Кронберг П.
Дистанційне вивчення Землі: Основи і методи дистанційних досліджень в геології

Відбиваюча і поглинальна здатності гірських порід покритих рослинністю. Частина 4

Поза межами аридної зони поверхні гірських порід і грунтів майже завжди приховані рослинністю. Її вигляд і щільність змінюються від району до району. Відповідно змінюється і площа вільних від рослин поверхонь гірських порід або ґрунтів. Наскільки спектральний сигнал, що йде від поверхні Землі і реєструється приймачем, буде визначатися спектральними ознаками рослинності або власними характеристиками прихованих під її покровом порід і грунтів, залежить від густоти і розподілу рослинності по поверхні місцевості, що знімається. Відповідно треба врахувати і просторову роздільну здатність (по площі) елементів, що реєструюються у використовуваному приймачі. У більшості випадків у «поле зору» приймача потрапляє ділянка місцевості з тим або іншим видом рослинності і з різною її густотою. Якщо просторова роздільна здатність реєструючого елементу складає, наприклад, дециметри або метри, то можна отримати роздільну реєстрацію сигналів від ділянок, покритих рослинами, і від вільних від рослин поверхонь порід або ґрунтів. Якщо ж роздільна здатність низька, сотні-тисячі метрів (наприклад, для сканера на супутнику «Landsat» близько 6000 м кв), то приймачем буде одночасно сприйматися випромінювання, відбите рослинністю і поверхнями, без неї, тобто в більшості випадків буде реєструватися змішаний сигнал.

Поряд з вивченням спектральної відбивної здатності гірських порід в останній час збільшилася кількість досліджень поглинання падаючої енергії Сонця певними мінералами і його можливого значення для дистанційного зондування.

Численними дослідниками [1, 87, 89, 233, 257, 260] було показано, що мінерали, що містять залізо і шаруваті силікати з групами AL-OH і Mg-OH (глинисті мінерали і гідрослюди) в певній частині спектру електромагнітної енергії, перш за все у відбитому середньому діапазоні інфрачервоного випромінювання, сильно поглинають падаючий потік енергії. Цей ефект виражається мінімумом відбивання у відповідній частині спектру або смугою поглинання, за якою можна діагностувати мінерали і гірські породи. Так, дво- і тривалентним залізом створюються сильні смуги поглинання близько 1,0 мкм, близько 0,92 мкм і більш тонкі, розташовані поруч один з одним смуги поглинання в інтервалі 0,40-0,55 мкм [119]. Тому спектр відбивання гірської породи може бути її спектральною характеристикою, яка визначається залізистими мінералами. Так, наприклад, червоний колір деяких порід і грунту зумовлений великим вмістом гематиту і гетиту (див., наприклад, графік відбивної здатності червоного аргіліту на рис. 7).

Смуги поглинання енергії виділяються насамперед у спектрах залізо-магнієвих і водних мінералів. Вплив цих мінералів на спектральні характеристики гірських порід зменшується, якщо в складі гірської породи є разом з мінералами, що містять залізо, або гідроксильну групу, або і ті й інші, кварц і польові шпати. Однак і в цьому випадку вищевказані смуги поглинання проявляться на графіку відбивної здатності породи.

Відбивна здатність мафічних та ультрамафічних гірських порід слабо змінюється в діапазоні 0,4-1,1 мкм. На противагу їм відбивна здатність фельзитових порід зростає безперервно у міру збільшення довжини хвилі [260], хоча є деякі мінімуми і максимуми в інтервалі 0,7-1,1 мкм (рис. 11). Мабуть, породи зі складом, середнім між мафічним і фельзитовим, повинні мати і спектральні характеристики проміжного типу [256].

Спектральна яскравість лужних, ультралужних і кислих гірських порід
Рис. 11. Спектральна яскравість лужних, ультралужних (внизу) і кислих гірських порід (вгорі)

Ріоліт (12), граніт (14), ріоліт (4), гранодіорит (2) зі збільшенням довжини хвилі випромінювання збільшують свою спектральну яскравість.

