (Fig. 9).
Spectres normalisés des deux groupes de faciès : 1 et 2.
The normalized spectra of two facies groups: 1 and 2.
The availability of airborne platforms with spectral resolutions of 5 to 10 nm should soon allow us to perform this type of study.
1 Introduction
Lorsqu’un rayonnement atteint un objet (roche ou minéral), il peut en absorber une partie et en réfléchir une autre. Un spectre de réflectance se définit comme la fraction de radiation solaire incidente, réfléchie par une surface ou un objet en fonction de la longueur d’onde. La forme des spectres varie d’une surface à une autre, ce sont les variations spectrales. Elles se traduisent par des changements dans les creux (bandes d’absorption), les épaulements, la pente, etc. La spectroscopie de réflectance est l’ensemble des méthodes permettant la détermination du comportement de ces spectres et leur analyse.
Les spectres de réflectance des minéraux, des roches et des sols ont été largement discutés dans plusieurs travaux (Crowley, 1986, 1991 ; Gaffey, 1986 ; Hunt, 1970 ; Hunt et Salisbury, 1970 ; Van der Meer, 1995, 1996, 1997). Les applications sont évidentes en cartographie géologique et minéralogique, mais la complexité de l’imbrication des paramètres à l’origine des signatures spectrales de faciès pétrologiques reste un frein à son développement systématique, à toutes les échelles d’observation que requière une analyse géologique classique. Le but de ce travail est de montrer quels sont les paramètres pertinents en télédétection hyperspectrale pour la réalisation de cartes géologiques à partir d’une spectrométrie de terrain, en allant au-delà des études classiques de détection d’une minéralogie, pour aborder la notion de faciès. Il est aussi question de tester les potentialités et l’apport de la spectrométrie de terrain en tant que méthode quantitative et d’identification des différents stades de diagenèse des microfaciès carbonatés du bassin d’Essaouira du Haut Atlas occidental marocain. L’identification spectrale de ces faciès permettra de mettre en place une librairie spectrale régionale préparatoire à la réalisation d’une campagne de télédétection aéroportée, nécessaire à la réalisation de cartes régionales à haute résolution spatiale.
2 Contexte géologique
Le bassin d’Essaouira constitue la partie occidentale du système atlasique marocain (Fig. 1). Il fait partie de la marge passive est-atlasique, dont l’histoire a débuté au Trias supérieur au cours du rifting de l’Atlantique central. La série sédimentaire, pendant le Jurassique, est très épaisse et caractérisée par un remplissage évaporitique et carbonaté (Fig. 1). Au cours du Lias et du Dogger, la sédimentation est constituée par des dépôts détritiques et évaporitiques passant à des calcaires dolomitiques, à l’ouest du bassin. Au Callovien-Oxfordien se développe une plate-forme carbonatée ; les dépôts sont des dolomies gréseuses, des calcaires argileux et des argiles. Du Kimméridgien au Berriasien, la sédimentation est surtout évaporitique (dolomie et anhydrite, calcaire dolomitique).
Esquisse géologique de la région étudiée.
Geological map of the studied region.
Le bassin d’Essaouira a fait l’objet de plusieurs études géologiques (Adams et al., 1980 ; Amrhar, 1995 ; Bouaouda, 2006 ; Bouaouda et al., 2007 ; Du Dresnay, 1988 ; Duffaud et al., 1966 ; Labbassi, 1998 ; Labbassi et al., 2000 ; Medina, 1994 ; Roch, 1950), mais aucune étude utilisant les techniques de la télédétection hyperspectrale n’y avait été entreprise. La formation d’Arigh Ouzla, représente les premiers dépôts marins dans le bassin d’Essaouira, attribuées au Lias moyen (Bouaouda et al., 2007). Elle affleure au cœur de l’anticlinal du Jbel Amssitène (Fig. 1). D’un point de vue sédimentologique, les dépôts commencent par des faciès formés par des bancs métriques massifs de dolomies noires. Ce sont des dolosparites à oncoïdes fortement poreuses, à texture mudstone à wackstone. Cet ensemble est surmonté par des calcaires et des dolomies calcaires en bancs décimétriques, riches en quartz et organisés en texture wackstone à packstone. La série se termine par des dolosparites cristallines correspondant à un faciès avec un stade de diagenèse très avancée (AR19, Fig. 2).
3 Méthodologie de travail
La méthodologie adoptée est basée sur deux approches différentes et complémentaires, à savoir l’analyse pétrologique et spectrométrique des faciès carbonatés.
