Detección geoquímica y remota integrada con datos satelitales de gravedad de los depósitos de talco de Darhib y Atshan, desierto del sureste de Egipto

Oct 09, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9108 (2023) Citar este artículo

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La contribución actual realizó nuevos estudios geoquímicos, de detección remota integrados con estudios detallados de gravedad de depósitos de talco para identificar el protolito de talco, así como su extensión, profundidad y estructuras. Hay dos áreas examinadas, distribuidas de norte a sur, Atshan y Darhib y ambas pertenecen al sector sur del Desierto Oriental de Egipto. Ocurren como lentes individuales o cuerpos de bolsillo en ultramáficas-metavolcánicas siguiendo zonas de cizalla NNW-SSE y EW. Geoquímicamente, entre el talco investigado, las muestras de Atshan tienen un alto contenido de SiO2 (promedio de 60,73% en peso), y concentraciones más altas de elementos de transición como Co (promedio de 53,92 ppm), Cr (781 ppm), Ni (promedio de 1303,6). ppm), V (prom. 16,67 ppm) y Zn (prom. 55,7 ppm). En particular, los depósitos de talco examinados contienen bajos contenidos de CaO (promedio de 0,32 en peso), TiO2 (promedio de 0,04 en peso), SiO2/MgO (promedio de 2,15) y Al2O3 (promedio de 0,72 en peso), que es comparable con la peridotita ofiolítica y la configuración del antearco. Se han utilizado compuestos de color falso (FCC), análisis de componentes principales (PCA), fracción mínima de ruido (MNF) y relación de banda (BR) para distinguir los depósitos de talco en las áreas investigadas. Se crearon dos nuevas proporciones de bandas propuestas para separar los depósitos de talco. Las relaciones de banda de FCC (2/4, 4/7, 6/5) y (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) se derivaron para centrarse en los depósitos de talco en dos estudios de caso, Atshan y Darhib áreas La aplicación de técnicas regionales, residuales, de gradiente horizontal (HG) y de señales analíticas (AS) a los datos de gravedad se utilizan para interpretar las direcciones estructurales del área de estudio. El análisis de esta técnica muestra varias fallas notables con tendencia en las direcciones NW-SE, NE-SW, NNW-SSE y E-W. Se aplicaron dos técnicas de cálculo de profundidad de gravedad en las áreas de estudio, a saber, imagen de parámetro de fuente (SPI) y deconvolución de Euler (EU). El análisis de estas técnicas refleja que la profundidad de las fuentes del subsuelo oscila entre 383 y 3560 m. Los depósitos de talco pueden atribuirse al metamorfismo de facies de esquisto verde o a una solución magmática que (asociada con intrusiones graníticas) interactuó con las rocas volcánicas circundantes formando minerales metasomáticos.

La importancia económica del talco se atribuye a sus aplicaciones industriales variables debido a sus características distintivas. Por ello, estudios recientes se han centrado en los depósitos de talco1,2,3,4. Es ampliamente utilizado en pinturas, cerámica, alimentos, caucho, cable eléctrico, cosméticos y medicamentos recetados dependiendo de su pureza1,2. Es ampliamente utilizado para el proceso de adsorción de cromo hexavalente, que actúa como clarificador de aguas residuales5.

Los depósitos de talco están ampliamente distribuidos en los sectores central y sur del desierto oriental egipcio, asociados con rocas ofiolíticas y metavolcánicas6,7,8,9. Las ofiolitas son rebanadas de la litosfera oceánica, que se empujan sobre las placas continentales, lo que ayuda a reconocer los procesos tectónicos en la sección del manto7,8,10,11. Las rocas serpentinitas, serpentinitas carbonatadas, carbonatos de talco y listwaenita (ricas en carbonato, carbonato de sílice y birbiritas) son los principales productos de alteración de los fragmentos ofiolíticos ultramáficos (peridotitas/dunitas) debido a la interacción con fluidos ricos en CO2 y SiO27 ,8,10,11. Mineralización de talco puro o contaminación con minerales de carbonato que ocurren ampliamente a lo largo de los planos de falla y/o zonas de corte6,7,10. La mineralización del talco egipcio es masiva, de moderada a fuertemente esquistosa (superficie lisa) y de grano fino, lo que refleja un grado de metamorfismo de bajo a medio (facies de esquisto verde-anfibolita inferior)7,8,10,11. Las rocas ultramáficas están enriquecidas con minerales de silicato de magnesio y hierro. Los procesos de carbonatación se dan por hidrólisis de estos minerales a través del desalojo de Si y combinación de estos cationes con carbonatos7,9,12.

Depósitos económicos de talco que se extraen, como las regiones de Darhib, Atshan y Wadi Allaqi, de treinta y cinco depósitos de talco registrados en el Sinaí y el desierto oriental13. Produjeron aproximadamente 12.924 y 172.181 toneladas de talco en 2011 y 2015, respectivamente3,14.

La técnica de la gravedad es una de las herramientas geofísicas aplicables a muchas exploraciones. La técnica de la gravedad incluye determinar la ubicación de los cambios de densidad del subsuelo midiendo el campo gravitacional de la tierra en ciertos puntos de la superficie terrestre15.

El trabajo actual tiene como objetivo investigar los estudios geológicos y geoquímicos detallados de las áreas de Atshan y Darhib para deducir el origen de los depósitos de talco. Se llevó a cabo la detección remota integrada con datos de gravedad para revelar la extensión del talco y su profundidad, así como para determinar la estructura dominante de la superficie y el subsuelo que controla la distribución de los depósitos de talco.

