Resumen de Cartography of the Ronda peridotite (Spain) by hyperspectral remote sensing

Patrick Launeau, Christophe Sotin, Jacques Girardeau

• English

  The Ronda Peridotite, south of Andalusia (Spain), was imaged by AVIRIS in 1991 and partially sampled by us in the field with a GER 3700 spectrometer in 1997 in order to get experience in processing hyperpectral images of planetary surfaces with probes such as ISM Phobos (1989), OMEGA Mars Express (2003) and VIMS Cassini (2004). The high spectral resolution of the images (224 channels from 400 to 2455 nm) is necessary to conduct geological analysis with remote petrological determinations of rock types. On Earth, it is also necessary to determine species of vegetation because of their strong influence in mapping lithology, even in dry areas like the Ronda peridotite.

  The Ronda AVIRIS image was first processed to infer geological features using photo-interpretation of colour composite images extracted from 150 useful channels compared to geological maps and checked on the field during the campaign of July 97. This allows us to distinguish easily the peridotite massif from its surrounding rocks and its own serpentine zoning.

  Since this work followed the work of Chabrillat et al. [2000] we chose to explore the AVIRIS data with other techniques. We chose to remove the contribution of the atmosphere with spectra collected in the field on a white target at various altitudes and to remove the main vegetation with spectra of the most characteristic vegetation of the peridotite. In both cases we first estimated the amount of atmosphere and vegetation with band ratios and remove them with two similar empiric corrections of the reflectance.

  From the spectroscopy data, after removal of the atmosphere and some vegetation signal, we were able to clearly distinguish the crustal rocks from the mantle ones, as well as compositional variations due to pyroxene and mostly serpentine abundance within the peridotites. Hyperspectral infrared spectrometry will provide good geological mapping of the main rocks on planetary surfaces, if images can also be calibrated with in situ field measurements which will not miss any unexpected component. However, some ambiguities remain between certain types of rock which have close mineralogical composition (e.g. harzburgite compared to lherzolite) or which have resulting spectra very similar to each other (plagioclase and lizardite in peridotites). Some other ambiguities between spectra are also introduced by techniques of analysis based on relative reflectance. By not taking into account absolute intensity of the reflectance, because of roughness and topographic shading effects, small mineral variations are not always visible.

• français

  La péridotite de Ronda, au sud de l'Andalousie (Espagne), a été imagée par AVIRIS en 1991 et partiellement échantillonnée par nous-même sur le terrain à l'aide d'un spectromètre GER 3700 en 1997 dans le but d'acquérir une expérience dans le traitement des images hyperspectrales des surfaces planétaires à l'aide de sondes telle que ISM Phobos (1989), OMEGA Mars Express (2003) and VIMS Cassini (2004). La haute résolution spectrale des images (224 canaux répartis entre 400 et 2 455 nm) est nécessaire à la conduite d'une analyse géologique avec identification à distance des faciès pétrologiques. Sur Terre, il est aussi nécessaire de déterminer les espèces végétales à cause de leur grande influence sur la cartographie des faciès pétrologiques, même dans des régions relativement arides comme celle de la péridotite de Ronda. Cependant, la péridotite de Ronda reste un bon site test.

  L'image AVIRIS de Ronda est d'abord analysée par photo-interprétation. Des compositions colorées (affichées sur les canaux rouge, vert et bleu visibles) sont construites à partir de 3 canaux visibles et/ou infrarouge choisis parmi les 150 canaux utiles (le dernier détecteur AVIRIS ne fonctionnant pas en 1991). Ces compositions colorées permettant de visualiser les principales caractéristiques géologiques du visible à l'infrarouge, il est alors possible de les comparer à des cartes géologiques, puis aux mesures de terrain de la campagne de juillet 1997. Cette analyse visuelle permet de distinguer très facilement le massif de péridotite de ses roches avoisinantes (gneiss, marbres, grès et calcaires) ainsi que de mettre en évidence une nette zonation en serpentine habituellement non cartographiée.

  Ce travail faisant suite à celui de Chabrillat et al. [2000] nous avons pris le parti d'explorer une autre voie que celle des analyses en composantes principales en cherchant à retirer couche par couche les différents éléments à l'origine de la réponse spectrale de la péridotite de Ronda. Nous avons aussi pris le parti de ne nous fier qu'aux mesures de terrain et de ne jamais avoir recours à des échantillons d'image pour effectuer des classifications car notre expérience du terrain nous a clairement montré qu'aucun pixel n'était constitué d'une seule composante à 100 %.

  Parmi les couches d'éléments entrant dans la formation d'un spectre, il y a d'abord l'atmosphère et la végétation. Nous avons retiré la contribution de l'atmosphère de façon empirique en estimant sa contribution par l'analyse du rapport spectral (AF) entre des références blanches (spectralon®) mesurées sur le terrain au sommet (1400 m) et au pied de la péridotite (350 m). Un modèle numérique de terrain est construit à partir de cette détection de l'épaisseur de l'atmosphère autour de la bande de la vapeur d'eau à 940 nm et comparé à une carte topographique pour contrôler la qualité de cette détection. Il suffit alors de diviser le spectre par une fraction de AF proportionnelle à l'épaisseur de l'atmosphère. Suivant le même principe, il est possible d'utiliser le spectre de la végétation moyenne couvrant la péridotite pour retirer sa contribution, pourvu que celle-ci ne dépasse pas 40 %. Grâce à ces deux corrections (atmosphère, végétation moyenne), nous avons pu clairement distinguer roches crustales et roches mantelliques ainsi que quelques variations de teneurs en pyroxènes. Mais c'est la serpentine qui a donnée les meilleurs résultats, notamment avec la lizardite blanche.

  Si toute la péridotite est le plus souvent serpentinisée, il est remarquable de constater que la lizardite s'est plutôt développée dans des failles tardives caractéristiques d'une tectonique extensive alors que le chrysotile s'est préférentiellement développé dans les failles de compression. La lizardite est blanche et le chrysotile vert et tous les deux s'assombrissent en fonction de leur teneur en magnétite. Comme la magnétite est souvent concentrée dans la lizardite en petits filonets, la signature de cette lizardite est très blanche, ce qui la rend extrêmement difficile à distinguer des plagioclases dans le domaine de longueur d'onde disponible de 440 à 1800 nm. Comme pour le plagioclase, la détection des autres minéraux de classification des faciès de la péridotite de Ronda n'a pas été possible en raison de leur trop faible pourcentage modal au regard des fortes variations modales en olivine, pyroxènes, serpentines et magnétite.

  La spectrométrie infrarouge hyperspectrale devrait donc permettre de réaliser de bonnes cartes géologiques des principales roches des surfaces planétaires, mais seulement si l'image peut être calibrée par des mesures de terrain in-situ qui seules, à l'opposé des modèles, n'oublierons pas de prendre en compte toutes les composantes, même les plus inattendues. Des ambiguïtés resteront toujours présentes entre certains faciès pétrologiques de composition proche (comme harzburgite et lherzolite) ou qui présentent des spectres semblables les uns aux autres (comme pour les péridotites à plagioclase ou à lizardite entre 440 et 1 800 nm). D'autres ambiguïtés entre spectres sont encore introduites par l'emploi de méthodes d'analyse utilisant des mesures relatives de réflectance. En effet, la non prise en compte des intensités de réflectance absolue, pour éviter les effets d'ombrage de rugosité des surfaces et de leur topographie, peut entraîner une mauvaise détection de faibles variations minéralogiques.