Journées d Animation Scientifique (JAS09) de l AUF Alger Novembre S. Djemai 1, A. Bendaoud 1, H. Haddoum 1, K. Ouzegane 1, J-R.

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1 Apport des images Landsat 7 ETM+ pour la cartographie géologique des terrains archéens en zone aride : Exemple du terrane de l In Ouzzal (Hoggar occidental), Algérie. S. Djemai 1, A. Bendaoud 1, H. Haddoum 1, K. Ouzegane 1, J-R. Kienast 2 1 FSTGAT/USTHB, BP. 32, Bab Ezzouar, El Alia, Alger, safouane.djemai@gmail.com. 1 FSTGAT/USTHB, BP. 32, Bab Ezzouar, El Alia, Alger, abendaoud@gmail.com 1 FSTGAT/USTHB, BP. 32, Bab Ezzouar, El Alia, Alger, haddoum_hamid@yahoo.fr. 1 FSTGAT/USTHB, BP. 32, Bab Ezzouar, El Alia, Alger, kouzegane@gmail.com. 2 Laboratoire de Géomagnétisme, IPGP, 4 place Jussieu, Tour 14, Paris Cedex 05, France. kienast@ipgp.jussieu.fr. Résumé L'analyse de données satellitales Landsat 7 ETM+ nous a fourni une aide précieuse pour la cartographie géologique de deux régions du terrane de l'in Ouzzal (Hoggar occidental), zone dénuée de végétation et correspondant à un socle archéen remobilisé au Paléoprotérozoïque. L'utilisation d image en composition colorée 731, de certains filtres directionnels et l'analyse en Composantes Principales a été associée à un travail indispensable de bibliographie et de terrain comme outil de création de bases de données et de vérification et de validation des résultats obtenus par traitement des données satellitales. Au Hoggar, où peu de cartes géologiques existent, cette méthodologie offre des perspectives très prometteuses pour une cartographie géologique plus performante aussi bien dans la qualité que dans le temps de confection. L'analyse des données multispectrales Landsat 7 ETM+ fournit une aide précieuse pour la cartographie géologique. Cela est particulièrement le cas du Hoggar qui est une région de socle en milieu aride. Le traitement de ces données multispectrales permet la production de cartes de répartition des terrains affleurants, classifiés en fonction des différentes lithologies, et de cartes linéamentaires. L association de ces deux types de cartes donne des cartes géologiques. Cette étude concerne l'in Ouzzal, qui est un terrane qui se trouve dans la partie Ouest du Hoggar (Fig. 1). Il est composé de matériel archéen (3.3 à 2.5 Ga) [ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ] et il est structuré, comme le sont le plus souvent de tels terrains, en dômes, composés de granites, et en ceintures de roches vertes où sont associées des roches magmatiques basiques et ultrabasiques et des roches sédimentaires (carbonates, BIF, etc ). Dans le cas de l'in Ouzzal, toutes ces séries lithologiques ont été métamorphisées dans le faciès granulitique de très haute température au cours de l'orogenèse éburnéenne (2 Ga) [ 2 ]. Les principaux objectifs de ce travail sont ainsi de faire ressortir les traitements les plus adéquats des images satellitales pour la cartographie géologique de deux régions du terrane de l'in Ouzzal, d établir les contours et les limites des différentes formations géologiques, en focalisant sur la distinction entre les dômes gneissiques et les ceintures de roches vertes, et de faire l inventaire des différents linéaments qui s y trouvent. Les résultats étant vérifiés en amont et en aval par des missions de terrains et la base de données citée ci-après. Mots clefs Télédétection, Cartographie géologique, Archéen, Zone aride, Hoggar. I. INTRODUCTION Fig. 1 Carte simplifiée de l'afrique du Nord montrant la localisation du Hoggar et de l'in Ouzzal [ 5 ]. II. MATERIEL UTILISE Les deux régions sélectionnées pour l application de la télédétection multispectrale sont situées dans le terrane de l In Ouzzal, qui constitue un terrain de choix pour une telle application (absence quasi totale du couvert végétal) : - La région d Amesmessa située au Sud du terrane de l In Ouzzal. - La région de Tekhamalt (Nord de l'in Ouzzal). Nous disposions pour notre étude de deux scènes Land-

