Apport de l'analyse d'images dans l'étude de l'altération d'un basalte alcalin (Moyen Atlas, Maroc)

Engineering Geology 56 (2000) 325–334www.elsevier.nl/locate/enggeo

Apport de l’analyse d’images dans l’etude del’alteration d’un basalte alcalin

(Moyen Atlas, Maroc)

Contribution of image analysis to the study ofweathering process in alkaline basalt

(Middle Atlas, Morocco)

A. Dekayir *, M. El MaataouiDepartement de Geologie, Faculte des Sciences, B.P. 4010 Bni M’hamed Meknes, Morocco

Received 4 January 1999; accepted for publication 25 June 1999

Abstract

Les basaltes alcalins quaternaires du Moyen Atlas sont transformes en une couverture d’alteration formee d’unassemblage de boules alterees. Dans un profil, l’etude des processus d’alteration superficielle menee sur une bouled’alteration a ete basee sur le traitement et l’analyse d’images acquises au microscope electronique a balayage. Outrel’analyse microscopique des facies alteres, les proportions des differentes phases (mineraux, argile, porosite) ont etequantifiees en differents stades de cette alteration. En effet, dans le cœur, l’alteration supergene est marquee par unepremiere dissolution du verre, suivie de celle des plagioclases le long des plans de clivage et des micropores herites del’histoire magmatique de la roche.

Dans le stade ultime d’alteration (ecailles externes), les espaces liberes par la dissolution du verre, sont completementremplis d’un melange d’Halloytite et d’oxyhydroxydes de fer. En revanche les feldspaths, entierement dissous, laissenten place une porosite importante occupee en partie par l’halloysite et la kaolinite issues de leur transformations.L’alteration supergene des mineraux ferromagnesiens est accompagnee d’une faible porosite comparee a celle resultantedes feldspaths plagioclases. A la base du sol, la porosite diminue suite a un colmatage par les produits secondaires enprovenance de la surface du sol. © 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Abstract

Quaternary alkaline basalts of Middle Atlas, are weathered into spheroidal volumes organized into weatheringcover. In the profile studied, the study of transformations from a fresh core basalt to the most weathered rinds, hasbeen analysed using BESI images (backscattred electron image analysis). A part from the microscopic analysis ofeach weatherted basalt, proportions of primary minerals, clays and pore space has been quantified in different stagesof weathering. Indeed, in fresh core basalt, weathering is characterized by a first dissolution of the glass, followed byfeldspar transformations in twinning plans, cleavages and in micropores inherited from the magmatic and cristallo-graphic history of the rock.

* Corresponding author. Tel.: +212-5-53-88-70; fax: +212-5-53-6808.E-mail address: [email protected] (A. Dekayir)

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In most basaltic weathered rinds, pore spaces given by the dissolution of the glass, were filled by a mixture ofclays and iron products. In these samples, feldspars are completely dissolved giving important porosity occupied bysmall quantity of halloysite and kaolinite. The olivine and pyroxene transformations are accompanied by weak porespace formation. At the bottom of the soil, this porosity decreases in response to filling by later secondary productswhich come from the upper part of the soil by weathering solutions. © 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Mots-cles: Alteration supergene; Analyse d’images; Basalte; Halloysite; Porosite

Keywords: Basalt; Halloysite; Image analysis; Porosity; Weathering

1. Introduction Dans les basaltes en general, l’observationmicroscopique des textures microlitiques desroches saine et alteree est rendue difficile du faitL’alteration superficielle est consideree commede la petite taille des mineraux ( Kanaori et al.,l’un des processus majeurs qui sont a l’origine de1991). Le present travail consiste a etudier lesla destruction et la desagregation des roches a laprocessus et la vitesse de l’alteration d’un basaltesurface du globe. La vitesse et la nature de l’altera-alcalin soumis a un climat mediterraneen aution dependent de nombreux facteurs tels que: leMaroc. L’approche est basee sur la quantificationclimat, la nature de la roche, la topographie et lesdes proportions de mineraux primaires, secondai-micro-organismes (Colman et Dethier, 1986). Enres et de l’espace poreux sur des images acquiseseffet, en fonction de l’alteration, la texture de laau microscope electronique a balayage.roche change suite a la dissolution progressive des

phases minerales qui la constituent auxquelles vientse superposer des produits argileux de transfert

