賈志強(qiáng),蔡曉鳳,郭建東,時(shí) 毓,吳 虹
(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541006;2.廣西壯族自治區(qū)三一〇核地質(zhì)大隊(duì),廣西 桂林 541213;3.廣西壯族自治區(qū)公共資源交易中心,南寧 530022)
遙感勘探是以遙感信息為信息源,通過(guò)遙感反演實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)目標(biāo)探測(cè)的勘探技術(shù),與重力、磁法和電法勘探同屬于應(yīng)用地球物理的學(xué)科分支[1]。雖然Regan等[2]在1992年就將遙感歸入地球物理勘探領(lǐng)域,但未稱為遙感勘探。遙感勘探的提法出現(xiàn)在后來(lái)的遙感應(yīng)用中,如Kingston研究金伯利巖和碳酸巖的光譜反射率特征,為利用遙感技術(shù)進(jìn)行金伯利巖和碳酸巖勘探的潛力進(jìn)行了評(píng)價(jià)[3];平仲良對(duì)萊陽(yáng)東部地區(qū)的石油物質(zhì)光譜特征進(jìn)行了分析討論,建立了提取油氣信息的遙感勘探數(shù)學(xué)模型[4],并利用陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)對(duì)萊州南部地區(qū)進(jìn)行旋鈕構(gòu)造解譯,建立旋鈕構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)金礦礦脈[5];王世洪等利用衛(wèi)星遙感技術(shù),通過(guò)對(duì)柴達(dá)木盆地三湖地區(qū)已知?dú)馓镞b感特征、成藏條件和分布規(guī)律的對(duì)比分析,探索和研究了低幅度構(gòu)造區(qū)域勘探目標(biāo)的方法[6];朱振海對(duì)世界各國(guó)利用遙感技術(shù)勘探油氣的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),提出油氣遙感勘探的研究趨勢(shì)是向多源信息綜合分析的方向發(fā)展[7];黃秀華就石油遙感勘探而言,主要開(kāi)展了土壤吸附烴、△C檢測(cè)法及地植物分析法三種方法的應(yīng)用研究工作[8];王潤(rùn)生等從巖礦波譜、遙感找礦模型等7個(gè)方面介紹了遙感勘探的基本原理和技術(shù)關(guān)鍵,并在新疆進(jìn)行了尋找有色金屬礦的應(yīng)用實(shí)例[9]。這些應(yīng)用都曾采用了遙感勘探或近似遙感勘探的概念,但遺憾的是他們沒(méi)有將遙感勘探置于物探框架中。因此,時(shí)至今日,嚴(yán)格按照地球物理遙感勘探理論找礦的應(yīng)用,尚不多見(jiàn)。本文以遙感勘探技術(shù)框架布局找鈾礦為例,對(duì)遙感勘探的地球物理特征和功能予以展示,以此作為對(duì)其學(xué)科歸屬的加注。
研究區(qū)為桂東地區(qū)的花山花崗巖體出露區(qū), 位于南華活動(dòng)帶海洋山凸起與大瑤山隆起交接部位(圖1)。 花山花崗巖體由印支期、 燕山早期和燕山晚期的3個(gè)不同時(shí)間侵位的巖體單元組成[10], 呈等軸狀出露分布, 出露面積約570 km2。 圍巖主要為泥盆紀(jì)沉積巖。 巖體內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育, 具備熱液型鈾礦成礦的良好地質(zhì)條件(圖2、 圖3)。 幾十年來(lái), 區(qū)內(nèi)探明多處鈾礦點(diǎn)與礦化點(diǎn), 曾是我國(guó)第一塊鈾礦石標(biāo)本采集地[11]。 其鈾礦成礦具有集中分布在多組斷裂構(gòu)造帶的復(fù)合交匯部位, 或者在區(qū)域深斷裂兩側(cè)的碎裂蝕變帶內(nèi), 以碎裂花崗巖微裂隙充填成礦為主要形式的成礦規(guī)律(圖4)[12]。 鈾礦體呈相互平行的陡傾角礦體群出現(xiàn), 礦化巖性為鉀長(zhǎng)石化(堿交代巖)碎裂花崗巖, 鈾礦物以次生硅鈣鈾礦為主, 還見(jiàn)有鈣鈾云母、 銅鈾云母等次生礦物[13-14]。
圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of study area1—省級(jí)政區(qū)界線;2—公路;3—高速公路
圖2 花山花崗巖體地質(zhì)略圖 (據(jù)區(qū)域地質(zhì)測(cè)量報(bào)告修改[15])Fig.2 Geological map of Huashan granite body Q—第四系;D—泥盆系;∈—寒武系;J3X—新路單元;J3Y—銀頂山單元;J3Wy—烏羊山單元;J3W—屋面前單元;J2Nm—牛廟侵入體;O3Yn—養(yǎng)牛坪?jiǎn)卧?/p>
圖3 花山花崗巖體的TM321假彩色合成影像Fig.3 TM321 false color composite image of Huashan granite body
鈾礦遙感勘探的物理學(xué)原理是核物理學(xué)的放射成因熱理論。鈾系中α射線產(chǎn)生的熱量占整個(gè)系列的89%,γ射線占6.5%,β射線占4.5%。由于產(chǎn)鈾花崗巖體放射成因熱的長(zhǎng)期積累,在含礦巖體周圍形成一個(gè)穩(wěn)定的熱場(chǎng)[16]。ETM+6數(shù)據(jù)敏感地表溫差的絕對(duì)精度<0.4 K(單通道法),足以發(fā)現(xiàn)鈾礦產(chǎn)生的放射成因熱異常,結(jié)合其他相關(guān)找礦標(biāo)志,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾礦的勘查[17-21]。
但是,產(chǎn)生地表熱異常的因素很多,除了產(chǎn)鈾花崗巖體的放射成因熱異常外,還有由地物吸收太陽(yáng)短波熱紅外輻射后轉(zhuǎn)換成的長(zhǎng)波熱紅外輻射異常,以及其他各種非礦因素造成的熱紅外異常(如人類活動(dòng)等)。因此,如何從紛亂復(fù)雜的地表熱紅外異常中篩選出鈾礦成因熱異常,乃是成功應(yīng)用之關(guān)鍵,為此采用了特別制定的遙感勘探技術(shù)方案。
圖4 產(chǎn)于花山巖體斷裂中的原生晶質(zhì)鈾礦照片F(xiàn)ig.4 Photos of primary crystalline uranium in Huashan rock fracture
技術(shù)分析:根據(jù)花山巖體內(nèi)斷裂構(gòu)造既是原生鈾礦的導(dǎo)礦構(gòu)造,又是容礦構(gòu)造, 鈾礦賦存與斷裂構(gòu)造在空間位置上完全重合的成礦規(guī)律, 以及前人在本區(qū)開(kāi)展找鈾礦γ能譜測(cè)量取得好找礦效果的事實(shí),制訂了本次遙感勘探的定位反演和定性反演技術(shù)方案。
定位方案:通過(guò)ETM+影像數(shù)據(jù)自帶的成像地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)熱紅外異常和反演γ能譜異常的坐標(biāo)定位;通過(guò)線性/斷裂構(gòu)造對(duì)異常的篩選,實(shí)現(xiàn)反演γ能譜異常的地質(zhì)定位。兩種定位結(jié)合,快速確定對(duì)應(yīng)于反演γ能譜異常的鈾礦點(diǎn)。
定性方案:通過(guò)反演γ能譜異常,進(jìn)行熱紅外異常是礦致還是非礦致的識(shí)別,對(duì)鈾礦致熱紅外異常作出篩選。
本研究采用美國(guó)陸地衛(wèi)星2000年10月Landsat-7 ETM+影像,其國(guó)際軌道號(hào)為124-43。定位反演與定性反演兩種方案相結(jié)合,即為本次全部花山遙感鈾礦勘查工作(圖5)。