Серпентиніт (15), габро (9), перидотит (8) і базальт (13) зменшують спектральну яскравість при збільшенні довжини хвилі випромінювання [260].

Вивчення спектральних характеристик природних об'єктів сприяло вибору двох найбільш оптимальних інтервалів довжин хвиль: 1,2-1,3 і 1,6-2,2 мкм, в яких можливий пошук мідно-порфірового зруденіння в незмінених інтрузивних, вулканогенних і осадових породах за зонами вторинних мінералів і порід, що утворюються в результаті гідротермальних змін [85, 89].

В результаті лабораторних вимірювань було встановлено [86, 87], що певні мінерали, які зустрічаються в зонах гідротермально змінених порід поблизу родовищ, наприклад, мідно-порфірових руд, мають специфічні спектральні ознаки, особливо в інтервалі довжин хвиль 2,1-2,4 мкм. Ці ознаки можна використовувати для дистанційного зондування. Так, каолініт, монтморилоніт, алуніт і кальцит розпізнаються за характерними вузьким і широким смугах поглинання енергії в середньому інфрачервоному діапазоні (рис. 12). Виходячи з припущення, що за допомогою десятиканального радіометра з діапазоном вимірювань 0,5-2,3 мкм вдасться відшукати для початку хоча б каолін або карбонатні породи за їх спектральними характеристиками, були проведені експериментальні зйомки з борту космічного корабля багаторазового використання «Space Shuttle «Columbia» [88]. Поряд з вимірами в специфічних вузьких ділянках спектру були запропоновані [86] і вимірювання в певній комбінації зон або каналів для доказу можливості визначення досліджуваних мінералів. Проведеними на тестовій ділянці дослідженнями була доведена ефективність запропонованої комбінації двох каналів; 1,6 і 2,2 мкм. Перший з них дуже важливий для виявлення гідроксильних груп в мінералах, типових для гідротермально змінених зон родовищ. За даними проведених вимірювань в обох цих каналах виявилося можливим розрізняти лімонітізовані, гідротермально змінені породи і магматичні породи в більшості випадків теж з лімонітом, який утворюється в результаті окислення залізо-магнієвих мінералів і декристалізації скла. Крім того, виявилися сильно освітлені гідротермально змінені породи без лімоніту, якщо вони мали в своєму складі мінерали з гідроксильною групою OH-.

Спектральна відбивна здатність деяких мінералів, що зустрічаються на ділянках розвитку гідротермальних змін у гірських породах
Рис. 12. Спектральна відбивна здатність деяких мінералів, що зустрічаються на ділянках розвитку гідротермальних змін у гірських породах
Для визначення мінералів важливим виявилося положення спектральних смуг поглинання
  1. каолініт;
  2. монтморилоніт;
  3. алуніт;
  4. кальцит

Використання середнього інфрачервоного діапазону стало можливим лише в останні роки завдяки розробці таких приймачів, які дозволили провести ці виміри. Тематичні зображення-схеми отримують багатозональним сканером супутника «Landsat-4», що має спеціальний канал 2,2 мкм, призначений для складання карт літофацій або мінеральних фацій. Мультиспектральні сканери попередніх супутників цієї групи могли зареєструвати від поверхні Землі потоки сонячної енергії лише в діапазоні 0,5-1,1 мкм. При випробуванні мультиспектрального сканера для отримання тематичних зображень в районі мідно-порфірових родовищ Сеффорд, штат Арізона, виявлені зони вторинних гидротермальних змін порід: кварц-серицитового, хлоритизація та пропіліталізація. За даними дистанційного зондування було вказано каолініт та монтмориллоніт у вторинно зміненних породах іншого мідно-порфірового родовища – Мерісвейл, штат Юта [233]. Тут змінені породи були виявлені за ознаками поглинання – смугами абсорбції між 2,17 і 2,22 мкм, які виявляються завдяки алюмо-гідроксильній групі вищезгаданих мінералів. У спектральних характеристиках гідротермально незмінених порід відсутні відповідні смуги поглинання або ж вони виражені дуже слабо.

