Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 1, стр. 73-78

Тепловизионная съемка геологических объектов с помощью беспилотных летательных аппаратов представляет собой относительно новое направление исследований [1, 2], которое при установлении закономерностей распределения теплового инфракрасного излучения и методически обоснованном подходе к проведению работ может стать мощным инструментом для обнаружения подземных источников тепла, выявления трещин и мониторинга их развития на земной поверхности. Предпосылки тепловизионной диагностики геологической среды начали формироваться с конца 1970-х годов, когда со спутников серии NOAA, Landsat-7, EOS и ASTER стали поступать общедоступные данные о тепловом излучении в инфракрасном диапазоне, открыв перспективы для изучения природных объектов регионального масштаба [3–5]. Позднее была предложена и апробирована авиационная технология видеотепловизионной съемки с использованием теплового дирижабля [6]. При этом при интерпретации тепловизионных изображений геологических структур во многих случаях не учитывались внешние факторы, которые могут оказывать влияние на распределение яркостной температуры земной поверхности. Ключевыми из них являются густота растительности [7], температура и влажность атмосферы, расстояние до объекта съеемки и солнечная инсоляция [8]. Основная цель настоящей работы заключалась в выявлении признаков эндогенного тепла в зоне динамического влияния разлома и особенностей распределения температуры в различных условиях с учетом тепловой инерции участков земной поверхности.

Тепловизионная съемка выполнялась с использованием аэроплатформы DJI Matrice 210 в комплекте с базовой GPS-станцией DJI D-RTK2 и инфракрасной камерой Zenmuse XT2, объединяющей в одном корпусе тепловизионную камеру FLIR Tau 2 и оптическую камеру, позволяющую снимать фото и видео в режиме 4К. В квадрокоптер встроен модуль RealTimeKinematic (RTK), который обеспечивает получение данных позиционирования (вместе с GPS-станцией DJI D-RTK2) в режиме реального времени с точностью до сантиметра и с минимальной абсолютной погрешностью метаданных изображения. Данные ИК-съемки фиксировались в формате RJPEG и обрабатывались в программе FlirTools с целью приведения к единой температурной шкале. Далее для получения площадных термальных карт материалы обрабатывались в пакете “Pix4DMapper”.

Для визуализации известных термальных аномалий на тепловых картах как эталонных объектов поисковые исследования были проведены в местах выхода источников Змеиный и Загза (рис. 1). В бухте Змеиной, расположенной в Чивыркуйском заливе оз. Байкал (координаты: 53.766498 с.ш.; 109.026985 в.д.), тепловизионная съемка выполнена 03.07.2021 г. с 21.49 по 22.00 на высоте 70 м. На полученной тепловой карте более высокие температуры, показанные ярким желтым цветом, соответствуют выходу горячих вод на поверхность (рис. 1 б). Протяженная термальная аномалия простирается вдоль берега параллельно предполагаемому Змеиному разлому длиной 5.5 км, который трассируется вдоль одноименной бухты. Максимальная зафиксированная температура на тепловой карте 33°С, в то время как на местности достигает 45.5°С [9].

Рис. 1.

Местоположение объектов исследований на подложке Яндекс карты “Спутник” (а) и тепловые карты изученных площадей (б, в, г). Желтые тона соответствуют высоким температурам, фиолетовые – низким.

У источника Загза, расположенном на восточном побережье оз. Байкал, в 3 км юго-западнее д. Сухая тепловизионная съемка выполнена на высоте 30 м 15.12.2020 г. в 09.07 утра. Здесь скважиной № 103А в 1990 г. на глубине 278.3 м вскрыты термальные воды с температурой на самоизливе 50–52°С [10]. Во время съемки непосредственно у горячего ручья, вытекающего из ванн в юртах, в точке с координатами 52.52373° с.ш. и 107.05593° в.д. градусником измерена температура 37°С. Ручей ярко выделяется на тепловой карте с максимальной температурой на снимках 26.8°С, полученных на высоте 30 м. Таким образом, результаты экспериментальных работ в местах известных выходов термальных вод показали, что на высоте полета 30–70 м их температура, фиксируемая на тепловых снимках, на 10–12.5°С ниже, чем в реальности. Полученные расхождения хорошо согласуются с наблюдениями на активных вулканах Курильских островов, где разница в показаниях тепловизора и электронного термометра достигает 10–20°С [8].

