Лабораторные методы изучения физических свойств горных пород и минералов в контексте космической геодезии
Определение плотности горных пород осуществляется в лаборатории с применением методов гидростатического взвешивания, пикнометрии, а также газовой пикнометрии при необходимости высокой точности. Особенно важны данные о плотности при интерпретации спутниковых гравиметрических измерений, например, при расшифровке аномалий по данным миссий GRACE и GOCE. Различие плотностей различных слоёв земной коры и мантии позволяет уточнять модели распределения масс внутри планеты.
Пористость изучается с использованием вакуумной насыщаемости, вытеснения жидкостей и газов, а также методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с целью визуализации порового пространства. В сочетании с данными спутниковой интерферометрии (InSAR), информация о пористости может использоваться для прогноза осадок или подъема земной поверхности вследствие техногенных или природных процессов.
Изучение намагниченности (остаточной и индуцированной), магнитной восприимчивости и коэрцитивности проводится на магнитометрах различных типов, включая вибрационные магнитометры (VSM) и квантовые магнитометры. Эти параметры критически важны при интерпретации данных, получаемых с орбитальных миссий типа Swarm, предназначенных для картирования магнитного поля Земли.
Термомагнитный анализ, позволяющий определять температуру Кюри минералов, используется для оценки глубины магнитного источника, что важно для построения литосферных моделей. Лабораторные спектры магнитной восприимчивости в зависимости от температуры и частоты дают основание для уточнения состава и структуры магматических комплексов, обнаруженных по спутниковым данным.
Удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость горных пород измеряются в широком диапазоне частот. Это позволяет моделировать электромагнитную отклик земной поверхности и сравнивать с данными спутников, например, SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), измеряющего диэлектрическую проницаемость поверхностного слоя почв.
Измерения проводятся в камерах с регулируемой температурой и влажностью, что позволяет моделировать природные условия и получать данные, пригодные для использования в алгоритмах обратной задачи спутникового радиозондирования.
Модуль Юнга, предел прочности на сжатие и растяжение, ползучесть и вязкоупругие характеристики определяются на сервогидравлических прессах, позволяющих прикладывать статические и динамические нагрузки. Эти параметры важны при моделировании реакции земной коры на нагрузки, связанные с ледниковым постглациальным восстановлением, фиксируемым миссиями GRACE.
Особое внимание уделяется анизотропии механических свойств, поскольку это напрямую влияет на интерпретацию изменений геометрии земной поверхности, регистрируемых средствами спутниковой геодезии.
Лабораторные исследования коэффициента отражения, теплопроводности, теплоемкости и излучательной способности проводятся для калибровки данных спутников дистанционного зондирования, таких как MODIS и Landsat. Используются интегрирующие сферы, калориметры, термографические камеры и спектрометры.
Понимание тепловых свойств горных пород важно для расшифровки термальных аномалий и создания термомеханических моделей литосферы, используемых при построении глобальных и региональных моделей теплового потока.
Измерения естественной радиоактивности (K, Th, U) с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых спектрометров применяются для калибровки данных спутниковой гамма-спектрометрии. Эти методы особенно актуальны при картировании распределения урана и тория в континентальной коре и для интерпретации данных миссий типа Lunar Prospector (внеземные приложения).
Дополнительно применяются изотопные методы (Pb, Sr, Nd), определяющие происхождение и возраст пород. Такие данные дополняют глобальные геодинамические модели, основанные на спутниковой геодезии, включая GPS и DORIS, и позволяют прослеживать крупномасштабные тектонические процессы.
Лабораторная спектроскопия в УФ, видимом и ИК-диапазонах используется для изучения отражательной способности и спектральных характеристик горных пород и минералов. Эти параметры применяются при интерпретации данных спутников гиперспектрального зондирования (например, Hyperion, PRISMA).
Анализ спектральных подписей минералов даёт возможность выявления типичных ассоциаций пород и прогнозирования литологии регионов, труднодоступных для прямых исследований, особенно в аридных и полярных зонах.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и рентгеновская микротомография позволяют исследовать микроструктуру, поровый каркас и трещиноватость. Эти данные применимы для уточнения параметров при моделировании механических процессов, регистрируемых средствами спутниковой геодезии.
Автоматизированные минералогические анализаторы (например, QEMSCAN) и лазерная абляция с ICP-MS дают возможность точного количественного анализа состава с высоким пространственным разрешением, что дополняет интерпретации спутниковых данных при геологическом картировании.
Лабораторные стенды моделирования геофизических процессов, такие как физические модели осадконакопления и сейсмотектонической деформации, обеспечивают возможность прямого сопоставления лабораторных экспериментов с данными спутниковой геодезии, включая результаты InSAR и GPS.
Лабораторные методы неразрывно связаны с космическими геодезическими наблюдениями: они обеспечивают физическую основу для интерпретации получаемых орбитальными средствами сигналов. Только при наличии надежных данных о физических свойствах пород можно построить адекватные геофизические модели земной коры и мантии, которые служат базой для прогнозирования тектонической активности, оценки ресурсов и понимания фундаментальных процессов в системе Земля.
Без лабораторных исследований невозможно реализовать точную инверсную задачу, то есть восстановить физические характеристики недр по спутниковым наблюдениям. Именно в лаборатории формируются эталоны, по которым калибруются спутниковые системы и разрабатываются численные модели, объединяющие данные GPS, гравиметрии, магнитометрии и дистанционного зондирования в единую интерпретационную структуру.