高分衛星遙感數據在鈾礦化褪色蝕變識別分析中的應用

葉發旺，劉德長

(核工業北京地質研究院遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029)

高分衛星遙感數據在鈾礦化褪色蝕變識別分析中的應用

葉發旺，劉德長

(核工業北京地質研究院遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029)

針對高空間分辨率(簡稱“高分”)衛星遙感技術已在地質勘查領域取得很多應用效果，但在礦化蝕變信息識別和分析中的典型應用尚不多見的現狀，從鈾礦地質勘查角度闡述了QuickBird高分衛星遙感數據在鈾礦化褪色蝕變信息識別和分析中的典型應用，包括在新疆塔里木盆地北緣巴什布拉克鈾礦區油氣還原褪色蝕變識別和空間分布規律分析中的應用和在新疆塔里木盆地北緣柯坪斷隆東段與鈾礦化密切相關的灰白色褪色蝕變的發現及其空間分布規律分析中的應用。2個典型應用說明了高分衛星遙感數據在礦化蝕變信息識別方面可以取得很好的應用效果，值得廣大遙感地質工作者今后進一步深入挖掘其應用潛力。

高分衛星遙感;鈾礦化褪色蝕變;典型應用;新疆塔里木盆地北緣

0 引言

當今世界，商業遙感衛星的空間分辨率已經達到優于cm級的水平，IKONOS，QuickBird和World-View 2等高空間分辨率(以下簡稱“高分”)衛星遙感數據已被較廣泛地應用于各個領域。在地質礦產勘查領域，相比于中—低空間分辨率遙感數據，上述高分遙感數據因其擁有高空間分辨率的優勢，能夠對地層、巖體(巖脈)、構造的幾何形態和紋理特征以及各地質要素之間的空間關系等進行精細探測，進而發現在中等空間分辨率遙感數據中不能或不明晰顯現的小尺度信息，為地質找礦服務。在這方面的研究已取得一些進展［1－4］，反映出高分衛星遙感數據在地質找礦中的應用潛力正在不斷地被挖掘出來。但是，由于這些高分遙感數據的多光譜波段少(一般只有藍、綠、紅、近紅外等4個多光譜波段;即便是最新的WorldView 2數據雖有8個波段，但也仍在可見光—近紅外波段區間，未涉及短波紅外波段)，使高分衛星遙感技術在地質礦化蝕變信息識別中的應用受到了一定的限制，見到的報道就更少。本文從砂巖鈾礦勘查的角度，闡述了QuickBird高分衛星遙感數據在鈾礦化褪色蝕變識別和分析中的應用情況，并取得很好的應用效果，為深入挖掘高分衛星遙感技術的地質應用潛力提供了新思路。

1 高分衛星遙感技術識別鈾礦化褪色的原理

鈾礦資源是我國今后30 a最緊缺的礦產資源。砂巖鈾礦是一種以賦礦砂巖為主巖的鈾礦類型，其產出與后生蝕變具有密切關系［5］。褪色蝕變就是其中的一種后生蝕變，它是指原先沉積時形成的紫紅色、紅色砂巖由于在后期受深部油氣、熱液等的還原作用，變為灰色、灰白色、灰綠色或白色等淺顏色巖石的各種蝕變作用的統稱。褪色蝕變巖石在化學成分上表現為Fe3+離子明顯減少，Fe2+離子增多;在礦物成分上表現為原先的長石等礦物發生蝕變，含CO2－

3，Al—OH和Mg—OH等離子團的礦物含量增加［6－7］;同時，各種類型的烴類、液態烴包裹體等含量也明顯增多［8］。由于褪色蝕變巖石具有上述特征，使其對鈾元素的沉淀富集起重要作用的還原能力大大增強，將原先不利于成礦的紅色巖石改造成為具有強還原能力的有利成礦層，對砂巖鈾礦的形成具有重要作用。因此，在我國西北以紅色沉積為主的中新生代沉積盆地中，識別發生褪色蝕變作用的有利層位、分析褪色蝕變有利層位的空間分布特征及規律、尋找具有褪色蝕變作用的有利地段，對鈾成礦預測和鈾礦找礦具有重要的意義。由于褪色蝕變具有紅色變為淺色、Fe3+離子變為Fe2+離子且Fe3+離子的主要光譜特征表現在可見光—近紅外區間等特點［9］，使高分衛星遙感技術在砂巖鈾礦褪色蝕變識別和分析中的應用不僅可以充分發揮其高空間分辨率的優勢，而且還可以充分發揮可見光—近紅外僅有的幾個多光譜波段的作用，并能取得較好的地質應用效果，具有明顯的典型性。

