高分卫星遥感数据在铀矿化褪色蚀变识别分析中的应用

叶发旺，刘德长

(核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029)

高分卫星遥感数据在铀矿化褪色蚀变识别分析中的应用

叶发旺，刘德长

(核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029)

针对高空间分辨率(简称“高分”)卫星遥感技术已在地质勘查领域取得很多应用效果，但在矿化蚀变信息识别和分析中的典型应用尚不多见的现状，从铀矿地质勘查角度阐述了QuickBird高分卫星遥感数据在铀矿化褪色蚀变信息识别和分析中的典型应用，包括在新疆塔里木盆地北缘巴什布拉克铀矿区油气还原褪色蚀变识别和空间分布规律分析中的应用和在新疆塔里木盆地北缘柯坪断隆东段与铀矿化密切相关的灰白色褪色蚀变的发现及其空间分布规律分析中的应用。2个典型应用说明了高分卫星遥感数据在矿化蚀变信息识别方面可以取得很好的应用效果，值得广大遥感地质工作者今后进一步深入挖掘其应用潜力。

高分卫星遥感;铀矿化褪色蚀变;典型应用;新疆塔里木盆地北缘

0 引言

当今世界，商业遥感卫星的空间分辨率已经达到优于cm级的水平，IKONOS，QuickBird和World-View 2等高空间分辨率(以下简称“高分”)卫星遥感数据已被较广泛地应用于各个领域。在地质矿产勘查领域，相比于中—低空间分辨率遥感数据，上述高分遥感数据因其拥有高空间分辨率的优势，能够对地层、岩体(岩脉)、构造的几何形态和纹理特征以及各地质要素之间的空间关系等进行精细探测，进而发现在中等空间分辨率遥感数据中不能或不明晰显现的小尺度信息，为地质找矿服务。在这方面的研究已取得一些进展［1－4］，反映出高分卫星遥感数据在地质找矿中的应用潜力正在不断地被挖掘出来。但是，由于这些高分遥感数据的多光谱波段少(一般只有蓝、绿、红、近红外等4个多光谱波段;即便是最新的WorldView 2数据虽有8个波段，但也仍在可见光—近红外波段区间，未涉及短波红外波段)，使高分卫星遥感技术在地质矿化蚀变信息识别中的应用受到了一定的限制，见到的报道就更少。本文从砂岩铀矿勘查的角度，阐述了QuickBird高分卫星遥感数据在铀矿化褪色蚀变识别和分析中的应用情况，并取得很好的应用效果，为深入挖掘高分卫星遥感技术的地质应用潜力提供了新思路。

1 高分卫星遥感技术识别铀矿化褪色的原理

铀矿资源是我国今后30 a最紧缺的矿产资源。砂岩铀矿是一种以赋矿砂岩为主岩的铀矿类型，其产出与后生蚀变具有密切关系［5］。褪色蚀变就是其中的一种后生蚀变，它是指原先沉积时形成的紫红色、红色砂岩由于在后期受深部油气、热液等的还原作用，变为灰色、灰白色、灰绿色或白色等浅颜色岩石的各种蚀变作用的统称。褪色蚀变岩石在化学成分上表现为Fe3+离子明显减少，Fe2+离子增多;在矿物成分上表现为原先的长石等矿物发生蚀变，含CO2－

3，Al—OH和Mg—OH等离子团的矿物含量增加［6－7］;同时，各种类型的烃类、液态烃包裹体等含量也明显增多［8］。由于褪色蚀变岩石具有上述特征，使其对铀元素的沉淀富集起重要作用的还原能力大大增强，将原先不利于成矿的红色岩石改造成为具有强还原能力的有利成矿层，对砂岩铀矿的形成具有重要作用。因此，在我国西北以红色沉积为主的中新生代沉积盆地中，识别发生褪色蚀变作用的有利层位、分析褪色蚀变有利层位的空间分布特征及规律、寻找具有褪色蚀变作用的有利地段，对铀成矿预测和铀矿找矿具有重要的意义。由于褪色蚀变具有红色变为浅色、Fe3+离子变为Fe2+离子且Fe3+离子的主要光谱特征表现在可见光—近红外区间等特点［9］，使高分卫星遥感技术在砂岩铀矿褪色蚀变识别和分析中的应用不仅可以充分发挥其高空间分辨率的优势，而且还可以充分发挥可见光—近红外仅有的几个多光谱波段的作用，并能取得较好的地质应用效果，具有明显的典型性。

