Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Отражательная и поглотительная способности горных пород. Часть 4

Вне границ аридной зоны поверхности горных пород и почв почти всегда скрыты растительностью. Ее вид и плотность меняются от района к району. Соответственно изменяется и площадь свободных от растений поверхностей горных пород или почв. Насколько спектральный сигнал, идущий от поверхности Земли и регистрируемый приемником, будет определяться спектральными признаками растительности или собственными характеристиками скрытых под ее покровом пород и почв, зависит от густоты и распределения растительности по поверхности снимаемой местности. Соответственно надо учесть и пространственное разрешение (по площади) регистрирующих элементов в используемом приемнике. В большинстве случаев в «поле зрения» приемника попадает участок местности с тем или другим видом растительности и с разной ее густотой. Если пространственное разрешение регистрирующего элемента составляет, например, дециметры или метры, то можно получить раздельную регистрацию сигналов от площадок, покрытых растениями, и от свободных от растений поверхностей пород или почв. Если же пространственное разрешение регистрирующих элементов низко, порядка сотен-тысяч метров (например, для сканера на спутнике «Лэндсат» около 6000 м кв), то приемником будет одновременно восприниматься излучение, отраженное растительностью и поверхностями, лишенными ее, т. е. в большинстве случаев будет регистрироваться смешанный сигнал.
Наряду с изучением спектральной отражательной способности горных пород в последнее время увеличилось число исследований по поглощению падающей энергии Солнца определенными минералами и его возможного значения для дистанционного зондирования.
Рядом исследователей [1, 87, 89, 233, 257, 260] было показано, что минералы, содержащие железо и слоистые силикаты с группами AL-OH и Mg-OH (глинистые минералы и гидрослюды) в определенной части спектра электромагнитной энергии, прежде всего в отраженном среднем диапазоне инфракрасного излучения, сильно поглощают падающий поток энергии. Этот эффект выражается минимумом отражения в соответствующей части спектра или полосой поглощения, по которой можно диагностировать минералы и горные породы. Так, двух- и трехвалентным железом создаются сильные полосы поглощения около 1,0 мкм, около 0,92 мкм и более тонкие, расположенные рядом друг с другом полосы поглощения в интервале 0,40-0,55 мкм [119]. Поэтому спектр отражения горной породы может быть ее спектральной характеристикой, которая определяется железистыми минералами. Так, например, красный цвет некоторых пород и почвы обусловлен большим содержанием гематита и гётита (см., например, график отражательной способности красного аргиллита на рис. 7).
Полосы поглощения энергии выделяются прежде всего в спектрах железисто-магнезиальных и водных минералов. Влияние этих минералов на спектральные характеристики горных пород уменьшается, если в составе горной породы имеются вместе с минералами, содержащими железо, или гидроксильную группу, или и те и другие, кварц и полевые шпаты. Однако и в этом случае вышеуказанные полосы поглощения проявятся на графике отражательной способности породы.
Отражательная способность мафических и ультрамафических горных пород слабо меняется в диапазоне 0,4-1,1 мкм. В противоположность им отражательная способность фельзитовых пород возрастает непрерывно по мере увеличения длины волны [260], хотя имеются некоторые минимумы и максимумы в интервале 0,7-1,1 мкм (рис. 11). По-видимому, породы с составом, средним между мафическими и фельзитовыми, должны иметь и спектральные характеристики промежуточного типа [256].

Рис. 11. Спектральная яркость основных и ультраосновных (внизу) и кислых горных пород (вверху). Риолит (12), гранит (14), риолит (4), гранодиорит (2) с увеличением длины волны излучения увеличивают свою спектральную яркость. Серпентинит (15), габбро (9), перидотит (8) и базальт (13) уменьшают спектральную яркость при увеличении длины волны излучения [260]. (доступно только при скачивании полной версии)

Изучение спектральных характеристик природных объектов способствовало выбору двух наиболее оптимальных интервалов длин волн: 1,2-1,3 и 1,6-2,2 мкм, в которых возможен поиск медно-порфирового оруденения в неизмененных интрузивных, вулканогенных и осадочных породах по зонам вторичных минералов и пород, образующихся в результате гидротермальных изменений [85, 89].
В результате лабораторных измерений было установлено [86, 87], что определенные минералы, которые встречаются в зонах гидротермально измененных пород близ месторождений, например, медно-порфировых руд, имеют специфические спектральные признаки, особенно в интервале длин волн 2,1-2,4 мкм. Эти признаки можно использовать для дистанционного зондирования. Так, каолинит, монтмориллонит, алунит и кальцит распознаются по характерным узким и широким полосам поглощения энергии в среднем инфракрасном диапазоне (рис. 12). Исходя из предположения, что с помощью десятиканального радиометра с диапазоном измерений 0,5-2,3 мкм удастся отыскать для начала хотя бы каолин или карбонатные породы по их спектральным характеристикам, были проведены экспериментальные съемки с борта космического корабля многоразового использования «Спейс шаттл Колумбия» [88]. Наряду с измерениями в специфических узких зонах спектра были предложены [86] и измерения в определенной комбинации зон или каналов для доказательства возможности определения интересующих минералов. Проведенными на тестовом участке исследованиями была доказана эффективность предложенной комбинации двух каналов; 1,6 и 2,2 мкм. Первый из них очень важен для обнаружения гидроксильных групп в минералах, типичных для гидротермально измененных зон месторождений. По данным проведенных измерений в обоих этих каналах оказалось возможным различать лимонитизированные, гидротермально измененные породы и магматические породы в большинстве случаев тоже с лимонитом, который образуется в результате окисления железо-магниевых минералов и раскристаллизации стекла. Кроме того, обнаружились сильно осветленные гидротермально измененные породы без лимонита, если они имели в своем составе минералы с гидроксильной группой ОН-.

