Корреляционный анализ оптического и других геофизических полей как эффективный метод изучения криптоморфных геоморфологических структур

Вводные замечания. Известно, что любое геофизическое поле: гравиметрическое, магнитометрическое, геотермическое, электронно-оптическое (фотоизобразительное) можно представить в виде трехмерной поверхности, которую можно подвергнуть морфометрическому анализу по известным методикам. Целью такого анализа является получение суммарных линеаментных систем, которые адекватно отображают неоднородности глубинного строения. Но для выяснения их природы требуется факторный анализ полученного результата. Надежным методом такого анализа линеаментных полей, является корреляционный анализ этих образований с аномальными геофизическими полями, магматизмом и минерагенией как индикаторами корректности моделирования геодинамических процессов, объясняющих природу выявленных линеаментных структур. Рассмотрим основные положения этого анализа.

В последние годы при исследовании неоднородностей земной коры широко используется интерпретация аномальных геофизических полей для изучения линеаментных каркасов с разных позиций: физико-математических[], геолого-математических [], с позиции статистического анализа, в частности, комплексная геолого-геофизическая интерпретация аномальных магнитного, гравитационного, теплового и др геофизических полей. Успешно зарекомендовало и развивается в рамках геологии и новое направление на основе использования видеокосмической и морфометрической информации земной поверхности. Последние позволяют системно объединить геофизические, геологические и геоморфологические методы изучения литосферы. И это не случайно  Видеоинформация, обладая обзорностью и естественной генерализацией, в той же мере коррелирует с геофизической информацией, что и с геологической. Свойство «просвечивать» глубинное строение Земли заметили еще на заре космической эры А.Л.Яншин и Л К Зятькова. Как указывали данные авторы и многие другие, что изучение этой проблемы сможет поставить важный практический вопрос глубинного картирования как основы минерального прогнозирования, используя объемные модели строения литосферы. Все это может вывести на реальную количественную основу проблему прогнозирования и поиски минерального сырья [12]. Реализацию именно этой тенденции мы наблюдаем в наши дни.

На начальном этапе решения проблемы было сделано предположение, которое заключается в том, что видеоизображение на снимке можно представить как отображение общего оптического поля, на фоне которого выделяются аномальные его параметры (АОП). В этом случае оптическое поле как всякое геофизическое поле тоже слагается из разновысотных характеристик, как и другие геофизические поля [1]  При этом закон генерализации видеоизображения будет иметь в своей основе, не что иное, как проявление низкочастотных характеристик АОП при увеличении высоты съемки. И наоборот, по мере увеличения разрешающей способности космоснимки все больше начинают проявлять высокочастотную часть спектра. По той же методике, что и частотный анализ изображения, исследуется и линеаментные карты, полученные морфометрическими методами.

Методика корреляционного анализа. Она включает следующие этапы.

Изучено строение земной коры. Зрелая земная кора формировалась здесь на протяжении поздний палеозой-раннемезозойского времени и консолидировалась в течение позднего мезозоя (Ĵ3-К2). В неоген-четвертичное время она претерпела горообразование и деструкцию континентальной коры с проявлением рифтогенеза, сопровождаемого базальтоидным магматизмом. В пределах Янского геоблока, расположенного между хребтами Верхоянским и Черского были сформированы Янская, Верхне-Индигирская и Верхне-Колымская центрозональные тектоно-магматические структуры, конторлирующие золото-серебрянное, редкометальное и полиметаллическое оруденение позднемезозойского возраста. В их пределах наблюдаются слабро-повышенное значение теплового потля (Рис. 2 и 3) и происходит смена положительных корреляций между отрицательными значениями поля ΔТ и Δ ġ на отрицательную в направлении Момской структурно-формационной зоны, и Колымским геоблоком.

Вдоль профиля φ=65-67° были сняты яркостные характеристики с изображения «Метеор-Природа» с исходным масштабом 1:2500000, полученного в ближней инфракрасной зоне – 0,7-11 мкм.