Основным объектом тепловизионного исследования была Сарминская зона сейсмогенных разрывов, приуроченная к Приморскому разлому в районе выхода р. Сарма из гор на западном побережье оз. Байкал (рис. 1 в). Проявленные в рельефе нарушения известной сейсмодислокации откартированы нами на основе сверхдетальной аэрофотосъемки. Для участка 1 термальная съемка произведена 17 сентября 2020 г. около 16:00, для участка 2–18 сентября 2020 г. в районе 5:00 утра (для выявления закономерностей проявления теплового поля как в дневное, так и в ночное время). Высота полета составила 150–200 м. Значения теплового поля при дневной съемке находятся в пределах от 4.5°C до 25.5°C, при ночной съемке – в пределах от –5°C до 9°C. В процессе анализа полученных термокарт в геоинформационной системе QGIS совместно с детальными ортофотопланами для данного участка выявлены следующие закономерности:

– в дневное время наиболее холодными являются участки с зеленой растительностью (деревья, кусты, травянистые участки) и наиболее низкие формы рельефа, а наиболее горячими – каменистые участки и выходы коренных горных пород, при этом разница температур таких участков в данное время года достигает 20–21°C;

– в ночное (утреннее) время ситуация меняется в противоположную сторону – наиболее холодными являются каменистые участки, в том числе выходы коренных горных пород, а наиболее теплыми – участки с зеленой растительностью (разница температур при этом достигает 8–9°C).

На фоне указанных закономерностей в северо-восточной части участка 2, в висячем блоке Приморского разлома, обнаружены аномалии теплового поля, выраженные линейными структурами длиной 3–6 м, простирающимися параллельно нарушению на расстоянии от 40 до 88 м от него (рис. 2). Значения теплового поля на площадке съемки, перекрытой рыхлыми грубообломочными отложениями, лежат в пределах от –5°C до 9°C. При этом температура 9°C соответствует только выявленным аномалиям, в то время как температура прилегающей к ним территории на 4–5 градусов ниже. Важно отметить, что аномалии можно сравнивать только с непосредственно рядом расположенными участками, так как по мере выполнения продолжительного по времени полетного задания линза тепловизионной камеры нагревается, что отражается характерными полосами равной ширины на тепловой карте. Визуально местность с аномалиями ничем не отличается от окружающей площади и представлена сухой степной растительностью среди валунов. На участке 2 также отмечено нетипичное распределение теплового поля в районе коренного выхода гранитов в зоне Приморского разлома (рис. 2). Как было отмечено выше, в ночное время для таких участков обычно характерны пониженные значения теплового поля относительно окружающей территории. На данном же участке, наоборот, отмечается повышенная температура обнажения (приблизительно 5–7°C при температуре прилегающих поверхностей –2–4°C).

Рис. 2.

Участок № 2 слева от р. Сарма на подложке Яндекс карты “Спутник” с выявленными аномалиями теплового поля в зоне Приморского разлома.

Выявленные аномалии распределения теплового поля могут быть связаны с наличием глубинного источника тепла на левобережье р. Сарма и, несомненно, представляют научный и практический интерес. В связи с этим для выявления возможных эманаций тепла по трещинам в гранитах ночью 02.10.21 г. во временной промежуток 4:11–4:56 выполнена тепловая аэрофотосъемка коренного выхода, выделяющегося на исследуемом участке (рис. 3), а утром 03.10.21 г. в 9:14 – 10:02 – оптическая. Съемка обнажения производилась под разными углами (от 0 градусов – фронтальная проекция, до 90 градусов – в надир) на расстоянии, не превышающем 30–40 м.

Рис. 3.

Тепловая карта выхода коренных горных пород (внизу справа – оригинал; слева – наложенная на обнажение) на участке № 2 в зоне Приморского разлома.

Полученные тепловое и оптическое изображения были сопоставлены между собой (рис. 3), в результате чего обнаружена ярко выраженная эманация тепла по трещинам горных пород. Значения температур здесь составили 2.5–2.8°C, что на 7.5–8°C выше температуры окружающих объектов. При этом данные значения характерны как для крупных, так и более мелких систем трещин, что свидетельствует о поступлении тепла из глубин земли.

Проведенные исследования показали, что при учете определенных закономерностей распределения тепла на земной поверхности существует потенциал для развития технологии поиска источников эндогенного тепла в зонах разломов с применением тепловизионной съемки квадрокоптером в ночные и утренние (до восхода солнца) часы.