Рис. 12. Спектральная отражательная способность некоторых минералов, встречающихся на участках развития гидротермальных изменений в горных породах (по данным лабораторных измерений [186]). Для определения минералов важным оказалось положение спектральных полос поглощения, 1 – каолинит; 2 – монтмориллонит; 3 – алунит; 4 – кальцит. (доступно только при скачивании полной версии)

Использование среднего инфракрасного диапазона стало возможным только в последние годы благодаря разработке таких приемников, которые позволили проводить эти измерения. Тематические изображения-схемы получаются многозональным сканером спутника «Лэндсат-4», имеющим специальный канал 2,2 мкм, предназначенный для составления карт литофаций или минеральных фаций. Мультиспектральные сканеры предшествующих спутников этой серии могли регистрировать отраженный от поверхности Земли поток солнечной энергии только в диапазоне 0,5-1,1 мкм. При испытаниях мультиспектрального сканера для получения данных тематических изображений в районе медно-порфировых месторождений Саффорд, шт. Аризона, были выявлены зоны вторичного гидротермального изменения пород: кварц-серицитового, хлоритизации и пропилитизации. По данным дистанционного зондирования были указаны каолинит и монтмориллонит во вторично измененных породах другого медно-порфирового месторождения – Мэрисвейл, шт. Юта [233]. Здесь измененные породы были опознаны по признакам поглощения – полосам абсорбции между 2,17 и 2,22 мкм, которые обнаруживаются благодаря алюмо-гидроксильной группе вышеуказанных минералов. В спектральных характеристиках гидротермально неизмененных пород отсутствуют соответствующие полосы поглощения или же они выражены очень слабо.
Особенно полезным для представления и обработки данных мультиспектрального сканирования в среднем инфракрасном диапазоне при составлении литофациальных карт или карт минеральных ассоциаций оказалось внедрение компьютерной, или машинной, обработки, в результате которой получают так называемые числовые изображения. Они представляют собой специальные шаги в обработке данных путем деления для одной плоскости данных измерений в двух диапазонах (см. разд. 5.3.11). Как правило, для таких преобразований изображения используются данные синхронных измерений, полученные многоканальной аппаратурой. Для распознавания минералов с гидроксильной группой ОН наиболее оптимальным оказался вариант числового изображения, составленный методом частного по данным измерений в каналах 1,6 и 2,2 мкм [1, 81, 86,89]. Во время полета космического корабля «Спейс шаттл Колумбия» в ноябре 1981 г. была проведена спектрометрическая съемка пятиканальным спектрорадиометром. После соответствующей обработки на ЭВМ по данным измерений в пяти каналах было проведено распознавание и отождествление каолинита, алунита, кальцита и монтмориллонита [88].
В другом случае для распознавания каолинита, монтмориллонита, алунита, кальцита, гипса, илита, серпентинита и хлорита потребовались только три варианта числовых ратио-изображений [323]. Из этих приведенных примеров становится очевидным значение спектрометрирования в среднем ИК-диапазоне для составления литофациальных карт и поисков определенных групп минералов или мономинеральных пород методами дистанционного зондирования. Другие данные и критические замечания по поводу еще слабо используемого в дистанционном зондировании диапазона электромагнитных волн можно найти в вышеуказанных работах, а также в специальной литературе по дистанционному зондированию, добыче и разведке минерального сырья.
По результатам одного из экспериментов, проведенного для решения геологических задач дистанционными методами, был сделан вывод об эффективности спектрометрирования в следующих зонах спектра: 1,18-1,3; 4,0-4,75; 0,46-0,50; 1,52-1,73; 2,10-2,36 мкм [280]. Этот вывод основан на результатах обработки данных с одного тестового участка в шт. Юта. Измерения проводились многозональным сканером во время облета территории участка с обнаженными выходами пород основных типов – осадочных и интрузивных, а также с зонами их вторичных гидротермальных изменений. Размер поля измерения по поверхности изучаемой породы составлял около 0,24 км кв. Для всех типов пород измерения проводились по 15 каналам с интервалом между ними 0,34-0,75 мкм. С помощью дискриминантного анализа были выявлены зоны, в которых чаще всего проводилась съемка всех разностей пород с оптимальным контрастом специфических разностей пород по отношению к другим типам. Запись выделенных зон предназначалась для повторного изучения и картирования литофациальных разностей. Использованный мультиспектральный сканер имел спектральное разрешение в видимом диапазоне 0,04-0,06 мкм, в ближнем ИК-диапазоне 0,05-0,26 мкм и в тепловом диапазоне 0,25-0,36 мкм. Только один из спектральных каналов этого сканера действовал в том же спектральном диапазоне, что и сканеры первых спутников «Лэндсат» – от 0,4 до 1,1 мкм, остальные четыре оптимальных канала работали в длинноволновой, инфракрасной, области излучения, значение которой подчеркивалось вышеприведенными примерами.
Исследованиями спектральных характеристик неизмененных и измененных пород близ урановых месторождений установлен ряд спектральных зон: 1,25; 0,95; 2,20; 2,15; 1,75; 2,45; 2,10; 1,60; 1,55 и 0,75 мкм, измерения в которых, проведенные в указанной последовательности, наиболее эффективны для разделения литофаций в районах урановых месторождений [54]. Этот пример подчеркивает значение спектральных съемок в строго ограниченных узких зонах спектра, в которых более или менее эффективно можно использовать методы дистанционного зондирования при поисково-разведочных работах.

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