Ορυκτο-πετρογραφική προσέγγιση, γεωχημική μελέτη και φασματοσκοπία υπερύθρου των πετρωμάτων της νήσου Κω και Αστυπάλαιας, σε συνδυασμό με δορυφορικά δεδομένα και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών

Abstract

The combination of fundamental geological field research and the results of laboratory analyses of rocks, when integrated with modern, digital visualization tools, represents an innovative approach to the emerging scientific questions faced by contemporary geoscientists. The investigation of such a scientific subject involves fieldwork for the collection of representative samples of the geological substratum, with precise recording of their sampling locations, followed by their mineralogical–petrographic and geochemical analyses, as well as their infrared spectroscopic analysis, aiming at their comprehensive characterization. Multispectral satellite imagery, through appropriate digital processing, enables the identification of spectral targets under investigation, including minerals and rocks of a given area. For the successful integration of the above datasets and their spatial distribution, the use of Geographic Information Systems (GIS) is essential. GIS constitutes a digital system for the management of spatial and non-spatial data, where geographically referenced information is imported, corrected, homogenized, stored, analyzed, and ultimately presented. Remote sensing data are incorporated into the spatial information of a Geographic Information System, providing highly updated and often particularly detailed information. The samples examined were collected from Kos and Astypalaia island, representing a range of lithological formations derived from different geological environments. The objective was, on the one hand, to correlate the Near Infrared (NIR) spectral signatures of the samples with other laboratory methods widely applied in geological sciences, and on the other hand, to use these as reference spectra for the further evaluation of ASTER satellite imagery through supervised classification. The innovation of the present dissertation lies in the development of spectral libraries covering a wide variety of lithologies across different geological settings—contrasting with existing spectral libraries that mainly focus on the spectral properties of individual minerals—and the application of laboratory spectral measurements for lithological classification at the complex scale of satellite imagery, particularly within the geological context of Greece. In summary, emphasis was given to: 1) The study of various samples from different lithological formations using Near Infrared Spectroscopy, 2) Their petrographic and mineralogical characterization, as well as their geochemical and mineral chemical analysis. The evaluation of ASTER satellite data through supervised classification using the SAM algorithm, with the fundamental contribution of laboratory spectral data to the calibration and interpretation process. The lithological heterogeneity of the examined samples, combined with the geological background of the study areas, provided valuable insights into their spectral behavior at both micro- and macro-scales. The application of the Near Infrared (NIR) method to materials originating from different geological formations, and its comparison with petrographic, mineralogical, geochemical, and mineral-chemical analyses, led to a more comprehensive implementation of the technique. Several parameters—including, among others, mineral chemistry, grain size, color, texture, and moisture content—affect the spectral properties of the samples, resulting in pronounced spectral variability. The results derived from the extensive spectroscopic analysis and the complementary laboratory methods demonstrate that the spectral properties of rocks are directly related to their chemistry and mineralogical composition. In the case of carbonate rocks, conclusions were drawn regarding their chemical composition, the presence of additional minerals, and their grain size. Moreover, the identification of carbonate material and phyllosilicate minerals in the sandstones is indirectly associated with their degree of maturation (chemical or lithological). Additionally, the spectral properties of intermediate igneous rocks, such as the monzonite from Mount Dikaios on Kos Island, differ from those of acidic or mafic–ultramafic rocks due to the presence of hydrous, characteristic minerals such as hornblende. The spectral features of volcanic rocks provided information about phenocrystals, the presence of alteration processes, and even early indications of the chemistry of volcanic glass. Finally, the spectral properties of metamorphic and altered rocks varied according to the origin of their protoliths (meta-sedimentary or metabasic) and possibly are also related to their degree of metamorphism. The interpretation of the final products derived from various methodologies applied to satellite imagery has been traditionally associated with the use of reference data obtained directly from satellite images, characterizing specific pixels. Such data represent average measurements that record remotely sensed information influenced by the atmosphere and the surrounding environment, as received by the satellite sensors. In contrast to this conventional approach, the use of laboratory spectral measurements provided an interesting alternative, as the recorded spectra accurately represent the intrinsic properties of the samples, with minimal influence from external factors. The spectra obtained from the application of the Near Infrared Spectroscopy (NIR) method were used as reference spectra for the calibration and subsequent classification of the ASTER multispectral data, employing the Spectral Angle Mapper (SAM) algorithm. The results are quite successful and represent well the geological structure of the study areas, particularly in regions with representative lithological outcrops. The development of spectral libraries for various rock types, across different geological environments, provides valuable information about the spectral properties of lithological formations that form the Earth’s crust and beyond, unlocking faster pathways for remote mapping—even on other planets.

