廣西花山花崗巖鈾礦遙感勘探

賈志強,蔡曉鳳,郭建東,時 毓，吳 虹

(1.桂林理工大學 地球科學學院,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)三一〇核地質(zhì)大隊,廣西 桂林 541213;3.廣西壯族自治區(qū)公共資源交易中心,南寧 530022)

遙感勘探是以遙感信息為信息源,通過遙感反演實現(xiàn)對地質(zhì)目標探測的勘探技術,與重力、磁法和電法勘探同屬于應用地球物理的學科分支[1]。雖然Regan等[2]在1992年就將遙感歸入地球物理勘探領域,但未稱為遙感勘探。遙感勘探的提法出現(xiàn)在后來的遙感應用中,如Kingston研究金伯利巖和碳酸巖的光譜反射率特征，為利用遙感技術進行金伯利巖和碳酸巖勘探的潛力進行了評價[3]；平仲良對萊陽東部地區(qū)的石油物質(zhì)光譜特征進行了分析討論，建立了提取油氣信息的遙感勘探數(shù)學模型[4]，并利用陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)對萊州南部地區(qū)進行旋鈕構造解譯，建立旋鈕構造的數(shù)學模型預測金礦礦脈[5]；王世洪等利用衛(wèi)星遙感技術，通過對柴達木盆地三湖地區(qū)已知氣田遙感特征、成藏條件和分布規(guī)律的對比分析，探索和研究了低幅度構造區(qū)域勘探目標的方法[6]；朱振海對世界各國利用遙感技術勘探油氣的研究成果進行了系統(tǒng)總結，提出油氣遙感勘探的研究趨勢是向多源信息綜合分析的方向發(fā)展[7]；黃秀華就石油遙感勘探而言，主要開展了土壤吸附烴、△C檢測法及地植物分析法三種方法的應用研究工作[8]；王潤生等從巖礦波譜、遙感找礦模型等7個方面介紹了遙感勘探的基本原理和技術關鍵，并在新疆進行了尋找有色金屬礦的應用實例[9]。這些應用都曾采用了遙感勘探或近似遙感勘探的概念,但遺憾的是他們沒有將遙感勘探置于物探框架中。因此,時至今日,嚴格按照地球物理遙感勘探理論找礦的應用,尚不多見。本文以遙感勘探技術框架布局找鈾礦為例,對遙感勘探的地球物理特征和功能予以展示,以此作為對其學科歸屬的加注。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)為桂東地區(qū)的花山花崗巖體出露區(qū), 位于南華活動帶海洋山凸起與大瑤山隆起交接部位(圖1)。 花山花崗巖體由印支期、 燕山早期和燕山晚期的3個不同時間侵位的巖體單元組成[10], 呈等軸狀出露分布, 出露面積約570 km2。 圍巖主要為泥盆紀沉積巖。 巖體內(nèi)斷裂構造發(fā)育, 具備熱液型鈾礦成礦的良好地質(zhì)條件(圖2、 圖3)。 幾十年來, 區(qū)內(nèi)探明多處鈾礦點與礦化點, 曾是我國第一塊鈾礦石標本采集地[11]。 其鈾礦成礦具有集中分布在多組斷裂構造帶的復合交匯部位, 或者在區(qū)域深斷裂兩側的碎裂蝕變帶內(nèi), 以碎裂花崗巖微裂隙充填成礦為主要形式的成礦規(guī)律(圖4)[12]。 鈾礦體呈相互平行的陡傾角礦體群出現(xiàn), 礦化巖性為鉀長石化(堿交代巖)碎裂花崗巖, 鈾礦物以次生硅鈣鈾礦為主, 還見有鈣鈾云母、 銅鈾云母等次生礦物[13-14]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of study area1—省級政區(qū)界線;2—公路;3—高速公路

圖2 花山花崗巖體地質(zhì)略圖 (據(jù)區(qū)域地質(zhì)測量報告修改[15])Fig.2 Geological map of Huashan granite body Q—第四系;D—泥盆系;∈—寒武系;J3X—新路單元;J3Y—銀頂山單元;J3Wy—烏羊山單元;J3W—屋面前單元;J2Nm—牛廟侵入體;O3Yn—養(yǎng)牛坪單元

圖3 花山花崗巖體的TM321假彩色合成影像Fig.3 TM321 false color composite image of Huashan granite body

2 技術方案

2.1 原理與技術關鍵

鈾礦遙感勘探的物理學原理是核物理學的放射成因熱理論。鈾系中α射線產(chǎn)生的熱量占整個系列的89%,γ射線占6.5%,β射線占4.5%。由于產(chǎn)鈾花崗巖體放射成因熱的長期積累,在含礦巖體周圍形成一個穩(wěn)定的熱場[16]。ETM+6數(shù)據(jù)敏感地表溫差的絕對精度<0.4 K(單通道法),足以發(fā)現(xiàn)鈾礦產(chǎn)生的放射成因熱異常,結合其他相關找礦標志,就可以實現(xiàn)對鈾礦的勘查[17-21]。

但是,產(chǎn)生地表熱異常的因素很多,除了產(chǎn)鈾花崗巖體的放射成因熱異常外,還有由地物吸收太陽短波熱紅外輻射后轉(zhuǎn)換成的長波熱紅外輻射異常,以及其他各種非礦因素造成的熱紅外異常(如人類活動等)。因此,如何從紛亂復雜的地表熱紅外異常中篩選出鈾礦成因熱異常,乃是成功應用之關鍵，為此采用了特別制定的遙感勘探技術方案。

圖4 產(chǎn)于花山巖體斷裂中的原生晶質(zhì)鈾礦照片F(xiàn)ig.4 Photos of primary crystalline uranium in Huashan rock fracture

2.2 技術方案

技術分析:根據(jù)花山巖體內(nèi)斷裂構造既是原生鈾礦的導礦構造,又是容礦構造, 鈾礦賦存與斷裂構造在空間位置上完全重合的成礦規(guī)律, 以及前人在本區(qū)開展找鈾礦γ能譜測量取得好找礦效果的事實,制訂了本次遙感勘探的定位反演和定性反演技術方案。

定位方案:通過ETM+影像數(shù)據(jù)自帶的成像地理坐標實現(xiàn)熱紅外異常和反演γ能譜異常的坐標定位;通過線性/斷裂構造對異常的篩選,實現(xiàn)反演γ能譜異常的地質(zhì)定位。兩種定位結合,快速確定對應于反演γ能譜異常的鈾礦點。

定性方案:通過反演γ能譜異常,進行熱紅外異常是礦致還是非礦致的識別,對鈾礦致熱紅外異常作出篩選。

本研究采用美國陸地衛(wèi)星2000年10月Landsat-7 ETM+影像,其國際軌道號為124-43。定位反演與定性反演兩種方案相結合,即為本次全部花山遙感鈾礦勘查工作(圖5)。

3 遙感反演

3.1 定性反演

遙感勘探定性反演是指通過定量遙感分析,對勘探對象的地學屬性作出推斷[1]。這是一種基于目標信息對遙感信息統(tǒng)計回歸的反演方法，花山找鈾礦采用了相關反演方法。由于區(qū)內(nèi)無表露的原生鈾礦體,只在一些充填型斷裂石英脈中有極為稀散的原生鈾礦礦化(圖4),因此要建立鈾礦與遙感熱紅外影像信息的直接關系非常困難。

圖5 花山花崗巖體遙感勘探找鈾礦技術實施流程Fig.5 Technical implementation of remote sensing prospecting for uranium deposit in Huashan granite body

但本區(qū)曾在局部地段開展過γ能譜測量,資料表明,這種物理量對鈾礦指示作用明顯。因此,在無實際已知鈾礦作參照的情況下,以γ能譜異常區(qū)作為原生鈾礦分布區(qū),先在這樣的區(qū)域內(nèi)建立ETM+6熱紅外異常與γ能譜異常的統(tǒng)計回歸關系,然后將這一關系方程推向整個巖體,計算出全巖體的反演γ能譜異常,分ETM+對γ能譜異常敏感波段檢測試驗、反演模型M1建模與地表溫度TS反演和M2建模對γTS反演三步實現(xiàn)。

(1) ETM+對γ能譜異常敏感波段檢測試驗。對ETM+成因熱最佳敏感波段作檢測,確定示礦波段。分別在6個已知鈾礦點上作ETM+數(shù)據(jù)的波譜曲線,發(fā)現(xiàn)ETM+6在這6個點上均為最高值,表明鈾(礦)成因熱客觀存在,且ETM+6對成因熱具有敏感性,因而ETM+6可作為找鈾示礦波段(圖6)。

圖6 花山花崗巖體已知鈾礦點ETM+1～7波譜曲線Fig.6 Spectral curves of ETM+1-7 in 6 known uranium deposit points of Huashan granite body

(2)M1建模與地表溫度TS反演。M1是由ETM+6亮度值反演求地表溫度TS的模型。雖然熱紅外波段ETM+6與溫度有確定的正比關系,但這只是其與地表亮溫值的關系,不是與真實地表溫度的關系,為此,要將ETM+6轉(zhuǎn)換為真實地表溫度TS。轉(zhuǎn)換采用輻射傳輸方程法(又稱大氣校正法),即M1模型。計算公式為[17]

(1)

式中：K1和K2是Landsat-7衛(wèi)星熱紅外波段的反演常數(shù),K1=666.09 W/(m2·sr·μm),K2=1 252.71 K；B(TS)是當溫度為TS時的黑體輻射亮度, 可以通過下式計算得到

(2)

(3) M2建模與γTS反演。 M2是由地表溫度TS反演求γ能譜的回歸值γTS的模型。 理論上, 應該采用基于物理學機制的γ-T關系模型, 但限于實際條件難以實現(xiàn), 只能采用統(tǒng)計方法, 建立γTS-TS的定量關系模型, 以此作為用TS反演γ的模型。 具體以已知鈾礦點和γ異常點為統(tǒng)計母體, 對其γ和TS數(shù)據(jù)作回歸分析,得到二次擬合方程,即M2模型為

圖7 ETM+6影像反演的花山巖體地表溫度TS平面圖 (紅色對應于相對高溫區(qū),橘黃色對應于相對低溫區(qū)域)Fig.7 Plane graph of land surface temperature TS of Huashan granite body inverted by ETM+6 image

(3)

該式即為最終用于反演計算全巖體的反演γ的算法模型。其中γTS表示地表溫度下的TS反演γ異常。與式(3)對應的γ能譜值-TS曲線見圖8,其是一條曲率很小的二次曲線, 相關系數(shù)約為0.96, 表明γ能譜值-TS屬于高度正相關,因此用M2反演γTS應該比較接近實際γ。

圖8 γ與地表溫度TS關系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of spectrum value γ and surface temperature TS

3.2 定位反演

定位反演是通過遙感定量解譯獲取勘探對象的空間信息的過程[1]。 本研究采取了遙感地理坐標定位與地質(zhì)定位相結合的方法。 所謂地理坐標定位, 由于γTS異常來自基于模型M1和模型M2的ETM+6→TS→γTS一對一的反演計算, ETM+6所帶的地理坐標(x,y)被自動轉(zhuǎn)移到了γTS上, 即γT(x,y)。地質(zhì)定位是指基于地質(zhì)體之間成因關系的定位；地理坐標定位表示的是一種純數(shù)學位置關系,而地質(zhì)定位可以反映出成因相關性等，兩者結合可以更好地確定花山鈾礦位置。

斷裂構造是花山巖體最重要的鈾礦控礦因素,具有導礦和容礦作用。鈾礦成礦具有主要集中于多組斷裂構造帶復合交匯部位,或區(qū)域深斷裂兩側的碎裂蝕變帶的規(guī)律,沿斷裂構造找礦是本區(qū)鈾礦的找礦方向[22]。具體而言,只有“落”在斷裂構造中的γTS異常才可能是礦致異常,具有找鈾礦的指示意義。因此,這相當于是對γTS異常進行了“篩選”,“篩子”就是斷裂構造。在此基礎上,根據(jù)γTS在斷裂構造中的強弱分布及與相鄰斷裂的交疊位置關系,結合地質(zhì)分析,就可以確定鈾礦勘探靶位。具體操作如下:

(1)試驗篩選: 只對有實測γ異常點的斷裂構造進行篩選。 這樣的斷裂構造有7條(F1、 F2、F3、F4、F5、F6和F7)。在這些斷裂緩沖帶上,求取每個點緩沖區(qū)范圍內(nèi)的地表溫度TS的均值,然后用式(3)擬合該點的γTS值,如此得到點段異常(圖9)。經(jīng)統(tǒng)計，γTS異常的均值為692.8,均方差為204.2,取均值與1.6倍均方差之和為一級γTS異常,用紅色表示;取均值與低于一級異常之間的數(shù)值為二級γTS異常,用橙色表示；其他低于均值者不作為異常,用淺黃色表示。由圖9可見，在這些斷裂的交匯復合部位一般有較高的γTS異常。這與該部位存在兩個以上方向輸送的成礦組分疊加匯集,從而使得鈾礦組分增多有關。已知礦點白腳石、兩安及長沖都位于這些部位,印證了這一成礦規(guī)律。圖10是F1—F7斷裂構造的反演γTS異常剖面曲線圖,γTS在不同剖面上變化起伏較大,間接反映出鈾礦組分在斷裂構造中遷移富集的不均勻性。事實上,已知礦體的確是在斷裂中呈斷續(xù)延伸展布的,無整條斷裂都含礦的情況，這一規(guī)律對本區(qū)找鈾礦有實際指導意義。

(2)正式篩選:鑒于試驗篩選在7條主要斷裂上的有效性,將這種作法推廣到整個巖體,開展面向全巖體的正式篩選。首先通過對整個花山巖體的遙感線性構造解譯,得到了全巖體的斷裂構造分布圖；然后, 采用與試驗性篩選相同的步驟, 將全區(qū)的反演γTS異常與全巖體的線性構造疊加。根據(jù)每條斷裂構造上疊加的反演γTS異常的長度和強度延伸,確定出一級和二級反演γTS異常段,讓每條斷裂構造的鈾礦“含礦性”建立起明確表示,從而實現(xiàn)定性與定位勘探相結合的找礦方式。這種兩者結合找礦的總成果圖見圖11。

圖9 點、段γTS異常篩選試驗Fig.9 γTS abnormal screening test for points and segments a—點γTS異常與斷裂構造疊加; b—段γTS異常與斷裂構造疊加

圖10 花山花崗巖體的F1—F7斷裂剖面反演的 γTS 異常曲線Fig.10 Curves of inversion anomaly γTS along the F1-F7 fracture sections of Huashan granite body

4 勘探成果統(tǒng)計與評價

通過對31條斷裂構造與γTS異常的疊加篩選,在花山巖體中獲得了一批一級與二級鈾礦γTS異常。為下一步的地質(zhì)勘查需要,進行了相關信息統(tǒng)計,內(nèi)容包括:斷裂編號、斷裂賦存(穿越)的巖體單元、 斷裂首尾和轉(zhuǎn)折部位的坐標(文中未附)、斷裂長度、含A級γTS異常段和含B級γTS異常段的長度、異常長度及占全斷裂的比例等。因文章篇幅關系,只列出4條主要斷裂F1、F2、F3、F4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

歸納表1 的統(tǒng)計結果:斷裂F1、F2、F3、F4總長度為66.205 km。其中,一級異常斷裂長度為11.171 km,占斷裂總長度的16.87%;二級異常斷裂長度為32.586 km,占斷裂總長度的49.22%。一級與二級兩種斷裂總長度為43.757 km,占斷裂總長度的66.09%。

全區(qū)31條斷裂的統(tǒng)計結果:31條斷裂總長度為181.301 km。其中,一級異常斷裂長度為22.546 km,占斷裂總長度的12.44%；二級異常斷裂長度為64.718 km,占斷裂總長度的35.70%。一級與二級斷裂總長度為87.264 km,占斷裂總長度的48.13%。

