Géochimie et télédétection intégrées aux données gravimétriques satellitaires des gisements de talc de Darhib et Atshan, désert du sud-est, Égypte

Sep 14, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9108 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

La contribution actuelle a mené de nouvelles études géochimiques et télédétectées intégrées à des études gravimétriques détaillées des gisements de talc pour identifier le protolithe de talc ainsi que son extension, sa profondeur et ses structures. Il existe deux zones examinées, réparties du nord au sud, Atshan et Darhib et toutes deux appartiennent au secteur sud du désert oriental égyptien. Ils se présentent sous forme de lentilles individuelles ou de corps de poche dans les métavolcanites ultramafiques suivant les zones de cisaillement NNW-SSE et EW. Géochimiquement, parmi le talc étudié, les échantillons d'Atshan ont des teneurs élevées en SiO2 (moyenne de 60,73 % en poids) et des concentrations plus élevées d'éléments de transition tels que Co (moyenne de 53,92 ppm), Cr (781 ppm), Ni (moyenne de 1303,6 ppm), V (moyenne de 16,67 ppm) et Zn (moyenne de 55,7 ppm). Notamment, les gisements de talc examinés contiennent de faibles teneurs en CaO (moy. 0,32 poids), TiO2 (moy. 0,04 poids), SiO2/MgO (moy. 2,15) et Al2O3 (moy. 0,72 poids), ce qui est comparable à la péridotite ophiolitique et à la mise en place de l'avant-arc. Le composite de fausses couleurs (FCC), l'analyse en composantes principales (PCA), la fraction de bruit minimale (MNF) et le rapport de bande (BR) ont été utilisés pour distinguer les dépôts de talc dans les zones étudiées. Deux nouveaux rapports de bandes proposés ont été créés pour séparer les dépôts de talc. Les rapports de bande FCC (2/4, 4/7, 6/5) et (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) ont été dérivés pour se concentrer sur les dépôts de talc dans deux études de cas, les régions d'Atshan et de Darhib. L'application de techniques régionales, résiduelles, de gradient horizontal (HG) et de signal analytique (AS) aux données gravimétriques est utilisée pour interpréter les directions structurelles de la zone d'étude. L'analyse de cette technique montre plusieurs failles notables orientées dans les directions NW–SE, NE–SW, NNW–SSE et E–W. Deux techniques de calcul de la profondeur gravimétrique ont été appliquées dans les zones d'étude, à savoir l'image des paramètres de source (SPI) et la déconvolution d'Euler (EU). L'analyse de ces techniques montre que la profondeur des sources souterraines varie entre 383 et 3560 m. Les gisements de talc peuvent être attribués au métamorphisme du faciès des schistes verts ou à une solution magmatique qui est (associée à des intrusions granitiques) en interaction avec les roches volcaniques environnantes formant des minéraux métasomatiques.

L'importance économique du talc lui est attribuée dans ses applications industrielles variables en raison de ses caractéristiques distinctives. Par conséquent, des études récentes se sont concentrées sur les gisements de talc1,2,3,4. Il est largement utilisé dans les peintures, la céramique, les aliments, le caoutchouc, les câbles électriques, les cosmétiques et les médicaments sur ordonnance en fonction de sa pureté1,2. Il est largement utilisé pour le processus d'adsorption du chrome hexavalent, qui agit comme un clarificateur pour les eaux usées5.

Les gisements de talc sont largement distribués dans les secteurs central et méridional du désert oriental égyptien, associés à des roches ophiolitiques et métavolcaniques6,7,8,9. Les ophiolites sont des tranches de la lithosphère océanique, qui sont poussées sur les plaques continentales, aidant à reconnaître les processus tectoniques dans la section du manteau7,8,10,11. Les roches serpentinites, serpentinites carbonatées, talc-carbonates et listwaenite (riches en carbonate, silice-carbonate et birbirites) sont les principaux produits d'altération des fragments ultramafiques ophiolitiques (péridotites/dunite) en raison de l'interaction avec les fluides riches en CO2 et SiO27,8,10,11. Minéralisation de talc pur ou contamination par des minéraux carbonatés largement répandus le long des plans de faille et/ou des zones de cisaillement6,7,10. La minéralisation de talc égyptien est massive, modérément à fortement schisteuse (surface lisse) et à grain fin, reflétant un métamorphisme faible à moyen (faciès schiste vert-amphibolite inférieur)7,8,10,11. Les roches ultramafiques sont enrichies en minéraux de silicate de magnésium et de fer. Les processus de carbonatation se produisent par l'hydrolyse de ces minéraux par l'éviction de Si et la combinaison de ces cations avec des carbonates7,9,12.

Gisements de talc économiques qui sont exploités tels que les régions de Darhib, Atshan et Wadi Allaqi à partir de trente-cinq occurrences de gisements de talc enregistrées dans le Sinaï et le désert oriental13. Ils ont produit environ 12 924 et 172 181 tonnes de talc en 2011 et 2015, respectivement3,14.

La technique gravimétrique est l'un des outils géophysiques applicables à de nombreuses explorations. La technique de gravité comprend la détermination de l'emplacement des changements de densité du sous-sol en mesurant le champ gravitationnel terrestre à certains points de la surface terrestre15.

Les travaux en cours visent à investiguer les études géologiques et géochimiques détaillées des régions d'Atshan et de Darhib pour en déduire l'origine des gisements de talc. La télédétection intégrée aux données gravimétriques a été menée pour révéler l'extension du talc et sa profondeur, ainsi que pour déterminer la structure dominante de la surface et du sous-sol contrôlant la distribution des dépôts de talc.