Durante la colisión de los supercontinentes Este y Oeste (Gondwana), la extensión norte del Neoproterozoico (Escudo Árabe Nubio, ANS) del cinturón de Mozambique se formó por la acumulación de arcos y otros continentes16,17,18,19. El ANS representa una de las cortezas juveniles mejor conservadas que proporciona información sobre la naturaleza y las fuentes de las rocas extendidas durante la Orogenia de África Oriental20,21,22,23. Los crecimientos de la corteza del ANS comprenden remanentes de rocas ofiolíticas y conjuntos de arcos (820–720 Ma), rocas de colisión variable (630–620 Ma) y rocas graníticas poscolisión (620–580 Ma), formando tres eventos tectónicos14,24. El Desierto Oriental de Egipto forma la parte norte del ANS, que se puede subdividir en los sectores norte, central y sur25. El talco y la magnesita representan la mineralización dominante asociada con las rocas ultramáficas (ofiolíticas)8,18,26.

Las dos áreas examinadas se distribuyen de norte a sur; Atshan y Darhib y ambos pertenecen al sector sur del desierto oriental egipcio (Fig. 1a). El área de Atshan se encuentra en el distrito de Hamata, a unos 18 km del Mar Rojo. Las unidades litológicas dominantes son los granitos ultramáficos (serpentinitas), metavolcánicos y sin-tectónicos de Reiidi (Fig. 1b). Estas rocas ultramáficas se transforman extensamente en talco, tremolita y carbonatos, particularmente a lo largo de las zonas de cizallamiento o planos de falla más largas de NNO-SSE (> 1000 m de largo) y E-O (700 m de largo). Los metavolcánicos incluyen tipos máficos y félsicos, que representan las unidades de roca dominantes en el área de Atshan, y están intruidos por granitos sintectónicos (Wadi Reiidi). Las rocas ricas en talco son cinco lentes individuales o cuerpos de bolsillo en ultramáficas y metavolcánicas a lo largo de las zonas de cizalla mineralizadas en el área de Atshan (Fig. 2a,b). Algunas de estas bolsas pertenecen esporádicamente a la zona de cizallamiento NNW-SSE a lo largo del contacto entre metavolcánicas y serpentinitas. Se registran pequeños cuerpos de sulfuro dentro de los cuerpos de talco + tremolita que se atribuyen al metamorfismo4,13. La mina Atshan representa el mayor productor de talco en el período de 1962 a 1992 con unas 60.000 toneladas de la reserva estimada de talco13.

(a) Mapa de ubicación de las áreas de Atshan y Darhib, desierto del sudeste, Egipto (utilizando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3. La fecha de adquisición de la imagen Landsat-8: 8 de septiembre de 2021, con la ruta 173 y la fila 43. Fuente Landsat-8 : http://earthexplorer.usgs.gov (b) Mapa geológico detallado del área de Atshan13 (usando el programa Adobe Illustrator CS5) y (c) Mapa geológico detallado del área de Darhib4 (usando el programa Adobe Illustrator CS5).

Fotografías de campo de las áreas de Atshan y Darhib, Desierto Sudoriental, Egipto: (a,b) Bolsas de depósitos de talco encerrados en rocas ultramáficas; y en (c, d) metavolcánica.

Por otro lado, las unidades de rocas litológicas expuestas en el área examinada de Darhib son; granitos ofiolíticos, metavolcánicos, sin-tectónicos y gabros más jóvenes (Fig. 1c). Las rocas ofiolíticas, cubren pequeñas áreas, las cuales están representadas por metagabros y metavolcánicas que se encuentran encerradas en metasedimentos. Los depósitos de talco, así como las rocas que contienen carbonato y tremolita, están encerrados por metavolcánicos (máficos a félsicos), ciertamente a lo largo de los planos de falla y las zonas de corte (Fig. 2c, d). La zona de cizalla principal se extiende en dirección EW. Esta mina de talco representa una de las mayores fuentes de alta ley en Egipto que se enriquece con los minerales de sulfuro diseminados13.

De lo anterior, se puede notar que los depósitos de talco están restringidos a lo largo de las zonas de corte predominantes y los planos de falla, lo que refleja el papel del metamorfismo.

Se han recogido más de veinte muestras de ambas áreas examinadas (Fig. 3). Doce muestras de depósitos de talco de las dos áreas estudiadas se preparan como secciones delgadas y sus composiciones mineralógicas preliminares se detectaron usando un microscopio polarizador (Fig. 3) en el Laboratorio de Rocas, Facultad de Ciencias, Universidad Al-Azhar.

El diagrama de flujo resumió la metodología del trabajo actual.

La geoquímica de roca a granel (mayores y trazas) de doce muestras de talco representativas de los dos estudiados se analizó en el Centro Nacional de Investigación (Fig. 3). Todas las muestras analizadas se prepararon como una perla con una relación de flujo de 1 g de muestra/10 g (66 % de tetraborato de litio: 34 % de metaborato de litio) a 1150 °C en un horno electroconductor. ASTM E-1621 y ASTM D-7348 son las principales guías estándar utilizadas en el análisis. PANalytical 2005 y Axios Advanced se utilizan para detectar la concentración de elementos. Las precisiones de medición de los análisis fueron de ± 5 % y ± 10 % para los elementos mayoritarios y traza, respectivamente.

