Δομική διερεύνηση της ζώνης ρηγμάτων Zungeru-Kalangai και του περιβάλλοντος της, χρησιμοποιώντας δεδομένα αερομαγνητικής και τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Δομική διερεύνηση της ζώνης ρηγμάτων Zungeru-Kalangai και του περιβάλλοντος της, χρησιμοποιώντας δεδομένα αερομαγνητικής και τηλεπισκόπησης

Πρωτότυπος τίτλος: Structural investigation of Zungeru-Kalangai fault zone and its environ, Nigeria using aeromagnetic and remote sensing data

Συγγραφείς: A.B. Arogundade, M.O. Awoyemi, O.S. Hammed, S.C. Falade, O.D. Ajama

Δημοσιεύθηκε: Μάρτιος 2022

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: Μοντελοποίηση, Υπόγειες δομές, Τηλεπισκόπηση, Αερομαγνητικά Δεδομένα, Ζώνες θραύσης, Πηγή ανίχνευσης άκρων

Εικόνα 1: Γεωλογικός χάρτης Νιγηρίας (α) βασικά ρήγματα (β) Περιοχή μελέτης

Σχήμα 1: Γραμμές που προέρχονται από τις δορυφορικές εικόνες (Landsat OLI και SRTM) Διάγραμμα αζιμουθίου-συχνότητας για (α) Landsat-8 OLI (β) SRTM-DEM

Εικόνα 2: (α) Χάρτης ολικής μαγνητικής έντασης (TMI) της περιοχής μελέτης (β) Αναγωγή σε ισημερινό (RTE) χάρτη της περιοχής μελέτης (γ) Ανοδικός χάρτης συνέχειας του ΤΜΙ σε ύψος 100 m

Εικόνα 3: (α) Ολικός οριζόντιος παράγωγος χάρτης με σημεία μέγιστου πλάτους που επικαλύπτονται στον χάρτη (β) Χάρτης πλάτους αναλυτικού σήματος με σημεία μέγιστου πλάτους που επικαλύπτονται στον χάρτη (γ) Οι λύσεις Euler σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας δομικό δείκτη 1 (το βάθος ποικίλλει ανάλογα με το χρώμα)

Εικόνα 4: Σύνθετος χάρτης των εκτιμώμενων θέσεων από λύσεις THD (ροζ), ASA (καφέ) και Euler (μαύρο)

Εικόνα 5: (α) Χάρτης συναγόμενων θέσεων επαφής από THD και ASA (β) Γραμμικός χάρτης της περιοχής μελέτης που δείχνει τα συναγόμενα σφάλματα από τον σύνθετο χάρτη των λύσεων THD, ASA και Euler

Εικόνα 6: (α) Συναγόμενος δομικός χάρτης της περιοχής μελέτης (β) Μαγνητικά προφίλ που σχεδιάζονται σε μεγάλα σφάλματα