Lors de la collision des supercontinents Est et Ouest (Gondwana), l'extension nord néoprotérozoïque (Arabian Nubian Shield, ANS) de la ceinture du Mozambique s'est formée par l'accrétion d'arcs et d'autres continents16,17,18,19. L'ANS représente l'une des croûtes juvéniles les mieux conservées qui fournit des informations sur la nature et les sources des roches répandues au cours de l'orogenèse est-africaine20,21,22,23. Les croissances crustales de l'ANS comprennent des vestiges de roches ophiolitiques et d'assemblages d'arcs (820–720 Ma), des roches collisionnelles variables (630–620 Ma) et des roches granitiques post-collisionnelles (620–580 Ma), formant trois événements tectoniques14,24. Le désert oriental égyptien forme la partie nord de l'ANS, qui peut être subdivisée en secteurs nord, centre et sud25. Le talc et la magnésite représentent la minéralisation dominante associée aux roches ultramafiques (ophiolitiques)8,18,26.

Les deux zones examinées sont réparties du nord au sud ; Atshan et Darhib appartiennent tous deux au secteur sud du désert oriental égyptien (Fig. 1a). La région d'Atshan se situe dans le district de Hamata, à environ 18 km de la mer Rouge. Les unités lithologiques dominantes sont les granites ultramafiques (serpentinites), métavolcaniques et syn-tectoniques de Reiidi (Fig. 1b). Ces roches ultramafiques sont largement transformées en talc, trémolite et carbonates, en particulier le long des zones de cisaillement ou des plans de faille les plus longs NNW-SSE (> 1000 m de long) et E–W (700 m de long). Les roches métavolcaniques comprennent à la fois des types mafiques et felsiques, qui représentent les unités rocheuses dominantes dans la région d'Atshan, et sont pénétrées par des granites syntectoniques (Wadi Reiidi). Les roches riches en talc sont cinq lentilles individuelles ou corps de poche dans les ultramafiques et les métavolcaniques le long des zones de cisaillement minéralisées de la région d'Atshan (Fig. 2a, b). Certaines de ces poches appartiennent sporadiquement à la zone de cisaillement NNO-SSE le long du contact entre les métavolcaniques et les serpentinites. De petits corps de sulfure sont enregistrés dans les corps de talc + trémolite qui sont attribués au métamorphisme4,13. La mine d'Atshan représente le plus grand producteur de talc dans la période de 1962 à 1992 avec environ 60 000 tonnes de la réserve de talc estimée13.

(a) Carte de localisation des régions d'Atshan et de Darhib, Désert du Sud-Est, Égypte (utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3. La date d'acquisition de l'image Landsat-8 : 8 septembre 2021, avec chemin 173 et ligne 43. Source Landsat-8 : http://earthexplorer.usgs.gov. (b) Carte géologique détaillée de la région d'Atshan13 (utilisant le programme Adobe Illustrator CS5) ; et (c) Géologie détaillée carte de la zone de Darhib4 (à l'aide du programme Adobe Illustrator CS5).

Photographies de terrain des régions d'Atshan et de Darhib, Désert du Sud-Est, Égypte : (a,b) Poches de dépôts de talc enfermées dans des roches ultramafiques ; et dans (c,d) métavolcaniques.

D'autre part, les unités rocheuses lithologiques exposées dans la zone examinée de Darhib sont ; granites ophiolitiques, métavolcaniques, syn-tectoniques et roches de gabbro plus jeunes (Fig. 1c). Les roches ophiolitiques, couvrent de petites zones, qui sont représentées par des métagabbros et des métavolcaniques qui sont enfermés dans des métasédiments. Les gisements de talc ainsi que les roches carbonatées et trémolites sont encaissés par des roches métavolcaniques (mafiques à felsiques) certainement le long des plans de failles et des zones de cisaillement (Fig. 2c,d). La zone de cisaillement principale s'étend dans la direction EW. Cette mine de talc représente l'une des plus grandes sources de haute teneur en Égypte qui est enrichie avec les minéraux sulfurés disséminés13.

De ce qui précède, il ressort que les dépôts de talc sont limités le long des zones de cisaillement prédominantes et des plans de faille, reflétant le rôle du métamorphisme.

Plus de vingt échantillons ont été prélevés dans les deux zones examinées (Fig. 3). Douze échantillons de gisements de talc provenant des deux zones étudiées sont préparés sous forme de lames minces et leurs compositions minéralogiques préliminaires ont été détectées à l'aide d'un microscope polarisant (Fig. 3) au Rocks Lab, Faculté des sciences, Université Al-Azhar.

L'organigramme résume la méthodologie des travaux en cours.

La géochimie de la roche en vrac (majeure et trace) de douze échantillons de talc représentatifs des deux étudiés a été analysée au Centre National de Recherche (Fig. 3). Tous les échantillons analysés ont été préparés sous forme de billes avec un rapport de flux de 1 g d'échantillon/10 g (66 % de tétraborate de lithium : 34 % de métaborate de lithium) à 1150 °C dans un four électroconducteur. ASTM E-1621 et ASTM D-7348 sont les principaux guides standard utilisés dans l'analyse. PANalytical 2005 et Axios Advanced sont utilisés pour détecter la concentration des éléments. Les précisions de mesure des analyses étaient de ± 5 % et ± 10 % pour les éléments majeurs et traces, respectivement.

Des images Landsat-8 de la zone d'étude ont été utilisées dans cette étude (Fig. 3). L'utilisation des données Landsat-8 plutôt que des données Aster dans l'identification des gisements de talc dans cette étude était principalement due à l'étendue limitée de la zone d'étude. Landsat-8 est équipé de deux capteurs, l'Operational Land Imager (OLI) et le Thermal Infrared Sensor (TIRS). L'OLI est représenté par neuf bandes, mais seules deux bandes sont fournies par les données TIRS. La scène qui couvre la zone investiguée a été acquise le 8 septembre 2021, avec le chemin 173 et la ligne 43. Les données utilisées sont géoréférencées au WGS 84 zone 36 N, UTM.

