砂岩型铀矿局部排泄带遥感识别与应用

李瀚波，余长发，田青林，方茂龙

（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）

局部排泄带是控制层间氧化带分布的主要因素之一，也是砂岩型铀矿床定位的重要找矿标志［1-2］。寻找局部排泄带，对研究盆地水动力循环系统，勘查可地浸砂岩铀矿资源具有直接意义。砂岩铀矿多产于承压水盆地，含铀承压水通过局部排泄带向上运动，补给到上覆含水层和潜水含水层直至地表。由于地面被土壤或沙漠覆盖，加之地表蒸发强烈，局部排泄带常具有一定的隐蔽性。传统的局部排泄带遥感识别技术认为与断裂构造相关的排泄区土壤湿度较大，常以线型分布的泉、沼泽、河流为主。通过遥感数据湿度指数计算识别湿度异常带，进而观察盆内局部排泄带的空间展布特征，分析成矿期研究区的水动力环境，划分出其蚀源补给区、径流区和排泄区的范围［3-5］。

笔者通过对地下水排泄理论的分析，结合已知砂岩型铀矿床局部排泄带的遥感影像研究，认为地下水强烈蒸发、蒸腾排泄导致的线型盐渍化带，也有可能指示砂岩铀矿的局部排泄带，从而提出了遥感技术识别局部排泄带方法，并用该方法识别了砂岩铀矿勘查新区的局部排泄带。

1 局部排泄带遥感影像特征和识别方法

1.1 局部排泄带理论分析和遥感影像特征

传统的局部排泄带遥感识别技术认为构造排泄区以线型分布的泉、沼泽、河流等水体为主，土壤湿度较大，通过遥感数据水体或湿度指数计算来识别局部排泄带，分析成矿期研究区的水动力环境，划分出蚀源补给区、径流区和排泄区的范围。

笔者研究后认为，在干旱地区地下水沿局部排泄带流出后，强烈的蒸发作用可能会产生线型的盐渍带，其有可能作为识别局部排泄带的证据，即局部排泄带在遥感影像上的反映除土壤湿度异常带外，还应包括强烈蒸发、蒸腾排泄导致的盐渍带。如巴音戈壁塔木素地段，气候干旱，蒸发作用强烈，局部排泄带主要以盐渍带形式在地表表现；而一些气候相对湿润的地区，局部排泄带在地表主要表现为线型沼泽、湿地等土壤湿度较大的地段。由此，笔者将局部排泄带遥感识别技术转换为对线型的盐渍带、高湿度区和水体带的提取。其中，盐渍带在影像上主要表现为亮度高值区域，可以通过中等分辨率影像缨帽变换求解亮度指数图像，并进行亮度值高端分割识别；以线型分布的泉、沼泽、河流为主的高土壤湿度带，可以通过比较成熟的归一化的水体指数（NDWI）进行识别。

1.2 局部排泄带遥感识别方法

结合已知铀矿床局部排泄带的遥感影像特征和地下水理论知识，笔者将局部排泄带遥感识别转换为对线型的盐渍带、高湿度区和水体带的提取。高湿度区和水体带识别采用比较成熟的归一化的水体指数（NDWI）进行识别，盐渍化带则采用缨帽变换亮度指数进行识别。

McFeeters （1996）借鉴归一化水体指数NDVI 的构建思想，利用ETM 影像的绿光波段（TM2）和近红外波段（TM4）构建了归一化差异水体指数NDWI，该方法可以抑制植被和阴影等干扰信息，精确提取水体信息，其计算公式为：NDWI＝（TM2－TM4）/（TM2＋TM4）。在本次研究中，采用该方法提取水体信息。

缨帽变换是一种光谱空间进行旋转的线性变换，变换之后的坐标轴指向与地面景物密切相关的方向，更直观地反映出盐渍化、植被和土壤湿度在多光谱空间中的特征。缨帽变换提供了一种方法以优化数据显示，从而有利于对蒸腾、蒸发引起的盐渍化进行研究 （Crist 等，1986）。缨帽变换后3 个常用的数据轴分别是亮度、绿度和湿度，在荒漠化地区可以用于定义蒸腾强度、植被覆盖程度和土壤湿度信息的组成。在本次研究中主要对蒸腾、蒸发引起的盐渍化进行研究。对于Landsat TM 数据，亮度指标定义如下：

因此可对中等分辨率遥感影像进行缨帽变换，计算亮度、湿度和绿度指数，并进行密度分割，提取线型分布的盐渍带、土壤湿度带和植被边缘；结合补径排体系综合分析，识别研究区的局部排泄带（图1）。

图1 局部排泄带遥感识别技术流程图Fig.1 Flow chart of remote sensing identification of local discharge belt

2 已知砂岩铀矿床局部排泄带遥感特征

2.1 塔木素砂岩型铀矿床局部排泄带地质特征

塔木素地段位于武腾盆地北侧（巴音戈壁盆地南缘西段），受阿尔金断裂东段影响，其局部排泄带主要受北东向断裂控制。巴音戈壁盆地塔木素地段巴音戈壁组上段已发现了比较理想的砂岩型铀成矿层位和铀矿化，并控制了一定规模的工业铀矿化地段，显示出该盆地具有良好的找铀矿前景。从前人资料可知，塔木素铀矿化发育在一条北东向断裂的北侧（图2 a）。分析认为该断裂为局部排泄带，控制了地下水的排泄作用，有利于含氧含铀水在下白垩统的巴音戈壁组地层砂岩中循环运移，从而促进铀矿化的富集。

