Вторинне теплове випромінювання гірських порід. Частина 2
У цій же роботі Лайона і Гріна [192] крім вищенаведених графіків вторинного теплового випромінювання гірських порід є дані за спектрами емісії різних порід Бушвельдського інтрузивного комплексу і одного з районів великих мідно-порфірових рудних проявів. Зіставлення цих даних показує, що становище мінімуму вторинного теплового випромінювання зміщується зі збільшенням вмісту оксиду кремнію в породі (у відсотках) в сторону короткохвильової частини спектру електромагнітних хвиль. Отже, спектри емітерного випромінювання гірських порід можна використовувати для їх розпізнавання та визначення. Для діагностики має значення положення не тільки головного, але й побічних мінімумів емітерного потоку енергії на графіку її інтенсивності. Це підтверджується доданою авторами таблицею положень мінімумів різних порід.
Цілком однозначний зв'язок інтенсивності вторинного теплового випромінювання з мінеральним складом гірської породи. Вона передбачає правомірність і зворотного висновку про залежність спектру випромінювання від хімічного складу гірської породи. Згідно Ліону і Гріну [192], мова йде перш за все про початкову або вихідну величину спектру випромінювання. Ця величина отримується при виміріваннях на місцевості на дуже невеликій відстані від поверхні гірської породи. Топографічне положення, ступінь і особливості вивітрювання, вид і щільність рослинності на поверхні гірської породи не бувають постійними. Змінні властивості поверхні гірської породи або грунту, так само як і технічні умови спектрального вимірювання під час польоту, стан атмосфери в момент зйомки і впродовж найближчої доби – всі ці фактори впливають на спектральну характеристику гірської породи і на одержуваний сенсором імпульс (за умови що він взагалі може бути зареєстрований приймачем на борту літака або супутника). В принципі на спектральну характеристику поверхні гірської породи або грунту впливають численні фактори, як залежні від властивостей поверхні об'єкту виміру, так і не залежні від них, а пов'язані з його оточенням і атмосферою. Однак для регіонів, в яких великі ділянки території позбавлені рослинного покриву, наприклад в аридних областях, у високогірних районах і т. п., сканером при тепловій зйомці охоплюються великі площі оголених гірських порід. Тут можна використовувати мінімуми на графіках вторинного теплового випромінювання об'єктів, закономірно пов'язані з їх мінеральним складом, для інтерпретації певних літофаціальних окремостей порід або їх комплексів. Це припущення було доведено при сканерних теплових аерозйомках в районі кратера Пісга [305, 306, 307]. Один з авторів даного експерименту, Вінсент, склав за його результатами за допомогою комп'ютерної обробки так звані числові зображення за методом співвідношення даних зйомки двох каналів: 8,2-9,1 до 9,1-12,1 мкм. Ділянки оголених гірських порід різного складу на ньому виявилися найбільш контрастно і були передані відтінками сірого тону. Ці так звані ратіо-зображення, або зображення, побудовані за методом часток (іноді для скорочення їх називають числовими), дозволяють усі зафіксовані на знімку окремості порід або ґрунтів класифікувати відповідно до спектру їх випромінювання, визначеного у вищеописаних нами експериментах Лайоном [190]. Він вказав, що при застосуванні методів числової обробки даних теплових сканерних зйомок основне значення має мати відношення спектральних сигналів двох діапазонів: 8-9 до 9-11 мкм. На його думку, найменші значення величин цього співвідношення мають гірські породи або грунти, до складу яких входять кварц або плагіоклази. Більш високі значення величин цього відносини свідчать про бідність порід або ґрунтів на вміст кварцу і польового шпату. Але остаточно питання про оптимальність (і ефективність) використання цих двох спектральних діапазонів для вивчення літофаціальних особливостей регіонів за даними теплових зйомок і вплив на них атмосферних та інших перешкод при проходженні сигналу до приймача, встановленому на борту носія – літака або супутника, – не вирішене на сучасному етапі досліджень.
Поки все ж вдалося виділити [139] ряд силікатних порід (кварцит, кварцовий монцоніт, монцоніт, кварцовий трахіт і трахіт) на ратіо-зображеннях, побудованих за методом часток, за результатами аерозйомок багатозональним тепловим сканером. Крім того, успішно було проведено картування різних силікатних порід в районі Тінтік, шт. Юта, США, та інших районах за допомогою зйомки вдосконаленим шестиканальним тепловим сканером з високим спектральним розширенням [86].