Статистические параметры аномальных геофизических полей (АМП, АТП, АГП и др) с оптическим полем земной поверхности были приведены к совместимым формам представления. Основной характеристикой АМП или АГП является напряженность поля в заданной точке. В оптическом поле ее аналогом может быть его яркостная характеристика, отраженная определенным участком земной поверхности. В реальных условиях удобнее использовать значения относительной яркости. На величину яркости отраженного сигнала и его спектральный состав основное влияние оказывает коэффициент спектральной яркости ŗ1 , который является индивидуальным показателем, характеризующим физико-химический состав вещества.

Для проведения корреляции геофизических полей необходимо исходные данные представить в числовом виде  Материалы геофизических съемок АМП и АГП можно получить в числовом виде, а оптические поля обычно представляются в виде фотографических изображений. Поэтому в качестве первоочередной стала задача снять с фотоизображения численные значения относительной яркости оптического поля  Данная процедура была проделана с помоью лазерного сканера в сочетании с РС типа «Пентиум» Фотографическое изображение данного региона было преобразовано в значения относительной яркости отраженного света от поверхности Земли и представлены в виде регулярной сети данных. Из общего массива данных были выбраны и записаны на машинные носители участки информации, по которым проходят интересующие нас профили. При необходимости эта информация может быть выведена на внешние устройства вычислительного комплекса в виде графиков значений поля, либо изображенав виде изолиний.

Известно, что разрешающая способность фотографических систем гораздо выше, чем магнитная съемка. Поэтому без предварительного приведения этой информации к большей степени генерализации, мы, по существу, будем пытаться искать взаимосвязь между полями, характеризующими объектов разных рангов. Для решения этой проблемы используется метод осреднения значений оптического поля в пределах скользящего окна  Его суть заключается в следующем. Осредненным значением (Н) в каждой точке i cуммарный сигнал значения поля Hi в окрестностях этой точки, ограниченный размерами осредняющего окна L0, отнесенный к количеству значений, входящих в эту окрестность N1, где N1=L²0

H = Σ Ηı / Νı

Размер осредненного окна здесь является мерой степени генерализации Таким образом, двигаясь по регулярной сети с шагом единица, смещая окно осреднения на один элемент и записывая результаты в другую подобную ей сеть, для избежания искажений в исходном материале, мы получаем информацию с той же размерностью, но уровнем более низкого порядка  Варьируя размерами окна осреднения, мы можем получить поля с разной степенью генерализации. В данном случае материал по оптическому полю (ОП) представлен в виде значений оптического поля по заранее заданному профилю, по которому уже имеются результаты геофизических наблюдений

Для проведения осреднения по профилю нужны значения поля в точках профиля и значениях поля в точках его окрестностей. Вычисление осредненных значений проводилось по полосе регулярной сети, ширина которого равнялась размеру окна осреднения. Располагаться она должна так, чтобы данная линия профиля проходила точно через ее середину  Таким образом, в после обработки получаются значения осредненного поля вдоль заданной линии, каждой точке которого соответствует только одно значение

По предложенной методике были получены три широтных профиля через центральное Верхоянье. Каждому из них соответствовало три варианта осреднения окнами 5х5, 10х10 и 30х30 элементов (Рис 4)  Для удобства считывания информации участок профиля был разбит на две прямые линии R и Р, соединяющиеся друг с другом под тупым углом (Рис 1)  Перелом был приурочен к границам основных структурно-вещественных комплексов: Верхоянской складчатой области и Янской области мезозой –кайнозойской гранитизации 

При статистической обработке оптических профилей ставились две последовательно решаемых задач. Первой и важнейшей задачей является выявление частотных характеристик структур изобразительного поля и возможностей проведения корреляции со статистическими характеристиками АМП и АГП с целью выявления мощности слоя, возбуждающего фотоаномалии и глубины его залегания, пользуясь выявленными ранее закономерностями изменения горизонтальных размеров АМП и АГП от высоты съемки (Рис. 5, 6, 7)  Вторая задача заключается в выявлении связи яркостных и частотных характеристик ОП с региональными геологическими данными и необходимости обрисовать подход к ранжированию структур, согласно этим статистическим характеристикам. Результатом решения этих задач является обоснование подхода к количественной оценке закона генерализации фотоизображения, тектонических структур и их классификационной таксономии.