2 数据源与处理方法

2.1 遥感数据

本文在铀矿化褪色蚀变识别和分析中选用QuickBird高分卫星遥感数据。该数据是目前世界上空间分辨率较高、性能较优、应用广泛的民用高空间分辨率卫星遥感数据，其全色波段图像的空间分辨率为0.61 m，多光谱图像的空间分辨率为2.44 m，幅宽为 16.5 km，有 B1(485 nm)，B2(560 nm)，B3(660 nm)和B4(830 nm)等4个多光谱波段。图像的获取时间为2006年8月27日;图像质量好，无云雾干扰，影像清晰。

用于铀成矿地质条件分析的中等分辨率的ASTER数据的获取时间为2004年6月 24日。ASTER数据包括14个波段(其中，B1—B3属可见光—近红外波段，空间分辨率为15 m;B4—B9属短波红外波段，空间分辨率为30 m;B10—B14属热红外波段，空间分辨率为90 m);数据质量好，无云覆盖，影像清晰。

用于衬托铀成矿构造和放射性异常分布的IKONOS图像的获取时间为2008年3月24日，包括红、绿、蓝、近红外等4个多光谱波段，空间分辨率为4 m。图像质量较好，主要目标地物区内无云覆盖。

2.2 数据处理

针对QuickBird高分卫星遥感数据在识别和分析铀矿化褪色蚀变中的应用，在完成必要的数据预处理基础上，主要进行了铀矿化褪色蚀变信息反向增强、多光谱波段与全色波段融合、直方图拉伸等处理。

2.2.1 数据预处理

考虑到本文应用QuickBird，ASTER，IKONOS等遥感数据开展的是定性的地质分析，以及遥感信息与其他地学信息的集成分析，因此数据预处理主要是几何纠正和波段合成。本次研究中使用的Quick-Bird和IKONOS两种高分卫星遥感数据本身就具有较高的几何定位精度，无需再做几何纠正;而ASTER数据的几何定位精度较低，需利用ENVI或ERDAS等专业遥感图像处理软件进行几何纠正。此外，为便于地质解译，QuickBird和IKONOS的彩色合成图像一般采用B3(R)，B2(G)，B1(B)的真彩色合成波段组合，ASTER的假彩色合成图像则采用 B2(R)，B1(G)，B3(B)或 B3(R)，B2(G)，B1(B)的波段组合。

2.2.2 褪色蚀变信息反向增强

铀矿化褪色蚀变信息反向增强是采用逆向思维，按照“将未发生褪色蚀变的砂岩的红色信息增强出来，则与之相反的信息便是发生褪色蚀变的砂岩的浅色信息”的技术思路开展的增强处理。具体方法是:首先根据研究区紫红色砂岩光谱在550 nm附近有明显吸收陡坎的特征［10］，采用QuickBird数据比值 B3/B2，或对 B2，B3，B4进行主成分分析［11－12］，提取出一个突出 Fe3+离子强度的专题信息;然后将这个专题信息作为一个波段(R)，与B2(G)，B1(B)进行假彩色合成，并作适当的线性拉伸处理。经上述处理得到的假彩色合成图像，既突出了紫红色砂岩信息，又具有接近真彩色(B3(R)，B2(G)，B1(B)彩色合成)的特点，使未蚀变紫红色砂岩与发生褪色蚀变的浅色砂岩之间具有更加强烈的对比;而且紫色调的相对强弱还可反映Fe3+离子的相对含量，从而提高了QuickBird高分卫星遥感图像的可解译能力和可分析程度。

2.2.3 多光谱波段与全色波段融合

多光谱波段与全色波段融合是将QuickBird的0.61 m分辨率的全色波段与2.44 m分辨率的多光谱波段进行融合处理。具体处理方法是，在ENVI软件平台上，以B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成图像和全色波段作为输入数据，利用H(色调)S(饱和度)I(亮度)彩色变换方法进行融合处理。经过融合处理的QuickBird图像更加清晰，既拥有全色波段的高空间分辨率，又有与B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成图像相近的色调，大大提高了对地质现象的解译能力。

