后遙感應用技術的開拓及其在鈾資源勘查中的應用
劉德長 張杰林 黃樹桃 張靜波 祝民強
作者總結遙感技術在地質領域深化應用實踐經驗的基礎上，結合現(xiàn)代信息技術的最新進展，在國內外首次提出“后遙感應用技術”，并在東勝-神木鈾資源勘查區(qū)進行了初步試驗研究。通過研究，認為在地質領域，后遙感應用技術比起單一遙感技術具有更大的實用價值和更好的應用效果。它的技術思路也值得地球科學其它研究領域借鑒。
1 后遙感應用技術的提出及其重要意義
1.1 后遙感應用技術提出的背景
遙感技術作為一種重要的現(xiàn)代信息技術和實現(xiàn)“數(shù)字地球”的關鍵技術之一，在礦產資源勘查與評價中具有重要的應用［１，２，３，４］。但是，隨著地質勘查工作的不斷深入，勘查的目標已由地表或近地表礦床轉向地下深處的隱伏礦床。因此，單靠遙感技術很難完全解決尋找深部隱伏礦問題，需要將遙感技術與反映深部地質信息的傳統(tǒng)地學方法結合起來。另外，隨著現(xiàn)代信息技術的迅速發(fā)展，用傳統(tǒng)的技術手段解決資源問題的模式正在改變，取而代之的是進入應用現(xiàn)代信息技術解決礦產資源問題的新時代。因此，傳統(tǒng)的地質勘查技術手段還應該與現(xiàn)代信息技術相整合。基于上述考慮，我們提出了后遙感應用技術。
1.2 后遙感應用技術的技術內涵
后遙感應用技術的含義是指將遙感技術與各領域傳統(tǒng)方法相結合，與現(xiàn)代信息技術相結合的一種信息深化應用技術。其內容涵蓋信息處理、信息解譯、信息分析、信息表述和信息應用等一整套方法技術系統(tǒng)。它的目的是最大限度地利用信息資源。它的目標是加速遙感信息產業(yè)化的進程。
從上述技術內涵可見，后遙感應用技術除可用于地質領域外，還可用于農業(yè)、林業(yè)、氣象、環(huán)境、災害等遙感應用領域。
1.3 地質勘查領域后遙感應用技術的構成
針對地質勘查領域，后遙感應用技術是指，在信息源上集遙感信息、地球物理信息（航放、重力、磁力、地震等）、地球化學信息、地質信息等多源地學信息為一體，在方法技術上集圖像處理技術、GIS技術、GPS技術、數(shù)據(jù)庫技術、三維可視化技術、虛擬-仿真技術以及傳統(tǒng)地學研究方法為一體的信息綜合應用技術。它的最終目標是構建一個虛擬的礦產資源勘查區(qū)[５]，以實現(xiàn)對礦產資源的虛擬勘查。整個技術構成見圖1所示。
圖1 地質礦產勘查后遙感應用技術構成示意圖
1.4 后遙感應用技術提出的重要意義
遙感技術在地質領域的應用要比在氣象、農業(yè)、林業(yè)、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測等領域的應用困難得多，后遙感應用技術的提出不僅指明了遙感技術在地質領域深入應用的方向和途徑，而且對整個遙感技術領域也具有重要的理論和實際意義。它強調了遙感技術的應用不僅要重視遙感技術本身的應用，還應該重視遙感技術的延伸應用。
2 方法技術研究
以東勝—神木鈾資源勘查區(qū)為樣區(qū)，開展了方法技術的試驗研究，由于篇幅有限，僅對目前已開拓的幾種方法作一簡要的介紹。
2.1 鈾資源數(shù)字勘查區(qū)構建技術