2. Materieldans les fissures et les pores deja existant ( Karrat,1989; Karrat et al., 1989; Karrat, 1992; Dekayir,

Les echantillons etudies ont ete preleves dans1994).un profil d’alteration daveloppe sur basalte alcalinDans les etudes petrogaphiques, la texture desd’age quaternaire dans la region d’Ifrane au Marocroches a ete approchee dans un premier temps par[Fig. 1(a)] (Moukadiri, 1983). Ce profil montre enla methode du comptage de points (0-D) ou ‘‘ana-coupe, un assemblage de boules de basaltes altereeslyse modale’’, par la methode des lignes tests (1-D)de differentes tailles (metrique a decimetriques),et recemment par l’analyse d’images (2-D)encadrees par un systeme de fissures de taille

(Ringrose-Voase, 1994). Cette derniere a servi d’undecimetrique, remplies d’une matrice argilo-silt-

outil precieux dans la micromorphologie des sols euse rougeatre (Karrat, 1989, 1992; Macaire et al.,et notamment l’etude des structures et l’orientation 1990, 1994). Chaque boule d’alteration est formeedes traits pedologiques ‘‘fabric of soils’’ (Bresson d’un cœur de basalte sain, entoure d’ecailles dures,et Guillore, 1994; Curmi et al., 1994; Hallaire et moyennement alterees et de couleur grise ditesCurmi, 1994; Nishiyama et Kusuda, 1996; Protz ‘‘ecailles internes’’ (echantillon 2–4). Ces derniereset al., 1992; Ringrose-Voase, 1994; Terribile et sont entourees par d’autres ecailles plus alterees,FitzPatrick, 1992; Tovey et al., 1994; Vogel et de couleur orange, tres fragmentees qualifieesBabel, 1994). En revanche, la fiabilite des resultats d’ecailles ‘‘externes’’ (echantillons 5–8).en relation avec la qualite des images acquises L’ensemble est coiffe par un sol d’environ 40 cmdependent essentiellement des conditions d’acquisi- d’epaisseur, partage entre:tion en plus de celles de traitement et d’analyses 1. un horizon argilo-limoneux rouge a la base(Bresson et Guillore, 1994). Cette methode pre- renfermant des fragments de basalte altere; etsente aussi la difficulte de distinguer entre deux 2. un horizon superficiel, faiblement argileux etobjets ayant les memes niveaux de gris (Terribile tres organique comportant des reliques de bas-

alte sain [Fig. 1(b)].et FitzPatrick, 1992).

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Fig. 1. (a) Situation du profil d’alteration sur basalte et (b) localisation des echantillons etudies.(a) Situation of the weathering profile developed on the basalt and (b) locality of the studied samples.

Les echantillons meubles et orientes, ont ete pre- 3. Methodes d’analysesleves dans des boıtes en plastique. Ils ont ete sechesa l’air libre et impregnes avec une resine fluores- 3.1. Acquisition d’imagescente. Les sections polies ont ete observees aumicroscope electronique a balayage en mode Sur chaque echantillon oriente, une lame mince

a ete montee dans le plan orthogonal au sens deretrodiffuse (Fies et Bruand, 1990; Cousin et al.,1994). l’alteration. Apres des observations au microscope


Tableau 1electronique a balayage a un grossissement de 500Niveaux de gris des phases minerales du basalte, d’argiles et defois, cinq cliches ont ete acquis avec une resolutionla porosite

spectrale de 256 niveaux de gris couvrant chacun Gray levels corresponding to primary minerals, clays andun champ de 213×145 mm avec une resolution porosityspatiale de 0,3 mm pixel−1. Le choix des prises de