2 數據源與處理方法

2.1 遙感數據

本文在鈾礦化褪色蝕變識別和分析中選用QuickBird高分衛星遙感數據。該數據是目前世界上空間分辨率較高、性能較優、應用廣泛的民用高空間分辨率衛星遙感數據，其全色波段圖像的空間分辨率為0.61 m，多光譜圖像的空間分辨率為2.44 m，幅寬為 16.5 km，有 B1(485 nm)，B2(560 nm)，B3(660 nm)和B4(830 nm)等4個多光譜波段。圖像的獲取時間為2006年8月27日;圖像質量好，無云霧干擾，影像清晰。

用于鈾成礦地質條件分析的中等分辨率的ASTER數據的獲取時間為2004年6月 24日。ASTER數據包括14個波段(其中，B1—B3屬可見光—近紅外波段，空間分辨率為15 m;B4—B9屬短波紅外波段，空間分辨率為30 m;B10—B14屬熱紅外波段，空間分辨率為90 m);數據質量好，無云覆蓋，影像清晰。

用于襯托鈾成礦構造和放射性異常分布的IKONOS圖像的獲取時間為2008年3月24日，包括紅、綠、藍、近紅外等4個多光譜波段，空間分辨率為4 m。圖像質量較好，主要目標地物區內無云覆蓋。

2.2 數據處理

針對QuickBird高分衛星遙感數據在識別和分析鈾礦化褪色蝕變中的應用，在完成必要的數據預處理基礎上，主要進行了鈾礦化褪色蝕變信息反向增強、多光譜波段與全色波段融合、直方圖拉伸等處理。

2.2.1 數據預處理

考慮到本文應用QuickBird，ASTER，IKONOS等遙感數據開展的是定性的地質分析，以及遙感信息與其他地學信息的集成分析，因此數據預處理主要是幾何糾正和波段合成。本次研究中使用的Quick-Bird和IKONOS兩種高分衛星遙感數據本身就具有較高的幾何定位精度，無需再做幾何糾正;而ASTER數據的幾何定位精度較低，需利用ENVI或ERDAS等專業遙感圖像處理軟件進行幾何糾正。此外，為便于地質解譯，QuickBird和IKONOS的彩色合成圖像一般采用B3(R)，B2(G)，B1(B)的真彩色合成波段組合，ASTER的假彩色合成圖像則采用 B2(R)，B1(G)，B3(B)或 B3(R)，B2(G)，B1(B)的波段組合。

2.2.2 褪色蝕變信息反向增強

鈾礦化褪色蝕變信息反向增強是采用逆向思維，按照“將未發生褪色蝕變的砂巖的紅色信息增強出來，則與之相反的信息便是發生褪色蝕變的砂巖的淺色信息”的技術思路開展的增強處理。具體方法是:首先根據研究區紫紅色砂巖光譜在550 nm附近有明顯吸收陡坎的特征［10］，采用QuickBird數據比值 B3/B2，或對 B2，B3，B4進行主成分分析［11－12］，提取出一個突出 Fe3+離子強度的專題信息;然后將這個專題信息作為一個波段(R)，與B2(G)，B1(B)進行假彩色合成，并作適當的線性拉伸處理。經上述處理得到的假彩色合成圖像，既突出了紫紅色砂巖信息，又具有接近真彩色(B3(R)，B2(G)，B1(B)彩色合成)的特點，使未蝕變紫紅色砂巖與發生褪色蝕變的淺色砂巖之間具有更加強烈的對比;而且紫色調的相對強弱還可反映Fe3+離子的相對含量，從而提高了QuickBird高分衛星遙感圖像的可解譯能力和可分析程度。

