Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 1, стр. 53-58

Новая методика получения количественных данных о цвете морских осадков

А. Н. Колесник 1*, А. А. Босин 1, О. Н. Колесник 1, Е. А. Янченко 1, Ю. П. Василенко 1

1 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук
Владивосток, Россия

* E-mail: kolesnik_a@poi.dvo.ru

Поступила в редакцию 24.07.2020
После доработки 12.08.2020
Принята к публикации 13.08.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для такого специфического геологического объекта, как морские осадки, представлена новая максимально объективная методика количественного определения цвета с помощью оригинальной фотоустановки. На примере многочисленных колонок осадков из Тихого и Северного Ледовитого океанов показаны преимущества фотоустановки перед основным цветометрическим прибором – колориметром.

Ключевые слова: цвет, цветометрическая фотоустановка, колориметр, литология, морские осадки, Тихий океан, Северный Ледовитый океан

Описание цвета – общепринятый этап изучения морских осадков и фаций. Это важный признак, который помогает получить первое представление о вещественном составе осадков, среде осадконакопления и ее временной динамике (палеореконструкции), степени и характере постседиментационных изменений [13]. Детально изученный на количественном уровне, параметр может быть использован в литостратиграфической корреляции. Однако в его точном фиксировании существует целый ряд трудностей. Прежде всего это быстрые необратимые трансформации цвета в окислительной атмосфере (приблизительно первые полчаса с момента вскрытия пробоотборника), неровная влажная поверхность образцов, часто длинномерных (колонки осадков), отсутствие единых условий цветоопределения. По примеру других наук о Земле в современной океанологии для описания цвета и текстурных особенностей образцов применяют цветовые шкалы, фотоаппараты, колориметры [16]. Самыми приемлемыми считаются портативные колориметры, но и они имеют недостатки. Действительно, если привлекать для анализа вспомогательные средства (специальные пленки с высоким коэффициентом пропускания света), то в итоге можно получить по-настоящему объективную цифровую информацию о цвете. Тем не менее качеством пленки в основном пренебрегают, используя обычную полиэтиленовую. Таким образом, данные поступают к исследователю в искаженном виде. Из прочих минусов следует отметить широкий (1 см) шаг опробования из-за размера сенсора (обычный диаметр апертуры прибора составляет 8 мм). Как правило, это не позволяет адекватно соотносить данные о цвете с другой информацией, например геохимической, полученной с более высоким разрешением. Точечность анализа не дает также определять в колонках осадков цветовые характеристики микрослойков и других локальных неоднородностей. Колориметры вообще не фиксируют текстурный рисунок осадка.

Цель нашей работы состояла в том, чтобы сконструировать установку для оперативного количественного определения цвета, в которой были бы устранены все перечисленные недостатки, и на конкретных примерах показать эффективность этой установки в экспедиционных условиях.

Оригинальная установка для определения цвета изображена на рис. 1 (далее – цветометрическая фотоустановка). В качестве основного элемента (фотодатчика) было решено использовать полнокадровый цифровой зеркальный фотоаппарат в силу его способности детально запечатлеть не только цвет, но и строение осадка в образце любой длины. В нашем случае задействовалась модель Canon EOS 6D Mark с объективом Canon EF 50mm f/1.2L USM (“Canon”, Япония). Благодаря размещению оптической системы и образца внутри двух жесткосочлененных непрозрачных модулей удалось стандартизировать условия фотосъемки и избежать влияния сторонних источников электромагнитного излучения в диапазоне видимого света. Фотометрический шар для создания диффузного освещения и угловая геометрия D/8 во взаимном расположении фотоаппарата и образца позволили подавить бликовый эффект на влажной поверхности осадка и получить качественное изображение осадочных разрезов со всеми их текстурами при одной нормальной экспозиции. Источником освещения выступала лампа c коррелированной цветовой температурой 6500 K и индексом цветопередачи CRI > 80%. Использование всего двух пигментов, сульфата бария (эталонный отражатель) и технического углерода (эталонный поглотитель) [7], дало возможность максимально полно донести излучение от источника света до поверхности образца и фотодатчика.

Рис. 1.

Конструкция цветометрической фотоустановки: а – схема поперечного среза; б – общий вид на стадии изготовления. 1 – жесткий каркас; 2 – верхний модуль; 3 – нижний модуль; 4 – фотоаппарат; 5 – отверстие ловушки зеркального блеска; 6 – фотометрический шар; 7 – источник освещения; 8 – образец; 9 – тележка для передвижения образца.

Цветометрическая фотоустановка опробована на обширном материале (97 колонок осадков). Фотосъемка проводилась на борту НИС “Академик М.А. Лаврентьев” в рамках четырех комплексных российско-китайских экспедиций в морях Тихого и Северного Ледовитого океанов (рис. 2). Перед началом работы фотоаппарат проходил обязательную процедуру настройки баланса белого (эталон белого на основе сульфата бария). С помощью калибровочных цветовых шкал (Datacolor, США) создавался уникальный цветовой профиль, который применялся для корректировки цветопередачи объектива на всех этапах исследования. Качество цветопередачи оценивалось по величине ΔE 1976 [8]. В полиграфии значение ΔE 1976 < 4 означает почти полную идентичность двух цветов для большинства наблюдателей. В нашем случае среднее значение ΔE 1976 составило 3.49, медианное – 2.56. Обработка изображений проводилась с помощью программ Adobe Photoshop (Adobe Inc., США) и ImageJ (NIH, США), мы получали количественную информацию о цвете в системе координат CIE 1976 L*a*b*.

Рис. 2.

Карта фактического материала. 1–4 – станции отбора колонок осадков, НИС “Академик М.А. Лаврентьев”: 1 – 76-й рейс (2016 г.); 2 – 77-й рейс (2016 г.); 3 – 83-й рейс (2018 г.); 4 – 87-й рейс (2019 г.). Номера указаны для демонстрационных, подробно изученных колонок.

Параллельно с фотосъемкой шли измерения на одном из двух колориметров – Konica Minolta CM-700d (“Konica” Minolta Sensing Inc., Япония) либо PCE-CSM 1 (PCE Instruments, Германия); проводилось литологическое описание. Все полученные данные сопоставлялись друг с другом.

На рис. 3 сравниваются показания цвета, снятые с эталонных цветовых шкал при помощи цветометрической фотоустановки и колориметра без пленки (для анализа сухой и чистой поверхности вспомогательные средства не нужны). Кривые L*, a*, b* от двух приборов весьма близки, что говорит об успешной работе фотоустановки; небольшие расхождения можно объяснить отсутствием в конструкции колориметра зеркальной ловушки и погрешностями в настройках баланса белого. Рисунок 4 демонстрирует показания, снятые с колонок осадков в море; при работе с колориметром, по примеру большинства исследователей в мире [46], использовалась полиэтиленовая пленка. Несовпадения в данном случае оказались более явными и многочисленными. Дело не только в разбросе абсолютных значений L*, a*, b*. Работающие в паре приборы с идентичной геометрией цветоизмерения фиксировали на некоторых участках колонок различный, в том числе противоположный характер распределения одной или нескольких цветовых величин. Скачки́ в измерениях колориметра совершенно очевидно связаны с пленкой, точечностью анализа и попаданием в локальные неоднородности. На рис. 4 хорошо видно, что значения L*, a*, b*, полученные с помощью фотоустановки, весьма чутко отражают изменения в строении и составе осадков, накопленных за четвертичное время в условиях шельфа (колонка LV77-3, [9]), континентального склона (колонка LV77-28), глубоководной котловины окраинного моря (колонка LV87-55), абиссали (колонка LV76-18).

Рис. 3.

Различие показаний цветометрической фотоустановки (1) и колориметра (2) относительно калибровочных шкал цветов 1A–6H (3) в системе координат CIE 1976 L*a*b*.

Рис. 4.

Различие показаний цветометрической фотоустановки (1) и колориметра (2) для колонок осадков из Тихого и Северного Ледовитого океанов с указанием главных литологических особенностей осадков (А–В, 3–26): А – цвет в виде фотографии (подложка) и в системе координат CIE 1976 L*a*b* (парные кривые, разделенные пунктиром; см. сверху вниз в соответствующем порядке); Б – текстура; В – основной состав и генезис; 3 – однородная текстура; 4 – пятнисто-линзовидная текстура; 5 – слоистость; 6 – биотурбация; 7 – оползание; 8 – размыв (перерыв седиментации); 9 – линзы гидротроилита; 10 – цементация осадка гидроксидами железа, стяжения гидроксидов железа; 11 – включения карбонатов кальция; 12 – включения карбонатов марганца; 13 – пелитовые осадки, терригенные; 14 – пелитовые осадки, терригенно-биогенные (диатомовые); 15 – песчано-алевритовые осадки, терригенно-биогенные (фораминиферовые); 16 – алеврито-песчаные осадки, терригенные; 17 – алеврито-пелитовые осадки, терригенные; 18 – пелито-алевритовые осадки, терригенные; 19 – алеврито-пелито-песчаные осадки, терригенные; 20 – пелито-алеврито-песчаные осадки, терригенные; 21 – галька ледового разноса; 22 – растительный детрит; 23 – ракуша; 24 – прослои и линзы вулканического пепла. Литологическое описание колонок LV77-3 и LV77-28 выполнено А.С. Астаховым, колонки LV87-55 – А.Н. Деркачёвым.

Изученные осадки преимущественно терригенные, реже терригенно-биогенные и в упрощенном варианте делятся на красно- и сероцветные. В первом случае речь идет о всевозможных оттенках коричневого и желтого, высоких положительных значениях a* и b* и переменных значениях L*, во втором – об оттенках черного и зеленого, низких, часто отрицательных значениях a* и переменных значениях L* и b* (рис. 4). Исходя из общелитологических представлений [10, 11], окраска таких осадков формируется в раннем диагенезе: красноцветность обусловлена окисленными формами подвижных (аутигенных) соединений железа и отчасти марганца, сероцветность – аутигенными формами двухвалентного железа и органическим веществом. Цветовая диагенетическая текстура (распределение участков разной окраски) согласуется с первичной текстурой (ориентация и относительное расположение осадкообразующих частиц) или накладывается на нее независимо. Концентрированное присутствие в осадках вулканогенного материала (пепловые прослои) проявляется в локальных, довольно резких и разнонаправленных колебаниях L*, a*, b* (рис. 4). Небольшие по размеру агрегаты аутигенных минералов значимого влияния на результат послойного цветометрического анализа осадочных разрезов, как правило, не оказывают.

Список литературы

  1. Giosan L., Flood R.D., Aller R.C. Paleooceanographic Significance of Sediment Color on Western North Atlantic Drifts: I. Origin of Color // Marine Geology. 2002. V. 189. P. 25–41.

  2. Левитан М.А., Сыромятников К.В., Рощина И.А., Штайн Р. Соотношение цвета и химического состава четвертичных донных осадков из южной части поднятия Менделеева и континентального склона Восточно-Сибирского моря // Геохимия. 2014. № 3. С. 233–248.

  3. Kobayashi D., Yamamoto M., Irino T., et al. Distribution of Detrital Minerals and Sediment Color in Western Arctic Ocean and Northern Bering Sea Sediments: Changes in the Provenance of Western Arctic Ocean Sediments since the Last Glacial Period // Polar Science. 2016. V. 10. № 4. P. 519–531.

  4. Balsam W.L., Damuth J.E., Schneider R.R. Comparison of Shipboard vs. Shore-based Spectral Data from Amazon Fan Cores: Implications for Interpreting Sediment Composition // Proceedings of the Ocean Drilling Program, Scientific Results / Flood R.D., Piper D.J.W., Klaus A., Peterson L.C. (Eds.). 1997. V. 155. P. 193–215.

  5. Cruise Report: R/V MIRAI. Cruise MR06-04, 2006. Leg 1: Sekinehama–Kushiro. Leg 2: Kushiro–(Dutch Harbor, USA)–Sekinehama / Harada N. (Ed.). Yokosuka, Japan: JAMSTEC, 2006. 250 p.

  6. The Expedition of the Research Vessel “Polarstern” to the Arctic in 2008 (ARK-XXIII/3) / Jokat W. with contributions of the participants (Eds.) // Reports on Polar and Marine Research. 2009. V. 597. 226 p.

  7. Мартинкевич А.А., Прокопчук Н.Р. Пигменты для современных лакокрасочных материалов. Минск: БГТУ, 2014. 130 с.

  8. ГОСТ Р 54766-2011 (ИСО 12647-2:2004). Технология полиграфии. Контроль процесса изготовления цифровых файлов, растровых цветоделений, пробных и тиражных оттисков. Ч. 2. Процессы офсетной печати. М.: Стандартинформ, 2012. IV, 19 с.

  9. Astakhov A.S., Shi S., Darin A.V., et al. Reconstructing Ice Conditions in the Southern Chukchi Sea during the Last Millennium Based on Chemical Composition of Sediments and Diatom Assemblages // Marine Geology. 2020. V. 427. P. 106–220.

  10. Мурдмаа И.О. Фации океанов. М.: Наука, 1987. 302 с.

  11. Япаскурт О.В. Литология. М.: ИНФРА-М, 2016. 357 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.