砂巖型鈾礦局部排泄帶遙感識別與應(yīng)用

李瀚波，余長發(fā)，田青林，方茂龍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

局部排泄帶是控制層間氧化帶分布的主要因素之一，也是砂巖型鈾礦床定位的重要找礦標(biāo)志［1-2］。尋找局部排泄帶，對研究盆地水動力循環(huán)系統(tǒng)，勘查可地浸砂巖鈾礦資源具有直接意義。砂巖鈾礦多產(chǎn)于承壓水盆地，含鈾承壓水通過局部排泄帶向上運(yùn)動，補(bǔ)給到上覆含水層和潛水含水層直至地表。由于地面被土壤或沙漠覆蓋，加之地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，局部排泄帶常具有一定的隱蔽性。傳統(tǒng)的局部排泄帶遙感識別技術(shù)認(rèn)為與斷裂構(gòu)造相關(guān)的排泄區(qū)土壤濕度較大，常以線型分布的泉、沼澤、河流為主。通過遙感數(shù)據(jù)濕度指數(shù)計算識別濕度異常帶，進(jìn)而觀察盆內(nèi)局部排泄帶的空間展布特征，分析成礦期研究區(qū)的水動力環(huán)境，劃分出其蝕源補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)的范圍［3-5］。

筆者通過對地下水排泄理論的分析，結(jié)合已知砂巖型鈾礦床局部排泄帶的遙感影像研究，認(rèn)為地下水強(qiáng)烈蒸發(fā)、蒸騰排泄導(dǎo)致的線型鹽漬化帶，也有可能指示砂巖鈾礦的局部排泄帶，從而提出了遙感技術(shù)識別局部排泄帶方法，并用該方法識別了砂巖鈾礦勘查新區(qū)的局部排泄帶。

1 局部排泄帶遙感影像特征和識別方法

1.1 局部排泄帶理論分析和遙感影像特征

傳統(tǒng)的局部排泄帶遙感識別技術(shù)認(rèn)為構(gòu)造排泄區(qū)以線型分布的泉、沼澤、河流等水體為主，土壤濕度較大，通過遙感數(shù)據(jù)水體或濕度指數(shù)計算來識別局部排泄帶，分析成礦期研究區(qū)的水動力環(huán)境，劃分出蝕源補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)的范圍。

筆者研究后認(rèn)為，在干旱地區(qū)地下水沿局部排泄帶流出后，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用可能會產(chǎn)生線型的鹽漬帶，其有可能作為識別局部排泄帶的證據(jù)，即局部排泄帶在遙感影像上的反映除土壤濕度異常帶外，還應(yīng)包括強(qiáng)烈蒸發(fā)、蒸騰排泄導(dǎo)致的鹽漬帶。如巴音戈壁塔木素地段，氣候干旱，蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，局部排泄帶主要以鹽漬帶形式在地表表現(xiàn)；而一些氣候相對濕潤的地區(qū)，局部排泄帶在地表主要表現(xiàn)為線型沼澤、濕地等土壤濕度較大的地段。由此，筆者將局部排泄帶遙感識別技術(shù)轉(zhuǎn)換為對線型的鹽漬帶、高濕度區(qū)和水體帶的提取。其中，鹽漬帶在影像上主要表現(xiàn)為亮度高值區(qū)域，可以通過中等分辨率影像纓帽變換求解亮度指數(shù)圖像，并進(jìn)行亮度值高端分割識別；以線型分布的泉、沼澤、河流為主的高土壤濕度帶，可以通過比較成熟的歸一化的水體指數(shù)（NDWI）進(jìn)行識別。

1.2 局部排泄帶遙感識別方法

結(jié)合已知鈾礦床局部排泄帶的遙感影像特征和地下水理論知識，筆者將局部排泄帶遙感識別轉(zhuǎn)換為對線型的鹽漬帶、高濕度區(qū)和水體帶的提取。高濕度區(qū)和水體帶識別采用比較成熟的歸一化的水體指數(shù)（NDWI）進(jìn)行識別，鹽漬化帶則采用纓帽變換亮度指數(shù)進(jìn)行識別。

McFeeters （1996）借鑒歸一化水體指數(shù)NDVI 的構(gòu)建思想，利用ETM 影像的綠光波段（TM2）和近紅外波段（TM4）構(gòu)建了歸一化差異水體指數(shù)NDWI，該方法可以抑制植被和陰影等干擾信息，精確提取水體信息，其計算公式為：NDWI＝（TM2－TM4）/（TM2＋TM4）。在本次研究中，采用該方法提取水體信息。

纓帽變換是一種光譜空間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的線性變換，變換之后的坐標(biāo)軸指向與地面景物密切相關(guān)的方向，更直觀地反映出鹽漬化、植被和土壤濕度在多光譜空間中的特征。纓帽變換提供了一種方法以優(yōu)化數(shù)據(jù)顯示，從而有利于對蒸騰、蒸發(fā)引起的鹽漬化進(jìn)行研究 （Crist 等，1986）。纓帽變換后3 個常用的數(shù)據(jù)軸分別是亮度、綠度和濕度，在荒漠化地區(qū)可以用于定義蒸騰強(qiáng)度、植被覆蓋程度和土壤濕度信息的組成。在本次研究中主要對蒸騰、蒸發(fā)引起的鹽漬化進(jìn)行研究。對于Landsat TM 數(shù)據(jù)，亮度指標(biāo)定義如下：

因此可對中等分辨率遙感影像進(jìn)行纓帽變換，計算亮度、濕度和綠度指數(shù)，并進(jìn)行密度分割，提取線型分布的鹽漬帶、土壤濕度帶和植被邊緣；結(jié)合補(bǔ)徑排體系綜合分析，識別研究區(qū)的局部排泄帶（圖1）。

圖1 局部排泄帶遙感識別技術(shù)流程圖Fig.1 Flow chart of remote sensing identification of local discharge belt

2 已知砂巖鈾礦床局部排泄帶遙感特征

2.1 塔木素砂巖型鈾礦床局部排泄帶地質(zhì)特征

塔木素地段位于武騰盆地北側(cè)（巴音戈壁盆地南緣西段），受阿爾金斷裂東段影響，其局部排泄帶主要受北東向斷裂控制。巴音戈壁盆地塔木素地段巴音戈壁組上段已發(fā)現(xiàn)了比較理想的砂巖型鈾成礦層位和鈾礦化，并控制了一定規(guī)模的工業(yè)鈾礦化地段，顯示出該盆地具有良好的找鈾礦前景。從前人資料可知，塔木素鈾礦化發(fā)育在一條北東向斷裂的北側(cè)（圖2 a）。分析認(rèn)為該斷裂為局部排泄帶，控制了地下水的排泄作用，有利于含氧含鈾水在下白堊統(tǒng)的巴音戈壁組地層砂巖中循環(huán)運(yùn)移，從而促進(jìn)鈾礦化的富集。

2.2 塔木素砂巖型鈾礦床局部排泄帶遙感識別

筆者從GLCF 共享平臺上下載了塔木素地段所在區(qū)域的1—7 波段ETM+遙感影像，條帶號和行編號分別為131 和032。采用ENVI5.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行了波段合成、大氣糾正和正射糾正等一系列預(yù)處理工作。使用7、4、2波段合成后，形成了塔木素地段的假彩色合成影像圖（圖2 b）。影像特征所示，在塔木素礦床南側(cè)，有一條白色遙感影像異常帶呈北東向展布。與已知塔木素鈾成礦要素對比分析可知，這條北東向的白色異常帶，與已知控制塔木素礦床的斷裂構(gòu)造展布范圍完全一致，分析可能是局部排泄帶在地表形成的痕跡。

圖2 塔木素礦床地質(zhì)圖（a）和ETM 遙感影像圖（b）Fig.2 Geological map （a）and ETM remote sensing image （b）of Tamusu deposit

使用傳統(tǒng)的局部排泄帶遙感識別方法進(jìn)行試驗，即通過水體和濕度指數(shù)的提取來識別局部排泄帶［6］。分別采用歸一化的水體指數(shù)［7-8］和纓帽變換濕度指數(shù)［9］計算，均未識別出塔木素地段的水體信息，說明該條白色異常帶內(nèi)并不存在濕度較大的土壤和水體分布。推測該條白色異常帶與鹽漬化帶關(guān)系密切，而鹽漬化帶在遙感影像上表現(xiàn)為高亮度帶，以此為依據(jù)，筆者開展了通過亮度值識別局部排泄帶的實驗。將塔木素地段ETM 影像的1—5 波段和7 波段疊加處理，通過纓帽變換計算亮度指數(shù)，進(jìn)行亮度值高端切割，成功地將該條鹽漬化帶提取出來（圖3）。

圖3 塔木素地段局部排泄帶的遙感提取Fig.3 Remote sensing extraction of local discharge belt in Tamusu area

2.3 實驗結(jié)果分析

在干旱盆地內(nèi)，尤其干旱氣候條件下的松散沉積物構(gòu)成的平原與盆地中，蒸發(fā)與蒸騰往往是地下水主要的排泄方式，干旱、半干旱地區(qū)地下水流動系統(tǒng)的排泄區(qū)是蒸發(fā)濃縮作用最為強(qiáng)烈的地方。區(qū)域性流動系統(tǒng)的排泄區(qū)由于能夠匯集更大范圍地下水中的鹽分，蒸發(fā)濃縮較局部流動系統(tǒng)排泄區(qū)更為發(fā)育。

筆者對實驗結(jié)果分析后認(rèn)為，塔木素礦床南側(cè)的北東向白色異常帶應(yīng)為蒸發(fā)排泄作用造成的鹽漬帶，因該鹽漬帶呈直線型展布，在徑流區(qū)沒有明顯河流痕跡，推測該處有一斷裂構(gòu)造切斷地層，地下水沿局部排泄帶流出后，由于持續(xù)強(qiáng)烈蒸發(fā)作用產(chǎn)生了鹽漬帶，說明該地段曾存在地下水循環(huán)體系。而當(dāng)該鹽漬帶呈線型展布，且與主斷裂構(gòu)造走向一致時，則有可能是構(gòu)造排泄在地表的一些痕跡的反映。這些鹽漬帶在遙感影像圖表現(xiàn)為亮度高值區(qū)，比較容易通過亮度指數(shù)計算識別，但在地質(zhì)勘查中，由于地表覆蓋嚴(yán)重，很難發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造特征，在野外地質(zhì)工作中容易被忽視。

3 砂巖鈾礦勘查新區(qū)應(yīng)用實例

甘肅省中衛(wèi)市亂井地段位于武騰盆地的東南緣，該區(qū)屬于砂巖鈾礦勘查的新區(qū)，開展的鈾礦勘查工作較少，尚無礦床級別的鈾礦化產(chǎn)出。前人的工作認(rèn)為，該區(qū)找礦目標(biāo)層為中、上新統(tǒng)（N1、N2）、漸新統(tǒng)（E3）及白堊系（K），蝕源區(qū)為石炭系，地下水流向為北東向（圖4 a）。

筆者從馬里蘭大學(xué)網(wǎng)站上下載了亂井地段所在區(qū)域的1—7 波段ETM+遙感影像，條帶號和行編號分別為130 和034。首先采用ENVI5.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行了波段合成、影像大氣糾正、幾何糾正、影像裁切等一系列預(yù)處理工作，之后使用7、4、2 波段合成后，形成了亂井地段的假彩色合成影像圖（圖4 b）。使用預(yù)處理后的ETM 遙感影像進(jìn)行纓帽變換，計算亮度指數(shù)圖像，并進(jìn)行密度分割，提取了北西向線型分布的鹽漬化帶（圖5）；同時，使用歸一化的水體指數(shù)方法計算了該圖像的濕度指數(shù)圖，提取了沿北西向分布的水體信息。從提取結(jié)果看，鹽漬帶和水體濕度帶同時存在，且沿北西向展布，推測該處有一條北西向的局部排泄帶，與地下水流向垂直，并且現(xiàn)在仍可能有地下水循環(huán)活動。所提取鹽漬化帶和水體帶并行排列，鹽漬帶位于水體帶的下方，這樣的排列方式，也可能對局部排泄帶構(gòu)造性質(zhì)的判定提供依據(jù)。

圖4 亂井地段地質(zhì)圖（a）和ETM 遙感影像圖（b）Fig.4 Geological map （a）and ETM image （b）of Luanjing area

根據(jù)前人資料，亂井地區(qū)的鈾礦化異常帶呈雁列式展布，礦化異常帶的展布方向大都為300°方向，與遙感提取的局部排泄帶走向一致（圖5），進(jìn)一步印證了所提取的局部排泄帶的準(zhǔn)確性。在野外查證中，該北西向展布的水漬帶已由于地表蒸發(fā)作用成為鹽漬帶，呈北西向展布，但部分地段仍未完全干涸，與信息提取結(jié)果吻合。

圖5 亂井地段濕度和亮度異常分布圖Fig.5 Abnormal distribution map of humidity and luminance in Luanjing area

4 結(jié)論

1）通過遙感方法識別的盆地內(nèi)線型鹽漬帶和濕度帶，有可能是斷裂構(gòu)造切穿地層，地下潛水流出后在地表留下的證據(jù)。其中盆地中干旱地區(qū)由于蒸發(fā)作用主要表現(xiàn)為鹽漬帶，而氣候濕潤地區(qū)主要表現(xiàn)為濕度帶。

2）通過對傳統(tǒng)遙感識別局部排泄帶的方法改進(jìn)，以ETM 遙感影像作為數(shù)據(jù)源，分別使用歸一化的水體指數(shù)和纓帽變換亮度指數(shù)識別水體和鹽漬帶，有助于局部排泄帶的推測和識別，進(jìn)而對可地浸砂巖鈾礦的預(yù)測提供依據(jù)。

3）使用該方法在塔木素和亂井地區(qū)開展了遙感識別實驗，成功獲取了區(qū)域內(nèi)的局部排泄帶，證明了該方法的有效性，并可應(yīng)用于我國北方砂巖盆地的補(bǔ)徑排體系分析。