Ensuite, nous avons effectué la correction atmosphérique en utilisant la technique d'analyse atmosphérique en ligne de visée rapide des hypercubes spectraux (FLAASH)27, puis nous avons redimensionné les données à l'étendue de la zone d'étude. Ces procédures ont été réalisées à l'aide du logiciel ENVI 5.3. Les méthodes de traitement d'image, à savoir la combinaison de bandes (FCC), le rapport de bandes (BR), l'analyse en composantes principales (PCA) et la fraction de bruit minimale (MNF) ont été utilisées pour distinguer les différentes unités de roche lithologique en mettant l'accent sur les dépôts de talc.

Les anomalies de gravité sont générées à partir des modèles de gravité globale de la Terre disponibles (EGM 2008) et DTU10 et contiennent une correction de terrain de résolution 1 × 1 produite à partir du modèle ETOPO1 qui évalue la contribution de la plupart des masses de surface (atmosphère, terre, océans, mers intérieures, lacs, calottes glaciaires et plateformes de glace). Ces produits ont été calculés en utilisant une technique harmonique sphérique et des améliorations théoriques pour des calculs précis à l'échelle mondiale. (http://bgi.obs-mip.fr/data-products/outils/wgm2012-maps-visualizationextraction/). À l'aide de la version 8.3 du logiciel Oasis Montag, diverses techniques telles que le signal régional, résiduel, analytique, les dérivées horizontales, les images de paramètres de source et la déconvolution d'Euler ont été appliquées aux données gravimétriques pour déterminer la structure du sous-sol et calculer la profondeur des sources (Fig. 3).

Cet article ne contient aucune étude avec des participants humains ou des animaux réalisée par l'un des auteurs. Tous les auteurs sont convenus d'être en tant qu'auteurs dans l'ordre actuel de cette version du manuscrit.

Les minéraux préliminaires de deux gisements de talc ont été détectés à l'aide d'un microscope polarisant.

Les gisements de talc d'Atshan sont plus fins que le talc des gisements de Darhib. Il est composé principalement de minéraux de talc (> 95 vol. %), avec des minéraux subordonnés (mineurs) tels que la trémolite, les carbonates de serpentine et les opaques. Sa couleur varie du vert pâle au gris verdâtre. Les dépôts de talc présentent une texture lépidoblastique. Il est principalement distribué sous forme de lambeaux et de grains fibreux microcristallins denses (Fig. 4a). On remarque que les minéraux de serpentine sont abondants en association avec les minéraux de talc, reflétant le protolithe ultramafique. Des minéraux opaques de rechange sont observés avec des cristaux anédriques à euédriques de Cr-spinelle, d'oxydes de Fe-Ti et de sulfure (pyrite).

Photomicrographies (à l'aide d'un microscope polarisant (Olympus X53)) des régions d'Atshan et de Darhib, désert du sud-est, Égypte : (a) les minéraux de talc à grains fins (Tc) se présentent sous forme de lambeaux dans la région d'Atshan, et (b) l'abondance de minéraux opaques (oxydes de fer) dans la région de Darhib.

De même, les gisements de talc à grains fins de Darhib ont les mêmes constituants minéralogiques qu'Atshan. Les dépôts de talc présentent une texture lépidoblastique avec un arrangement parallèle de minéraux de talc et de trémolite cisaillés et feuilletés. Des plaques aciculaires de trémolite et de carbonate se présentent sous forme de cristaux disséminés enchâssés dans une très fine matrice de talc. Les minéraux opaques sont généralement de la pyrite et/ou des oxydes Fe-Ti fracturés à grains moyens et euhédriques (Fig. 4b).

La roche en vrac (éléments majeurs (% en poids) et éléments traces (ppm)) des gisements de talc examinés est indiquée dans le tableau 1. Parmi les talcs étudiés, les échantillons d'Atshan ont des teneurs élevées en SiO2 (moy. 60,73 % en poids), et des concentrations plus élevées d'éléments de transition tels que Co (moy. 53,92 ppm), Cr (781 ppm), Ni (moy. 1303,6 ppm), V (moy. 16,67 ppm) et Zn (moy. 55,7 ppm). De plus, les échantillons d'Atshan possèdent des concentrations élevées d'éléments chalcophiles tels que l'As (moyenne de 10,86 ppm). Au contraire, les échantillons de Darhib ont des teneurs élevées en MgO (moyenne de 27,95 % en poids) et en éléments semi-volatils tels que le Pb (moyenne de 20,78 ppm) par rapport aux échantillons d'Atshan. Les deux échantillons examinés ont de faibles teneurs (inférieures à l'unité) de TiO2, Al2O3, Na2O, Cr2O3, CaO et MnO, reflétant la nature résiduelle de leur protolithe, qui sont similaires à la péridotite de l'avant-arc et aux serpentinites panafricaines8,11,26,28 (Fig. 5a,b).

Diagrammes de roches entières (en utilisant la version 2012 du programme Coreldrow) : (a) Al2O3 des échantillons examinés est comparé à l'avant-arc, aux serpentinites panafricaines45 et autres57 ; (b) Al2O3 contre CaO58 ; (c) Oligo-éléments normalisés au manteau primitif29 ; (d) Diagramme binaire SiO2/MgO vs Al2O328 ; et (e) diagramme CaO–Al2O3–MgO59.