2.2.3 多光譜波段與全色波段融合

多光譜波段與全色波段融合是將QuickBird的0.61 m分辨率的全色波段與2.44 m分辨率的多光譜波段進行融合處理。具體處理方法是，在ENVI軟件平臺上，以B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像和全色波段作為輸入數據，利用H(色調)S(飽和度)I(亮度)彩色變換方法進行融合處理。經過融合處理的QuickBird圖像更加清晰，既擁有全色波段的高空間分辨率，又有與B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像相近的色調，大大提高了對地質現象的解譯能力。

3 鈾礦化褪色蝕變識別與分析應用

3.1 巴什布拉克鈾礦區應用

3.1.1 地質概況

巴什布拉克鈾礦床(圖1中的紅點)位于塔里木盆地西北緣烏恰縣西部的中新生代盆地內，礦區及其周邊出露的地層主要為盆地基底元古宇和古生界，主要分布在礦區北側;盆地蓋層為中、新生界，主要有侏羅系、白堊系、古近系、新近系以及第四系等。其中，白堊系和古近－新近系的主體是一套紅色碎屑巖(圖1)。

圖1 巴什布拉克鈾礦區及周圍地層分布簡圖Fig.1 Brief map of statrum distribution in Bashibulake uranium mineralization district and its adjacent area

前人研究表明，該礦床是一個含油瀝青型鈾礦床［6－7］，其有利含礦層是下白堊統紅色陸相碎屑巖經油氣還原蝕變后形成的灰綠色地層，這些灰綠色地層在地表又被后期的地下水氧化成淺灰黃色、灰白色等色調。圖2是研究區內東礦區某地質剖面的野外照片。

圖2 巴什布拉克鈾礦區某地質剖面野外照片Fig.2 Field photo for a geological profile in Bashibulake uranium mineralization district

從圖2可以看出，地表出露的未蝕變的紫紅色砂巖，坑道內挖出的地下深處的灰綠色蝕變砂巖，以及蝕變砂巖在地表經后期氧化形成的灰黃色、灰色砂巖等3種巖石具有明顯不同的色調和影紋特征。深入了解這些灰色砂巖的空間分布特征和規律及其在礦床外圍的出露情況，對研究和分析該礦床的形成及在礦區外圍找礦具有重要意義。

3.1.2 遙感解譯與分析

在經前述方法處理得到的巴什布拉克鈾礦區及其周圍(圖1中的黃框范圍)QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成—拉伸增強圖像(圖3)中可以看出，古近－新近系(E－N)主體以紫紅色調顯現出來，元古宇(Pt)以灰色調顯現，白堊系(K，兩藍色曲線之間)總體上以灰色、灰白色調為主，在西北部和東南部有幾處呈明顯的紫紅色調顯示。東、西兩礦區基本上處于灰白色調夾少量淺紅色調的影像中。上述影像特征反映了巴什布拉克鈾礦區及周圍的白堊紀地層均不同程度地受到了后期油氣的還原作用，發生了褪色蝕變。褪色蝕變的強度總體上具有北部強、南部減弱，中東部強、西部減弱的特點。

圖3 巴什布拉克鈾礦區及周圍QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成圖像Fig.3 False color composite image of QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)for Bashibulake uranium mineralization district and its around area

在對圖3中的東、西鈾礦區放大后的QuickBird假彩色合成圖(圖4)中，可以清楚地看出兩礦區所在地的白堊系砂巖層理;根據“V”字形法測，可以判斷巖層傾向為SSW，走向為NWW。礦區色調以淺灰綠色、灰色、灰黃色為主，紫紅色調次之，只有兩礦區坑道口的碎石和礦渣為深灰綠色調。紫紅色調與淺灰綠色、灰白色調交錯顯現。從西礦區及周圍的紫紅色調局部形態來看，具有形態不規則、大小不一、排列不同的特點;有的呈較大片狀連續分布(圖4中的①)，有的呈細線狀沿巖層走向連續分布(圖4中的②)，有的呈不規則小片狀沿巖層走向斷續分布(圖4中的③)，還有的呈線狀垂直巖層走向分布(圖4中的④);在東礦區及其周圍，大片的紫紅色調夾雜在南北兩側大片的灰色調中。

圖4 巴什布拉克東、西鈾礦區放大圖像Fig.4 Magnified image for the east and west Bashibulake uranium ore areas

