Issiaka Savane, Institut d'écologie tropicale, Abidjan, Côte d'Ivoire
Bénié Goze, CARTEL, Université Sherbrooke, Canada,
Jean Biemi, Département des sciences de la terre,
Université nationale de Côte d'Ivoire, Abidjan, Côte d'Ivoire
Dans le cadre d'un projet de recherche entre l'UREF, l'IET et le CARTEL de l'Université de Sherbrooke visant à évaluer le rôle de la télédétection dans la recherche des eaux souterraines en milieu cristallin, une étude structurale et géologique par télédétection a été entreprise. Cette étude avait pour but d'établir l'inventaire des réseaux de linéaments principaux pour la sélection des sites privilégiés des forages.
L'interprétation géologique des images et les données géologiques déjà existantes sur la nature des roches ont permis d'établir une carte d'unités géologiques et des axes structuraux majeurs sur des formations constituées en grande partie de granite et granite migmatique. L'exploitation des données provenant à la fois des études sur l'affleurement, de l'interprétation des photographies aériennes et des images satellitaires a permis de dégager les grandes orientations tectoniques suivantes : N0-20°, N30-60°, N80-100° et N120-170°, dont l'âge varie du paléozoïque inférieur au crétacé.
Les diagrammes de fréquence ont permis de déterminer les grandes directions de fractures de tension pouvant parfois présenter des ouvertures productives, à savoir les directions NE, NW, NS. Les traitements numériques ont porté sur le rehaussement, les rapports et combinaisons entre bandes TM et la classification semi-dirigée. On a retenu le filtrage directionnel de Sobel, matrice 7´7.
A structural and geological study aimed at evaluating the role of remote sensing in the search for underground water in fractured rock environments was undertaken in the framework of a joint UREF, IET and CARTEL (Sherbrooke University) project. The objective of the project was to prepare an inventory of the major lineament networks for the selection of drilling sites.
The geological interpretation of images, linked with the existing geological information of the nature of bedrock, has made it possible to establish a map of geological units and of the major structural axes on mainly granite and magmatic granite formation. The combined use of data from the study on surfacing, from the interpretation of aerial photographs and from satellite images has made it possible to obtain the following main tectonic orientations: NW-20o, N30-60o, N80-100o and N120-170o, whose age varies from the lower Paleozoic to the Cretaceous.
The frequency diagrams have made it possible to determine the main directions of tension fractures that can at times present productive openings, in particular the NE, NW and NS directions. Digital processing was based on height adjustment, the ratio and the combination between TM bands and semi-assisted classification. A Sobel directional filter with a 7x7 matrix was chosen.
Dans le cadre de ses activités, le réseau de télédétection de l'UREF, l'IET et le CARTEL ont entrepris un projet de recherche des eaux souterraines en milieu de socle au Nord-Ouest de la Côte d'Ivoire. Ce projet vise à situer la place de la télédétection dans la résolution de ce problème.
L'une des méthodes les plus utilisées dans la prospection des eaux souterraines dans le socle est la sélection des sites d'implantation des forages à grand débit par l'exploitation des fractures. C'est sur cet aspect que nous avons concentré nos efforts. Les problèmes d'échelle, lors de la superposition des documents et reproductions photographiques des scènes Landsat aux cartes topographiques, limitent la précision dans le choix des sites.
Les travaux de Biémi (1991) sur la géologie et les linéaments régionaux du bassin de la Marahoué et les travaux de Géomine (1982) sur la géologie de la région d'Odienné ont été les éléments de base de ce travail. Notre contribution a consisté en l'inventaire des réseaux de fracture à rôle hydraulique dans la région d'Odienné et en l'étude géologique et structurale des scènes Landsat. Les travaux de terrain et l'analyse des photographies aériennes et de l'imagerie satellitaire ont permis de comparer les grandes directions de fracture. Par l'intégration numérique de ces données nous avons réalisé la cartographie des linéaments de la région et étudié l'exploitation des fractures dans la recherche de la productivité des forages.