En este estudio se han utilizado imágenes Landsat-8 del área de estudio (Fig. 3). La utilización de datos Landsat-8 en lugar de datos Aster en la identificación de depósitos de talco en este estudio se debió principalmente a la extensión limitada del área de estudio. Landsat-8 está equipado con dos sensores, el Operational Land Imager (OLI) y el Thermal Infrared Sensor (TIRS). OLI está representado por nueve bandas, pero los datos TIRS solo proporcionan dos bandas. La escena que cubre el área investigada fue adquirida el 8 de septiembre de 2021, con la ruta 173 y la fila 43. Los datos utilizados están georreferenciados a WGS 84 zona 36 N, UTM.

Luego, llevamos a cabo la corrección atmosférica utilizando la técnica de análisis atmosférico de línea de vista rápida de hipercubos espectrales (FLAASH)27, luego redimensionamos los datos a la extensión del área de estudio. Estos procedimientos se realizaron utilizando el software ENVI 5.3. Se utilizaron métodos de procesamiento de imágenes, es decir, combinación de bandas (FCC), proporción de bandas (BR), análisis de componentes principales (PCA) y fracción mínima de ruido (MNF) para discriminar entre diferentes unidades de rocas litológicas con énfasis en los depósitos de talco.

Las anomalías de gravedad se generan a partir de los modelos de gravedad global de la Tierra disponibles (EGM 2008) y DTU10 y contienen una corrección del terreno de resolución 1 × 1 producida a partir del modelo ETOPO1 que evalúa la contribución de la mayoría de las masas superficiales (atmósfera, tierra, océanos, mares interiores, lagos, casquetes polares y plataformas de hielo). Estos productos se calcularon utilizando una técnica armónica esférica y mejoras teóricas para cálculos precisos a escala global. (http://bgi.obs-mip.fr/data-products/outils/wgm2012-maps-visualizationextraction/). Usando el software Oasis Montag versión 8.3, se aplicaron varias técnicas tales como regional, residual, señal analítica, derivadas horizontales, imágenes de parámetros de fuente y deconvolución de Euler a los datos de gravedad para determinar la estructura del subsuelo y calcular la profundidad de las fuentes (Fig. 3).

Este artículo no contiene ningún estudio con participantes humanos o animales realizado por ninguno de los autores. Todos los autores aceptan ser autores en el orden actual en esta versión manuscrita.

Los minerales preliminares de dos depósitos de talco se han detectado utilizando un microscopio polarizador.

Los depósitos de talco de Atshan son de grano fino que los depósitos de talco de Darhib. Está compuesto predominantemente de mineral de talco (> 95 vol. %), con minerales subordinados (menores) como tremolita, carbonatos de serpentina y opacos. Su color varía de verde pálido a gris verdoso. Los depósitos de talco exhiben una textura lepidoblástica. Se distribuye principalmente como fragmentos y granos fibrosos microcristalinos densos (Fig. 4a). Se ha notado que los minerales de serpentina son abundantes en asociación con los minerales de talco, lo que refleja un protolito ultramáfico. Se observan minerales opacos de repuesto con cristales anédricos a euédricos de Cr-espinela, óxidos de Fe-Ti y sulfuro (pirita).

Fotomicrografías (utilizando un microscopio de polarización (Olympus X53)) de las áreas de Atshan y Darhib, desierto del sudeste, Egipto: (a) minerales de talco de grano fino (Tc) aparecen como fragmentos en el área de Atshan, y (b) abundancia de minerales opacos ( óxidos de hierro) en la zona de Darhib.

Asimismo, los depósitos de talco Darhib de grano fino tienen los mismos componentes mineralógicos que Atshan. Los depósitos de talco exhiben una textura lepidoblástica con una disposición paralela de minerales de talco y tremolita cortados y foliados. Los parches aciculares de tremolita y carbonato se presentan como cristales diseminados incrustados en una matriz muy fina de talco. Los minerales opacos son comúnmente pirita fracturada de grano medio y euédrica y/u óxidos de Fe-Ti (Fig. 4b).

La roca a granel (elementos principales (% en peso) y elementos traza (ppm)) de los depósitos de talco examinados se dan en la Tabla 1. Entre el talco investigado, las muestras de Atshan tienen un alto contenido de SiO2 (promedio 60,73 en peso), y concentraciones más altas de elementos de transición como Co (promedio 53,92 ppm), Cr (781 ppm), Ni (promedio 1303,6 ppm), V (promedio 16,67 ppm) y Zn (promedio 55,7 ppm). Además, las muestras de Atshan poseen altas concentraciones de elementos calcófilos como el As (media de 10,86 ppm). Por el contrario, las muestras de Darhib tienen un alto contenido de MgO (promedio de 27,95% en peso) y elementos semivolátiles como Pb (promedio de 20,78 ppm) en relación con las muestras de Atshan. Ambas muestras examinadas tienen contenidos bajos (menos de la unidad) de TiO2, Al2O3, Na2O, Cr2O3, CaO y MnO, lo que refleja la naturaleza residual de su protolito, que es similar a la peridotita del antearco y las serpentinitas panafricanas8,11,26. ,28 (Fig. 5a,b).

Diagramas de rocas completas (utilizando el programa Coreldrow versión 2012): (a) Al2O3 de las muestras examinadas se comparan con antearco, serpentinitas panafricanas45 y otras57; (b) Al2O3 frente a CaO58; (c) Oligoelementos normalizados al manto primitivo29; (d) Diagrama binario de SiO2/MgO frente a Al2O328; y (e) diagrama CaO–Al2O3–MgO59.

