广西花山花岗岩铀矿遥感勘探

贾志强,蔡晓凤,郭建东,时 毓，吴 虹

(1.桂林理工大学 地球科学学院,广西 桂林 541006;2.广西壮族自治区三一〇核地质大队,广西 桂林 541213;3.广西壮族自治区公共资源交易中心,南宁 530022)

遥感勘探是以遥感信息为信息源,通过遥感反演实现对地质目标探测的勘探技术,与重力、磁法和电法勘探同属于应用地球物理的学科分支[1]。虽然Regan等[2]在1992年就将遥感归入地球物理勘探领域,但未称为遥感勘探。遥感勘探的提法出现在后来的遥感应用中,如Kingston研究金伯利岩和碳酸岩的光谱反射率特征，为利用遥感技术进行金伯利岩和碳酸岩勘探的潜力进行了评价[3]；平仲良对莱阳东部地区的石油物质光谱特征进行了分析讨论，建立了提取油气信息的遥感勘探数学模型[4]，并利用陆地卫星TM数据对莱州南部地区进行旋钮构造解译，建立旋钮构造的数学模型预测金矿矿脉[5]；王世洪等利用卫星遥感技术，通过对柴达木盆地三湖地区已知气田遥感特征、成藏条件和分布规律的对比分析，探索和研究了低幅度构造区域勘探目标的方法[6]；朱振海对世界各国利用遥感技术勘探油气的研究成果进行了系统总结，提出油气遥感勘探的研究趋势是向多源信息综合分析的方向发展[7]；黄秀华就石油遥感勘探而言，主要开展了土壤吸附烃、△C检测法及地植物分析法三种方法的应用研究工作[8]；王润生等从岩矿波谱、遥感找矿模型等7个方面介绍了遥感勘探的基本原理和技术关键，并在新疆进行了寻找有色金属矿的应用实例[9]。这些应用都曾采用了遥感勘探或近似遥感勘探的概念,但遗憾的是他们没有将遥感勘探置于物探框架中。因此,时至今日,严格按照地球物理遥感勘探理论找矿的应用,尚不多见。本文以遥感勘探技术框架布局找铀矿为例,对遥感勘探的地球物理特征和功能予以展示,以此作为对其学科归属的加注。

1 地质背景

研究区为桂东地区的花山花岗岩体出露区, 位于南华活动带海洋山凸起与大瑶山隆起交接部位(图1)。 花山花岗岩体由印支期、 燕山早期和燕山晚期的3个不同时间侵位的岩体单元组成[10], 呈等轴状出露分布, 出露面积约570 km2。 围岩主要为泥盆纪沉积岩。 岩体内断裂构造发育, 具备热液型铀矿成矿的良好地质条件(图2、 图3)。 几十年来, 区内探明多处铀矿点与矿化点, 曾是我国第一块铀矿石标本采集地[11]。 其铀矿成矿具有集中分布在多组断裂构造带的复合交汇部位, 或者在区域深断裂两侧的碎裂蚀变带内, 以碎裂花岗岩微裂隙充填成矿为主要形式的成矿规律(图4)[12]。 铀矿体呈相互平行的陡倾角矿体群出现, 矿化岩性为钾长石化(碱交代岩)碎裂花岗岩, 铀矿物以次生硅钙铀矿为主, 还见有钙铀云母、 铜铀云母等次生矿物[13-14]。

图1 研究区地理位置图Fig.1 Location of study area1—省级政区界线;2—公路;3—高速公路

图2 花山花岗岩体地质略图 (据区域地质测量报告修改[15])Fig.2 Geological map of Huashan granite body Q—第四系;D—泥盆系;∈—寒武系;J3X—新路单元;J3Y—银顶山单元;J3Wy—乌羊山单元;J3W—屋面前单元;J2Nm—牛庙侵入体;O3Yn—养牛坪单元

图3 花山花岗岩体的TM321假彩色合成影像Fig.3 TM321 false color composite image of Huashan granite body

2 技术方案

2.1 原理与技术关键

铀矿遥感勘探的物理学原理是核物理学的放射成因热理论。铀系中α射线产生的热量占整个系列的89%,γ射线占6.5%,β射线占4.5%。由于产铀花岗岩体放射成因热的长期积累,在含矿岩体周围形成一个稳定的热场[16]。ETM+6数据敏感地表温差的绝对精度<0.4 K(单通道法),足以发现铀矿产生的放射成因热异常,结合其他相关找矿标志,就可以实现对铀矿的勘查[17-21]。

但是,产生地表热异常的因素很多,除了产铀花岗岩体的放射成因热异常外,还有由地物吸收太阳短波热红外辐射后转换成的长波热红外辐射异常,以及其他各种非矿因素造成的热红外异常(如人类活动等)。因此,如何从纷乱复杂的地表热红外异常中筛选出铀矿成因热异常,乃是成功应用之关键，为此采用了特别制定的遥感勘探技术方案。

图4 产于花山岩体断裂中的原生晶质铀矿照片Fig.4 Photos of primary crystalline uranium in Huashan rock fracture

2.2 技术方案

技术分析:根据花山岩体内断裂构造既是原生铀矿的导矿构造,又是容矿构造, 铀矿赋存与断裂构造在空间位置上完全重合的成矿规律, 以及前人在本区开展找铀矿γ能谱测量取得好找矿效果的事实,制订了本次遥感勘探的定位反演和定性反演技术方案。

定位方案:通过ETM+影像数据自带的成像地理坐标实现热红外异常和反演γ能谱异常的坐标定位;通过线性/断裂构造对异常的筛选,实现反演γ能谱异常的地质定位。两种定位结合,快速确定对应于反演γ能谱异常的铀矿点。

定性方案:通过反演γ能谱异常,进行热红外异常是矿致还是非矿致的识别,对铀矿致热红外异常作出筛选。

本研究采用美国陆地卫星2000年10月Landsat-7 ETM+影像,其国际轨道号为124-43。定位反演与定性反演两种方案相结合,即为本次全部花山遥感铀矿勘查工作(图5)。

3 遥感反演

3.1 定性反演

遥感勘探定性反演是指通过定量遥感分析,对勘探对象的地学属性作出推断[1]。这是一种基于目标信息对遥感信息统计回归的反演方法，花山找铀矿采用了相关反演方法。由于区内无表露的原生铀矿体,只在一些充填型断裂石英脉中有极为稀散的原生铀矿矿化(图4),因此要建立铀矿与遥感热红外影像信息的直接关系非常困难。

图5 花山花岗岩体遥感勘探找铀矿技术实施流程Fig.5 Technical implementation of remote sensing prospecting for uranium deposit in Huashan granite body

但本区曾在局部地段开展过γ能谱测量,资料表明,这种物理量对铀矿指示作用明显。因此,在无实际已知铀矿作参照的情况下,以γ能谱异常区作为原生铀矿分布区,先在这样的区域内建立ETM+6热红外异常与γ能谱异常的统计回归关系,然后将这一关系方程推向整个岩体,计算出全岩体的反演γ能谱异常,分ETM+对γ能谱异常敏感波段检测试验、反演模型M1建模与地表温度TS反演和M2建模对γTS反演三步实现。

(1) ETM+对γ能谱异常敏感波段检测试验。对ETM+成因热最佳敏感波段作检测,确定示矿波段。分别在6个已知铀矿点上作ETM+数据的波谱曲线,发现ETM+6在这6个点上均为最高值,表明铀(矿)成因热客观存在,且ETM+6对成因热具有敏感性,因而ETM+6可作为找铀示矿波段(图6)。

图6 花山花岗岩体已知铀矿点ETM+1～7波谱曲线Fig.6 Spectral curves of ETM+1-7 in 6 known uranium deposit points of Huashan granite body

(2)M1建模与地表温度TS反演。M1是由ETM+6亮度值反演求地表温度TS的模型。虽然热红外波段ETM+6与温度有确定的正比关系,但这只是其与地表亮温值的关系,不是与真实地表温度的关系,为此,要将ETM+6转换为真实地表温度TS。转换采用辐射传输方程法(又称大气校正法),即M1模型。计算公式为[17]

(1)

式中：K1和K2是Landsat-7卫星热红外波段的反演常数,K1=666.09 W/(m2·sr·μm),K2=1 252.71 K；B(TS)是当温度为TS时的黑体辐射亮度, 可以通过下式计算得到

(2)

(3) M2建模与γTS反演。 M2是由地表温度TS反演求γ能谱的回归值γTS的模型。 理论上, 应该采用基于物理学机制的γ-T关系模型, 但限于实际条件难以实现, 只能采用统计方法, 建立γTS-TS的定量关系模型, 以此作为用TS反演γ的模型。 具体以已知铀矿点和γ异常点为统计母体, 对其γ和TS数据作回归分析,得到二次拟合方程,即M2模型为

