О. Калинина - Основы аэрокосмофотосъемки

2.8 Применение тепловой инфракрасной съёмки в гидрогеологии и инженерной геологии

Для проведения инфракрасной съемки используется оптико- электронная сканирующая аппаратура, осуществляющая преобразование невидимого глазом инфракрасного излучения в видимое изображение. Съемка проводится с борта различных летательных аппаратов. Материалы инфракрасной съемки дают принципиально новую по сравнению с результатами фотосъемки информацию по распределению температуры подстилающей поверхности. Зависимость температуры природных объектов от их теплофизических характеристик обуславливает возможность применения инфракрасной съемки для целей гидрогеологии и инженерной геологии. Особый интерес представляет связь температуры с влажностью пород, что в некоторых случаях позволяет обнаруживать подземные воды по их прямому признаку – повышенной влажности.

По происхождению и по характеру теплового контраста можно разделить все гидрогеологические и инженерно-геологические объекты на три большие группы:

1) нагрев объектов внутренним теплом Земли;

2) тепломассопереносом и экзотермическими процессами;

3) нагрев объектов солнечным излучением.

В космической технике стали применять распознающие инфракрасные устройства, которые используют в качестве дешифрировочных признаков спектральные яркости объектов распознавания в различных спектральных диапазонах. При этом в анализе признаков объектов применяются математические методы. Распознаются, в том числе и природные фоновые образования: почва, растительность, песок, снег, вода…

При производстве инфракрасной съемки улавливаются окисление скоплений сульфидов по различию температур со смежными участками; улавливаются выделение углеводородов (выделяется тепло при разложении их микробами), но это в основном заглушается другими факторами.

На Камчатке улавливают активность вулканов, гидротермальные процессы, гейзеры. Зоны разломов видны на рудных полях, особенно вмещающих воды в трещинах.

Инфракрасную съемку можно производить ночью, при этом фиксируется тепло неодинаково остывающих объектов природы. Есть такое понятие – тепловая инерция пород. Таким образом, температурные различия объектов изменчивы от времени суток и года. Ветер охлаждает породы. Влажные места более холодные от испарения.

Рельеф тоже влияет на изображения – склоны, ровные поверхности отличаются друг от друга. Проявляются даже стога – застойная зона – одинаковое количество тепла слабо зависимая от факторов. Метод похож на геофизический, только объекты даются в изображениях.

На материалах инфракрасной съемки видны автострады, трассы железнодорожных линий, водопроводы, трубопроводы углеводородов, места их неисправностей – утечки. Тепловая съемка дает очень точно распределение вод при мелиоративных работах и позволяет существенно их скорректировать. Уточняются обводнения территорий и ландшафтные неблагополучия.

Результативна эта съемка при изучении городов их окрестностей и строительства. Есть пословица – где пьют там и льют. Фиксируются утечки тепла в холодное время года через открытые подъезды. Видны загрязнения рек стоками промышленных предприятий, как правило, неочищенными и теплыми. Тепловое загрязнение также наносит урон природной среде. Эти шлейфы загрязнений долго еще прослеживаются по течению.

На материалах рассматриваемой съемки видно все, что открыто и обводнено. Эти материалы пригодны также для характеристики важнейших (пускай известных) элементов геологического строения.

Основные преимущества радиодиапазона всепогодность и большая по сравнению с оптическими волнами проникающая способность радиоволн – позволяют наблюдать поверхность Земли без экранирующего эффекта растительности и изучать подпочвенные слои глубиной в несколько десятков метров. При этом применяются УКВ и СВЧ-диапазоны волн (длина волн от 1 мм до 10 м и более).

На примере Средней Азии, Камчатки и Крымской области приведены результаты радиолокационного зондирования, позволяющие определить степень увлажнения почв, заболачивание водоемов, провести инвентаризацию сельскохозяйственных культур. Радиолокатор бокового обзора «Торос», установленный на самолете АН-24, работал на длине волны 2,5 см; полоса обзора радиолокатора примерно 15 км при полете на высоте 5 км. Проявляется проникающая способность на несколько метров.