Es notable a partir de los diagramas de oligoelementos29 normalizados del manto primitivo que las muestras examinadas revelan un claro agotamiento de elementos incompatibles como Co, Cu y Cr con anomalías positivas de Ni (Fig. 5c). Además, se observa la anomalía positiva de los elementos semivolátiles como el Pb y fuerte la anomalía negativa de los LFSE como el Sr. Además, las anomalías positivas claramente pronunciadas de As, Sn y Cd se atribuyen a la abundancia de minerales de sulfuro4.

Los datos de Landsat-8 (OLI) incluyen siete bandas espectrales VNIR y SWIR. Para construir una imagen en color utilizando los datos de estas bandas, solo se requieren tres bandas en una combinación de bandas. Las combinaciones de bandas más efectivas son aquellas que aumentan el objetivo previsto e incluyen las bandas más informativas con la menor cantidad de redundancia de información y la menor cantidad de bandas intercorrelacionadas30. Se evaluaron varias bandas espectrales de los datos OLI para obtener las mejores imágenes FCC en la región de investigación que muestran la mejor discriminación litológica. Se ha utilizado el método Optimum Index Factor (OIF) combinado con una composición de color RGB utilizando el software ILWIS. El análisis de resultados de OIF mostró un compuesto diferente de bandas OLI para mejorar diferentes unidades de roca del área de investigación (Tabla 2). Estos FCC son el resultado de la relación entre las desviaciones estándar y los coeficientes de correlación de los datos utilizados31. El Landsat-8 (753) RGB distingue bien entre varias unidades litológicas de las áreas de Atshan y Darhib (Fig. 6a,b).

(a) Landsat-8 7, 5, 3 en compuesto de color falso RGB del área de Atshan, y (b) Landsat-8 7, 5, 3 en compuesto de color falso RGB del área de Darhib usando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3.

La metodología estadística multivariada y la técnica de reducción de la dimensionalidad que se utiliza con frecuencia con los datos de teledetección es el análisis de componentes principales (PCA)30. PCA se utiliza para producir bandas que no están correlacionadas con componentes de ruido separados y minimizar la dimensionalidad espectral de los datos. Los datos de la banda PCA no están correlacionados, son independientes y, a menudo, se pueden interpretar mejor que los datos de origen. El análisis de componentes principales (PCA) es una de las técnicas más importantes para la discriminación litológica32. La transformación del análisis de componentes principales se realizó para las bandas Landsat-8 VNIR y SWIR para obtener datos litológicos.

Los valores propios de los datos OLI creados con el PCA revelaron que el primer PCA contiene la varianza más alta con un 95,83 %, y la segunda banda de PCA contiene una segunda varianza alta con un 2,95 % (Tabla 3). Según el análisis del vector propio, las mejores bandas PCA son PC1, PC2, PC3 y PC4. El compuesto de falso color de PCA (PC1, PC2, PC3) en RGB discrimina los depósitos de talco del área de Atshan con un color azul oscuro (Fig. 7a) mientras que el FCC (RGB- PC4, PC2, PC1) diferencia los mismos depósitos de este área por un color rosa intenso (Fig. 7b). Para los depósitos de talco en el área de Darhib, los autores produjeron imágenes compuestas de color (RGB-PC3, PC2, PC1 y RGB-PC4, PC3, PC1) para separar este depósito con color negro y lima (Fig. 7c, d) respectivamente.

La FCC del análisis de componentes principales: (a) Landsat-8 (RGB-PC1, PC2, PC3), (b) Landsat-8 (RGB-PC4, PC2, PC1) del área de Atshan. (c) Landsat-8 (RGB-PC3, PC2, PC1) y (d) Landsat-8 (RGB-PC4, PC3, PC1) del área de Darhib utilizando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3.

La técnica de transformación MNF es un algoritmo que consiste en sucesivas operaciones de reducción de datos, estando la primera operación basada en una estimación del ruido en los datos representado por una matriz de correlación. Esta transformación decorrelaciona y cambia la escala del ruido en los datos al hacer distinciones. La segunda operación tiene en cuenta la correlación original y crea un conjunto de componentes que contienen información ponderada sobre la varianza en todas las bandas del conjunto de datos33. MNF es similar a los análisis de componentes principales, ya que también requiere reducir el ruido residual de los datos espectrales como primer paso, lo que facilita la elección de espectros prototipo. La transformada MNF separa las bandas espectrales con información significativa que contribuye a la varianza general en el conjunto de datos de las bandas dominadas por el ruido34. Los resultados de MNF de este estudio muestran que el compuesto de color de las bandas MNF MNF3, MNF1, MNF2; MNF4, MNF1 y MNF3 en RGB representan depósitos de talco del área de Atshan por color rosa y azul, respectivamente (Fig. 8a, b). Además, los depósitos de talco Darhib aparecieron con colores azul y rojo usando MNF3, MNF1, MNF2 y MNF4, MNF1, MNF3 en RGB (Fig. 8c, d).

La FCC de transformación de fracción mínima de ruido: (a) Landsat-8 (RGB-MNF3, MNF1, MNF2), (b) Landsat-8 (RGB-MNF4, MNF1, MNF3) del área de Atshan. (c) Landsat-8 (RGB-MNF3, MNF1, MNF2) y (d) Landsat-8 (RGB-MNF4, MNF1, MNF3) del área de Darhib usando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3.