3 铀矿化褪色蚀变识别与分析应用

3.1 巴什布拉克铀矿区应用

3.1.1 地质概况

巴什布拉克铀矿床(图1中的红点)位于塔里木盆地西北缘乌恰县西部的中新生代盆地内，矿区及其周边出露的地层主要为盆地基底元古宇和古生界，主要分布在矿区北侧;盆地盖层为中、新生界，主要有侏罗系、白垩系、古近系、新近系以及第四系等。其中，白垩系和古近－新近系的主体是一套红色碎屑岩(图1)。

图1 巴什布拉克铀矿区及周围地层分布简图Fig.1 Brief map of statrum distribution in Bashibulake uranium mineralization district and its adjacent area

前人研究表明，该矿床是一个含油沥青型铀矿床［6－7］，其有利含矿层是下白垩统红色陆相碎屑岩经油气还原蚀变后形成的灰绿色地层，这些灰绿色地层在地表又被后期的地下水氧化成浅灰黄色、灰白色等色调。图2是研究区内东矿区某地质剖面的野外照片。

图2 巴什布拉克铀矿区某地质剖面野外照片Fig.2 Field photo for a geological profile in Bashibulake uranium mineralization district

从图2可以看出，地表出露的未蚀变的紫红色砂岩，坑道内挖出的地下深处的灰绿色蚀变砂岩，以及蚀变砂岩在地表经后期氧化形成的灰黄色、灰色砂岩等3种岩石具有明显不同的色调和影纹特征。深入了解这些灰色砂岩的空间分布特征和规律及其在矿床外围的出露情况，对研究和分析该矿床的形成及在矿区外围找矿具有重要意义。

3.1.2 遥感解译与分析

在经前述方法处理得到的巴什布拉克铀矿区及其周围(图1中的黄框范围)QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成—拉伸增强图像(图3)中可以看出，古近－新近系(E－N)主体以紫红色调显现出来，元古宇(Pt)以灰色调显现，白垩系(K，两蓝色曲线之间)总体上以灰色、灰白色调为主，在西北部和东南部有几处呈明显的紫红色调显示。东、西两矿区基本上处于灰白色调夹少量浅红色调的影像中。上述影像特征反映了巴什布拉克铀矿区及周围的白垩纪地层均不同程度地受到了后期油气的还原作用，发生了褪色蚀变。褪色蚀变的强度总体上具有北部强、南部减弱，中东部强、西部减弱的特点。

图3 巴什布拉克铀矿区及周围QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成图像Fig.3 False color composite image of QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)for Bashibulake uranium mineralization district and its around area

在对图3中的东、西铀矿区放大后的QuickBird假彩色合成图(图4)中，可以清楚地看出两矿区所在地的白垩系砂岩层理;根据“V”字形法测，可以判断岩层倾向为SSW，走向为NWW。矿区色调以浅灰绿色、灰色、灰黄色为主，紫红色调次之，只有两矿区坑道口的碎石和矿渣为深灰绿色调。紫红色调与浅灰绿色、灰白色调交错显现。从西矿区及周围的紫红色调局部形态来看，具有形态不规则、大小不一、排列不同的特点;有的呈较大片状连续分布(图4中的①)，有的呈细线状沿岩层走向连续分布(图4中的②)，有的呈不规则小片状沿岩层走向断续分布(图4中的③)，还有的呈线状垂直岩层走向分布(图4中的④);在东矿区及其周围，大片的紫红色调夹杂在南北两侧大片的灰色调中。

图4 巴什布拉克东、西铀矿区放大图像Fig.4 Magnified image for the east and west Bashibulake uranium ore areas