Таким чином, вирішальне значення для впровадження методів теплових сканерних зйомок в геологічні дослідження має можливість одночасного проведення спектральних вимірювань за багатьма критичним (характерними) спектральним діапазонами, тобто можливість проведення багатозональної теплової сканерної зйомки з літаків або супутників, а також можливість комп'ютерної обробки її результатів і представлення даних у вигляді оптимізованих по контрастності зображень (гл. 5).
Кількісна обробка даних багатозональних зйомок, в тому числі тепловими сканерами і радіометрами, набуває з кожним днем все більше значення. Уже зараз дистанційне зондування грунтується на температурних особливостях грунтів, рослинних угруповань або гірських порід при вирішенні оперативних завдань моніторингу середовища. Різні теплові властивості гірських порід (табл. 1а) і різні коефіцієнти вторинного теплового випромінювання або коефіцієнти емісії (табл. 1б) призводять до різного їх нагрівання вдень і охолодженню вночі, що визначається за амплітудами добового ходу температур, який використовують при дистанційному зондуванні. На практиці відносні відмінності в температурі поверхонь об'єктів поряд з іншими фотогеологічними критеріями використовують для дешифрування аерокосмічних теплових сканерних знімків, на яких різниця в радіаційних температурах об'єктів передається відтінками сірого тону зображення. Так як на температуру поверхні об'єкту впливає комплексно дуже велика кількість процесів зі змінними фізичними параметрами (розд. 3.1), то, як правило, неможливо тільки за даними теплових зйомок отримати кількісні оцінки петрографічних відмінностей близьких за складом комплексів порід і грунтів. Але тут важливо підкреслити, що навіть інформація про відносне розходження в радіаційних температурах поверхні об'єктів може виявитися вирішальною при геологічному дешифруванні знімків, так як можливі додаткові критерії оцінки, які не можна отримати зйомками у видимому діапазоні електромагнітних хвиль (див. приклади в розд. 6.4 ).
| Гірські породи | Теплопровідність λ, Дж·см-1·с-1·К-1 | Щільність ρ, г·см-3 | Питома теплоємність С, Дж·г-1·К-1 | Температуро-провідність α, см2·с-1 | Теплоперенесення Р (температурна інерція), Дж·см-2·с-1/2·К-1 |
|---|---|---|---|---|---|
| Базальт | 0,0209 | 2,8 | 0,83 | 0,009 | 0,221 |
| Глина (волога) | 0,0125 | 1,7 | 1,46 | 0,005 | 0,175 |
| Доломіт | 0,0501 | 2,6 | 0,75 | 0,026 | 0,313 |
| Габро | 0,0250 | 3,0 | 0,71 | 0,012 | 0,229 |
| Граніт | 0,0313 0,0271 |
2,6 | 0,66 | 0,016 | 0,217 |
| Щебінь | 0,0125 | 2,0 | 0,75 | 0,008 | 0,137 |
| Вапняк | 0,0200 | 2,5 | 0,71 | 0,011 | 0,188 |
| Мармур | 0,0229 | 2,7 | 0,87 | 0,010 | 0,234 |
| Обсидіан | 0,0125 | 2,4 | 0,71 | 0,007 | 0,146 |
| Перидотит | 0,0459 | 3,2 | 0,83 | 0,017 | 0,351 |
| Пемза | 0,0025 | 1,0 | 0,66 | 0,004 | 0,037 |
| Кварцит | 0,0501 | 2,7 | 0,71 | 0,026 | 0,309 |
| Ріоліт | 0,0229 | 2,5 | 0,66 | 0,014 | 0,196 |
| Гравій | 0,0250 | 2,1 | 0,83 | 0,014 | 0,209 |
| Пісок | 0,0058 | 1,8 | 1,00 | 0,003 | 0,100 |
| Пісковик, кварц | 0,0501 0,0259 |
2,5 | 0,79 | 0,013 | 0,225 |
| Серпентиніт | 0,0263 0,0300 |
2,4 | 0,96 | 0,013 | 0,263 |
| Глина | 0,0175 0,0125 |
2,3 | 0,71 | 0,008 | 0,142 |
| Глинистий сланець | 0,0209 | 2,8 | 0,71 | 0,011 | 0,204 |
| Сієніт | 0,0321 0,0183 |
2,2 | 0,96 | 0,009 | 0,196 |
| Туф (запечений) | 0,0117 | 1,8 | 0,83 | 0,008 | 0,133 |
| Вода | 0,0054 | 1,0 | 4,22 | 0,001 | 0,154 |
| Матеріал | Коефіцієнт випромінювання |
|---|---|
| Кварц (агат) | 0,712 |
| Польовий шпат | 0,870 |
| Граніт | 0,815 |
| Граніт, шорстка (зерниста) поверхня | 0,898 |
| Обсидіан | 0,862 |
| Обсидіан, поверхня з мушлевим зламом | 0,837 |
| Базальт | 0,904 |
| Базальт, шорстка поверхня, блискуча | 0,934 |
| Дуніт | 0,856 |
| Дуніт, шорстка поверхня | 0,892 |
| Кварцовий пісковик, полірована поверхня | 0,909 |