Αντικείμενο Εφαρμογής

Αναλύθηκαν δεδομένα αερομαγνητικών και δορυφορικών εικόνων σε περιοχές της Βόρειας Νιγηρίας για να σκιαγραφηθούν μαγνητικές και επιφανειακές γραμμώσεις που σχετίζονται με τάσεις συστήματος ρηγμάτων. Χρησιμοποιήθηκε η τεχνική του ταχέως μετασχηματισμού του Φουριέ για την ανάλυση των αερομαγνητικών δεδομένων και τον υπολογισμό της αναγωγής στον ισημερινό, της συνολικής οριζόντιας παραγώγου, το πλάτος του αναλυτικού σήματος καθώς και την αποσυνέλιξη Euler. Τα δεδομένα Landsat 8 OLI και SRTM βελτιώθηκαν εφαρμόζοντας τεχνικές χωρικού φιλτραρίσματος και hill – shading για την σκιαγράφηση χαρακτηριστικών γραμμώσεων. Η θέση και ο προσανατολισμός της ζώνης ρήγματος Zungeru/Kalangai, η οποία εκτείνεται περίπου 245 χλμ από το υπόβαθρο της λεκάνης της Μπίντα μέχρι το βόρειο τμήμα της Νιγηρίας, σχετίζεται με το υπάρχον ρήγμα στον γεωλογικό χάρτη σχηματίζοντας ένα συζυγές ζεύγος με ένα ρήγμα γύρω από την Κάγια. Οι χάρτες που προέκυψαν αποκάλυψαν την παρουσία αρκετών γεωλογικών γραμμώσεων που δεν είχαν ανιχνευθεί και αντιστοιχούν σε ρήγματα και αναδιπλωμένα αναχώματα με διεύθυνση κλίσης κυρίως Β-Ν, ΒΒΑ-ΝΔ, ΒΑ-ΝΔ και ΒΔ-ΝΑ. Ακόμη, η εφαρμογή της 2D εμπρόσθιας μοντελοποίησης αποκάλυψε τη 2D εικόνα της φύσης του υπεδάφους καθώς και τις μαγνητικές ευαισθησίες των πετρωμάτων.

Εισαγωγή

Η Γη είναι ένα δυναμικό και μεταβαλλόμενο σύστημα που χωρίζεται σε πολλά άκαμπτα μπλοκ γνωστά ως τεκτονικές πλάκες. Οι κινήσεις των τεκτονικών πλακών της γης προκαλούν πίεση που είναι ικανή να παραμορφώσει τα πετρώματα. Ως αναπόσπαστο μέρος του Δυτικού Αφρικανικού Κράτονα, το Προκάμβριο Σύμπλεγμα Υπόγειου της Νιγηρίας έχει υποβληθεί σε διάφορα επεισόδια παραμόρφωσης. Οι παραμορφώσεις αυτές οφείλονται για το σημερινό γεωλογικό προφίλ της περιοχής. Επιπλέον, προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι υπάρχει μια εσωτερική επέκταση των ωκεανικών ζωνών θραύσης μετά την αντιστάθμιση της Μέσο – Ατλαντικής Υφαλορράχης και εκδηλώνεται ως ζώνες ρήγματος στο Νιγηριανό υπόβαθρο οι οποίες πιστεύεται ότι δημιούργησαν μερικές μεγαδομές (όπως οι ζώνες ρηγμάτων Ifewara και Zungeru-Kalangai) που χρησιμεύουν ως ζώνες αδυναμίας. Το ρήγμα Zungeru/Kalangai δεν είναι ένα εντοπισμένο χαρακτηριστικό αλλά μια ζώνη διάτμησης που εκτείνεται σε εκατοντάδες χιλιόμετρα και συνοδεύεται από πολλά μικρά και μεγάλα ρήγματα και πτυχές. Η παρούσα μελέτη, η οποία βασίζεται στα ευρήματα των Awoyemi et al. (2017a και 2017b), περιλαμβάνει τη χρήση δορυφορικών εικόνων και αερομαγνητικών δεδομένων υψηλής ανάλυσης ως εργαλείο δομικής χαρτογράφησης για την οριοθέτηση δομικών χαρακτηριστικών που προκαλούνται από τα επεισόδια παραμόρφωσης που βίωσαν τα πετρώματα σε αυτήν την περιοχή μελέτης. Τα ευρήματα αυτής της έρευνας θα βοηθήσουν στην προώθηση της κατανόησης της δομικής γεωλογίας της Νιγηρίας. Θα μπορούσε επίσης να είναι χρήσιμο για έρευνες υπόγειων υδάτων, αναζήτηση ορυκτών και εκτιμήσεις γεωτεχνικής μηχανικής της περιοχής.

