Гиперспектральное сканирование кернов донных отложений из средневысотного озера Хорлакель (Западный Кавказ)

В последние годы детальный анализ кернов донных отложений позволил добиться значительного прогресса в изучении природных процессов, результатом чего стало создание многочисленных палеореконструкций высокой точности. Гиперспектральная съемка, как относительно новый метод анализа кернов, обладает рядом ключевых преимуществ: обеспечивает получение данных с высоким разрешением, является неразрушающим, а также не требует значительных затрат времени и ресурсов. 

Материалы и методы

В Лаборатории палеоархивов природной среды ИГ РАН разработана установка для гиперспектральной съемки кернов озерных отложений. В состав установки входят гиперспектральная камера Specim FX10 (400-1000 нм, 448 спектральных каналов, пространственное разрешение 229 мкм, спектральное разрешение 5.5 нм), сканер Specim LabScanner с галогеновым источником света и специализированное оборудование для работы с длинными кернами. Для получения цельного изображения длинный керн сканируется участками по 40 см с перекрытием 10 см. С целью обработки, калибровки, сшивания и анализа полученных гиперспектральных данных сотрудниками ИГ РАН разработано специализированное программное обеспечение. Данные калибруются по черному и белому стандартам, а сшивание отдельных участков осуществляется методом наименьших квадратов по значениям отражательной способности на перекрывающихся областях. Участки керна с трещинами, возникшими в результате усыхания, исключаются из дальнейшего анализа. Результирующие данные представляют собой трехмерный массив (гиперкуб), состоящий из двух пространственных измерений (длина и ширина изображения в пикселях) и спектрального измерения (до 448 каналов). В качестве пилотного объекта для проведения гиперспектрального сканирования был выбран керн HOR1, отобранный из озера Хорлакель (43°29’36»N; 42°13’05»E, 2063 м над уровнем моря), расположенного в 20 км к западу-северо-западу от Эльбруса и примерно в 60 км от Главного Кавказского хребта (средняя глубина озера 3.8 м, максимальная – 8 м). Выбор керна обусловлен его литологическим разнообразием (чередование тонкослоистых глин и сапропеля с различными спектральными характеристиками). Для керна HOR1 имеются данные лабораторных анализов (ИГ РАН) и высокоразрешающего сканирующего микро-РФА анализа (GEOTEK MSCL-XYZ, Институт океанологии РАН). Надежная возрастная модель керна охватывает период 6700-1500 лет назад и основана на 11 радиоуглеродных (AMS) датировках. Особенности стока наносов в бассейне озера Хорлакель также были подробно исследованы (Шварев и др., 2023).

Рисунок 1 - Карта района исследования (предоставлено: ESRI). Рисунок 2 - Аэрофотоснимок озера Хорлакел и его окрестностей (предоставлено: Google). Рисунок 3 - Фотография озера и водосборной площади (предоставлено: М. Александрин).

Результаты и обсуждение

Предыдущие исследования выявили ряд спектральных индексов в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, которые косвенно отражают изменения свойств осадков и, следовательно, условий и процессов осадконакопления. Мы фокусируемся на наиболее информативном из них - повышенном поглощении (или понижении коэффициента отражения) в области спектра, соответствующей длине волны около 670 нм. Известно, что хлорофилл а, необходимый для большинства фотосинтезирующих организмов, и продукты его разложения поглощают свет в красной области спектра, а зеленый свет в основном отражают. Спектральным индикатором содержания хлорофилла а в осадке может служить глубина минимума в районе 670 нм на спектральной кривой (Relative absorption band depth – RABD670) или площадь фигуры, образуемой этим минимумом (Relative absorption band area – RABA670) (Rein and Sirocko, 2002). Ряд исследований показывает высокую корреляцию между этими параметрами и концентрацией хлорофилла а, измеренной напрямую с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (Wolfe et al., 2006). Считается, что осадки с высоким содержанием органического вещества будут иметь более высокие значения параметров RABD670 или RABA670 по сравнению с осадками, преимущественно литогенного происхождения. Мы изучаем потенциал спектральных производных хлорофилла а для отражения изменений содержания органического вещества и автохтонной продуктивности в керне озера Хорлакель. С этой целью был проведен корреляционный и многофакторный анализ набора данных, включающего параметры RABD670 и RABA670, концентрации элементов, полученные с помощью микро-РФА анализа, результаты лабораторных анализов (потери при прокаливании, магнитная восприимчивость, гранулометрический состав) – отдельно для данных высокого и низкого разрешения. Полученные результаты свидетельствуют об устойчивой связи между нашими спектральными индексами и другими известными биогенными индикаторами. В частности, установлено, что параметры RABD670 или RABA670 статистически значимо связаны с концентрацией брома в осадке – другим биогенным индикатором, ранее использованным для реконструкции теплообеспеченности на Кавказе с высоким разрешением (Alexandrin et al., 2023). Также статистически значимые положительные связи отмечены для соотношения некогерентного/когерентного рассеяния рентгеновских лучей (используется в качестве косвенного индикатора содержания органического вещества) и потерями при прокаливании (коэффициенты ранговой корреляции Спирмена 0.48-0.77). Кроме того, отмечаются высокие отрицательные значения этих коэффициентов для связи параметров RABD670 или RABA670 и концентрациями литогенных элементов и магнитной восприимчивости (-0.62–-0.86).

Вывод

Представленные результаты позволяют использовать параметры RABD670 или RABA670 как индикаторы изменений в содержании органического вещества и автохтонной продуктивности в осадках. В случае с керном из озера Хорлакель, временное разрешение для графиков этих параметров достигает субгодового уровня, что открывает возможность реконструкции отдельных краткосрочных событий, выявления периодичностей и форсингов, а также общих закономерностей долговременной изменчивости.

Для проведения гиперспектральной съемки в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне (400-1000 нм) разработана компактная и эффективная система, объединяющая в одном корпусе весом 2,5 кг гиперспектральную камеру, производительный компьютер и модуль геопозиционирования GNSS/IMU. Система может применяться с различными типами БПЛА (мультироторные и самолетные), как с подвесом, так и без него. Сбор данных автоматизирован на основе предварительно заданного плана полета, что обеспечивает простоту эксплуатации гиперспектрального комплекса Specim AFX10.