利用东矿区及其周围的QuickBird高分融合图像，进一步对紫红色调影像内部更精细的局部灰色调影像进行分析。在QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)多光谱波段与全色波段融合图像(图5)上，从坑道内挖掘出来的碎石堆呈灰绿色调清晰可见(图5中的①)，前人挖掘的垂直岩石走向的大量铀矿化探槽清晰密集平行排列(图5中②)，紫红色调影像的东侧存在较大片的灰黄色调影像(图5中的③)，以及紫红色调影像中部存在的许多形态不规则、展布方向各异、面积大小不一的小片状浅灰黄色调影像(图5中的④和⑤)等影像特征清晰可见。

图5 巴什布拉克东矿区QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)多光谱波段与全色波段融合图像Fig.5 Fusion image of QuickBird multispectral B3(R)，B2(G)，B1(B)with pan band for east Bashibulake uranium ore area

上述紫红色调和灰黄色调影像反映的分别是未发生褪色蚀变的紫红色砂岩残留的影像特征和发生了褪色蚀变的蚀变砂岩的影像特征。因此，上述影像特征从正、反两方面反映出发生褪色蚀变作用地段的边界不规则，走向既有顺层、又有穿层等特点。这些特点从相对宏观的角度上反映出褪色蚀变作用是紫红色砂岩受自下而上运移的油气还原作用的产物，从而为油气在铀成矿过程中的重要作用提供了新的依据。同时，根据前述褪色蚀变强度的分布规律，本文认为巴什布拉克铀矿区外围的找矿工作应重视矿区东部发生强烈褪色蚀变的地段。

3.2 柯坪地区应用

3.2.1 地质与地球物理特征

本文根据断隆成矿新观点［13－14］，在利用中等分辨率的ASTER遥感数据对塔里木盆地北缘柯坪断隆东段萨拉姆布拉克地区开展铀成矿地质条件研究时发现，由前人早在1993年发现的航放异常点(HF－10)和航放高场点(HG－6)分布于同一条NW向隐约显现的线性构造上(图6)。这一遥感发现把原本孤立存在的2个航放异常点联系了起来，提升了萨拉姆布拉克地区的铀矿找矿潜力，也为重新评价该地区的铀成矿潜力提供了新的线索。

图6 塔里木盆地北缘萨拉姆布拉克地区ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成图像Fig.6 False color composite image of ASTER B3(R)，B2(G)，B1(B)for Shalamubulake area in the north of Tarim basin

3.2.2 遥感解译与分析

为了对图6中新发现的萨拉姆布拉克NW向线性影像带可能存在的蚀变特征进行研究，本文又采用了QuickBird高分遥感数据。在萨拉姆布拉克NW向线性影像带西段的 QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成图像(图7)上，一条略有弧度的灰黑色条带状线性影像清晰可见。

图7 萨拉姆布拉克地区西段QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成图像Fig.7 True color composite image of QuickBird B3(R)，B2(G)，B1(B)for the west part of Shalamubulake area

从图7可以看出，该灰黑色条带状线性影像在主体为红色调的背景上从西北向东南延伸，并在东南角出现一大块灰白色图斑。在该线性影像西北角HF－10地段的 QuickBird B3/B2(R)、B2(G)、B1(B)假彩色合成放大增强图像(图8)中可以看到，在主体为红色调(图8中的①)的影像上，明显存在一条沿NW向呈“折线”展布的灰色—灰黄色条带状影像(图8中的②)，条带状影像的北侧存在3片呈不规则状分布的灰白色小图斑(图8中的③)。灰色、灰黄色调条带影像，灰白色图斑和红色调影像三者在空间上紧密联系并有序分布。

图8 HF－10地段QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)假彩色合成图像Fig.8 False color composite image of QuickBird B3/B2(R)，B2(G)，B1(B)for HF －10 area

在图7中线性影像东南角出现的大片灰白色调影像的局部放大图(图9)中，灰色—灰黄色条带状影像边界(图9中的①)清晰可见，条带状影像的东北和西南两侧可见明显不同于红色调背景的大片灰白色调影像。其中，东北侧规模比西南侧大，成片性强(图9中的②)，且明显有多条色带向NE方向的远处发育;西南侧规模相对小些，成片性弱，有的顺层独自向SW方向的远处发育(图9中的③)，有的断断续续地顺层出现(图9中的④)。

图9 图7中东南段褪色蚀变放大图像Fig.9 Magnified image for the bleached alteration in southeast part of Fig 7