利用東礦區及其周圍的QuickBird高分融合圖像，進一步對紫紅色調影像內部更精細的局部灰色調影像進行分析。在QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)多光譜波段與全色波段融合圖像(圖5)上，從坑道內挖掘出來的碎石堆呈灰綠色調清晰可見(圖5中的①)，前人挖掘的垂直巖石走向的大量鈾礦化探槽清晰密集平行排列(圖5中②)，紫紅色調影像的東側存在較大片的灰黃色調影像(圖5中的③)，以及紫紅色調影像中部存在的許多形態不規則、展布方向各異、面積大小不一的小片狀淺灰黃色調影像(圖5中的④和⑤)等影像特征清晰可見。

圖5 巴什布拉克東礦區QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)多光譜波段與全色波段融合圖像Fig.5 Fusion image of QuickBird multispectral B3(R)，B2(G)，B1(B)with pan band for east Bashibulake uranium ore area

上述紫紅色調和灰黃色調影像反映的分別是未發生褪色蝕變的紫紅色砂巖殘留的影像特征和發生了褪色蝕變的蝕變砂巖的影像特征。因此，上述影像特征從正、反兩方面反映出發生褪色蝕變作用地段的邊界不規則，走向既有順層、又有穿層等特點。這些特點從相對宏觀的角度上反映出褪色蝕變作用是紫紅色砂巖受自下而上運移的油氣還原作用的產物，從而為油氣在鈾成礦過程中的重要作用提供了新的依據。同時，根據前述褪色蝕變強度的分布規律，本文認為巴什布拉克鈾礦區外圍的找礦工作應重視礦區東部發生強烈褪色蝕變的地段。

3.2 柯坪地區應用

3.2.1 地質與地球物理特征

本文根據斷隆成礦新觀點［13－14］，在利用中等分辨率的ASTER遙感數據對塔里木盆地北緣柯坪斷隆東段薩拉姆布拉克地區開展鈾成礦地質條件研究時發現，由前人早在1993年發現的航放異常點(HF－10)和航放高場點(HG－6)分布于同一條NW向隱約顯現的線性構造上(圖6)。這一遙感發現把原本孤立存在的2個航放異常點聯系了起來，提升了薩拉姆布拉克地區的鈾礦找礦潛力，也為重新評價該地區的鈾成礦潛力提供了新的線索。

圖6 塔里木盆地北緣薩拉姆布拉克地區ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成圖像Fig.6 False color composite image of ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)for Shalamubulake area in the north of Tarim basin

3.2.2 遙感解譯與分析

為了對圖6中新發現的薩拉姆布拉克NW向線性影像帶可能存在的蝕變特征進行研究，本文又采用了QuickBird高分遙感數據。在薩拉姆布拉克NW向線性影像帶西段的 QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像(圖7)上，一條略有弧度的灰黑色條帶狀線性影像清晰可見。

圖7 薩拉姆布拉克地區西段QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像Fig.7 True color composite image of QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)for the west part of Shalamubulake area

從圖7可以看出，該灰黑色條帶狀線性影像在主體為紅色調的背景上從西北向東南延伸，并在東南角出現一大塊灰白色圖斑。在該線性影像西北角HF－10地段的 QuickBird B3/B2(R)、B2(G)、B1(B)假彩色合成放大增強圖像(圖8)中可以看到，在主體為紅色調(圖8中的①)的影像上，明顯存在一條沿NW向呈“折線”展布的灰色—灰黃色條帶狀影像(圖8中的②)，條帶狀影像的北側存在3片呈不規則狀分布的灰白色小圖斑(圖8中的③)。灰色、灰黃色調條帶影像，灰白色圖斑和紅色調影像三者在空間上緊密聯系并有序分布。

圖8 HF－10地段QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成圖像Fig.8 False color composite image of QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)for HF －10 area

在圖7中線性影像東南角出現的大片灰白色調影像的局部放大圖(圖9)中，灰色—灰黃色條帶狀影像邊界(圖9中的①)清晰可見，條帶狀影像的東北和西南兩側可見明顯不同于紅色調背景的大片灰白色調影像。其中，東北側規模比西南側大，成片性強(圖9中的②)，且明顯有多條色帶向NE方向的遠處發育;西南側規模相對小些，成片性弱，有的順層獨自向SW方向的遠處發育(圖9中的③)，有的斷斷續續地順層出現(圖9中的④)。

