以航空放射性測量為主的多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)及應(yīng)用

劉德長孫茂榮 朱德齡 張靜波 何建國 董秀珍

多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)是80年代以來遙感地質(zhì)領(lǐng)域的一個前沿研究課題，目前國內(nèi)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(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)。

該技術(shù)是指在鈾成礦理論指導(dǎo)下，以航放為主信息源，以遙感、地質(zhì)及其它物化探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，利用通用計算機系統(tǒng)、數(shù)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(xué)信息處理系統(tǒng)，研究鈾成礦地質(zhì)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(shù)。

1 方法技術(shù)研究

以航放為主的多源地學(xué)信息數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括插值、網(wǎng)格化、數(shù)據(jù)壓縮（或拉伸）、灰階轉(zhuǎn)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�。蛔詈笥貌噬�繪圖儀繪制某些重要數(shù)據(jù)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(shù)最大的技術(shù)進展［1］ ”。

將數(shù)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(chǎn)應(yīng)用的優(yōu)點。

1.2基礎(chǔ)信息源數(shù)據(jù)的處理

首先要對基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)源（包括地質(zhì)、遙感、重力、磁力、化探等）進行重新取樣，以適應(yīng)各種地學(xué)信息的綜合研究。

各種地質(zhì)圖件的數(shù)字化輸入是通過數(shù)字化桌和掃描儀實現(xiàn)的。重、磁資料在預(yù)處理時與航放數(shù)據(jù)相同，也有個插值、數(shù)據(jù)壓縮（或拉神）和灰階轉(zhuǎn)換，形成影像圖的問題。另外，重、磁數(shù)據(jù)還有個位場變換預(yù)處理問題（如分量轉(zhuǎn)化、化極、延拓、垂直導(dǎo)數(shù)、假重力異常等）。經(jīng)過位場變換處理的重、磁資料，也可作為新的基礎(chǔ)圖件，為圖像的進一步處理和分析所用。

遙感數(shù)據(jù)根據(jù)研究任務(wù)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(xué)信息數(shù)字圖像綜合處理過程框圖

1.3 多源地學(xué)信息的綜合處理

這里所指的多源地學(xué)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(zhì)及其它物化探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源的多源地學(xué)信息綜合處理。即，在對航放數(shù)據(jù)充分處理之后，為深入探討其地質(zhì)意義，還需與其它地學(xué)數(shù)據(jù)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(xué)數(shù)據(jù)的坐標配準

多源地學(xué)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(shù)據(jù)配準。其實質(zhì)是用兩個不同點序文件控制點對坐標的關(guān)系，確定坐標變換關(guān)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(jīng)配準處理后，不同資料網(wǎng)格文件內(nèi)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(xué)信息的增強、分解、疊合、復(fù)合、分類、提取等綜合處理

多源地學(xué)信息資料經(jīng)配準后，建立了空間像元位置完全對應(yīng)的數(shù)字影像文件庫。在這個文件庫基礎(chǔ)上，可以應(yīng)用地質(zhì)學(xué)家經(jīng)驗，在地質(zhì)理論指導(dǎo)下，采用多元統(tǒng)計型方法、概率型方法以及模糊數(shù)學(xué)型方法等對多源地學(xué)信息進行增強、分解、疊合、復(fù)合、分類、提取等綜合處理，形成一個具有專家系統(tǒng)性質(zhì)的綜合分析處理過程。

2 地質(zhì)應(yīng)用及效果

連山關(guān)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(nèi)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(chǎn)鈾巖體為連山關(guān)復(fù)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(guān)短軸背斜的核部。該區(qū)中－新生代發(fā)生了構(gòu)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(zhì)巖的接觸帶，目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)個軸礦床和一系列異常點帶（鈾礦化年齡19Ga士），構(gòu)成我國一個重要的隱生宙產(chǎn)鈾區(qū)（圖2）。

2.1 鈾成礦地質(zhì)環(huán)境研究方面

2.1.1 產(chǎn)鈾巖體的劃分

連山關(guān)巖體為一產(chǎn)鈾巖體，在很長一段時間曾被認為是個單一巖體，后經(jīng)同位素年代學(xué)研究，認為巖體可分為2. 34Ga和1.9Ga兩期。此后，關(guān)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(shù)據(jù)的分析，做了巖體的釷、鈾比值影像圖，發(fā)現(xiàn)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(zhì)圖上，結(jié)果看出連山關(guān)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(shù)據(jù)分布圖與其疊合，發(fā)現(xiàn)1. 9Ga同位素年齡數(shù)據(jù)分布地區(qū)正處于釷、鈾比值高的部分，2. 34Ga同位素數(shù)據(jù)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(jié)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(guān)產(chǎn)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(guān)地區(qū)區(qū)域地質(zhì)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(guān)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(xiàn)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(xiàn)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(gòu)造蝕變現(xiàn)象有關(guān)。通過對該區(qū)地質(zhì)構(gòu)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(gòu)造侵位有關(guān)。構(gòu)造侵位的結(jié)果，使2. 34Ga的巖體發(fā)生邊緣活化，形成構(gòu)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(gòu)造侵位。因此，其周圍未發(fā)生過邊緣活化、構(gòu)造破碎、蝕變和鈾的遷移富集，不存在相應(yīng)的鈾、鉀偏高場環(huán)帶。

根據(jù)國內(nèi)外近十余年來航放測量的經(jīng)驗，大多數(shù)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(nèi)。因此，這一環(huán)帶的發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(xiàn)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(xiàn)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(chǔ)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(shù)據(jù)經(jīng)計算機圖像處理系統(tǒng)進行增強，并對其線狀、環(huán)狀構(gòu)造進行了解譯，又得到一幅連山關(guān)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(gòu)造解譯圖疊合（圖3），發(fā)現(xiàn)二者有一定的相關(guān)性。研究結(jié)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(gòu)造相吻合時，則反映衛(wèi)星圖像上的這些線狀和環(huán)狀構(gòu)造可能是鈾的成礦斷裂或與鈾有關(guān)的環(huán)狀構(gòu)造。利用這種相關(guān)性，可以從遙感圖像上迅速查明與鈾成礦有關(guān)的線狀和環(huán)狀構(gòu)造。據(jù)此確定了連山關(guān)地區(qū)鈾成礦的構(gòu)造格局（圖4）。

圖3 連山關(guān)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(gòu)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(gòu)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(zhì)填圖的探索

通過研究γ能譜與遙感信息之間的復(fù)合關(guān)系，制成了遙感一能譜復(fù)合圖像。這種圖像的光譜圖像地形信息豐富，便于解決構(gòu)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(guān)地區(qū)的衛(wèi)星圖像（包括MSS和TM）進行過現(xiàn)有各種增強方法的試驗，但很難突出連山關(guān)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(fù)合圖像后，便可以區(qū)分出連山關(guān)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(shù)據(jù)，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(zhì)信息，便制成遙感一地質(zhì)一能譜圖像（彩圖C）。該圖像更真實地反映了連山關(guān)巖體以及構(gòu)造的特點和界線。利用這種新型圖像，不僅可以研究地質(zhì)構(gòu)造，而且可以進行地質(zhì)填圖（圖5），將圖5與地面所填地質(zhì)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(zhì)等系列復(fù)合專題圖像，可能會對全面研究一個地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，進行地質(zhì)填圖，探索出一條新路。

圖4 連山關(guān)地區(qū)鈾成礦構(gòu)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(shù)復(fù)合異常的篩選

根據(jù)國內(nèi)外近幾年的研究認為，航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)有利的多參數(shù)復(fù)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(zhì)體中，一般沒有經(jīng)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(xiàn)。當在成礦作用下，有鈾的疊加，即出現(xiàn)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(guān)，因鈉和鉀的地化習(xí)性不同，而反映出負相關(guān)性，出現(xiàn)鈉增高而鉀降低的現(xiàn)象，再加上鈾的增量，便出現(xiàn)鈾／鉀比值增高現(xiàn)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(shù)，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(jīng)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(shù)為該區(qū)鈾成礦的能譜有利參數(shù)。

利用數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，采用假彩色合成、均方差復(fù)合和加權(quán)疊加等方法對這些參數(shù)進行處理，得到3幅相應(yīng)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(shù)的高值疊合區(qū)，三個已知礦床均位于此區(qū)內(nèi)。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(shù)復(fù)合異常區(qū)。

圖5 連山關(guān)地區(qū)遙感－地質(zhì)－能譜圖像地質(zhì)解譯圖

1－斷裂；2－環(huán)狀構(gòu)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(shù)復(fù)合異常的多源地學(xué)信息綜合研究與有利地段的初步預(yù)測

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

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

從最有利的多參數(shù)復(fù)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(shù)復(fù)合異常均與環(huán)狀構(gòu)造有關(guān)。這些環(huán)狀構(gòu)造的發(fā)育，看來與巖漿或熱體活動有關(guān)，并且都處于幾組斷裂構(gòu)造交叉部位或其附近。

從最有利的多參數(shù)復(fù)合異常與航磁圖的疊合圖像上可以看出，最有利的多參數(shù)復(fù)合異常沿該區(qū)東西向深斷裂帶分布，產(chǎn)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(shù)復(fù)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(zhì)構(gòu)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(chǔ)上，編制了連山關(guān)地區(qū)初步預(yù)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(guān)地區(qū)的進一步找礦提出下面三點新認識：

圖6 連山關(guān)地區(qū)初步預(yù)測圖

外框示野外驗證區(qū)；內(nèi)框示重點工作地段

(1)以往的研究大多認為連山關(guān)巖體進一步找礦的重點應(yīng)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(guān)地區(qū)進一步找礦要圍繞連山關(guān)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(diào)連山關(guān)地區(qū)找老礦（呂梁期礦化），但新的認識認為連山關(guān)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(jù)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(shù)復(fù)合異常的定位、放射場特征及控制因素等方面的問題。經(jīng)野外驗證，在其中3片初選靶區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(shù)復(fù)合異常地段瀝青鈾礦電子探針圖像

通過野外調(diào)查，再加上室內(nèi)鑒定、分析，在連山關(guān)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(guān)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(yīng)用研究，初步建立起以航放為主的多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)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(shù)進行測量，以確定目標物的放射性特征參數(shù)，以建立數(shù)字模型，利用航放數(shù)據(jù)，在數(shù)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(xué)信息的綜合分析。在此基礎(chǔ)上，有針對性地開展野外驗證工作。最后，將驗證的結(jié)果通過顯示，并經(jīng)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(shù)系統(tǒng)實際上不僅可以用于找鈾礦和解決巖性、構(gòu)造等基礎(chǔ)地質(zhì)問題，還可以用于地質(zhì)填圖和找其它一些非放射性礦產(chǎn)（如石油、金、錫等），是多源地學(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)的開拓性應(yīng)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(xué)信息數(shù)字圖像綜合技術(shù)及在盛源盆地的應(yīng)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(yīng)用，航測與遙感，1989年，2期，P51-62．