Тепловые снимки. Геологическое содержание изображения, примеры интерпретации. Часть 2

Рис. 211. Места выходов горячих вод, газов и прогретых почв в окрестностях источников в Йеллоустонском национальном парке, США, на тепловых снимках. Снимок в диапазоне 4,5-5,5 мкм (внизу) улавливает и соответственно отображает лишь объекты или площади с высокой собственной температурой. Обратите внимание на различное отражение одних и тех же участков местности на полосах изображений в двух разных диапазонах теплового ИК-излучения. Дальнейшие пояснения в тексте (снимок Геологической службы США).

Аэрофотоснимок (диапазон съемки 0,51-0,68 мкм) показывает эффузивную деятельность вулканов: выходы газов, свежеизлившиеся и изливающиеся лавы, движущиеся вниз по склону. Изображение теплового сканера (диапазон съемки 4,5-5,5 мкм) показывает тепловое излучение новых лавовых потоков, центрального и бокового кратеров, причем последний на аэрофотоснимке не выделяется. На тепловом снимке различаются активные и неактивные потоки. Поверхность неактивных потоков упрочнена (образование корки), так что тепловое излучение происходит прежде всего через трещины и фумаролы (по [70]).
Тепловой снимок на рис. 211 показывает места выходов горячих источников и газов, прогретые почвы в окрестностях этих мест в Йеллоустонском национальном парке в северной части Скалистых гор (время съемки 2 ч утра местного времени). От более холодных окружающих поверхностей термические аномалии отличаются светлыми серыми тонами. Даже вода небольшой речки теплее, чем окружающие площади суши, поскольку она также выделяется своим светлым тоном. На снимке в диапазоне 8-14 мкм ореол излучения сильных аномалий перекрывает смежные площади. Однако улавливаются и отражаются даже мелкие различия теплового излучения. На снимке в диапазоне 4,5-5,5 мкм (рис. 211, внизу) термические аномалии существенно, меньше. Здесь выделяются лишь собственно выходы высокотемпературных термальных вод и паров. Как уже упоминалось в разд. 4.3.2, пик излучения излучающего объекта (черные или серо-черные тела) смещается с повышением температуры в более коротковолновый диапазон. Таким образом, многозональная съемочная техника дает возможность получения в тепловом ИК-диапазоне различных съемочных данных и тем самым разной информации в частных диапазонах длин волн. На снимке в канале 4,5-5,5 мкм отражены лишь источники излучения с высокой собственной температурой. Напротив, на снимке в канале 8-14 мкм (рис. 211, вверху) в районах термических аномалий в их окружении вырисовываются также более мелкие относительные различия поверхностных температур. Так, на рис. 211 (вверху) по средним и более темным ступеням серого тона распознаются области низкой поверхностной температуры (врезы долин, более мощные почвенные покровы, а также более влажные районы), которые на рис. 211 (внизу) совсем не выражены. Таким образом, при планировании тепловой съемки следует иметь в виду, что снимки в диапазоне от 4,5 до 5,5 мкм и от 8 до 14 мкм охватывают и представляют разные особенности местности и объекты с разной температурой излучения.
В последнее время были снова изучены крупные геотермические аномалии с точки зрения их пригодности в качестве энергетических источников. В связи с этим в увеличенном объеме была проведена тепловая съемка. При благоприятных условиях съемки на ИК-изображении сканера удается выявить некоторые экономически интересные геотермические аномалии. Рис. 212 показывает интересное с точки зрения экономики тепловое поле в юго-западной Исландии, где осевая зона Срединно-Атлантического хребта выходит на сушу [70]. Тепловое изображение было снято 20 августа 1966 г. с высоты примерно 3300 м в диапазоне 4,5-5,5 мкм. Сильные землетрясения и тектонические подвижки по нарушениям (на снимке распознается крупная зона нарушений с отчетливой термической аномалией) привели здесь в 1967 г. к усиленной тепловой активности на поверхности Земли. Именно в Исландии были начаты залеты с тепловым сканером с целью картирования и изучения тепловых полей. Площадное распространение и интенсивность тепловой аномалии вместе с другими геофизическими данными дают представление об ожидаемом здесь энергетическом потенциале. Кроме того, на ИК-изображении сканера по положению и очертанию отраженной тепловой аномалии можно установить или предположить ее связь с тектоническими структурами на поверхности Земли. Подобная информация имеет огромное значение при выборе намечаемых разведочных скважин.

Рис. 212. Тепловой снимок полуострова Рейкьянес, Исландия. Диапазон съемки 4,5-5,5 мкм. Пояснения в тексте [70].

Однако разведка экономически важных тепловых аномалий с помощью тепловых снимков часто проблематична и не всегда успешна. Это показали, например, исследования на модели района известной по разведочному бурению и полевым измерениям термической аномалии на острове Лесбос в Эгейском архипелаге [97]. В центре аномалии юго-восточнее местечка Полихнитос температура воды термального источника достигает 87°С, а на некоторой глубине – 91,5°С. Несомненные проявления геотермальной активности обнаруживаются на площади размером 150х150 м. Тепловые измерения в 26 скважинах на глубине между 50 и 150 м указывают на наличие термически аномальной зоны размерами примерно 1х3 км [100].