構建鈾資源數(shù)字勘查區(qū)的目標是建立一個鈾資源勘查區(qū)的完整的信息模型，一個三維顯示的虛擬的鈾資源勘查區(qū)。其基本內涵就是實現(xiàn)對鈾資源的虛擬勘查。建立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由3部分組成，主體部分以MGE、ARCINFO地理信息系統(tǒng)為平臺，按對象的空間地理坐標定位，對各種數(shù)據(jù)資料進行數(shù)字化建庫，以充分利用GIS系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)管理、分析、查詢等強大功能。其他兩部分為鉆孔數(shù)據(jù)庫和地物波譜數(shù)據(jù)庫，前者以ACCESS數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存貯方式，通過VB自主編程對鉆孔信息進行管理、分析和成圖，以及實現(xiàn)與GIS系統(tǒng)的無縫聯(lián)接；后者以EVNI為平臺建立試驗區(qū)地物波譜數(shù)據(jù)庫，為進行高光譜研究服務。該數(shù)據(jù)庫與一般地學數(shù)據(jù)庫相比，具有如下特點：①數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主體部分的信息源主要以遙感信息及其處理、解譯的專題信息為主，其他多源地學信息為輔，體現(xiàn)遙感特色；②數(shù)據(jù)庫內容主要以與鈾成礦有關的信息為主，其他地質信息為輔，體現(xiàn)鈾資源勘查的特色；③更加注重數(shù)據(jù)庫信息的挖掘與多維應用：一是為綜合分析評價應用；二是為構建三維虛擬勘查區(qū)，探索鈾資源的虛擬勘查服務。
2.2 遙感與傳統(tǒng)地學信息的集成技術
首先是單信息的深化處理技術。單信息處理的目的是突出單信息的技術優(yōu)勢，然后，進行信息集成。集成包括復合與融合。集成的目的是實現(xiàn)信息的優(yōu)勢互補，彌補單信息的不足，最大限度地挖掘和利用信息。在鈾資源勘查中，常用的遙感與傳統(tǒng)信息的集成技術有遙感與航放信息的集成和遙感信息與航磁、重力、地震、地化、地質、水文等多源地學信息的集成。
遙感與航放數(shù)據(jù)（SR）的集成，重點研究光-能譜（MR）集成技術；多光譜遙感（Multispectrum）、雷達（SAR）和放射性伽瑪能譜（Radioactivity）數(shù)據(jù)（MSR）集成技術；高光譜（Hyperspectrum）、雷達和放射性伽瑪能譜（HSR）集成技術。
遙感信息與其他地學信息集成技術研究還包括多源地學數(shù)據(jù)之間的相關性研究，是指對與鈾礦勘查密切相關的各種信息的形成機理、與深部鈾礦體的聯(lián)系，以及它們之間可能存在的某種關系進行研究。一方面可以為多源地學信息的集成技術提供理論依據(jù)；另一方面可以為三維條件下對多源地學信息的關系分析提供技術支持。
2.3地物光譜數(shù)據(jù)處理技術
地物光譜數(shù)據(jù)處理技術主要包括：數(shù)據(jù)預處理技術和植被紅邊參數(shù)模型反演。
①數(shù)據(jù)預處理技術
主要采用了反射率計算、樣本光滑處理和包絡線消除技術對地物光譜數(shù)據(jù)進行預處理。目的是增強光譜曲線中可診斷吸收峰特征，以便于提取診斷光譜信息及參數(shù)計算。
植被紅邊參數(shù)模型反演
“紅邊”是描述植被生長狀態(tài)最重要的參量，而“紅邊”參數(shù)模型則是精確計算“紅邊”參數(shù)較理想的算法之一。其基本原理如下：
“紅邊”反射光譜曲線（670～800nm）可用一條半反高斯曲線來逼近。即：
R(l) = RS -( RS - R0)exp﹛(-1)( l0 - l)2/2σ2﹜ (1)
(1)式中：
RS：近紅外區(qū)肩反射率（最大值）； R0：紅光區(qū)葉綠素吸收反射率（最小值）；
l0：與R0對應的波長; σ：高斯模型標準差系數(shù);
公式（1）可變換為：
Y（l）＝a0＋a1l （2）
（2）式中：
a0 = -l0/σ ； a1 = 1/σ  ； Y(l) =﹛-㏑(R – R(l))/( RS - R0)﹜1/2
由于（2）式為一直線方程，因此可以采用線性擬合方法來求得反高斯模型的參數(shù)。
利用開發(fā)的植被紅邊參數(shù)模型，系統(tǒng)分析了鈾礦區(qū)與非鈾礦區(qū)，不同礦區(qū)的植被紅邊變異特征，發(fā)現(xiàn)礦區(qū)的植被（沙蒿、小葉草、草苜蓿）在受脅迫作用下相比非礦區(qū)的植被具有紅邊蘭移（4-5nm）現(xiàn)象，而不同礦區(qū)的植被參數(shù)特征相比則沒有這種變異現(xiàn)象（圖2）。這一紅邊參數(shù)變化規(guī)律，為鈾資源的快速勘查與評價提供了一種新的技術手段。 |
 
圖2 植被紅邊變異特征曲線圖
(左圖為礦區(qū)與非礦區(qū);右圖為不同礦區(qū))
2.4鉆孔數(shù)據(jù)自動成圖與信息綜合分析系統(tǒng)
鉆孔信息是揭示深部地質特征的主要信息，是鈾資源數(shù)字勘查區(qū)深部信息的主要來源。我們開發(fā)的鉆孔數(shù)據(jù)自動成圖與信息綜合分析系統(tǒng)，是對鉆孔信息進行地層學分析，組織入庫，建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對信息有效管理的基礎上，具有鉆孔信息多維自動成圖，分析和三維可視化等功能的技術系統(tǒng)。它與GIS系統(tǒng)無縫聯(lián)接，成圖速度快速，分析功能強。
在300多個鉆孔數(shù)據(jù)的支持下，利用該系統(tǒng)，對東勝-神木地區(qū)鈾的含礦層（直羅組下段）形成的古地貌環(huán)境，厚度，產狀，含砂量及蝕變類型，鈾含量的變化等地質特征進行了研究，為鈾資源評價和預測提供了重要依據(jù)。
2.5地學數(shù)據(jù)三維可視化技術
三維可視化技術在地學中的應用，又可稱為三維地質建模（3D Geoscience Modeling）,是指運用計算機技術在三維環(huán)境下，將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統(tǒng)計、實體內容分析以及圖形可視化等功能結合起來，并應用于地質分析的技術。主要研究了兩種三維可視化方法：一是在MGE模塊化地理信息系統(tǒng)Terrain Model Analys 模塊支持下的可視化技術，二是基于METLAB平臺的三維可視化技術。采用上述兩種方法對東勝—神木地區(qū)的鈾成礦深部地質環(huán)境和區(qū)域深部斷塊構造背景（主要應用重力延拓數(shù)據(jù)）進行了三維可視化分析，提高了對上述問題研究的深度和廣度。
3 地質應用效果
在后遙感應用技術新理念的指導下，上述方法技術的研究和開發(fā)，提高了地質應用效果。
3．1在鈾成礦特征分析上有3點新發(fā)現(xiàn)
3.1.1 發(fā)現(xiàn)控制該區(qū)含礦層的古河道不是北西—南東向，而是北東—南西向
前人根據(jù)含礦層砂體厚度大小圈定了古河道，認為東勝地區(qū)的直羅組含礦層的古河道方向為北西-南東向。而我們在分析了該區(qū)中-新生代地殼活動以振蕩運動為主，未發(fā)生褶皺構造變形的前提下，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)庫中直羅組下段含礦層下伏延安組頂板高程的屬性值，利用GIS軟件中的地形分析和水系分析擴展模塊，獲取了延安組頂部古侵蝕面的高程模型和河流分布圖，發(fā)現(xiàn)該區(qū)控制含礦層的古河道方向不是北西-南東向，而是北東-南西向（圖3）。
 
A B
圖3 不同方法圈定的古河道圖