Il ressort des diagrammes d'éléments traces normalisés du manteau primitif29 que les échantillons examinés révèlent une nette déplétion d'éléments incompatibles tels que Co, Cu et Cr avec des anomalies positives en Ni (Fig. 5c). De plus, l'anomalie positive des éléments semi-volatils tels que Pb et forte l'anomalie négative des LFSE tels que Sr sont observées. De plus, des anomalies positives clairement prononcées en As, Sn et Cd sont attribuées à l'abondance des minéraux sulfurés4.

Les données Landsat-8 (OLI) comprennent sept bandes spectrales VNIR et SWIR. Pour construire une image couleur à l'aide des données de ces bandes, seules trois bandes sont nécessaires dans une combinaison de bandes. Les combinaisons de bandes les plus efficaces sont celles qui augmentent la cible visée et incluent les bandes les plus informatives avec le moins de redondance d'informations et le plus petit nombre de bandes intercorrélées30. Plusieurs bandes spectrales des données OLI ont été évaluées pour obtenir les meilleures images FCC dans la région de recherche qui présentent la meilleure discrimination lithologique. La méthode du facteur d'indice optimal (OIF) a été utilisée en combinaison avec la composition couleur RVB à l'aide du logiciel ILWIS. L'analyse des résultats OIF a montré un composite différent de bandes OLI pour améliorer différentes unités rocheuses de la zone de recherche (tableau 2). Ces FCC résultent de la relation entre les écarts-types et les coefficients de corrélation des données utilisées31. Le RVB Landsat-8 (753) distingue bien plusieurs unités lithologiques des régions d'Atshan et de Darhib (Fig. 6a,b).

(a) Landsat-8 7, 5, 3 en composite de fausses couleurs RVB de la zone d'Atshan, et (b) Landsat-8 7, 5, 3 en composite de fausses couleurs RVB de la zone de Darhib en utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3.

La méthodologie statistique multivariée et la technique de réduction de la dimensionnalité fréquemment utilisées avec les données de télédétection sont l'analyse en composantes principales (ACP)30. L'ACP est utilisée pour produire des bandes qui ne sont pas corrélées à des composants de bruit séparés et pour minimiser la dimensionnalité spectrale des données. Les données de la bande PCA sont non corrélées et indépendantes et sont souvent plus interprétables que les données source. L'analyse en composantes principales (ACP) est l'une des techniques les plus importantes pour la discrimination lithologique32. La transformation de l'analyse en composante principale a été effectuée pour les bandes Landsat-8 VNIR et SWIR afin d'obtenir des données lithologiques.

Les valeurs propres des données OLI créées à l'aide de la PCA ont révélé que la première PCA contient la variance la plus élevée à 95,83 %, et la deuxième bande PCA contient une deuxième variance élevée à 2,95 % (tableau 3). Sur la base de l'analyse des vecteurs propres, les meilleures bandes PCA sont PC1, PC2, PC3 et PC4. La fausse couleur composée de PCA (PC1, PC2, PC3) en RGB discrimine les dépôts de talc de la zone Atshan avec une couleur bleu foncé (Fig. 7a) tandis que la FCC (RGB-PC4, PC2, PC1) différencie les mêmes dépôts de cette zone par un rose foncé (Fig. 7b). Pour les dépôts de talc dans la région de Darhib, les auteurs ont produit les images composites en couleur (RGB-PC3, PC2, PC1 et RGB-PC4, PC3, PC1) pour séparer ce dépôt avec la couleur noire et citron vert (Fig. 7c, d) respectivement.

Le FCC de l'analyse en composantes principales : (a) Landsat-8 (RGB-PC1, PC2, PC3), (b) Landsat-8 (RGB-PC4, PC2, PC1) de la région d'Atshan. (c) Landsat-8 (RGB-PC3, PC2, PC1) et (d) Landsat-8 (RGB-PC4, PC3, PC1) de la zone de Darhib en utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3.

La technique de transformée MNF est un algorithme consistant en des opérations successives de réduction des données, la première opération étant basée sur une estimation du bruit dans les données représentées par une matrice de corrélation. Cette transformation décorrèle et redimensionne le bruit dans les données en faisant des distinctions. La deuxième opération prend en compte la corrélation d'origine et crée un ensemble de composants contenant des informations pondérées sur la variance dans toutes les bandes de l'ensemble de données33. MNF similaire aux analyses en composantes principales, en ce qu'elle nécessite également dans un premier temps de réduire le bruit résiduel des données spectrales, ce qui facilite le choix des spectres prototypes. La transformée MNF sépare les bandes spectrales contenant des informations significatives contribuant à la variance globale de l'ensemble de données des bandes dominées par le bruit34. Les résultats MNF de cette étude montrent que la couleur composite des bandes MNF MNF3, MNF1, MNF2; MNF4, MNF1 et MNF3 en RVB représentent les dépôts de talc de la région d'Atshan par des couleurs rose et bleue, respectivement (Fig. 8a, b). De plus, des dépôts de talc Darhib sont apparus avec des couleurs bleues et rouges en utilisant MNF3, MNF1, MNF2 et MNF4, MNF1, MNF3 en RVB (Fig. 8c, d).

La transformation FCC de la fraction de bruit minimale : (a) Landsat-8 (RGB-MNF3, MNF1, MNF2), (b) Landsat-8 (RGB-MNF4, MNF1, MNF3) de la région d'Atshan. (c) Landsat-8 (RGB-MNF3, MNF1, MNF2) et (d) Landsat-8 (RGB-MNF4, MNF1, MNF3) de la région de Darhib en utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3.