Mineraux et porosite Niveaux de grisvue est aleatoire. Les champs renfermant une tresforte proportion de pores de grande taille ont ete Oxydes de fer (ilmenite et titano-magnetite) 196<ng<255elimines. Les images acquises ont ete stockees et Ferro-magnesiens (pyroxenes et olivines) 156<ng<195

Feldspaths et quartz 121<ng<155traitees par le programme ‘‘’’ sur une sta-Argiles 71<ng<120tion IPC Sun Sparc.Porosite ng<70

3.2. Segmentation

de leur environnement matriciel, une technique dePour une estimation des pourcentages de miner-seuillage local basee sur la morphologie mathema-aux (Fig. 2; Tableau 1), les images en niveaux detique ‘‘top-hat’’ a ete utilisee (Serra, 1982). Lesgris ont subi un seuillage par la methode desimages traitees une a une sont ensuite compileeshistogrammes (Noesis, 1991). En revanche, pouren une image moyenne representative de chaqueune quantification de la porosite, les images enechantillon.niveaux de gris ont ete segmentees en image binaire1. Typologie des pores: dans chaque image, trois(bi-partitionning) en attribuant chaque pixel a un

formes de pores ont ete simulees a l’aide dupore ou a une matrice. L’application de cetteparametre de forme SF (Coster et Cherman,methode est fonction de l’intensite du signal ou de1985):sa variabilite au sein de l’image (Hallaire, 1994).

Pour detecter les pores et les fissures de petite tailleSF=

P(x)2

4pS(x),

ou P, perimetre; S, surface; x, pore ou mineral;i, les pores arrondis; ii, les pores intermediaires;iii, les pores allonges. Ce parametre est definiten fonction du perimetre P et de la surface Sde l’objet x (mineral ou pore). Il est invariantavec la rotation, la symetrie et l’echelle. Il estegal a 1 pour un disque. Il se rapporte al’elongation des objets. Il fournit aussi uneindication sur la rugosite des objets (Fig. 3).

2. Estimation du pourcentage de porosite totale:les differents constituants de la roche (minerauxet pores) sont discrimines en fonction de leur

Fig. 2. Ech. 1, Exemple d’image acquise au microscope electron- niveaux de gris (Tableau 1). Le pourcentage deique avec discrimination des differentes phases minerales et dela porosite totale (ng<70) peut etre quantifiela porosite en fonction des niveaux de gris; PL, plagioclase;selon l’equation:FM, olivine et pyroxene; Pa, produit d’alteration du plagioclase;

Pc et Pp, pores intraplagioclase; V, verre, Mgt: Ti-magnetite;P, pore issu de la dissolution du verre.

Example of BESI image acquired by discriminating thedifferent minerals and porosity according to their gray levels. w(%)=

A ∑i=1i=x

SiB

Simage×100,

PL, Plagioclase; FM, olivine and pyroxene; Pa, weathering pro-duct of plagioclase; Pc and Pp, intraplagioclase inherited micro-

Si, surface des pores (i); Simage, surface depores; V, glass; Mg, Ti-magnetite; P, pore space of glass

dissolution. l’image.


Fig. 3. Formes de base utilisees pour la classification des pores.Forms used in pores classification.

3. Estimation du pourcentage d’un mineral (m) ou l’halloysite [Fig. 5(a)]. Les olivines sont transfor-mees en iddingsite d’origine deuterique (Backer etd’un type de pore ( j)Haggerty, 1967), alors que les pyroxenes et lesoxydes de fer sont restes intacts. Dans le cœur deboule, l’essentiel de la porosite representee par des

wj, m

(%)=A ∑j, m=1j, m=x

Sj, mB

Simage×100,

pores allonges et intermediaires (P), est attribue ala dissolution du verre dix fois plus rapide que

Si

, surface d’un type de pore ( j) ou d’un mineral celle du basalte (Gislason et Euster, 1987). Lesdonne (m). feldspaths du basalte sain, montrent des micro-

pores arrondis [representes en points noirs (Pp)]ou en petites fissures alignees et localisees le long

4. Resultats et discussions des plans de clivage (Pc) (Fig. 5-1). Ces micro-pores jadis occupes d’inclusions fluides, peuvent