Περιοχή Μελέτης

Η περιοχή μελέτης, που βρίσκεται σε τμήμα της Βόρειας Νιγηρίας, οριοθετείται από Γεωγραφικά Πλάτη 9°30′ Β έως 11°30′ Β και Μήκη 6°00′ Α έως 7°30′ Α. Καλύπτει περίπου 36.300 km2, εκτείνοντας τμήματα από τις πολιτείες Ζαμφάρα, Κατσίνα, Νίγηρας και Καντούνα. Η γεωλογία της περιοχής βασίζεται στους σχιστόλιθους Kushaka και Birnin-Gwari οι οποίοι περικλείονται στην ομάδα σχιστόλιθων Kusheriki. Σύμφωνα με τον Turner (1983) και τον Obaje (2009), η ομάδα σχιστόλιθου Kusheriki περιλαμβάνει σχηματισμό σχιστόλιθου Birnin-Gwari στην κορυφή της διαδοχής, σχηματισμό κοκκιλίτη Zungeru, σχηματισμό σχιστόλιθου Kushaka και σχηματισμό ψαμίτη Kusheriki στο κάτω μέρος. Οι ζώνες σχιστόλιθου θεωρούνται πετρώματα του ανώτερου προτεροζωικού υπερφλοιού που έχουν διπλωθεί στο σύμπλεγμα μιγματίτη-γνεύσιου-χαλαζίτη. Ο σχηματισμός σχιστόλιθου Birnin-Gwari και τα υποκείμενα πετρώματα του σχηματισμού κοκκιλιτών Zungeru σχηματίζουν μαζί μια ενιαία δομική μονάδα, που ονομάζεται ζώνη σχιστόλιθου Zungeru-Birnin Gwari. Ο σχηματισμός σχιστόλιθου Birnin-Gwari πλαισιώνεται με μυλωνίτες Zungeru και στις δύο πλευρές και χτυπά τη δυτική πλευρά των ζωνών σχιστόλιθου Kushaka. Περιλαμβάνει φυλλίτες, σχιστόλιθους και συσσωματώματα σχιστόλιθου και καταλαμβάνει τον συγκλινικό άξονα της σχιστολιθικής ζώνης. Η ζώνη σχιστολίθου Kushaka αποτελείται σε μεγάλο βαθμό από λεπτόκοκκους χαλαζο-αστροπαθητικούς λίθους που εναλλάσσονται με αμφιβολίτες και μερικούς χαλαζίτες. Ο γεωλογικός χάρτης της περιοχής μελέτης φαίνεται στην εικόνα 1.

