以航空放射性测量为主的多源地学信息数字图像综合技术及应用

刘德长孙茂荣 朱德龄 张静波 何建国 董秀珍

多源地学信息数字图像综合技术是80年代以来遥感地质领域的一个前沿研究课题，目前国内外都在积极进行探索。在铀资源勘查中，我们开拓了以航空放射性伽玛能谱（以下简称航放）信息为主的多源地学信息数字图像综合技术。

该技术是指在铀成矿理论指导下，以航放为主信息源，以遥感、地质及其它物化探数据为基础信息源，利用通用计算机系统、数字图像处理系统、地理信息系统以及机助制图系统组成的地学信息处理系统，研究铀成矿地质环境，进行成矿模式识别和找矿靶区优选的铀矿勘查新技术。

1 方法技术研究

以航放为主的多源地学信息数字图像综合处理方法的主要过程，可以用下面的框图表示（图1）。

从框图看，处理方法有三个主要工作阶段。

1.1 航放数据的二次开发

首先利用通用计算机对高灵敏度多道航空伽玛能谱测得的数据进行预处理，包括插值、网格化、数据压缩（或拉伸）、灰阶转换等处理；然后输入图像处理系统进行显示，各种方法的增强，并进行模式识别和特征提取；最后用彩色绘图仪绘制某些重要数据的三元彩色图。三元彩色图的绘制被认为是“自1977年以来铀矿勘探技术最大的技术进展［1］ ”。

将数字图像处理系统与彩色绘图系统相配合，既发挥了图像处理系统的直观、灵活、便于研究的优点，又发挥了彩色绘图系统图面清晰、规范化、便于生产应用的优点。

1.2基础信息源数据的处理

首先要对基础信息数据源（包括地质、遥感、重力、磁力、化探等）进行重新取样，以适应各种地学信息的综合研究。

各种地质图件的数字化输入是通过数字化桌和扫描仪实现的。重、磁资料在预处理时与航放数据相同，也有个插值、数据压缩（或拉神）和灰阶转换，形成影像图的问题。另外，重、磁数据还有个位场变换预处理问题（如分量转化、化极、延拓、垂直导数、假重力异常等）。经过位场变换处理的重、磁资料，也可作为新的基础图件，为图像的进一步处理和分析所用。

遥感数据根据研究任务和要求，在综合处理之前也需要作各种特征增强或提取处理。

图1 以航放为主的多源地学信息数字图像综合处理过程框图

1.3 多源地学信息的综合处理

这里所指的多源地学信息综合处理，实际上是指以航放信息为主信息源，以遥感、地质及其它物化探数据为基础信息源的多源地学信息综合处理。即，在对航放数据充分处理之后，为深入探讨其地质意义，还需与其它地学数据一起，通过图像处理系统进行综合处理与分析。

1.3.1 各种地学数据的坐标配准

多源地学信息综合处理研究的前提是不同资料在平面上位置严格对准，为保证多次输入图件在平面位置上严格重叠，需要对点序文件做数据配准。其实质是用两个不同点序文件控制点对坐标的关系，确定坐标变换关系式，将待配图点序文件中所有的坐标变换到基准图坐标中去。经配准处理后，不同资料网格文件内的像素，在实际位置上代表同一空间坐标，这样才能做多变量的综合信息处理。

1.3.2 多源地学信息的增强、分解、叠合、复合、分类、提取等综合处理

多源地学信息资料经配准后，建立了空间像元位置完全对应的数字影像文件库。在这个文件库基础上，可以应用地质学家经验，在地质理论指导下，采用多元统计型方法、概率型方法以及模糊数学型方法等对多源地学信息进行增强、分解、叠合、复合、分类、提取等综合处理，形成一个具有专家系统性质的综合分析处理过程。

2 地质应用及效果

连山关地区处于华北地台东北缘，营口一宽甸台隆与太子河台凹的过渡部位。区内分布的地层主要有太古界的鞍山群（一套硅铁建造的绿岩带）；早元古代的辽河群（冒地槽型的细碎屑岩一碳酸盐岩建造）；中一晚元古界的钓鱼台组和南芬组（地台盖层沉积）。产铀岩体为连山关复式岩体，由2. 3Ga片麻状黑云母花岗岩和1. 9Ga的肉红色混合花岗岩组成，处于鞍山群一辽河群组成的NWW向连山关短轴背斜的核部。该区中－新生代发生了构造岩浆活化，在老地层中侵入有燕山期斑状黑云母花岗岩体。沿混合花岗岩体与变质岩的接触带，目前已发现数个轴矿床和一系列异常点带（铀矿化年龄19Ga士），构成我国一个重要的隐生宙产铀区（图2）。

2.1 铀成矿地质环境研究方面

2.1.1 产铀岩体的划分

连山关岩体为一产铀岩体，在很长一段时间曾被认为是个单一岩体，后经同位素年代学研究，认为岩体可分为2. 34Ga和1.9Ga两期。此后，关于这两期岩体的范围、界限和形态众说纷纭。通过对岩体航放数据的分析，做了岩体的钍、铀比值影像图，发现高场主要集中在岩体的西北部。于是对钍、铀比值的高场进行了提取，并将其叠合在地质图上，结果看出连山关岩体从钍、铀比值上可分为两部分，西北部呈东西向展布的一段钍、铀比值很高（几乎集中了全部高场），而东南部呈NW向展布的一段却很低。为了研究钍、铀比值分布的这种差异性，将该区同位素年龄数据分布图与其叠合，发现1. 9Ga同位素年龄数据分布地区正处于钍、铀比值高的部分，2. 34Ga同位素数据分布区则处于钍、铀比值低的部分。说明这两个部分很可能属于不同时代的两个岩体，即吕梁期和五台期岩体。同时还可以看出，西北部的吕梁期的岩体呈EW向展布，而东南部的五台期岩体呈NW向展布，二者的界限在下马塘一陈家街一线。另外，原认为五台期的岩体富钍，但研究结果表明，真正富钍的岩体在该区是吕梁期岩体。上述研究不仅表明连山关产铀岩体是由两个不同时代的岩体组成，而且确定出不同时代岩体的界限、形态、轴向及放射场特征等。

图2 连山关地区区域地质示意图

1—辽河群；2—鞍山群；3一北大山（燕山期）岩体；4—连山关岩体；5—变辉绿岩体；6—铀矿床／矿点

通过对铀影像图的提取，发现在2. 34Ga的老岩体周围，有一个铀的偏高场环带。但是，上述的1. 9Ga的岩体和该区燕山期岩体的周围未见有类似的环带存在。用同样的方法对钾的影像图也进行了提取，发现在2. 34Ga岩体周围还存在钾的偏高场环带，但钍不存在类似的偏高场环带。然后将铀和钾的偏高场环带图叠合，进而看出，此环带是铀和钾都偏高的环带。钾的偏高很可能与构造蚀变现象有关。通过对该区地质构造演化分析，认为铀、钾偏高场环带的形成可能与2. 34Ga岩体发生过构造侵位有关。构造侵位的结果，使2. 34Ga的岩体发生边缘活化，形成构造破碎、碱交代（钾、铀增高）和铀的迁移富集。吕梁期和燕山期岩体在形成后未发生过构造侵位。因此，其周围未发生过边缘活化、构造破碎、蚀变和铀的迁移富集，不存在相应的铀、钾偏高场环带。

根据国内外近十余年来航放测量的经验，大多数已知铀矿床都分布在铀的偏高场区及其边缘。该区的3075和410矿床均位于上述铀一钾高场环带之内。因此，这一环带的发现和被认识，对进一步寻找3075型铀矿床有重要意义。

2.1.2 成矿构造的确定

令人十分感兴趣的是，同遥感图像一样，从铀、钍、钾及其总量影像图上也可以看到一些线状体和环状体。线状体主要表现为灰阶较高（或较低）的色线，或者不同灰阶区的界线；环状体主要表现为灰阶较高（或较低）的圆形体或相间的环带。这里所指的灰阶高低，不是地物波谱的强弱，而是地物放射性强度的大小。为了深入研究铀影像图上的线状体和环状体，对铀图做了比值法（彩图A）、定向滤波、拉普拉斯变换、卷积、局部放大等处理，获得了更为理想的增强效果。在此基础上，又对铀影像图进行了线状体及环状体解译，得到一幅铀的γ能谱解译图，同时对该区卫星数据经计算机图像处理系统进行增强，并对其线状、环状构造进行了解译，又得到一幅连山关地区遥感图像解译图。然后，将铀的线状体、环状体解译图与遥感图像上解译的线状和环状构造解译图叠合（图3），发现二者有一定的相关性。研究结果表明，当铀影像图上解译的线状体和环状体与卫星图像上某些线状和环状构造相吻合时，则反映卫星图像上的这些线状和环状构造可能是铀的成矿断裂或与铀有关的环状构造。利用这种相关性，可以从遥感图像上迅速查明与铀成矿有关的线状和环状构造。据此确定了连山关地区铀成矿的构造格局（图4）。

