面向铀矿地质应用的航空高光谱数据与伽马能谱数据协同应用研究

车永飞，张明林，叶发旺，张建永

（1.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；2.中国铀业有限公司，北京 100013；3.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

高光谱遥感又称为成像光谱遥感，是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术。航空高光谱遥感器能够同时获取目标区域的二维几何空间信息与一维光谱信息，是三维数据。因此，高光谱数据具有“图像立方体”的形式和结构，体现出“图谱合一”的特点和优势，可以很好地表征地物的光谱特性及空间纹理信息，在基岩裸露区对岩性、蚀变、铀矿化及地表构造等成矿要素具有很好的识别效果［1-5］。然而，高光谱遥感数据与多光谱遥感数据一样也存在一些局限性：对地表的穿透深度能力有限；部分或完全覆盖的枯枝落叶层、植被覆盖增加其对矿物、岩石识别的难度；相似光谱特性的矿物不易区分。因此，直接进行高光谱数据提取地质信息的效果有时会受到地表覆盖的影响。

伽马能谱数据测量是利用航空能谱仪，在测量地区上空按照预先设计的测线和高度，对岩石和地层中天然放射性核素含量进行测量的地球物理方法。主要探测铀与氡的共同衰变子体214Bi 的伽马射线，是由一定深度埋深的铀矿床或异常体产生的航放异常信息穿透一定厚度的上覆层，并反映在地表及一定高度空域上微弱的异常偏高信息。伽马能谱数据具有空间和能谱信息，是二维数据，具有覆盖面广、速度快、效率高、成本低、信息量大等优势，同时也不受地面条件（如植被、海、河、湖、沙漠）的限制［6-8］。在铀矿资源勘查过程中，伽马能谱数据包含了离散的铀（U）、钍（Th）、钾（K）数据，蕴含丰富的信息，反映的是不同岩石、地物的放射性强度，在区分岩性和钾化蚀变信息方面效果好。但由于无立体感，无地貌信息，识别断裂构造的效果较差［9］。

综上所述，航空高光谱图像与伽马能谱图像隐含着不同的信息，具有不同的应用优势与劣势，二者间具有很强的信息互补性。铀矿田除了具有光谱信息（“谱”）与几何结构、纹理信息（“形”）的特征外，还有其独特的放射性（“能”）特征。国内铀矿找矿正处于新区探索和攻深找盲阶段，急需快速、高效、低成本的新技术。因此，“谱”、“形”与“能”相结合，即充分利用地物的光谱信息与几何、纹理信息、放射性信息是矿产勘查领域的必然趋势［10-13］。本次研究从光谱特征、空间几何特征、放射性特征等3 个方面充分挖掘航空高光谱与伽马能谱数据所含的优势信息或互补性信息，能够提高铀成矿要素遥感解译和信息提取的精度，对研究浅部地质现象和规律具有特殊价值，对铀矿资源勘查具有重要意义。

1 研究区地质概况及数据源选择

龙首山位于甘肃省金昌市北部，区内植被覆盖程度低，基岩裸露程度高，交通便利。该区已开展航空高光谱遥感数据获取和1∶5 万航空伽马能谱测量工作，地质工作程度较高，地质资料丰富，部分图幅完成了1∶5 万区域地质调查工作。基于该区良好的基岩裸露条件和丰富的数据资料，优选该区进行协同应用研究。

研究区属中低山地貌区，地势北西高、南东低，北西部山势陡峻，地形切割大且沟谷发育，一般海拔2 200～2 700 m，相对高差50～1 500 m，南东部海拔在1 600～2 000 m 之间。

区域大地构造上属华北板块西南缘的阿拉善地块南缘龙首山拱断带内，北部以深大断裂与潮水盆地相邻，南部以深大断裂与祁连加里东地槽之河西走廊过渡带相接，具有多旋回地质构造演化的特点。本文以龙首山铀成矿区为研究区，该区域地层以古元古界龙首山群（Pt1L）、中元古界墩子沟群（Pt2dz）及上元古界韩母山群（Pt3hm）为主，古生代和中生代仅在龙首山的北西和南东端零星出露。区域内侵入岩广泛发育，岩浆侵入活动自中条期到燕山期均有发生，以加里东期最为强烈，其次为中条期，岩性包括超基性、基性、中性、酸性、碱性等。

