Структурно-тектонический анализ данных дистанционного зондирования Земли

0

А.В. Дурандин

С 90-х гг. ХХ в. геофизики академических институтов занимаются изучением низкочастотных электромагнитных сигналов литосферного происхождения (Соболев Г.А., Дедов В.П., Левшенко В.Т., Гульельми А.В., Шуман В.Н. и др.). Экспериментально уста­новлено [1,6,7], что литосфера способна генерировать электромагнитные и сейсмомаг­нитные возмущения. На границе раздела «Земля-атмосфера» они создают сложную структуру электромагнитных полей, несущих информацию о процессах в земной коре, ее строении и свойствах [1,3,4,6,7]. На дневную поверхность проецируется трехмерная ин­терференционная картина геологического строения литосферы [6]. Реги­стрируемый съе­мочной аппаратурой искусственных спутников Земли (ИСЗ) отраженный от дневной поверхности солнеч­ный свет модулиру­ется низ­кочастотными электромагнитными и сейсмомагнитными сигна­лами, коррелиро­ванными с геологическим строение литосферы [9].

Таким образом, существующий фон природных сейсмоакустических волн,  прохо­дящих через толщу земной коры, взаимодействуя с геологическими структурами и объек­тами, отражается на дневной поверхности в виде интерференционной картины стоячих волн, несущих инфор­мацию, накопленную в процессе движения. Сейсмические волны, двигаясь из глубин Земли в неоднородной среде к поверхности, постоянно взаимодей­ствуют с горными породами, генерируя вторичные низкочастотные сейсмоакустические и сейсмомагнитн­ые колебания. Вторичные им­пульсы посылаются к поверхности в зависи­мости от формы, размера и условий залегания гео­логических тел под углом  от 60° до 82° [2]. Эти импульсы формируют на границе раздела «Земля-атмосфера» сложную про­странственно-временную информационную структуру электромагнитных полей.

Рис.1. Снимок Landsat (синим контуром показаны нефтяные залежи)
Рис.1. Снимок Landsat (синим контуром показаны нефтяные залежи)

На основании этого в ООО «ГеоКосмоМониторинг» разработана эксперименталь­ная методика опре­деления структурно-тектонического каркаса территорий по данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). В методике ис­пользуются данные спектрозональных космиче­ских съемок, как наибо­лее доступные, оперативные, разномасштабные и относительно деше­вые. Предва­рительное осреднение сигнала происходит в процессе аэро- и космосъемок, в зависимо­сти от аппа­ратного раз­решения сенсора. Например, на снимке с космического аппарата Landsat (рис. 1) с разре­шением около 15 м осредненный сигнал имеет частоту примерно 2 Мгц. Демодуляция от­раженного светового сигнала производится с использованием частотных и полосовых фильтров и преобразо­ваний Фурье [2].

На первом этапе выполняется автоматизированный линеаментный анализ исход­ного снимка программным комплексом LESSA [10]. Для демодуляции данных аэро­фото- и космосъемки используется поканальный перевод в числовые матрицы, над кото­рыми производится ряд трансформаций: выделение региональной составляющей, осред­нение, частотная селекция методом послойного вычисления аномальных верти­кальных гради­ентов по вычислительным схемам Саксова — Нигарда и Гендерсена-Зитца в верх­нюю и нижнюю полусферы [2] при помощи интеграла Пуассона по минимальным (рис. 2), средним (рис. 3) и максимальным значениям.

Рис.2. Трансформанта «min» для верхней полусферы для глубины 1900 м
Рис.2. Трансформанта «min» для верхней полусферы для глубины 1900 м
Рис.3. Трансформанта «mean» для нижней полусферы, глубины 600 м
Рис.3. Трансформанта «mean» для нижней полусферы, глубины 600 м

 

 

 

 

 

 

Значения аномальных вертикальных градиентов пропорционально связаны с от­клонениями физических параметров от их средних величин для изучаемого разреза.

Полученные при пересчете трансформанты переводятся в градиенты и оценива­ются по стандартому отклонению.

По полученным трансформантам производится построение псевдоразрезов (рис.4). В общем случае, так же как при решении обратной задачи в грави- и магнитораз­ведке,  исходим из модели идеального шара и, соответственно, из среднего соотношения радиуса осреднения с глубиной 0,71. На разрезах выделяются поверхности раздела, тек­тонические нарушения и определяется структурно-тектонический каркас территории.

Рис.4. Фрагмент псевдоразреза с отношением масштабов 1:5
Рис.4. Фрагмент псевдоразреза с отношением масштабов 1:5

Метод имеет ограничения точности в зависимости от размера элементарной ячей­ки (разрешения) исходного снимка.

