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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

刘德长 邹景柯 孙茂荣 王国娟

0 前言

随着地质工作的深人发展,遥感、地质、物化探方法综合应用是现代找矿的主要技术方法。利用计算机对这些找矿方法提供的多源地学数据进行综合研究,是充分发挥这些地学信息的潜在作用,有效地解决矿产评价预测中各种复杂问题的新途径。目前.国内外都在积极地进行试验性研究。

本文开拓了这一方法在铀资源评价、预测方面的应用研究,同时对地学其它领域也有参考价值。下面将分为处理方法、地质应用及系统建立三个方面作一讨论。

1 处理方法研究

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资料输入处理及网格化

在计算机上做多源地学信息综合处理,首先遇到的问题是如何把各种形式的地学资料输入到计算机系统中去。地学资料种类很多,如各类地学图件,各种影像的磁带记录或表格数据等。不同类型资料要采取不同的输人方式,数字化桌是各类不同比例尺图件输入计算机的有力工具。图件资料按几何形态分析,可归纳为点、线、面(即多边形连通区)三种形式,分别代表不同的地质实体信息。图件资料输入技术就是解决代表不同地质实体含义的各种,几何形态的输人问题。

在数字化过程中,进入计算机的最初数据形式是点序文件,它只能作为一种保存图件资料的形式留在计算机的贮存空间内,却不能直接恢复图形的形态。要想在计算机内得到直观的与原图成比例的图件记录形式,还需将点序文件加工成有行列结构和一定比例的网格文件。此时,对线类信息和面类信息将采用不同的网格化步骤。经网格化处理后,才可供绘图或显示,才能成为与原图成比例的图像文件保存在计算机内。

1.2资料的配准及插值处理

多源地学信息综合处理研究的前提是,不同资料在平面位置上严格对准。为了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。配准处理的实质是用两个不同点序文件控制点对间的坐标关系确定坐标变换关系式,将其中一个点序文件作为基准图件,将另一个点序文件看做待配图件。利用确定的坐标变换关系式,将待配图点序文件中所有点的坐标,变换到基准图坐标系去,同时待配图的比例尺也要变成基准图的比例尺。坐标变换采用x,y的多项式形式。多项式的幂指数由控制点对的个数决定。由于点对个数的不足,有时只能取不完全多项式形式。配准处理是多源地学信息综合处理必不可少的一环。

插值处理是将只有少量数据信息的资料加密成在平面上逐行逐列均有相应点值的新资料。在地学信息处理中,等值线图件、不规则测线测量数据以及测线间距大于测点间距的资料均要进行插值处理。插值处理的方法不胜枚举,有最小二乘法、样条函数法、克立金估位法以及作用半径范围内距离平方倒数法等等,可以根据不同资料的空间分布情况选用不同的方法。本文采用了作用半径内各点距离平方倒数加权法。

经配准和插位处理后,不同资料网格文件内某行某列的像素,在实际位置上代表同一个空间坐标,这样才允许做多变量的信息综合处理。

1.3多种地学信息的增强、分解、叠合、复合、提取等综合处理

多源地学信息资料经上述数字化、配准及插值等处理后,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,可以应用地质学家们的经验,采用多元统计方法、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,形成一个具有专家分析系统性质的综合分析处理过程。

2 试验区的地质应用

试验区选定盛源产铀盆地。该盆地是一个侏罗纪-白垩纪火山-沉积盆地,面积约为400km2。盆地基底主体为震旦一寒武系和侵入其中的加里东期花岗岩体。盆地范围内已发现数个矿床、矿点及一系列异常点带,构成我国一个重要铀矿田。

应用前述的多源数字图像综合技术,对该地区的遥感、地质、水文、地球物理、地球化学等多源地学资料,经数字化输入、配准和插值,并通过图像显示系统进行了增强、分解、叠合、复合、分类、提取处理,获得了一批系列图件。经综合地质分析和野外验证,对这个研究程度较高的老矿区,在某些重要地质问题上,取得了一些新认识。

图1 多源地学信息数字图像综合处理过程示意图

2.1利用信息增强、叠合技术研究成矿的地质构造环境

从数字影像技术系统获得的该地区系列增强的卫星图像上可以看出,盆地内的环形影像、块状影像和线状影像均较明显,且各具特征。

2.1.1环状影像特征

从比值和局部增强的卫星图像上可以明显看出,盆地内有一系列环状影像。环状影像相互包容、切割,组成一环状影像群。将这一环状影像群与盆地内晚侏罗世多旋迥喷发的火山沉积岩系联系起来看,这些环状影像似乎反映的是多次喷发的火山机构,这表明晚侏罗世时盛源盆地可能为一火山活动中心,火山以中心式喷发为主。过去由于盆地中心被白垩纪地层覆盖,而对其火山机构的面目长期认识不清。

2.1.2块状影像特征

从对数变换和卷积增强的卫星图像上可以看出,盆地范围内具浅色调和稀斑点状纹理影像特征,与周围具深色调和树枝状纹理的地区明显不同,且四周被断裂控制,形成一个多边形的块体。将解译的断块图与盆地岩性图相复合,可见断块规模比晚侏罗世火山一沉积岩地层分布范围小,而与白垩纪地层的分布范围相当。控制断块的断裂与晚侏罗纪地层呈切割关系,而与白垩纪地层呈限制关系。显然,断块活动发生在晚侏罗世之后,控制了白垩纪地层的发育。从分布在断块上的白垩纪地层剖面分析,早白垩世时北部沉积厚度小(约200-300m),而南部沉积厚度大(1000-2000m);晚白垩世则相反,反映了白垩纪期间断块曾作过翘板式活动。第四纪以来,断块继承晚白垩世时的特点、继续向北翘起,这从断块上的水系流向为从南向北可以说明。

2.1.3.线状影像特征

从滤波增强的卫星像片上解译出的线状影像,按其走向可分为:NE、NNV、EW、SN共四组,构成一米字型的格局。这些线性影像经野外验证主要为线状断裂反映。将图像上解译的线状影像与常规地质方法所填的断裂构造图叠合(图2),可以看到:

图2 盛源盆地遥感解译的线状构造与常规地质方法所填断裂叠合图

1-解译的线型构造;2-常规地质方法所填的断裂;3-两种断裂重合的地段

(1)白垩纪地层覆盖区常规地质方法没有填出的断裂被解译出来了。

(2)盆地范围内的EW向构造明显分为三个带组,其中的中带组在原地质图上没有被填出,但物探资料上曾有反映,与遥感资料反映的情况基本相符。

(3) SN向构造在原地质图上只有蛛丝马迹,曾被忽视,但在解译图上被反映了出来。为了进一步证实SN向线性影像的存在,作了卷积处理、在卷积的卫星图像上SN向线性影像表现得更加清楚。下面将看到这组SN向断裂对航空放射性铀异常的SN向分布有明显的控制作用。

图3 盛源地区构造模型图

综上所述,该铀矿田的构造模型为一被米字型线状断裂复杂化了的环-块结构(图3)。 盆地基底主要是加里东期花岗岩体和震旦-寒武纪地层,为成矿提供铀源;环状影像所反映的岩浆活动中心提供热源,促进了基底富铀建造中铀的活化;区域拉张应力背景上的断块活动,造成含铀热液的向上迁移和富集;成矿期的线状断裂活动,控制了矿化的空间分布。上述诸因素的叠加,构成了矿田的成矿地质构造环境。

2.2利用信息的分解、叠合技术分析铀、钍、钾的分布格局及其地质意义

通过数字图像处理系统分别对该区航空放射性伽玛能谱铀、钍、钾总量图按数值的大小进行分解(即系统的提取),从而发现铀、钍、钾的低场、偏高场、高场的形态特点是不相同的。钍和钾在分解过程中从低场→偏高场→高场的变化,主要表现为面状→小面状→点状(或更小的面状),而铀则表现为面状→带状和小面状→点状。将铀、钍、钾的偏高场(包括高场)图叠合,则可明显看出三者的分布格局是不相同的。为什么该区铀、钍、钾的偏高场(包括高场)会具有不同的形态特点,且分布格局各不相同呢?为此,将它们的偏高场、高场图与岩性图、断裂图相叠合,发现它们分别受不同的地质因素控制,含有不同的地质意义。

(1)钍的偏高场主要受上侏罗统火山-沉积岩层和白垩系红色砂砾岩层控制,而高场明显受上侏罗统控制。

(2)钾的偏高场主要受上白垩统红色砂砾层和花岗岩体控制,高场受白垩统控制。

(3)铀的偏高场呈带状者主要受SN和EW向断裂控制,呈面状者受加里东花岗岩体控制,高场受断裂或断裂与有利岩性的交切部位控制。

总之,矿田内铀、钍、钾的分布具不同格局,且代表不同地质意义。特别是铀异常的分布呈SN和EW向,受同方向断裂控制,这对矿田内进一步找矿有重要意义。

2.3利用信息复合、提取技术初选找矿靶区

对盆地地区矿床找矿判据进行了复合与提取研究,通过对该区地质资料的综合分析,提出有利岩性、地壳裂度、成矿断裂、铀的航放异常、钍铀比值、铀的水化异常、地形绝对标高、地貌低洼地带等八条基础判据,并将这些判据分别组合为三项组合判据,即富集条件、富集标志和保矿条件(见简表)。铀源是进行成矿预测的首要条件,但由于本文涉及的范围仅限于矿田内,矿田内既已发现有矿床,说明铀源的存在已被肯定。在确认铀源条件具备之后,着重考虑的是富集条件,即矿液富集的环境或场所,但是具备富集条件的地段并非都有铀的富集,因此,找矿还要看是否有富集标志,只有当富集条件与富集标志充分合拍时,才可能找到铀矿床。此外,形成的铀矿床能否得以保存,还需要考虑保矿条件。只有当成矿条件和保矿条件都有利的地段,才是最有希望找到矿床的地段。

表1 盛源盆地地区矿床找矿判据简表 基底富铀层体

 1铀源条件

   基底富铀层体
 火山活动中心

 2富集条件

   岩性有利度(依次为序):J3dJ3eZCJ3sK1γK2
 地壳裂度:断裂的总和
 成矿断裂:SN, EW, NE

  3富集标志 

   铀的航空放射性伽玛能谱偏高场或高场
 Th/U<3
 铀的水化异常

 4保矿条件

   现代地形的绝对标高:0l00m100200m200300m
 地形低注地带

表中所述的富集条件、富集标志、保矿条件按信息源分类、分别属于地质判据、物化探判据和地形地貌判据。它们的组合反映了找矿判据的多源信息复合。

找矿判据的复合过程如图4所示。配准复合提取数据图形化(形成平面图)

图4 找矿判据多源信息复合过程略图

值得强调的是,首先要将通过地质分析确定的找矿判据图形化,亦即形成平面图。为了实现信息复合,有的平面图需要预处理成适合影像化的图件,如线状断裂,环状构造图等需要预处理成等密度或等频度图等,然后才能进行后面程序的处理。

先后采用了地质观点加权叠加和主成分分析两种不同方法的复合研究,分别得到加权叠加复合影像图(彩图A)和主成分分析复合影像图(彩图B)。经监督提取,即以己知矿床为标谁,以影像图灰阶分布直方图为参照进行提取,再得到这两种方法相应的提取图(彩图C和彩图D)。

 

 

 彩图A加权叠加影像复合图

 彩图B 主成分分析影像图

 

 

 彩图C 加权叠加提取图

 彩图D 加权和主成分分析提取叠加图

提取图上所反映的异常地段为与已知矿床有类似找矿判据条件的地段,这些地段是该区最有希望找到矿床的成矿有利地段。

2.4利用信息的分类技术进行盆地铀资源总体评价

对上述找矿判据加权叠加复合影像图,在用阈值区分类别的基础上,不同类别赋以不同颜色,最后得到一张盛源盆地地区铀资源总体评价图(由彩色合成影像图转绘,见图5)。

通过上述多源地学信息数字图像的综合研究,有针对性地进行了野外地质调查,特别是对找矿判据复合提取的初选靶区。在野外地质检验的基础上,最后对找矿靶区作了优选,在盛源试验区预测了3个一级远景区,2个二级远景区和1个三级远景区。

图5 盛源盆地地区铀资源评价图(由彩色影像图转绘)

1-成矿最有利地段;2-成矿有利地段;3-成矿比较有利地段;4-成矿不利地段

3 铀资源数字图像综合技术系统的建立

通过上述方法和应用研究,初步建立起铀资源数字图像综合技术系统(图6)。按照这个系统研究一个地区,首先是尽可能全面地搜集该区的多源信息资料,包括各类图件、影像磁带、各种表格,并根据任务的需要进行预处理,然后输人到计算机内形成图像文件库(或文件包)。通过专用机(图像显示系统)或通用机(包括绘图系统)对图像进行增强、分解、叠合、复合、分类、提取等综合处理,获得一套新组合的系列图件,在此甚础上进行综合分析及初步评价预测。根据初步研究结果,有针对性地进行野外验证。最后将验证结果或者通过显示和照相,形成软片和照片;或者通过绘图系统形成彩色图或多色图。

该系统的重要作用在于将一个地区已有的多种地学信息,通过计算机和图像显示系统的上述综合处理后,可以产生新的系列图件。这些图件可以提供大量过去未曾涉及的、新的综合派生信息,以促进地质人员进行创造性思维,导致新的地质概念的形成或完善,以期发现新矿床。

图6 铀资源地学信息数字图像综合技术系统

卫星、航空、地面的立体探测技术,再加上多源地学信息的计算机综合分析,是今后地质工作发展的新动向。

参考文献

1. 高淑惠,王建军,谢允忠,等. 遥感地学信息的增强和提取方法的研究.科研成果报告.核工业遥感地质信息中心,2002,22(22)

2. 李志军,陈建平,唐局兴,等. 兰坪盆地成矿预测中的多源信息综合分析研究. 物探化探计算技术,2000,22(2)

3. 秦明宽,赵瑞全,王正邦.可地浸砂岩型铀矿盲矿识别模式.铀矿地质,1999,15(3):129-136

4. 刘荫椿,董晓辉,刘志杰. 基于GIS的金矿多源地学信息复合处理及应用. 黄金地质,1997,3(1):63-65

文章录入:曹宁    责任编辑:王坤 
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