Применение этого метода возможно в метеорологии, океанологии (определение температуры воды в океане, составление карт сплошности льдов на примере Антарктики, определение возраста льда), в геологии (поиски полезных ископаемых неглубокого залегания, поиск геотермальных источников), в лесном хозяйстве (инспекция состояния растительного покрова, противопожарное патрулирование и т.п.) в гидрогеологии (определение солености или минерализации вод пресных водоемов на примере оз. Сиваш в Крыму, Каспийского моря).

Мелкомасштабность, высокая обзорность, «скульптурность» и генерализация изображения на этих снимках делают эффективным применения их для изучения структурно-тектонического строения. По материалам этой съемки на территории Казахстана выделены структуры, зоны разрывных нарушений. Дешифрировочными признаками при этом являлись: плановое положение маркирующих горизонтов, анализ эрозионной сети и форм рельефа, учет условий увлажнения.

В нефтяном районе США – Скалистых горах, несмотря на облачный покров, выявлены скрытые разрывные нарушения, контролирующие ловушки нефти и газа.

Тем не менее геологические объекты опознавать трудно. В горных районах метод применяется плохо из-за больших теней, закрывающих большие площади. На ровных площадях метод работает хорошо.

Озера, болота, ровные скальные поверхности, ровная тундра, влажные места – характеризуются более темным до черного фототоном. Вертикальные и крутые элементы рельефа – крутые скалы, обрывистые берега – светлые. Поверхность испещренная микроформами рельефа (бед-ленд) – темные.

Щебенка – темногофототона, а глыбы – светлого. Магнитные свойства на сигнале не сказываются. Снимки получаются отчасти перспективные из-за бокового обзора.

Рисунок 1 – Сравнительная информативность изображения аэрофото- (а) и РЛ-снимка (б) района Сивайд, штат Орегон, США. По Г. Смиту

1. Перспективная аэрофотосъёмка (АФС).

2. Планово-площадная АФС.

3. Спектрозональная АФС.

4. Тепловая АФС.

5. Радиолокационная съёмка.

Использование материалов аэрофотосъемки для целей геологического дешифрирования базируется на наличии тесных взаимосвязей между различными геологическими объектами и структурами к процессам в природе и проявлениями их на поверхности. При этом геологические объекты как-то проявляются в ландшафтах поверхности. Бесстрастный объектив аэрофотоаппарата фиксирует всю эту обстановку на снимках.

В задачу геологического дешифрирования входят почти тоже, что и для геологического картирования:

1) выявление и прослеживание границ распространения горных пород, горизонтов и свит, состоящих из пород различного состава;

2) выявление, прослеживание и анализ стратиграфических и тектонических взаимоотношений массивов и комплексов горных пород между собой (последовательность залегания горных пород, элементы залегания, мощности, типы несогласия, тектонические нарушения, типы структур);

3) определение и анализ физико-геологических процессов, протекающих на поверхности (экзогенные геологические процессы, выветривание горных пород, их накопление, неотектоника, техногенная деятельность человеческого общества – техногенез);

4) изучение и анализ геоморфологических особенностей территории;

5) установление и изучение поисковых признаков, способствующих выявлению различных полезных ископаемых, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

Аэрофотогеологический метод обеспечивает:

1) точное и объективное отображение морфологии и главнейших особенностей геологического строения земной поверхности, находящихся во взаимосвязи друг с другом;

2) большинство необходимых геологу деталей, обычно отсутствующих на топографических картах;

3) точное опознавание точек наблюдения и надежную их привязку;

4) достаточно обоснованное геологическое картирование не только по линии маршрутов, но и в пределах площадей, расположенных между маршрутами;

5) возможность одновременно наблюдать различные объекты, а также их контуры и взаимоотношения – при наземных исследованиях геолог наблюдает эти объекты разобщено и производит их увязку субъективно;