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

О вторичном тепловом излучении горных пород. Часть 1

3.2.2. О вторичном тепловом излучении горных пород

Наряду с характеристиками спектрального отражения поверхностей горных пород и почв в видимом и ближнем ИК-диапазонах в 1960-е годы часть геологов интересовалась и вторичным тепловым излучением горных пород, которое надеялись использовать при дистанционном зондировании.
В результате исследований, проводившихся с конца 50-х годов [188, 194, 195], было установлено, что форма кривых на графиках вторичного теплового излучения горных пород тесно связана с минеральным составом пород, что силикатные и несиликатные породы можно различать по спектрам их вторичного теплового излучения в диапазоне 8-13 мкм и что, наконец, можно разделить по этим же спектрам силикатные породы разного минерального состава. Признаком для распознавания во всех случаях служило положение минимумов на графиках вторичного теплового излучения горных пород.
Обратимся теперь к конкретным примерам экспериментов [190], проводившихся на разных почвах и горных породах в окрестностях кратера Писга в Калифорнии, США. Семейство графиков вторичного теплового излучения горных пород и почв этого района построено по четырем линиям залетов, по которым проводилось спектрометрирование в диапазоне 6,8-13,3 мкм. Протяженность каждой линии измерений 28 км, измерения велись с высоты 650 м при темпе съемки 6 спектров в 1 с. Пространственная привязка данных съемки проводилась по направлению полета с использованием результатов наземных измерений на тестовых участках, расположенных вдоль линий полетов. Во время полета спектрометром измерялась площадка 15х15 м перед носителем с установленной аппаратурой. Полученные данные коррелировались с измерениями вторичного теплового излучения озера, так как спектр излучения водоемов в диапазоне 8-14 мкм близок к спектру излучения абсолютно черного тела (см. разд. 2.3), т. е. его можно использовать как эталон референц-поверхности. Таким образом, семейство графиков (рис. 13) характеризует не абсолютные, а относительные величины вторичного теплового потока от горных пород и почв, вычисленные относительно средней величины излучения от водной поверхности.
Графики эмиссии (вторичного теплового излучения) по вычисленному среднему спектру (рис. 13) построены для молодого, современного аллювия (В), древнего аллювия (С), песчаника (D), сухих озерных осадков, так называемой плайи (L), а также для трех разных потоков оливин-базальтов (J, G, Н). Верхняя и нижняя группы графиков (рис. 13) построены относительно эмиттерного потока соответственно от гранодиорита (А) и габбро (/). В качестве характеризующего, маркирующего, признака той или иной породы служит положение (относительно оси абсцисс) главного минимума на графике, а также ряд дополнительных частных минимумов в спектре излучения объекта.

Рис. 13. Спектральная излучательная способность различных горных пород и почв в районе кратера Писга, Калифорния. Пояснения в тексте. (С разрешения автора из: Infrared spectral emittance in geological mapping – Airborne spectro-metric data from Pisgah Crater, California, by R.J. Lyon, Science, Vol. 175, pp. 983-986, March 1972.) (доступно только при скачивании полной версии)