統(tǒng)計結果評價:不論是試驗篩選的F1、F2、F3、F4斷裂,還是全區(qū)的31條斷裂,一級異常斷裂占全巖體斷裂總長度達12.44%～16.87%,表明花山巖體斷裂具有較高的鈾礦含礦性,目前勘查掌握的只是局部礦體,整個花山地區(qū)仍然具有較大的找鈾礦潛力。

5 結 論

通過本次采用實測γ能譜數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感ETM+6影像數(shù)據(jù)結合,反演花山巖體出露區(qū)域的γ能譜異常,確定原生鈾礦床靶段(點)的工作,表明采用遙感勘探技術在花山地區(qū)找鈾礦是可行的。雖然受條件限制,這些靶段(點)還有待于地質(zhì)勘探工程驗證,即使在這樣的情況下,對這次遙感勘探實踐成果作出以下總結：

圖11 基于反演γTS異常的全巖體的斷裂構造鈾礦含礦性評價Fig.11 Ore bearing capacity evaluation of fracture structure in uranium deposit of the whole granite body based on inversion anomaly γTS Q—第四系;D—泥盆系;∈—寒武系;J3X—新路單元;J3Y—銀頂山單元;J3Wy—烏羊山單元;J3W—屋面前單元;J2Nm—牛廟侵入體;O3Yn—養(yǎng)牛坪單元;1—一級γTS異常;2—二級γTS異常;3—γTS無異常;4—γ異常實測點;5—實測礦化點;6—地質(zhì)界線

(1)采用基于實測γ能譜數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感ETM+6影像數(shù)據(jù)結合,建立ETM+6-TS反演模型M1及TS-γTS反演模型M2,計算反演γTS異常,以遙感線性構造作為篩選器對γTS作篩選,根據(jù)統(tǒng)計原則將篩選出的γTS異常分成為一級與二級異常,為深化本區(qū)鈾礦找礦提供新依據(jù),這一遙感勘探找鈾礦的技術方案是可行的。

(2)本次對整個花山巖體分布區(qū)內(nèi)γ能譜異?？焖偃Χū砻? 雖然遙感定位和定性反演勘探在理論上成立, 但在應用時必須結合實際情況。 擁有已知礦點的有效γ能譜異常數(shù)據(jù)為本次應用特有的輔助條件, 從而可以通過它們建立起鈾礦γ能譜異常強度與ETM+6影像數(shù)據(jù)的定量關系, 即TS-ETM+6及γ-TS兩個反演模型。如果沒有此條件,無法達到所取得效果。由于有效γ能譜異常是作為與鈾礦礦化具有同等找礦效力的信息,這為掌握已知礦與遙感信息ETM+6之間的關系提供了依據(jù)。 因此, 擁有實測γ能譜異常信息是實現(xiàn)本次鈾礦遙感勘探成功的關鍵。

表1 花山鈾礦F1、F2、F3和F4斷裂遙感反演γTS異常統(tǒng)計Table 1 Statistics of γTS anomalies in remote sensing inversion of fracture F1,F2,F3 and F4 in Huashan uranium mine

(3)借助線性構造-斷裂控礦的關系篩選γTS異常,可以快速縮小鈾礦找礦靶段和靶位,這是本次遙感勘探得以成功的又一個重要舉措。如果單純依靠反演的γTS異常,將難于解決消除假γTS異常干擾問題,而單純依靠遙感數(shù)據(jù)帶的地理坐標,不足以解決本區(qū)鈾礦勘查準確定位問題。

(4)本次采用遙感勘探“雙定位”技術在花山巖體中共確定出含一級反演γ能譜異常γTS的斷裂長度為22.546 km, 占斷裂總長度的12.44%; 含二級反演γ能譜異常γTS的斷裂長度為64.718 km, 占斷裂總長度的35.70%。 一級與二級兩種斷裂長度為87.264 km, 占斷裂總長度的48.13%。 彌補了采用常規(guī)技術手段在該地區(qū)找鈾礦的不足,為打開該區(qū)找鈾礦新局面提供了新依據(jù)。