航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)在西澳伊爾崗地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

車永飛，張?jiān)讫垼w英俊，林子瑜

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.核工業(yè)270研究所，江西 南昌330200；3.東華理工大學(xué)，江西 撫州344000）

20世紀(jì)70年代以來(lái)，航空γ能譜測(cè)量作為新的技術(shù)手段逐漸應(yīng)用于鈾礦勘查中。首先提出了伽瑪能譜數(shù)據(jù)的變異γ場(chǎng)[1]和相對(duì)γ場(chǎng)[2]的概念，隨后該方法被推廣至其它放射性測(cè)量和水化數(shù)據(jù)測(cè)量處理中。此后，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)又提出了γ能譜的3個(gè)特征參數(shù)：古鈾量、古鈾遷移量和活性鈾遷移量等[3－4]。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)大量的研究和實(shí)踐，提出了新的γ能譜參數(shù) （如鈾富集系數(shù)、鈾豐富程度指數(shù)和鈾改造程度指數(shù)等）[5－6]，并對(duì)一些參數(shù)公式進(jìn)行了修正[7]，以反映區(qū)域原始鈾含量、遷移和富集特征，作為表生鈾礦直接的示礦信息。

鈣結(jié)巖型鈾礦床是一種特殊的表生鈾礦床，是來(lái)自大面積鈾源區(qū)的鈾，通過(guò)含鈾地下水帶入致密的鈣結(jié)巖中富集，形成具有工業(yè)意義的鈾礦床。西澳伊爾崗地區(qū)已發(fā)現(xiàn)該類鈾礦床15個(gè)，該區(qū)具有優(yōu)越的鈣結(jié)巖型鈾礦成礦條件。航空γ能譜測(cè)量是尋找鈾礦最直接有效的方法之一，能快速圈定找礦靶區(qū)[8]，大大提高找礦效率。本文主要利用航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)提取古鈾量和鈾富集系數(shù)，并利用特征空間域的貝葉斯決策準(zhǔn)則監(jiān)督分類技術(shù)，提取了研究區(qū)的航放異常信息，進(jìn)而對(duì)伊爾崗地區(qū)的鈣結(jié)巖型鈾礦進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)。

1 伊爾崗地區(qū)地質(zhì)特征

伊爾崗地盾由太古界花崗巖和綠巖帶組成[9]。東部的奧菲徹盆地出露二疊系至中生界沉積蓋層，北部和東北部的納貝魯盆地分布元古界沉積物，西部由達(dá)林?jǐn)嗔雅c佩思地塹狀構(gòu)造盆地相隔，盆地中充填古生界—新近系，厚度約為15km[10]。由于長(zhǎng)期風(fēng)化作用，該地區(qū)成為一個(gè)地勢(shì)平坦的高原區(qū)，海拔高度約650m[11]。在白堊紀(jì)區(qū)內(nèi)氣候潮濕，高原區(qū)受廣泛發(fā)育的東西向水系沖刷，在白堊紀(jì)海退以后演化成大陸邊緣帶，受強(qiáng)烈風(fēng)化剝蝕作用，形成平原并發(fā)育厚度較大的紅土層；漸新世—中新世該區(qū)變?yōu)闈駶?rùn)的熱帶－亞熱帶氣候，準(zhǔn)平原化的紅土層不斷被侵蝕，裸露出深層的風(fēng)化殼；到晚中新世，從大陸中心向四周氣候逐漸趨于干燥，因此水系斷流，形成一系列的黏土泡或鹽湖和古河道；沉積形成部分鈣結(jié)巖，沿河道或環(huán)繞湖邊分布的以及同時(shí)期形成的沖積層共同構(gòu)成了鈾礦化的主巖[12]。伊爾崗的北部地區(qū)廣泛分布“非成土鈣結(jié)巖”，西澳的鈣結(jié)巖型鈾礦化主要產(chǎn)于以花崗巖為基底的匯水區(qū)內(nèi)，具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的鈾礦床僅產(chǎn)于北部地區(qū) （南緯30°以北的地區(qū)）[10]，以伊利里大型鈾礦床為典型代表。

2 航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用的依據(jù)

2.1 γ能譜特征參數(shù)的建立依據(jù)

鈾、釷、鉀元素在不同的地球化學(xué)環(huán)境下，其活動(dòng)性有不同的變化規(guī)律[13]：①鈾元素化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，在還原條件下表現(xiàn)為＋4價(jià) （即U4＋），活動(dòng)性較弱，且是不可溶的。在氧化條件下表現(xiàn)為＋6價(jià) （即U6＋），以鈾酰離子絡(luò)合物的形式存在于地下水中，可溶解或者容易被吸附而發(fā)生轉(zhuǎn)移。②釷元素的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，一般不受成巖后期改造和地球化學(xué)作用等因素的影響。在氧化環(huán)境下鈾元素被淋失而遷移時(shí)，釷元素則保留了下來(lái)，并且常常在碎屑物中形成了含量較高的釷元素沉積。③鉀元素的化學(xué)性質(zhì)活潑，在氧化和還原環(huán)境下的活動(dòng)性幾乎相等。因此，可根據(jù)鈾、釷、鉀元素地球化學(xué)性質(zhì)的差異，建立航空γ能譜測(cè)量多元素特征參數(shù)組合，計(jì)算古鈾量（GU）和鈾富集系數(shù) （Uc），來(lái)識(shí)別鈾源區(qū)和鈾后生富集區(qū)。

2.2 航放示礦信息的提取依據(jù)

航放示礦信息[14]是指通過(guò)對(duì)航放數(shù)據(jù)的處理、組合和變換，能夠顯示鈾成礦有利地段，并結(jié)合對(duì)鈾元素地球化學(xué)性質(zhì)、區(qū)域鈾成礦規(guī)律和預(yù)測(cè)要素的綜合分析，最終圈定有利找礦靶區(qū)的航放數(shù)據(jù)處理結(jié)果。伊爾崗地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦產(chǎn)出于新生代河道內(nèi)，而航空γ能譜測(cè)量對(duì)地表巖石的放射性特征具有良好的反映。因此，可采用監(jiān)督分類的方法提取航放示礦信息。監(jiān)督分類 （又稱訓(xùn)練分類），是指用被確認(rèn)類別的樣本像元來(lái)識(shí)別其他未知類別像元的過(guò)程[15]。在監(jiān)督分類的過(guò)程中，通過(guò)在圖像上選取一定數(shù)量的訓(xùn)練區(qū)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，將每個(gè)像元的信息和訓(xùn)練樣本的信息進(jìn)行比較，并按照一定的規(guī)則將圖像的像元?jiǎng)澐值脚c其最相似的樣本類別。監(jiān)督分類常用的算法有最小距離分類法、多級(jí)切割分類法、特征曲線窗口法和最大似然法等。其中，最大似然法 （即貝葉斯分類法）是監(jiān)督分類中最常用的方法[16]。通過(guò)對(duì)航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類，獲取航放空間距離影像，將距離近的區(qū)域劃為航放異常區(qū)。

3 航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)的處理

本文所使用的是航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)[17]，分辨率為200m。對(duì)該數(shù)據(jù)的應(yīng)用采用以下2種方法：（1）利用多參數(shù)組合法計(jì)算古鈾量和鈾富集系數(shù)； （2）利用監(jiān)督分類法提取航放示礦信息。

3.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

（1）投影轉(zhuǎn)換

由于收集到的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)不同，需要將所有格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，且要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換。本文將航空γ能譜源數(shù)據(jù)所使用的不同坐標(biāo)系統(tǒng)，通過(guò)變換投影類型、投影參數(shù)或橢球體等，在ARCGIS10中將其轉(zhuǎn)換為GCS＿WGS＿1984坐標(biāo)系。

（2）異常值處理

物探、化探和數(shù)學(xué)地質(zhì)中一般接觸的是未知總體方差的樣本。根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn)，這些樣本是符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布的[18]。但是在這些樣本中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)個(gè)別可疑數(shù)據(jù) （通常稱異常值），它們與樣本中其它值比起來(lái)偏大或偏小。這種異常值的產(chǎn)生可分為兩種情況： （1）異常值由實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讀錯(cuò)、記錯(cuò)、儀器突然跳動(dòng)、突然震動(dòng)等異常情況引起。誤差理論認(rèn)為，這種個(gè)別的異常值往往是 “粗大誤差”，或稱為 “過(guò)失誤差”、“壞值”。顯然，這樣的異常值若不剔除或改正，勢(shì)必歪曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果； （2）如果在某地質(zhì)單元范圍內(nèi)，某指示元素的背景值符合正態(tài)分布，僅有個(gè)別值過(guò)高，該異常就有可能是礦致異常，是指導(dǎo)我們繼續(xù)深入工作的指示。本文依據(jù)拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值的判定和處理。

拉依達(dá)準(zhǔn)則異常值的判定標(biāo)準(zhǔn)是：如果離群值Xd與測(cè)定的數(shù)據(jù)平均值X之差的絕對(duì)值大于3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ，即

則將離群值Xd判為異常值，通過(guò)ERDAS建模來(lái)處理航放數(shù)據(jù)存在的異常值，處理后的數(shù)據(jù)如果呈正態(tài)分布，認(rèn)為該異常值與研究對(duì)象有關(guān)，對(duì)其予以保留，否則應(yīng)從該組數(shù)據(jù)中舍棄。

是夜，虛弱的、奄奄一息的我看見(jiàn)西邊林場(chǎng)邊的樹(shù)叢里，飄起縷縷的亮光，那亮光像北極光，它們飄散，星星點(diǎn)點(diǎn)地朝我飄來(lái)，在我旁邊，那團(tuán)白光聚集成范崢崢的人形，她幽幽地對(duì)我說(shuō)，帶我回家……

（3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 （歸一化）處理

經(jīng)過(guò)投影轉(zhuǎn)換和異常值處理的航放U、Th、K含量數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)不一致 （U、Th含量的數(shù)量級(jí)是10－6，K含量的數(shù)量級(jí)是10－2），沒(méi)有可比性。為了使這些數(shù)據(jù)具有可比性，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理 （即量綱統(tǒng)一）。本文采用最小－最大標(biāo)準(zhǔn)化方法處理航空γ能譜數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使處理后的數(shù)據(jù)處于 [0，1]區(qū)間，公式模型[19]為：

式中：x和y分別為處理前后航空γ能譜測(cè)量值；Min和Max分別為航空γ能譜測(cè)量值的最小值和最大值。

3.2 航空γ能譜特征參數(shù)的計(jì)算

（1）古鈾量

古鈾量具有反映鈾源的作用，其高值區(qū)指示并可圈定鈾源。通過(guò)計(jì)算古鈾量，能評(píng)價(jià)有利地層供給鈾的能力，來(lái)初步確定鈾成礦有利區(qū)。古鈾量計(jì)算的思路和依據(jù)為：①釷元素在近地表環(huán)境下穩(wěn)定，不易遷移，能較好地反映巖石原始狀態(tài)的分布特征；②鈾元素性質(zhì)較活潑，當(dāng)?shù)厍蚧瘜W(xué)條件改變時(shí)，容易被淋濾、遷移和富集；③原巖中，鈾、釷存在共生關(guān)系，其含量呈正相關(guān)關(guān)系，鈾、釷比值在一定范圍內(nèi)。因此，可用釷含量為基本參數(shù)來(lái)計(jì)算古鈾量。其計(jì)算公式[7]如下：

（2）鈾富集系數(shù)

鈾富集系數(shù)具有突出鈾相對(duì)富集區(qū)的作用。根據(jù)U、Th、K地球化學(xué)性質(zhì)的差異（U、K性質(zhì)活潑易遷移，Th性質(zhì)穩(wěn)定不易遷移），地質(zhì)單元中U／Th和U／K增高，說(shuō)明該地段存在U的后期活化遷移，在原有高U含量的鈾源層，形成疊加產(chǎn)生后生富集。鈾富集系數(shù) （Uc）的計(jì)算公式[20]如下：

式中：U、Th、K分別為鈾、釷、鉀元素含量的實(shí)測(cè)值。

根據(jù)古鈾量和鈾富集系數(shù)的計(jì)算公式，在ERDAS軟件中建立空間數(shù)據(jù)模型并運(yùn)算，通過(guò)去異常值和平滑處理得到古鈾量圖 （圖1）和鈾富集系數(shù)圖 （圖2）。從圖1和圖2可知，伊爾崗地區(qū)已知鈾礦床全部位于古鈾量和鈾富集系數(shù)的高值區(qū)。

圖1 伊爾崗地區(qū)古鈾量 （GU）圖Fig.1 Distribution of original uranium content in Yilgarn area

圖2 伊爾崗地區(qū)鈾富集系數(shù) （Uc）圖Fig.2 Distribution of uranium enrichment coefficient in Yilgarn area

1—鈾富集區(qū)界限；2—大型鈾礦床；3—中型鈾礦床；4—小型鈾礦床；5—鈾礦化點(diǎn)。

3.3 航放示礦信息的提取

航放示礦信息通過(guò)對(duì)航放數(shù)據(jù) （航放U、Th、K含量與古鈾量、鈾富集系數(shù)進(jìn)行RGB合成的影像數(shù)據(jù)）進(jìn)行監(jiān)督分類，獲取空間距離影像來(lái)圈定，將距離近的區(qū)域視為航放異常區(qū)。本文基于貝葉斯準(zhǔn)則的監(jiān)督分類方法對(duì)伊爾崗地區(qū)航放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)航放異常信息進(jìn)行閾值分割，將該地區(qū)航放異常信息劃分為3個(gè)等級(jí)。具體步驟如下：

（1）提取航放樣本信息

伊爾崗地區(qū)已探明鈣結(jié)巖型鈾礦大型1個(gè)、中型9個(gè)、小型5個(gè)及2個(gè)鈾礦點(diǎn)。以已知大、中型礦床為訓(xùn)練樣本，按礦床規(guī)模分別建立12像元 （大型）、8像元 （中型）的緩沖區(qū)，并獲取其AOI（area of interest）文件。根據(jù)建立的緩沖區(qū)，利用ERDAS軟件逐個(gè)獲取各緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)地區(qū)的航放數(shù)據(jù) （U、Th、K含量與古鈾量、鈾富集系數(shù)）統(tǒng)計(jì)參數(shù)的最大 值 （Max）、最 小 值 （Min）、均 值（Mean）、標(biāo)準(zhǔn)差 （SD）等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

（2）監(jiān)督分類獲取特征空間距離文件

利用ERDAS軟件的監(jiān)督分類工具，選擇最大似然－貝葉斯決策分類法來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)督分類，比較伊爾崗地區(qū)影像的訓(xùn)練樣本像元信息航放數(shù)據(jù)值與AOI（感興趣區(qū)）像元信息航放數(shù)據(jù)值的相似性，由訓(xùn)練樣本與感興趣區(qū)二者間像元信息航放數(shù)據(jù)的差值組成的灰度矩陣得到了航放特征空間距離影像，影像像元灰度值越低，說(shuō)明感興趣區(qū)的像元信息航放數(shù)據(jù)與已知礦床樣本的相似性越高，則該地區(qū)更有利于成礦。同時(shí)對(duì)航放特征空間距離影像像元灰度值進(jìn)行了最大值 （Max）、最小值 （Min）、均值 （Mean）、標(biāo)準(zhǔn)差 （SD）的統(tǒng)計(jì)。

（3）閾值分割劃分異常等級(jí)

為了使異常信息更加明了，需要對(duì)航放特征空間距離影像進(jìn)行異常分級(jí) （即閾值分割）。閾值分割方法特別適用于目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級(jí)范圍的影像，按影像的灰度值將其分割成多個(gè)級(jí)別[21]?；叶扔跋耖撝捣指钏惴ǖ幕驹韀22－23]，是根據(jù)影像的組成結(jié)構(gòu)和應(yīng)用要求，將影像劃分為若干個(gè)互不相交的子區(qū)域的過(guò)程。閾值分割包括兩個(gè)步驟：①確定需要的分割閾值；②將分割閾值與灰度值比較以劃分類別。即根據(jù)確定的閾值，將影像中各個(gè)像素的灰度值與這個(gè)閾值相比較，根據(jù)比較結(jié)果將其歸類。

在本文研究中，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)拉伸、平滑和銳化等增強(qiáng)處理后的航放特征空間距離影像，其直方圖呈近似正態(tài)分布，那么在做異常切割或數(shù)據(jù)切割時(shí)便可借用這個(gè)表征正態(tài)分布曲線的尺度，利用像素點(diǎn)的均值加減n倍方差（Mean±nSD）確定異常下限和劃分異常信息等級(jí) （表1）。

表1 伊爾崗地區(qū)航放特征空間距離影像信息閾值分割Table 1 Radioactive feature space distance threshold for the image segmentation of Yilgarn area

根據(jù)表1得到的伊爾崗地區(qū)航放特征空間距離影像信息閾值分割值，將其賦予不同的顏色，把航放異常信息劃分為3級(jí)，得到伊爾崗地區(qū)航放示礦信息分級(jí)圖 （圖3）。其一級(jí)異常區(qū) （紅色）為與鈣結(jié)巖型鈾礦有關(guān)的航放異常信息和成礦有利地段，該區(qū)域存在強(qiáng)烈的航放異常；二級(jí)異常區(qū) （黃色）航放異常信息表現(xiàn)良好。雖然航放異常信息沒(méi)有一級(jí)異常區(qū)強(qiáng)烈，但區(qū)內(nèi)同樣具備多種鈾成礦條件，也有發(fā)現(xiàn)鈾礦床甚至大型鈾礦床的潛力。