L'étude de ce site a nécessité trois scènes Landsat Thematic Mapper. Ce sont des images du 8 janvier 1986, du format 6250 BPI adaptable au logiciel I2S, dont les caractéristiques sont les suivantes :
| Paths | Rows | Quadrant |
| 199 | 53 | 2 et 4 |
| 198 | 53 | 1 et 3 |
| 198 | 54 | 1 et 2 |
En plus de ces scènes, une représentation photo-satellitaire du site à l'échelle de 1/100 000 a été utilisée. Ces images ont été prises en l'absence de nuages, en pleine saison sèche. La création de la mosaïque a nécessité un calibrage radiométrique (ajustement de la moyenne et de l'écart-type entre les secteurs de recouvrement) et la correction géométrique a comporté un rééchantillonnage de la taille des pixels à 50 * 50 mètres, compte tenu de la grande superficie du secteur d'étude (13 340 km²). Les bandes 3 (rouges), 4 (proche infrarouge), 5 (infrarouge moyen) et 7 (infrarouge lointain) ont été retenues.
Les traitements d'images ont porté sur la recherche des combinaisons d'images rehaussées favorisant la discrimination des ensembles lithologiques et la perception des linéaments sur les compositions colorées. Ainsi, l'étude géologique a été menée à partir des composantes principales, du rapport TM7 - TM4, de la combinaison TM6 + TM7 et des filtres directionnels de Sobel utilisant une matrice 3 * 3 ou 7 * 7. Plus de 200 photos aériennes ont été utilisées pour couvrir la zone d'étude, et ont servi aux études des linéaments et de la géomorphologie. Ces photos sont à l'échelle de 1/50 000 en noir et blanc. A ces images et photos s'ajoutent les cartes topographiques de 1/200 000 et les informations géologiques préexistantes ou recueillies lors des études géologiques à l'affleurement.
L'esquisse de la carte géologique (figure 1) met en évidence l'importance des granites à biotite d'extension régionale qui occupent 42 % de la superficie ; viennent en deuxième position les migmatites (migmatites anciennes et récentes) avec 30 % de la superficie. Les granites à biotites homogènes, les granites à deux micas et les granodiorites occupent 11 % de la superficie de la région, les métasédiments et métavulcanites 5 % et le gneiss 12 %.
Les formations impliquées dans les orogenèses qui affectent la région d'Odienné peuvent être divisées en deux groupes (Potin, 1988) :
· Les roches métamorphiques, constituées de reliques de roches libériennes, d'un ensemble de roches d'origine volcanique, subvolcanique et sédimentaire qui se sont mises en place dans les sillons d'âge birrimien, d'orthogneiss et d'amphibolites considérés tantôt comme libériens, tantôt comme précoces en cycle éburnéen. Le métamorphisme qui affecte ces formations est du faciès granulite pour les roches libériennes, généralement du faciès schiste pour les métavulcanites et les associées, et enfin du faciès amphibolite pour les orthogneiss et amphibolites.
· Les plutonites dont l'essentiel est formé de granitoïdes et de roches associées. Toutes ces formations ont subi d'importants phénomènes dont elles portent la marque. L'étude pétrographique des granitoïdes d'Odienné a permis de distinguer les granodiorites, les granites hétérogènes, les granites homogènes, les granites à deux micas, les pegmatites et aplites associées.Les faciès sont très variés, tant par leur texture et leur structure que par leur composition minéralogique. Les faciès les plus fréquents ont un aspect orienté avec des alternances à limites diffuses de zones leucocrates à grains moyens et de zones mésocrates, en général à grains plus fins, à biotite ou biotite amphibole (Géomines, 1982).
Tous ces faciès de roches plutoniques présentent :
· une altération hydrothermale qui s'exprime souvent par une séricitisation des feldspaths, une chloritisation de la biotite et une ouralisation de l'amphibole,
· une cataclase caractérisée par des torsions ou ruptures des minéraux accompagnées parfois de petits décrochements de macles ; une linéation minérale fréquente, l'extinction onduleuse et les bandes de déformations dans le quartz, preuves d'une mise en place syncinématique,
· un zonage des feldspaths qui marque le caractère magmatique de ces formations.