2.2 塔木素砂岩型铀矿床局部排泄带遥感识别

笔者从GLCF 共享平台上下载了塔木素地段所在区域的1—7 波段ETM+遥感影像，条带号和行编号分别为131 和032。采用ENVI5.0 对数据进行了波段合成、大气纠正和正射纠正等一系列预处理工作。使用7、4、2波段合成后，形成了塔木素地段的假彩色合成影像图（图2 b）。影像特征所示，在塔木素矿床南侧，有一条白色遥感影像异常带呈北东向展布。与已知塔木素铀成矿要素对比分析可知，这条北东向的白色异常带，与已知控制塔木素矿床的断裂构造展布范围完全一致，分析可能是局部排泄带在地表形成的痕迹。

图2 塔木素矿床地质图（a）和ETM 遥感影像图（b）Fig.2 Geological map （a）and ETM remote sensing image （b）of Tamusu deposit

使用传统的局部排泄带遥感识别方法进行试验，即通过水体和湿度指数的提取来识别局部排泄带［6］。分别采用归一化的水体指数［7-8］和缨帽变换湿度指数［9］计算，均未识别出塔木素地段的水体信息，说明该条白色异常带内并不存在湿度较大的土壤和水体分布。推测该条白色异常带与盐渍化带关系密切，而盐渍化带在遥感影像上表现为高亮度带，以此为依据，笔者开展了通过亮度值识别局部排泄带的实验。将塔木素地段ETM 影像的1—5 波段和7 波段叠加处理，通过缨帽变换计算亮度指数，进行亮度值高端切割，成功地将该条盐渍化带提取出来（图3）。

图3 塔木素地段局部排泄带的遥感提取Fig.3 Remote sensing extraction of local discharge belt in Tamusu area

2.3 实验结果分析

在干旱盆地内，尤其干旱气候条件下的松散沉积物构成的平原与盆地中，蒸发与蒸腾往往是地下水主要的排泄方式，干旱、半干旱地区地下水流动系统的排泄区是蒸发浓缩作用最为强烈的地方。区域性流动系统的排泄区由于能够汇集更大范围地下水中的盐分，蒸发浓缩较局部流动系统排泄区更为发育。

笔者对实验结果分析后认为，塔木素矿床南侧的北东向白色异常带应为蒸发排泄作用造成的盐渍带，因该盐渍带呈直线型展布，在径流区没有明显河流痕迹，推测该处有一断裂构造切断地层，地下水沿局部排泄带流出后，由于持续强烈蒸发作用产生了盐渍带，说明该地段曾存在地下水循环体系。而当该盐渍带呈线型展布，且与主断裂构造走向一致时，则有可能是构造排泄在地表的一些痕迹的反映。这些盐渍带在遥感影像图表现为亮度高值区，比较容易通过亮度指数计算识别，但在地质勘查中，由于地表覆盖严重，很难发现明显的断裂构造特征，在野外地质工作中容易被忽视。

3 砂岩铀矿勘查新区应用实例

甘肃省中卫市乱井地段位于武腾盆地的东南缘，该区属于砂岩铀矿勘查的新区，开展的铀矿勘查工作较少，尚无矿床级别的铀矿化产出。前人的工作认为，该区找矿目标层为中、上新统（N1、N2）、渐新统（E3）及白垩系（K），蚀源区为石炭系，地下水流向为北东向（图4 a）。

笔者从马里兰大学网站上下载了乱井地段所在区域的1—7 波段ETM+遥感影像，条带号和行编号分别为130 和034。首先采用ENVI5.0 对数据进行了波段合成、影像大气纠正、几何纠正、影像裁切等一系列预处理工作，之后使用7、4、2 波段合成后，形成了乱井地段的假彩色合成影像图（图4 b）。使用预处理后的ETM 遥感影像进行缨帽变换，计算亮度指数图像，并进行密度分割，提取了北西向线型分布的盐渍化带（图5）；同时，使用归一化的水体指数方法计算了该图像的湿度指数图，提取了沿北西向分布的水体信息。从提取结果看，盐渍带和水体湿度带同时存在，且沿北西向展布，推测该处有一条北西向的局部排泄带，与地下水流向垂直，并且现在仍可能有地下水循环活动。所提取盐渍化带和水体带并行排列，盐渍带位于水体带的下方，这样的排列方式，也可能对局部排泄带构造性质的判定提供依据。

图4 乱井地段地质图（a）和ETM 遥感影像图（b）Fig.4 Geological map （a）and ETM image （b）of Luanjing area

根据前人资料，乱井地区的铀矿化异常带呈雁列式展布，矿化异常带的展布方向大都为300°方向，与遥感提取的局部排泄带走向一致（图5），进一步印证了所提取的局部排泄带的准确性。在野外查证中，该北西向展布的水渍带已由于地表蒸发作用成为盐渍带，呈北西向展布，但部分地段仍未完全干涸，与信息提取结果吻合。

图5 乱井地段湿度和亮度异常分布图Fig.5 Abnormal distribution map of humidity and luminance in Luanjing area

4 结论

1）通过遥感方法识别的盆地内线型盐渍带和湿度带，有可能是断裂构造切穿地层，地下潜水流出后在地表留下的证据。其中盆地中干旱地区由于蒸发作用主要表现为盐渍带，而气候湿润地区主要表现为湿度带。

2）通过对传统遥感识别局部排泄带的方法改进，以ETM 遥感影像作为数据源，分别使用归一化的水体指数和缨帽变换亮度指数识别水体和盐渍带，有助于局部排泄带的推测和识别，进而对可地浸砂岩铀矿的预测提供依据。

3）使用该方法在塔木素和乱井地区开展了遥感识别实验，成功获取了区域内的局部排泄带，证明了该方法的有效性，并可应用于我国北方砂岩盆地的补径排体系分析。