圖9 圖7中東南段褪色蝕變放大圖像Fig.9 Magnified image for the bleached alteration in southeast part of Fig 7

在上述研究的基礎上，對薩拉姆布拉克整個條帶上發育褪色蝕變的地段進行地面放射性測量檢查后，新發現了許多鈾礦化帶異常(圖10)，而且這些異常與褪色蝕變具有明顯的關系，再次表明薩拉姆布拉克線性影像帶確實是一條值得重視的鈾礦化帶。

圖10 薩拉姆布拉克鈾成礦帶構造、放射性異常分布與IKONOS影像復合圖Fig.10 Overlapping map of structure，radioactive anomaly distribution and IKONOS image for Shalamubulake uranium metallogenetic belt

根據上述分析，明確了與鈾礦化相關的基性巖脈、斷裂、褪色蝕變等地質要素的高分遙感影像特征和識別標志，并建立了柯坪地區鈾礦化識別的高分遙感影像模式:灰黑色線性影像+灰白色調影像。利用該影像識別模式，對薩拉姆布拉克外圍地區進行了搜索，并經野外驗證，又發現了2條新的類似的鈾礦化帶(圖11)。

圖11 柯坪地區新發現褪色蝕變與鈾礦化異常分布Fig.11 New discovered bleached alteration and their uranium mieralization anomaly distribution in Keping region

4 結論

1)經過對含Fe3+離子礦物信息的增強處理(真彩色合成、多光譜與全色波段融合處理以及直方圖拉伸等)，高空間分辨率QuickBird遙感數據在砂巖鈾礦化褪色蝕變識別和分析中可以充分發揮重要的作用，為鈾礦找礦應用提供重要信息，具有典型性。

2)利用QuickBird圖像，發現巴什布拉克鈾礦區白堊系含礦層的褪色蝕變強度總體上具有北部強、南部弱，中東部強、西部弱的特點。因此，礦區外圍的找礦應重視向東部擴展。同時，利用QuickBird圖像還可以精細地分析未蝕變紫紅色殘留體和褪色蝕變體的幾何形態和空間分布特點等信息，從相對宏觀的角度對油氣在鈾成礦過程中所起的重要作用提供了新的依據。

3)利用QuickBird圖像，在柯坪薩拉姆布拉克地區發現了多處褪色蝕變地段，經野外驗證和放射性測量檢查，新發現了多個鈾礦化異常，反映了薩拉姆布拉克NW向遙感線性影像帶是一條重要的鈾礦化帶，其成礦潛力和找礦前景值得重視。

4)建立了新疆柯坪地區鈾礦化的QuickBird高空間分辨率遙感圖像模式，并利用所建的模式在鈾礦化帶外圍地區發現了2條類似薩拉姆布拉克鈾礦化帶的異常帶，其成礦潛力值得進一步深入研究。

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Application of High Resolution Satellite Remote Sensing Technology in Identification and Analysis of the Uranium Mineralization Bleached Alteration

YE Fa－wang，LIU De－chang
(National Key Lab.of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China)

High resolution satellite remote sensing technology is an important new technology and method in the field of geological exploration，with which many application results have been made.However，the typical applications to identifying and analyzing the mineralization alteration information are very insufficient.In this paper，the typical application of high resolution satellite remote sensing technology in identification and analysis of the uranium mineralization bleached alteration was illustrated from the angle of uranium exploration，including the identification of bleached alteration information and the analysis of its spatial distribution in the Bashibulake uranium ore district on the northern margin of Tarim Basin in Xinjiang，the discovery of grayish white bleached alteration and the analysis of its spatial distribution in the eastern part of Keping up－lift on the northern margin of Tarim Basin in Xinjiang.These two typical applications show that high resolution satellite remote sensing technology can achieve good application effects in identifying mineralization alteration information，and the further excavation of its application potential is very valuable in the future.

high resolution satellite remote sensing;uranium mineralization bleached alteration;typical application;north fringe of Tarim basin in Xinjiang

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0117－07

2011－12－29;

2012－02－06

10.6046/gtzyyg.2012.04.20

葉發旺(1974－)，男，博士，高級工程師，第十三屆青年地質科技獎銀錘獎獲得者，主要研究方向為遙感圖像處理與鈾礦地質應用。E－mail:yfwbeijing2008@sina.com。

(責任編輯:劉心季)