Использование метода не требует выезда на изучаемую территорию и обеспечива­ет значительную экономию времени и средств, позволяет сократить объем, сроки и стои­мость работ при регио­нальных, среднемасштабных и детальных геолого-гео­физических исследованиях.

В силу особенностей анализируемого поля и его параметров методика объясняет значительную дифференциацию на небольших площадях физических свойств  геологиче­ских тел, образование зон уплотнения и разуплот­нения, проявление карста или соли­флюкции.

Полевыми исследованиями специалистов Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова [9] было под­тверждено, что на локальных участках наблюдается зональное измене­ние рельефа зем­ной поверхности, уплотнение или разрыхление почв, изменение других инженерно-гео­морфологических и гео­логических свойств грунтов, растительности и т. д. Анализ этих и других параметров, определяемых во время обработки, позволяет решать значительный спектр задач региональной металлогении, структурной и поисково-разве­дочной геологии, инженерной геологии и др.

Результаты структурно-тектонических и картировочных исследований дают воз­можность прово­дить разработку конкретных рекомендаций инженерно-геологического и иного плана для ло­кальных территорий земной поверхности, в том числе для отдельных сооружений, не­больших водоемов, участков дорожной сети.

Можно проводить изучение глубины залегания разнородных пластов пород, мощ­ности и состава рыхлых осадочных толщ, положение основных литологических разделов.

Методика применима в различных областях человеческой деятель­ности, связан­ных с недрами, в т. ч.:

  • Региональная геология и металлогения.
  • Структурное и палеогеологическое картирование.
  • Поисковые, поисково-оценочные геологоразведочные работы.
  • Инженерно-геологические изыскания.
  • Прогнозирование чрезвычайных ситуаций, связанных с сейсмической и нео­тектонической активностью, суффозионно-карстовыми явлениями.

Методика так же позволяет определять нахождение под землей практически лю­бых объектов (включая затонувшие корабли, археологические объекты и пр.) и геологиче­ских объектов, размеры которых больше длины анализируемой волны.

Методика протестирована при поиске углеводородного сырья (Самарская и Ни­жегородская области, Удмуртская Рес­публика), золота (Алтай), а также медных руд (Рес­публика Башкортостан). Установлено совпадение полученной в результате анализа информац­ии с геолого-геофизическими данными.

Список литературы

  1. Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и магнито­сфере Земли. Журнал «Успехи физических наук», декабрь 2007 г., том 177, №12, с.1257-1276
  2. Чернов А.А. Методы геологической интерпретации гравитационных и магнитных аномалий. Материалы международной конфренции «GEOSCIENCES 2006», с.388-391
  3. Левшенко В.Т. Сверхнизкочастотные электромагнитные сигналы литосферного происхождения. Автореферат диссертации доктора физ.-мат.наук. Москва, Объеди­ненный институт физики им.О.Ю.Шмидта РАН, 1995 г., 36 с.
  4. Ершов С.В., Новик О.Б., Ружин Ю.Я. Физика предвестников цунами и схема на­земно-космического мониторинга. Седьмая всероссийская открытая ежегодная кон­ференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из кос­моса» Москва, ИКИ РАН, 16-20 ноября 2009 г. Сборник тезисов конференции, с.255
  5. Павлович В.Н., Богданов Ю.А., Шуман В.Н., Ващенко В.Н. Электродинамика текто­нических процессов и электромагнитное профилирование земной коры в Антаркти­ческом регионе. Украинский антарктический журнал, 2009 г., №8, с.154-170
  6. Шуман В.Н. Электромагнитные сигналы литосферного происхождения в современ­ных наземных и дистанционных зондирующих системах.  Геофизический журнал, 2007 г. № 2, с. 3–16
  7. Шуман В.Н. Уравнение генерации спонтанных электромагнитных сигналов в систе­ме литосферных блоков. Геофизический журнал, 2008 г. № 1, с. 42–48
  8. Башкуев Ю.Б., Хаптанов В.Б., Нагуслаева И.Б., Буянова Д.Г., Адвокатов В.Р., Дем­белов М.Г.  Радиофизическая диагностика зон тектонических нарушений. Доклады Российской научной конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой», Улан-Удэ, 2010 г., с.405-421
  9. Фивенский Ю.И. Использование материалов аэрокосмических съемок для изучения земной коры. Журнал «Геодезия и картография» №1, 2006, с. 44-52
  10.  Златопольский А.А. Методика измерения ориентационных характеристик данных дистанционного зондирования (технология LESSA) Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирова­ния Земли из космоса» Выпуск 5, ООО «Азбука», Москва, 2008 г., т. 1, Стр. 102-112