СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к способу обнаружения рудных месторождений по материалам аэрофотосъемок с учетом коэффициента спектральной яркости доминирующей растительности, геохимических характеристик подстилающей поверхности и может быть использован также в экогеохимии и геомониторинге для решения природоохранных задач и охраны окружающей среды.

Известны способы, позволяющие обнаруживать рудные месторождения по полю яркости земной поверхности на аэронегативах. Как правило, для реализации этих способов необходимо наличие не менее трех эталонных участков в пределах известного месторождения с известными коэффициентами спектральной яркости. Учитывая, что рудные месторождения на материалах аэрофотосъемок представляют собой малоконтрастный и малоразмерные объекты, величина коэффициентов яркости которых изменяется от геометрических условий их освещения и визирования, необходимо для уверенной идентификации искомого объекта правильно выбрать не только время их съемки, но и высоту размещения съемочной аппаратуры и спектральный диапазон их фотографирования. В известных способах эти обстоятельства не учитывались.

Уверенно и однозначно рудные месторождения могут быть обнаружены по фотоизображениям, полученным аэрофотокамерой с заданными характеристиками, при заданной высоте и скорости летательного аппарата, на котором установлено съемочное оборудование с заданными характеристиками.

Исходными данными для прогнозирования условий съемки может явится коэффициент спектральной яркости растительности, доминирующей и повсеместно распространенной как на территории рудного месторождения, так и за его пределами. Коэффициент спектральной яркости может быть определен, в частности, в результате совместного спектрофотометрического исследования доминирующей растительности и биогеохимического исследования золы этой растительности и почв, на которых эта растительность произрастает, в пределах рудного и безрудного эталонов.

Указанные процедуры могут быть выполнены с борта летательного аппарата или в наземных условиях.

Наличие наибольшего яркостного контраста, разницы между коэффициентами спектральной яркости растительности рудного и безрудного эталонов однозначно определяет спектральный диапазон фотографирования для различных условий освещения и визирования исследуемых поверхностей. Разница в значениях коэффициента яркости обусловлена различием геохимической обстановки на рудном и безрудном эталонах. Эти критерии являются основополагающими для определения условий выполнения полетов с целью обнаружения рудных месторождений на материалах аэрофотосъемки.

Известен дистанционный биогеохимический способ поисков рудных объектов, использующий принцип лазерного облучения растительности, в процессе которого изменяются энергетические характеристики облучаемой растительности и фиксируется ответный сигнал [1]
Однако при лазерной съемке исследование поверхности производится монохроматическим излучением, которое не всегда вызывает аномальный отклик с исследуемой поверхности, так как не всегда совпадает с определенной областью спектра искомого рудного объекта. Кроме того, при зондировании поверхности лазерным прибором в ультрафиолетовой и синей частях спектра ответный сигнал значительно поглощается атмосферой и уровень полезной составляющей очень близок к уровню флюктуаций прибора, что приводит к недостоверности и неуверенной идентификации искомого объекта.

Наиболее близким к заявленному является способ, по которому с помощью многозональной съемки определяются спектральные яркостные характеристики элементов подстилающей поверхности для картографирования отдельных геологических образований и поисков рудных месторождений [2]
Однако этот способ не позволяет однозначно идентифицировать рудные месторождения, так как съемочная аппаратура при многозональной съемке имеет штатные светофильтры в конкретных 4 или 6 узких спектральных диапазонах. На практике яркостная аномалия, образованная рудным месторождением, может располагаться в других спектральных диапазонах, фотоизображение в которых может получиться или недоброкачественным, или не получиться вообще. Использование только одного коэффициента спектральной яркости не является достаточным для уверенной идентификации искомого объекта.

Техническим результатом предлагаемого способа является более дешевое, достоверное и эффективное обнаружение рудных месторождений.

Для достижения поставленной цели предлагается использование двух взаимосвязанных критериев, а именно: коэффициента спектральной яркости доминирующей растительности, которая произрастает в почвах, образующихся на поверхности рудного месторождения, с повышенными концентрациями химических элементов соответствующего полезного компонента в этой растительности. Для достижения технического результата предлагается с помощью предварительно полученных данных спектрофотометрических и биогеохимических исследований рудного и безрудного эталонов определить и предсказать конкретную ширину спектрального диапазона, параметры и условия съемки, приемника излучения для однозначного уверенного обнаружения рудного месторождения (или экологически опасного объекта) дешифрированием материалов аэрофотосъемки.

Предлагаемый способ позволяет обнаружить по материалам аэрофотосъемки рудные объекты с помощью предварительных данных спектрофотометрических и биогелхимических исследований и отличается от аналога и прототипа тем, что с его помощью происходит уверенная идентификация искомого объекта.

Способ выполняется следующим образом.

1. Выбираем рудные эталоны в пределах месторождения того металла, поиск которого в дальнейшем будет производится.

2. Выбираем безрудный эталон за пределами территории месторождения того металла, поиск которого в дальнейшем будет производиться. Рудный и безрудный эталоны должны располагаться в однотипных ландшафтно-геоморфологических условиях. На площади рудного и безрудного эталонов должна быть развита преимущественно однотипная растительность.

3. На рудном и безрудном эталонах производят спектрофотометрические измерения доминирующей растительности в диапазоне длин волн 400 850 нм (видимый диапазон спектра) с шагом не менее 15 нм, т.е. для каждой точки наблюдения получится по 30 замеров спектральной отражательной способности (r) в разных частях спектра в пределах 400-850 нм. Точки измерения располагаются на профилях или по квадратной сети. Длина профилей и шаг опробования определяются размерами конкретных рудных тел и разрешающей способности аэрофотосъемки. Количество точек наблюдения в пределах рудного и безрудного эталонов должно обеспечивать статистическую обработку полученной впоследствии аналитической информации (не менее 30). Сразу после спектрофотометрирования на каждой точке наблюдения рудного и безрудного эталонов производят сопряженный отбор проб почв и растительности, произрастающей на данной почве, анализ которых должен показать влияние содержания искомого металла в почвах на содержание этого металла в золе доминирующей растительности.

4. Производим статистическую обработку данных спектрофотометрирования, данных анализа почв и золы растительности рудного и безрудного эталонов с использованием пакета математических программ для установления наличия корреляционной связи между содержаниями искомого металла в С₁-почвах и С₂-золе растительности и спектральными отражательными способностями растительности (r) и содержаниями искомого металла в почвах и золе соответствующей растительности (C₂). При отсутствии корреляционной связи между С₁ и C₂ считают, что выбранный тип растительности не может быть использован. Следует выбрать другой. А при наличии корреляционной связи между C₁ и C₂ на обоих эталонах определяют силу корреляционной связи между r и С₂ на обоих эталонах, определяют контрастность K=r_об-r_ф, где r_об спектральная отражательная способность на рудном, а r_ф на безрудном эталоне, выбирают эффективную длину волны Δλ, при которой K maх, по Dl выбирается тип фотопленки, а остальные параметры для последующей аэрофотосъемки определяют по экспериментально установленной зависимости между известными величинами спектральной отражательной способности, контрастностью, эффективной длиной волны и предельной высотой полета Н, при аэрофотографировании с которой в диапазоне спектра с эффективной длиной волны Dl, объекты с линейными размерами L отобразятся на снимке по отношению к окружающему их фону с заданным контрастом К на предельной пространственной частоте N, характеризующей разрешающую способность аэрофотосъемочной системы для выбранных условий съемки, далее аэрофотосъемку проводят с выбранными (расчетными) параметрами.

5. Далее по экспериментально установленной зависимости между контрастностью, эффективной длины волны, разрешающей способностью аэрофотосъемочной системы и высотой съемки, с учетом средних атмосферно-оптических условий географической широты конкретного региона работ определяем условия последующей аэрофотосъемки для обнаружения рудных месторождений искомого металла. При этом используем следующую систему уравнений, позволяющих по известным спектральным отражательным характеристикам растительности (коэффициентам спектральной яркости) определить предельную высоту Н, при аэрофотографировании с которой в эффективном спектральном диапазоне длин Dl волн объекты с линейными размерами L отобразятся на снимке по отношению к окружающему их фону с заданным контрастом K_Δλ на предельной пространственной частоте N, характеризующей разрешающую способность аэрофотосъемочной состемы для выбранных условий съемки

где β и n соответственно половина угла поля зрения и знаменатель относительно отверстия объектива съемочной камеры;
N₀ разрешающая способность аэрофотосъемочной системы, определенная при отсутствии сдвига изображения;
r_об и r_ф соответственно спектральные коэффициенты яркости объекта и фона;
kl спектральный коэффициент яркости атмосферной дымки.

