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铀矿地质遥感的创新、进步与持续发展

刘德长

摘 要:本文从核工业北京地质研究院铀矿地质遥感发展的创新历程,论述了由于铀矿地质遥感的发展带给铀矿地质的科技进步,并探讨了未来如何持续发展好铀矿地质遥感,为铀矿地质的发展发挥更大作用。谨以此文献给核工业北京地质研究院建院五十周年。

关键词:遥感技术,铀矿地质,创新进步,持续发展

铀矿地质遥感是应用遥感技术来研究和解决铀矿地质问题,主要是铀矿找矿、铀矿环境调查和相关地质灾害监测等。它涉及遥感技术和铀矿地质两个方面,从科学层面上看,是遥感信息科学与铀矿地质学的相互交叉;从技术角度上看,是遥感信息技术在铀矿地质领域的应用。

我国铀矿地质遥感技术的诞生与发展是核工业人将遥感技术引入到铀矿地质勘查领域,并不断开拓创新的结果。而核工业北京地质研究院的研究人员无论是在理念更新上、技术创新上、以及应用的深度和应用效果上都为铀矿地质遥感的发展做出了突出贡献,使我国铀矿地质遥感具有了自己的特色和先进性。下面分3个部分作以论述。

1 核工业北京地质研究院铀矿地质遥感的创新历程

核工业北京地质研究院的铀矿地质遥感研究工作是从1975年开始的。这在全国来说,也是应用遥感技术最早单位之一。30多年来,经历了一个理念不断更新、技术不断创新、应用不断深入的发展过程,大致可以分为3个阶段:

1.1 20世纪70年代中-90年代初,卫星遥感的引进、示范研究和轻型飞机遥感技术开发阶段

早在70年代中期“核工业北京地质研究院”在核工业系统首先利用陆地卫星MSS黑白图像,对华南基底断裂系、环状构造及铀矿分布规律进行了试验研究[1],推动了核工业遥感地质工作的开展。80年代中期,在核工业系统最先探索了美国陆地卫星TM图像的处理及应用[2]。90年代初利用遥感图像,在伊犁盆地,成功解译了第四系覆盖下的隆起区和拗陷区,并发现一条控制该区铀矿床分布的东西向断裂富水带,为覆盖区遥感应用做出了示范[3]。

20世纪70年代末,在国内率先开展了轻型飞机遥感技术研究,建立了轻型飞机与航摄仪相匹配的轻型飞机航摄系统[4]。该系统具有调用方便,机动灵活,油耗少,成本低等优点。先后在福建南平、河南长葛、江西相山、河南新乡、山东东明等地进行了作业,为推动我国轻型飞机遥感事业的发展起了“火车头”作用。

1.2 20世纪80年代末-2000年,航空放射性伽玛能谱信息与遥感信息集成研究的创新阶段

多源地学信息集成技术是80年代末遥感地质领域的一个前沿研究课题。它的应用领域广泛,即是在地质领域,既可以用于石油、煤炭勘查,又可以用于金属矿产勘查,但是在铀矿地质领域怎样才能用得更有成效呢?根据核工业系统几十年来找矿的经验,航空伽玛能谱测量技术对找铀矿具有极其重要的作用。因此,在多源地学信息集成技术研究上,将航放数据作为主信息源,将遥感、地质、物化探信息作为基础信息源,开发了以航放为主的多源地学信息集成技术[5]。该技术经部级专家会评审,认为“该项研究将多源地学信息图像数字综合处理技术创造性的应用于铀矿地质勘查,是我国多源地学信息处理技术的一个新发展,“在开发深度和技术特色上,属国际领先水平,取得明显应用效果,具有重要的推广价值”。

针对多光谱遥感图像在植被覆盖区识别岩性效果差,难以直接探测与铀矿有关的矿化蚀变信息等不足,在“以航放为主的多源地学信息集成技术”研究基础上,将航放信息利用数字图像处理系统进行了二次开发,并与遥感图像融合,开发了光-能谱集成技术[6]。该技术对遥感技术的应用,特别是在植被覆盖区的的应用进行了扩展,当时在国内外尚属首创。

1.3 21世纪以来,遥感信息及其延伸应用研究阶段

针对铀资源勘查由地表转向深部隐伏矿床的必然趋势与遥感主要反映地表或浅部信息之间的矛盾。在对遥感应用进行新思维的基础上,在国内外首次提出后遥感应用技术的新理念,强调通过信息源和技术的集成,对遥感信息进行延伸应用研究,即后遥感应用技术研究[7]。同时,围绕新理念探索了后遥感应用技术的基本内涵,技术构成,研究内容,应用思路和工作程序等,使理念不断完善与系统化。同时,围绕新理念开发了5项新技术。随着这些新技术的开发,一些新型遥感技术和各种现代信息技术,如地理信息系统、三维可视化、计算机模拟和虚拟现实等技术,被深入地应用于铀资源勘查或被积极探索,进一步促进了铀矿地质遥感的创新和集成。

在后遥感应用技术支持下,先后在鄂尔多斯盆地和塔里木盆地北缘进行了铀矿地质研究,在铀成矿理论上提出断块成矿理论和断隆成矿观点,在铀矿找矿中取得好的找矿效果。遥感信息及其延伸应用研究是将遥感技术从技术层面提升到科学层面的有效途径[8]。

总之,核工业北京地质研究院铀矿地质遥感的发展,经历了一个从单纯的遥感技术应用 → 遥感信息与航放信息集成为主的应用 → 遥感信息与传统地学方法和现代技术信息技术的集成应用。这从一个侧面反映了我国铀矿地质遥感应用的创新历程。

2 铀矿地质遥感的创新和发展促进了铀矿地质的科技进步

促进铀矿地质科技进步主要表现在以下几方面:

2.1 遥感技术方面

(1)改变了传统的铀成矿区域地质构造背景的研究方式遥感技术具有区域性和综合性,它使铀矿地质工作者在研究铀成矿区域地质构造背景时,能够直接宏观的观察地质体和地质现象,而不是原来的通过地面-点-滴的观察,然后通过推断了解全局,从而减少了臆想性,提高了客观性。同时,这种从面到线到点的研究方式,更符合人的深化思维方式,有利于研究者的创新思维。

(2) 提升了对铀矿控矿要素的分析深度

遥感技术的多波段性,使人们不仅可以从可见光,而且可以从近红外、短波红外、甚至微波的角度来研究铀矿的控矿要素,改变了传统铀矿地质主要从可见光研究的局限性。这一光谱探测范围的扩大,促进了铀矿地质研究在提取含矿层、控矿构造、识别蚀变现象,以及感知热信息等方面的科技进步。图1 是巴什布拉克铀矿床油气蚀变信息增强效果图。利用自主开发的蚀变信息反向增强技术,不仅提取出白垩含矿层中的蚀变带,而且可以根据蚀变带内未蚀变红色地层残留体的多少,区分出地表蚀变强弱的地段[9]。

图1 白垩系含矿层蚀变信息反向增强效果图

(红色斑点为白垩系中原红色地层中的残留体)

①强蚀变地段(残留体少);②弱蚀变地段(残留体较多);③白垩系未蚀变地段(基本为红色层)

(3) 增添了构建铀成矿模式的地质依据

从遥感图像上可以直接看到用传统地质方法不易发现的块状和环状构造。研究表明,块状构造有不同规模和形态,区域上可形成隆起的断块(断隆)和拗陷的断块(断陷);环状构造也有不同的规模和各种各样的形态,常见的有单环状、同心环状、套环状和链环状等,其成因可以是岩浆的、油气的、甚至是大型地块扭动形成的。块状和环状构造有时对铀成矿有明显的控制作用。如,东胜铀矿床从遥感图像上看,处于-楔型断隆构造背景之上(图2);东胜矿床西边与油气有关的环状构造,经研究认为,对东胜地区铀的成矿提供了还原性气体(图3)[10]。遥感图像上发现的这些块状和环状构造,为铀矿成矿模式构建增添了新的地质依据。

 

 

  2 东胜铀矿床所处区域构造背景

遥感三维图像

 3 东胜矿床东边与油气有关

环状构造遥感影像图

(4) 开拓铀矿直接找矿的新途径

放射性地质测量是直接找铀矿的主要途径,高光谱遥感技术的发展和在铀矿地质中的应用,有望为铀矿的直接找矿开拓另一条新的途径。与多光谱遥感技术相比,高光谱遥感技术具有波段数多(数十或数百),窄波段成像(纳米级),图、谱合一,解像力可达分子级等优势。在铀矿地质领域,可利用上述优势进行与铀矿有关的岩石矿物分类、填图,研究形成岩矿光谱特征的温、压、热等成矿信息。通过寻找与铀矿有关的蚀变带,达到直接找矿的目的。目前能够获得的高光谱卫星数据(Hyperion),虽然光谱分辨率高,但空间分辨率低(30米),用于铀矿找矿效果并不理想。核工业北京地质研究院国家级遥感重点实验室引进的加拿大388波段的航空成像光谱仪,可以获得高空间分辨率的高光谱遥感数据,为开展遥感直接找矿研究提供了技术支持。

航空放射性伽玛能谱与航空高光谱遥感技术的结合,将会为铀矿找矿开创出新的局面。

2.2 光-能谱集成技术方面

(1) 探索了航放数据二次开发的新方法

20世纪90年代初,利用遥感数字图像处理系统对多道航空伽玛能谱数据进行了二次开发,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影像化显示,将原来的等值线图形成各种影像图,并利用处理遥感图像的各种增强方法对能谱图形进行增强、模式识别和特征提取[11]。图4是对连山关地区的多道航空伽玛能谱数据,利用数字图像处理系统,经假彩色合成得到的U、U/TH、U/K等多参数的假彩色融合图像。图中白点处为U、U/TH、U/K等参数的高值区,其中3个已知铀矿床均位于白点区,另外3处白点区经野外检验,均发现有明显控矿因素控制的铀矿化异常。

图4 U、U/TH、U/K等参数假彩色合成影像图

(方框内的白点区为已知铀矿床;圆框内白点区为预测区)

(2) 提出一种快速识别铀成矿构造的新思路

通过对同一地区航放铀影像图的线状、环状体与遥感图像上的线状、环状构造进行相关性分析。当铀影像图上解译的线状体与遥感图像上某些线状和环状构造相吻合时,则反映遥感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。利用这种相关性分析,可以从遥感图像上快速查明与铀矿有关的线状和环状构造,为解决怎样从遥感图像上快速识别铀成矿构造难题提供了新思路。并据此确定了连山关地区铀成矿的构造格局[12]。

(3)开发了植被覆盖区铀矿地质研究的新技术

将遥感数据与航放数据经数字图像处理系统进行融合,形成一种光-能谱融合图像[13]。这种图像既具有多光谱遥感图像地形信息丰实、立体感强,便于定位和解决构造问题的长处,又具有能谱便于区分岩性,蚀变现象和铀矿化的优点。利用这种新类型图像不仅可以进行植被覆盖区的地质填图,包括铀矿区的地质填图[13](图5),经在庐枞火山岩地区试验,将地层可以划分到段,其解译图与常规地质方法所填1:5万地质图相比,不仅基本轮廓相似,而且精度有所提高,所省人力、物力、时间是常规方法无法比拟的。此外,还可由于铀矿和与铀有关的非放射性矿产的找矿,以及放射性生态环境制图等方面。

2.3 后遥感应用技术方面

(1)后遥感应用技术开发,为铀矿地质提供了一项重要技术支持

后遥感应用技术是指将遥感技术与传统地学方法和现代信息技术相整合,应用于铀资源勘查的遥感信息深化应用技术。围绕后遥感应用技术的理念,开发了:①铀资源数字勘查区构建技术;②遥感信息与其它地学信息集成技术;③地学信息三维可视化技术;④铀成矿过程的计算机模拟技术;⑤虚拟找矿与虚拟勘探技术等。这些技术前后衔接,构成一个整体。

图5 庐枞地区光-能谱集成图像(左)及其地质解译图(右)

1-第四系;2-浮山组;3-双庙组;4-砖桥组三段;5-砖桥组二段;6-砖桥组一段;龙门院组;7-石英正长岩;8-正长斑岩;9-线性构造;10-环形构造;11-砂岩

后遥感应用技术不同于多源地学信息集成技术,因为它不限于信息源的集成,还包括了方法技术的集成。实践表明,后遥感应用技术比起单一的遥感技术具有更大的应用价值和更好的应用效果[14]。

(2) 断块成矿理论的提出,丰富和发展了砂岩型铀成矿理论

在上述理念和新技术的支持下,通过对鄂尔多斯盆地铀矿地质的研究,提出砂岩型铀矿断块找矿的理论。塔里木盆地北缘和松辽盆地田家店等地区的铀矿地质实践,也为该理论的正确性提供了新的证据。构成断块成矿理论的主要内容(或概念)有:①断隆成矿的观点[15];②构造-地球化学障控矿模式[16];③与油气或地下热流体有关的成因类型;④双向思维的找矿判据,即找铀矿既要重视沉积体系和铀矿化特征的研究,又要重视断裂构造和油气等深部流体运移迹象的研究。

断块成矿理论的核心是强调断裂构造,特别是深位贯通性断裂和油气等深部物质在砂岩铀成矿中的重要作用。它突破了传统理论认为砂岩型铀矿是浅部成矿作用,与深部物质无关的观点,丰富和发展了砂岩型铀矿成矿理论,开阔了砂岩型铀矿的找矿思路。

中国地台不同于国外巨大而长期稳定的地台,是小而破碎的地台。因此,活动性要比国外地台大的多。尤其是中-新生代以来,由于受太平洋和印度板块的推挤,包括地台区在内的中国东部和西南部地区的地壳发生了构造活化。其主要标志是地壳块断活动和由其诱发的深部物质上涌。在这一大地构造背景上形成的铀矿床,很难是国外那种典型的与断裂和深部物质无关的浅部成矿作用模式。因此,断块成矿理论符合于中国大地构造的基本特征。它是中国这一特殊大地构造背景上合乎逻辑的产物。

(3) 砂岩铀矿找矿新模式的建立,进一步明确和具体了找矿目标

在断块成矿理论的指导下,建立了我国构造活化区大型盆地砂岩型铀矿的的区域和矿床找矿模式:

① 断隆构造区域找矿模式,按照该模式构造活化区大型砂岩盆地区域找矿方向应围绕断隆构造及其边缘地带。

② 构造-地球化学障的矿床找矿模式,即铀矿床定位于含矿层中有利砂体与贯通性断裂的复合,并有油气和地下热流体运迹象(如蚀变)和铀矿化显示的地段。

根据上述模式确定的找矿判据主要有:1)长期隆起的富铀断块;2)断隆构造及其边缘发育有利成矿砂体;3)发育从地表切入盆地基底的贯通型断裂;4)反映深部油气喷出通道的环状构造;5)贯通性断裂与有利砂体的复合地段;6)在复合地段有明显铀的迁入等。

总之,后遥感应用技术体现了从“信息找矿”→“理论找矿”→“模式找矿”的有机结合。

3 铀矿地质遥感技术的持续发展

(1) 及时采用新型遥感数据源,提高应用效果

当前遥感技术发展很快,一系列对地观测遥感卫星成功发射,新型传感器相继问世,不断增添具有更高空间分辨率、光谱分辨率和更多极化方式的新型数据源。随着遥感技术的发展,这一趋势将有增无减。因此,要及时关注遥感信息获取技术的进展,开展新型遥感数据的研究。尤其是核工业北京地质研究院国家级遥感重点实验室的CASI-1500和SASI-600航空成像光谱仪数据源,将为铀资源勘查提供高空间分辨率的高光谱数据源。新型遥感数据源的采用往往会发现传统遥感数据源不能或很难发现的地质现象,从而促进地质人员进行创新思维,导致地质新概念的产生和铀矿化规律新认识的形成,提高遥感技术的应用效果。

(2) 开发先进的图像处理方法,挖掘应用潜力

新型遥感技术的有效应用,必然涉及先进的图像处理方法。遥感数据中往往包含着丰实的与矿化有关的地质信息。但是有些信息,特别是与找矿直接有关的蚀变信息,常常不能轻易被人们发现,需要进行专业的处理。国内外遥感地质工作者,在矿化蚀变异常提取方面开展了大量图像处理新方法的研究,如主分量阈值分析法、光谱角制图技术、岩矿混合光谱分解、多层次分离提取、机遇矢量机(SVM)遥感信息提取、高植被覆盖区岩石矿化蚀变信息提取等。除需要及时将这些方法引入铀矿地质领域应用外,还应该针对铀资源勘查的特殊需要,开发适用的、有效的蚀变信息提取方法。特别是需要充分挖掘高光谱遥感等新型遥感信息源的应用潜力,以便实现遥感直接找矿的变革。

(3) 加强多学科交叉与集成,促进遥感信息应用的科学化

铀矿地质遥感不仅涉及到遥感技术,而且涉及地质学、铀矿床学、地理学、地球物理、地球化学、水文学等诸多学科领域。另外,遥感技术在电磁波谱中仅反映地物从紫外-可见光-微波(0.38μm_1m)电磁波的辐射特性。它反映的是地表或近地表的信息,无论其探测技术如何发展,也都难以反映地下深处的地质信息。这就需要在铀矿地质基础和理论的指导下,将遥感技术与反映地下深处地质信息的传统地学方法结合起来。因此,铀矿地质遥感就存在一个多学科交叉与多种技术、信息的集成问题。