Кривые спектров современного (В) и древнего (С) аллювия похожи один на другой. Они имеют один сильный постоянный минимум в интервале длин волн 9,1-9,2 мкм. Точное сопоставление этих кривых показывает, что для современного аллювия минимум в спектре эмиттерной энергии смещается в сторону коротковолновой области, т. е. влево по оси абсцисс, по отношению к графикам энергии древнего аллювия. Кроме того, изгиб кривой около 9,5 мкм, соответствующий высокому содержанию кварца [190], на кривой С отсутствует.
При сопоставлении графиков эмиттерного излучения оливин-базальтовых лав (рис. 13, F-H) выявилось, что все они имеют единственный минимум в интервале 9,45-9,55 мкм, резко выраженный на всех кривых. По характеру графиков потоки базальтов можно разделить дополнительно на две подгруппы: в первой кривые F и G имеют слабый минимум около 10,97 мкм, во второй тот же минимум выражен резко (кривая Н). По-видимому, можно провести еще более точное отождествление этих пород по форме их графиков вторичного теплового излучения в диапазоне от 11,5 до 12,0 мкм [190], где кривые F, характеризующие базальты, более пологи, чем кривые пород типа G. Спектры энергии вторичного теплового излучения горных пород, построенные по данным аэроизмерений, сопоставлялись с графиками вторичного теплового излучения, полученными при измерениях пришлифованных штуфов гранодиорита (А) и габбро (I). При этом выявилось сходство семейства кривых для базальтов с графиком эмиссии габбро.
Величины вторичного теплового потока (см. семейство кривых D на рис. 13) были получены также для участка, на котором выветрелые мелкозернистые песчаники полого залегают на базальтах. Оказалось, что данные измерений соответствуют спектрам современного аллювия (В) там, где песчаники имеют большую мощность, и базальтам там, где покров песчаников непостоянен, маломощен и редуцирован. На графиках некоторых участков (IIС) отражаются характерные признаки семейства кривых G. Проведя это сопоставление, Лион [189] продемонстрировал возможность выявления пород различного минерального состава при аэросъемках.
Проблематична интерпретация графиков эмиттерного излучения плайевых отложений, так как они оказались аналогичными семейству графиков, характеризующих базальты (G). Наземное спектрометрирование подтвердило корректность данных аэросъемки, после чего был проведен более тщательный анализ ее результатов. Им было установлено, что спектры вторичного теплового излучения белых мелкокристаллических глинистых минералов в озерных отложениях близки, почти тождественны спектрам оливиновых базальтов.
Таким образом, сопоставление всех групп графиков, соответственно семейств кривых внутри них (рис. 13) показало, что положение минимума эмиссии изменяется в зависимости от минерального состава горных пород или почв. При этом выявились вариации минимума, зависящие от соотношения темноцветных и щелочных или щелочно-земельных минералов и содержания кремнезема в породе.
Рассмотрим группу графиков энергии вторичного теплового излучения, полученных при измерениях некоторых грубозернистых свежих измельченных проб гранитов из Новой Англии [192]. Цвет отдельных проб меняется от темно-серого до коричневого, розового или голубоватого. Но различие в цвете, по мнению Лайона и Грина [192], не влияет на интенсивность эмиттерного излучения. Измерение положения минимума энергии на графиках (рис. 14) вызвано изменениями в минеральном составе проб (химическом модуле) кварцевых гранитов (D и E) и щелочных полевошпатных гранитов (F). Для сравнения приведены оба минимума в спектре излучения кварца (Q) [192].

Рис. 14. Спектральные излучательные способности свежей поверхности грубозернистых гранитов из Новой Англии [192]. Q – эмиссионный минимум кварца, для сравнения. Вертикальные стрелки показывают, где эмиссия равна 1 (еi = 1,0), а горизонтальные 0,9 (ел = 0,9). (доступно только при скачивании полной версии)

Результаты следующей серии измерений, проведенных этими же исследователями в поле на кристаллических породах разного минерального состава – от базальтов (A и В) до кварцевых монцонитов (Е и F) и гранодиоритов (I), приведены на рис. 15 [192]. Базальты, с их отсутствием кварца и высоким содержанием плагиоклазов, четко отделяются по положению минимума эмиссии от кварцевых монцонитов и гранодиоритов (рис. 15). Богатые плагиоклазом кварцевые монцониты (F, G и Н) больше похожи между собой по форме минимума эмиссии, чем однотипные с ними породы несколько иного состава (С, D, Е). Спектральные кривые шести разностей кварцевых монцонитов похожи одна на другую, но отличаются от кривой I (гранодиориты). На форму графиков, как и ожидалось, влияет содержание в породе железисто-магнезиальных минералов (Fe-Mg) и полевых шпатов, что выразилось в форме кривой, например, гранодиоритов (I) с минимумом около 10 мкм (рис. 15).

Рис. 15. Спектральная излучательная способность базальтов (А и В), кварцевого монцонита (Е и F) и гранодиорита ( I) [192]. Значение стрелок такое же, как и на рис. 14. (доступно только при скачивании полной версии)

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