FIGURE 1
Carte géologique de la région d'Odienné
Le birrimien est représenté par des métasédiments et méta-vulcanites présents surtout dans la partie centrale de la carte. Les migmatites anciennes ont été cartographiées dans la partie Est et Nord-Est. Les gneiss traversent la carte du NNO-SSE .
FIGURE 2
Histogrammes des fréquences de fractures
Les linéaments identifiés à partir des images TM et ceux identifiés sur les photographies aériennes ont été superposés aux fractures observées à l'affleurement. Les rosaces de direction, constituées à partir de ces trois observations, ont permis de déterminer les grandes directions de fractures régionales (figure 2).
Les deux premières méthodes présentent des directions presque similaires. Le diagramme de fréquence à partir des observations sur les affleurements est légèrement différent des deux autres observations. Cela s'explique par le fait que la couverture totale et effective sur le terrain d'un site à grande échelle étant humainement impossible, le nombre de fréquences d'observations de direction des fractures est faible et même incomplet par rapport aux méthodes de télédétection. L'observation des images satellite offre donc beaucoup d'avantages et permet de gagner beaucoup de temps dans l'élaboration d'une carte de fractures.
Sur la base de l'analyse statistique et des informations géologiques disponibles, la direc-tion NE, correspondant à la direction du birrimien, a été considérée comme celle de la déformation tectonique majeure. Ainsi, les fractures proches du NE peuvent être considérées comme des fractures de tension et les fractures d'orientation NW, étant orthogonales aux contraintes de compression, seraient donc situées dans les plans de cisaillement et, de ce fait, peuvent être considérées comme étanches. Les fractures d'orientation NS sont assez nombreuses dans la région.
FIGURE 3
Filtrage directionnel de Sobel, matrice 7´7 permettant de rehausser les linéaments
D'une façon générale, ces accidents s'intègrent parfaitement dans la tectonique cassante de la Côte d'Ivoire. Les couloirs de cisaillement de la région d'Odienné correspondent à des directions majeures dans le socle africain. Ces cassures du socle seraient apparues au cours des orogenèses libériennes (2 500 MA), panafricaines (600 MA) et hercyniennes (350 MA) ou au moment de l'ouverture de l'Atlantique, il y a 200 MA (Biémi et al., 1991). Nombre d'entre elles auraient subi des phases de remobilisation depuis le crétacé.
L'obtention d'un grand débit dépend en grande partie du positionnement des forages. La position la plus convoitée est celle située sur l'intersection de deux ou plusieurs fractures kilométriques.
Le rehaussement des images TM par le filtre directionnel de Sobel dans la matrice 7´7 permet de mettre en évidence les grandes fractures dans les différentes directions. Par l'intermédiaire d'un système graphique, on peut tracer ces fractures et ensuite déterminer les différentes intersections qui offrent plus de chances de succès (figure 3).
Si l'on tient compte des critères d'implantation des forages dans le socle qui les veulent :
· dans le croisement de fractures les plus longues, les plus nettes, et si possible les plus nombreuses,
· en un point topographiquement bas,
· en aval d'un bassin versant le plus large possible,
· à proximité d'un marigot permanent,
on doit admettre que chaque forage réalisé dans le socle est positionné par rapport à au moins un accident appartenant à une direction tectonique déterminée. Par conséquent, l'étude des relations entre forages et fractures peut s'avérer intéressante pour expliquer le rôle hydraulique de certaines directions d'accidents.