遙感勘探定性反演是指通過(guò)定量遙感分析,對(duì)勘探對(duì)象的地學(xué)屬性作出推斷[1]。這是一種基于目標(biāo)信息對(duì)遙感信息統(tǒng)計(jì)回歸的反演方法,花山找鈾礦采用了相關(guān)反演方法。由于區(qū)內(nèi)無(wú)表露的原生鈾礦體,只在一些充填型斷裂石英脈中有極為稀散的原生鈾礦礦化(圖4),因此要建立鈾礦與遙感熱紅外影像信息的直接關(guān)系非常困難。
圖5 花山花崗巖體遙感勘探找鈾礦技術(shù)實(shí)施流程Fig.5 Technical implementation of remote sensing prospecting for uranium deposit in Huashan granite body
但本區(qū)曾在局部地段開(kāi)展過(guò)γ能譜測(cè)量,資料表明,這種物理量對(duì)鈾礦指示作用明顯。因此,在無(wú)實(shí)際已知鈾礦作參照的情況下,以γ能譜異常區(qū)作為原生鈾礦分布區(qū),先在這樣的區(qū)域內(nèi)建立ETM+6熱紅外異常與γ能譜異常的統(tǒng)計(jì)回歸關(guān)系,然后將這一關(guān)系方程推向整個(gè)巖體,計(jì)算出全巖體的反演γ能譜異常,分ETM+對(duì)γ能譜異常敏感波段檢測(cè)試驗(yàn)、反演模型M1建模與地表溫度TS反演和M2建模對(duì)γTS反演三步實(shí)現(xiàn)。
(1) ETM+對(duì)γ能譜異常敏感波段檢測(cè)試驗(yàn)。對(duì)ETM+成因熱最佳敏感波段作檢測(cè),確定示礦波段。分別在6個(gè)已知鈾礦點(diǎn)上作ETM+數(shù)據(jù)的波譜曲線,發(fā)現(xiàn)ETM+6在這6個(gè)點(diǎn)上均為最高值,表明鈾(礦)成因熱客觀存在,且ETM+6對(duì)成因熱具有敏感性,因而ETM+6可作為找鈾示礦波段(圖6)。
圖6 花山花崗巖體已知鈾礦點(diǎn)ETM+1~7波譜曲線Fig.6 Spectral curves of ETM+1-7 in 6 known uranium deposit points of Huashan granite body
(2)M1建模與地表溫度TS反演。M1是由ETM+6亮度值反演求地表溫度TS的模型。雖然熱紅外波段ETM+6與溫度有確定的正比關(guān)系,但這只是其與地表亮溫值的關(guān)系,不是與真實(shí)地表溫度的關(guān)系,為此,要將ETM+6轉(zhuǎn)換為真實(shí)地表溫度TS。轉(zhuǎn)換采用輻射傳輸方程法(又稱大氣校正法),即M1模型。計(jì)算公式為[17]
(1)
式中:K1和K2是Landsat-7衛(wèi)星熱紅外波段的反演常數(shù),K1=666.09 W/(m2·sr·μm),K2=1 252.71 K;B(TS)是當(dāng)溫度為TS時(shí)的黑體輻射亮度, 可以通過(guò)下式計(jì)算得到
(2)
(3) M2建模與γTS反演。 M2是由地表溫度TS反演求γ能譜的回歸值γTS的模型。 理論上, 應(yīng)該采用基于物理學(xué)機(jī)制的γ-T關(guān)系模型, 但限于實(shí)際條件難以實(shí)現(xiàn), 只能采用統(tǒng)計(jì)方法, 建立γTS-TS的定量關(guān)系模型, 以此作為用TS反演γ的模型。 具體以已知鈾礦點(diǎn)和γ異常點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)母體, 對(duì)其γ和TS數(shù)據(jù)作回歸分析,得到二次擬合方程,即M2模型為
圖7 ETM+6影像反演的花山巖體地表溫度TS平面圖 (紅色對(duì)應(yīng)于相對(duì)高溫區(qū),橘黃色對(duì)應(yīng)于相對(duì)低溫區(qū)域)Fig.7 Plane graph of land surface temperature TS of Huashan granite body inverted by ETM+6 image