Le rationnement des bandes est une technique de traitement d'image puissante et courante en télédétection, car il améliore les différences spectrales entre les bandes et met en évidence les anomalies en divisant une bande spectrale par une autre35. Ainsi, cette méthode a été utilisée dans la présente étude pour améliorer la capacité à distinguer les unités rocheuses car les images rapportées montrent clairement les variations des pentes des courbes de réflectance spectrale entre les deux bandes concernées, quelles que soient les valeurs de réflectance absolue observées dans les bandes36. Plusieurs rapports de bande ont été utilisés dans cette étude pour discriminer les dépôts de talc dans les zones d'Atshan et de Darhib.37 Image FCC dérivée de trois rapports de bande OLI (6/7 en rouge (R), 4/2 en vert (G), 6/5 en bleu (B)) et le FCC (RGB- 5/4, 6/7, 7/5) qui discriminent le talc avec des couleurs vert clair et noir, respectivement de la zone d'Atshan (Fig. 9a,b ). Deux nouveaux ratios de bande ont été proposés pour différencier les dépôts de talc dans les zones d'Atshan et de Darhib, en utilisant les ratios FCC (2/4, 4/7, 6/5) et (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3). Le résultat de la première proposition de rapport de bande illustre la présence de dépôts de talc dans les régions d'Atshan et de Darhib, indiqués par des pixels jaunes (Fig. 10a, b). Le deuxième rapport de bande se concentre spécifiquement sur les ressources en talc de la région d'Atshan, représentées par des pixels blancs (Fig. 10c).

(a) Image de rapport de couleur OLI RVB (6/7, 4/2 et 6/5) de la zone d'Atshan, et (b) Image de rapport de couleur OLI RVB (5/4, 6/7 et 7/5) de la zone d'Atshan en utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3.

(a) Image de rapport de couleur OLI RGB (2/4, 4/7 et 6/5) de la zone d'Atshan, (b) Image de rapport de couleur OLI RGB (2/4, 4/7 et 6/5) de la zone de Darhib, et (c) Image de rapport de couleur OLI RGB (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) de la zone d'Atshan en utilisant Arc GIS 10.4 et ENVI 5.3.

Les données gravimétriques sont divisées en deux composantes : les cartes régionales et les composantes résiduelles. Les expressions des composants régionaux sont des constituants de variations de composition à grande échelle dans le complexe de socle cristallin enfoui (l'effet intra-basement) et des caractéristiques de relief structurel à grande échelle (effet supra-basement). Les sources profondes (gravitaires régionales) (Fig. 11a) sont classées en deux zones. La première zone est située dans la partie nord-est et est caractérisée par des anomalies de forte gravité alors que la valeur des données régionales varie entre 99,8 et 119,2 m.Gal. Pendant ce temps, la deuxième zone (faibles anomalies) couvre les parties sud-ouest et ouest de la zone d'étude et se caractérise par des données de faible gravité allant de 99,8 à 63,8 mGal. Cela signifie que la profondeur des roches du socle dans la partie nord-est est située près de la surface de la terre, tandis que les parties sud-ouest et ouest sont caractérisées par une épaisse couverture sédimentaire.

(a) La carte des anomalies régionales de la zone d'étude affiche les linéaments structurels régionaux ; et (b) La carte des anomalies résiduelles de la zone d'étude affiche des linéaments structurels peu profonds (en utilisant la version 8.3 du logiciel Oasis Montaj).

La carte résiduelle concentre l'attention sur les caractéristiques les plus faibles, qui sont obscurcies par de forts effets régionaux sur la carte originale38. La composante résiduelle comprend principalement les contributions des caractéristiques structurales à petite échelle (détaillées) du complexe du socle, en plus des contributions des sources potentielles intra-sédimentaires (par exemple, les dykes et nappes basaltiques). La caractéristique la plus remarquable dans le champ proche de la surface (gravité résiduelle) est l'anomalie allongée dans les différentes parties et orientée NW–SE, NNW–SSE, NE–SW et E–W délimitant la grande zone régionale basse. Cela peut être dû à un défaut ou à une structure de contact dans cette zone. De plus, il se caractérise par la présence d'un système de fermetures étroites réparties sur toute la zone d'étude avec des variations locales tant en amplitude qu'en fréquences.

Structurellement, les modèles de failles à faible et à grande profondeur dans la zone d'étude ont été interprétés à partir de cartes régionales et résiduelles. Les tendances NW–SE, NE–SW et NNW–SSE sont représentées sur la carte résiduelle (Fig. 11b), tandis que les tendances NW–SE sont représentées sur la carte régionale (Fig. 11a). Cela signifie que la tendance NW-SE est la plus profonde dans la zone d'étude prospective. Pendant ce temps, les autres tendances concernaient les structures proches de la surface dans la zone d'étude du prospect.

La technique du signal analytique (AS) représente l'enveloppe des dérivées horizontales et verticales dans toutes les directions possibles du champ gravitationnel terrestre. Il est indépendant de la direction et du pendage des anomalies de gravité perturbatrices ainsi que de la direction d'intérêt. En transformant le signal analytique (AS), les anomalies sont placées juste au-dessus de leurs corps causaux appropriés. Ceci est réalisé en différenciant le gradient de champ régional total dans trois directions perpendiculaires à chaque point de mesure. La base mathématique de cette technique de transformation est détaillée dans ce manuscrit39,40. Le signal analytique de la carte d'anomalies de Bouguer (Fig. 12a) définit de nombreuses caractéristiques élevées, en particulier dans le nord-ouest et s'étendant jusqu'au coin sud-est de la carte, qui sont associées à des variations d'épaisseur stratigraphique ainsi qu'aux changements lithologiques dans le socle lui-même. Les modèles d'anomalies sur la carte de signal analytique révèlent que la zone est dominée par les zones d'anomalies NW–SE et N–S, qui représentent un signal de gravité particulier du système clysmique du golfe de Suez et de la mer Rouge. Il se distingue également par un fort gradient dans la direction NW associé à des changements dans les roches du socle. Les emplacements et, peut-être, les tendances du contraste de densité maximal sont fréquemment liés à des changements pétrophysiques au sein du complexe de socle cristallin. La zone d'Atshan est caractérisée par des valeurs de signal analytique intermédiaires à faibles comprises entre 0,0032 et 0,0008 mGal/m, tandis que la présence de talc dans la zone d'Atshan est caractérisée par une valeur intermédiaire. D'autre part, la zone de Darhib est située dans la partie sud de la carte. Cette région est caractérisée par des valeurs AS allant de faibles à élevées (0,0008–0,0100 mGal/m). Les valeurs intermédiaires à faibles sont probablement des signatures d'anomalies provenant de remplissages sédimentaires. L'apparition de talc dans cette zone est caractérisée par des valeurs AS intermédiaires.