Выявление частотных характеристик структур изобразительного поля. На Рис 4 представлены яркостные характеристики, снятых вдоль профилей, указанных на рис1. Первый график сделан без осреднения, второй с осреднением окном 5линий на 1 мм², что составляет в масштабе снимка 75,3 км² Третий график составлен с шагом 10 линий на 2 мм² или 310 км², четвертый – 30 линий на 6 мм², 2787,4 км² 

Для удобства расчетов на графиках проводилась средняя линия или линия нуля. Она разделила все яркостные характеристики по средним значениям между самой яркой и самой темной точками исследуемого поля

На каждом из профилей определились частотные характеристики каждой кривой, то есть геометрические параметры: а) основная периодичность Т0 и радиус корреляции r = T0/5 и т д  для каждого осреднения автокорреляционные функции вычислялись; б) определялись физические свойства – яркостная характеристика для каждого осреднения. По радиусу корреляции r проводились расчеты высот, с которых было бы необходимо провести магнитную и гравитационную съемки, чтобы размеры всех трех аномалий для каждого осреднения совпадали. Для этого использовались графики измерения радиусов корреляции АМП и АГП от высоты съемки (Рис 5), обоснованные в специальных работах раньше 

После определения радиусов корреляции из автокорреляционных функций оптических аномалий для каждого из этих профилей на основании сделанного предположения о том, что при соблюдении равенства радиусов корреляции АМП, АГП и АОП мощность (глубина залегания нижней границы) активного слоя, формирующего АОП, должна быть той же самой, что и у гравимагнитного, залегающего в пределах гранитно-метаморфического слоя земной коры  Мощность эффективного слоя εэфф вычисдяется по геометрическим построениям из графиков Рис. 5, 6 и 7  Полный текст расчетов доказательств мощности эффективного слоя аномальных полей с помощью геометрических и тригонометрических построений дается в монографии []

Так аномалии ОП на натуральных профилях характеризуют неоднородности литосферы от 25-52 км (наименьшие размеры) до 160-280 км в поперечнике с глубиной залегания активного слоя от 3,8 до 14,7 км ниже верхней кромки осадочно-гранитно-метаморфического слоя, что соответствует положению поверхности геологического тела с параметрами гранитоидных масс центрального ядра Янской центрозональной структуры. Все профили обработаны по единой методике. Результаты обработки сведены в прилагаемую таблицу (Рис 8) 

Проделанный статистический анализ яркостных характеристик профилей КС показал, что их структура подчиняется частотной фильтрации и может рассматриваться как геофизическое поле или АОП. Совместный анализ статистических характеристик АОП, АМП и АГП показал сопоставимость этих данных с параметрами известных геологических тел, тектонических неоднородностей и строение крупных структурно-тектонических ансамблей крупных частей континентов. Так, метод их количественного изучения может быть широко использован в геологической практике и в практике комплексного изучения криптоморфных геоморфологических образований, повсеместно выделяемых на космических снимках в качестве линейных каркасов тонометрических аномалий 

Выявление связи яркостных и частотных характеристик ОП с региональным структурным планом. Вторая задача органически вытекает из перво. Для ее решения необходимо рассматривать связь яркостных характеристик АОП с размерами и местом региональных геологических тел в таксономической последовательности тектонических подразделений. С этой целью сопоставим яркостные характеристики аномалий на профилях с пространственной дифференциацией структурно-вещественных образований 