(3)
該式即為最終用于反演計(jì)算全巖體的反演γ的算法模型。其中γTS表示地表溫度下的TS反演γ異常。與式(3)對(duì)應(yīng)的γ能譜值-TS曲線見(jiàn)圖8,其是一條曲率很小的二次曲線, 相關(guān)系數(shù)約為0.96, 表明γ能譜值-TS屬于高度正相關(guān),因此用M2反演γTS應(yīng)該比較接近實(shí)際γ。
圖8 γ與地表溫度TS關(guān)系擬合曲線Fig.8 Fitting curve of spectrum value γ and surface temperature TS
定位反演是通過(guò)遙感定量解譯獲取勘探對(duì)象的空間信息的過(guò)程[1]。 本研究采取了遙感地理坐標(biāo)定位與地質(zhì)定位相結(jié)合的方法。 所謂地理坐標(biāo)定位, 由于γTS異常來(lái)自基于模型M1和模型M2的ETM+6→TS→γTS一對(duì)一的反演計(jì)算, ETM+6所帶的地理坐標(biāo)(x,y)被自動(dòng)轉(zhuǎn)移到了γTS上, 即γT(x,y)。地質(zhì)定位是指基于地質(zhì)體之間成因關(guān)系的定位;地理坐標(biāo)定位表示的是一種純數(shù)學(xué)位置關(guān)系,而地質(zhì)定位可以反映出成因相關(guān)性等,兩者結(jié)合可以更好地確定花山鈾礦位置。
斷裂構(gòu)造是花山巖體最重要的鈾礦控礦因素,具有導(dǎo)礦和容礦作用。鈾礦成礦具有主要集中于多組斷裂構(gòu)造帶復(fù)合交匯部位,或區(qū)域深斷裂兩側(cè)的碎裂蝕變帶的規(guī)律,沿?cái)嗔褬?gòu)造找礦是本區(qū)鈾礦的找礦方向[22]。具體而言,只有“落”在斷裂構(gòu)造中的γTS異常才可能是礦致異常,具有找鈾礦的指示意義。因此,這相當(dāng)于是對(duì)γTS異常進(jìn)行了“篩選”,“篩子”就是斷裂構(gòu)造。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)γTS在斷裂構(gòu)造中的強(qiáng)弱分布及與相鄰斷裂的交疊位置關(guān)系,結(jié)合地質(zhì)分析,就可以確定鈾礦勘探靶位。具體操作如下:
(1)試驗(yàn)篩選: 只對(duì)有實(shí)測(cè)γ異常點(diǎn)的斷裂構(gòu)造進(jìn)行篩選。 這樣的斷裂構(gòu)造有7條(F1、 F2、F3、F4、F5、F6和F7)。在這些斷裂緩沖帶上,求取每個(gè)點(diǎn)緩沖區(qū)范圍內(nèi)的地表溫度TS的均值,然后用式(3)擬合該點(diǎn)的γTS值,如此得到點(diǎn)段異常(圖9)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),γTS異常的均值為692.8,均方差為204.2,取均值與1.6倍均方差之和為一級(jí)γTS異常,用紅色表示;取均值與低于一級(jí)異常之間的數(shù)值為二級(jí)γTS異常,用橙色表示;其他低于均值者不作為異常,用淺黃色表示。由圖9可見(jiàn),在這些斷裂的交匯復(fù)合部位一般有較高的γTS異常。這與該部位存在兩個(gè)以上方向輸送的成礦組分疊加匯集,從而使得鈾礦組分增多有關(guān)。已知礦點(diǎn)白腳石、兩安及長(zhǎng)沖都位于這些部位,印證了這一成礦規(guī)律。圖10是F1—F7斷裂構(gòu)造的反演γTS異常剖面曲線圖,γTS在不同剖面上變化起伏較大,間接反映出鈾礦組分在斷裂構(gòu)造中遷移富集的不均勻性。事實(shí)上,已知礦體的確是在斷裂中呈斷續(xù)延伸展布的,無(wú)整條斷裂都含礦的情況,這一規(guī)律對(duì)本區(qū)找鈾礦有實(shí)際指導(dǎo)意義。
(2)正式篩選:鑒于試驗(yàn)篩選在7條主要斷裂上的有效性,將這種作法推廣到整個(gè)巖體,開(kāi)展面向全巖體的正式篩選。首先通過(guò)對(duì)整個(gè)花山巖體的遙感線性構(gòu)造解譯,得到了全巖體的斷裂構(gòu)造分布圖;然后, 采用與試驗(yàn)性篩選相同的步驟, 將全區(qū)的反演γTS異常與全巖體的線性構(gòu)造疊加。根據(jù)每條斷裂構(gòu)造上疊加的反演γTS異常的長(zhǎng)度和強(qiáng)度延伸,確定出一級(jí)和二級(jí)反演γTS異常段,讓每條斷裂構(gòu)造的鈾礦“含礦性”建立起明確表示,從而實(shí)現(xiàn)定性與定位勘探相結(jié)合的找礦方式。這種兩者結(jié)合找礦的總成果圖見(jiàn)圖11。
圖9 點(diǎn)、段γTS異常篩選試驗(yàn)Fig.9 γTS abnormal screening test for points and segments a—點(diǎn)γTS異常與斷裂構(gòu)造疊加; b—段γTS異常與斷裂構(gòu)造疊加
圖10 花山花崗巖體的F1—F7斷裂剖面反演的 γTS 異常曲線Fig.10 Curves of inversion anomaly γTS along the F1-F7 fracture sections of Huashan granite body
通過(guò)對(duì)31條斷裂構(gòu)造與γTS異常的疊加篩選,在花山巖體中獲得了一批一級(jí)與二級(jí)鈾礦γTS異常。為下一步的地質(zhì)勘查需要,進(jìn)行了相關(guān)信息統(tǒng)計(jì),內(nèi)容包括:斷裂編號(hào)、斷裂賦存(穿越)的巖體單元、 斷裂首尾和轉(zhuǎn)折部位的坐標(biāo)(文中未附)、斷裂長(zhǎng)度、含A級(jí)γTS異常段和含B級(jí)γTS異常段的長(zhǎng)度、異常長(zhǎng)度及占全斷裂的比例等。因文章篇幅關(guān)系,只列出4條主要斷裂F1、F2、F3、F4的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
歸納表1 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:斷裂F1、F2、F3、F4總長(zhǎng)度為66.205 km。其中,一級(jí)異常斷裂長(zhǎng)度為11.171 km,占斷裂總長(zhǎng)度的16.87%;二級(jí)異常斷裂長(zhǎng)度為32.586 km,占斷裂總長(zhǎng)度的49.22%。一級(jí)與二級(jí)兩種斷裂總長(zhǎng)度為43.757 km,占斷裂總長(zhǎng)度的66.09%。
全區(qū)31條斷裂的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:31條斷裂總長(zhǎng)度為181.301 km。其中,一級(jí)異常斷裂長(zhǎng)度為22.546 km,占斷裂總長(zhǎng)度的12.44%;二級(jí)異常斷裂長(zhǎng)度為64.718 km,占斷裂總長(zhǎng)度的35.70%。一級(jí)與二級(jí)斷裂總長(zhǎng)度為87.264 km,占斷裂總長(zhǎng)度的48.13%。
統(tǒng)計(jì)結(jié)果評(píng)價(jià):不論是試驗(yàn)篩選的F1、F2、F3、F4斷裂,還是全區(qū)的31條斷裂,一級(jí)異常斷裂占全巖體斷裂總長(zhǎng)度達(dá)12.44%~16.87%,表明花山巖體斷裂具有較高的鈾礦含礦性,目前勘查掌握的只是局部礦體,整個(gè)花山地區(qū)仍然具有較大的找鈾礦潛力。
通過(guò)本次采用實(shí)測(cè)γ能譜數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感ETM+6影像數(shù)據(jù)結(jié)合,反演花山巖體出露區(qū)域的γ能譜異常,確定原生鈾礦床靶段(點(diǎn))的工作,表明采用遙感勘探技術(shù)在花山地區(qū)找鈾礦是可行的。雖然受條件限制,這些靶段(點(diǎn))還有待于地質(zhì)勘探工程驗(yàn)證,即使在這樣的情況下,對(duì)這次遙感勘探實(shí)踐成果作出以下總結(jié):