(a) Carte analytique des anomalies du signal de la zone d'étude ; (b) Carte des anomalies de gradient horizontal des zones d'étude (en utilisant la version 8.3 du logiciel Oasis Montaj).

L'approche du gradient horizontal a été largement utilisée pour déterminer les limites de densité à l'aide de données gravimétriques. Si les frontières d'un corps tabulaire sont verticales et largement espacées les unes des autres, le gradient horizontal de l'anomalie de gravité induite par le corps a tendance à recouvrir les bords41. Par rapport à l'approche du gradient vertical, qui est principalement bénéfique pour détecter les structures moins profondes, la méthode est également plus robuste pour définir les sources peu profondes et profondes. La transformation de gradient horizontal a tendance à avoir des valeurs extrêmes sur la pente la plus raide du signal de champ potentiel et améliore les fréquences plus élevées.

Le gradient horizontal est utile pour l'identification des bords en raison de ces caractéristiques. Le calcul dans le domaine fréquentiel de l'amplitude du gradient horizontal pour les données de gravité de la zone de recherche (Fig. 12b). Généralement, cette carte utilise une technique de gradient horizontal pour identifier les bords et les limites du corps, avec des anomalies élevées (couleur rouge) indiquant ces emplacements. La carte HDR de la zone d'étude montre des valeurs allant de 0,0004 à 0,0074 mGal/m. Les valeurs élevées de HDR sont principalement situées dans le nord-ouest et s'étendent à la partie sud-est de la zone d'étude. Les emplacements où le talc apparaît dans la région d'Atshan sur la carte du gradient horizontal sont caractérisés par des valeurs intermédiaires à élevées, et la tendance principale de l'anomalie est NE-SW. Cela signifie que cette zone a été affectée par la structure dans la direction nord-est-sud-ouest. Le talc dans la zone de Darhib est caractérisé par des valeurs élevées de HG et la direction générale de l'anomalie est NW–SE. Les maxima en HG représentent aussi les contacts géologiques ; les contacts interprétés de HG correspondent à des contacts géologiques connus.

L'approche Source Parameter Imaging (SPI) est un mécanisme permettant de calculer automatiquement les profondeurs de la source à partir de données gravimétriques maillées42. La formule ci-dessous s'applique pour calculer la profondeur d'imagerie du paramètre source.

où Kmax est la valeur maximale du nombre local K qui est mesuré à travers la source de pas et M est le champ gravitationnel total.

La carte d'imagerie du paramètre source de la région de recherche (Fig. 13a) représente une grande houle de structure de sous-sol marquée par la couleur rouge. Cette houle s'étend du coin sud-ouest au coin nord-est de la zone d'étude. La profondeur moyenne de la houle est de 850 m. Cette houle est délimitée par une structure de sous-sol profond de couleur bleue (creux). La profondeur moyenne du creux atteint 3560 m, respectivement. Les parties sud-est et nord-ouest de l'Atshan ont des profondeurs de sous-sol profondes, tandis que la partie centrale a des profondeurs de sous-sol peu profondes qui s'étendent du coin nord-est au coin sud-ouest. Pendant ce temps, la profondeur du sous-sol dans la région de Darhib augmente directement des parties sud-ouest et nord-ouest à la partie centrale de la région de Darhib.

(a) Carte d'imagerie des paramètres de source de la zone d'étude, (b) Déconvolution Euler 3D de la zone d'étude pour l'indice structurel (en utilisant la version 8.3 du logiciel Oasis Montaj).

La déconvolution d'Euler a été bien établie et largement utilisée comme méthode d'interprétation pour estimer l'emplacement et la profondeur de la source à partir de champs potentiels (gravité et magnétique) pour diverses sources géologiques telles que les digues, les failles, les contacts et les extrusions43. Ces dernières années, la méthode d'Euler a acquis une popularité considérable dans les applications environnementales21,44. Sur la base de l'analyse précédente, la déconvolution d'Euler a été utilisée pour déterminer simultanément l'indice structurel et la profondeur pour des sources simples. L'emplacement horizontal est déterminé à l'aide de la méthode d'Euler conventionnelle en appliquant une valeur approximative de l'indice structurel.

Les résultats de l'application de la technique de déconvolution d'Euler (indice structural = 0) à la carte des anomalies de gravité sont représentés dans une vue en perspective tridimensionnelle de la structure de la carte des roches du socle pour la zone d'étude (Fig. 13b). Cette carte affichait des informations utiles sur le cadre structurel des zones d'étude et fournissait une image claire des caractéristiques du sous-sol. Généralement, le modèle structurel (failles et caractéristiques structurelles similaires) agit comme une caractéristique de contrôle sur le dépôt de minerai et a une incidence sur les profondeurs des gisements de minerai. La plupart des contacts peu profonds et profonds s'étendent dans les directions NW–SE et NE–SW. Par conséquent, la plupart de ces linéaments coïncident avec la distribution des linéaments de surface tracée à partir de la carte géologique de la région. Les valeurs de profondeur obtenues en utilisant un indice structural égal à zéro vont de moins de 383 m à plus de 3455 m.