图3 连山关地区铀影像图解译图与遥感图像解译图叠合图

1—卫星图像上的线状构造；2—卫星与铀影像图上叠合的线状休；3—卫星图像上的环状构造；4—卫星与铀影像图上叠合的环状体；5一主要村镇

2.1.3地质填图的探索

通过研究γ能谱与遥感信息之间的复合关系，制成了遥感一能谱复合图像。这种图像的光谱图像地形信息丰富，便于解决构造问题，而能谱图像便于区分岩性，二者的融合，形成一种新型图像。曾对连山关地区的卫星图像（包括MSS和TM）进行过现有各种增强方法的试验，但很难突出连山关岩体的界限（彩图B），然后加入某些能谱信息处理成遥感一能谱复合图像后，便可以区分出连山关岩体的大致范围和界限。不过，在这张图像上，北大山岩体的范围和界限尚不清楚。于是，又加入另一些能谱数据，北大山岩体的轮廓便明显地被突了出来。最后，对上述方法做了改进，加入地质信息，便制成遥感一地质一能谱图像（彩图C）。该图像更真实地反映了连山关岩体以及构造的特点和界线。利用这种新型图像，不仅可以研究地质构造，而且可以进行地质填图（图5），将图5与地面所填地质图对比，不仅基本轮廓相似，而且精度有所提高，所省人力、物力、时间是常规填图方法无法比拟的。综合利用新类型的遥感一能谱、遥感一航磁、遥感一地质等系列复合专题图像，可能会对全面研究一个地区的地质构造，进行地质填图，探索出一条新路。

图4 连山关地区铀成矿构造格局示意图

1－线性体； 2－环状体； 3－不同铀场的块段

2.2 找矿靶区优选方面

2.2.1 航放信息最有利的多参数复合异常的筛选

根据国内外近几年的研究认为，航空伽玛能谱数据有利的多参数复合区比单纯铀的高场区具有更大的找矿意义[3]。

在原有地质体中，一般没有经过成矿作用的前提下，铀和钍的比值为一定值，二者基本上是按正态分布的形式出现。当在成矿作用下，有铀的叠加，即出现铀的增值，但钍元素一般比较恒定，这样铀／钍的比值反映增高的特点。铀、钾在成矿作用中，如与钠交代有关，因钠和钾的地化习性不同，而反映出负相关性，出现钠增高而钾降低的现象，再加上铀的增量，便出现铀／钾比值增高现象；若成矿作用为钾交代，铀和钾都有增量，但要形成矿床，铀的增量必须远远大于钾的增量，从而亦反映铀／钾比值增大，可见铀、铀／钍、铀／钾是铀成矿的有利参数，它们的高值区，突出了铀的成矿作用，而区别于铀在成岩过程中因局部富集形成的异常。

通过理论分析，并经对该区已知铀矿床的地面能谱测量，选择铀、铀／钍、铀／钾、铀的均方差等七个参数为该区铀成矿的能谱有利参数。

利用数字图像处理系统，采用假彩色合成、均方差复合和加权叠加等方法对这些参数进行处理，得到3幅相应的彩色图像（彩图D），图中白点处为铀、铀／钍、铀／钾、铀均方差等七个参数的高值叠合区，三个已知矿床均位于此区内。最后，对感兴趣的白点区进行了提取，除已知矿床外，还筛选出4片值得深入研究的最有利的多参数复合异常区。

图5 连山关地区遥感－地质－能谱图像地质解译图

1－断裂；2－环状构造；3－五台山混合花岗岩；4－吕梁期混合花岗岩；5－燕山期花岗岩

2.2.2 最有利的多参数复合异常的多源地学信息综合研究与有利地段的初步预测

将筛选出的4片最有利的多参数复合异常分别与地质、遥感、航磁等数据拟合（包括叠合和复合），形成不同类型的相关图像。然后对筛选出的，认为最有利的多参数复合异常发育区进行成矿环境的综合分析，在此基础上，初选出值得进一步工作的成矿有利地段，并找出有关成矿的地质、构造问题，作为野外验证的依据。

