Φασματικές υπογραφές πετρωμάτων και κοιτασμάτων. Εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στο Μαρόκο.

Από RemoteSensing Wiki

Αντικείμενο Εφαρμογής: Εφαρμογή φασματοφωτομετρίας για την απόκτηση ορατών και εγγύς υπερύθρων φασμάτων διάχυτης ανάκλασης, σε πούδρες και φυσικά αποκομμένους βράχους.

Πρωτότυπος Τίτλος: «Spectral signatures (visible/near infrared) of rocks and ores; applications to remote sensing of three types of orebodies from S.Morocco»

Συγγραφείς: Bothorel A., Cervelle B., Chorowicz J., Tamain G., Mehdi Alem El

Πηγή:https://www.researchgate.net/publication/305993639_Spectral_signatures_visiblenear_infrared_of_rocks_and_ores_applications_to_remote_sensing_of_three_types_of_orebodies_from_S_Morocco Λέξεις Κλειδιά: τηλεπισκόπηση, πετρώματα, κοιτάσματα, γεωλογία

1. Στόχος Εφαρμογής Η μελέτη αυτή αποσκοπεί να συμβάλλει στην απάντηση των ερωτήσεων: α.Μέσα στα φασματικά εύρη που χρησιμοποιούνται ή θα χρησιμοποιηθούν από τους Landsat και Spot, υπάρχουν διαφορετικά αποτελέσματα σχετικά με τις διαφορετικές λιθολογίες και χημείες; β.Σε ποια εύρη τονίζονται αυτές οι διαφορές; γ.Πως επηρεάζουν οι φυσικοί παράγοντες (εξαλλοίωση, φωτεινότητα κλπ); δ.Μπορούν να προσδιοριστούν κάποιες χαρακτηριστικές φασματικές υπογραφές;

2. Εισαγωγή Για την απάντηση των παραπάνω ερωτημάτων η μεθοδολογία περιλαμβάνει: α.Την επιλογή γεωγραφικών ζωνών με ξηρό κλίμα των οποίων η γεωλογία, τα αποθέματα και η μεταλλογένεση είναι γνωστά και περιλαμβάνουν εξακριβωμένους τύπους αποθεμάτων. Τέτοιες είναι οι ακόλουθες περιοχές στο Μαρόκο: α.Η Kettara, όπου εμφανίζεται πυρροτίτης (θειούχο ορυκτό του σιδήρου). β.Τα κοιτάσματα κοβαλτίου από την πτύχωση του Bou Azzer-El Graara. γ.Ο δεσμευμένος σε στρώματα χαλκός στο Argana Couloir. β.Την απόκτηση των δεδομένων ανακλαστικότητας, για σύγκριση με τα δεδομένα των δορυφόρων.

3. Πειραματικές Διαδικασίες Οι ακτινοβολίες που ανακλώνται από τα υλικά είναι αποτελέσματα (α) της κατοπτρικής αντανάκλασης από την επιφάνεια του υλικού χωρίς διείσδυση του φωτός, και (β) της διάχυτης αντανάκλασης (Rd) της δέσμης φωτός που σκεδάζεται εσωτερικά του υλικού λόγω των ασυνεχειών του και της κοκκώδους υφής του. Επομένως, το σήμα που λαμβάνουν οι δορυφόροι από γεωλογικά υλικά, αποτελείται από αυτές τις δύο ακτινοβολίες. Η Rd δίνει πληροφορίες σχετικά με την ενέργεια, το πλάτος και την ένταση της απορρόφησης από την επιφάνεια του υλικού. Οι εκτιμήσεις σχετικά με την θεωρία της Rd ακτινοβολίας περιορίζονται στη γεωμετρία των επιφανειών, στη χημική ή ορυκτολογική ομοιογένειά τους και στις συνθήκες ηλιοφάνειας στην περιοχή μελέτης. Σημαντική είναι επίσης η παράμετρος της ατμοσφαιρικής απορρόφησης, ειδικά στο ορατό και στο NIR φάσμα.

3.1. Φασματοφωτομετρία των δειγμάτων πεδίου Ιδανικά δείγματα για τη διαδικασία θεωρούνται: (α) οι πατίνες της επιφάνειας των πετρωμάτων που υπόκεινται στις μετεωρολογικές δράσεις και (β) οι πούδρινες επιφάνειες που προκύπτουν από την σταδιακή συμπίεση του πετρώματος. Από τη σχέση που αναπτύχθηκε από τους Kubelka και Munk F(R)=(1-R)2/2R=k/s, η Rd σχετίζεται με ένα συντελεστή σκέδασης και το συντελεστή απορρόφησης k. Οι συντελεστές απορρόφησης θεωρητικά αντιπροσωπεύονται από Γκαουσιανές ή Λορεντζιανές συναρτήσεις. Ο υπολογιστής, λοιπόν, λαμβάνει αυτά υπόψιν και επιστρέφει το διάγραμμα F(R)-μήκους κύματος λ και τη διάταξη των Γκαουσιανών καμπυλών σύμφωνα με τη σχέση