Особливо корисним для подання та обробки даних мультиспектрального сканування в середньому інфрачервоному діапазоні при складанні літофаціальних карт або карт мінеральних асоціацій виявилося впровадження комп'ютерної, або машинної, обробки, в результаті якої отримують так звані числові зображення. Вони являють собою спеціальні кроки в обробці даних шляхом ділення для однієї площини даних вимірювань в двох діапазонах (див. розділ 5.3.11). Як правило, для таких перетворень зображення використовуються дані синхронних вимірювань, отримані багатоканальної апаратурою. Для розпізнавання мінералів з гідроксильною групою ОН найбільш оптимальним виявився варіант числового зображення, складений методом часток за даними вимірів в каналах 1,6 і 2,2 мкм [1, 81, 86,89]. Під час польоту космічного корабля «Спейс шаттл Колумбія» в листопаді 1981 році була проведена спектрометрична зйомка п'ятиканальним спектрорадіометром. Після відповідної обробки на ЕОМ за даними вимірів в п'яти каналах було проведено розпізнавання і ототожнення каолініту, алуніту, кальциту і монтморілоніту [88].

В іншому випадку для розпізнавання каолініту, монтморілоніту, алуніту, кальциту, гіпсу, іліту, серпентиніту і хлориту потрібні були тільки три варіанти числових ратіо-зображень [323]. З цих наведених прикладів стає очевидним значення спектрометрування в середньому ІЧ-діапазоні для складання літофаціальних карт і пошуків певних груп мінералів або мономінеральних порід методами дистанційного зондування. Інші дані і критичні зауваження з приводу діапазонів електромагнітних хвиль, що поки рідко використовуються в дистанційному зондуванні  можна знайти у вищевказаних роботах, а також у спеціальній літературі з дистанційного зондування, видобутку і розвідки мінеральної сировини.

За результатами одного з експериментів, проведеного для вирішення геологічних завдань дистанційними методами, був зроблений висновок про ефективність спектрометрування  в наступних ділянках спектру: 1,18-1,3; 4,0-4,75; 0,46-0,50; 1,52-1,73; 2,10-2,36 мкм [280]. Цей висновок грунтується на результатах обробки даних з однієї тестової ділянки в штаті Юта. Виміри проводилися багатозональним сканером під час обльоту території ділянки з оголеними виходами порід основних типів – осадових та інтрузивних, а також з ділянками їх вторинних гідротермальних змін. Розмір поля вимірювання по поверхні досліджуваної породи становив близько 0,24 км кв. Для всіх типів порід вимірювання проводилися у 15 каналах з інтервалом між ними 0,34-0,75 мкм. За допомогою дискримінантного аналізу були виявлені зони, в яких найчастіше проводилася зйомка всіх різновидів порід з оптимальним контрастом специфічних різновидів порід відносно інших типів. Запис виділених зон призначався для повторного вивчення і картування літофаціальних окремостей. Використаний мультиспектральний сканер мав спектральне розширення у видимому діапазоні 0,04-0,06 мкм, в ближньому ІЧ-діапазоні 0,05-0,26 мкм і в тепловому діапазоні 0,25-0,36 мкм. Тільки один з спектральних каналів цього сканера діяв в тому ж спектральному діапазоні, що і сканери перших супутників «Лендсат» – від 0,4 до 1,1 мкм, решта чотири оптимальних канали працювали в довгохвильовій, інфрачервоній, області випромінювання, значення якої підкреслювалося вищенаведеними прикладами.

Дослідженнями спектральних характеристик незмінених і змінених порід поблизу уранових родовищ встановлено ряд спектральних зон: 1,25; 0,95; 2,20; 2,15; 1,75; 2,45; 2,10; 1,60; 1,55 і 0,75 мкм, вимірювання в яких, проведені в зазначеній послідовності, найбільш ефективні для поділу літофацій в районах уранових родовищ [54]. Цей приклад підкреслює значення спектральних зйомок в строго обмежених вузьких зонах спектра, в яких більш-менш ефективно можна використовувати методи дистанційного зондування при пошуково-розвідувальних роботах.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом