砂巖型鈾礦航放鈾含量與微地形相關(guān)性特征研究

田宇，常樹帥，劉丹，陳江源，魏永強(qiáng)

（1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊，050002；2.國(guó)家核應(yīng)急航空監(jiān)測(cè)中心，河北 石家莊，050002；3.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊，050002）

2019 年，中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局下達(dá)了“二連盆地地質(zhì)資料綜合開發(fā)利用及編圖”項(xiàng)目，該項(xiàng)目的工作內(nèi)容包括航磁、航放數(shù)據(jù)集成處理，并進(jìn)行綜合成礦預(yù)測(cè)。在對(duì)已知砂巖型鈾礦與航放數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)并非所有鈾礦都位于航放高場(chǎng)內(nèi)，還有部分鈾礦位于航放高場(chǎng)邊緣；而在數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)上，絕大部分鈾礦處于地形由高向低變化部位或處于相對(duì)坡底部位（圖1）。受微地形的影響，已知鈾礦區(qū)航放鈾含量分布特征更為復(fù)雜。為分析產(chǎn)生上述情況的原因，以及充分挖掘航放數(shù)據(jù)與DEM 數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的與成礦有關(guān)信息，筆者試圖通過對(duì)航放鈾含量與微地形進(jìn)行相關(guān)分析，在航放資料處理解釋方面進(jìn)行探討，以期深化對(duì)航放異常的認(rèn)識(shí)，更好地提高航放測(cè)量的地質(zhì)效果。

圖1 二連盆地烏蘭察布坳陷航放鈾含量與DEM 數(shù)據(jù)疊合影像圖Fig.1 The superimposed image of airborne uranium content and DEM data in Ulanchabu depression of Erlian basin

1 研究基礎(chǔ)

1.1 微地形定義及其研究意義

微地形簡(jiǎn)而言之就是地表的微弱起伏，即相對(duì)高程變化小的一種起伏地表，在此特指1 km 范圍內(nèi)的地形變化不超過50 m。對(duì)于砂巖型鈾礦而言，其主要產(chǎn)于長(zhǎng)時(shí)期接受沉降且成礦后構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并不強(qiáng)烈的盆地內(nèi)，因其地表起伏并不強(qiáng)烈，所以應(yīng)用了微地形概念用以研究其與砂巖型鈾礦成礦之間的關(guān)系。

砂巖型鈾礦是外生后成鈾礦床，根據(jù)砂巖型鈾礦成礦模式，含鈾含氧水沿砂巖層向前運(yùn)移過程中，不斷消耗氧而使鈾沉淀下來形成主要鈾礦體，或深部的油氣通過斷裂到達(dá)砂巖層，使原有的氧化環(huán)境變成還原環(huán)境沉淀出部分鈾礦體［1-3］。對(duì)于外生成礦來說，無論是什么類型的礦床，盡管其具體的成礦作用各不相同，但總的來說都是以水作為載體對(duì)鈾礦質(zhì)從源、遷移、匯（成礦）到保存4 個(gè)環(huán)節(jié)相互嵌套的動(dòng)力學(xué)過程［4］，而地表水及潛水的發(fā)育及流動(dòng)與原始地形地貌密切相關(guān)。

我國(guó)北方主要產(chǎn)鈾盆地砂巖型鈾礦的成礦年齡都比含礦層位的沉積時(shí)代年輕很多，成礦時(shí)代大部分集中在古近紀(jì)和新近紀(jì)，部分盆地的成礦時(shí)代延伸至了第四紀(jì)，具有“幕式”及多階段特征［5-6］。因此，可以推斷現(xiàn)代地形地貌對(duì)于砂巖型鈾礦的富集成礦有潛在的影響。

近年來，相關(guān)學(xué)者也曾利用數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)進(jìn)行過鈾成礦規(guī)律的研究，如核工業(yè)二七〇研究所張萬良等人基于DEM 的面積-高程曲線計(jì)算，研究了硬巖型鈾礦相山鈾礦田地貌形體與鈾礦空間分布關(guān)系，并得出了鈾礦空間分布與地貌形體有一定關(guān)系的結(jié)論，即鈾礦床礦點(diǎn)的分布與地表侵蝕程度有關(guān)［7］。東華理工大學(xué)孫岳等人研究了烏茲別克斯坦中卡茲庫(kù)姆地區(qū)砂巖型鈾礦與DEM 數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)聯(lián)，利用DEM數(shù)據(jù)提取了高程、坡度、坡向、地形起伏度等各類地貌因子，并進(jìn)行了定量分析，研究結(jié)果表明中卡茲庫(kù)姆地區(qū)砂巖型鈾礦發(fā)育于Ⅳ級(jí)夷平面附近、集中于低海拔和低地形起伏度的有利區(qū)域，并根據(jù)地貌因子圈定了砂巖型鈾礦賦存的有利區(qū)域［8］。

1.2 相關(guān)分析理論基礎(chǔ)

相關(guān)分析在此指相關(guān)系數(shù)分析。相關(guān)系數(shù)是一個(gè)界于-1 與＋1 之間的無量綱指數(shù)，反映兩個(gè)數(shù)據(jù)集合之間的線性相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)大于零，表示兩變量正相關(guān)，因變量有隨自變量同步增加或同步減少的趨勢(shì)。相關(guān)系數(shù)小于零，表示兩變量負(fù)相關(guān)，因變量有隨自變量增加而減少（或因變量隨自變量減少而增加）的趨勢(shì)。公式為：

式中：r為相關(guān)系數(shù)值；x1，x2為相關(guān)分析的兩變量；n為對(duì)比取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，即匹配數(shù)。

相關(guān)分析是放射性物探工作中常用的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，用以研究某一變量與其他變量之間的關(guān)系。例如巖石或礦石中鈾與釷之間的關(guān)系，放射性元素與其他伴生元素之間的關(guān)系，兩個(gè)鉆孔的測(cè)井資料的對(duì)比、地層剖面對(duì)比、鉆孔柱狀圖的對(duì)比等。

2 砂巖型鈾礦航放鈾含量與微地形相關(guān)分析

既然已知鈾礦區(qū)受微地形的影響，航放鈾含量可能顯示為高場(chǎng)，也可能顯示為高場(chǎng)的邊緣，使鈾元素分布特征復(fù)雜化。那么究竟已知鈾礦區(qū)航放鈾含量與微地形存在怎樣的關(guān)系就值得深入探究。以二連盆地已知的砂巖型鈾礦為研究對(duì)象，采用相關(guān)性分析法對(duì)航放鈾含量及微地形的相關(guān)性進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)，以期總結(jié)已知鈾礦航放鈾含量與微地形的特征關(guān)系，并據(jù)此對(duì)成礦有利區(qū)的劃分提供指導(dǎo)。

2.1 相關(guān)系數(shù)提取方法

2.1.1 航放數(shù)據(jù)來源

本次采用的數(shù)據(jù)來源于核工業(yè)航測(cè)遙感中心于1979—2018 年間在二連盆地飛行獲取的航放數(shù)據(jù)，因不同時(shí)期使用的測(cè)量?jī)x器、比例尺、測(cè)線方向等均不盡相同，所以對(duì)各測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了連片及調(diào)平處理，并形成了全區(qū)的網(wǎng)格文件。

2.1.2 地形數(shù)據(jù)來源

地形數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http：//www.gscloud.cn），以平臺(tái)中的ASTER GDEM V2版數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其空間分辨率為30 m，并將獲取的地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格文件。

2.1.3 相關(guān)系數(shù)提取

首先，生成南北向500 m 線距、50 m 點(diǎn)距的測(cè)線文件，并據(jù)此提取了測(cè)線上的航放鈾含量及地形高程數(shù)據(jù)；其次，利用自編軟件，逐測(cè)線進(jìn)行航放鈾含量與地形高程相關(guān)系數(shù)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格化，從而形成全區(qū)的相關(guān)系數(shù)網(wǎng)格文件，進(jìn)而提取已知鈾礦位置的相關(guān)系數(shù)。因使用滑動(dòng)窗口法求取每條測(cè)線的相關(guān)系數(shù)，所以滑動(dòng)窗口的寬度選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大的影響，本次分別選取了3 km、5 km、7 km、10 km 窗口寬度的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用以分析最佳的滑動(dòng)窗口寬度。

2.2 二連盆地典型礦床分析

2.2.1 腦木根地區(qū)

腦木根礦床及137、701 礦化點(diǎn)均處于高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)過渡的斜坡帶上，其中腦木根礦床略接近于坡底（圖2A）。從航放鈾含量剖面上可以看出（圖2B），腦木根礦床處于平緩背景場(chǎng)向高場(chǎng)變化的梯度帶上，背景場(chǎng)的鈾含量在1.8 ×10-6左右，坡底位置對(duì)應(yīng)的鈾含量最高，可達(dá)5.7×10-6；137 及701 礦化點(diǎn)處于高場(chǎng)向背景場(chǎng)的過渡地段，并有微弱的局部異常顯示，鈾含量分別為2.24×10-6、2.39×10-6。在相關(guān)系數(shù)曲線上，當(dāng)滑動(dòng)窗口寬度為3 km時(shí)，曲線形態(tài)較為雜亂，規(guī)律性差；滑動(dòng)窗口在5～10 km曲線上均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤以7 km及10 km窗口曲線對(duì)區(qū)域性相關(guān)性反映的最為明顯，相關(guān)系數(shù)介于-0.8～-0.5之間（圖2C、D、E、F）。

圖2 腦木根地區(qū)航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)綜合剖面圖Fig.2 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Naomugen area

2.2.2 努和廷地區(qū)

努和廷礦床及217、240 礦化點(diǎn)同樣處于高海拔地區(qū)向低海拔地區(qū)過渡的斜坡帶上，其中努和廷礦床略接近于坡底（圖3A）。在航放鈾含量剖面上（圖3B），努和廷礦床及217、240 礦化點(diǎn)均表現(xiàn)為低背景場(chǎng)中的局部弱異常，其鈾含量分別為1.49×10-6、1.86×10-6、1.75×10-6，異常特征不顯著。在滑動(dòng)窗口3 km 及5 km 相關(guān)曲線上努和廷礦床從正相關(guān)關(guān)系向不相關(guān)關(guān)系變化，217 及240礦化點(diǎn)則表現(xiàn)為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；在5～10 km滑動(dòng)窗口相關(guān)曲線上，努和廷礦床則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中滑動(dòng)窗口10 km曲線將217礦化點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)由負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)榱苏嚓P(guān)，這是由于滑動(dòng)窗口寬度的變大對(duì)局部曲線形態(tài)造成的影響；尤以7 km 窗口曲線對(duì)區(qū)域性相關(guān)關(guān)系反映最為明顯，其相關(guān)系數(shù)介于-0.6～-0.3（圖3C、D、E、F）。

圖3 努和廷地區(qū)航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)綜合剖面圖Fig.3 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Nuheting area

綜上分析，二連盆地典型鈾礦床航放鈾含量與微地形的相關(guān)系數(shù)主要介于負(fù)相關(guān)-不相關(guān)之間，即已知鈾礦往往分布于局部地形低、航放鈾含量高的地區(qū)或局部地形高、航放鈾含量低的地區(qū)，說明這些地段分布較多的活性鈾或說明鈾表生遷移能力強(qiáng)。3 km 及5 km 窗口曲線較為凌亂，而7 km 及10 km 對(duì)區(qū)域性相關(guān)關(guān)系反映最為顯著，由此認(rèn)為7 km 或10 km 滑動(dòng)窗口圈定的負(fù)相關(guān)區(qū)域可以作為成礦有利區(qū)。

利用10 km 滑動(dòng)窗口編制了二連盆地航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)影像圖（圖4），從圖中可以看出，絕大多數(shù)鈾礦處于航放鈾含量與微地形的負(fù)相關(guān)區(qū)內(nèi)，且負(fù)相關(guān)區(qū)的分布區(qū)域與主要的含礦砂體分布區(qū)域具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

圖4 二連盆地航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)影像圖Fig.4 Image map of the correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Erlian basin

3 航放鈾含量與微地形負(fù)相關(guān)區(qū)形成機(jī)理分析

實(shí)踐證明，雖然砂巖型鈾礦床是隱伏盲礦，其上覆蓋較厚（特別是有致密的隔水泥巖），但當(dāng)其埋深較小時(shí)（一般小于500 m），仍然能在地表或空中觀測(cè)到弱放射性異常顯示，即高精度航放測(cè)量能探測(cè)到這種微弱變化［9］。航放測(cè)量之所以能夠探測(cè)到微弱的異常，是由于航放主要探測(cè)鈾與氡的共同衰變子體214Bi的γ 射線，其母體的運(yùn)移機(jī)制適用于超微量金屬的地氣運(yùn)移機(jī)理和氡的接力遷移理論［10-15］（圖5）。通過地氣攜帶的“納米級(jí)”鈾等微粒在地表局部形成富集，從而被航放測(cè)量探測(cè)到，而富集在地表的微粒容易受到機(jī)械搬運(yùn)及化學(xué)搬運(yùn)的影響，由高程相對(duì)較高地區(qū)向較低地區(qū)進(jìn)行橫向運(yùn)移，這也正是部分航放異常區(qū)域與鈾礦體在地表投影位置有一定偏移的原因。

圖5 砂巖型鈾礦與航放鈾含量、微地形關(guān)系模式圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［15］修改）Fig.5 The relationship between sandstone-type uranium deposits and airborne uranium content and micro-topography（modified after reference［15］）

通過對(duì)砂巖型鈾礦與航放鈾含量、微地形的綜合分析可以看出，他們之間存在三種關(guān)系（圖4）。一是鈾礦處于斜坡帶上，由超微量金屬的地氣運(yùn)移機(jī)理可知，在地表富集的鈾等放射性微?？尚纬珊椒女惓?，但同時(shí)在受到表生作用的影響下，放射性微粒會(huì)隨地形變化而遷移，在航放異常曲線上則表現(xiàn)為非對(duì)稱形態(tài)，即地形高的一側(cè)較陡，地形低的一側(cè)較緩，而在相關(guān)系數(shù)曲線上會(huì)展現(xiàn)出較弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系；二是礦床處于坡頂位置，地表雖有放射性微粒富集，但由于表生作用強(qiáng)烈，放射性微粒大多由地形高的區(qū)域向地形低的區(qū)域進(jìn)行了遷移，此時(shí)在航放鈾含量曲線上會(huì)出現(xiàn)略低于其背景場(chǎng)的特征，在等值線平面圖上則處于高場(chǎng)或偏高場(chǎng)的邊部，在相關(guān)系數(shù)曲線上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系；三是礦體處于坡底，此種情況下上升至地表的放射性微粒直接在坡底富集，并且還會(huì)接受周邊鈾元素的遷移富集，此時(shí)在航放鈾含量曲線上會(huì)有明顯的異常顯示，在相關(guān)系數(shù)曲線上則表現(xiàn)為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 負(fù)相關(guān)在其他盆地砂巖型鈾礦的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證其他盆地的砂巖型鈾礦是否也處于航放鈾含量與微地形的負(fù)相關(guān)帶內(nèi)，選取了我國(guó)北方的鄂爾多斯盆地及松遼盆地內(nèi)的典型砂巖型鈾礦進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

4.1 鄂爾多斯盆地大營(yíng)-柴登壕地區(qū)

大營(yíng)-柴登壕地區(qū)內(nèi)的礦床及礦化點(diǎn)所在位置的地形較其周邊變化不大，約有50 m 左右的高差（圖6A）。在航放鈾含量剖面上（圖6B），72 礦化點(diǎn)有微弱的異常顯示，鈾含量為2.79×10-6，大營(yíng)、柴登壕礦床及5029 礦化點(diǎn)均處于背景場(chǎng)中，無明顯異常顯示，背景場(chǎng)的鈾含量在2.0×10-6左右。從相關(guān)系數(shù)曲線上可以看出，滑動(dòng)窗口為3 km 時(shí)，72 礦化點(diǎn)及大營(yíng)礦床表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，柴登壕礦床及5029 礦化點(diǎn)表現(xiàn)為不相關(guān)（相關(guān)系數(shù)接近于0），在5～10 km 窗口曲線上，除柴登壕礦床外，其他礦床、礦化點(diǎn)均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，柴登壕礦床則表現(xiàn)為不相關(guān)（圖6C、D、E、F）。

圖6 大營(yíng)-柴登壕地區(qū)航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)綜合剖面圖Fig.6 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Daying-Chaidenghao area

4.2 松遼盆地錢家店-大林地區(qū)

從錢家店-大林地區(qū)航放鈾含量與微地形相關(guān)關(guān)系綜合剖面圖可知，錢2 及錢4 礦床所在位置的地形較為平緩，大林礦床所在位置的地形較其周邊約有30 m 左右的高差（圖7A）。錢2 及錢4 礦床處于背景場(chǎng)中、無明顯異常顯示，鈾含量在1.5×10-6左右，大林礦床則有明顯的異常顯示，鈾含量達(dá)3.05×10-6（圖7B）。在相關(guān)系數(shù)曲線上，錢2 礦床在3～10 km 窗口曲線上均表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，錢4 及大林礦床在3 km 及5 km 窗口曲線表現(xiàn)為不相關(guān)，在7 km 及10 km 窗口曲線上則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖7C、D、E、F）。

圖7 錢家店-大林地區(qū)航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)綜合剖面圖Fig.7 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Qianjiadian-Dalin area

從鄂爾多斯盆地及松遼盆地典型砂巖型鈾礦航放鈾含量與微地形相關(guān)分析結(jié)果可以看出，已知砂巖型鈾礦區(qū)域同樣出現(xiàn)了航放鈾含量與微地形的負(fù)相關(guān)區(qū)，說明了負(fù)相關(guān)區(qū)對(duì)砂巖型鈾礦的賦存具有一定的指示意義，這為砂巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)提供了十分有參考價(jià)值的信息。

5 已知鈾礦航放鈾含量與微地形相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析

通過提取二連、鄂爾多斯及松遼盆地砂巖型鈾礦床、礦（化）點(diǎn)、異常點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)一步說明利用相關(guān)系數(shù)劃分成礦有利區(qū)的有效性。

本次使用10 km 窗口進(jìn)行微地形與鈾含量的相關(guān)關(guān)系計(jì)算，據(jù)此提取了二連、鄂爾多斯及松遼盆地170 個(gè)砂巖型鈾礦床、礦（化）點(diǎn)、異常點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鈾礦床、礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)及異常點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)平均值分別為-0.22、-0.20、-0.20及-0.17（表1）。

表1 鈾礦航放鈾含量與微地形相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Correlation coefficient between airborne uranium content of uranium mineralization and micro-topography

從相關(guān)系數(shù)分布直方圖中可以看出（圖8），相關(guān)系數(shù)-1～0 之間的鈾礦床有12 個(gè)，占總數(shù)的80 %；相關(guān)系數(shù)-1～0 之間的鈾礦點(diǎn)有11個(gè)，占總數(shù)的73.30 %；相關(guān)系數(shù)-1～0 之間的鈾礦化點(diǎn)有28 個(gè)，占總數(shù)的59.6 %；相關(guān)系數(shù)-1～0 之間的鈾異常點(diǎn)有62 個(gè)，占總數(shù)的66.7 %；同時(shí)，處于負(fù)相關(guān)區(qū)內(nèi)的礦床、礦（化）點(diǎn)等共有113 個(gè)，占總數(shù)的66.5%。據(jù)此說明絕大多數(shù)鈾礦處于航放鈾含量與微地形的負(fù)相關(guān)區(qū)域內(nèi)，表明利用負(fù)相關(guān)區(qū)域劃分成礦有利區(qū)具有一定有效性。負(fù)相關(guān)的鈾礦床及礦點(diǎn)所占比例顯著高于負(fù)相關(guān)的鈾礦化點(diǎn)及異常點(diǎn)所占比例，推斷為礦化點(diǎn)及異常點(diǎn)的規(guī)模較小、鈾遷移量少，導(dǎo)致其在航放鈾含量曲線上反映不明顯所致。

圖8 相關(guān)系數(shù)分布直方圖Fig.8 Histogram of correlation coefficient

6 結(jié)論

本論文僅是針對(duì)砂巖型鈾礦空間分布與航放鈾含量、微地形之間關(guān)系的一次探索性研究工作。研究結(jié)果表明，砂巖型鈾礦與航放鈾含量、微地形的負(fù)相關(guān)區(qū)具有空間關(guān)聯(lián)，對(duì)尋找砂巖型鈾礦具有一定的指示意義；相關(guān)分析最佳的滑動(dòng)窗口寬度為7 km 或10 km；當(dāng)前利用航放數(shù)據(jù)進(jìn)行砂巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)時(shí)主要依靠航放弱信息提取技術(shù)，相關(guān)分析可作為一種補(bǔ)充手段與弱信息提取技術(shù)結(jié)合預(yù)測(cè)。