A：根據(jù)砂體厚度大的地段圈出的古河道及流向；B：基于延安組頂面古地貌的古河道流向
為了分析古地形與含礦層砂體厚度的關系，編制了含礦層等厚度圖，將其疊加在古地形圖上�？梢钥闯觯V層砂體厚度大的地段，處于古地形由陡變緩的地段，該地段的延伸方向為北西-南東向，因此，控制含礦層砂體厚度大的地段總體呈北西-南東向展布。如果按含礦層砂體厚度大的地段圈定古河道，勢必認為直羅組下段辨狀河沉積的古河道是北西—南東向。通過上述研究，不僅發(fā)現(xiàn)了該區(qū)控制含礦層的古河道的方向為北東—南西向，而且對按砂體厚度圈定古河道的傳統(tǒng)方法提出了質疑。
3.2.2發(fā)現(xiàn)該區(qū)蘭色蝕變帶具有更大的找礦價值
經對鉆孔資料中巖石蝕變信息的仔細分析和成圖，認為該區(qū)的氣還原色可分為兩種—綠色和蘭色。通過對它們的空間分布范圍和分布特點研究，發(fā)現(xiàn)其中的綠色呈面狀分布，分布范圍廣，具區(qū)域性分布的特點。經研究，認為綠色是由Fe2+引起的；蘭色呈帶狀分布，分布范圍小，主要分布于東勝礦區(qū)近東西向一線，受斷裂控制明顯。經研究，認為蘭色是由于Mo元素引起的。因此提出綠色與蘭色蝕變可能不完全相同，后者迭加在前者之上，比前者具有更大的找礦價值。
3.3.3發(fā)現(xiàn)該區(qū)可能存在兩種不同成因類型的鈾礦化
兩種不同成因類型的鈾礦化（圖4）：一種是氧化帶前鋒-地球化學障類型的鈾礦化，礦化帶呈北西—南東方向展布，受北東高西南低的地形影響明顯。鈾礦化分布在黃色（氧化）與灰色（還原）帶之間。另一種是構造-地球化學障類型的鈾礦化，礦帶呈近東西向展布，受近東西向基底斷裂控制明顯。鈾礦體分布在灰色帶與蘭（綠）色蝕變帶之間。兩種可能成因類型的提出，反映了該區(qū)成礦的多樣性，也提出了該區(qū)找礦方向的多途徑。根據(jù)目前勘探的結果，構造-地球化學障類型的鈾礦化具有工業(yè)價值，而氧化帶前鋒—地球化學障類型鈾礦化的工業(yè)價值尚待進一步研究。
圖4 兩種不同的地球化學障類型分布圖
Ⅰ.構造-地球化學障類型；Ⅱ.氧化帶前鋒-地球化學障類型
3．2在砂巖型鈾礦找礦思路上，提出了構造—地球化學障控礦的新模式。
實際勘探結果表明，東勝鈾礦區(qū)的工業(yè)鈾礦化呈近東西向分布。通過遙感，重力，磁力，地震等多源地學信息的綜合分析和野外驗證，表明東勝地區(qū)的工業(yè)鈾礦化受近東西向基底斷裂帶控制。該控礦斷裂具有如下特點：①處于隆起與下降斷塊的分界線上；②在深部呈略向東南方向突出的弧形，而在淺部呈略向東北方向突出的弧形；③斷面呈波狀，總體具有壓性（或壓扭性）轉張性（或張扭性）的力學性質；④具長期活動的特點。經對遙感圖像油氣微滲漏信息提取研究，反映出沿斷裂有油氣滲漏現(xiàn)象[６]；礦化地段砂巖中的氣液包體，酸解烴等地球化學研究表明，砂巖中存在大量的油珠及一系列還原氣體[７]，且烴類含量在富礦巖層比其它巖層高。這些均表明沿該基底斷裂有油氣運移的跡象，油氣在斷裂附近形成了強還原環(huán)境，導致了鈾的沉淀富集。由于斷裂的活動導致油氣的上升，在斷裂附近形成了有利于鈾沉淀富集的地球化學障，我們將其命名為構造—地球化學障。它不同于氧化帶前鋒形成的地球化學障。二者有著不同的控礦模式（圖5）。構造—地球化學障控礦模式強調了在區(qū)域找礦時，不僅要重視含礦層，而且要重視控礦構造，特別是二者的復合地段。
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A |
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圖5 兩種不同成礦模式示意圖
A.氧化帶前鋒—地球化學障控礦模式；B.構造—地球化學障控礦模式