2 sat 7 ETM+ acquises grâce à l accord programme 05 MDU 653, auprès de GEOSYS DATA (France). - une scène couvrant le Sud de l In Ouzzal (région d Amesmessa), Path 194 et Row 45 du 15 avril une scène couvrant le Nord de l In Ouzzal (Tekhamalt), Path 194 et Row 44 du 03 février Les deux images ont été acquises avec un prétraitement de niveau 1G qui correspond à une correction radiométrique des défauts dus aux écarts de sensibilité entre les détecteurs et une correction géométrique des distorsions internes dues aux conditions de prise de vue : variation d altitude du satellite, effet panoramique, courbure et rotation de la terre, etc. Ces images sont géoréférencées en UTM 31 N, WGS 84. Une scène Landsat 7 ETM+ couvre une très large région (185 km x185 km) d où la nécessité de faire des extraits ou des fenêtres pour chaque région étudiée. Dans cette étude, en plus du travail de terrain, nous avons utilisé, comme outils de vérification, les données suivantes: les spaciocartes et les cartes topographiques à l échelle 1/ , projection UTM 31 N, ellipsoïde de Clarke 1880, (INCT, 2000), la feuille In Ouzzal NF 31 III, la feuille Tekhamalt NF 31 XV; les cartes géologiques du Sahara (In Ouzzal) à l échelle 1/ (BRMA/BRGM, 1961), du Nord-Ouest de l Ahaggar à l échelle de 1/ , de la feuille In Ouzzal à l échelle 1/ (EREM, 1984, Inédite), d In Hihaou/In Rabir, échelle 1/ [ 6 ], Tekhamalt, échelle 1/ [ 6 ] et d Amesmessa, échelle 1/ [ 7 ] et les photo-aériennes couvrant la partie Sud de l In Ouzzal, échelle 1/60 000, découpage et mission NF 31 IX, INCT, 1982). III. LES DIFFERENTS TRAITEMENTS UTILISES Nous avons fait subir pour ce travail différents types de traitements aux images satellitales: 1. Les filtres directionnels Ils sont utilisés pour rehausser les caractéristiques linéaires d'une image. Ces filtres peuvent aussi être conçus pour rehausser des caractéristiques ayant une certaine orientation dans l'image. Ces filtres ont de nombreuses applications en géologie pour la détection de structures géologiques linéaires. L objectif de l application des filtres est de trouver la meilleure façon d'identifier les linéaments correspondant à des discontinuités lithologiques ou structurales dans les images. Les filtres directionnels améliorent la perception des linéaments en provoquant un effet optique d ombre portée sur l image. Fig. 3 Application du filtre directionnel α = 270 à la première composante principale dans la région de Tekhamalt Tan Ataram. Le rehaussement des linéaments a été effectué à partir de filtres directionnels dans de nombreuses directions (de 0 à 315 avec un pas de 45 ). Les directions retenues sont α = 0 et α = 270 à cause du fort contraste obtenu dans les images (Fig. 2 et 3). La taille de la fenêtre du filtre utilisé a une incidence directe sur le type et la longueur des linéaments rehaussés. Pour des images dont la résolution au sol est de 30 m, il convient d utiliser des filtres de 3x3 ou 5x5 pour des études structurales à l échelle régionale. Compte tenu des dimensions des différentes zones d étude, nous avons retenu une fenêtre de convolution de 3x3 pour les linéaments majeurs et les structures plus fines telles que la trajectoire de la foliation et les directions des filons. Ces filtres ont été appliqués à la première Composante Principale CP1 permettant ainsi de voir les détails structuraux. 2. Compositions colorées Les compositions colorées en fausses couleurs utilisées sont: Fig. 2 Application du filtre directionnel α = 0 à la première composante principale dans la région de l'in Ouzzal Sud.