Les resultats quantitatifs de l’analyse d’images representer jusqu’a 2,3% du volume du plagioclase.et les observations microscopiques, effectuees sur Ils sont relies a la composition et aux phenomenesles images des differents facies d’alteration du cœur de cristallisation des plagioclases (Montgomery etde boule vers les ecailles externes, ont permis de Brace, 1975). Dans le cœur de boule, les plagio-degager trois stades d’alteration. clases sont les premiers constituants mineraux a

s’alterer apres le verre. En effet, c’est a travers ces4.1. Premier stade micropores initiaux que la dissolution des plagio-

clases progresse.La composition mineralogique du cœur de boule

est celle d’un basalte alcalin avec des plagioclases,des mineraux ferro-magnesiens (pyroxenes et oliv- 4.2. Stade intermediaireines) et des oxydes de fer. Ce facies apparemmentsain, montre deja au microscope electronique les A ce stade d’alteration, le basalte est transforme

en ecailles grisatres, imbriquees, d’epaisseurs vari-premiers stades de cette alteration qui sont materi-alises par la presence de vides issus de la destruc- ables et de durete faible. La progression, de l’alter-

ation de l’ecaille 2 a 4 est marquee par unetion rapide du verre et remplis partiellement pardes argiles de transformation (Figs. 4 et 5-1). Dans augmentation des proportions d’argiles et de poro-

site aux depens de celles de plagioclases et deces plages de verre altere, il est difficile de distinguerentre des pores initiaux et ceux issus de l’alteration. mineraux ferro-magnesiens (Figs. 4 et 5-2). Dans

ces ecailles internes, l’augmentation des propor-Les plagioclases presents en phenocristaux et enmicrolites commencent a s’alterer le long des pores tions de pores intermediaires est proportionnelle a

celle des pores allonges (Fig. 4). En effet, dans lesintramineraux en un produit argileux riche en Siet Al identifie mineralogiquement comme etant de plagioclases la dissolution centrifuge progresse le


Fig. 4. (a) Variations des proportions de porosite, d’argiles et de mineraux primaires du basalte en fonction de l’alteration et (b)variations des proportions de differents types de pores en fonction de l’alteration.

(a) Proportional variation in porosity, clays and primary minerals of basalt according to weathering and (b) proportional variationin the diffrent types of pore spaces according to weathering.

long des plans de clivages par la formation de faibles quantites d’halloysite. Quant aux espacesliberes par la dissolution du verre, ils ont etepetits pores de forme intermediaire (3<SF<6).

Ces derniers, sous l’effet de la dissolution active, entierement remplis par des produits argileux quimoulent parfaitement les contours originels dess’elargissent et par communication entre eux evo-

luent vers des pores allonges orientes parallelement plages vitreuses deja dissoutes (Fig. 5-2). Les oliv-ines et les pyroxenes montrent des degres d’altera-a l’allongement du mineral.

Cette porosite est occupee en partie par de tion faibles, compares aux plagioclases et aux


Fig. 5. Changements de texture dans les differents stades d’alteration. 1, Cœur de boule: Pa, produit d’alteration du plagioclase, (a)composition chimique. 2, Ecailles internes: Pp, pores d’alteration des plagioclases; Pv; pores d’alteration du verre remplis d’argiles.3 et 4, Ecailles externes; Pr, produit argileux de remplissage, (b) composition chimique. 5 et 6, A la base et en surface du sol: Pin,pore intra-agregats; Pit, pore inter-agregats; Qz, quartz.

Changes in texture at the different stages of weathering. 1, Residual core: Pa, plagioclase weathering product (a) chemicalcomposition. 2, Inner weathered rinds: Pp, pore space from plagioclase weathering; Pv, pore of glass dissolution filled by clays. 3and 4, Outer weathered rinds: Pr, clays, (b) chemical composition. 5 and 6, At the bottom and the surface of the soil: Pin, intra-agregate pores; Pit, inter-agregate pores; Qz, quartz.


verres. A ce stade, la structure originelle du basalte noye dans un fond matriciel argileux riche enmatiere organique.commence a disparaıtre.