圖11 基于反演γTS異常的全巖體的斷裂構(gòu)造鈾礦含礦性評(píng)價(jià)Fig.11 Ore bearing capacity evaluation of fracture structure in uranium deposit of the whole granite body based on inversion anomaly γTS Q—第四系;D—泥盆系;∈—寒武系;J3X—新路單元;J3Y—銀頂山單元;J3Wy—烏羊山單元;J3W—屋面前單元;J2Nm—牛廟侵入體;O3Yn—養(yǎng)牛坪?jiǎn)卧?1—一級(jí)γTS異常;2—二級(jí)γTS異常;3—γTS無(wú)異常;4—γ異常實(shí)測(cè)點(diǎn);5—實(shí)測(cè)礦化點(diǎn);6—地質(zhì)界線
(1)采用基于實(shí)測(cè)γ能譜數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感ETM+6影像數(shù)據(jù)結(jié)合,建立ETM+6-TS反演模型M1及TS-γTS反演模型M2,計(jì)算反演γTS異常,以遙感線性構(gòu)造作為篩選器對(duì)γTS作篩選,根據(jù)統(tǒng)計(jì)原則將篩選出的γTS異常分成為一級(jí)與二級(jí)異常,為深化本區(qū)鈾礦找礦提供新依據(jù),這一遙感勘探找鈾礦的技術(shù)方案是可行的。
(2)本次對(duì)整個(gè)花山巖體分布區(qū)內(nèi)γ能譜異??焖偃Χū砻? 雖然遙感定位和定性反演勘探在理論上成立, 但在應(yīng)用時(shí)必須結(jié)合實(shí)際情況。 擁有已知礦點(diǎn)的有效γ能譜異常數(shù)據(jù)為本次應(yīng)用特有的輔助條件, 從而可以通過(guò)它們建立起鈾礦γ能譜異常強(qiáng)度與ETM+6影像數(shù)據(jù)的定量關(guān)系, 即TS-ETM+6及γ-TS兩個(gè)反演模型。如果沒(méi)有此條件,無(wú)法達(dá)到所取得效果。由于有效γ能譜異常是作為與鈾礦礦化具有同等找礦效力的信息,這為掌握已知礦與遙感信息ETM+6之間的關(guān)系提供了依據(jù)。 因此, 擁有實(shí)測(cè)γ能譜異常信息是實(shí)現(xiàn)本次鈾礦遙感勘探成功的關(guān)鍵。
表1 花山鈾礦F1、F2、F3和F4斷裂遙感反演γTS異常統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of γTS anomalies in remote sensing inversion of fracture F1,F2,F3 and F4 in Huashan uranium mine
(3)借助線性構(gòu)造-斷裂控礦的關(guān)系篩選γTS異常,可以快速縮小鈾礦找礦靶段和靶位,這是本次遙感勘探得以成功的又一個(gè)重要舉措。如果單純依靠反演的γTS異常,將難于解決消除假γTS異常干擾問(wèn)題,而單純依靠遙感數(shù)據(jù)帶的地理坐標(biāo),不足以解決本區(qū)鈾礦勘查準(zhǔn)確定位問(wèn)題。
(4)本次采用遙感勘探“雙定位”技術(shù)在花山巖體中共確定出含一級(jí)反演γ能譜異常γTS的斷裂長(zhǎng)度為22.546 km, 占斷裂總長(zhǎng)度的12.44%; 含二級(jí)反演γ能譜異常γTS的斷裂長(zhǎng)度為64.718 km, 占斷裂總長(zhǎng)度的35.70%。 一級(jí)與二級(jí)兩種斷裂長(zhǎng)度為87.264 km, 占斷裂總長(zhǎng)度的48.13%。 彌補(bǔ)了采用常規(guī)技術(shù)手段在該地區(qū)找鈾礦的不足,為打開(kāi)該區(qū)找鈾礦新局面提供了新依據(jù)。