Une nouvelle géochimie a été effectuée pour les deux gisements de talc collectés dans les zones d'Atshan et de Darhib afin de manifester leur composition chimique (éléments majeurs et traces) et d'en déduire leur origine. De plus, nous avons utilisé des données de télédétection et des techniques de données gravimétriques pour détecter respectivement leur extension et leur profondeur. Cela reflète une grande réserve de dépôts de talc dans les zones examinées qui est largement utilisée dans plusieurs applications industrielles.

Plusieurs techniques de télédétection ont été utilisées pour la cartographie lithologique de la zone de recherche à l'aide des données Landsat-8. Sur la base du classement OIF de l'image Landsat-8, le meilleur FCC pour la discrimination des dépôts de talc est (RGB-7, 5, 3). Outre les MNF3, MNF1, MNF2 et MNF4, MNF1, MNF3 ont donné la meilleure représentation des gisements de talc dans les régions d'Atshan et de Darhib. De plus, les meilleurs PCA (PC1, PC2, PC3 et PC4, PC2, PC1) en RVB ont montré de bonnes discriminations des dépôts de talc dans la région d'Atshan. En plus des dépôts de talc de Darhib, des images composites couleur (PC3, PC2, PC1 et RVB-PC4, PC3, PC1) RVB ont été produites pour séparer les dépôts de talc. De plus, deux nouveaux rapports de bandes FCC (2/4, 4/7, 6/5) et (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) ont été dérivés pour distinguer les dépôts de talc dans deux études de cas, les régions d'Atshan et de Darhib.

Les anomalies de gravité peuvent être causées par des types de roches locales dont la densité varie suffisamment pour être détectables. Les exemples incluent les roches sédimentaires et leurs dérivés altérés qui remplissent les bassins, qui sont généralement caractérisés par des dépressions de gravité sur les cartes d'anomalies en raison de la prévalence de minéraux quartzo-feldspathiques. Une gravité élevée est généralement corrélée aux roches mafiques et basiques en raison de l'abondance de minéraux Fe – Mg à l'intérieur. Ces variations sont utiles pour déduire des structures telles que des bassins, des arches et des intrusions enterrées, cartographier de vastes zones où les roches sont inaccessibles ou obscurcies, et rechercher des failles responsables de la juxtaposition de roches de différentes densités.

Pour fournir une interprétation qualitative et quantitative des données de gravité, plusieurs techniques telles que le gradient horizontal résiduel régional (HG), le signal analytique (AS), l'imagerie des paramètres de source (SPI) et la déconvolution d'Euler (ED) ont été utilisées. Selon les analyses, les directions prédominantes des linéaments structuraux sont du nord-ouest au sud-est, du nord-est au sud-ouest et du nord-nord-ouest au sud-sud-est. Le résultat de la profondeur du SPI varie de 850 m pour les sources peu profondes à 3560 m pour l'épaisseur sédimentaire, tandis que l'estimation de la profondeur de la déconvolution d'Euler 3D a indiqué que les profondeurs des sources variaient de 383 à 3453 m.

Les caractéristiques géochimiques des gisements de talc étudiés suggèrent un protolithe ultramafique du manteau. Cela peut être déduit de leur teneur élevée en MgO (moyenne de 27,89 % en poids), en Cr (moyenne de 675 ppm), en Co (moyenne de 50 ppm) et en Ni (moyenne de 1 252 ppm) et de leur déplétion en CaO8,10,26,45. Certains oxydes majeurs, tels que SiO2 et Al2O3 sont relativement immobiles lors d'altérations variables46. De plus, le rapport Al2O3/SiO2 peut être utilisé pour séparer un régime tectonique variable47. Le protolithe de talc examiné est principalement constitué de roches ultramafiques avec MgO (moyenne de 27,89 % en poids) et Fe2O3 (moyenne de 5,33 % en poids), suggérant la nature d'un manteau appauvri48, qui est mis en place dans un cadre d'avant-arc (Fig. 5d). Les échantillons examinés ont de faibles teneurs en Al2O3 (moy. 0,72) et SiO2/MgO (moy. 2,15), ce qui est comparable à la péridotite ophiolitique (Fig. 5e). Ceci est indiqué par les faibles teneurs en CaO (moyenne de 0,32 % en poids), TiO2 (moyenne de 0,04 % en poids) et Al2O3 (moyenne de 0,72 % en poids). De plus, ils ont de faibles teneurs en Al2O3/SiO2 et MgO/SiO2, qui sont inférieures à celles du manteau primitif (~ 0,1 et ~ 0,85, respectivement)29,49.

Le talc, les carbonates, la chlorite et la serpentine sont les principales phases minérales métasomatiques, qui reflètent les processus métasomatiques des roches du manteau6,7,50,51. Ces processus sont responsables de l'enrichissement en MgO, Ni, Cr et Co par rapport aux PM49. Les échantillons examinés se répartissent en champs de composition de carbonate de silice (diagramme SiO2–Fe2O3–(CaO + MgO)), qui sont identifiés par des compositions minéralogiques. Ce champ représente une zone de transition entre les champs riches en silice et en serpentinite (Fig. 14a). En utilisant le diagramme ternaire de H2O–SiO2–MgO 7, les échantillons examinés tracent entre les lignes d'anthophyllite et de talc, reflétant leurs constituants minéralogiques typiques (Fig. 14b).

(a) Diagramme ternaire SiO2–Fe2O3–(MgO + CaO). Champs de serpentinites, carbonates de silice, roches riches en carbonates et riches en silice7,50,51,60 ; et (b) diagramme ternaire H2O-SiO2-MgO7 (en utilisant le programme Coreldrow version 2012).