6. С целью обнаружения месторождений искомого металла проводят спектрофотометрическую аэрофотосъемку с заданными параметрами (К, No, Н, Dl L) на новых площадях и по результатам дешифрирования материалов аэрофотосъемки судят о наличии рудного месторождения искомого металла.

Способ опробирован на медно-порфировом месторождении, расположенном в пределах Пенжинского сектора Охотско-Чукотского вулканогенного пояса.

1 Выбираем рудный эталон в пределах медно-порфирового месторождения. Рудная зона в эндоконтакте массива гранодиоритов создает в почвах, образующихся на ней, высококонтрастный ореол меди протяженностью около 2 км и шириной 50-250 м.

2. Выбираем безрудный эталон, располагающийся в нормальном геохимическом поле далеко за пределами геохимической аномалии, создаваемой рудным полем медно-порфирового месторождения.

Рудный и безрудный эталоны располагаются в одинаковых ландшафтно-геоморфологических условиях среднегорной тундры Северной Камчатки с почти повсеместным развитием многолетнемерзлых пород. На площади обоих эталонов повсеместно развит ягельный покров, относящийся к доминирующей растительности в условиях среднегорья Северной Камчатки и формирующий характер на аэрофотоснимках.

3. Проводили комплекс сопряженных спектрофотометрических и биогеохимических исследований. В пределах рудного и безрудного эталонов размечали по 4 профиля, на каждом профиле намечали по 50 точек наблюдения. Расстояние между профилями 10 м, расстояние между точками наблюдения 5 м. Всего 200 точек наблюдений на рудном и безрудном эталонах. Спектрофотометрические измерения в пределах рудного и безрудного эталонов проводились в диапазоне длин волн 400-850 нм (видимый диапазон спектра). Спектрофотометрирование ягеля на каждой из 50 точек наблюдения производились дважды. На каждой из точек наблюдения производили отбор почвенно-растительных проб в пределах рудного и безрудного эталонов для определения влияния геохимии почв на геохимию золы доминирующей растительности ягеля. Почвенные пробы направлялись на эмиссионный спектральный анализ, пробы ягеля на озоление и далее зола ягеля также направлялись на эмиссионный спектральный анализ.

4. Произвели статистическую обработку данных эмиссионного спектрального анализа почвенных проб и золы ягеля, данных спектрофотометрирования ягеля с рудного и безрудного эталонов. Статистическая обработка аналитических данных почвенных проб и золы ягеля на рудном и безрудном эталонов показала, что зола ягеля в ландшафтах горной тундры Северной Камчатки полностью наследует элементный состав почв, образующихся на медно-порфировом месторождении. Причем зола ягеля значительно сильнее обогащена медью по сравнению с почвами как на рудном, так и на безрудном эталонах. Зола ягеля на рудном эталоне содержит медь на порядок два выше, чем зола ягеля на безрудном эталоне.

По результатам спектрофотометрических измерений проб ягеля рудного и безрудного эталонов построены графики средних содержаний коэффициента спектральной яркости в диапазоне длин волн 400-850 нм, которые выявили значимые различия в спектральной отражательной способности ягеля, произрастающего на рудном и безрудном эталонах. Отражательная способность ягеля, произрастающая на рудном эталоне, намного выше, чем у того же ягеля безрудного полигона. Кроме того, у лишайника, подвергшегося геохимическому стрессу, заметен "голубой сдвиг" смещение кривых спектрального отражения в сторону более коротких волн (665-675 нм).

Увеличение отражательной способности ягеля и наличие "голубого сдвига" хорошо согласуется с исследованиями, в которых данное явление объясняется изменениями в клеточной ткани растений (ослабление продукции хлорофилла), вызванное "металлическим" стрессом.

5. Произвели определение оптимальных условий проведения аэрофотосъемки в целях выявления на аэрофотоматериалах элементов ландшафта с заданным коэффициентом спектральной яркости и линейными размерами, решая систему уравнений (1).

Предельная высота аэрофотографирования Н 1000 м рассчитана для создания условий максимального яркостного контраста К изображения ягеля, произрастающего на рудном эталоне, по отношению к ягелю, произрастающему на безрудном эталоне, для средних атмосферно-оптических условий широты Северной Камчатки.

Тип летательного аппарата вертолет или самолет типа АН-2. Тип фотопленки для фотокамер МСК-4: 1-5 каналы Т-42л, 6 канал И-840.

Эффективная длина волны Dl 400 нм.

6. С целью обнаружения новых месторождений медно-порфирового типа провели дешифрирование материалов многозональной съемки с учетом соответствия их параметров оптимальным условиям, установленным выше.

Таким образом, при обнаружении рудных месторождений по материалам аэрофотосъемки необходимо учитывать существование причинных связей между коэффициентом спектральной яркости доминирующей растительности, которая произрастает на почвах, образующихся на поверхности рудных месторождений. Комплексный подход к этим объектам исследования при поисках рудных месторождений, в экогеохимии и геомониторинге, при решении природоохранных задач и охраны окружающей среды будет способствовать повышению эффективности проводимых работ и снижению затрат при уверенной и однозначной индентификации искомых объектов.

Использование: при проведении дистанционных исследований для поисков рудных месторождений, геоэкологических исследований и мониторинга загрязнений поверхности Земли. Сущность изобретения: по материалам аэрофотосъемок проводят спектрофотометрирование доминирующей растительности в диапазоне 400-850 нм длин волн спектра электромагнитного излучения и сопряженный с ним отбор почвенных и растительных проб, определяют элементарный состав проб, отобранных в пределах рудного и безрудного эталонов, выделяют наибольший яркостный контраст между коэффициентами спектральной яркости рудного и безрудного эталонов и определяют по нему спектральный диапазон фотографирования для различных условий освещения и визирования исследуемых поверхностей, выделяют значения коэффициента яркости, обусловленные различием геохимической обстановки на рудном и безрудном эталонах, и используя полученные данные, проводят дистанционные иcследования изучаемого участка поверхности Земли.

Способ обнаружения рудных месторождений, включающий проведение аэрофотосъемок, определение спектральных яркостных характеристик элементов подстилающей поверхности и суждение по результатам дешифрования материалов аэрофотосъемок о наличии рудного месторождения, отличающийся тем, что предварительно перед аэрофотосъемкой выбираются рудные и безрудные эталонные участки в пределах месторождения того металла, поиск которого в дальнейшем будет производиться, и за его пределами соответственно, причем рудный и безрудный эталоны должны располагаться в однотипных ландшафтно-геоморфологических условиях и областях с однотипной растительностью, на этих эталонных участках производят спектрофотометрические измерения доминирующей растительности в диапазоне длин волн 400 850 нм с шагом не менее 15 нм по профилям или по квадратной сети, при этом выбирают количество точек наблюдения в пределах каждого из эталонов, обеспечивающее статистическую достоверность полученной информации, а сразу после спектрофотометрирования на этих же точках наблюдения производят сопряженный отбор проб почв и растительности, проводят анализ этих проб на содержание искомого элемента и/или элементов-индикаторов, производят статистическую обработку данных спектрофотометрирования и данных анализа проб рудного и безрудного эталонов, устанавливают наличие корреляционной связи между спектральной отражательной способностью r и содержанием искомого металла и/или элементов-индикаторов в почвах С₁ и золе С₂ соответствующей растительности, при этом при отсутствии корреляционной связи между С₁ и С₂ считают, что выбранный тип растительности не может быть использован и следует выбрать другой, а при наличии корреляционной связи между С₁ и С₂ на обоих эталонах определяют силу корреляционной связи между спектральной отражательной способностью r и С₂ на обоих эталонах, определяют контрастность K = r_oσ-r_φ, где r_oσ- спектральная отражательная способность на рудном эталоне, r_φ- на безрудном эталоне, определяют эффективную длину волны Dl при K = max, по Δλ выбирается тип фотопленки, а остальные параметры для последующей аэрофотосъемки определяют по экспериментально установленной зависимости между известными величинами спектральной отражательной способности, контрастностью, эффективной длиной волны и предельной высотой полета Н, при аэрофотографировании с которой в диапазоне спектра с эффективной длиной волны Dl, объекты с линейными размерами L отобразятся на снимке по отношению к окружающему их фону с заданным контрастом К на предельной пространственной частоте N, характеризующей разрешающую способность аэрофотосъемочной системы для выбранных условий съемки, далее аэрофотосъемку проводят с выбранными (расчетными) параметрами.