3．3在砂巖型鈾成礦理論上，提出了斷塊成礦的新觀點
通過對東勝-神木地區(qū)鈾成礦綜合研究認為，傳統(tǒng)的層間氧化帶型成礦理論難以解釋東勝—神木地區(qū)的鈾成礦問題。按傳統(tǒng)的理論，鈾源主要來自蝕源區(qū)，但是，東勝-神木地區(qū)看到的事實是，從新生代始新世開始，由于河套斷陷的發(fā)生和發(fā)展，蝕源區(qū)與成礦區(qū)已被隔開，但根據(jù)夏毓亮等研究仍形成有20Ma，8Ma的工業(yè)鈾礦［８］。顯然，這時鈾源不可能再由蝕源區(qū)提供。按照傳統(tǒng)理論，鈾成礦過程是從盆邊小幅度抬升和地層的掀斜，自流水機制形成開始的。地層的掀斜最理想的角度是5-10度，以利于含鈾，含氧地下水的緩慢流動。但是在東勝—神木地區(qū)看到的事實是，地層的傾角平均只有1.7度，顯然這樣的角度不利于傳統(tǒng)理論自流水機制的形成。按照傳統(tǒng)理論，氧化—還原過渡帶是鈾沉淀的有利場所，礦體位于黃色或紅色（氧化）與灰色（還原）帶之間，鈾礦物主要是6價與4價鈾混合的瀝青鈾礦。但在東勝-神木地區(qū)看到的事實是，鈾礦體產于蘭綠色（氣還原）與灰色（原生）帶之間，鈾礦物主要是4價鈾的鈾石，與鈾石共生的有硒鉛礦（PbSe），表明鈾礦化不是形成于氧化—還原過渡帶，而是形成于強還原環(huán)境。
為此，對東勝—神木地區(qū)區(qū)域構造環(huán)境進行了研究。通過地質，遙感，重力，磁力，地震等資料的綜合分析及圖像的三維可視化顯示，提出了該區(qū)地質構造環(huán)境為振蕩運動背景上的斷塊構造格局（圖5）的新看法。在斷塊區(qū)，由于斷塊的差異運動和斷裂的活動，鈾源可以不來自蝕源區(qū)，而來自含礦層本身或含礦層之下的含鈾地層，或兼而有之。經分析，該區(qū)含礦層本身即是一套含鈾高的地層，而其下的延安組又是一套含鈾高的暗色巖系。因此，認為該區(qū)新生代時期的鈾成礦的鈾源主要來自含礦層和含礦層之下的含鈾高的暗色巖系。按傳統(tǒng)觀點，該區(qū)地層近水平，不利于成礦自流水機制的形成，但從斷塊成礦的觀點看，成礦過程自流水機制的形成主要不是靠地層掀斜，重力的作用，而是靠斷裂的減壓作用，使壓力高處的含鈾、含氧地下水向壓力低的方向流動。因此，在斷塊發(fā)育區(qū)對鈾的成礦來說，地層掀斜角度不一定要5°-10°，可以近于水平。如前所述，該區(qū)的鈾礦不是形成于氧化—還原過渡帶，而是形成于強還原環(huán)境，這一鈾沉淀富集環(huán)境是由于斷裂活動溝通了地下深部的還原性氣體（如油氣）形成的。
東勝-神木地區(qū)的鈾礦產于斷塊構造地質環(huán)境中，反映了地臺區(qū)斷塊構造環(huán)境是一種鈾成礦的重要構造環(huán)境。產于地臺區(qū)大型坳陷盆地斷塊構造環(huán)境中的鈾礦床，不同于產于造山帶或次造山帶（如伊犁盆地、吐哈盆地）的鈾礦床，具有自己的特色。這些特色在某些方面沖擊了砂巖型鈾礦成礦的傳統(tǒng)理論和模式，斷塊成礦觀點的提出和研究表明，不同大地構造背景下，鈾的成礦模式可能不同，斷塊成礦是破碎中國地臺上值得重視的一種鈾的成礦模式。
圖6 東勝-神木地區(qū)地殼淺部斷塊構造格局圖（據(jù)光-能譜集成圖像解譯）
在上述研究的基礎上，建立了該區(qū)的找礦判據(jù)，強調了在鈾資源勘查中要加強斷裂構造的研究（過去這一點往往重視不夠）。提出含礦層，構造—地球化學障，蝕變與鈾礦化特征為該區(qū)，甚至是鄂爾多斯盆地鈾成礦預測的四大主要判據(jù)。據(jù)此，預測了3片成礦遠景區(qū)，并對各預測區(qū)的成礦有利條件和不利因素進行了具體評估。
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