L’analyse pétrologique repose sur une description des textures, selon la classification de Dunham (1962), observées en lames minces. Pour faciliter sa corrélation avec les propriétés optiques gouvernant leur spectrométrie, ces textures sont analysées par numérisation des lames minces dans des conditions de prises de vue rigoureusement identiques (à gain fixe) et par recherche des maximums d’éclairement des histogrammes de niveaux de gris (Fig. 3). Plus le faciès est cristallin, plus le maximum apparaît à de fortes valeurs de niveaux de gris. Inversement, plus il est micritique, plus il a tendance à présenter un maximum aux plus bas niveaux de gris (Fig. 2 et 3).
Les spectres de réflectance des différents faciès de la formation d’Arigh Ou Zella ont été acquis directement sur le terrain par le biais d’un spectromètre de terrain ASD FiedSpec 3, équipé d’une sonde qui contient à la fois la source d’éclairement artificielle (e.g., lampe halogène) et la fibre optique. Sur le terrain on a plaqué cette sonde à la surface de chaque banc de la formation d’Arigh Ou Zella pour analyser sa composition. En effet, après l’interaction de la lumière avec la surface analysée, le rayonnement électromagnétique est récupéré et dirigé vers trois détecteurs couvrant la gamme de longueurs comprises entre 0,35 et 2,5 μm, avec une résolution spectrale de 3 à 10 nm. Pratiquement, l’acquisition des spectres en réflectance se fait en deux étapes. La première consiste à acquérir la mesure d’un panneau de référence, constitué d’un matériau (le Spectralon) qui est un réflecteur diffus parfait réfléchissant 99 % du rayonnement dans toutes les directions. La deuxième mesure consiste à examiner la cible. Les spectres de ces deux surfaces sont acquis en luminance, puis les données sont exportées en réflectance de manière automatique par le calcul du rapport entre cible et Spectralon par le logiciel intégré à cet instrument (ASD).
Sur chaque banc, plusieurs mesures de la signature spectrale ont été effectuées sur différents types de surface (patine (P), lichen (V), cassure fraîche (C) et placage (R)).
D’après l’analyse visuelle des signatures spectrales, on a constaté une divergence entre les spectres caractéristiques des différentes surfaces d’un même banc ou faciès (e.g., patine et cassure), ce qui pourrait s’expliquer par les effets de dissolution superficielle et de rugosité. L’analyse de cette divergence montre que l’effet lié à la rugosité se traduit par un bombement général de leur forme. L’utilisation d’un simple filtre passe-bas, à moyenne mobile, permet d’extraire l’information sur ce « bombement ». Les coefficients gaussiens du filtre sont donnés par l’équation suivante (Roy et al., 2009) :
Plus la largeur à mi-hauteur de la gaussienne est faible (e.g., FWHM = 0,20 μm), plus le spectre filtré sera proche du spectre examiné. Dans ce cas, la tendance contiendra une partie de l’information liée à la composition minéralogique, car certaines absorptions sont encore trop larges et n’arrivent pas à être filtrées. Au contraire, plus la largeur à mi-hauteur est grande (e.g., FWHM = 1,2 ou 1,4 μm), plus le spectre filtré sera assimilé à une tendance dépourvu des bandes d’absorption et contiendra une partie de l’information liée à la rugosité de surface. Pour construire le spectre filtré, on a utilisé la valeur 1,4 μm pour la largeur à mi-hauteur.
Le retrait de la tendance consiste tout simplement à diviser le spectre analysé (ρsa) par le spectre filtré (ρsf) pour toutes les longueurs d’onde (λ), afin d’obtenir un spectre normalisé (ρn) (Fig. 4), comme le montre l’équation suivante :
Les spectres normalisés conservent une information propre à la minéralogie et au faciès pétrographique, sans être altérés par l’information liée à la rugosité de surface. Ceci permet de comparer les spectres entre eux en conservant l’information sur le continuum (forme générale du spectre), liée au faciès pétrographique (Fig. 5). Cette information est complétée par l’analyse des bandes d’absorption caractéristiques, indépendante du continuum, à l’aide d’un indice. Celui que nous avons choisi est similaire au NDVI (Asrar et al., 1989 ; Baret et Guyot, 1991 ; DeFries et Townshend, 1994 ; Friedl et al., 1995 ; Wang et al., 2004), mais construit sur le saut brutal des réflectances entre ces bandes et leur épaule droite (côté grande longueur d’onde) (Fig. 6). Cet indice nommé NDCI pour « Normalized Difference Carbonate Index » s’ajuste entre dolomite et calcite par une procédure automatique de recherche du minimum (fond de bande) et du maximum (épaule droite) sur l’intervalle 2,1–2,4 μm.