4.4. Sol4.3. Stade avance

L’analyse macroscopique de l’horizon inferieurdu sol, montre qu’il est forme de fragments deDans les ecailles externes, l’intensite de l’altera-

tion est maximum. Le basalte est entierement basaltes transformes, de tailles centimetriques adecimetriques, enrobes dans une matrice argilo-transforme en un facies beige, tres fragmente et de

faible densite. L’arrangement de ces fragments de silteuse. Cet horizon riche en argile, en silt, enquartz et en feldspaths est moins poreux parroche alteree dans le profil revele parfaitement la

structure d’une ecaille. Macroscopiquement, ce rapport a l’horizon superieur (Figs. 5-5 et 5-6).Cette porosite d’origine structurale repartie entrefacies est parcouru de microfissures remplies d’ar-

giles issues des operations de transfert comme en des pores inter-agregats (Pit) et intra-agregats(Pin) est due a l’agencement et a l’organisationtemoigne la presence d’illite et de vermiculite ret-

rouvees uniquement dans le sol. Dans ces ecailles des agregats entre eux (Lassausse, 1991). Larichesse de cet horizon en argile et silt est attribueeles argiles et les pores occupent plus de 80%

(Fig. 4), alors que les feldspaths sont presque aux processus de transferts de matiere par lessolutions d’alteration et leur accumulation indui-completement transformes en halloysite melangee

aux argiles de transfert [Fig. 5(b)]. Les mineraux sant un tassement (Figs. 4 et 5-5). En revanche,l’horizon superieur renfermant quelques reliquats(ferro-magnesiens et oxydes de fer) peu alteres

dans les ecailles internes, montrent ici une alter- de basalte sain est caracterise par une densiteapparente plus faible. Il montre une tendanceation importante en un melange d’oxyhydroxydes

de fer (gœthite) et d’halloysite. Dans les ecailles inverse, avec une porosite importante dominee pardes pores allonges correspondant a une porositeinternes comme dans les ecailles externes, la poro-

site totale est dominee par les pores allonges par inter-agregats (Fig. 4). L’augmentation des pro-portions de ferromagnesiens, d’oxydes de fer et derapport aux pores intermediaires et arrondis. Cette

difference est attribuee a une dissolution selective plagioclases dans la partie superieure du sol, estprouvee par la presence de reliques de basaltes entres active des plagioclases le long des plans de

faiblesse (macles et clivages) (Figs. 5-3 et 5-4). Du cours d’alteration.cœur vers les ecailles externes de la boule, les poresarrondis montrent une augmentation relative deleur proportion en fonction de l’alteration. En 5. Conclusionseffet, les micropores en points noirs intrapalgi-oclase evoluent par dissolution en pores de forme Les resultats acquis dans cette etude physique

de l’alteration du basalte dans la region d’Ifrane,arrondie de plus en plus larges.Dans les stades d’alteration intermediaire et montrent clairement l’apport de l’analyse d’images

acquises aux microscope electronique a balayageavance, les roches alterees sont caracterisees parl’apparition d’une microporosite importante attri- dans l’etude des processus d’alteration superficielle

sur basalte. Cette approche basee sur la discrimina-buee principalement a la dissolution des plagio-clases. A l’echelle macroscopique, le diametre des tion des differentes phases minerales du basalte en

fonction des 256 niveaux de gris de l’image amicrofissures diminue suite aux operations de rem-plissage par les produits de transfert en forme de permis de suivre, de maniere quantitative, les

differents changements de textures intervenantcutanes (Katsube et Kamineni, 1983).L’alterite developpee sur basalte evolue, en sur- (calculs des proportions de mineraux primaires,

secondaires et de la porosite) en chaque stadeface, en un sol d’epaisseur variable. Il est formede reliques de basalte sain et altere, de fragments d’alteration et leur evolution du cœur de boule

jusqu’au sol.de cutanes et de grains de quartz. L’ensemble est


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