Μεθοδολογία

1.Λήψη και επεξεργασία δεδομένων Landsat OLI και SRTM

Οι πολυφασματικές εικόνες Landsat-8 OLI και Shuttle Radar Topography and Mapping (SRTM) ελήφθησαν από τον ιστότοπο της δορυφορικής βάσης δεδομένων USGS και κατά τη διάρκεια ξηρής περιόδου. Το σύνολο δεδομένων Landsat-8 υποβλήθηκε σε προ επεξεργασία με ραδιομετρική βαθμονόμηση, γρήγορη ατμοσφαιρική ανάλυση οπτικής γωνίας φασματικών υπερκύβων (FLAASH) ατμοσφαιρική διόρθωση και κανονικοποίηση εικόνας. Μετά από προεπεξεργασία, οι σκηνές του Landsat-8 OLI μετατράπηκαν σε μωσαϊκά για να παραχθεί μια ενιαία απρόσκοπτη εικόνα από την οποία ένα υποσύνολο καλύπτει την περιοχή μελέτης που οριοθετείται από γεωγραφικά πλάτη 9° 30′ N - 11° 30′ N και γεωγραφικά μήκη 6° 00′ E - 7° 30′ Ε. Για να βελτιωθούν τα χωρικά χαρακτηριστικά, οι ζώνες Landsat-8 VNIR και SWIR με μέγεθος pixel 30m συντήχθηκαν με μια πανχρωματική ζώνη μεγέθους 15m pixel 8. Επιπλέον, τα ψηφιακά υψομετρικά δεδομένα SRTM της περιοχής μελέτης ήταν σκιασμένα σε λόφο χρησιμοποιώντας γωνία φωτός 30° σε αζιμούθια 0°, 45°, 90° και 135° για να τονιστούν οι δομικές τάσεις Α-Δ, ΒΑ-ΝΔ, Β-Ν και ΒΔ-ΝΑ, αντίστοιχα. Οι παραγόμενοι σκιασμένοι χάρτες της υπό μελέτη περιοχής θα βοηθήσουν στην αποκάλυψη της επίδρασης των δομικών χαρακτηριστικών του υποβάθρου στην τοπογραφία. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι συνδυασμοί τιμών για κάθε παράμετρο της μονάδας LINE του λογισμικού PCI Geomatica. Αυτές οι παράμετροι είναι RADI (ακτίνα φίλτρου), GTHR (Όριο κλίσης άκρων), LTHR (Όριο μήκους καμπύλης), FTHR (όριο προσαρμογής γραμμής), ATHR (όριο γωνιακής διαφοράς) και DTHR (όριο απόστασης σύνδεσης). Η διαδικασία πραγματοποιήθηκε σε ολόκληρα τα σύνολα δεδομένων για την επιλογή των βέλτιστων ρυθμίσεων παραμέτρων που είχαν ως αποτέλεσμα την κατάλληλη έξοδο των γραμμών που εξήχθησαν.

2. Απόκτηση και επεξεργασία αερομαγνητικών δεδομένων

Τα Αερομαγνητικά Δεδομένα Υψηλής Ανάλυσης (HRAD) που κάλυπταν τμήματα των πολιτειών Νίγηρα, Καντούνα, Κατσίνα και Ζαμφάρα αποκτήθηκαν από την Υπηρεσία Γεωλογικής Έρευνας της Νιγηρίας (NGSA). Τα δεδομένα αποκτήθηκαν μεταξύ 2004 και 2009 από την Fugro Airborne Survey Limited. Οι παράμετροι πτήσης του HRAD είναι οι εξής: Απόσταση γραμμής πτήσης 0,5 km., Απόσταση εδάφους 80 m., Γραμμές πτήσης ΒΔ - ΝΑ., Απόσταση γραμμών ισοπαλίας: 2 χλμ., Κατεύθυνση γραμμών δεσίματος ΒΑ - ΝΔ. Τα HRAD ταξινομήθηκαν σε διαστήματα 100 m χρησιμοποιώντας την τεχνική πλέγματος ελάχιστης καμπυλότητας για την παραγωγή ενός χάρτη Ολικής Μαγνητικής Έντασης (TMI) της περιοχής μελέτης. Το φίλτρο αναγωγής στον ισημερινό (RTE) εφαρμόστηκε στο πλέγμα TMI για τη δημιουργία του χάρτη ανωμαλιών RTE που διόρθωσε την ασυμμετρία που σχετίζεται με ανωμαλίες χαμηλού γεωγραφικού πλάτους. Το πλέγμα RTE στη συνέχεια συνεχίστηκε προς τα πάνω σε ύψος 100 m για να βελτιωθεί η αναλογία σήματος προς θόρυβο στα δεδομένα. Το συνολικό οριζόντιο παράγωγο (THD) και το αναλυτικό εύρος σήματος (ASA) εφαρμόστηκαν στο φιλτραρισμένο (συνεχιζόμενο προς τα πάνω) πλέγμα για να ενισχύσουν και να οριοθετήσουν την υπογραφή των υπόγειων δομών και των λιθολογικών ορίων. Η εφαρμογή του 3D Euler Deconvolution (ED) στο πλέγμα RTE χρησιμοποιώντας έναν δομικό δείκτη χρησιμοποιήθηκε για να οριοθετήσει τη γεωμετρική φύση και τα βάθη εμφάνισης των άκρων της πηγής. Οι προκύπτοντες χάρτες των THD, ASA και ED ενσωματώθηκαν για να παραχθεί ένας χάρτης μαγνητικής γραμμικής γραμμής. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για να έχει μια σαφή εικόνα των υπόγειων δομών και να καθορίσει την κατανομή μαγνήτισης εντός της πηγής. Η επέκταση GM-SYS του λογισμικού Oasis Montaj χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση της επίδρασης ανωμαλιών των υπογείων δομών. Κατά την ερμηνεία των παρατηρούμενων δεδομένων, λήφθηκαν οκτώ προφίλ κατά μήκος διαφορετικών τμημάτων του πλέγματος RTE.