La procédure de calcul commence par rechercher la longueur d’onde λBmin du minimum réflectance ρB de la bande d’absorption du carbonate recherché et la longueur d’onde (λBmax) de la réflectance ρE du maximum de réflexion à droite du minimum, dans l’intervalle de la longueur d’onde compris entre 2,1 et 2,4 μm (Fig. 6).
Lorsque cette succession de réflexions minimum ρB et maximum ρE est trouvée dans le bon ordre, à moins de 10 nm de distance et avec un écart en intensité suffisant, la profondeur de la bande d’absorption est calculée à l’aide l’équation suivante :
L’écart moyen en longueur d’onde entre maximum et minimum de réflectance étant le plus souvent de 5 nm, seules les données de télédétection hyperspectrale, de résolution spectrale suffisante, permettent de détecter correctement la position exacte de ces deux paramètres. Si l’interpolation peut permettre cette détection à 10 nm de résolution (Van der Meer, 1995), une résolution au moins égale à 5 nm semble requise.
4 Résultats et discussions
4.1 Étude des patines de dissolution
La patine des carbonates est surtout marquée par des figures de dissolution qui changent les propriétés de microrugosité de surface, accentuant ainsi la diffusion de la lumière et rendant la roche plus claire. La normalisation à un spectre (spectre filtré) construit par l’application d’un filtre passe-bas corrige cet effet de diffusion de surface et permet la superposition presque parfaite des spectres de la patine et de la cassure (Roy et al., 2009) (Fig. 5). L’efficacité de cette superposition indique que l’accumulation de matériel non dissous est faible, non détectable, et que l’altération géochimique du faciès y est tout aussi faible. Les bandes d’absorption détectées aux alentours de 1 μm reflètent la présence de très fines croûtes d’oxydes de fer, liées à la circulation des eaux météoriques. C’est un phénomène courant dans la coupe d’Arigh Ouzla.
4.2 Analyse des formes générales des spectres normalisés et bandes d’absorption principales
De façon générale, en faisant abstraction des bandes H2O à 1,4 μm et 1,9 μm (liées à la présence de l’eau interstitielle et, par ailleurs, inexploitable en télédétection aéroportée à cause de l’opacité de la vapeur d’eau à 1,4 μm et 1,9 μm), les spectres de réflexion croissent régulièrement en intensité de 0,4 à 1,4 μm selon deux modes (Fig. 7). Le premier présente une forme convexe de type logarithmique, avec asymptote entre 1,4 et 1,9 μm, alors que le second est une quasi ligne droite avec point d’inflexion à 1,4 μm. La convexité des spectres sur cet intervalle de longueur d’onde semble caractéristique des carbonates observés sur leurs cassures fraîches (classe C Fig. 7). Sur les patines, la préservation de cette convexité est corrélée à la présence de bioclastes. L’aspect rectiligne trahit la présence de couvertures partielles en lichen ou micro-algues, attestée par une inflexion des spectres à 0,7 μm, en raison d’une présence de chlorophylle en très faible quantité. Celle-ci est plus abondante (classe V), lorsque cette couverture s’épaissit, mais disparaît lorsque les lichens meurent, pour ne plus être détectés que par des bandes d’absorption caractéristiques de la cellulose à 1,76, 2,09 et 2,20 μm. On peut remarquer que, malgré leur abondance, la signature des carbonates y reste visible tant que la couverture n’est pas complète (Fig. 7). Ce n’est qu’entre 2,1 μm et 2,5 μm, que nous trouvons une information minéralogique caractéristique des carbonates, essentiellement en raison de la présence de bandes d’absorption asymétrique de Mg et CaCO3 à 2,32 μm pour la dolomite et à 2,34 μm pour la calcite. C’est pour cette raison que l’étude se focalise ensuite sur cet intervalle.
4.3 Analyse de la bande d’absorption principale des carbonates (entre 2,1 et 2,4 μm)
La position en longueur d’onde du maximum d’absorption des spectres de tous les faciès de la coupe d’Arigh Ouzla varie entre 2,319 et 2,323 μm (Fig. 2). Ils sont donc tous à dominance dolomitique. Dans l’optique de vérifier ces résultats, on a fait appel à l’utilisation d’une autre méthode semi-quantitative d’analyse au laboratoire, notamment la méthode d’analyse par diffraction des rayons X (DRX), qui nécessite au préalable la préparation des échantillons en poudre. L’échantillon AR14 est broyé dans un mortier en agate, jusqu’à l’obtention d’une poudre fine et homogène. La poudre est ensuite analysée par DRX et par le spectromètre ASD. Les résultats obtenus par DRX confirment l’abondance de la dolomite dans l’échantillon AR14 (Fig. 8). L’abondance de la dolomite est donnée en DRX par la surface des pics de diffraction, caractéristiques de ce minéral. Ce n’est pas le cas en spectrométrie, puisque la taille de grain change la profondeur des bandes d’absorption. L’information est cependant utile pour justement étudier ces tailles de grain.
Résultat de l’analyse minéralogique du faciès AR14 obtenu par la méthode de diffraction des rayons X.
Result of mineralogical analysis of facies AR14 obtained by the method of X-ray diffraction.
L’indice NDCI montre une évolution verticale indépendante de la position du centre de la bande d’absorption (Fig. 2) ; il varie entre 0,041 et 0,175, avec une moyenne de 0,108. Cependant, une bonne corrélation avec la texture de faciès et l’état de cristallinité des minéraux est observée. Deux groupes de faciès peuvent être dégagés : (i) cristallin, à histogramme clair avec des valeurs de NDCI supérieures à la moyenne et (ii) micritique, à histogramme sombre et valeurs de NDCI inférieures à la moyenne (Fig. 2 et 9).
La Fig. 9 montre que les spectres des deux groupes dans l’intervalle de la longueur d’onde de 1 à 2,5 μm. Cet intervalle est choisi pour éliminer les variations provenant des encroûtements d’oxydes de fer déposés par l’eau de ruissellement et des accumulations de matière organique, sans relation avec la diagenèse des roches. La normalisation sert ensuite à annuler les variations de rugosité de surface, liées aux processus de dissolution des carbonates. Le groupe 1 montre alors en général des spectres normalisés ayant une enveloppe (ou continuum) plate décrivant un palier caractérisant les faciès de la moitié inférieure de l’unité des dolomies massives, ainsi que les faciès de l’unité des dolomies calcaires de la coupe d’Arigh Ouzla. Les spectres normalisés du groupe 2 présentent un continuum d’allure convexe, caractéristique des faciès de la moitié supérieure des dolomies massives et de l’unité des dolomies cristallines du sommet de la coupe d’Arigh Ouzla. Cette distinction se complète par la présence de bandes d’absorption de carbonates, de profondeurs plus prononcées dans le groupe 2 que dans le groupe 1 (Fig. 9, encadré). L’augmentation de taille des grains augmente donc bien la profondeur des bandes d’absorption comme attendu (Clark et al., 1990 ; Cooper et Mustard, 1999 ; Ghrefat et al., 2007), mais elle s’accompagne aussi d’une courbure du continuum entre 1 et 2,5 μm, sans qu’il soit nécessaire de faire appel à une autre minéralogie pour expliquer cette courbure (Fig. 9).
5 Conclusions et perspectives
La diversité des phénomènes d’altération perturbe l’observation des carbonates. Leur prise en compte et leur séparation, par : (i) normalisation de retrait des effets superficiels de dissolution ; et (ii) restriction de la fenêtre spectrale d’étude, pour éviter la superposition d’informations provenant de circulation d’eau sans rapport avec la formation des faciès, permettent d’arriver à distinguer entre eux les principaux faciès de la coupe d’Arigh Ouzla.
Les bandes d’absorption caractéristiques des carbonates varient entre 2,319 et 2,323 μm et ne changent pas entre surfaces de dissolution et cassures fraîches. Ces valeurs reflètent le caractère totalement dolomitique et permettent d’estimer le degré de diagenèse. L’apport de la spectrométrie apporte ainsi des précisions par rapport aux descriptions pétrographiques et sédimentologiques précédentes (Bouaouda, 2006 ; Bouaouda et al., 2007 ; Du Dresnay, 1988 ; Peybernès et al., 1987).
L’analyse des spectres a montré qu’une relation entre degré de cristallinité et profondeur de la bande d’absorption pouvait être établie. De telles conclusions ont déjà été vérifiées dans d’autres régions du monde (Clark et Roush, 1984 ; Gaffey, 1986 ; Hunt et Salisbury, 1970), mais pas sur des échantillons bruts dans leur état naturel d’affleurement. En plus de l’étude classique des bandes d’absorption, nous avons montré que la texture des carbonates se traduisait aussi par une composante pétrologique non négligeable du continuum qui peut ainsi être utilisé pour confirmer la détermination relative de la taille de grain. La mise à disposition de plates-formes aéroportées avec des résolutions spectrales de 5 nm devrait bientôt permettre de réaliser ce type d’étude.
Remerciement
Ce travail est réalisé dans le cadre du programme Volubilis, Action Intégrée no MA/07/171.