На профилях высокочастотной сепарации с некоторой степенью приблтженности, но достаточно четко, яркостные характеристики с запада на восток отображают основные формы макрорельефа или морфоструктурные ансамбли: плато Вилюйской синеклизы Сибирской платформы, новейший Предверхоянский прогиб, Верхоянский горст с моренными предгорными накоплениями, чередование понижений и выступов деформированной исходной поверхности выравнивания бассейна р  Яны, горст хр  Черского с типичным среднегорным альпинотипным рельефом и выровненные поверхности террасоувалов Приморской низменности над Колымским сиалическим геоблоком. Таким образом, яркостный профиль, снятый со снимка без осреднения, в основном отображает мелкие региональные неоднородности рельефа, обусловленные новейшими тектоническими движениями, лежащими в основе ландшафтной дифференциации территории 

На профиле среднечастотных сепараций (P3V5-R3V5) эта едва уловимая закономерность приобретает ясно выраженные черты  Области прогибов отчетливо обрисовываются яркостными минимумами, в то время как поднятия – максимумами

На профилях низкочастотных сепараций (P3V10-R3V10) начинает проступать начинает проступать информация более глубинных горизонтов земной коры  На участках Верхоянского хребта начинает достаточно уверенно отображаться разница в яркостных характеристиках западной и восточной частей геоблока  Причем, восточная часть , имеющая значения яркости близким к нулевым, отчетливо совпадает с комплексами мезозой-кайнозойских формаций, в то время как наиболее яркая Западная часть региона – с палеозойскими. В районе Янской мега-СЦТ по яркостным характеристикам резко отличаются области с мощными образованиями морского триаса и места с близповерхностным залеганием гранитоидных тел 

По той же примчине резко выделяется горст хр Черского, так как большая его часть, выведена на поверхность всплывающими гранитоидами. Таким образом, данные анализа рассмотренного профиля в первом приближении позволяют предположить, что при осреднении исходных данных АОП данного профиля яркостные характеристики с другими геофизическими данными дают нам количественные параметры различных структурно-формационных комплексов осадочно-метаморфического слоя земной коры

На профилях сверх-низкочастотных характеристик АОП отчетливо отображают основные геоблоки земной коры, связанные с изменением состава и геодинамики всего слоя земной коры (хрупкой литосферы)  Хотя следует оговориться, что с особенностями поверхности Мохо отчетливой связи нет  Причиной этого заключается в том, что сравнение делалось на разных уровнях генерализации. Для того, чтобы эта связь проявилась в оптических аномалиях, необходимо приблизить частотные характеристики АОП к частотным характеристикам неровностей поверхности Мохо, то есть привести к единому уровню генерализации  По этой причине можно сделать промежуточный вывод: яркостные характеристики АОП, скоррелированные с АМП и АГП на данном уровне обобщений устойчиво сопоставимы со структурами лишь верхних горизонтов литосферы, а именно – с тектоническими неоднородностями гранитно-метаморфического слоя 

Таким образом, в первом плиближении материалы совместного корреляционного анализ в вышеозначенных аномальных геофизических полей с АОП показывают принципиальную возможность решения ряда важнейших геологических задач на количественной основе региональных эмпирических обобщений. Анализ статистических характеристик АОП, АМП и АГП позволяет производить количественные оценки уровня генерализации электронно-сканерных и фотографических снимков при различных региональных структурно-геологических и тектонических задач, особенно это касается вопросов ранжирования и таксономии 

Результатом проделанного анализа сопоставлений АМП, АГП и АОП выяснилось, что составляющие частотного спектра АОП позволяют сделать важные геолого-геоморфологические выводы: а) высокочастотная часть спектра АОП коррелирует с ландшафтной дифференциацией земной поверхности, б) среднечастотная – информирует о морфотектонических неоднородностях неоднородностях рельефа и его новейшей тектонической дифференциации, в) низкочастотная и сверхнизкочастотная составляющие спектра видеоизображения позволяет судить о неоднородностях всего гранитно-метоморфического слоя хрупкой литосферы, о конфигурации и природе криптоморфных геоморфологических структур, часто осложняющих морфоструктурный план местности г) Появился надежный аппарат, позволяющий количественно охарактеризовать степень генерализации видеоизображения.

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГЕОКРИОЛОГИИ