劉德長,葉發(fā)旺,趙英俊,楊 旭,伊丕源,董秀珍
地質(zhì)找礦中遙感信息的綜合研究與深化應(yīng)用
——以鈾礦為例
劉德長,葉發(fā)旺,趙英俊,楊 旭,伊丕源,董秀珍
(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析國家級重點實驗室,北京 100029)
以鈾礦勘查為例,通過對遙感信息進行綜合研究與深化應(yīng)用的思考,提出后遙感應(yīng)用技術(shù)的新理念,并認(rèn)為它是將遙感信息的應(yīng)用“從技術(shù)層面提升到科學(xué)層面”的重要途徑。在此基礎(chǔ)上,又提出砂巖型鈾礦斷隆成礦的觀點,進而建立了我國克拉通和大型活化盆地的鈾礦區(qū)域找礦模式。在上述觀點和模式指導(dǎo)下,利用新型遙感技術(shù),特別是高分辨率遙感數(shù)據(jù),在塔里木盆地北緣柯坪斷隆東段發(fā)現(xiàn)了3條頗具規(guī)模的鈾礦化帶,取得了顯著的找礦效果。
鈾礦勘查;遙感技術(shù);綜合研究;成礦觀點與找礦效果
地質(zhì)勘查工作的深入開展對遙感技術(shù)的應(yīng)用提出了更高的要求。如何深化應(yīng)用遙感信息,以便更有效地服務(wù)于礦產(chǎn)資源勘查,已成為當(dāng)前遙感地質(zhì)工作者積極探索的科學(xué)難題和熱點。而開發(fā)新型遙感探測技術(shù)與先進的圖像處理方法、促進遙感技術(shù)與多學(xué)科的交叉集成,是這一探索的方向和重要途徑。本文結(jié)合鈾資源勘查,重點從遙感信息綜合研究的角度,對其在地質(zhì)勘查領(lǐng)域深化應(yīng)用的這一科學(xué)難題進行了探索。
(1)遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用的局限性。遙感技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用的局限性主要表現(xiàn)在遙感所獲得的信息主要是地表信息,而目前找礦更多的是需要地下深部信息。因此,單靠遙感技術(shù)本身很難解決復(fù)雜的地質(zhì)找礦問題。
(2)找礦難度愈來愈大,遙感技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合已成必然。隨著地質(zhì)勘查工作的深入發(fā)展,一方面,出露地表的礦床明顯減少,勘查的目標(biāo)已由地表或近地表轉(zhuǎn)向地下深處的隱伏礦床,因此找礦的難度愈來愈大;另一方面,由各種地學(xué)手段獲得的信息愈來愈豐富,如何最大限度地利用這些信息資源,以提高勘查效果,是值得重視的問題。
(3)遙感技術(shù)要與迅速發(fā)展的現(xiàn)代信息技術(shù)相整合。進入21世紀(jì)以來,現(xiàn)代信息技術(shù)得到迅速發(fā)展,如何將這些新技術(shù)(如:三維地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、仿真模擬技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等)應(yīng)用于地質(zhì)勘查領(lǐng)域,進一步解決礦產(chǎn)資源的勘查問題。
鑒于上述思考,筆者提出了遙感信息深化應(yīng)用的思路:即充分發(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢,實現(xiàn)遙感技術(shù)應(yīng)用的以下兩個結(jié)合:一是遙感信息與傳統(tǒng)地學(xué)信息的結(jié)合,二是遙感技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)的結(jié)合;同時,在遙感技術(shù)應(yīng)用的過程中要注入地質(zhì)專業(yè)知識,將信息轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新思維,用來指導(dǎo)找礦決策和實踐。
遙感技術(shù)的應(yīng)用不僅包括遙感技術(shù)本身的應(yīng)用,還應(yīng)包括遙感技術(shù)及其延伸應(yīng)用,而且隨著遙感技術(shù)應(yīng)用的深入,更要重視遙感信息及其延伸應(yīng)用。據(jù)此,作者出了“后遙感應(yīng)用技術(shù)”的理念[1]。
陳述彭院士曾指出:“面對盲礦和深部礦床的找礦難題,遙感的應(yīng)用須從遙感‘技術(shù)索引’的思路走出來,從‘控礦構(gòu)造’邁向與成礦機理相結(jié)合的高度,遙感的應(yīng)用須與物化探、磁力、重力、地震探礦相結(jié)合”。他還強調(diào)要將遙感信息的應(yīng)用“從技術(shù)層面提升到科學(xué)層面”[2],而“后遙感應(yīng)用技術(shù)”探討的正是實現(xiàn)這一跨越的重要途徑。
2.1.1 對地質(zhì)資料分析的質(zhì)疑
東勝鈾礦床位于鄂爾多斯盆地東部,是近年來發(fā)現(xiàn)的一處特大型砂巖型鈾礦床。關(guān)于礦床成因,研究初期人們認(rèn)為它屬層間氧化帶鈾成礦類型,鈾源來自盆地北緣蝕源區(qū)的含鈾地層和中酸性巖體,在氧化條件下,雨水淋出的鈾滲入地下,經(jīng)地下水搬運,沿滲透性高的砂巖層遷移,在從氧化帶進入還原帶的過渡地帶,由于氧化還原環(huán)境的變化,發(fā)生了鈾的沉淀和富集,形成了該鈾礦床(圖1(a))??墒?,經(jīng)礦化同位素年齡分析,礦床的形成經(jīng)歷了從120±11 Ma~8±1 Ma的一個漫長過程[3],新生代時(20±2 Ma和8±1 Ma)繼續(xù)有鈾礦化形成,但新生代時,河套斷陷已經(jīng)形成,斷陷的下陷已將蝕源區(qū)與成礦區(qū)分開,這時成礦的鈾源已不可能再來自盆地北緣(圖1(b))。因此筆者認(rèn)為,用傳統(tǒng)的觀點難以完全解釋東勝鈾礦床的形成。
圖1 傳統(tǒng)的鈾成礦觀點與斷隆成礦觀點鈾源對比Fig.1 The comparison figure of the traditional and fault- uplift mineralization viewpoint about the uranium source
2.1.2 礦床區(qū)域構(gòu)造背景遙感研究的啟示
針對上述質(zhì)疑,利用ETM彩色合成圖像對東勝鈾礦床的區(qū)域構(gòu)造背景進行了研究(圖2)。
經(jīng)研究,有以下3點新發(fā)現(xiàn):
圖2 東勝—石灣子斷隆構(gòu)造遙感解譯及三維可視化Fig.2 Fault-uplift structure of the Dongsheng-Shiwanzi
(1)東勝地區(qū)發(fā)育一斷隆構(gòu)造(東勝—石灣子斷隆構(gòu)造),東勝鈾礦床位于該斷隆構(gòu)造的南緣。該斷隆構(gòu)造在ETM圖像上顯示為一楔形隆起的斷塊(圖2(a))。斷隆的北緣為河套斷陷的南緣斷裂帶F2和F3,斷隆的南緣為本害敖包—準(zhǔn)格爾召斷裂,西部發(fā)育北西(NW)和北東(NE)向斷裂F3和F4。這樣,由 F1、F2(和 F3)、F4、F5圍成的楔形斷塊,在ETM圖像上其色調(diào)與周圍明顯不同,紋理比周圍明顯改變,反映為一隆起斷塊。該斷塊構(gòu)造在三維可視化圖像上顯示得更為形象和逼真(圖2(b))。
(2)礦床南面存在一條北西西(NWW)向的區(qū)域性斷裂(本害敖包—準(zhǔn)格爾召斷裂)。該斷裂是作者通過遙感解譯發(fā)現(xiàn)的。F1斷裂在遙感圖像上表現(xiàn)為其南北兩側(cè)的色調(diào)、紋理明顯不同(圖2(b))。該斷裂不僅在重力、航磁上有反映,而且經(jīng)野外檢驗,在地表存在明顯的斷裂破碎帶(泊江海子以西的格爾蓋一帶表現(xiàn)最為清楚)。已知礦床的礦化地段沿該斷裂呈NWW向展布。
(3)礦床的西部出露一環(huán)狀構(gòu)造(泊江海子環(huán)狀構(gòu)造)。通過對ETM圖像進行地質(zhì)解譯發(fā)現(xiàn),在泊江海子一帶存在一個略呈橢圓狀的環(huán)狀構(gòu)造。環(huán)狀構(gòu)造地表呈現(xiàn)為同心環(huán)狀水系和一系列放射狀水系。據(jù)野外檢驗,這些環(huán)狀和放射狀水系主要反映一些裂隙帶和小斷層,環(huán)狀構(gòu)造與圓形的重力低位異常對應(yīng)說明環(huán)形構(gòu)造中心沒有花崗巖侵入。經(jīng)對環(huán)狀構(gòu)造發(fā)育地區(qū)出露地層酸解烴的取樣分析,甲烷、乙烷含量很高,最高可達6 041 μl/kg[4]。
2.1.3 新發(fā)現(xiàn)地質(zhì)現(xiàn)象的遙感信息綜合研究
先將收集的研究區(qū)的遙感、地質(zhì)、地球物理(重力、航放、航磁)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)建成GIS數(shù)據(jù)庫;然后利用GIS分析功能,將遙感信息與傳統(tǒng)地學(xué)信息集成(復(fù)合和融合),并進行數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)。通過綜合研究進一步認(rèn)為:東勝—石灣子斷隆構(gòu)造為一基底隆起背景上的富鈾斷塊,它的不斷隆升,能夠為成礦提供鈾源;斷隆南緣斷裂為一從地表切入盆地基底的貫穿性斷裂,是深部物質(zhì)向上運移的通道;環(huán)狀構(gòu)造為一與油氣有關(guān)的環(huán)狀構(gòu)造,反映該區(qū)油氣活動的中心[4],可以為成礦提供油氣等還原物質(zhì)。
由上述構(gòu)造要素構(gòu)成的成礦背景疊加在早期大青山—河套蝕源區(qū)與南部斜坡帶的成礦背景之上[5],構(gòu)成了該區(qū)鈾礦形成的特殊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。
在綜合研究了東勝鈾礦床的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景之后,又進一步研究了礦床的成礦特征,發(fā)現(xiàn)油氣和熱流體參與了成礦過程,礦化有明顯的疊加現(xiàn)象,如鈾源的疊加、成礦流體的疊加[6]和成礦年齡的多期性等,且鈾礦化類型具雙重性和復(fù)雜性等。
將礦床的成礦背景信息與礦床的成礦特征信息綜合,并注入鈾礦地質(zhì)專業(yè)知識,實現(xiàn)了信息的轉(zhuǎn)化,重新認(rèn)識了東勝鈾礦床的成礦過程,認(rèn)為該礦床經(jīng)歷了如下3個發(fā)展階段(為了可視化這一成礦過程,還通過計算機進行了模擬):
(1)早白堊世初期階段。斷隆構(gòu)造所在地區(qū)與北部大青山隆起區(qū)相連,構(gòu)成大青山—河套蝕源區(qū)與南部斜坡帶的成礦格局。鈾源主要來自蝕源區(qū)的古老地層和不同時代的花崗巖體,形成了120±11 Ma的層間氧化帶型的鈾礦化(圖3)。
圖3 東勝鈾礦床形成過程計算機模擬圖之一Fig.3 First figure of the computer simulation of the formation process about the Dongsheng uranium deposit
(2)晚白堊世階段。斷隆南緣斷裂形成,斷裂的活動導(dǎo)致深部油氣(以氣為主)上升,沿斷裂帶上升的油氣,一方面改造了早期形成的層間氧化帶型的鈾礦化;另一方面導(dǎo)致油氣參與了成礦過程,形成80±5 Ma的鈾礦化(圖4)。
圖4 東勝鈾礦床形成過程計算機模擬圖之二Fig.4 Second figure of the computer simulation of the formation process about the Dongsheng uranium deposit
(3)新生代階段。河套斷陷發(fā)生,斷隆構(gòu)造整體隆升,使得成礦區(qū)與蝕源區(qū)隔開。由于斷隆構(gòu)造的不斷隆升,致使延長組、延安組和直羅組富鈾層露出地表,含礦層遭受風(fēng)化剝蝕,在干旱氣候條件下,為成礦提供了新的鈾源。沿斷裂上升的油氣和熱流體與地下水帶來的新鈾源相遇,發(fā)生還原與酸化,形成了20±2 Ma和8±1 Ma的富鈾礦化(圖5)。
圖5 東勝鈾礦床形成過程計算機模擬圖之三Fig.5 Third figure of the computer simulation of the formation process about the Dongsheng uranium deposit
多次鈾成礦作用的疊加形成了東勝特大型鈾礦床。
(1)斷隆非疊加成礦的證據(jù)。當(dāng)擴大研究范圍后發(fā)現(xiàn),鄂爾多斯盆地的其他鈾礦床在空間分布上也與斷隆構(gòu)造有關(guān),如黃陵鈾礦床位于渭北斷隆的北緣,國家灣鈾礦床位于固原—華亭斷隆上,磁窯堡鈾礦床位于牛首山—羅山斷隆的西緣等(圖6(a))。塔里木盆地的北緣斷隆與鈾礦床的空間分布關(guān)系同樣密切相關(guān),如,巴什布拉克鈾礦床處于蘇魯切列克斷隆的南緣(圖6(b)),日達里克鈾礦床處于上新統(tǒng)之后形成的康村斷隆的南緣等。
圖6 斷隆與鈾礦床空間分布關(guān)系Fig.6 The spatial distribution relationship of fault and uranium deposit
綜合斷隆疊加成礦和非疊加成礦的研究成果,筆者提出了砂巖型鈾礦斷隆成礦的觀點。
(2)斷隆成礦的機理。通過對斷隆構(gòu)造成礦機理的研究認(rèn)為:①斷隆構(gòu)造的隆升作用,使深部的鈾礦床和富鈾層被抬升到地表,遭受風(fēng)化、剝蝕,為新的成礦過程提供鈾源;② 斷隆邊緣斜坡帶的地形和沉積環(huán)境(有利于形成賦礦的粗碎屑的沉積地層);③斷隆邊緣貫穿性斷裂是將深部還原性物質(zhì)向上運移的導(dǎo)通等。這些有利的成礦要素在斷隆構(gòu)造環(huán)境形成了最佳組合,從而使斷隆構(gòu)造孕育了源(鈾源)-運(搬運)-聚(富集)統(tǒng)一的成礦條件。
(3)斷隆成礦觀點的核心。斷隆成礦觀點的核心是強調(diào)構(gòu)造,特別是深位貫穿性斷裂和油氣,甚至熱流體等深部還原性物質(zhì)在砂巖鈾成礦過程中的重要作用。認(rèn)為該類型鈾礦床的形成不同于傳統(tǒng)的層間氧化帶類型鈾礦床,不只是個淺部地質(zhì)作用過程,而是深部與淺部地質(zhì)作用的復(fù)合。
(4)斷隆成礦觀點提出的找礦意義:①我國克拉通盆地砂巖型鈾礦的區(qū)域找礦,應(yīng)圍繞著斷隆構(gòu)造及其邊緣進行;②圍繞斷隆構(gòu)造找礦,不要局限于砂巖型鈾礦,應(yīng)開展多目標(biāo)找礦(包括砂巖型、碳硅泥巖型和熱液型);③不同斷隆構(gòu)造形成的背景、演化歷史、成礦條件和找礦潛力不盡相同,即使同一斷隆構(gòu)造不同部位的成礦環(huán)境和條件也不盡相同。因此,找礦時要進行具體的地質(zhì)分析。
將已知的鈾礦點、礦化點投影到柯坪斷隆ETM遙感圖像上進行分析發(fā)現(xiàn),鈾礦點、礦化點幾乎全集中分布在柯坪斷隆構(gòu)造變動最強烈的東段,而斷隆上的古生代地層在東西段呈連續(xù)分布,那么已知鈾礦化與構(gòu)造變動強烈地區(qū)之間存不存在內(nèi)在聯(lián)系(圖7)。經(jīng)對遙感信息與重力、航磁和地質(zhì)資料進行綜合分析發(fā)現(xiàn),該區(qū)發(fā)育幾條深大斷裂,并存在兩個巖漿活動中心,二疊紀(jì)有大面積玄武巖噴發(fā)和基性巖脈侵入,并產(chǎn)有熱液型鉛鋅礦等。因此,認(rèn)為柯坪斷隆東段是一處熱液型礦床成礦區(qū),提出該區(qū)的找礦思路要有所改變,應(yīng)從原來找碳硅泥巖型鈾礦為主的思路轉(zhuǎn)向找含鈾熱流體型鈾礦為主的思路,也即從地層找礦為主的思路轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳嗔褳橹鞯恼业V思路。
圖7 柯坪斷隆遙感影像與已知鈾礦化點疊加圖(紅線表示斷裂,紅線圈定的范圍為成礦遠景區(qū),方框示已知鈾礦化點的集中區(qū),紅點示鈾礦化點)Fig.7 The superposition figure of remote sensing image and uranium mineralization site
在新的找礦思路指導(dǎo)下,利用ASTER數(shù)據(jù)與航放異常信息聚焦分析的方法,發(fā)現(xiàn)原來認(rèn)為孤立分布的兩處航放異常,實際上受同一條斷裂帶控制,推斷該帶可能是一條鈾礦化帶。經(jīng)野外調(diào)查和系統(tǒng)地面放射性伽瑪能譜測量證實,該帶確為一條頗具規(guī)模的鈾礦化帶,命名為薩克鈾礦化帶。該帶受多期次的活動斷裂控制,沿該帶熱液蝕變發(fā)育,主要表現(xiàn)為碳酸鹽化和赤鐵礦化,鈾礦化強度高,最高品位大于3%,是一條值得深部探索的鈾礦化帶。經(jīng)包體測溫獲得了110℃和210℃等2個正態(tài)分布的峰值,測定的同位素年齡為172±28 Ma。
首先建立了薩克鈾礦化帶地質(zhì)模型,然后對該地質(zhì)模型進行遙感反演。此過程先后應(yīng)用了TM、ASTER、IKONOS、QuickBird等數(shù)據(jù)源,但是只有經(jīng)增強處理的QuickBird圖像上,上述薩克鈾礦化帶的結(jié)構(gòu)特征被反演出來,在分辨率為0.6m的圖像上,基性巖脈為黑色線狀體,斷裂帶為白色線狀體,蝕變現(xiàn)象為沿斷裂帶分布的灰白色斑狀體。三者共同構(gòu)成了該鈾礦化帶的遙感影像模式。應(yīng)用QuickBird遙感圖像,經(jīng)模式識別,在薩克鈾礦化帶外圍又發(fā)現(xiàn)了2條具類似特征的鈾礦化帶[6](圖8)。
圖8 新發(fā)現(xiàn)的鈾礦化帶(局部)的QuickBird遙感圖Fig.8 The QucikBird image(local)of the new discovered uranium mineralization belt
實踐表明,如果用同樣的方法和手段研究同一個問題,由于看不到新的現(xiàn)象和事實,認(rèn)識將很難有所突破。遙感技術(shù)在地質(zhì)找礦中的重要作用,就是它能夠迅速發(fā)現(xiàn)用常規(guī)地質(zhì)方法很難發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)體和地質(zhì)現(xiàn)象,如果將這些新發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)地質(zhì)方法得到的信息相結(jié)合,將會促進地質(zhì)人員重新考慮問題和進行創(chuàng)造性思維,以導(dǎo)致新概念的產(chǎn)生和礦化規(guī)律新認(rèn)識的形成。正如陳述彭院士曾經(jīng)指出的“沒有先進技術(shù)支持的理論是落后的”。同時可以看出,遙感技術(shù)的應(yīng)用不僅限于“線、環(huán)、塊”的識別和蝕變信息的提取,更重要的是它還可以進行成礦理論的研究。因此,需要將遙感的應(yīng)用“從技術(shù)索引的思路走出來”,“從技術(shù)層面提升到科學(xué)層面”。這樣才能使遙感在地質(zhì)找礦中發(fā)揮更大的作用。
充分發(fā)揮遙感技術(shù)的優(yōu)勢,最大限度地利用現(xiàn)有的地質(zhì)勘查信息資源,進行新理論的探索和建立新的找礦模式,并利用新模式進行找礦,這是一條從“信息找礦”到“理論找礦”再到“模式找礦”的正確途徑,實踐證明可以取得顯著的找礦成果。
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Comprehensive Study and Deepened Application of Remote Sensing Information:A Case Study of Uranium Exploration
LIU De-chang,YE Fa-wang,ZHAO Ying-jun,YANG Xu,YI Pi-yuan,DONG Xiu-zhen
(National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology,Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China)
With the uranium exploration as an example,this paper puts forward a new concept of post- remote sensing application technology based on the thinking of the comprehensive research and deepened application of remote sensing information.This new concept is considered to be an important way to promote the application of remote sensing information from technology to science.On such a basis,the viewpoint of fault- uplift mineralization of sandstone-type uranium is proposed and a model of regional prospecting for uranium in the craton and activated basin of China is established.Under the guidance of the viewpoint and the model and by using the new technique,3 uranium mineralization belts were found in the Kalpin fault-uplift on the northern margin of Tarim basin,thus achieving good prospecting result.
Uranium exploration;Remote sensing;Comprehensive research;Mineralization viewpoint and prospecting effect
TP 79:P 619.14
A
1001-070X(2011)03-0014-06
2010-12-28;
2011-02-11
劉德長(1938-),研究員,博士生導(dǎo)師,長期從事鈾礦構(gòu)造與遙感技術(shù)在鈾資源勘查和核軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。目前正在從事高光譜遙感技術(shù)和后遙感應(yīng)用技術(shù)的開拓研究。
(責(zé)任編輯:丁 群)