Les roches dominantes du manteau sont enrichies de minéraux ferromagnésiens qui peuvent être remplacés par des minéraux métasomatiques en raison de l'infiltration de fluides CO2/H2O, reflétant la surimpression du métamorphisme du faciès des schistes verts49,52. Ces minéraux métasomatiques sont largement abondants le long des zones de cisaillement et des plans de faille (certainement avec des roches ophiolitiques dues à des processus de déformation élevés), suggérant le rôle des solutions hydrothermales. Ces zones de cisaillement ont agi comme des canaux pour les fluides minéralisateurs hydrothermaux responsables des dépôts de talc. De plus, ces zones peuvent avoir été formées à la suite de failles tectoniques, qui ont conduit à des combinaisons ultramafiques et métavolcaniques.

Ces fluides résultent probablement de la déshydratation au cours du métamorphisme (stade précoce) ou des fluides magmatiques des intrusions granitiques voisines (stade tardif) certainement le long des roches granitiques W. Reiidi (Atshan) et El Kharit (Darhib) responsables des apports de silice4,53.

De plus, l'hydratation des minéraux anhydres du manteau peut produire du talc54;

Au cours du métasomatisme Si des minéraux hydratés, le talc peut se former au faciès des schistes verts jusqu'au faciès des amphibolites inférieur (> 300–400 °C), ce qui a entraîné une diminution des rapports MgO/SiO255.

D'autre part, le talc peut être formé par serpentinisation de roches mafiques (basaltiques) par des processus métamorphiques (solutions hydrothermales riches en silice et magnésium) formant des minéraux métasomatiques56.

De plus, l'altération tardive des roches mafiques provoque des altérations représentées par la silicification, la chloritisation et l'épidotisation4. Cette étape est principalement responsable des roches sulfurées riches en talc le long des zones de cisaillement4. Selon Schandl et al.13, il existe des séries d'assemblages métamorphiques allant du métamorphisme de contact (entre intrusion magmatique et roches volcaniques) au faciès des schistes verts.

De ce qui précède, nous pouvons conclure que le dépôt de talc peut être lié au métamorphisme du faciès des schistes verts ou à une solution magmatique qui (associée à des intrusions granitiques) interagit avec les roches volcaniques environnantes et forme des minéraux métasomatiques.

Les études détaillées minéralogiques et géochimiques combinées des gisements de talc collectés à Atshan et Darhib, dans le désert du sud-est de l'Égypte, révèlent qu'ils sont comparables à la péridotite ophiolitique ultramafique. Ils sont structurellement contrôlés, se présentant sous forme de lentilles ou de corps de poche suivant les directions NNW – SSE et E – W à Darhib et E – W dans la région d'Atshan. Ils sont enrichis en éléments incompatibles et possèdent des anomalies positives d'éléments semi-volatils tels que Pb et de fortes anomalies négatives de LFSE tels que Sr. De plus, des anomalies positives claires prononcées en As, Sn et Cd, qui sont attribuées à l'abondance de minéraux sulfurés. La détection des dépôts de talc dans les régions de Darhib et d'Atshan a été réalisée avec succès à l'aide de plusieurs techniques de télédétection, à savoir la composition en fausses couleurs (FCC), l'analyse en composantes principales (PCA), la fraction de bruit minimale (MNF) et le rapport de bande (BR), qui ont été appliqués aux données Landsat-8. Deux nouveaux rapports de bande FCC ont été créés pour distinguer les dépôts de talc des régions d'Atshan et de Darhib. Les données gravimétriques ont été interprétées qualitativement à l'aide de techniques régionales de gradient horizontal résiduel (HG) et de signal analytique (AS). L'interprétation quantitative a été effectuée à l'aide des méthodes d'imagerie des paramètres de source et de déconvolution d'Euler. Les résultats ont montré que les tendances des linéaments structuraux dominent dans les directions NW–SE, NE–SW, NNW–SSE et E–W. Le résultat de profondeur SPI va de 850 m pour les sources peu profondes à 3560 m pour l'épaisseur sédimentaire, et l'estimation de profondeur de déconvolution 3D d'Euler a révélé des profondeurs aux sources allant de 383 à 3453 m. Les résultats de ces techniques sont très proches les uns des autres. Nous suggérons que les gisements de talc pourraient être liés au métamorphisme régional ou à des fluides magmatiques qui (associés à des intrusions granitiques) interagissent avec les roches volcaniques environnantes et forment des minéraux métasomatiques.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans ce manuscrit.

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Département de géologie, Faculté des sciences, Université Al-Azhar, PO Box 11884, Le Caire, Égypte

El Saeed R. Lasheen, Waheed H. Mohamed et Mahmoud H. Elyaseer

Centre national de recherche, Le Caire, Égypte

Mohamed A. Rashwan & Mokhles K. Azer

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ESL rédige le manuscrit (introduction, sections géologiques, pétrographiques et géochimiques). WHM. contribué dans la section de gravité, tandis que la section de télédétection est préparée par MHE MA.R. et MKA sont contribués à la préparation des échantillons examinés. Tous les auteurs ont contribué à la révision du manuscrit. Tous les auteurs sont d'accord pour la publication de ce manuscrit dans Scientific Reports.

Correspondance à El Saeed R. Lasheen.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lasheen, ER, Mohamed, WH, Elyaseer, MH et al. Géochimie et télédétection intégrées aux données gravimétriques satellitaires des gisements de talc de Darhib et Atshan, désert du sud-est, Égypte. Sci Rep 13, 9108 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31398-x

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Reçu : 27 décembre 2022

Accepté : 10 mars 2023

Publié: 05 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31398-x

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