圖3 伊爾崗地區(qū)航放示礦信息分級(jí)圖Fig.3 The metallogenic indicative grade map of airborne gamma spectra in Yilgarn area

4 成礦預(yù)測(cè)

綜合鈾源區(qū)、鈾富集區(qū)和航放示礦信息，按照以下原則開(kāi)展伊爾崗地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)，并圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

（1）成礦地質(zhì)條件優(yōu)越的地區(qū)。由于該地區(qū)的鈣結(jié)巖型鈾礦產(chǎn)于新生代河道內(nèi)，因此，圍繞新生代河道圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

（2）鈾源區(qū)和鈾富集區(qū)的交集區(qū)。鈾源是鈣結(jié)巖型鈾礦形成的必要條件，鈾必須富集到一定程度才能成礦。因此，圍繞鈾源區(qū)和鈾富集區(qū)的交集區(qū)圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

（3）航放示礦信息呈現(xiàn)良好的地區(qū)。通過(guò)對(duì)航放信息進(jìn)行監(jiān)督分類，獲取了航放示礦信息分級(jí)圖。航放示礦信息能指示鈾礦化的存在，是找鈾礦的重要信息。其中，Ⅰ級(jí)異常區(qū) （紅色）為鈾成礦最有利的地區(qū)，圍繞Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)異常區(qū)圈定鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)。

根據(jù)以上原則，共圈定7片鈣結(jié)巖型鈾礦成礦遠(yuǎn)景區(qū)，并按照古河谷、航放異常等分布區(qū)為界限圈定遠(yuǎn)景區(qū)邊界。將廣泛分布古河谷，分布大面積Ⅰ級(jí)航放異常，且已發(fā)現(xiàn)2個(gè)（含）以上鈾礦床的遠(yuǎn)景區(qū)定為Ⅰ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)；將廣泛分布古河谷，分布大面積Ⅱ級(jí)及以上航放異常，發(fā)現(xiàn)2個(gè)以下鈾礦床的遠(yuǎn)景區(qū)定為Ⅱ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)。最終優(yōu)選4片Ⅰ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)和3片Ⅱ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū) （圖4），其中，Ⅰ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)特別是4號(hào)遠(yuǎn)景區(qū)，雖然暫時(shí)未發(fā)現(xiàn)鈾礦床，但航放異常信息強(qiáng)烈，可作為后期鈾礦勘查的重點(diǎn)地區(qū)；Ⅱ級(jí)遠(yuǎn)景區(qū)具有良好的鈾成礦條件，也有發(fā)現(xiàn)鈾礦床甚至大型鈾礦床的潛力。目前，已在2號(hào)遠(yuǎn)景區(qū)新發(fā)現(xiàn)工業(yè)鈾礦化，有望落實(shí)為中型鈾礦床，初步驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性。

5 結(jié)論

本文以航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以GIS技術(shù)為手段，采用多參數(shù)組合和監(jiān)督分類方法對(duì)航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，開(kāi)展了西澳伊爾崗地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)的研究，共圈定出7片鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)，并取得了以下成果和認(rèn)識(shí)：

圖4 伊爾崗地區(qū)鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)示意圖Fig.4 The sketch map of uranium prospect region in Yilgarn

（1）利用放射性元素鈾、釷、鉀的地球化學(xué)性質(zhì)和地球化學(xué)活動(dòng)特點(diǎn)，通過(guò)航空γ能譜數(shù)據(jù)微弱信息處理方法，提取了古鈾量和鈾富集系數(shù)，通過(guò)分析圈定出鈾源區(qū)和鈾富集區(qū)。

（2）采用GIS技術(shù)，利用特征空間域的貝葉斯決策準(zhǔn)則監(jiān)督分類技術(shù)，提取了研究區(qū)的航放異常信息，通過(guò)閾值分割獲取了多級(jí)航放異常信息。

（3）根據(jù)鈣結(jié)巖型鈾礦的成礦理論，并結(jié)合鈾源區(qū)、鈾富集區(qū)和航放示礦信息，圈定了5片Ⅰ級(jí)鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)和2片Ⅱ級(jí)鈾成礦遠(yuǎn)景區(qū)，為該區(qū)下一步鈾礦勘探提供了依據(jù)。

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