后遥感应用技术的开拓及其在铀资源勘查中的应用

刘德长 张杰林 黄树桃 张静波 祝民强

作者总结遥感技术在地质领域深化应用实践经验的基础上，结合现代信息技术的最新进展，在国内外首次提出“后遥感应用技术”，并在东胜-神木铀资源勘查区进行了初步试验研究。通过研究，认为在地质领域，后遥感应用技术比起单一遥感技术具有更大的实用价值和更好的应用效果。它的技术思路也值得地球科学其它研究领域借鉴。

1 后遥感应用技术的提出及其重要意义

1.1 后遥感应用技术提出的背景

遥感技术作为一种重要的现代信息技术和实现“数字地球”的关键技术之一，在矿产资源勘查与评价中具有重要的应用［１，２，３，４］。但是，随着地质勘查工作的不断深入，勘查的目标已由地表或近地表矿床转向地下深处的隐伏矿床。因此，单靠遥感技术很难完全解决寻找深部隐伏矿问题，需要将遥感技术与反映深部地质信息的传统地学方法结合起来。另外，随着现代信息技术的迅速发展，用传统的技术手段解决资源问题的模式正在改变，取而代之的是进入应用现代信息技术解决矿产资源问题的新时代。因此，传统的地质勘查技术手段还应该与现代信息技术相整合。基于上述考虑，我们提出了后遥感应用技术。

1.2 后遥感应用技术的技术内涵

后遥感应用技术的含义是指将遥感技术与各领域传统方法相结合，与现代信息技术相结合的一种信息深化应用技术。其内容涵盖信息处理、信息解译、信息分析、信息表述和信息应用等一整套方法技术系统。它的目的是最大限度地利用信息资源。它的目标是加速遥感信息产业化的进程。

从上述技术内涵可见，后遥感应用技术除可用于地质领域外，还可用于农业、林业、气象、环境、灾害等遥感应用领域。

1.3 地质勘查领域后遥感应用技术的构成

针对地质勘查领域，后遥感应用技术是指，在信息源上集遥感信息、地球物理信息（航放、重力、磁力、地震等）、地球化学信息、地质信息等多源地学信息为一体，在方法技术上集图像处理技术、GIS技术、GPS技术、数据库技术、三维可视化技术、虚拟-仿真技术以及传统地学研究方法为一体的信息综合应用技术。它的最终目标是构建一个虚拟的矿产资源勘查区[５]，以实现对矿产资源的虚拟勘查。整个技术构成见图1所示。

图1 地质矿产勘查后遥感应用技术构成示意图

1.4 后遥感应用技术提出的重要意义

遥感技术在地质领域的应用要比在气象、农业、林业、城市规划、环境监测等领域的应用困难得多，后遥感应用技术的提出不仅指明了遥感技术在地质领域深入应用的方向和途径，而且对整个遥感技术领域也具有重要的理论和实际意义。它强调了遥感技术的应用不仅要重视遥感技术本身的应用，还应该重视遥感技术的延伸应用。

2 方法技术研究

以东胜—神木铀资源勘查区为样区，开展了方法技术的试验研究，由于篇幅有限，仅对目前已开拓的几种方法作一简要的介绍。

2.1 铀资源数字勘查区构建技术

构建铀资源数字勘查区的目标是建立一个铀资源勘查区的完整的信息模型，一个三维显示的虚拟的铀资源勘查区。其基本内涵就是实现对铀资源的虚拟勘查。建立的数据库系统由3部分组成，主体部分以MGE、ARCINFO地理信息系统为平台，按对象的空间地理坐标定位，对各种数据资料进行数字化建库，以充分利用GIS系统对空间数据管理、分析、查询等强大功能。其他两部分为钻孔数据库和地物波谱数据库，前者以ACCESS数据库为数据存贮方式，通过VB自主编程对钻孔信息进行管理、分析和成图，以及实现与GIS系统的无缝联接；后者以EVNI为平台建立试验区地物波谱数据库，为进行高光谱研究服务。该数据库与一般地学数据库相比，具有如下特点：①数据库系统主体部分的信息源主要以遥感信息及其处理、解译的专题信息为主，其他多源地学信息为辅，体现遥感特色；②数据库内容主要以与铀成矿有关的信息为主，其他地质信息为辅，体现铀资源勘查的特色；③更加注重数据库信息的挖掘与多维应用：一是为综合分析评价应用；二是为构建三维虚拟勘查区，探索铀资源的虚拟勘查服务。

2.2 遥感与传统地学信息的集成技术

首先是单信息的深化处理技术。单信息处理的目的是突出单信息的技术优势，然后，进行信息集成。集成包括复合与融合。集成的目的是实现信息的优势互补，弥补单信息的不足，最大限度地挖掘和利用信息。在铀资源勘查中，常用的遥感与传统信息的集成技术有遥感与航放信息的集成和遥感信息与航磁、重力、地震、地化、地质、水文等多源地学信息的集成。

遥感与航放数据（SR）的集成，重点研究光-能谱（MR）集成技术；多光谱遥感（Multispectrum）、雷达（SAR）和放射性伽玛能谱（Radioactivity）数据（MSR）集成技术；高光谱（Hyperspectrum）、雷达和放射性伽玛能谱（HSR）集成技术。

遥感信息与其他地学信息集成技术研究还包括多源地学数据之间的相关性研究，是指对与铀矿勘查密切相关的各种信息的形成机理、与深部铀矿体的联系，以及它们之间可能存在的某种关系进行研究。一方面可以为多源地学信息的集成技术提供理论依据；另一方面可以为三维条件下对多源地学信息的关系分析提供技术支持。

2.3地物光谱数据处理技术

地物光谱数据处理技术主要包括：数据预处理技术和植被红边参数模型反演。

①数据预处理技术

主要采用了反射率计算、样本光滑处理和包络线消除技术对地物光谱数据进行预处理。目的是增强光谱曲线中可诊断吸收峰特征，以便于提取诊断光谱信息及参数计算。

植被红边参数模型反演

“红边”是描述植被生长状态最重要的参量，而“红边”参数模型则是精确计算“红边”参数较理想的算法之一。其基本原理如下：

“红边”反射光谱曲线（670～800nm）可用一条半反高斯曲线来逼近。即：

R(l) = RS -( RS - R0)exp﹛(-1)( l0 - l)2/2σ2﹜ (1)

(1)式中：

RS：近红外区肩反射率（最大值）； R0：红光区叶绿素吸收反射率（最小值）；

l0：与R0对应的波长; σ：高斯模型标准差系数;

公式（1）可变换为：

Y（l）＝a0＋a1l （2）

（2）式中：

a0 = -l0/σ ； a1 = 1/σ  ； Y(l) =﹛-㏑(R – R(l))/( RS - R0)﹜1/2

由于（2）式为一直线方程，因此可以采用线性拟合方法来求得反高斯模型的参数。

利用开发的植被红边参数模型，系统分析了铀矿区与非铀矿区，不同矿区的植被红边变异特征，发现矿区的植被（沙蒿、小叶草、草苜蓿）在受胁迫作用下相比非矿区的植被具有红边兰移（4-5nm）现象，而不同矿区的植被参数特征相比则没有这种变异现象（图2）。这一红边参数变化规律，为铀资源的快速勘查与评价提供了一种新的技术手段。 |

图2 植被红边变异特征曲线图

(左图为矿区与非矿区;右图为不同矿区)

2.4钻孔数据自动成图与信息综合分析系统

钻孔信息是揭示深部地质特征的主要信息，是铀资源数字勘查区深部信息的主要来源。我们开发的钻孔数据自动成图与信息综合分析系统，是对钻孔信息进行地层学分析，组织入库，建立钻孔数据库，实现对信息有效管理的基础上，具有钻孔信息多维自动成图，分析和三维可视化等功能的技术系统。它与GIS系统无缝联接，成图速度快速，分析功能强。

在300多个钻孔数据的支持下，利用该系统，对东胜-神木地区铀的含矿层（直罗组下段）形成的古地貌环境，厚度，产状，含砂量及蚀变类型，铀含量的变化等地质特征进行了研究，为铀资源评价和预测提供了重要依据。

2.5地学数据三维可视化技术

三维可视化技术在地学中的应用，又可称为三维地质建模（3D Geoscience Modeling）,是指运用计算机技术在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等功能结合起来，并应用于地质分析的技术。主要研究了两种三维可视化方法：一是在MGE模块化地理信息系统Terrain Model Analys 模块支持下的可视化技术，二是基于METLAB平台的三维可视化技术。采用上述两种方法对东胜—神木地区的铀成矿深部地质环境和区域深部断块构造背景（主要应用重力延拓数据）进行了三维可视化分析，提高了对上述问题研究的深度和广度。

3 地质应用效果

在后遥感应用技术新理念的指导下，上述方法技术的研究和开发，提高了地质应用效果。

3．1在铀成矿特征分析上有3点新发现

3.1.1 发现控制该区含矿层的古河道不是北西—南东向，而是北东—南西向

前人根据含矿层砂体厚度大小圈定了古河道，认为东胜地区的直罗组含矿层的古河道方向为北西-南东向。而我们在分析了该区中-新生代地壳活动以振荡运动为主，未发生褶皱构造变形的前提下，根据钻孔数据库中直罗组下段含矿层下伏延安组顶板高程的属性值，利用GIS软件中的地形分析和水系分析扩展模块，获取了延安组顶部古侵蚀面的高程模型和河流分布图，发现该区控制含矿层的古河道方向不是北西-南东向，而是北东-南西向（图3）。

  A                                         B

图3 不同方法圈定的古河道图

A：根据砂体厚度大的地段圈出的古河道及流向；B：基于延安组顶面古地貌的古河道流向

为了分析古地形与含矿层砂体厚度的关系，编制了含矿层等厚度图，将其叠加在古地形图上。可以看出，含矿层砂体厚度大的地段，处于古地形由陡变缓的地段，该地段的延伸方向为北西-南东向，因此，控制含矿层砂体厚度大的地段总体呈北西-南东向展布。如果按含矿层砂体厚度大的地段圈定古河道，势必认为直罗组下段辨状河沉积的古河道是北西—南东向。通过上述研究，不仅发现了该区控制含矿层的古河道的方向为北东—南西向，而且对按砂体厚度圈定古河道的传统方法提出了质疑。

3.2.2发现该区兰色蚀变带具有更大的找矿价值

经对钻孔资料中岩石蚀变信息的仔细分析和成图，认为该区的气还原色可分为两种—绿色和兰色。通过对它们的空间分布范围和分布特点研究，发现其中的绿色呈面状分布，分布范围广，具区域性分布的特点。经研究，认为绿色是由Fe2+引起的；兰色呈带状分布，分布范围小，主要分布于东胜矿区近东西向一线，受断裂控制明显。经研究，认为兰色是由于Mo元素引起的。因此提出绿色与兰色蚀变可能不完全相同，后者迭加在前者之上，比前者具有更大的找矿价值。

3.3.3发现该区可能存在两种不同成因类型的铀矿化

两种不同成因类型的铀矿化（图4）：一种是氧化带前锋-地球化学障类型的铀矿化，矿化带呈北西—南东方向展布，受北东高西南低的地形影响明显。铀矿化分布在黄色（氧化）与灰色（还原）带之间。另一种是构造-地球化学障类型的铀矿化，矿带呈近东西向展布，受近东西向基底断裂控制明显。铀矿体分布在灰色带与兰（绿）色蚀变带之间。两种可能成因类型的提出，反映了该区成矿的多样性，也提出了该区找矿方向的多途径。根据目前勘探的结果，构造-地球化学障类型的铀矿化具有工业价值，而氧化带前锋—地球化学障类型铀矿化的工业价值尚待进一步研究。

图4 两种不同的地球化学障类型分布图

Ⅰ.构造-地球化学障类型；Ⅱ.氧化带前锋-地球化学障类型

3．2在砂岩型铀矿找矿思路上，提出了构造—地球化学障控矿的新模式。

实际勘探结果表明，东胜铀矿区的工业铀矿化呈近东西向分布。通过遥感，重力，磁力，地震等多源地学信息的综合分析和野外验证，表明东胜地区的工业铀矿化受近东西向基底断裂带控制。该控矿断裂具有如下特点：①处于隆起与下降断块的分界线上；②在深部呈略向东南方向突出的弧形，而在浅部呈略向东北方向突出的弧形；③断面呈波状，总体具有压性（或压扭性）转张性（或张扭性）的力学性质；④具长期活动的特点。经对遥感图像油气微渗漏信息提取研究，反映出沿断裂有油气渗漏现象[６]；矿化地段砂岩中的气液包体，酸解烃等地球化学研究表明，砂岩中存在大量的油珠及一系列还原气体[７]，且烃类含量在富矿岩层比其它岩层高。这些均表明沿该基底断裂有油气运移的迹象，油气在断裂附近形成了强还原环境，导致了铀的沉淀富集。由于断裂的活动导致油气的上升，在断裂附近形成了有利于铀沉淀富集的地球化学障，我们将其命名为构造—地球化学障。它不同于氧化带前锋形成的地球化学障。二者有着不同的控矿模式（图5）。构造—地球化学障控矿模式强调了在区域找矿时，不仅要重视含矿层，而且要重视控矿构造，特别是二者的复合地段。

A	B

图5 两种不同成矿模式示意图

A.氧化带前锋—地球化学障控矿模式；B.构造—地球化学障控矿模式

3．3在砂岩型铀成矿理论上，提出了断块成矿的新观点

通过对东胜-神木地区铀成矿综合研究认为，传统的层间氧化带型成矿理论难以解释东胜—神木地区的铀成矿问题。按传统的理论，铀源主要来自蚀源区，但是，东胜-神木地区看到的事实是，从新生代始新世开始，由于河套断陷的发生和发展，蚀源区与成矿区已被隔开，但根据夏毓亮等研究仍形成有20Ma，8Ma的工业铀矿［８］。显然，这时铀源不可能再由蚀源区提供。按照传统理论，铀成矿过程是从盆边小幅度抬升和地层的掀斜，自流水机制形成开始的。地层的掀斜最理想的角度是5-10度，以利于含铀，含氧地下水的缓慢流动。但是在东胜—神木地区看到的事实是，地层的倾角平均只有1.7度，显然这样的角度不利于传统理论自流水机制的形成。按照传统理论，氧化—还原过渡带是铀沉淀的有利场所，矿体位于黄色或红色（氧化）与灰色（还原）带之间，铀矿物主要是6价与4价铀混合的沥青铀矿。但在东胜-神木地区看到的事实是，铀矿体产于兰绿色（气还原）与灰色（原生）带之间，铀矿物主要是4价铀的铀石，与铀石共生的有硒铅矿（PbSe），表明铀矿化不是形成于氧化—还原过渡带，而是形成于强还原环境。

为此，对东胜—神木地区区域构造环境进行了研究。通过地质，遥感，重力，磁力，地震等资料的综合分析及图像的三维可视化显示，提出了该区地质构造环境为振荡运动背景上的断块构造格局（图5）的新看法。在断块区，由于断块的差异运动和断裂的活动，铀源可以不来自蚀源区，而来自含矿层本身或含矿层之下的含铀地层，或兼而有之。经分析，该区含矿层本身即是一套含铀高的地层，而其下的延安组又是一套含铀高的暗色岩系。因此，认为该区新生代时期的铀成矿的铀源主要来自含矿层和含矿层之下的含铀高的暗色岩系。按传统观点，该区地层近水平，不利于成矿自流水机制的形成，但从断块成矿的观点看，成矿过程自流水机制的形成主要不是靠地层掀斜，重力的作用，而是靠断裂的减压作用，使压力高处的含铀、含氧地下水向压力低的方向流动。因此，在断块发育区对铀的成矿来说，地层掀斜角度不一定要5°-10°，可以近于水平。如前所述，该区的铀矿不是形成于氧化—还原过渡带，而是形成于强还原环境，这一铀沉淀富集环境是由于断裂活动沟通了地下深部的还原性气体（如油气）形成的。

东胜-神木地区的铀矿产于断块构造地质环境中，反映了地台区断块构造环境是一种铀成矿的重要构造环境。产于地台区大型坳陷盆地断块构造环境中的铀矿床，不同于产于造山带或次造山带（如伊犁盆地、吐哈盆地）的铀矿床，具有自己的特色。这些特色在某些方面冲击了砂岩型铀矿成矿的传统理论和模式，断块成矿观点的提出和研究表明，不同大地构造背景下，铀的成矿模式可能不同，断块成矿是破碎中国地台上值得重视的一种铀的成矿模式。

图6 东胜-神木地区地壳浅部断块构造格局图（据光-能谱集成图像解译）

在上述研究的基础上，建立了该区的找矿判据，强调了在铀资源勘查中要加强断裂构造的研究（过去这一点往往重视不够）。提出含矿层，构造—地球化学障，蚀变与铀矿化特征为该区，甚至是鄂尔多斯盆地铀成矿预测的四大主要判据。据此，预测了3片成矿远景区，并对各预测区的成矿有利条件和不利因素进行了具体评估。

参考文献

[1] 刘德长，孙茂荣等.以航空放射性测量为主的多源信息综合技术及应用[J].中国科学辑,1993，23（6）：659～664

[2] 刘德长，何建国等.航天遥感图像应用途径的新扩展—光-能谱集成图像在铀资源勘查中的应用[J].北京地质,1997，9（3）：11～15

[3] 黄贤芳等．覆盖区与铀矿化有关的遥感信息解译[J]．国土资源遥感，1993,（3）

[4] 祝民强，余达淦等.内蒙古巴彦塔拉盆地构造与铀矿化的遥感地质研究[J].国土资源遥感， 2002,(1):9-14

[5] 刘德长，赵英俊等.核工业铀资源勘查遥感应用的创新与数字勘查技术系统.国外铀金地质[J]，2002，19(3):152～156

[6] 祝民强.基于GIS的砂岩型盆地铀矿多源信息集成评价技术研究，核工业北京地质研究院博士学位论文，2002.

[7] 杜乐天,欧光习,油气在北方砂岩型铀矿形成和找矿中的作用.核工业地质局生产中科研报告(内部),2003

[8] 夏毓亮等.鄂尔多斯盆地东胜地区砂岩型铀矿成矿作用的同位素地球化学研究.核工业北京地质研究院科研报告(内部)，2002