2 多源数据信息特征提取

2.1 航空高光谱数据信息特征提取

2.1.1 数据预处理

本文采用的数据是2017 年9－10 月由CASI/SASI 成像光谱仪获取的甘肃龙首山地区航空高光谱数据。波长范围从可见光、近红外（VNIR）到短波红外（SWIR）波段，共137 个波段。其中，CASI 数据共36 个波段，光谱覆盖范围380～1 045 nm，光谱分辨率19 nm，空间分辨率0.9 m；SASI 数据共101 个波段，光谱覆盖范围950～2 450 nm，光谱分辨率15 nm，空间分辨率2.5 m。获取的CASI/SASI 航空高光谱数据经过系统自带的预处理软件辐射校正和几何校正后，得到辐射亮度数据，然后再进行坏波段和水汽强吸收波段剔除、大气校正与光谱重建等预处理，得到反射率数据。CASI/SASI 航空高光谱数据均按照行业标准在适合飞行测量条件下获取的，经过数据预处理后，数据质量能够满足研究需要。

2.1.2 矿物识别结果与矿物分布特征

由于航空高光谱数据具有波段多、维数高、光谱间相关性高等特点，数据预处理后，为了去除其冗余量，减小计算的复杂性、提高解译精度，使用特征提取算法对光谱特征进行降维。本次采用主成分分析法（PCA）进行降维，提取了36 个特征波段。对这36 个特征波段分别采用“沙漏”技术流程对短波红外波段范围的数据进行矿物填图；同时，采用比值组合方法对可见光－近红外波段范围的数据进行矿物提取。在研究区主要识别出了高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母、绿泥石、方解石、高岭石、石膏、赤铁矿、褐铁矿、黄钾铁矾等矿物。

从研究区的航空高光谱矿物分布图可见，矿物信息总体呈NW 向带状展布，与主体构造空间走向近一致，在中部马路沟断裂一带最为强烈，以近SN 向玉石沟断裂为界，总体上矿物分布西部较东部强（图1）。西部地区主要分布有较多的高铝绢云母、中铝绢云母、绿泥石、方解石、赤铁矿、褐铁矿、黄钾铁矾等；东部则主要分布有中铝绢云母、低铝绢云母、绿泥石、碳酸盐等。

2.1.3 断裂构造识别与特征分析

本次航空高光谱遥感图像断裂构造主要采用目视解译的识别流程，主要包括主次要线性构造提取、明显非地质成因线性构造等干扰信息去除等。

区域内线性构造展布方向的特征是构造方位分析的关键。结合前人研究成果发现，研究区处于龙首山拱断带，为区域性切壳深大断裂带，主要发育北西向、北东向、近东西向和近南北向断裂，其中以北西向断裂最为发育。将上述解译断裂、地质图断裂的主要构造线方向进行叠合，发现两者的主要构造线展布方向非常接近。其中，革命沟和马路沟断裂遥感识别结果与地质地面调查结果一致。

从矿物、构造的空间关系来看，赤铁矿、褐铁矿、黄钾铁矾蚀变主要位于马路沟断裂及其次级断裂呈“入”字型交汇部位，多呈斑块状，蚀变程度较强；高、中、低铝绢云母、绿泥石、方解石主要分布在北西向与北东向断裂夹持部位；高岭石、石膏蚀变零星分布，蚀变程度弱（图1）。

图1 龙首山地区航空高光谱蚀变-构造-铀矿化综合分析Fig.1 Comprehensive map of aerial hyperspectral alteration-structure-uranium mineralization in Longshoushan area

综上，利用航空高光谱数据提取出10 余种地表矿物信息，但并非都是蚀变矿物信息，也并非都与铀成矿有关；构造是热液型铀成矿最重要的控矿要素，通常地质学上分析和判断哪一组走向的构造为控矿构造，采取构造与已知铀矿化信息叠合，将在空间上与区域铀矿化最密集叠合的构造，判定为控矿构造，这种方法只有在已发现大量铀矿化点后判断，属于“事后判断”，难以采用单一信息提前判断对区域铀成矿的控制作用。

2.2 伽马能谱特征提取

2.2.1 数据预处理

本文收集的航空伽马能谱数据为核工业航测遥感中心于1984－1985 年使用FD－123航空能谱仪在龙首山地区进行航空放射性测量获取的。测线为南北向，线距1 000 m；采样速率1 次/秒，采样间距约50 m，比例尺为1∶10万。航空伽马能谱测量一般获得4 种数据：总道（TC）、钾道（K）、铀道（U）、钍道（Th），其数据处理包括航空伽马能谱基础数据处理和航空伽马能谱解释性数据处理（信息提取）。航空伽马能谱基础数据处理包括原始数据处理和数据标准化及网格化处理，包含飞机本底修正、宇宙射线修正、大气氡修正、康普顿散射修正和飞行高度修正［14］。最后，根据仪器的灵敏度，反演出地表K、U、Th 含量和总计数率。本次研究使用的航放数据均经过了各种修正和换算的含量单位数据，不需要再进行原始数据处理。

2.2.2 航空伽马能谱特征分析

在总、钾、铀、钍4 道数据中，总道测量灵敏度较其他3 道高，各道均有其不同的特点。钍道反映的钍元素在近地表条件下相对稳定，能够较好地反映岩石（或土壤）原始状态下的分布特征，是比较灵敏的岩石地球物理特性指示参数。元素钍与铀及钾含量之间在各类正常的沉积岩中存在一定的相关关系，一些特殊的地质地球化学作用过程可能引起铀、钾元素的迁移，其含量易发生变化，但钍元素迁移性较低，其含量相对稳定不变或略有降低。通过理论分析，并结合该区前人研究成果，本次选择了航空伽马能谱总计数率、铀含量、钾含量的空间分布趋势及K/Th 值4 个参数进行分析。

航空伽马能谱总计数率图显示（图2a），研究区放射场总体表现为放射性偏高场-高场，以中部小青羊铀矿（化）点至芨岭矿床一带以北高场规模最大、总计数率值最高，平均值超过3 000 cps，结合地质图，其高场形态与加里东中期出露的花岗岩体范围吻合。研究区西南部有多处不连续的高值异常，异常总计数率值均在2 500 cps 以上，其放射性高场主要由加里东晚期花岗岩体引起。

图2 龙首山地区航空伽马能谱阴影图Fig.2 Aerial gamma spectrum shadow map in Longshoushan area

航空伽马能谱铀含量图（图2b）显示，研究区中部表现出具有一定连续性的铀高值异常，西南部、南部有多个孤立的铀高值异常，异常值一般超过3.73×10-6，最大值5×10-6以上，局部可达21×10-6，总体呈北西向带状展布。结合研究区地质图，发现其高值主要与花岗岩体或沿断裂发育的铀矿化关系密切。

航空伽马能谱钾含量图（图2c）显示，研究区中部革命沟铀矿床周边及马路沟断裂分布附近表现出高场，航空伽马能谱钾含量超过2%，局部可达3.4%。

K/Th 值图反映了不同地质体钾、钍元素相对含量的分布规律。图2d 显示了3 处呈北西向展布的钾钍比值高场，以中部、东南部比值最高，对比地质图发现其比值高场范围与已知的加里东晚期闪长岩体的范围大致相同。

然而，自然界中存在岩性不同但放射性元素含量相同或岩性相同放射性元素含量又不同的现象，受风化和蚀变的岩石可以使放射性元素减少、迁移和富集，造成了岩石放射性强度的变化，因此，采用单一的岩石放射性信息进行岩性或蚀变的区分也不是最佳选择。

