以航空放射性測量為主的多源地學信息數字圖像綜合技術及應用

劉德長孫茂榮 朱德齡 張靜波 何建國 董秀珍

多源地學信息數字圖像綜合技術是80年代以來遙感地質領域的一個前沿研究課題，目前國內外都在積極進行探索。在鈾資源勘查中，我們開拓了以航空放射性伽瑪能譜（以下簡稱航放）信息為主的多源地學信息數字圖像綜合技術。

該技術是指在鈾成礦理論指導下，以航放為主信息源，以遙感、地質及其它物化探數據為基礎信息源，利用通用計算機系統(tǒng)、數字圖像處理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)以及機助制圖系統(tǒng)組成的地學信息處理系統(tǒng)，研究鈾成礦地質環(huán)境，進行成礦模式識別和找礦靶區(qū)優(yōu)選的鈾礦勘查新技術。

1 方法技術研究

以航放為主的多源地學信息數字圖像綜合處理方法的主要過程，可以用下面的框圖表示（圖1）。

從框圖看，處理方法有三個主要工作階段。

1.1 航放數據的二次開發(fā)

首先利用通用計算機對高靈敏度多道航空伽瑪能譜測得的數據進行預處理，包括插值、網格化、數據壓縮（或拉伸）、灰階轉換等處理；然后輸入圖像處理系統(tǒng)進行顯示，各種方法的增強，并進行模式識別和特征提取；最后用彩色繪圖儀繪制某些重要數據的三元彩色圖。三元彩色圖的繪制被認為是“自1977年以來鈾礦勘探技術最大的技術進展［1］ ”。

將數字圖像處理系統(tǒng)與彩色繪圖系統(tǒng)相配合，既發(fā)揮了圖像處理系統(tǒng)的直觀、靈活、便于研究的優(yōu)點，又發(fā)揮了彩色繪圖系統(tǒng)圖面清晰、規(guī)范化、便于生產應用的優(yōu)點。

1.2基礎信息源數據的處理

首先要對基礎信息數據源（包括地質、遙感、重力、磁力、化探等）進行重新取樣，以適應各種地學信息的綜合研究。

各種地質圖件的數字化輸入是通過數字化桌和掃描儀實現的。重、磁資料在預處理時與航放數據相同，也有個插值、數據壓縮（或拉神）和灰階轉換，形成影像圖的問題。另外，重、磁數據還有個位場變換預處理問題（如分量轉化、化極、延拓、垂直導數、假重力異常等）。經過位場變換處理的重、磁資料，也可作為新的基礎圖件，為圖像的進一步處理和分析所用。

遙感數據根據研究任務和要求，在綜合處理之前也需要作各種特征增強或提取處理。

圖1 以航放為主的多源地學信息數字圖像綜合處理過程框圖

1.3 多源地學信息的綜合處理

這里所指的多源地學信息綜合處理，實際上是指以航放信息為主信息源，以遙感、地質及其它物化探數據為基礎信息源的多源地學信息綜合處理。即，在對航放數據充分處理之后，為深入探討其地質意義，還需與其它地學數據一起，通過圖像處理系統(tǒng)進行綜合處理與分析。

1.3.1 各種地學數據的坐標配準

多源地學信息綜合處理研究的前提是不同資料在平面上位置嚴格對準，為保證多次輸入圖件在平面位置上嚴格重疊，需要對點序文件做數據配準。其實質是用兩個不同點序文件控制點對坐標的關系，確定坐標變換關系式，將待配圖點序文件中所有的坐標變換到基準圖坐標中去。經配準處理后，不同資料網格文件內的像素，在實際位置上代表同一空間坐標，這樣才能做多變量的綜合信息處理。

1.3.2 多源地學信息的增強、分解、疊合、復合、分類、提取等綜合處理

多源地學信息資料經配準后，建立了空間像元位置完全對應的數字影像文件庫。在這個文件庫基礎上，可以應用地質學家經驗，在地質理論指導下，采用多元統(tǒng)計型方法、概率型方法以及模糊數學型方法等對多源地學信息進行增強、分解、疊合、復合、分類、提取等綜合處理，形成一個具有專家系統(tǒng)性質的綜合分析處理過程。

2 地質應用及效果

連山關地區(qū)處于華北地臺東北緣，營口一寬甸臺隆與太子河臺凹的過渡部位。區(qū)內分布的地層主要有太古界的鞍山群（一套硅鐵建造的綠巖帶）；早元古代的遼河群（冒地槽型的細碎屑巖一碳酸鹽巖建造）；中一晚元古界的釣魚臺組和南芬組（地臺蓋層沉積）。產鈾巖體為連山關復式巖體，由2. 3Ga片麻狀黑云母花崗巖和1. 9Ga的肉紅色混合花崗巖組成，處于鞍山群一遼河群組成的NWW向連山關短軸背斜的核部。該區(qū)中－新生代發(fā)生了構造巖漿活化，在老地層中侵入有燕山期斑狀黑云母花崗巖體。沿混合花崗巖體與變質巖的接觸帶，目前已發(fā)現數個軸礦床和一系列異常點帶（鈾礦化年齡19Ga士），構成我國一個重要的隱生宙產鈾區(qū)（圖2）。

2.1 鈾成礦地質環(huán)境研究方面

2.1.1 產鈾巖體的劃分

連山關巖體為一產鈾巖體，在很長一段時間曾被認為是個單一巖體，后經同位素年代學研究，認為巖體可分為2. 34Ga和1.9Ga兩期。此后，關于這兩期巖體的范圍、界限和形態(tài)眾說紛紜。通過對巖體航放數據的分析，做了巖體的釷、鈾比值影像圖，發(fā)現高場主要集中在巖體的西北部。于是對釷、鈾比值的高場進行了提取，并將其疊合在地質圖上，結果看出連山關巖體從釷、鈾比值上可分為兩部分，西北部呈東西向展布的一段釷、鈾比值很高（幾乎集中了全部高場），而東南部呈NW向展布的一段卻很低。為了研究釷、鈾比值分布的這種差異性，將該區(qū)同位素年齡數據分布圖與其疊合，發(fā)現1. 9Ga同位素年齡數據分布地區(qū)正處于釷、鈾比值高的部分，2. 34Ga同位素數據分布區(qū)則處于釷、鈾比值低的部分。說明這兩個部分很可能屬于不同時代的兩個巖體，即呂梁期和五臺期巖體。同時還可以看出，西北部的呂梁期的巖體呈EW向展布，而東南部的五臺期巖體呈NW向展布，二者的界限在下馬塘一陳家街一線。另外，原認為五臺期的巖體富釷，但研究結果表明，真正富釷的巖體在該區(qū)是呂梁期巖體。上述研究不僅表明連山關產鈾巖體是由兩個不同時代的巖體組成，而且確定出不同時代巖體的界限、形態(tài)、軸向及放射場特征等。

圖2 連山關地區(qū)區(qū)域地質示意圖

1—遼河群；2—鞍山群；3一北大山（燕山期）巖體；4—連山關巖體；5—變輝綠巖體；6—鈾礦床／礦點

通過對鈾影像圖的提取，發(fā)現在2. 34Ga的老巖體周圍，有一個鈾的偏高場環(huán)帶。但是，上述的1. 9Ga的巖體和該區(qū)燕山期巖體的周圍未見有類似的環(huán)帶存在。用同樣的方法對鉀的影像圖也進行了提取，發(fā)現在2. 34Ga巖體周圍還存在鉀的偏高場環(huán)帶，但釷不存在類似的偏高場環(huán)帶。然后將鈾和鉀的偏高場環(huán)帶圖疊合，進而看出，此環(huán)帶是鈾和鉀都偏高的環(huán)帶。鉀的偏高很可能與構造蝕變現象有關。通過對該區(qū)地質構造演化分析，認為鈾、鉀偏高場環(huán)帶的形成可能與2. 34Ga巖體發(fā)生過構造侵位有關。構造侵位的結果，使2. 34Ga的巖體發(fā)生邊緣活化，形成構造破碎、堿交代（鉀、鈾增高）和鈾的遷移富集。呂梁期和燕山期巖體在形成后未發(fā)生過構造侵位。因此，其周圍未發(fā)生過邊緣活化、構造破碎、蝕變和鈾的遷移富集，不存在相應的鈾、鉀偏高場環(huán)帶。

根據國內外近十余年來航放測量的經驗，大多數已知鈾礦床都分布在鈾的偏高場區(qū)及其邊緣。該區(qū)的3075和410礦床均位于上述鈾一鉀高場環(huán)帶之內。因此，這一環(huán)帶的發(fā)現和被認識，對進一步尋找3075型鈾礦床有重要意義。

2.1.2 成礦構造的確定

令人十分感興趣的是，同遙感圖像一樣，從鈾、釷、鉀及其總量影像圖上也可以看到一些線狀體和環(huán)狀體。線狀體主要表現為灰階較高（或較低）的色線，或者不同灰階區(qū)的界線；環(huán)狀體主要表現為灰階較高（或較低）的圓形體或相間的環(huán)帶。這里所指的灰階高低，不是地物波譜的強弱，而是地物放射性強度的大小。為了深入研究鈾影像圖上的線狀體和環(huán)狀體，對鈾圖做了比值法（彩圖A）、定向濾波、拉普拉斯變換、卷積、局部放大等處理，獲得了更為理想的增強效果。在此基礎上，又對鈾影像圖進行了線狀體及環(huán)狀體解譯，得到一幅鈾的γ能譜解譯圖，同時對該區(qū)衛(wèi)星數據經計算機圖像處理系統(tǒng)進行增強，并對其線狀、環(huán)狀構造進行了解譯，又得到一幅連山關地區(qū)遙感圖像解譯圖。然后，將鈾的線狀體、環(huán)狀體解譯圖與遙感圖像上解譯的線狀和環(huán)狀構造解譯圖疊合（圖3），發(fā)現二者有一定的相關性。研究結果表明，當鈾影像圖上解譯的線狀體和環(huán)狀體與衛(wèi)星圖像上某些線狀和環(huán)狀構造相吻合時，則反映衛(wèi)星圖像上的這些線狀和環(huán)狀構造可能是鈾的成礦斷裂或與鈾有關的環(huán)狀構造。利用這種相關性，可以從遙感圖像上迅速查明與鈾成礦有關的線狀和環(huán)狀構造。據此確定了連山關地區(qū)鈾成礦的構造格局（圖4）。

圖3 連山關地區(qū)鈾影像圖解譯圖與遙感圖像解譯圖疊合圖

1—衛(wèi)星圖像上的線狀構造；2—衛(wèi)星與鈾影像圖上疊合的線狀休；3—衛(wèi)星圖像上的環(huán)狀構造；4—衛(wèi)星與鈾影像圖上疊合的環(huán)狀體；5一主要村鎮(zhèn)

2.1.3地質填圖的探索

通過研究γ能譜與遙感信息之間的復合關系，制成了遙感一能譜復合圖像。這種圖像的光譜圖像地形信息豐富，便于解決構造問題，而能譜圖像便于區(qū)分巖性，二者的融合，形成一種新型圖像。曾對連山關地區(qū)的衛(wèi)星圖像（包括MSS和TM）進行過現有各種增強方法的試驗，但很難突出連山關巖體的界限（彩圖B），然后加入某些能譜信息處理成遙感一能譜復合圖像后，便可以區(qū)分出連山關巖體的大致范圍和界限。不過，在這張圖像上，北大山巖體的范圍和界限尚不清楚。于是，又加入另一些能譜數據，北大山巖體的輪廓便明顯地被突了出來。最后，對上述方法做了改進，加入地質信息，便制成遙感一地質一能譜圖像（彩圖C）。該圖像更真實地反映了連山關巖體以及構造的特點和界線。利用這種新型圖像，不僅可以研究地質構造，而且可以進行地質填圖（圖5），將圖5與地面所填地質圖對比，不僅基本輪廓相似，而且精度有所提高，所省人力、物力、時間是常規(guī)填圖方法無法比擬的。綜合利用新類型的遙感一能譜、遙感一航磁、遙感一地質等系列復合專題圖像，可能會對全面研究一個地區(qū)的地質構造，進行地質填圖，探索出一條新路。

圖4 連山關地區(qū)鈾成礦構造格局示意圖

1－線性體； 2－環(huán)狀體； 3－不同鈾場的塊段

2.2 找礦靶區(qū)優(yōu)選方面

2.2.1 航放信息最有利的多參數復合異常的篩選

根據國內外近幾年的研究認為，航空伽瑪能譜數據有利的多參數復合區(qū)比單純鈾的高場區(qū)具有更大的找礦意義[3]。

在原有地質體中，一般沒有經過成礦作用的前提下，鈾和釷的比值為一定值，二者基本上是按正態(tài)分布的形式出現。當在成礦作用下，有鈾的疊加，即出現鈾的增值，但釷元素一般比較恒定，這樣鈾／釷的比值反映增高的特點。鈾、鉀在成礦作用中，如與鈉交代有關，因鈉和鉀的地化習性不同，而反映出負相關性，出現鈉增高而鉀降低的現象，再加上鈾的增量，便出現鈾／鉀比值增高現象；若成礦作用為鉀交代，鈾和鉀都有增量，但要形成礦床，鈾的增量必須遠遠大于鉀的增量，從而亦反映鈾／鉀比值增大，可見鈾、鈾／釷、鈾／鉀是鈾成礦的有利參數，它們的高值區(qū)，突出了鈾的成礦作用，而區(qū)別于鈾在成巖過程中因局部富集形成的異常。

通過理論分析，并經對該區(qū)已知鈾礦床的地面能譜測量，選擇鈾、鈾／釷、鈾／鉀、鈾的均方差等七個參數為該區(qū)鈾成礦的能譜有利參數。

利用數字圖像處理系統(tǒng)，采用假彩色合成、均方差復合和加權疊加等方法對這些參數進行處理，得到3幅相應的彩色圖像（彩圖D），圖中白點處為鈾、鈾／釷、鈾／鉀、鈾均方差等七個參數的高值疊合區(qū)，三個已知礦床均位于此區(qū)內。最后，對感興趣的白點區(qū)進行了提取，除已知礦床外，還篩選出4片值得深入研究的最有利的多參數復合異常區(qū)。

圖5 連山關地區(qū)遙感－地質－能譜圖像地質解譯圖

1－斷裂；2－環(huán)狀構造；3－五臺山混合花崗巖；4－呂梁期混合花崗巖；5－燕山期花崗巖

2.2.2 最有利的多參數復合異常的多源地學信息綜合研究與有利地段的初步預測

將篩選出的4片最有利的多參數復合異常分別與地質、遙感、航磁等數據擬合（包括疊合和復合），形成不同類型的相關圖像。然后對篩選出的，認為最有利的多參數復合異常發(fā)育區(qū)進行成礦環(huán)境的綜合分析，在此基礎上，初選出值得進一步工作的成礦有利地段，并找出有關成礦的地質、構造問題，作為野外驗證的依據。

從最有利的多參數復合異常與地質圖的疊合圖像上可以看出，4處最有利的多參數復合異常產出的地層環(huán)境是比較有利的地段。

從最有利的多參數復合異常與衛(wèi)星圖的疊合圖像上可以看出，所有最有利的多參數復合異常均與環(huán)狀構造有關。這些環(huán)狀構造的發(fā)育，看來與巖漿或熱體活動有關，并且都處于幾組斷裂構造交叉部位或其附近。

從最有利的多參數復合異常與航磁圖的疊合圖像上可以看出，最有利的多參數復合異常沿該區(qū)東西向深斷裂帶分布，產生于東西向深斷裂帶與南北向深斷裂帶的交匯部位或附近。

通過成礦環(huán)境的綜合分析，認為篩選出的最有利的多參數復合異常盡管有程度上的差別，但總的來說，都處于有利成礦的地質構造環(huán)境中，值得進行野外驗證工作。在進一步分析了前人研究成果的基礎上，編制了連山關地區(qū)初步預測圖（圖6），初選出南芬、王家堡子、何家堡子、懸?guī)X后等4片成礦有利地段，作為開展野外驗證工作的方案。按照這個方案，對連山關地區(qū)的進一步找礦提出下面三點新認識：

圖6 連山關地區(qū)初步預測圖

外框示野外驗證區(qū)；內框示重點工作地段

(1)以往的研究大多認為連山關巖體進一步找礦的重點應放在巖體的南帶，但新的認識認為北帶比南帶有更大的找礦前景；

(2)以往的研究大多認為連山關地區(qū)進一步找礦要圍繞連山關巖體的接觸帶，但新的認識認為，既要重視巖體的接觸帶，也不要局限于巖體的接觸帶；

(3)以往的研究大多強調連山關地區(qū)找老礦（呂梁期礦化），但新的認識認為連山關地區(qū)的進一步找礦既要重視找老礦，也要注意找新礦（中一新生代礦化）。

2.2.3 野外驗證與找礦靶區(qū)優(yōu)選

根據上述認識和提出的驗證方案，有針對性地進行了野外工作。在野外工作中，著重研究了篩選出的4片最有利的多參數復合異常的定位、放射場特征及控制因素等方面的問題。經野外驗證，在其中3片初選靶區(qū)內發(fā)現了4條具有一定規(guī)模的成礦斷裂帶（彩圖E）；多期次的成礦熱液脈體和強烈的近礦圍巖蝕變，主要有堿交代體（鈉交代）、紅色硅質脈、含鈾赤鐵礦脈等熱液脈體和堿交代、硅化、赤鐵礦化、紅色碳酸鹽化等近礦圍巖蝕變；次生和原生鈾礦物（圖7）以及高品位的鈾礦化（最高達260g/t），（彩圖F）。

a.背散射電子成分	b.鈾的X射線圖

U-瀝青鈾礦；Si-石英；Fe-赤鐵礦

圖7 何家堡子最有利的多參數復合異常地段瀝青鈾礦電子探針圖像

通過野外調查，再加上室內鑒定、分析，在連山關地區(qū)優(yōu)選出3片成礦有利地段，作為下一步找礦勘探的靶區(qū)。這3片優(yōu)選的找礦靶區(qū)是南芬靶區(qū)、王家堡子靶區(qū)和何家堡子靶區(qū)（圖8）。

圖8 連山關地區(qū)找礦靶區(qū)優(yōu)選圖

三、系統(tǒng)的建立

通過上述方法和應用研究，初步建立起以航放為主的多源地學信息數字圖像綜合技術系統(tǒng)，按照這個系統(tǒng)研究一個地區(qū)，首先要對目標物的放射性參數進行測量，以確定目標物的放射性特征參數，以建立數字模型，利用航放數據，在數字圖像處理系統(tǒng)上進行增強、模式識別和特征提取，并利用地理信息系統(tǒng)進行多源地學信息的綜合分析。在此基礎上，有針對性地開展野外驗證工作。最后，將驗證的結果通過顯示，并經照相形成軟片和照片，或者通過機助繪圖系統(tǒng)形成彩色圖和多色圖。

該項技術系統(tǒng)實際上不僅可以用于找鈾礦和解決巖性、構造等基礎地質問題，還可以用于地質填圖和找其它一些非放射性礦產（如石油、金、錫等），是多源地學信息數字圖像綜合技術的開拓性應用。

參考文獻

［I］A. G. Darnley and K. L. Ford，Regionsl Airborne Gamms-Ray Surveye：A Review，Proceedings of Exploration，87：Third Decennial Interantional Conference on Geo-physiced and Geochemical Exploration for Minerals and Groundwater，edited by G. D. Garland Ontario Grological Survey，Special Volume 3（1989)，P229-240.

[2〕劉德長等，多源地學信息數字圖像綜合技術及在盛源盆地的應用研究，國上資源遙感，1989年，2期，P29-36。

[3]N. V. A. SPERVMAL等，鄒大容譯，綜合遙感方法在印度鈾礦勘查中的應用，航測與遙感，1989年，2期，P51-62．