Спосіб визначення властивостей грунтів і мінералів морського дна

Винахід відноситься до морської геологічної розвідки і може бути використаний для визначення фізикохімічних властивостей грунтів і мінералів на морскому дні. Відомий спосіб визначення властивостей грунтів, який полягає у пробовідборі грунту з морського дна, підніманні його на поверхню, освітленні об'єкта, перетворюванні відбитого світла в електричний сигнал, аналізі електричного сигнала і визначенні координат кольоровості і коефіцієнта відбивання, по яких визначають фізико-механічні властивості грунтів і мінералів [1]. Недоліки цього способу заключаються в необхідності піднімання зразків донного грунту на денну поверхню, що потребує значних витрат часу на спуско-підйомні операції. Продуктивність і інформативність такого способу також невелика із-за обмеженої кількості проб грунту. Найбільш близьким по технічній суті і досягнутому результату є вибраний за прототип спосіб визначення властивостей рудних мінералів по спектральним кривим відбивання, який включає відбір зразків мінералів з дна, піднімання їх на поверхню, лабораторну підготовку мінералів (виготовлення шлифів), освітлення зразків, експонування фотоплівки відбитим світлом, її аналіз для визначення спектральних характеристик відбивання, по яким визначають фізико-хімічні властивості мінералів [2]. Недоліки такого способу: 1) невелика точність визначення фізико-хімічних властивостей грунтів і мінералів по загальній щільності відображення на фотоплівці геологічного об'єкту у відбитому світлі; 2) недостатня достовірність одержання результатів зйомки із-за негативного впливу мутності води, яка залежить у тому числі і від відстані між об'єктом фотографування і фотоплівкою; 3) мала продуктивність досліджень донних грунтів і мінералів, тому що цей спосіб технічно неможливо застосування на глибині: він потребує піднімання зразків на денну поверхню, лабораторної підготовки (виготовлення шлифів) 1 подальшого дослідження в умовах лабораторії. Завдання винаходу - підвищення точності і достовірності визначення властивостей грунтів і мінералів по контрастності фотоплівок в певних зонах світлового випромінювання, обумовлених П-подібними світлофільтрами, і співвідношенню площин, еквівалентних величинам енергії світлового потоку, що поглинається фотоносіями, а також підвищення продуктивності досліджень за рахунок фотографування донних об'єктів на глибині при маршрутній зйомці по ходу судна без піднімання їх зразків на денну поверхню. Указане завдання досягається тим, що у відомому способі, який включає освітлення об'єкта, експонування фотоплівки відбитим світлом, її аналіз для визначення спектральних характеристик відбивання і визначення по ним фізико-хімічних властивостей грунтів і мінералів, згідно з винаходом фотопристрій спускають на задану відстань від дна, обумовлену величиною мутності води та потужністю освітлювача, і експонують фотоплівки не менш, ніж трьома фотокамерами одночасно через різні П-подібні спектрозональні світлофільтри, потім піднімають фотопристрій на поверхню і визначають властивості грунтів і мінералів по частотно-контрастним характеристикам фотознімків, зробленим за допомогою спектрозональних світлофільтрів, і співвідношенню площин, еквівалентних величинам енергії світлового потоку, що поглинається фотоносіями. В заявленому винаході пропонується спосіб одержання фотографічної інформації з глибини при геологічні об'єкти у природному стані і спосіб обробки інформації для встановлення взаємозв'язку між відбиваючими здібностями об'єктів зйомки, обумовленими їх фізико-хімічними властивостями, 1 частотно-контрастними характеристиками, на яких здійснюється зйомка. Метод багатозональної фотозйомки для визначення речовинного складу підводних грунтів і мінералів у природному стані базується на змінності оптичних і кольорових властивостей геологічних об'єктів в різних зонах спектрального діапазону. При цьому зйомка проводиться в декількох достатньо вузьких спектральних інтервалах; саме інтервали і їх ширина залежать від спектральних характеристик конкретних геологічних об'єктів. Особливістю аналізу інформації згідно з цим способом є застосування різних П-подібних зональних світлофільтрів, що пропускають вузьку, заздалегіть відому, ділянку спектра Із усього світлового випромінювання і використання здібності ізопанхроматичних чорно-білих фотоматеріалів сприймати увесь спектр світлового випромінювання. Конкретна реалізація заявленого способа визначення характеристик грунтів і мінералів у природному стані під водою заключається в тому, що фотографування (операції освітлення і експонування фотоматеріалу) проводиться одначано кількома (не менше трьох) фотокамерами через різні П-подібні спектрозональні світлофільтри. Вибір мінімально саме трьох спектрозональних інтервалів у видимому діапазоні спектра від 400 до 720 нм, що використовується при підводних зйомках, базується на тому, що мінімальна похибка класифікації відповідає саме трьохмірному просторові признаків. Вибір спектральних діапазонів залежить від величин спектральних контрастів між пошукуваними геологічними об'єктами, наприклад залізомарганцевими конкреціями, сульфідними рудами тощо і грунтом, а також між різними літологічними ознаками грунтів. При виділенні рекомендованих інтервалів враховується також реальна частота зустрічі парних сполучень цих об'єктів. Запропонований спосіб визначення властивостей грунтів і мінералів морського дна реалізується таким чином. З судна забезпечення спускають на задану відстань від дна глибоководний носій апаратути з фотопристроем, в міцних корпусах якого розміщені імпульсний освітлювач і не менше, ніж три фотокамери, обладнані П-подібними спектрозональними світлофільтрами. Синхроконтакти фотопристрою вмикають за допомогою лідируючого вантажа-розвідника. В момент дотикання ним грунту освітлюють ділянку дна 1 експонують всі фотоплівки одночасно через різні світлофільтри. Тип фотоплівок у всіх камерах вибирається однаковий, але встановлені на об'єктивах П-подібні світлофільтри мають різні характеристики. При зйомці одержують кілька фотоплівок, відзнятих на різних ділянках світлового спектра, обумовлених фільтрами. Зображення об'єкта, що фотографується, на всіх плівках будуть відрізнятись оптичними щільностями, еквівалентними кількості променистої енергії в різних ділянках спектра. Дальність фотографування на глибині обмежуються умовами зйомки у водному середовищі, а саме величиною мутності води ("водним туманом") 1 потужністю освітлювача. При оптимальному розташуванні фотокамер 1 джерела світла максимальна задана відстань від дна становить не більше 10... 12 м. Звичайно на якість негативів впливає зміна відстані між джерелом світла 1 носієм фотоінформації, Покажемо, що при проведенні частотно-контрастного аналізу фотоматеріалу заявленим способом вказана зміна відстані на результати вимірювань практично не впливає. На фіг.1 представлена схема одержання спектрозонального фотознімка об'єкта дослідження; на фіг.2 енергетичні характеристики П-подібних спектрозональних інтерференційних світлофільтрів і світлових потоків при фотографуванні поверхні морського дна (Т - світлова температура). Світловий потік проходить від джерела світла а, відбивається від досліджуваної поверхні ж і попадає крізь інтерференційні зональні світлофільтри б, в, г на три однакових фотоносія е. Енергетичні характеристики світлового потока відповідно до зони світлофільтра дають різну щільнісну картинку. Тобто контрастна характеристика кожного окремого фотознімка залежить тільки від фізико-хімічних властивостей поверхні досліждуваного об'єкта, його здібності відбивати або поглинати світло у вузькій спектральній області. Енергія світлового потоку, що поглинається фотоносієм, відповідає площам G1, G2, G3 на фіг.2. Враховуючи, що характеристики світлопропускання спектрозональних інтерференційних світлофільтрів мають практично П-подібну форму, а зони пропускання дуже малі, то відрізки АВ і CD: AD і ВС можна рахувати взаємно паралельними. Точки В1, С1, В2, С2 в кожній зоні, виділеній світлофільтром, обумовлені чутливістю ізопанхроматичного фотоматеріалу, а точки В3, С3 - здібністю проходження спектра випромінювання у середовищі в області 650...750 нм. Усі точки A1, D1, А2, D2, А3, D3 обумовлені характером кривої поглинання світлового потока середовищем (в даному випадку - водою). При незначній зміні відстані крива поглинання випромінювання дасть переміщення точок Α 1, D1, А2, D2, А3, D3 паралельно вверх або вниз, що буде змінювати величини площин G1, G2, G3, але практично не змінить їх співвідношень: де G1/G2/G3 = G'1/G'2/G'3; G'1, G'2, G'3 -площі, відповідні енергії світлового потока, який поглинається фотоносієм після змінення відстані проходження до нього світлового випромінювання. Таким чином, зіставляючи результати інформаційності обробки фотозображень з фізико-хімічними властивостями зразків грунтів і мінералів морського дна, можна по цілком конкретним значенням оптичних щільностей спектрозональних фотознімків інтерпретувати фізико-хімічні властивості геологічних об'єктів зйомки. Маючи тестові частотно-контрастні характеристики різних об'єктів, що фотографуються на дні і застосовуючи запропонований спосіб, можна визначати їх фізико-хімічні властивості вздовж траси фотопрофілювання без піднімання фотоапаратури і зразків грунтів з глибини на поверхню. Використання заявленого технічного рішення дозволить отримати позитивний ефект завдяки новій сукупності суттєвих ознак. Точність визначення властивостей грунтів і мінералів досягається тим, що розпізнавання їх проводиться не в цілому по щільності відображення на фотоплівці об'єкту в відбитому світлі, як в прототипі, а по щільності відображення на фотоплівці геологічних об'єктів в певних вузьких ділянках світлового спектра, характерних для кожного з матеріалів і в яких вони мають максимальну щільність відбивання світла. Тобто по ступені відбивання (контрастності) в певних зонах світлового випромінювання, обумовлених встановленими світлофільтрами, можна більш точно ідентифікувати рудний мінерал по вмісту в ньому певних конкретних інгредієнтів (металів тощо). Інакше кажучи, для пошуку і розвідки корисних копалин, що лежать на поверхні морського дна, встановлюють окремі світлофільтри, при проходженні через які відображеного світла від цих об'єктів вони дають максимально контрастну по щільності картинку. Щоб точніше диференціювати один матеріал від другого по їх відбиваючим здібностям, згідно з запропонованим способом, використовують світлофільтри з достатньо вузькою зоною спектра світлопропускання, які мають П-подІбну енергетичну характеристику, і високочутливі по температурі пропускання світлового потока в дуже вузькій зоні спектра. Достовірність досліджень грунтів і мінералів на глибині підвищується у порівнянні з прототипом тим, що частотно-контрастний аналіз фотознімків проводиться не тільки по абсолютним значенням величин відбитого під об'єкта світла в установлених вузьких ділянках спектра, але і по співвідношенню площин G1, G2, G3...., еквівалентних величинам енергії світлового потоку, який поглинається фото-носієм. Завдяки цьому мутність води ("водний туман") при зміненні відстані від об'єкта до випромінювача 1 фотоносія на результат аналізу практично не впливають. Підвищення продуктивності досліджень на морському дні досягається за рахунок того, що провівши на донній поверхні тестові іспити грунтів і мінералів за допомогою запропонованого способу, співставивши їх з фізико-хімічними характеристиками зразків і створивши Інформаційний банк зразків донного грунту з включенням різних мінералів, наступні дослідження, тобто спектральне фотографування геологічних об'єктів проводять тільки на дні. Крок фотографування при маршрутній зйомці дна можна зменшувати від кількох кілометрів до кількох метрів без вилучення і підмімання на денну поверхню контрольних проб грунту. Кількість фотознімків дна без піднімання фотоапаратури лімітується тільки об'ємом фото-касет. Так, використовуючи фоторееструючу систему КМК-35МС з об’ємом касет 3100 кадрів на глибині 6000 м, де спуско-підйомні операції займають 2...2,5 години, запропонований спосіб підвищує продуктивність досліджень грунтів і мінералів на морському дні порівняно з прототипом в 200 і більше разів.