3.2. Φασματοφωτομετρία πεδίου Αν ληφθεί υπόψιν η ατμοσφαιρική απορρόφηση, τότε οι μετρήσεις πεδίου σχετίζονται σε μεγάλο βαθμό με εκείνες των δορυφόρων. Εξαιτίας της μεγάλης απόστασης μεταξύ δορυφόρου και της επιφάνειας του εδάφους, είναι δυνατή η εξομάλυνση των τοπικών διαφοροποιήσεων (πχ. η υφή του πετρώματος, η κατάσταση της επιφάνειας, μικρές επιφάνειες εξαλλοίωσης, φυτά κλπ). Η διάταξη που χρησιμοποιείται, με βασικό όργανο μέτρησης το ραδιόμετρο, περιλαμβάνει τα εξής: -Την οπτική ενότητα, που αποτελείται από (α) ένα φακό που τοποθετείται με 10⁰ άνοιγμα διαφράγματος, (β) τα φίλτρα και (γ) ένα κοίλο κάναβο. -Εξαρτήματα αυτοματισμού· μια μονάδα παρακολούθησης που συλλέγει (α) το εύρος του λ που θα μετρηθεί, (β) τη μετρηθείσα τιμή, (γ) το βήμα της μέτρησης και (δ) τα φίλτρα. -Αισθητήρα -Σύστημα συλλογής δεδομένων με μικροεπεξεργαστή και πλήρες τερματικό.

3.3. Πειραματική διαδικασία και επεξεργασία δεδομένων Την ώρα που περνούσε ο δορυφόρος, έγιναν μετρήσεις σε 50 διαφορετικά σημεία. Κάθε κύκλος μετρήσεων περιλαμβάνει 1 ή περισσότερες θεάσεις, 1 ή περισσότερων γειτνιαζόντων εμφανίσεων, που τραβήχτηκαν και καταγράφηκαν μεταξύ διαδοχικών μετρήσεων. Στη συνέχεια, μετρήθηκε η καμπύλη ανάκλασης αυτών. Η αξιοπιστία των μετρήσεων πεδίου ανέρχεται σε 3% εξαιτίας συνθηκών (πχ. αλλαγές φωτεινότητας) που υπερβαίνουν την ενδεικτική τιμή. Σε σύγκριση με τις βαθμονομήσεις του φασματοφωτόμετρου, το ποσοστό λάθους εκτιμάται σε λιγότερο του 5%.

4. Αποτελέσματα

4.1. Kettara

4.1.1. Γεωλογία Το κοίτασμα έχει μήκος 20km με διεύθυνση Δ-Α. Σε όλο το μήκος παρατηρούνται σχιστόλιθοι με προσμίξεις εκρηξιγενών πετρωμάτων και μεγάλες αποθέσεις στρωματοειδούς πυρροτίτη που εσωκλείονται σε αυτούς. Υπάρχουν τρεις κύριες ορυκτολογίες: α.Υπόγεια μεταλλεύματα (μεγάλοι όγκοι με προσμίξεις σχιστόλιθων) β.Ζώνη συγκόλλησης (αποτελείται κυρίως από σιδηροπυρίτη, με μέγιστο πάχος 7m) γ.Ζώνη οξείδωσης (εκείνη που ενδιαφέρει περισσότερο την τηλεπισκόπηση. Αποτελείται κυρίως από οξειδωμένο λιμονίτη, σε βάθος 50m από την επιφάνεια των λόφων. Ενδέχεται να βρεθούν μαζί άργιλοι, οξείδια του χαλκού και ορυκτά θειικού σιδήρου.)

4.1.2.Αποτελέσματα

α.Φάσμα ορυκτών της επιφάνειας 1)Πρώτο κανάλι με λ=250-300nm και max=870-910nm 2)Δεύτερο κανάλι μεταξύ 640-650nm 3)Τρίτο κανάλι περίπου στα 470nm

Στη σύγκριση με τα δείγματα πούδρας, η πληροφορία και των δύο διαγραμμάτων είναι παρόμοια, καθώς τα νούμερα των καναλιών και οι θέσεις συμπίπτουν.

β. Φάσματα σχιστόλιθων και γειτνιαζόντων βασαλτών Αυτά αποκρύπτονται λόγω εμφάνισης των αδιαφανών μεταλλικών ορυκτών (μαγνητίτης, λιμονίτης), οπότε το φάσμα τους είναι επίπεδο.

γ. Λευκαύγεια και λόγοι καναλιών των Landsat και Spot Η λευκαύγεια στα κανάλια των Landsat και Spot μετρήθηκε ως το αριθμητικό ελάχιστο των τιμών που μετρήθηκαν ανά 10nm μέσα στο εύρος που καλύπτουν τα κανάλια αυτά. Η μέτρηση έγινε σε διακριτές τιμές, και η διάκριση μεταξύ ορυκτών και βραχομάζας είναι σαφώς διατυπωμένη για τις πούδρες και μέτρια για τα οξείδια. Η μέθοδος των λόγων συνιστά τη δημιουργία σχέσεων μεταξύ των λευκαυγειών που παρατηρούνται σε κάθε κανάλι. Τα πλεονεκτήματα είναι ότι στη συλλογή των δεδομένων, όταν αυτά δεν μπορούν να μετατραπούν σε απόλυτη ακτινοβολία, οι διαφοροποιήσεις που προκαλούνται από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας μειώνονται. Παράλληλα, η μέθοδος θεωρείται ότι μειώνει την διακύμανση τιμών που μπορεί να παρατηρηθεί είτε σε δύο διαφορετικές στιγμές στο χρόνο, είτε στο ίδιο πέτρωμα σε διαφορετικές περιοχές. Στο εργαστήριο, η μέθοδος των λόγων μειώνει τις διαφοροποιήσεις που επηρεάζονται από παράγοντες όπως το μέγεθος των κόκκων, συμπίεση κλπ. Οι τρεις συνδυασμοί λόγων για τον Landsat που υπολογίστηκαν και κατάφεραν το διαχωρισμό μεταξύ κοιτασμάτων και βραχομάζας, στην περίπτωση των δειγμάτων πούδρας, είναι οι 5/4, 6/4, 7/4. Μελετώντας τα διαγράμματα των λόγων αυτών, εξάγεται το συμπέρασμα πως α) τα διαγράμματα είναι τραχιά, άρα υπάρχει επιλεκτική απορρόφηση, β) οι τιμές των λόγων ξεπερνούν το 1, και υπάρχει ελάχιστο στο κανάλι 4, και γ) εμφανίζεται μέγιστο στο κανάλι 6 για τα δείγματα γκαιτίτη.

δ. Συμπεράσματα για το κοίτασμα της Kettara Αν και είναι αξιοσημείωτο ότι γίνεται διάκριση ενώσεων σιδήρου μέσα σε μια ομογενή βραχομάζα, η αρτιότητα των καναλιών των Landsat και Spot για εντοπισμό σιδήρου, δεν κρίνεται ως βέλτιστη.

4.2. Bou Azzer-El Graara

4.2.1.Γεωλογία Αποτελείται από αποθέσεις και εμφανίσεις σερπεντινιτών. Υπάρχουν εμφανίσεις αλκαλικών γρανιτών και γνευσίων, περιδοτιτών, γάββρων, διοριτών, διαβασίων κ.α., ηφαιστειογενή και ηφαιστειακά ορυκτά, και τέλος μια ιζηματογενής ζώνη.

4.2.2.Φασματικές υπογραφές Τα φάσματα που προέκυψαν στο πεδίο είναι πανομοιότυπα με εκείνα του εργαστηρίου, για δείγματα από ίδιες επιφάνειες.

4.2.2.1.Σερπεντινίτες Τα φάσματα αυτά χαρακτηρίζονται από μικρή απορρόφηση (580-600nm), που οφείλεται στο πράσινο χρώμα των σερπεντινιτών. Παρ’όλα αυτά μπορούν να διακριθούν σε αντιπαραβολή με άλλους σχηματισμούς.

4.2.2.2.Γειτνιάζοντες σχηματισμοί Οι φασματικές υπογραφές των βασαλτών και των διοριτών διαφέρουν αναλόγως τη φύση του δείγματος. Όλα τα φάσματα για τα οξείδια είναι παρόμοια, συνήθως με γραμμικές μειώσεις των μεγίστων από το ορατό στο εγγύς υπέρυθρο. Αυτή η απόκριση είναι χαρακτηριστική και σχετίζεται με το «βερνίκι της ερήμου». Το εύρος 1.8-2.5nm, όπου ο λιμονίτης και οι πατίνες πυρολουσίτη είναι πιο διάφανα σε σχέση με το ορατό φάσμα, είναι καταλληλότερα για τηλεπισκοπική αναγνώριση των ανθρακικών.

4.2.3.Φασματικές υπογραφές των μεταλλευμάτων κοβαλτίου-νικελίου Τα φάσματα αυτών είναι εξαιρετικά ιδιαίτερα με μέγιστα στα όρια μεταξύ ορατού και υπεριώδους και ελάχιστα στα 800nm.

4.2.4.Συμπεράσματα για το Bou Azzer-El Graara Οι τοπικές γεωλογικές συνθήκες δεν επιτρέπουν την άμεση τηλεπισκόπηση των σχηματισμών, αλλά μπορεί να γίνει έμμεσα ο εντοπισμός τους. Μεταξύ 2000-2500nm αυτό το «βερνίκι» (που καλύπτει την περιοχή) είναι πιο διαφανές, επομένως π.χ. τα ανθρακικά, μπορούν να εντοπιστούν. Ωστόσο, θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν η σχέση μεταξύ της έκτασης των κοιτασμάτων και των διαστάσεων των μονάδων που αναλύονται.

4.3. Argana Couloir

4.3.1.Γεωλογία Πρόκειται για μια κοιλάδα αραιής βλάστησης, μήκους 100km, πλάτους 10-25km και με διεύθυνση ΒΑ-ΝΔ. Μέσα σε ιλύες και αμμόλιθους βρίσκονται ενσωματωμένα κοιτάσματα χαλκού και ουρανίου. Τα κοιτάσματα σε αμμόλιθους είναι λεπτά κοιτάσματα (40-500m) υψηλής ποιότητας και πολύπλοκης παραγένεσης. Ενώ τα κοιτάσματα σε στρώματα ιλύων χαρακτηρίζονται από τις ιζηματογενείς δομές των πετρωμάτων, τη μεγάλη πλευρική έκταση, παραγένεση με λίγα ορυκτά είδη και συνάφεια με τον «συμβατικό» τύπο στρωμάτωσης.

4.3.2.Φασματικές υπογραφές των χαλκοφόρων πετρωμάτων Οι συνθήκες εξαλλοίωσης αποτρέπουν τις αξιόπιστες μετρήσεις πεδίου στην περιοχή, επομένως χρησιμοποιούνται εργαστηριακές υπογραφές. Τα φάσματα των πουδρών συμπίπτουν με αυτά των οξειδίων. Τα φάσματα των κόκκινων αμμόλιθων εμφανίζουν μέγιστο πριν τα 560nm, μια απότομη κορυφή μεταξύ 600nm και 700nm, και μια σχετική κορυφή περίπου στο 870nm. Τα ανοιχτόχρωμα πετρώματα είναι αμμόλιθοι. Αν τα χαλκοφόρα ορυκτά απουσιάζουν, η απόκρισή τους θα είναι επίπεδη μεταξύ 400-1100nm, με ένα συγκριτικά υψηλό ελάχιστο. Η διάκριση μεταξύ των κόκκινων αμμολίθων και των ανοιχτόχρωμων μεταλλοφόρων πετρωμάτων φαίνεται να είναι αδύνατη. Η έλλειψη αξιόπιστων τιμών πεδίου απέτρεψαν την επιβεβαίωση του ενδεχομένου των αιτίων εξαλλοίωσης.

4.3.3.Λευκαύγεια και λόγοι καναλιών Landsat Τα διαγράμματα των καναλιών των Landsat και Spot, δεν προσφέρουν ικανή διάκριση, όμως είναι δυνατή από τα διαγράμματα των λόγων (5/4, 6/4, 7/4).

4.3.4.Έρευνα για καταλληλότερο κανάλι και συμπεράσματα για Argana Η προτεινόμενη λύση περιλαμβάνει 4 κανάλια που διαχωρίζουν ομοιόμορφα το λ=400-910nm. Έτσι, η μοναδική διάκριση είναι σχετικά καλή, αλλά υπάρχει η δυνατότητα για διάκριση σχηματισμού από τις υπογραφές του μέσα σε αυτά τα κανάλια.

5.Συγκεντρωτικά Συμπεράσματα Δύο αλληλοσυμπληρούμενες μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσης για τη διάκριση των φασματικών υπογραφών. Η εργαστηριακή φασματοφωτομετρία με δείγματα από τις επιφάνειες των πετρωμάτων, των οποίων η ανάλυση επιτρέπει την κρυσταλλοχημική και ορυκτολογική επεξήγηση της υπογραφής, και η φασματοφωτομετρία πεδίου, που λαμβάνει υπόψιν τις διάφορες ανομοιογένειες, που αποφέρουν άμεσα δεδομένα. Αυτή η εργασία βοήθησε στη συσχέτιση της φασματικής κατανομής πετρωμάτων ως προς τη πετρογραφία και την ορυκτολογία τους, δείχνοντας ότι η τηλεπισκοπική ανίχνευση φασματικών υπογραφών για τους Landsat και Spot είναι δυνατή.