3 - La composition colorée des canaux 742 (le rouge, le vert et le bleu sont affectés respectivement aux bandes 7, 4, 2). Cette combinaison est souvent utilisée pour les applications en géologie; milieux rocheux, notamment carbonatés; le canal 3 (Rouge) est déterminant pour repérer les zones d'altération ferrugineuse; le canal 1 (Bleu) donne une bonne indication sur la réponse dans le domaine visible, notamment lorsque l'on a affaire à des roches très claires sur le terrain. Les trois canaux privilégient donc la réponse minérale sur celle d'éventuels végétaux. 3. Transformation de l'image (Analyse en Composantes Principales) La transformation d'images est un procédé qui implique la manipulation de plusieurs bandes de données pour transformer une image provenant d'un capteur multispectral. La Fig. 4 Extrait de l'image Landsat 7 ETM+ ( du 15 Avril 2000) en composition colorée: R = 7 (SWIR), V = 3 (Rouge), B = 1 (Bleu), montrant la partie Sud du terrane de l'in Ouzzal. - La composition colorée des canaux 731 (Fig. 4 et 5) qui est particulièrement adaptée aux milieux arides [ 8 ] car: le canal 7 (SWIR) est intéressant pour la reconnaissance des Fig. 5 Extrait de l'image Landsat 7 ETM+ ( du 03 février 2003) en composition colorée: R = 7 (SWIR), V = 3 (Rouge), B = 1 (Bleu), montrant la région de l'adrar Tekhamalt Tan Ataram (In Ouzzal Nord). Fig. 6 Images des composantes principales 1 et 3 obtenues par traitement des 6 canaux de l'image Landsat 7 ETM+ (bandes 1, 2, 3, 4, 5 et 7) de l'in Ouzzal Sud. transformation d'images génère une "nouvelle" image en combinant les différentes sources d'information de manière à rehausser certaines caractéristiques ou certaines propriétés des données qui sont moins évidentes dans l'image originale. Les données multispectrales des différentes bandes ont souvent une corrélation très élevée et contiennent de l'information similaire. Des transformations d'images basées

4 présentée. Elle associe les résultats obtenus par traitement d'image, le travail bibliographique et le travail de terrain, en particulier la validation de la reconnaissance des lithologies et l'analyse des éléments structuraux. 1- In Ouzzal Sud (Amesmessa) (Fig. 8) Fig. 7 Composante principale 1 obtenue par traitement des 6 canaux de l'image Landsat 7 ETM+ ( bandes 1, 2, 3, 4, 5 et 7) de Tekhamalt. sur des traitements statistiques complexes des données multispectrales peuvent être utilisées pour réduire la redondance des données et la corrélation entre les bandes. Le but de cette transformation est de réduire le nombre de dimensions (nombre de bandes) et de produire une compression de l'information de plusieurs bandes dans un nombre plus restreint de bandes. Les "nouvelles" bandes qui résultent de cette compression statistique sont appelées composantes. Ce procédé vise à maximiser (statistiquement) la quantité d'information (ou variance) des données originales dans un nombre restreint de composantes. Le choix du nombre de composantes principales CP à conserver constitue l étape la plus importante de l Analyse en Composante Principale. Aucune règle générale de décision n étant définie, l utilisateur est libre de conserver les composantes souhaitées en fonction de critères propres à son étude [ 9 ]. Vu leur bonne qualité, nous avons décidé d utiliser les trois premières composantes (CP1, CP2 et CP3) aussi bien dans la cartographie lithologique que structurale des deux régions d étude (Fig. 6 et 7). IV. RESULTATS DES TRAITEMENTS DES IMAGES SATELLITALES En ce qui concerne l'in Ouzzal, l un des principaux objectifs de ce travail est de distinguer les bassins des ceintures de roches vertes granulitiques, des dômes gneissiques bien révélés, sur le terrain, par les travaux de [ 6 ], [ 10 ], [ 2 ] et [ 11 ]. Le traitement d images satellitales s est révélé très efficace pour la cartographie à différentes échelles de cette structuration si caractéristique