TABLEAU 1
Directions tectoniques et implantation des forages
| Pourcentage de forages liés à chaque direction tectonique | |
| N-S NE-SW E-W NW-SE |
22,35 29,10 22,68 25,88 |
La carte de linéaments réalisée à partir des images satellitaires a été introduite dans le système Arc-Info. Dans ce système, nous avons classé les fractures selon les directions N-S, NE-SO, E-O et NO-SE. Sur ce fichier, nous avons superposé la base des données sur les ouvrages à la carte de linéament, après avoir produit une carte thématique représentant la distance de tout point de la zone d'étude par rapport au linéament le plus rapproché. Nous avons déterminé par le système Arc-Info la distance séparant chacun des 134 ouvrages de la fracture la plus proche dans chacune des quatre directions précitées.
TABLEAU 2
Pourcentage de gros débits et des débits moyens dans chaque direction
| Pourcentage des débits supérieurs à 6 m3/h | |
| N-S NE-SW NW-SE E-W |
2,73 29,80 32,36 35,12 |
| Pourcentage des débits compris entre 3 et 6 m3/h | |
| N-S NE-SW NW-SE E-W |
23,83 31,74 26,93 17,50 |
Le calcul des pourcentages d'ouvrages liés à chaque direction tectonique au moment de l'implantation des ouvrages donne les résultats figurant au tableau 1.
Ces pourcentages permettent de classer les accidents en fonction de leur influence dans le positionnement des forages :
NE-SO > NO-SE > E-O > N-S.
Les accidents NE-SO et NO-SE, qui s'associent aux directions libériennes et éburnéennes d'Afrique, sont les mieux visibles sur les images satellitaires.
La répartition des débits suivant les quatre directions est consignée dans le tableau 2.
L'influence des accidents N-S et NE-SW n'est remarquable que sur les débits moyens. En effet, dans ce cas, 55 % des ouvrages à débits moyens sont liés à ces directions de fracture.
FIGURE 4
Courbe de décroissance des pourcentages de forages en fonction des distances d'éloignement par rapport aux fractures
Nous avons superposé la carte des linéaments conçue à partir des images Landsat à celle des ouvrages réalisés sur le site lors des campagnes d'hydraulique villageoise dans le système Arc-Info, et nous avons étudié la distribution des ouvrages à l'intérieur des classes d'éloignement de 200 en 200 m par rapport aux fractures.
La figure 4 permet de distinguer trois parties:
· une droite des implantations idéales localisées sur l'axe des ordonnées, évaluée à 9,5 % et qui renseigne sur le nombre de forages captant directement les fractures;
· une courbe de croissance entre 0 et 1 000 m, avec un pic à 400 m. Cette croissance correspond à 69,2 % du nombre de forages. Ce sont les ouvrages à la fois les plus proches des accidents et les plus sollicités par les campagnes de forage;
· une courbe de décroissance faible entre 1 200 m et 3 000 m représentant 30,8 % du nombre de forages. Ce sont les ouvrages les plus éloignés des fractures.
En général, les ouvrages issus des campagnes d'hydraulique villageoise, réalisés dans les années 1976, ont été implantés de façon aléatoire :
· 9,5 % des ouvrages captent directement les fractures et correspondent à ceux qui offrent des pourcentages de débit fort, supérieur ou égal à 6 m3/h. Parmi eux, on peut noter Doumbala (20 m3/h), Kadiola (17,6 m3/h), Geouisso (12 m3/h), Nienesso (10 m3/h) etc.;
· 59,7 % des ouvrages sont plus ou moins proches d'une fracture et offrent des pourcentages de débit intermédiaires compris entre 2 et 4 m3/h. Ce sont des ouvrages tels que Sélé et N'goloblasso (2,9 m3/h), Bougousso (3,3 m3/h), Nabagala (4,5 m3/h) etc.;
· 30,8 % des ouvrages offrent des pourcentages de débit inférieur ou égal à 2 m3/h.
L'idéal, dans la recherche hydrogéologique en milieu de socle, serait de rencontrer une fracture ouverte susceptible d'offrir un débit maximum. Si un ouvrage est placé sur des fractures profondes, ou mieux sur l'intersection de deux ou plusieurs fractures, il est possible d'obtenir un grand débit d'eau souterraine (Parizek, 1976). La cartographie des fractures est donc recommandée dans les zones de socle parce que l'eau souterraine se trouve dans les structures secondaires où les vides sont développés par l'action tectonique et l'altération.