3 多源信息协同

3.1 理论基础与可行性分析

构造运动是区域活动、物质迁移、岩浆侵入、热液活动及成矿的动力来源，造成区域地质体（地层、岩体）的错断、差异性升降及形成总体呈线性的侵入岩体，在高光谱遥感图像上表现为线性趋势的断裂构造带。深大断裂及其后期活化为深部热液流体上侵提供动力和迁移空间，深部热液流体本身带有丰富的矿物元素和极强的侵蚀萃取能力，运移过程中萃取、交换成矿元素［15］，包含自身携带的成矿元素，在构造空间内有利的部位及物化条件下富集沉淀，形成包括铀矿在内的各种热液型矿床。热液类型和流体规模通过不同种类的热液蚀变显示出来，在高光谱遥感图像上反映为不同类型及强度的蚀变矿物分布。因此，高光谱遥感数据能够反映区域构造及热液活动强度及分布。

区域地质体铀元素含量是铀成矿的物质基础，可以通过航空伽马能谱测量获取区域铀元素背景数据，判断铀成矿的物质基础强弱。热液流体性质及其对围岩反应和物质交换，形成不同类型的蚀变矿物（组合），会有铀、钾、钠等元素的带入和迁出，放射性铀、钾的富集和迁出，表现为伽马能谱测量数据的变化，对铀成矿富集具有直接指示作用，能够反映富（贫）钾蚀变矿物的发育情况。碱交代是热液型铀成矿标志性蚀变矿物（组合），在元素迁移上体现为钾、钠元素的带入和迁出，并具有钾、钠转折现象［16］，因此放射性钾元素含量能够反映区域碱交代蚀变矿物的类型及其强弱，能够通过伽马能谱数据反演获取。

3.2 协同应用

3.2.1 空间相关性分析

根据蚀变矿物的分布强度、范围及区域特征，本文在航空高光谱矿物填图结果上选取了21 个样本点的矿物光谱特征与相应位置的放射性元素含量（比值）进行了定量化统计（表1），结果发现绿泥石、方解石、赤铁矿、褐铁矿、黄钾铁矾等强蚀变分布在U 含量高场附近（图3a），高、中、低铝绢云母、高岭石、赤铁矿、褐铁矿等强蚀变分布在K 含量高场附近（图3b）；绿泥石、赤铁矿等强蚀变分布在TC 总计数值高场附近（图3c）；高、中、低铝绢云母、绿泥石、方解石、赤铁矿、褐铁矿等强蚀变分布在K/Th 值高场附近（图3d）。热液蚀变往往沿岩体脆弱带上侵，即蚀变受断裂构造控制，同时使原岩物性发生变化（放射性变强等），表现出放射性变强等特征的相应变化，因此，放射性元素含量高场均在区内NWW、NW、NE、近EW 向4 组主要断裂带附近（图3a，b，c）。

图3 龙首山地区航空高光谱蚀变、构造与伽马能谱综合分析Fig.3 Comprehensive map of aerial hyperspectral alteration，structure and gamma energy spectrum in Longshoushan area

表1 航空高光谱蚀变矿物光谱特征与放射性元素含量（比值）统计表Table 1 Spectral characteristics and radioactive element content(ratio)of aerial hyperspectral altered minerals

3.2.2 成因机理分析

龙首山地区碱交代作用强，研究区内有两个碱交代成因类型的矿床（岌岭、新水井铀矿床）。据前人研究成果，碱交代型铀矿床成因上与加里东期的中性、酸性岩浆岩活动密切相关，蚀变大致分为高温钾钠混合交代阶段、区域性钾交代阶段、中低温热液钠钙交代阶段、矿化期钠交代阶段4 个阶段。4 个阶段演化特征概括为：第一阶段在原岩矿物中发生交代作用形成钾钠长石结合体，岩石化学成分表现为K+、Na+共同增加，U、Th开始低度富集，但主要以Th 富集为主，热液作用由全区范围向局部集中；第二阶段与岩浆岩、老变质岩进行交代作用发生较强的绢云母化，并有轻度的红化，碱质热液活动从早期封闭式向晚期开放式发展；第三阶段交代作用范围主要集中在早期原岩内部，蚀变后最终矿物组合趋于一致，即钠长石、绿泥石、方解石及赤铁矿组成的钠交代蚀变岩。与成矿关系密切的第四阶段，是一次迭加交代作用，与早期交代作用相比发生的碳酸盐化及赤铁矿化更强烈。在交代作用最后阶段硅和钾有明显的活动显示，表现出弱绢云母化。因此，整个热液蚀变作用阶段碱金属大致以钠-钾-钠-钾更替发展，其酸碱度是趋向晚期碱度明显降低，最后向中-酸性过度，热液温度从高温逐渐向低温发展，最晚阶段铀富集。