de l In Ouzzal. Cependant, ce type de traitement n'est pas capable de faire ressortir les relations mutuelles entre formations géologiques (nature des contacts, leurs pendages et leurs chronologies). Dans ce domaine le travail de terrain est essentiel. Dans ce qui suit, la cartographie des deux régions est Fig. 8 Carte géologique et structurale de l In Ouzzal Sud, issue des travaux de terrain et du traitement de l image satellitale Landsat 7 ETM+ (en haut sont représentées les rosaces des linéaments d une partie de la carte). Sur les différents types de traitements, filtrage directionnel, ACP et compositions colorées (Fig. 2, 4 et 6), le réseau hydrographique ressort d'une façon très nette et peut être cartographié d'une manière très précise. Avec le GPS (Global Positioning System), c'est un excellent outil de repérage et de localisation précise au cours des missions de terrain. Nous avons utilisé l'image obtenue par filtrage directionnel (α=0, Fig. 2) et la première fournie par l'acp (CP1, Fig. 4) pour dessiner la trajectoire de la foliation et les grands accidents. On remarque deux bandes étroites marquées par une forte densité de la foliation de direction subméridienne parcourant entièrement l'image. Elles correspondent aux accidents Est et Ouest ouzzaliens. Ces deux megashear zones ne sont séparées que de 20 km dans la région d étude. Entre ces deux limites, la foliation est globalement de direction N-S, avec des plissotements en particulier dans la partie centrale de la carte. Ce type de traitements d'image met également en évidence dans la partie orientale

5 autour de la base minière d'amesmessa une famille d'accidents orientés NE-SO, et d'autres de tailles plus importantes de direction N-S et affectant l'ensemble de la région. Une troisième direction, NO-SE correspond à des accidents concentrés dans la partie SO de la région affectant en même temps le terrane de Kidal et celui de l'in Ouzzal. La cartographie de la trajectoire de la foliation régionale F1 éburnéenne associée aux mesures des éléments structuraux prises sur le terrain dans le socle d'orthogneiss charnockitique montre que celle-ci est irrégulière et définit des plis complexes et des structures elliptiques et lenticulaires. Par endroit, la foliation régionale montre des structures typiques en dôme d'orthogneiss charnockitiques et bassins formés de marbres et de roches basiques et ultrabasiques. La CP1 (Fig. 4) et le filtrage directionnel (Fig. 2) permettent ainsi la confection d une carte linéamentaire qui peut ensuite être utilisée pour une étude statistique des directions ou des longueurs (Fig. 8) En ce qui concerne la lithologie, dans les compositions colorées (731 ou 742), la distinction entre les deux principales familles de formations décrites dans cette région est nette. Les bassins de façon systématique apparaissent bleu pâle à bleu foncé alors que les orthogneiss charnockitiques avec leur structure fermées sont de teinte rosâtre. Ainsi, chacune de ces deux unités lithologiques a une réponse spectrale qui lui est propre et permet de dessiner avec précision leurs limites. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence (avec confirmation sur le terrain) des bassins plurikilométriques limitrophes aux accidents Est et Ouest ouzzalien et des bassins de plus petite amplitude entre les dômes dans la partie centrale comme par exemple dans la région d Ighaldiouine. Parmi les séries paradérivées des ceintures de roches vertes, les marbres se distinguent particulièrement bien sur la composition colorée 731 (Fig. 6) par leur teinte claire correspondant au bleu pâle. Sur le terrain, ces marbres se présentent en bancs massifs boudinés. Une lentille de direction N-S (8 km de longueur), de couleur marron clair au sein d un bassin de roches vertes (en teintes bleu verdâtre), dans la partie NO de l image, a attiré notre attention. Sur le terrain, nous avons pu