从最有利的多参数复合异常与地质图的叠合图像上可以看出，4处最有利的多参数复合异常产出的地层环境是比较有利的地段。

从最有利的多参数复合异常与卫星图的叠合图像上可以看出，所有最有利的多参数复合异常均与环状构造有关。这些环状构造的发育，看来与岩浆或热体活动有关，并且都处于几组断裂构造交叉部位或其附近。

从最有利的多参数复合异常与航磁图的叠合图像上可以看出，最有利的多参数复合异常沿该区东西向深断裂带分布，产生于东西向深断裂带与南北向深断裂带的交汇部位或附近。

通过成矿环境的综合分析，认为筛选出的最有利的多参数复合异常尽管有程度上的差别，但总的来说，都处于有利成矿的地质构造环境中，值得进行野外验证工作。在进一步分析了前人研究成果的基础上，编制了连山关地区初步预测图（图6），初选出南芬、王家堡子、何家堡子、悬岭后等4片成矿有利地段，作为开展野外验证工作的方案。按照这个方案，对连山关地区的进一步找矿提出下面三点新认识：

图6 连山关地区初步预测图

外框示野外验证区；内框示重点工作地段

(1)以往的研究大多认为连山关岩体进一步找矿的重点应放在岩体的南带，但新的认识认为北带比南带有更大的找矿前景；

(2)以往的研究大多认为连山关地区进一步找矿要围绕连山关岩体的接触带，但新的认识认为，既要重视岩体的接触带，也不要局限于岩体的接触带；

(3)以往的研究大多强调连山关地区找老矿（吕梁期矿化），但新的认识认为连山关地区的进一步找矿既要重视找老矿，也要注意找新矿（中一新生代矿化）。

2.2.3 野外验证与找矿靶区优选

根据上述认识和提出的验证方案，有针对性地进行了野外工作。在野外工作中，着重研究了筛选出的4片最有利的多参数复合异常的定位、放射场特征及控制因素等方面的问题。经野外验证，在其中3片初选靶区内发现了4条具有一定规模的成矿断裂带（彩图E）；多期次的成矿热液脉体和强烈的近矿围岩蚀变，主要有碱交代体（钠交代）、红色硅质脉、含铀赤铁矿脉等热液脉体和碱交代、硅化、赤铁矿化、红色碳酸盐化等近矿围岩蚀变；次生和原生铀矿物（图7）以及高品位的铀矿化（最高达260g/t），（彩图F）。

a.背散射电子成分	b.铀的X射线图

U-沥青铀矿；Si-石英；Fe-赤铁矿

图7 何家堡子最有利的多参数复合异常地段沥青铀矿电子探针图像

通过野外调查，再加上室内鉴定、分析，在连山关地区优选出3片成矿有利地段，作为下一步找矿勘探的靶区。这3片优选的找矿靶区是南芬靶区、王家堡子靶区和何家堡子靶区（图8）。

图8 连山关地区找矿靶区优选图

三、系统的建立

通过上述方法和应用研究，初步建立起以航放为主的多源地学信息数字图像综合技术系统，按照这个系统研究一个地区，首先要对目标物的放射性参数进行测量，以确定目标物的放射性特征参数，以建立数字模型，利用航放数据，在数字图像处理系统上进行增强、模式识别和特征提取，并利用地理信息系统进行多源地学信息的综合分析。在此基础上，有针对性地开展野外验证工作。最后，将验证的结果通过显示，并经照相形成软片和照片，或者通过机助绘图系统形成彩色图和多色图。

该项技术系统实际上不仅可以用于找铀矿和解决岩性、构造等基础地质问题，还可以用于地质填图和找其它一些非放射性矿产（如石油、金、锡等），是多源地学信息数字图像综合技术的开拓性应用。

参考文献

［I］A. G. Darnley and K. L. Ford，Regionsl Airborne Gamms-Ray Surveye：A Review，Proceedings of Exploration，87：Third Decennial Interantional Conference on Geo-physiced and Geochemical Exploration for Minerals and Groundwater，edited by G. D. Garland Ontario Grological Survey，Special Volume 3（1989)，P229-240.

[2〕刘德长等，多源地学信息数字图像综合技术及在盛源盆地的应用研究，国上资源遥感，1989年，2期，P29-36。

[3]N. V. A. SPERVMAL等，邹大容译，综合遥感方法在印度铀矿勘查中的应用，航测与遥感，1989年，2期，P51-62．