陈述彭在“遥感找矿面临的新挑战”香山科学会议上指出:“遥感应用须从遥感技术索引的思路走出来,从“控矿构造”迈向与成矿机理研究相结合的高度。遥感应用必须与磁力、重力、地震探矿等方法相结合。加强多学科交叉与集成……“[17]。因此,铀矿地质遥感要从后遥感应用技术理念出发,进一步加强多学科的交叉、技术集成和信息综合,要重视将纯粹的信息上升为科学层次的规律研究,提高铀矿地质遥感的应用水平,促使其向科学层面的持续发展。

(4) 充分发挥铀矿地质遥感的优势,开拓新的应用领域

我国西部岩石裸露区是铀矿地质遥感最能发挥技术优势的地区,而这些地区气候条件差,人烟稀少,交通不便,地质工作程度低,在铀资源勘查中也更需要遥感技术去发挥作用。随着我国矿产资源勘查重点西移,又为其发挥作用提供了良好机遇。因此,要充分发挥铀矿地质遥感在我国西部铀资源勘查的优势。同时,由于卫星遥感技术不受国界限制,因此更要在我国边境地区和国外找铀矿中发挥其优势。

过去找矿只注重资源量的增加。新时期的找矿要将资源量的增加与环境保护和地质灾害监测结合起来。另外,随着铀矿勘查的放开,铀矿地质工作者更需要加强以铀为主的综合找矿。这些都为铀矿地质遥感拓展了新的应用领域,向这些新领域的开拓,同样有利于铀矿地质遥感的持续发展。

文章写作过程中得到董秀珍、杨旭的帮助,在此深表感谢!

参 考 文 献

1.刘德长,等. 利用陆地卫星图像对华南基底断裂系、环状构造及铀矿分布模式的探讨[J]. 第二届全国构造地质学术会议论文选集. 北京:科学出版社,1982.

2.崔振奎,等. 矿床影像模式在找金中的应用[J]. 铀与金,1991(7):13-14.

3.黄贤芳,刘德长,黄树桃,等. 伊犁盆地层间氧化带型砂岩型铀矿床勘查的遥感技术方法[M]. 北京:原子能出版社,1999.

4.谯章明,崔振奎,冯平. 轻型飞机航空遥感摄影技术开发与应用[J] .铀矿地质,1997(3).

5.LIU De-Chang,SUN Mao-Rong,ZHU De-Ling et al. Intergration technique of multi-source information dominated by areial radiometric and its application [C] . SCIENCE IN CHINA(Seeries B),1994,37(3):376-384.

6.刘德长,何建国,欧阳浩. 航天遥感图像应用途径的新进展——光-能谱复合集成图像在铀资源勘查中的应用[J]. 北京地质,1997(3):11-16.

7.刘德长,叶发旺. 后遥感应用技术的提出与思考[J].世界核地质科学,2004,21(1):33-37.

8.刘德长等,著.后遥感应用技术研究[M]. 北京:宇航出版社,2007.

9.YANG Xu,LIU De-Chang,ZHANG Jie-Lin. Ore-Search information using ASTER data in BASHIBULAKE uranium deposit area in XINJIANG[C]. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing The XXI Congress. BEIJING,2008,Vol. XXXVII. Part B6b:283-286.

10.刘德长,叶发旺. 基于遥感信息延伸研究的东胜铀矿床区域地质背景分析[J]. 世界核地质科学,2006(3):

11.刘德长,孙茂荣,徐双,等. 航空放射性伽玛能谱数据数字图像综合处理技术在连山关地区的应用研究. 国土资源遥感,1991,8(2):13-17.

12.刘德长,孙茂荣,朱德龄,等.中俄核科学家论文集[M]. 北京:原子能出版社,1994:98-112.

13.赵英俊

14.LIU De-Chang,YE Fa-Wang,et al. A new concept and practice of remote sensing information application——post remote sensing application technology and application case to geology[C]. Remote Sensing of the Environment: 15th National Symposium on Remote Sensing China. Proc. Of SPIE Vol.6200,620002,(2006).

15.刘德长,叶发旺,张静波. 东胜铀成矿区断隆成矿观点的提出及其地质意义[J]. 铀矿地质,2007,23(1):28-42.

16.刘德长,张杰林,赵英俊. 砂岩型铀矿区构造-地球化学障的后遥感应用技术研究[J]. 世界核地质科学,2005,22(1):50-54.

17.陈述彭. 矿产资源与遥感信息深度开发应用[J]. 2007遥感科技论坛论文集. 北京:地震出版社,2007:373-375.

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