constater qu il s agissait d un grand affleurement de granulites Al-Fe migmatitiques à grenat, biotite, sillimanite, cordiérite, quartz. Par contre, il est impossible de distinguer sur les images Landsat 7 ETM+ quelle que soit la composition colorée, les leptynites et les syénites, des orthogneiss charnockitiques en raison de la similitude de leur réflectance. En ce qui concerne les lithologies plus récentes, attribuées au Panafricain (0.6 Ga), sur la composition colorée 731, les granites, très clairs, apparaissent bien circonscrits. L Analyse en Composantes Principales, en particulier la CP3 (Fig. 6), permet même de faire ressortir une zonation que nous avons pu attribuer sur le terrain à une variation de la taille des grains et à une différentiation lithologique avec un enrichissement en feldspath potassique. Dans la partie médiane Sud de l image, des formations volcano-sédimentaires non métamorphisées, attribuées au Protérozoïque supérieur, constituent les taches les plus sombres, lorsqu on sature l image vers les blancs. Notons que la cartographie des dykes de dolérites qui jalonnent cette région est rendue possible aussi bien par les traitements ACP et filtrage directionnelle que par la composition colorée 731 où ils apparaissant en noire orientées selon une direction qui varie de NO-SE à NNO-SSE. Fig. 9 Carte géologique de la région de l Adrar Tekhamalt Tan Ataram (In Ouzzal Nord) issue des travaux de terrain et du traitement de l image satellitale Landsat 7 ETM+. 2- La région de Tekhamalt Tan Ataram et du bassin d Abeleyel (In Ouzzal Nord) (Fig.9) La trajectoire de la foliation est particulièrement visible sur l image satellitale après filtrage directionnel (α = 270 ). Elle montre une direction globalement NE-SO avec localement des ondulations. Au niveau du massif de l Adrar Tekhamalt Tan Ataram (orthogneiss alcalin, NE de la carte), la trajectoire de la foliation n est pas très visible au cœur de l édifice, par contre en bordure, elle est concordante avec l encaissant. La distinction entre les orthogneiss alcalins et les autres types d orthogneiss (généralement appartenant à des séries TTG) [ 1 ], a été possible par le fait que ces derniers affleurent arasés alors que les orthogneiss alcalins apparaissent en collines facilement identifiables sur l image traitée par filtrage directionnel (α = 270 ) en reliefs et sur la CP1 et la composition colorée sous forme de taches noires très denses. Dans la partie Sud-Ouest de la composition colorée 731, le bassin de roches vertes d Abeleyel en teinte sombre bleu verdâtre a été mis en évidence pour la première fois grâce aux traitements d images satellitales. Sa nature lithologique a été confirmée au cours d une mission sur le terrain (Mars 2005). Le bassin de forme sigmoïdale montre une variation

6 dans la direction de la foliation (de NE-SO à E-O) bien visible sur la CP1 et le filtrage directionnel (α = 270 ). Ces parties sombres bien révélées par les traitements successifs de l image Landsat 7 ETM+ sont composées par une série basique qui montre toutes les gradations entre des cumulats très sombres à orthopyroxène dominants, des norites (orthopyroxène-clinopyroxène-phlogopite-plagioclase±quartz), des norites à grenat (orthopyroxène-grenat-phlogopiteplagioclase±quartz) évoluant vers des leuconorites et à des anorthosites. Au cœur du bassin, nous avons identifié sur le terrain une lentille de charnockite qui apparaît claire (marron clair) sur l image satellitale. À l exception de très rares individus situés à l extrême SE et orientés NE-SO, les nombreux dykes de dolérites sont orientés NO-SE. Ils sont facilement cartographiables aussi bien sur les images traitées par filtrages directionnel ou par La cartographie géologique classique (basée uniquement sur des missions de terrain) est un travail long et complexe. Nous avons testé l'utilisation de traitements d'images Landsat 7 ETM+ pour