Αποτελέσματα

1.Εικόνες Landsat – 8 OLI και SRTM – DEM

Οι εξαγόμενες γραμμές στο σχήμα 1 δείχνουν το αθροιστικό αποτέλεσμα των επεξεργασμένων εικόνων Landsat-8 OLI και SRTM. Ο χάρτης γραμμής Landsat-8 OLI δείχνει ξεκάθαρα ότι οι γραμμικές γραμμώσεις ΒΑ-ΝΔ από τις περιοχές Zungeru έως Birnin Gwari που περικλείονται με μυλωνίτες Zungeru είναι πυκνές. Επίσης εμφανής είναι η συγκέντρωση των γραμμώσεων στα νοτιοανατολικά τμήματα, ιδιαίτερα γύρω από το Chikun και το βόρειο τμήμα γύρω από την Kwaimbana και την Doka, με τάση κυρίως στις κατευθύνσεις ΒΔ-ΝΑ. Στο διάγραμμα αζιμουθίου – συχνότητας έδειξε ότι οι γραμμώσεις που εξήχθησαν από τον landsat -8 έχουν τάσεις ΒΒΑ – ΝΝΔ, ΒΒΔ – ΝΝΑ και ΒΑ – ΝΔ ενώ οι γραμμώσεις που εξάγονται από τους χάρτες σκιασμένου ανάγλυφου του SRTM-DEM έχουν τάσεις Β-Ν, ΒΒΑ-ΝΔ και ΒΔ-ΝΑ. Η άφθονη έκταση των αζιμουθίων των γραμμώσεων οφείλεται στο πολυκυκλικό έδαφος μιγματίτη, γνεύσιου και γρανίτη που αποτελούν την κύρια λιθολογία της ζώνης σχιστόλιθου στην περιοχή μελέτης.

2. Η Ολική Μαγνητική Ένταση, RTE και φιλτραρισμένη ανωμαλία

Οι διακυμάνσεις στην ένταση του μαγνητικού πεδίου στους χάρτες TMI, RTE αποδίδονται στις διαφορές στην περιεκτικότητα σε μαγνητικά ορυκτά μεταξύ των διαφορετικών μονάδων πετρωμάτων και στα ποικίλα βάθη των υποκείμενων πετρωμάτων (Εικόνα 2). Μερικές από τις περιοχές που παρατηρήθηκαν με υψηλές τιμές μαγνητικής έντασης είναι το Jigbeji (κάτω μέρος της περιοχής μελέτης) με ανωμαλίες στην κατεύθυνση Α-Δ και τμήματα Sengiakun και Mutumji (Βορειοδυτικά) ενώ περιοχές με ελάχιστη τιμή μαγνητικής έντασης από -7,73 έως -82,2nT είναι εμφανείς γύρω από το Sengiakun. Η γραμμική ανωμαλία ζώνης τάσης ΒΑ-ΝΔ εκτείνεται από την περιοχή Bogi-Zungeru (Νοτιοδυτικά) στην περιοχή Giwa (το βορειοανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης), ενώ μια επιμήκης ανωμαλία τάσης ΒΔ-ΝΑ παρατηρήθηκε στο βορειοανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης. Όπως συζητήθηκε από τον Stoneley (1966), οι μαγνητικές υπογραφές ΒΑ-ΝΔ και ΒΔ-ΝΑ είναι γενικά συνεπείς με τις τεκτονικές τάσεις των πετρωμάτων της Δυτικής Αφρικής της Προκάμβριας.