图7 ETM+6影像反演的花山岩体地表温度TS平面图 (红色对应于相对高温区,橘黄色对应于相对低温区域)Fig.7 Plane graph of land surface temperature TS of Huashan granite body inverted by ETM+6 image

(3)

该式即为最终用于反演计算全岩体的反演γ的算法模型。其中γTS表示地表温度下的TS反演γ异常。与式(3)对应的γ能谱值-TS曲线见图8,其是一条曲率很小的二次曲线, 相关系数约为0.96, 表明γ能谱值-TS属于高度正相关,因此用M2反演γTS应该比较接近实际γ。

图8 γ与地表温度TS关系拟合曲线Fig.8 Fitting curve of spectrum value γ and surface temperature TS

3.2 定位反演

定位反演是通过遥感定量解译获取勘探对象的空间信息的过程[1]。 本研究采取了遥感地理坐标定位与地质定位相结合的方法。 所谓地理坐标定位, 由于γTS异常来自基于模型M1和模型M2的ETM+6→TS→γTS一对一的反演计算, ETM+6所带的地理坐标(x,y)被自动转移到了γTS上, 即γT(x,y)。地质定位是指基于地质体之间成因关系的定位；地理坐标定位表示的是一种纯数学位置关系,而地质定位可以反映出成因相关性等，两者结合可以更好地确定花山铀矿位置。

断裂构造是花山岩体最重要的铀矿控矿因素,具有导矿和容矿作用。铀矿成矿具有主要集中于多组断裂构造带复合交汇部位,或区域深断裂两侧的碎裂蚀变带的规律,沿断裂构造找矿是本区铀矿的找矿方向[22]。具体而言,只有“落”在断裂构造中的γTS异常才可能是矿致异常,具有找铀矿的指示意义。因此,这相当于是对γTS异常进行了“筛选”,“筛子”就是断裂构造。在此基础上,根据γTS在断裂构造中的强弱分布及与相邻断裂的交叠位置关系,结合地质分析,就可以确定铀矿勘探靶位。具体操作如下:

(1)试验筛选: 只对有实测γ异常点的断裂构造进行筛选。 这样的断裂构造有7条(F1、 F2、F3、F4、F5、F6和F7)。在这些断裂缓冲带上,求取每个点缓冲区范围内的地表温度TS的均值,然后用式(3)拟合该点的γTS值,如此得到点段异常(图9)。经统计，γTS异常的均值为692.8,均方差为204.2,取均值与1.6倍均方差之和为一级γTS异常,用红色表示;取均值与低于一级异常之间的数值为二级γTS异常,用橙色表示；其他低于均值者不作为异常,用浅黄色表示。由图9可见，在这些断裂的交汇复合部位一般有较高的γTS异常。这与该部位存在两个以上方向输送的成矿组分叠加汇集,从而使得铀矿组分增多有关。已知矿点白脚石、两安及长冲都位于这些部位,印证了这一成矿规律。图10是F1—F7断裂构造的反演γTS异常剖面曲线图,γTS在不同剖面上变化起伏较大,间接反映出铀矿组分在断裂构造中迁移富集的不均匀性。事实上,已知矿体的确是在断裂中呈断续延伸展布的,无整条断裂都含矿的情况，这一规律对本区找铀矿有实际指导意义。

(2)正式筛选:鉴于试验筛选在7条主要断裂上的有效性,将这种作法推广到整个岩体,开展面向全岩体的正式筛选。首先通过对整个花山岩体的遥感线性构造解译,得到了全岩体的断裂构造分布图；然后, 采用与试验性筛选相同的步骤, 将全区的反演γTS异常与全岩体的线性构造叠加。根据每条断裂构造上叠加的反演γTS异常的长度和强度延伸,确定出一级和二级反演γTS异常段,让每条断裂构造的铀矿“含矿性”建立起明确表示,从而实现定性与定位勘探相结合的找矿方式。这种两者结合找矿的总成果图见图11。

图9 点、段γTS异常筛选试验Fig.9 γTS abnormal screening test for points and segments a—点γTS异常与断裂构造叠加; b—段γTS异常与断裂构造叠加

图10 花山花岗岩体的F1—F7断裂剖面反演的 γTS 异常曲线Fig.10 Curves of inversion anomaly γTS along the F1-F7 fracture sections of Huashan granite body

4 勘探成果统计与评价

通过对31条断裂构造与γTS异常的叠加筛选,在花山岩体中获得了一批一级与二级铀矿γTS异常。为下一步的地质勘查需要,进行了相关信息统计,内容包括:断裂编号、断裂赋存(穿越)的岩体单元、 断裂首尾和转折部位的坐标(文中未附)、断裂长度、含A级γTS异常段和含B级γTS异常段的长度、异常长度及占全断裂的比例等。因文章篇幅关系,只列出4条主要断裂F1、F2、F3、F4的统计数据。

归纳表1 的统计结果:断裂F1、F2、F3、F4总长度为66.205 km。其中,一级异常断裂长度为11.171 km,占断裂总长度的16.87%;二级异常断裂长度为32.586 km,占断裂总长度的49.22%。一级与二级两种断裂总长度为43.757 km,占断裂总长度的66.09%。

全区31条断裂的统计结果:31条断裂总长度为181.301 km。其中,一级异常断裂长度为22.546 km,占断裂总长度的12.44%；二级异常断裂长度为64.718 km,占断裂总长度的35.70%。一级与二级断裂总长度为87.264 km,占断裂总长度的48.13%。

统计结果评价:不论是试验筛选的F1、F2、F3、F4断裂,还是全区的31条断裂,一级异常断裂占全岩体断裂总长度达12.44%～16.87%,表明花山岩体断裂具有较高的铀矿含矿性,目前勘查掌握的只是局部矿体,整个花山地区仍然具有较大的找铀矿潜力。

5 结 论

通过本次采用实测γ能谱数据与卫星遥感ETM+6影像数据结合,反演花山岩体出露区域的γ能谱异常,确定原生铀矿床靶段(点)的工作,表明采用遥感勘探技术在花山地区找铀矿是可行的。虽然受条件限制,这些靶段(点)还有待于地质勘探工程验证,即使在这样的情况下,对这次遥感勘探实践成果作出以下总结：

图11 基于反演γTS异常的全岩体的断裂构造铀矿含矿性评价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—新路单元;J3Y—银顶山单元;J3Wy—乌羊山单元;J3W—屋面前单元;J2Nm—牛庙侵入体;O3Yn—养牛坪单元;1—一级γTS异常;2—二级γTS异常;3—γTS无异常;4—γ异常实测点;5—实测矿化点;6—地质界线

(1)采用基于实测γ能谱数据与卫星遥感ETM+6影像数据结合,建立ETM+6-TS反演模型M1及TS-γTS反演模型M2,计算反演γTS异常,以遥感线性构造作为筛选器对γTS作筛选,根据统计原则将筛选出的γTS异常分成为一级与二级异常,为深化本区铀矿找矿提供新依据,这一遥感勘探找铀矿的技术方案是可行的。

(2)本次对整个花山岩体分布区内γ能谱异常快速圈定表明, 虽然遥感定位和定性反演勘探在理论上成立, 但在应用时必须结合实际情况。 拥有已知矿点的有效γ能谱异常数据为本次应用特有的辅助条件, 从而可以通过它们建立起铀矿γ能谱异常强度与ETM+6影像数据的定量关系, 即TS-ETM+6及γ-TS两个反演模型。如果没有此条件,无法达到所取得效果。由于有效γ能谱异常是作为与铀矿矿化具有同等找矿效力的信息,这为掌握已知矿与遥感信息ETM+6之间的关系提供了依据。 因此, 拥有实测γ能谱异常信息是实现本次铀矿遥感勘探成功的关键。

表1 花山铀矿F1、F2、F3和F4断裂遥感反演γTS异常统计Table 1 Statistics of γTS anomalies in remote sensing inversion of fracture F1,F2,F3 and F4 in Huashan uranium mine

(3)借助线性构造-断裂控矿的关系筛选γTS异常,可以快速缩小铀矿找矿靶段和靶位,这是本次遥感勘探得以成功的又一个重要举措。如果单纯依靠反演的γTS异常,将难于解决消除假γTS异常干扰问题,而单纯依靠遥感数据带的地理坐标,不足以解决本区铀矿勘查准确定位问题。

(4)本次采用遥感勘探“双定位”技术在花山岩体中共确定出含一级反演γ能谱异常γTS的断裂长度为22.546 km, 占断裂总长度的12.44%; 含二级反演γ能谱异常γTS的断裂长度为64.718 km, 占断裂总长度的35.70%。 一级与二级两种断裂长度为87.264 km, 占断裂总长度的48.13%。 弥补了采用常规技术手段在该地区找铀矿的不足,为打开该区找铀矿新局面提供了新依据。