la cartographie de deux régions du Hoggar, dans le terrane de l'in Ouzzal. Régions qui correspondent à des affleurements archéens en zone aride. Ce travail montre que cela peut être d'une très grande efficacité lorsque cette méthodologie est associée à un travail parallèle bibliographique et de terrain comme outil de vérification et de validation (Fig. 10). Les résultats montrent clairement que la structuration en dômes gneissiques et en bassins de roches vertes, caractéristique de l'in Ouzzal, ressort d'une façon extrêmement fiable, que le filtrage directionnel et l'acp permettent une fidèle cartographie des linéaments, que la composition colorée 731 et l'acp font ressortir certains traits lithologiques telles que la zonation de granites panafricains ou la présence de granulites Al-Fe qui autrement auraient été difficilement détectés. Il ressort ainsi de cette étude que la méthode permet des gain de temps aussi bien en aval qu'en amont des missions de terrain. En amont, elle permet d'identifier et de localiser des structures, y compris linéamentaires, et des lithologies qui lorsqu'elles posent interrogation peuvent être vérifiées sur le terrain. En aval, elle permet, par exemple, une finition beaucoup plus précise dans la délimitation des formations. Cela nous offre, pour une région, le Hoggar, où seules deux cartes au 1/ ont été publiée (dans le Hoggar central), des perspectives très prometteuses pour une cartographie géologique plus performante aussi bien dans la qualité que dans le temps de confection. VI. REFERENCES [1] J. -J. Peucat, R. Capdevila, A. Drareni, P. Choukroune, M. Fanning, J. Bernard-Griffiths & S. Fourcade, Major and trace element geochemistry and isotope Sr, Nd, Pb, O systematics of an Archaean basement involved in a 2.0 Ga VHT 1000 C metamorphic event: In Ouzzal massif, Hoggar, Algeria. Journal of Metamorphic Geology, 14, 1996, [2] K. Ouzegane, J. -R. Kienast, A. Bendaoud, & A. Drareni,. A review of Archaean and Paleoproterozoic evolution of the In Ouzzal granulitic terrane (Western Hoggar, Algeria). Journal of African Earth Sciences, 37, 2003, [3] A. Drareni, K. Ouzegane & A. Bendaoud,. L Archéen du Hoggar: Géochronologie et évolution géodynamique. Bulletin du Service Géologique National. Vol. 18, n 2, 2007, pp [4] A. Bendaoud,. Pétrologie et Géochimie des séries basiques et ultrabasiques précambriennes de l In Ouzzal et du Hoggar Central et leurs relations avec l encaissant. Thèse de Doctorat, USTHB/FSTGAT, Alger, 2008, 300 p. [5] J. Fabre,. Géologie du Sahara occidental et central. Tervuren: Musée royal de l'afrique centrale. MRAC, 2005, 572 p. Fig. 10 Organigramme de la méthodologie de traitement d'images satellitales et cartographie. ACP que sur celle en composition colorée 731. V. CONCLUSION ET DISCUSSION [6] H. Haddoum,. Étude structurale des terrains archéens du môle In Ouzzal Hoggar occidental, Algérie. Doctorat d'état, USTHB/FSTGAT, Alger, 1992, 195 p. [7] S. Djemai,. Les pyrigarnites et les granulites alumineuses d Amesmessa Môle In Ouzzal, Hoggar: Relations de phases et déformation. Magister, USTHB/FSTGAT, Alger, 1996, 210 p. [8] J. -P. Deroin, V. Rabemanana & P. Andrieux,. Apport du Short Wave Infrared (SWIR) de Landsat pour la cartographie géologique en zone aride. Exemple de l'androy (Sud de Madagascar). Photointerprétation, 1, 2005, 9-19 et [9] C. Gomez,. Potentiels des données de télédétection multisources pour la cartographie géologique : Application à la région de Rehoboth (Namibie), Thèse de Doctorat, ENS Lyon-UCB Lyon 1, 2004, 210p. [10] H. Fettous,. Les cisaillements lithosphériques en conditions anhydres et hydratées: Exemple du Hoggar, Algérie. Magister, USTHB/FSTGAT, 2001, 220 p.

7 [11] S. Djemai,. Etude structurale et pétrologique des séries précambriennes de la terminaison sud de l'unité granulitique de l'in Ouzzal (Hoggar occidental), Thèse Doctorat d'etat, USTHB/FSTGAT, 2008, 200 p.