El racionamiento de bandas es una poderosa técnica común de procesamiento de imágenes en la detección remota, ya que mejora las diferencias espectrales entre las bandas y resalta las anomalías al dividir una banda espectral por otra35. Por lo tanto, este método se utilizó en el estudio actual para mejorar la capacidad de distinguir entre unidades de roca porque las imágenes proporcionales muestran claramente variaciones en las pendientes de las curvas de reflectancia espectral entre las dos bandas involucradas, independientemente de los valores de reflectancia absoluta observados en las bandas36. En este estudio se han utilizado varias proporciones de bandas para discriminar depósitos de talco en las áreas de Atshan y Darhib.37 Imagen FCC derivada de tres proporciones de bandas OLI (6/7 en rojo (R), 4/2 en verde (G), 6 /5 en azul (B)) y el FCC (RGB- 5/4, 6/7, 7/5) que discriminan talco con colores verde claro y negro, respectivamente del área de Atshan (Fig. 9a,b). Se propusieron dos nuevas relaciones de bandas para diferenciar los depósitos de talco en las áreas de Atshan y Darhib, utilizando las relaciones FCC (2/4, 4/7, 6/5) y (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/ 3). El resultado de la primera propuesta de proporción de bandas ilustra la aparición de depósitos de talco en las áreas de Atshan y Darhib, indicados por píxeles amarillos (Fig. 10a,b). La relación de la segunda banda se enfoca específicamente en los recursos de talco en la región de Atshan, representados por píxeles blancos (Fig. 10c).

(a) imagen con relación de color OLI RGB (6/7, 4/2 y 6/5) del área de Atshan, y (b) imagen con relación de color OLI RGB (5/4, 6/7 y 7/5) del área de Atshan usando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3.

(a) imagen de relación de color OLI RGB (2/4, 4/7 y 6/5) del área de Atshan, (b) imagen de relación de color OLI RGB (2/4, 4/7 y 6/5) del área de Darhib, y (c) Imagen de relación de color OLI RGB (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) del área de Atshan usando Arc GIS 10.4 y ENVI 5.3.

Los datos de gravedad se dividen en dos componentes: los mapas regionales y de componente residual. Las expresiones de componentes regionales son constituyentes de variaciones de composición a gran escala dentro del complejo de sótano cristalino enterrado (el efecto intra-sótano) y características de relieve estructural a gran escala (efecto supra-sótano). Las fuentes profundas (gravedad regional) (Fig. 11a) se clasifican en dos zonas. La primera zona se ubica en la parte nororiental y se caracteriza por anomalías de alta gravedad mientras que el valor de los datos regionales oscila entre 99,8 y 119,2 m.Gal. Mientras tanto, la segunda zona (anomalías bajas) cubre las partes suroeste y oeste del área de estudio y se caracteriza por datos de baja gravedad que van desde 99,8 a 63,8 mGal. Esto significa que la profundidad de las rocas del basamento en la parte noreste se encuentra cerca de la superficie de la tierra, mientras que las partes suroeste y oeste se caracterizan por una espesa capa sedimentaria.

(a) El mapa de anomalías regionales del área de estudio muestra lineamientos estructurales regionales; y (b) El mapa de anomalías residuales del área de estudio muestra lineamientos estructurales poco profundos (mediante el uso del software Oasis Montaj versión 8.3).

El mapa residual enfoca la atención en las características más débiles, que están oscurecidas por fuertes efectos regionales en el mapa original38. El componente residual comprende principalmente las contribuciones de las características estructurales de pequeña escala (detalladas) del complejo del basamento, además de las contribuciones de las posibles fuentes intrasedimentarias (p. ej., diques y láminas basálticas). La característica más notable en el campo cercano a la superficie (gravedad residual) es la anomalía alargada en las diversas partes y con tendencia NW-SE, NNW-SSE, NE-SW y E-W que delimitan la gran zona regional baja. Esto puede deberse a una falla o estructura de contacto en esta área. Además, se caracteriza por la presencia de un sistema de cierres estrechos distribuidos por toda el área de estudio con variaciones locales tanto en amplitud como en frecuencias.

Estructuralmente, los patrones de fallas a profundidades superficiales y profundas en el área de estudio se interpretaron a partir de mapas regionales y residuales. Las tendencias NW-SE, NE-SW y NNW-SSE están representadas en el mapa residual (Fig. 11b), mientras que NW-SE está representada en el mapa regional (Fig. 11a). Significa que la tendencia NW-SE es la más profunda en el área prospectiva de estudio. Mientras tanto, las otras tendencias se relacionaron con estructuras cercanas a la superficie en el área de estudio del prospecto.

La técnica de la señal analítica (AS) representa la envolvente de las derivadas horizontal y vertical sobre todas las direcciones posibles del campo gravitatorio terrestre. Es independiente del rumbo y buzamiento de las anomalías gravitatorias perturbadoras, así como de la dirección de interés. Al transformar la señal analítica (AS), las anomalías se colocan justo encima de sus cuerpos causales correspondientes. Esto se logra diferenciando el gradiente de campo regional total en tres direcciones perpendiculares en cada punto de medición. La base matemática de esta técnica de transformación se detalla en este manuscrito39,40. La señal analítica del mapa de anomalías de Bouguer (Fig. 12a) define muchas características altas, especialmente en el noroeste y se extiende hasta la esquina sureste del mapa, lo que está asociado con variaciones en el espesor estratigráfico, así como con los cambios litológicos dentro del basamento mismo. . Los patrones de anomalías en el mapa de señales analíticas revelan que el área está dominada por las zonas de anomalías NW-SE y N-S, que representan una señal de gravedad particular del Sistema Clísmico del Golfo de Suez-Mar Rojo. También se distingue por un fuerte gradiente en dirección NW asociado con cambios en las rocas del basamento. Las ubicaciones y, tal vez, las tendencias de máximo contraste de densidad están frecuentemente vinculadas con cambios petrofísicos dentro del complejo del basamento cristalino. El área de Atshan se caracteriza por valores de señal analítica intermedios a bajos que oscilan entre 0,0032 y 0,0008 mGal/m, mientras que la presencia de talco en el área de Atshan se caracteriza por un valor intermedio. Por otro lado, el área de Darhib se encuentra en la parte sur del mapa. Esta región se caracteriza por valores de AS que van de bajos a altos (0,0008–0,0100 mGal/m). Los valores intermedios a bajos son probablemente firmas de anomalías de rellenos sedimentarios. El aspecto de talco en esta zona se caracteriza por valores de AS intermedios.

(a) Mapa de anomalías de la señal analítica del área de estudio; (b) Mapa de anomalías de gradiente horizontal de las áreas de estudio (utilizando el software Oasis Montaj versión 8.3).

El enfoque de gradiente horizontal se ha utilizado ampliamente para determinar los límites de densidad utilizando datos de gravedad. Si los límites de un cuerpo tabular son verticales y están muy separados entre sí, el gradiente horizontal de la anomalía de gravedad inducida por el cuerpo tiende a superponerse a los bordes41. En comparación con el enfoque de gradiente vertical, que es principalmente beneficioso para detectar estructuras menos profundas, el método también es más sólido para definir fuentes tanto superficiales como profundas. La transformación de gradiente horizontal tiende a tener valores extremos en la pendiente más pronunciada de la señal de campo potencial y mejora las frecuencias más altas.

El gradiente horizontal es útil en la identificación de bordes debido a estas características. El cálculo del dominio de frecuencia de la amplitud del gradiente horizontal para los datos de gravedad del área de investigación (Fig. 12b). Generalmente, este mapa utiliza una técnica de gradiente horizontal para identificar los bordes y límites del cuerpo, con anomalías altas (color rojo) que indican esas ubicaciones. El mapa HDR del área de estudio muestra valores que van desde 0,0004 hasta 0,0074 mGal/m. Los valores altos de HDR se ubican principalmente en el noroeste y se extienden hacia la parte sureste del área de estudio. Las ubicaciones donde aparece el talco en la región de Atshan en el mapa de gradiente horizontal se caracterizan por valores intermedios a altos, y la principal tendencia de anomalía es NE-SW. Esto significa que esta zona fue afectada por estructura en dirección noreste-suroeste. El talco en el área de Darhib se caracteriza por altos valores de HG y la dirección general de la anomalía es NW-SE. Los máximos en HG también representan los contactos geológicos; los contactos interpretados de HG coinciden con los contactos geológicos conocidos.

El enfoque de imágenes de parámetros de fuente (SPI) es un mecanismo para calcular automáticamente las profundidades de la fuente a partir de datos de gravedad cuadriculados42. La siguiente fórmula se aplica para calcular la profundidad de generación de imágenes del parámetro de origen.

donde Kmax es el valor máximo del número local K que se mide a través de la fuente escalonada y M es el campo gravitatorio total.

El mapa de imágenes de parámetros de origen de la región de investigación (Fig. 13a) muestra un gran oleaje de la estructura del sótano marcado en color rojo. Este oleaje se extiende desde la esquina suroeste hasta la esquina noreste del área de estudio. La profundidad media del oleaje es de 850 m. Este oleaje está delimitado por una estructura de sótano profunda de color azul (canal). La profundidad promedio de la depresión alcanza los 3560 m, respectivamente. Las partes sureste y noroeste de Atshan tienen sótanos profundos, mientras que la parte central tiene sótanos poco profundos que se extienden desde el noreste hasta la esquina suroeste. Mientras tanto, la profundidad del sótano en el área de Darhib aumenta directamente desde las partes suroeste y noroeste hasta la parte central del área de Darhib.

( a ) Mapa de imágenes de parámetros de origen del área de estudio, ( b ) Desconvolución de Euler 3D del área de estudio para el índice estructural (mediante el uso del software Oasis Montaj versión 8.3).

La deconvolución de Euler ha sido bien establecida y ampliamente utilizada como método de interpretación para estimar la ubicación de la fuente y la profundidad a partir de campos potenciales (gravedad y magnéticos) para diversas fuentes geológicas, como diques, fallas, contactos y extrusivos43. En los últimos años, el método de Euler ha ganado una considerable popularidad en aplicaciones ambientales21,44. Con base en el análisis anterior, se ha empleado la deconvolución de Euler para determinar el índice estructural y la profundidad simultáneamente para fuentes simples. La ubicación horizontal se determina utilizando el método de Euler convencional aplicando un valor de índice estructural aproximado.

Los resultados de aplicar la técnica de deconvolución de Euler (índice estructural = 0) al mapa de anomalías gravitacionales se representan en una perspectiva tridimensional de la estructura del mapa de rocas del basamento para el área de estudio (Fig. 13b). Este mapa mostró información útil sobre el marco estructural de las áreas de estudio y proporcionó una imagen clara de las características del sótano. Generalmente, el patrón estructural (fallas y características estructurales similares) actúa como una característica de control en la deposición de mineral y tiene relación con las profundidades de los depósitos de mineral. La mayoría de los contactos superficiales y profundos se extienden en las direcciones NW-SE y NE-SW. Por tanto, la mayoría de estos lineamientos coinciden con la distribución de lineamientos superficiales trazada en el mapa geológico de la zona. Los valores de profundidad obtenidos al utilizar un índice estructural igual a cero van desde menos de 383 m hasta más de 3455 m.

Se ha realizado una nueva geoquímica para los depósitos de talco recolectados en las áreas de Atshan y Darhib para manifestar su composición química (elementos principales y traza) y deducir su origen. Además, utilizamos datos de teledetección y técnicas de datos de gravedad para detectar su extensión y profundidad, respectivamente. Esto refleja una gran reserva de depósitos de talco en las áreas examinadas que se usa ampliamente en varias aplicaciones industriales.

Se han utilizado varias técnicas de teledetección para el mapeo litológico del área de investigación utilizando datos de Landsat-8. Según la clasificación OIF de la imagen Landsat-8, la mejor FCC para la discriminación de depósitos de talco es (RGB-7, 5, 3). Además de MNF3, MNF1, MNF2 y MNF4, MNF1, MNF3 dieron la mejor representación de depósitos de talco en las áreas de Atshan y Darhib. Además, el mejor PCA (PC1, PC2, PC3 y PC4, PC2, PC1) en RGB mostró una buena discriminación de los depósitos de talco en el área de Atshan. Además de los depósitos de talco de Darhib, se han producido imágenes compuestas de color (PC3, PC2, PC1 y RGB-PC4, PC3, PC1) RGB para separar los depósitos de talco. Además, se han derivado dos nuevas relaciones de banda FCC (2/4, 4/7, 6/5) y (4 + 3/5, 5/7, 2 + 1/3) para distinguir los depósitos de talco en dos casos de estudio. , áreas de Atshan y Darhib.

Las anomalías de gravedad pueden ser causadas por tipos de rocas locales que varían lo suficiente en densidad para ser detectables. Los ejemplos incluyen rocas sedimentarias y sus derivados meteorizados que llenan cuencas, que generalmente se caracterizan por mínimos de gravedad en mapas de anomalías debido a la prevalencia de minerales cuarzo-feldespáticos. La alta gravedad se correlaciona comúnmente con rocas máficas y básicas debido a la abundancia de minerales de Fe-Mg en su interior. Estas variaciones son útiles para inferir estructuras como cuencas, arcos e intrusiones enterradas, cartografiar grandes áreas donde las rocas son inaccesibles o están ocultas y buscar fallas responsables de la yuxtaposición de rocas de diferentes densidades.

Para proporcionar una interpretación cualitativa y cuantitativa de los datos de gravedad, se utilizaron varias técnicas, como el gradiente horizontal residual regional (HG), la señal analítica (AS), la generación de imágenes de parámetros de fuente (SPI) y la deconvolución de Euler (ED). Según los análisis, las direcciones predominantes de los lineamientos estructurales son de noroeste a sureste, de noreste a suroeste y de norte-noroeste a sur-sureste. El resultado de profundidad del SPI varía de 850 m para fuentes poco profundas a 3560 m para espesor sedimentario, mientras que la estimación de profundidad de la deconvolución 3D de Euler indicó que las profundidades de las fuentes oscilaron entre 383 y 3453 m.

Las características geoquímicas de los depósitos de talco investigados sugieren un protolito ultramáfico del manto. Esto se puede deducir de su alto contenido de MgO (promedio de 27,89 en peso), Cr (promedio de 675 ppm), Co (promedio de 50 ppm) y Ni (promedio de 1252 ppm) y el agotamiento de CaO8,10,26, 45. Algunos óxidos importantes, como el SiO2 y el Al2O3, son relativamente inmóviles durante alteraciones variables46. Además, la relación Al2O3/SiO2 se puede utilizar para separar el régimen tectónico variable47. El protolito de talco examinado es principalmente rocas ultramáficas con MgO (promedio de 27,89% en peso) y Fe2O3 (promedio de 5,33% en peso), lo que sugiere la naturaleza del manto empobrecido48, que se emplaza en un entorno de antearco (Fig. 5d). Las muestras examinadas tienen contenidos bajos de Al2O3 (promedio 0,72) y SiO2/MgO (promedio 2,15), que es comparable con la peridotita ofiolítica (Fig. 5e). Esto está indicado por los bajos contenidos de CaO (promedio 0,32 % en peso), TiO2 (promedio 0,04 % en peso) y Al2O3 (promedio 0,72 % en peso). Además, tienen bajos contenidos de Al2O3/SiO2 y MgO/SiO2, inferiores a los del manto primitivo (~ 0,1 y ~ 0,85, respectivamente)29,49.

El talco, los carbonatos, la clorita y la serpentina son las principales fases minerales metasomáticas, que reflejan los procesos metasomáticos de las rocas del manto6,7,50,51. Estos procesos son responsables del enriquecimiento de MgO, Ni, Cr y Co en comparación con PM49. Las muestras examinadas se trazan en campos de composición de carbonato de sílice (diagrama SiO2–Fe2O3–(CaO + MgO)), que se identifican por composiciones mineralógicas. Este campo representa una zona de transición entre campos ricos en sílice y serpentinita (Fig. 14a). Mediante el uso del diagrama ternario de H2O–SiO2–MgO 7, las muestras examinadas se trazan entre las líneas de antofilita y talco, lo que refleja sus constituyentes mineralógicos típicos (Fig. 14b).

(a) Diagrama ternario SiO2–Fe2O3–(MgO + CaO). Campos de serpentinitas, rocas silíce- carbonatadas, ricas en carbonato y ricas en sílice7,50,51,60; y (b) diagrama ternario H2O-SiO2-MgO7 (usando el programa Coreldrow versión 2012).