龙首山地区航空高光谱蚀变矿物填图结果是上述4 个演化阶段形成的现今地表出露的一种综合表现，绢云母化、绿泥石化、黄钾铁矾等都是含K+的蚀变矿物，这不仅表明该区热液蚀变含有K+的参与，而且是在偏中性-酸性条件下形成的产物。热液流体能改变岩石原始的放射性元素含量特征，其主要是导致K 含量增加。同时，在矿化期碱交代阶段作用下，Fe2+被氧化为Fe3+，“红化”现象明显，赤铁矿化强蚀变分布与伽马能谱铀含量高场得到了很好的印证。

4 铀矿控矿因素分析

热液型铀矿床主要成矿要素包括成矿物质、成矿动力和容矿空间，高光谱和伽马能谱数据联合挖掘分析，能够较全面地反映主要成矿要素。其中，铀成矿物源（铀元素）方面，伽马能谱数据能够反演区域地质体铀元素背景值，浅表层铀元素富集体的分布。成矿动力方面，高光谱数据能够显示构造带的规模及强度，热液蚀变规模及强度也间接反映区域构造活动区热液的驱动力及范围；伽马能谱数据能够反映碱交代蚀变强度及分布范围，指示与铀成矿有关的流体活动强度及分布。断裂构造、热液蚀变在研究区总体表现为沿马路沟断裂及其次级断裂发育钠交代型铀矿化的特点。航放铀含量影像图上表现为沿断裂分布有铀异常或高值带，铀含量值一般为（5.5～12）×10-6。

容矿空间方面，高光谱和伽马能谱数据都能反映断裂构造的规模，两种数据综合分析更能清晰的反映次级构造的延伸及展布，成为铀成矿有利的容矿空间。在航空高光谱蚀变、构造和伽马能谱数据综合分析图上（图3），能够显示增强的马路沟和革命沟控矿构造带的展布及其清晰的局部特征，构造带更加明显，边界更为清晰，与已发现铀矿床（点）的叠合更准确。此外，也清晰的反映了玉石沟断裂带的特征，与单一高光谱和伽马能谱数据反映的情况不同，该断裂带连续、清晰，延伸方向和范围边界更加清晰，是该区未来铀矿勘查值得重视的找矿新方向。

5 结论

1）在裸露良好的龙首山热液型铀成矿带，航空高光谱遥感数据能够反映区域构造及蚀变矿物的分布范围，伽马能谱数据能够反映区域放射性元素含量、碱交代蚀变发育强度及范围，能够显示数据的特点和优势。

2）航空高光谱遥感与伽马能谱数据联合挖掘能够较全面地反映区域放射性含量、构造、铀成矿相关的碱交代蚀变强度及范围，及其所代表的区域构造活动（强度）、热液类型及其强度，两种数据的协同应用对区域控矿构造带的影响更清晰、边界更准确，既能展现地物的高光谱、信息特征，又能反映地物的放射性含量，充分发挥出了信息的互补效应。

3）通过区域航空高光谱遥感与伽马能谱数据协同应用，结合区域铀成矿规模的综合分析，除以往前人重视的马路沟和革命沟断裂构造带之外，新发现了具有较好铀成矿条件的玉石沟断裂构造带，且2022 年核工业二〇三研究所在该区开展钻探查证，新发现了较好的工业铀矿孔，进一步证明了该区具备较好的找矿潜力。