Рис. 213. Полоса оригинального изображения тепловой съемки геотермической аномалии Полихнитос, остров Лесбос. Диапазон съемки 8-14 мкм. Пояснения в тексте. Масштаб около 1 : 170000 (снимок IGN).

Рис. 214. Увеличенный фрагмент полосы изображения рис. 213. Масштаб около 1:55000.

Рис. 213 показывает оригинал полосы теплового изображения, а рис. 214-его увеличенный фрагмент. Различные поверхностные температуры объектов местности (воды, почвы, растений, дорог, каменных стен, строений) во время съемки отражаются на тепловом снимке разными градациями серого тона. Области выхода термальных вод (слева на середине снимка, близ темных зданий) и ручей, в который стекают термальные воды, выделяются из своего окружения почти белыми тонами. При этом ореол излучения тепла перекрывает на изображении ближайшие участки в такой степени, что точное положение мест выхода терм на тепловом снимке нельзя установить. Сходный эффект можно было видеть уже на полосе изображения Йеллоустонского национального парка на рис. 211. Однако благодаря дополнительной съемке в диапазоне 4,5-5,5 мкм там удалось раздельно охватить расположение весьма высоких поверхностных температур. На тепловом снимке на рис. 213 или 214 бросается в глаза, что слева ниже термальных источников выступает несколько обширных, почти белых пятен, которые имеют незакономерные ограничения, однако резко отделяются от своего окружения. Это пруды, обнаруживающие почти ту же тональность, что и термальные источники, хотя температура их воды ко времени съемки была около 10°С, т. е. почти на 70 К ниже, чем температура термальных вод. Причина этого слабо дифференцированного отражения температурных различий лежит в ограниченности фотографической широты пленки, использованной для регистрации данных излучения. В настоящее время принимаемая детектором теплового сканера интенсивность излучения записывается почти исключительно на магнитную ленту, чтобы иметь возможность оптимально использовать всю динамическую зону теплового сканера для последующего представления изображения и для его интерпретации оптимальным образом [227]. Если бы при съемке были замерены калибровочные данные для сканера и на поверхности Земли, то были бы возможны количественные определения записанных на магнитную ленту поверхностных температур объектов территории, а в случае выраженных геотермических аномалий – количественные характеристики теплового потока [67].
Светлый серый тон в области терм и в разветвлении обоих ручьев также обусловлен прогревом почвы снизу. Для центральной части аномалии по результатам зондирования почвы и радиометрическим замерам ИК-излучения на поверхности почвы в ходе различных по длительности периодов измерений по профилю длиной 170-200 м всегда получались повышенные температуры почвы в сравнении с окружением [97]. По радиометрическим измерениям примерно в 7 м от термального источника поверхностная температура почв в среднем за день на 4 К выше, чем в смежных термически нейтральных областях. Это способствует повышению теплового потока в 530 раз. Следует упомянуть, что дифференциация температур, т.е. обнаруженный при поисках геотермических аномалии контраст температур поверхности почвы между термически аномальными и нейтральными областями, в период проведения замеров в марте 1973 г. днем и ночью оставалась практически одинаковой. Несмотря на это, предпочтительнее тепловая съемка в ночное время (перед восходом солнца), поскольку в этом случае помехи замеров, возникающие вследствие солнечного излучения, имеют наименьшее значение.
Облет рассматриваемой области Полихнитос имел место 22.03.1973 между 5 и 6 ч утра, перед восходом солнца, долготными залетами во вполне благоприятной обстановке – небо ясное, почти штиль. В дни перед залетом дождей почти не было. Съемка проводилась с использованием теплового сканера типа «Supercyklop» в канале 8-14 мкм (самолет и сканер IGN). Аэросъемочный маршрут проходил на высоте 600 м, а повторный – на высоте 800 м. Сканерные данные не тарировались, однако в ходе проведения маршрута были проведены радиометрические замеры представительных наземных точек для увязки ступеней серого цвета на тепловом изображении с температурами.
Опыт съемки площади Полихнитос показал, что различия поверхностных температур в заснятой области, обусловленные различными термическими свойствами вещества поверхности и параметрами окружающей среды (в том числе: влажностью почвы, наличием или отсутствием растительности, видом, плотностью и высотой растительности уклонами склонов, топографическим положением), столь велики, что они могут перекрывать эффект повышенного теплового потока в районе геотермической аномалии. Чтобы показать проявления разницы в тепловых свойствах объектов местности и некоторых параметров окружающей среды и чтобы продемонстрировать изображение соотношений местности на тепловом снимке, на рис. 214 и 215 даны в сопоставлении тепловой снимок и панхроматический фотографический снимок района аномалии и его обрамления.