Le nombre de fractures et le nombre d'intersections de fractures sont des mesures de la perméabilité secondaire moyenne de l'aquifère de roche cristalline et, par conséquent, de la grandeur d'écoulement d'eau souterraine autour du puits (Brook, 1988). Ainsi, on constate qu'un forage réalisé dans ces zones, sur la base des photographies aériennes et/ou de la géophysique, doit être distant d'un kilomètre au maximum d'un accident pour être productif. Par conséquent, chaque forage doit se situer à proximité d'au moins une fracture dont il est censé capter les eaux souterraines.
L'interpolation des distances, par rapport aux fractures, présente un certain nombre de sources d'erreurs qui sont :
· la correction géométrique,
· l'interpolation imparfaite,
· les erreurs dans les relevés des linéaments,
· les traces de crayon,
· les erreurs de lecture.
En raison de sa grande dimension, le pixel du site a été échantillonné à 50 m. Compte tenu des différentes sources d'erreurs, on a accepté pour cette étude une marge de ± 2 pixels, ce qui correspond à la distance de 100 m.
Dans la région d'Odienné, en Côte d'Ivoire, une interprétation géologique des images Landsat TM et des photographies aériennes a permis d'établir la carte des principales unités et les rosaces des principales directions des fractures majeures. Sur le plan géologique, cette région est caractérisée essentiellement par les formations de granito-migmatites, les granites, les granites à biotite, les granites à deux micas, le gneiss, et les formations volcaniques. Les linéaments y sont caractérisés par les principales directions suivantes : NO-20°, N30-60°, N80-100°, N120-170°. Ces directions de fractures définissent plusieurs couloirs de cisaillement et de failles et ces accidents cassants ont un rôle hydrogéologique important. En effet, pour garantir un débit optimum des forages en zone de socle, la recherche des fractures ou des intersections de fractures est conseillée. C'est ainsi que nous avons inventorié plusieurs fractures qui présentent un intérêt certain pour les futures campagnes d'hydraulique villageoise.
L'étude des linéaments et des fractures présente certaines limites dans leur interprétation. On doit notamment tenir compte du facteur humain. En effet, pendant l'interprétation, les copies peuvent subir une rotation et les traits des linéaments sont alors observés sous des angles différents, ce qui peut fausser l'interprétation des images. D'autre part, dans l'interprétation des images Landsat à travers un viseur additif couleur, la scène est observée sous des directions angulaires limitées.
Nous tenons à remercier l'UREF (Université des réseaux d'expression française) pour nous avoir permis de réaliser ce travail grâce à une subvention de recherche partagée.
Brook, G. 1988. Hydrological factors influencing well productivity in the crystalline rock regions of Georgia South-eastern. Geology, vol.29, p. 65-81.
Géomine. 1982. Inventaire hydrogéologique appliqué à l'hydraulique villageoise. Cahier n° 4. Ltée, 24 p.
Potin Koffi, B.K. 1988. Pétrographie et géochimie des formations précambriennes de la région d'Odienné (Nord-Ouest de la Côte d'Ivoire). Thèse Doctorat ès-sciences naturelles.
Biémi, J., Gwyn, Q.H.J., Deslandes, S. et Jourda, P. 1991. Géologie et réseaux de linéaments régionaux du bassin versant de la Marahoué, Côte d'Ivoire : cartographie à l'aide des données Landsat TM et du champ magnétique total. Télédétection et gestion des ressources. Vol. VII, Paul Gagnon (édit.). L'Association québécoise de télédétection. p. 135-145.
Parizek, R.R. 1976. Lineaments and ground water. Memurtry, G.T. et Petersen, G.W. (éds) Interdisciplinary application and interpretation of EREP data within the Surquehanna River basin. SKYLAB EREP Investigation # 475, NASA contract n° 9, 134076, ORSER SSEL, vol. 4, p.59-86.