Las rocas del manto dominante están enriquecidas con minerales ferromagnesianos que pueden ser reemplazados por minerales metasomáticos debido a la infiltración de fluidos CO2/H2O, lo que refleja la sobreimpresión del metamorfismo de facies de esquisto verde49,52. Estos minerales metasomáticos son ampliamente abundantes a lo largo de las zonas de cizallamiento y los planos de falla (ciertamente con rocas ofiolíticas debido a procesos de alta deformación), lo que sugiere el papel de las soluciones hidrotermales. Estas zonas de cizallamiento actuaron como canales para los fluidos mineralizantes hidrotermales que son responsables de los depósitos de talco. Además, estas zonas pueden haberse formado como resultado de fallas tectónicas, que dieron lugar a combinaciones ultramáficas y metavolcánicas.

Estos fluidos probablemente resultaron de la deshidratación durante el metamorfismo (etapa temprana) o fluidos magmáticos de intrusiones graníticas cercanas (etapa tardía) ciertamente a lo largo de las rocas graníticas W. Reiidi (Atshan) y El Kharit (Darhib) que son responsables de las adiciones de sílice4,53.

Además, la hidratación de los minerales anhidros del manto puede producir talco mineral54;

Durante el metasomatismo de Si de minerales hidratados, se puede formar talco en facies de esquisto verde a facies de anfibolitas más bajas (> 300–400 °C), lo que condujo a una disminución de las proporciones de MgO/SiO255.

Por otro lado, el talco puede formarse por serpentinización de rocas máficas (basálticas) por procesos metamórficos (soluciones hidrotermales ricas en sílice y magnesio) formando minerales metasomáticos56.

Además, la alteración en etapas tardías de rocas máficas provoca alteraciones representadas por silicificación, cloritización y epidotización4. Esta etapa es principalmente responsable de las rocas ricas en talco que contienen sulfuros a lo largo de las zonas de cizallamiento4. Según Schandl et al.13, existen una serie de ensamblajes metamórficos que van desde el metamorfismo de contacto (entre intrusión magmática y rocas volcánicas) hasta facies de esquistos verdes.

De lo anterior, podemos concluir que la deposición de talco puede estar relacionada con el metamorfismo de facies de esquisto verde o con una solución magmática que está (asociada con intrusiones graníticas) interactuando con las rocas volcánicas circundantes y formando minerales metasomáticos.

Los estudios detallados minerológicos y geoquímicos combinados de los depósitos de talco recolectados en Atshan y Darhib, en el desierto del sudeste de Egipto, revelan que son comparables con la peridotita ofiolítica ultramáfica. Están estructuralmente controlados y se presentan como lentes o cuerpos de bolsillo que siguen las direcciones NNW-SSE y E-W en Darhib y E-W en el área de Atshan. Están enriquecidos en elementos incompatibles y poseen anomalías positivas de elementos semivolátiles como Pb y anomalías negativas fuertes de LFSE como Sr. Además, claras anomalías positivas pronunciadas de As, Sn y Cd, lo que se atribuye a la abundancia de sulfuro. minerales La detección de depósitos de talco en las áreas de Darhib y Atshan se logró con éxito utilizando varias técnicas de detección remota, es decir, compuesto de color falso (FCC), análisis de componentes principales (PCA), fracción mínima de ruido (MNF) y relación de banda (BR), que fueron aplicado a los datos de Landsat-8. Se crearon dos nuevas relaciones de banda FCC para distinguir los depósitos de talco de las áreas de Atshan y Darhib. Los datos de gravedad se interpretaron cualitativamente utilizando técnicas regionales, de gradiente horizontal residual (HG) y de señal analítica (AS). La interpretación cuantitativa se realizó utilizando imágenes de parámetros de fuente y métodos de deconvolución de Euler. Los resultados mostraron que las tendencias de los lineamientos estructurales dominan en las direcciones NW-SE, NE-SW, NNW-SSE y E-W. El resultado de profundidad del SPI varía desde 850 m para fuentes poco profundas hasta 3560 m para espesor sedimentario, y la estimación de profundidad de deconvolución de Euler 3D reveló profundidades para fuentes que van desde 383 a 3453 m. Los resultados de estas técnicas son muy parecidos entre sí. Sugerimos que los depósitos de talco pueden estar relacionados con metamorfismo regional o con fluidos magmáticos que (asociados con intrusiones graníticas) interactúan con las rocas volcánicas circundantes y forman minerales metasomáticos.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este manuscrito.

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Departamento de Geología, Facultad de Ciencias, Universidad Al-Azhar, PO Box 11884, El Cairo, Egipto

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

Centro Nacional de Investigación, El Cairo, Egipto

Mohamed A. Rashwan y Mokhles K. Azer

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ESL escribe el manuscrito (introducción, secciones geológicas, petrográficas y geoquímicas). WHM. aportado en la sección de gravedad, mientras que la sección de teledetección es preparada por MHE MA.R. y MKA contribuyen a la preparación de las muestras examinadas. Todos los autores contribuyeron a la revisión del manuscrito. Todos los autores están de acuerdo con la publicación de este manuscrito en Scientific Reports.

Correspondencia a El Saeed R. Lasheen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Lasheen, ER, Mohamed, WH, Elyaseer, MH et al. Detección geoquímica y remota integrada con datos satelitales de gravedad de los depósitos de talco de Darhib y Atshan, desierto del sureste de Egipto. Informe científico 13, 9108 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31398-x

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Recibido: 27 diciembre 2022

Aceptado: 10 de marzo de 2023

Publicado: 05 junio 2023

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

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