Тепловые снимки. Геологическое содержание изображения, примеры интерпретации. Часть 4

Интересным и имеющим большое значение для геологической практики является тот опыт, что на тепловых снимках областей пологоволнистого или более или менее плоского рельефа при определенных условиях обнаруживаются в картируемом виде зоны разломов и складчатые структуры близкого к поверхности фундамента, которые на дневной поверхности (при наземных маршрутах) или на панхроматических аэрофотоснимках едва ли можно было обнаружить или вообще предположить. Рис. 218 показывает фотосхему тепловых снимков территории в Трансваале, которую подстилают пологопадающие доломитовые свиты. Ясно видны как литофациальное (стратиграфическое) строение свит, так и их простирание и направление падения, а также значительное число нарушений и зон трещиноватости различной длины и ширины. Линии или зоны выхода преимущественно крутых разрывных структур выделяются на фоне окружающих пород серым, почти черным тоном. Темный серый тон в зонах от линейного до криволинейного очертаний указывает на понижение температуры, т. е. зоны выходов разрывных структур заметно холоднее, чем примыкающие скальные породы. Последние в соответствии со своими более высокими температурами обнаруживают более сильное излучение (светлые серые тона). Более высокая влажность почв вдоль зон разломов уменьшает поверхностную температуру. Эффект может усилиться благодаря испарению. Полосчатая градация серого тона доломитовых свит (с известковистыми, кремнистыми и мергелистыми прослоями) отражает перепады температур между отдельными пластами и прослоями, вызываемые различными тепловыми свойствами соответствующих пород. Округлые темные пятна показывают положение небольших замкнутых впадин карстового происхождения – долин, которые из-за более высокой влажности почвы и углубления (прохладный воздух) выделяются среди окружающих скальных пород в виде холодных аномалий. Светлые точки на рисунке справа внизу – деревья, которые дают положительные тепловые аномалии.

Рис. 218. Фотосхема из тепловых снимков одного из районов Трансвааля, ЮАР. Съемка перед восходом солнца. Пояснения в тексте (по [11]).

Рис. 219. Фотосхема из панхроматических аэрофотоснимков территории, изображенной на рис. 218. Масштаб около 1:33 000 (по [11]).