3. Ανίχνευση ακμών και δομική χαρτογράφηση

Οι κορυφές (δηλαδή οι θέσεις των άκρων της πηγής) που προέρχονται από το THD και το ASA επικαλύπτονται στους χάρτες THD και ASA, αντίστοιχα (Εικόνες 3α και 3β) για να οριοθετηθούν οι θέσεις και οι κατευθύνσεις επαφής. Το σχέδιο των γραμμικών ανώμαλων ζωνών στους χάρτες THD και ASA είναι παρόμοιο. Αντιστοιχεί με τις αξιοσημείωτες μαγνητικές ανωμαλίες και εμφανίζει εξέχουσες τάσεις στις κατευθύνσεις ΒΑ-ΝΔ και ΒΔ-ΝΑ, που αποδίδεται στον κύκλο παραμόρφωσης της ορογένεσης της Παναφρικανικής (600Ma). H εικόνα 3γ δείχνει το αποτέλεσμα της τρισδιάστατης αποσυνέλιξης Euler (ED) για την περιοχή μελέτης. Ο σύνθετος χάρτης όλων των τεχνικών ανίχνευσης άκρων πηγής δημιουργήθηκε με την υπέρθεση των μεγίστων των διαλυμάτων ASA (καφέ), THD (ροζ) και Euler (μαύρο) (Εικόνα 4). Τα ταιριαστά μέγιστα/λύσεις των THD, ASA και ED υποδεικνύουν τα όρια του υπόγειου πετρώματος που θα μπορούσε να είναι λιθολογικές επαφές, ρήγματα ή ρήγματα (Εικόνα 5).

4. Μαγνητική Μοντελοποίηση

Τέλος, πραγματοποιήθηκε 2D μαγνητική μοντελοποίηση για να επιβεβαιωθεί η θέση των ρηγμάτων, οι βυθίσεις τους και το βάθος των εμφανίσεων στην περιοχή. Ελήφθησαν 8 προφίλ σε κατευθύνσεις ορθογώνιες ως προς τα προεξέχοντα συναγόμενα ρήγματα (Εικόνα 6β). Οι λύσεις βάθους Euler ελήφθησαν σε κάθε προφίλ και τα βάθη από την απεικόνιση παραμέτρων πηγής λήφθηκαν υπόψη κατά τη δημιουργία του μοντέλου. Τα αερομαγνητικά προφίλ σε μεμονωμένες γραμμικές ανωμαλίες τυπικά παρουσιάζουν συμμετρικές καμπύλες που αναμένονται πάνω από στρώματα μετατόπισης, καθώς και καμπύλες με δύο ασύμμετρες κορυφές και δύο ή περισσότερα σημεία καμπής.

Συμπεράσματα

Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν ενσωματωμένες δορυφορικές εικόνες και αερομαγνητικά Δεδομένα Υψηλής Ανάλυσης (HRAD) για να αποκαλύψουν μη ανιχνεύσιμες δομές και να υποστηρίξουν την επέκταση της ζώνης ρηγμάτων Zungeru-Kalangai από τη λεκάνη Bida στη Νιγηρία. Αυτό έχει δώσει περισσότερες λεπτομέρειες, που λείπουν από προηγούμενους γεωλογικούς χάρτες. Η σύγκριση των εξαγόμενων δομών από το HRAD και τις δορυφορικές εικόνες με τα υπάρχοντα ρήγματα που ψηφιοποιήθηκαν από τον γεωλογικό χάρτη της Νιγηρίας έδειξε σημαντική συσχέτιση μεταξύ της θέσης και του προσανατολισμού της ζώνης μετασχηματισμού Zungeru-Kalangai.