Ο συνδυασμός της βασικής γεωλογικής έρευνας πεδίου και των αποτελεσμάτων των ενόργανων, εργαστηριακών αναλύσεων των πετρωμάτων, σχετιζόμενος με τα σύγχρονα ψηφιακά εργαλεία απεικόνισης, αποτελεί μια καινοτόμο προσέγγιση στα αναδυόμενα επιστημονικά ερωτήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι σημερινοί γεω-επιστήμονες. Η διερεύνηση ενός τέτοιου επιστημονικού αντικειμένου περιλαμβάνει υπαίθρια έρευνα για τη συλλογή αντιπροσωπευτικών δειγμάτων του γεωλογικού υποβάθρου, με ακριβή καταγραφή των θέσεων δειγματοληψίας τους, την ορυκτο-πετρογραφική και γεωχημική ανάλυσή τους, καθώς και την ανάλυση φασματοσκοπίας υπερύθρου αυτών, αποσκοπώντας στον πλήρη χαρακτηρισμό τους. Οι πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες επιτρέπουν με κατάλληλη ψηφιακή επεξεργασία την αναγνώριση υπό διερεύνηση φασματικών στόχων,συμπεριλαμβανομένων των ορυκτών και πετρωμάτων μιας περιοχής. Για τον επιτυχή συνδυασμό των παραπάνω δεδομένων και τη χωρική τους κατανομή, είναι απαραίτητη η χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Geographic Information Systems - GIS). Το GIS είναι ψηφιακό σύστημα διαχείρισης χωρικών και μη δεδομένων, στο οποίο εισάγονται, διορθώνονται, ομογενοποιούνται, αποθηκεύονται, αναλύονται και εν τέλει παρουσιάζονται γεωγραφικά συσχετιζόμενες πληροφορίες. Τα δεδομένα Τηλε-ανίχνευσης ενσωματώνονται στις χωρικές πληροφορίες ενός Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών προσδίδοντας αρκετά ενημερωμένες και συχνά ιδιαιτέρως λεπτομερείς πληροφορίες. Τα δείγματα που μελετήθηκαν, συλλέχθηκαν από τις νήσους Κω και Αστυπάλαια, αντιπροσωπεύοντας ένα εύρος διαφορετικών λιθολογικών σχηματισμών, από διαφορετικά γεωλογικά περιβάλλοντα. Στόχο αποτέλεσε αφενός ο συσχετισμός των φασματικών υπογραφών Εγγύς Υπερύθρου (Near Infrared Spectroscopy – NIR) των δειγμάτων με άλλες εργαστηριακές μεθόδους που ευρέως χρησιμοποιούνται στην επιστήμη της Γεωλογίας και αφετέρου η χρήση αυτών ως δεδομένων αναφοράς (reference spectra) για την περαιτέρω αξιολόγηση των δορυφορικών εικόνων ASTER με τη χρήση επιβλεπόμενης ταξινόμησης. Η καινοτομία της παρούσας διατριβής έγκειται στην δημιουργία φασματικών βιβλιοθηκών ενός μεγάλου εύρους λιθολογιών σε διάφορα γεωλογικά περιβάλλοντα, σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες φασματικές βιβλιοθήκες που αφορούν κυρίως τις φασματικές ιδιότητες μεμονωμένων ορυκτών, και η εφαρμογή εργαστηριακών μετρήσεων για την λιθολογική ταξινόμηση στην δαιδαλώδη κλίμακα των δορυφορικών εικόνων, ιδιαιτέρως δε, στον ελλαδικό χώρο. Με βάση τα παραπάνω, δόθηκε έμφαση: 1) Στην μελέτη διαφόρων δειγμάτων, ποικίλων λιθολογικών σχηματισμών με τη χρήσητης Φασματοσκοπίας Εγγύς Υπερύθρου, 2) Τον πετρογραφικό και ορυκτολογικό χαρακτηρισμό τους, την γεωχημική τους μελέτη και την ορυκτοχημική ανάλυση των ορυκτών, 3) Την αποτίμηση δορυφορικών δεδομένων ASTER μέσω επιβλεπόμενης ταξινόμησης με τον αλγόριθμο SAM, με την θεμελιώδη συνεισφορά εργαστηριακών φασματικών δεδομένων. Η λιθολογική ανομοιογένεια των εξεταζόμενων δειγμάτων, συνδυαζόμενη με το γεωλογικό υπόβαθρο των περιοχών μελέτης προσέφερε σημαντικές πληροφορίες για τον φασματικό χαρακτήρα τους, τόσο σε μικρο- όσο και σε μεγα-κλίμακα. Η εφαρμογή της μεθόδου NIR, σε υλικά από διαφορετικούς γεωλογικούς σχηματισμούς και η σύγκριση αυτών σε σχέση με την πετρογραφική και ορυκτολογική ανάλυση και την γεωχημική και ορυκτοχημική μελέτη, οδήγησε στην πληρέστερη εφαρμογή της μεθόδου. Αρκετές διαφορετικές παράμετροι, όπως μεταξύ άλλων ο χημισμός των ορυκτών, το μέγεθος των κόκκων, το χρώμα, η υφή και η περιεχόμενη υγρασία, επηρεάζουν τις φασματικές ιδιότητες των δειγμάτων, έχοντας σαν αποτέλεσμα την φασματική ποικιλομορφία (spectral variability). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εκτεταμένη φασματοσκοπική ανάλυση και τιςυπόλοιπες εργαστηριακές μεθόδους αποδεικνύουν πως οι φασματικές ιδιότητες τωνπετρωμάτων συνδέονται άμεσα με τον χημισμό και την ορυκτολογική τους σύσταση. Στην περίπτωση των ανθρακικών πετρωμάτων εξήχθησαν συμπεράσματα για την χημική τους σύσταση, την συμμετοχή άλλων ορυκτών αλλά και το κοκκομετρικό τους μέγεθος, ενώ η αναγνώριση ασβεστιτικού υλικού και φυλλόμορφων ορυκτών στα ψαμμιτικά πετρώματα,συνδέεται έμμεσα με την ωρίμανσή τους (χημική ή λιθολογική). Επιπλέον, οι φασματικές ιδιότητες μαγματικών πετρωμάτων ενδιάμεσου χημικού χαρακτήρα όπως του μονζονίτη, απότο όρος Δίκαιος της Κω, διαφοροποιούνται σε σχέση με αυτές των όξινων ή μαφικών-υπερμαφικών λόγω της παρουσίας ένυδρων, χαρακτηριστικών ορυκτών, όπως η κεροστίλβη. Οι φασματικές ιδιότητες των ηφαιστειακών πετρωμάτων απέδωσαν πληροφορίες για τους πορφυροκρυστάλλους, την παρουσία εξαλλοιωτικών διεργασιών, ή ακόμα και πρώιμες ενδείξεις για τον χημισμού της ηφαιστειακής υέλου. Τέλος, οι φασματικές ιδιότητες των μεταμορφωμένων και εξαλλοιωμένων πετρωμάτων διαφοροποιήθηκαν σχετικά με την προέλευση των πρωτολίθων τους (μετα-ιζηματογενή ή μεταβασικά), ενδεχωμένως και του βαθμού μεταμόρφωσής τους. Η ερμηνεία των τελικών προϊόντων που παράγονται από την εφαρμογή διαφόρων μεθοδολογιών κατά τη χρήση των δορυφορικών εικόνων, έχει συνδυαστεί κυρίως με τη χρήση δεδομένων αναφοράς που λαμβάνονται απευθείας από τις δορυφορικές εικόνες, χαρακτηρίζοντας συγκεκριμένα εικονοστοιχεία. Τα δεδομένα αυτά αποτελούν τον μέσο όρο μετρήσεων, καταγράφοντας στοιχεία από απόσταση που έχουν αλληλοεπιδράσει με την ατμόσφαιρα και το περιβάλλοντα χώρο, που ελήφθησαν από τους δορυφορικούς δέκτες. Εν αντιθέσει με τη συμβατική, η χρήση εργαστηριακών μετρήσεων αποτέλεσε μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση καθότι τα φάσματα αντιπροσωπεύουν λεπτομερώς τις ιδιότητες των δειγμάτων, με την ελάχιστη επίδραση εξωτερικών παραγόντων. Τα φάσματα από την χρήση της εργαστηριακής μεθόδου NIR, χρησιμοποιήθηκαν ως φάσματα αναφοράς (reference spectra), στην διαδικασία της βαθμονόμησης και επακόλουθης ταξινόμησης των πολυφασματικών δεδομένων ASTER με τη χρήση του αλγόριθμου φασματικής γωνίας (Spectral Angle Mapper – SAM). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι ρκετά επιτυχή και αντιπροσωπεύουν σε καλό βαθμό την γεωλογική δομή των περιοχών μελέτης, στις περιοχές αντιπροσωπευτικών λιθολογικών εμφανίσεων. Η εξέλιξη φασματικών βιβλιοθηκών διαφόρων πετρωμάτων, ποικίλων γεωλογικώνπεριβαλλόντων, παρέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις φασματικές ιδιότητες των λιθολογικών σχηματισμών που δομούν το γήινο ανάγλυφο και όχι μόνο, ξεκλειδώνοντας αχύτερες διεξόδους απομακρυσμένης χαρτογράφησης, ακόμα και σε άλλους πλανήτες.