在上述研究的基础上，对萨拉姆布拉克整个条带上发育褪色蚀变的地段进行地面放射性测量检查后，新发现了许多铀矿化带异常(图10)，而且这些异常与褪色蚀变具有明显的关系，再次表明萨拉姆布拉克线性影像带确实是一条值得重视的铀矿化带。

图10 萨拉姆布拉克铀成矿带构造、放射性异常分布与IKONOS影像复合图Fig.10 Overlapping map of structure，radioactive anomaly distribution and IKONOS image for Shalamubulake uranium metallogenetic belt

根据上述分析，明确了与铀矿化相关的基性岩脉、断裂、褪色蚀变等地质要素的高分遥感影像特征和识别标志，并建立了柯坪地区铀矿化识别的高分遥感影像模式:灰黑色线性影像+灰白色调影像。利用该影像识别模式，对萨拉姆布拉克外围地区进行了搜索，并经野外验证，又发现了2条新的类似的铀矿化带(图11)。

图11 柯坪地区新发现褪色蚀变与铀矿化异常分布Fig.11 New discovered bleached alteration and their uranium mieralization anomaly distribution in Keping region

4 结论

1)经过对含Fe3+离子矿物信息的增强处理(真彩色合成、多光谱与全色波段融合处理以及直方图拉伸等)，高空间分辨率QuickBird遥感数据在砂岩铀矿化褪色蚀变识别和分析中可以充分发挥重要的作用，为铀矿找矿应用提供重要信息，具有典型性。

2)利用QuickBird图像，发现巴什布拉克铀矿区白垩系含矿层的褪色蚀变强度总体上具有北部强、南部弱，中东部强、西部弱的特点。因此，矿区外围的找矿应重视向东部扩展。同时，利用QuickBird图像还可以精细地分析未蚀变紫红色残留体和褪色蚀变体的几何形态和空间分布特点等信息，从相对宏观的角度对油气在铀成矿过程中所起的重要作用提供了新的依据。

3)利用QuickBird图像，在柯坪萨拉姆布拉克地区发现了多处褪色蚀变地段，经野外验证和放射性测量检查，新发现了多个铀矿化异常，反映了萨拉姆布拉克NW向遥感线性影像带是一条重要的铀矿化带，其成矿潜力和找矿前景值得重视。

4)建立了新疆柯坪地区铀矿化的QuickBird高空间分辨率遥感图像模式，并利用所建的模式在铀矿化带外围地区发现了2条类似萨拉姆布拉克铀矿化带的异常带，其成矿潜力值得进一步深入研究。

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Application of High Resolution Satellite Remote Sensing Technology in Identification and Analysis of the Uranium Mineralization Bleached Alteration

YE Fa－wang，LIU De－chang
(National Key Lab.of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China)

High resolution satellite remote sensing technology is an important new technology and method in the field of geological exploration，with which many application results have been made.However，the typical applications to identifying and analyzing the mineralization alteration information are very insufficient.In this paper，the typical application of high resolution satellite remote sensing technology in identification and analysis of the uranium mineralization bleached alteration was illustrated from the angle of uranium exploration，including the identification of bleached alteration information and the analysis of its spatial distribution in the Bashibulake uranium ore district on the northern margin of Tarim Basin in Xinjiang，the discovery of grayish white bleached alteration and the analysis of its spatial distribution in the eastern part of Keping up－lift on the northern margin of Tarim Basin in Xinjiang.These two typical applications show that high resolution satellite remote sensing technology can achieve good application effects in identifying mineralization alteration information，and the further excavation of its application potential is very valuable in the future.

high resolution satellite remote sensing;uranium mineralization bleached alteration;typical application;north fringe of Tarim basin in Xinjiang

TP 79

A

1001－070X(2012)04－0117－07

2011－12－29;

2012－02－06

10.6046/gtzyyg.2012.04.20

叶发旺(1974－)，男，博士，高级工程师，第十三届青年地质科技奖银锤奖获得者，主要研究方向为遥感图像处理与铀矿地质应用。E－mail:yfwbeijing2008@sina.com。

(责任编辑:刘心季)