Рис. 219 изображает фотосхему панхроматических аэрофотоснимков, которая покрывает тот же участок местности, что и рис. 218. На аэрофотоснимке видны некоторые черты землепользования, а также долины. Справа на снимке благодаря своим светлым серым тонам заметны также несколько плоских выходов скальных пород. Литофациальное строение, слоистая структура и разрывные нарушения близкого к поверхности фундамента, напротив, не распознаются (или только намечаются), поскольку рыхлый и тонкий почвенный покров перекрывает фундамент. На снятом перед восходом солнца тепловом изображении сканера сквозь тонкий почвенный покров просвечивают относительные температурные различия под почвой пород и температурные различия между более влажными зонами разломов и смежными скальными массивами. Бэккер и др. [11] сообщают, что литофациальные и структурные детали или изменения близкого к поверхности фундамента могут улавливаться тепловым сканированием через покров толщиной примерно 20 см. Однако это справедливо только для случая сухой рыхлой песчаной почвы. В районах с влажной глинистой или суглинистой почвой ИК-изображения сканера, напротив, не дают никакой сопоставимой информации о соотношениях в фундаменте. В Южной Африке (и в сопоставимых областях) сухой сезон более всего подходит для аэросъемки тепловым сканером. В это время почвы сухие, а растительность, и без того скудная, не создает никаких помех.
Поскольку в Южной Африке обширные районы покрыты рыхлыми песками и щебнем, геология фундамента маскируется этим почвенным покровом. Положительный опыт применения тепловых сканеров привел к тому, что тепловые снимки используются в рамках работ по региональной съемке и прежде всего в рамках поисков месторождений для обнаружения выходов и для прослеживания особенно интересных литофациальных комплексов или опорных горизонтов. Прежде всего это относится к районам со стратиформными или приуроченными к определенным структурам рудными сгущениями (см. [11]). На ИК-изображениях ночных залетов выходы пород всегда выделяются среди окружающих почв, поскольку непористые скальные породы, как правило, являются лучшими проводниками тепла, чем несцементированные пески и щебень. Аэросъемка тепловым сканером позволяет, по Бэккеру и др. [11], быстро локализовать все выходы пород на территории, в общем-то перекрытой почвой и молодыми отложениями, которые затем отыскиваются на местности для идентификации и картирования. На тепловых снимках степных и полупустынных районов удается также выделить те участки, в которых лишь тонкий почвенный покров залегает на скальных породах фундамента, которые можно подвергнуть более тщательным наблюдениям или исследованиям. Аналогичные исследования провел Сабинз [261] в характерном районе Калифорнии. ИК-снимок сканера плоской полупустынной области показывает синклинальную структуру и крупное нарушение, которые на аэрофотоснимках области не распознаются, поскольку фундамент замаскирован тонким почвенным покровом. Применение аэросъемка тепловым сканером в аналогичной местности может привести к получению важной информации и к значительной экономии рабочей силы и времени. В рассмотренных выше областях Южной Африки внешние условия могут быть особенно благоприятными для применения теплового сканера при геологическом картировании и разведочных работах. По Бэккеру и др. [11], снимки теплового сканера могут применяться как для мелкомасштабной (от 1:25000 до 1:50000), так и для крупномасштабной (1:1000) съемки.
Особую ценность применение ИК-сканирования может иметь при инженерно-геологических работах, в которых решающее значение имеют данные по геологии и гидрогеологии близкого к поверхности фундамента. Плотность вещества на поверхности и влажность приповерхностных образований оказывают решающее влияние на величину излучения и тем самым на ступени серого тона поверхности района на ИК-изображении сканера. С учетом устанавливаемых на ИК-изображении и аэрофотоснимках иных поверхностных явлений (изменение растительности, рельеф поверхности, свойства и влажность почвы) при благоприятных внешних условиях и достаточном опыте интерпретатора на ИК-изображении сканера в соответствующей области удается откартировать комплексы скальных пород и тектонические структуры близкого к дневной поверхности фундамента, разделить области с тонким и более мощным почвенным покровом, равно как и высказать определенные суждения о гранулометрии и степени уплотнения рыхлых пород чехла. Бэккер и др. [11] дают в своей публикации множество соответствующих примеров из Южной Африки. Авторы, впрочем, указывают на пользу стереоскопического изучения ИК-снимков сканера. Возможность подобного стереоскопического рассмотрения возникает тогда, когда смежные полосы изображений сняты примерно с 60%-ным боковым перекрытием.
На рис. 220а и 220б на следующем примере из Южной Африки сопоставляется различие информационного содержания тепловых снимков и панхроматических аэрофотоснимков. Тонкий почвенный чехол в области съемки отражает падающее световое излучение. Аэрофотоснимок (рис. 220б) отображает почвенный покров более или менее равномерным серым тоном. Определенные изменения почвенного слоя распознаются по вариациям серого тона. Сведений о геологической ситуации в фундаменте панхроматический аэрофотоснимок не дает. Напротив, на ИК-изображении сканера (рис. 220а) распознаются находящиеся под тонким почвенным покровом комплексы пород и разрывные структуры в скальном основании. Выделяющиеся линии серого тона маркируют крупные зоны нарушений, а также сеть трещин в доломитах. Области с относительно мощным почвенным покровом выделяются более темным серым тоном, который отображает топографическое положение, а также указывает на более высокую влажность. Точки пересечения крупных нарушений представляют собой критические области с точки зрения инженерно-геологических проблем (мощность рыхлых пород, устойчивость, дренаж, закарстованность и т. п.). Интерпретация теплового изображения сканера позволяет выделить те критические области, которые надлежит изучить детальнее. Таким образом, ИК-изображение сканера в приведенном примере дает сведения, которые вообще отсутствуют на панхроматическом аэрофотоснимке. Как раз в областях, в основании которых залегают закарстованные известняки и мергели, для строительных проектов (дороги, строения, прокладка труб), а также в аспекте проблем окружающей среды (водозабор, удаление сточных вод) решающее значение имеют данные по геологическим и гидрологическим соотношениям в основании. На ИК-изображении сканера рис. 221 ясно вырисовываются вызванные закарстованностью долины и линейные карстовые обрушения. Расположение долин АС однозначно связано с крутыми разрывными нарушениями, которые по данным интерпретатора (Spectral Africa Ltd.) не видны на панхроматическом аэрофотоснимке данной области. Светлые серые тона некоторых долин вызваны стоячими водами в основании этих форм. Темные серые тона долин указывают на повышенные концентрации влажности. Проявления процесса провалов можно ожидать вдоль зон разломов (например, Е и F) и на их продолжении. Наблюдаются также зоны возможного распространения долин (точечные границы). Определенное значение для проблем окружающей среды и планирования заселения заснятой области имеет то, что некоторые из закарстованных разрывных структур (Н) протягиваются вплоть до зон застройки.

Рис. 220а. Тепловой снимок территории района в Южной Африке. Съемка перед восходом солнца. Масштаб около 1:20000 (по [11]).

Рис. 220б. Панхроматический аэрофотоснимок района, показанного на рис. 220а. Масштаб около 1 :20 000 (по [11]).

Рис. 221. Карстовые впадины (долины), зоны разломов и трещин на тепловом снимке района Южной Африки. Пояснения в тексте (по [11]).