| Кварцовий пісковик, шорстка поверхня | 0,935 |
| Доломіт, полірована поверхня | 0,929 |
| Доломіт, шорстка поверхня | 0,958 |
| Доломітовий щебінь (уламки 0,5 см) | 0,959 |
| Пісок, грубозернистий кварцовийй | 0,914 |
| Пісок, грубозернистий кварцовийй, вологий | 0,936 |
| Пісок, дрібнозернистий кварцовийй | 0,928 |
| Скельный грунт, сухий | 0,966 |
| Асфальт дорожнього покриття | 0,956 |
| Вода чиста | 0,993 |
| Вода з тонкою нафтовою плівкою | 0,972 |
| Лід | 0,98 |
| Рослинність | >0,97 |
Приклади використання кількісної обробки даних аерозйомок і космічних теплових зйомок для вивчення і картування геологічних об'єктів різних типів є в ряді робіт [258, 234, 316, 140]. При відомій величині теплопереносу (або теплової інерції) і альбедо двох або більше типів гірських порід, що розпізнаються, по числовий моделі денного (або нічного) ходу температур оцінюються величини їх температурних контрастів. Цим методом було встановлено, що гірські породи та інші природні об'єкти з однаковим альбедо, але різною величиною температурної інерції мають різний температурний профіль, тобто добове коливання температури поверхні. При цьому породи з високим коефіцієнтом теплової інерції зазнають незначні коливання температури поверхні впродовж доби в порівнянні з породами з низькими значеннями температурної інерції. Останні показують найбільшу різницю температур вдень (близько першої години пополудні) і вночі або рано вранці (незадовго до сходу сонця). Для гірських порід з приблизно однаковою величиною коефіцієнта температурної інерції, але різною величиною альбедо найбільш сильні контрасти в радіаційних температурах виступають трохи пізніше – у другій половині дня, коли нівелюється ранкове згладжування температур (розд. 6.4).
Величина альбедо гірських порід (для районів, позбавлених рослинності та грунтового покриву або з бідною рослинністю) розраховується по знімках, отриманих у видимому діапазоні електромагнітних хвиль (0,4-0,7 мкм). Термічний коефіцієнт, або коефіцієнт температурного перенесення, розраховується за амплітудами добового температурного профілю і за даними про величину спектрального відбивання об'єктів у видимому діапазоні. Розрахунки значень амплітуд добового температурного профілю для гірської породи або групи порід при кореляції результатів теплової зйомки з референц-даними (тобто калібрування виміряних величин тарованого випромінювача, встановленого в самій скануючій системи) дозволяють визначити ті величини радіаційних температур, які будуть при зйомці реєструватися сенсорами. За даними вищевказаних досліджень температурний коефіцієнт гірських порід в більшості випадків може служити характерною ознакою для розпізнавання певних типів гірських порід за результатами теплових аерокосмічних зйомок. Але в цих випадках необхідно в першу чергу враховувати вже неодноразово згадувані чинники, що створюють перешкоди при вимірах: топографічний ефект (при денних зйомках), метеоумови, прозорість атмосфери і стояння Сонця для того, щоб отримати задовільні результати інтерпретації теплових зйомок. Наприклад, спотворюючий вплив топографічного положення поверхні об'єкта виразиться в тому, що поверхні, розташовані на північних схилах, будуть мати нижчі температури, ніж на південних (для негативних форм рельєфу, наприклад для ущелин в горах, ефект буде зворотний). При цьому освітлені протягом дня поверхні матимуть більші амплітуди температур, ніж неосвітлені поверхні північних схилів. Малі контрасти температур введуть в оману дослідника-інтерпретатора, що не має додаткових відомостей про рельєф району зйомок. З цього стає очевидною важливість кореляції даних видимого і теплового діапазонів, а також введення поправок на топографію місцевості при аналізі та інтерпретації теплових сканерна зйомок, особливо у гірській або горбистій місцевості.