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.廣西壯族自治區三一〇核地質大隊,廣西 桂林 541213;3.廣西壯族自治區公共資源交易中心,南寧 530022)

遙感勘探是以遙感信息為信息源,通過遙感反演實現對地質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的石油物質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學模型[4]，并利用陸地衛星TM數據對萊州南部地區進行旋鈕構造解譯，建立旋鈕構造的數學模型預測金礦礦脈[5]；王世洪等利用衛星遙感技術，通過對柴達木盆地三湖地區已知氣田遙感特征、成藏條件和分布規律的對比分析，探索和研究了低幅度構造區域勘探目標的方法[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 地質背景

研究區為桂東地區的花山花崗巖體出露區, 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。 巖體內斷裂構造發育, 具備熱液型鈾礦成礦的良好地質條件(圖2、 圖3)。 幾十年來, 區內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, 或者在區域深斷裂兩側的碎裂蝕變帶內, 以碎裂花崗巖微裂隙充填成礦為主要形式的成礦規律(圖4)[12]。 鈾礦體呈相互平行的陡傾角礦體群出現, 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 研究區地理位置圖Fig.1 Location of study area1—省級政區界線;2—公路;3—高速公路

圖2 花山花崗巖體地質略圖 (據區域地質測量報告修改[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定的熱場[16]。ETM+6數據敏感地表溫差的絕對精度<0.4 K(單通道法),足以發現鈾礦產生的放射成因熱異常,結合其他相關找礦標志,就可以實現對鈾礦的勘查[17-21]。

但是,產生地表熱異常的因素很多,除了產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 產于花山巖體斷裂中的原生晶質鈾礦照片Fig.4 Photos of primary crystalline uranium in Huashan rock fracture

2.2 技術方案

技術分析:根據花山巖體內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律, 以及前人在本區開展找鈾礦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+影像數據自帶的成像地理坐標實現熱紅外異常和反演γ能譜異常的坐標定位;通過線性/斷裂構造對異常的篩選,實現反演γ能譜異常的地質定位。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。由于區內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能譜異常區作為原生鈾礦分布區,先在這樣的區域內建立ETM+6熱紅外異常與γ能譜異常的統計回歸關系,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。

(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+數據的波譜曲線,發現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轉換為真實地表溫度TS。轉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衛星熱紅外波段的反演常數,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, 只能采用統計方法, 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異常點為統計母體, 對其γ和TS數據作回歸分析,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,橘黃色對應于相對低溫區域)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)被自動轉移到了γTS上, 即γT(x,y)。地質定位是指基于地質體之間成因關系的定位；地理坐標定位表示的是一種純數學位置關系,而地質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,或區域深斷裂兩側的碎裂蝕變帶的規律,沿斷裂構造找礦是本區鈾礦的找礦方向[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,求取每個點緩沖區范圍內的地表溫度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)。經統計，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延伸展布的,無整條斷裂都含礦的情況，這一規律對本區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, 將全區的反演γTS異常與全巖體的線性構造疊加。根據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。為下一步的地質勘查需要,進行了相關信息統計,內容包括:斷裂編號、斷裂賦存(穿越)的巖體單元、 斷裂首尾和轉折部位的坐標(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的統計數據。

歸納表1 的統計結果: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31條斷裂的統計結果: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%。

統計結果評價:不論是試驗篩選的F1、F2、F3、F4斷裂,還是全區的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能譜數據與衛星遙感ETM+6影像數據結合,反演花山巖體出露區域的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—地質界線

(1)采用基于實測γ能譜數據與衛星遙感ETM+6影像數據結合,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,根據統計原則將篩選出的γTS異常分成為一級與二級異常,為深化本區鈾礦找礦提供新依據,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內γ能譜異常快速圈定表明, 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能譜異常數據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影像數據的定量關系, 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。 因此, 擁有實測γ能譜異常信息是實現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,而單純依靠遙感數據帶的地理坐標,不足以解決本區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%。 彌補了采用常規技術手段在該地區找鈾礦的不足,為打開該區找鈾礦新局面提供了新依據。