張士紅 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 撫州 344000

相山鈾礦田航空伽瑪能譜場(chǎng)特征

張士紅 東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 撫州 344000

相山火山盆地是我國火山巖型鈾礦的重要產(chǎn)地。本文基于ArcGIS、ERDAS IMAGINE軟件平臺(tái)，采用張力樣條法，對(duì)相山地區(qū)離散的航空伽瑪能譜測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，形成規(guī)則的柵格圖像數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將光學(xué)色彩空間變化方法——孟賽爾變換等圖像處理技術(shù)引入航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理，獲得了一套有關(guān)相山火山盆地放射總場(chǎng)強(qiáng)度、放射場(chǎng)類型和放射場(chǎng)純度等新的能譜信息，使相山火山盆地的能譜異常特征清晰地呈現(xiàn)出來。這一新的能譜數(shù)據(jù)處理思路和技術(shù)，為相山鈾礦田進(jìn)一步的地質(zhì)工作提供了新的信息。

相山;鈾礦;航空伽瑪能譜;孟賽爾變換

前言

相山火山盆地是我國火山巖型鈾礦的重要產(chǎn)地，核地質(zhì)系統(tǒng)自50年代末就在該地區(qū)開展大量的地質(zhì)普查、勘探及科研工作。近年來，針對(duì)該火山盆地深部鈾資源的研究和勘查取得了顯著進(jìn)展，在一些勘探程度很高的地段探獲了一些新的富大鈾礦體，同時(shí)對(duì)一些基礎(chǔ)地質(zhì)問題提出了新的認(rèn)識(shí)。這些新進(jìn)展表明，相山地區(qū)不僅仍然具有很好的鈾資源勘查前景，地質(zhì)認(rèn)識(shí)也具有進(jìn)一步深化的空間。

航空γ能譜測(cè)量是一種快速、有效的地質(zhì)普查和找礦的手段。我國航空γ能譜測(cè)量主要用于鈾礦資源的普查, 選區(qū)勘查，對(duì)大區(qū)域范圍鈾礦資源勘查遠(yuǎn)景區(qū)的評(píng)價(jià)，以及利用礦床產(chǎn)生的放射性組合變量異常（包括鈾、釷、鉀等含量及其比值或相應(yīng)判別數(shù)理方程等數(shù)據(jù)）對(duì)勘探靶區(qū)的圈定等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 航空放射性測(cè)量直接發(fā)現(xiàn)的鈾礦床占全國鈾礦床總數(shù)量的1/3,其中我國目前最大的火山巖型鈾礦～相山鈾礦田就是航空放射性測(cè)量發(fā)現(xiàn)的。

1 相山鈾礦田區(qū)域地質(zhì)概況

K-白堊系；J3e-上侏羅統(tǒng)鵝湖嶺組；J3d-上侏羅統(tǒng)打鼓頂組；T3a-上三疊統(tǒng)安源組；γπ-次花崗斑巖；πγ-斑狀花崗巖；γ-花崗巖

相山鈾礦田位于贛-杭構(gòu)造火山型鈾成礦帶西南段相山火山塌陷盆地之中，該構(gòu)造帶處于揚(yáng)子板塊與華南板塊縫合線上。

相山火山塌陷盆地總面積近300平方公里，由上侏羅統(tǒng)打鼓頂組和鵝湖嶺組酸性、中酸性火山熔巖、火山碎屑巖以及陸相沉積碎屑巖等組成。盆地基底主要為震旦系千枚巖和片巖；其次是下石炭統(tǒng)華山嶺組變質(zhì)石英砂巖、含云母暗紫色細(xì)砂巖和粉砂巖，上三疊統(tǒng)安源組粗、細(xì)粒石英砂巖、含燧石礫的石英砂巖類、碳質(zhì)頁巖、砂頁巖、含碳質(zhì)砂巖及煤線等。盆地西北緣出露白堊系南雄組磚紅色夾雜色的粗砂巖、含礫砂巖、砂礫巖沉積層見圖1。

2 相山鈾礦田航空γ能譜數(shù)據(jù)處理

2.1 航空γ能譜數(shù)據(jù)存在的問題與解決方案

本次研究收集到的航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)包括96條航線、31136個(gè)測(cè)點(diǎn)，航線距離一般約為450米，測(cè)點(diǎn)距離一般約為50米。通過對(duì)航空γ能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像可視化分析，發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)存在一些問題:有些航線測(cè)量數(shù)據(jù)與其兩側(cè)相鄰航線測(cè)量數(shù)據(jù)之間明顯不協(xié)調(diào)，甚至有些在空間上重疊的兩條航線也存在同樣的問題，如40與41線、51與52線，此處將29、30、31、39、41、44、45、46、47、49、51、52共12條航線數(shù)據(jù)剔除，剩下84條航線數(shù)據(jù)進(jìn)入下一步圖像處理過程。

2.2 柵格化處理

航空γ能譜數(shù)據(jù)是在空間上不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)本身不便于在圖像處理與GIS系統(tǒng)中進(jìn)行有效的可視化處理與分析，更不能夠與其它地學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，為此需要將其插值成柵格數(shù)據(jù)。

本次研究中，通過三種插值方法（反距離權(quán)重法、克里金法、樣條法）的對(duì)比，最終采用張力樣條法（Spline）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，形成10×10米的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，此種方法能夠相對(duì)較好地消除插值圖像中規(guī)則（即不自然）的條帶，將航線影響減到最小。

張力樣條法是根據(jù)模擬現(xiàn)象的特征來調(diào)整表面的硬度，張力的權(quán)重越高，表面越粗糙，而選擇的樣本點(diǎn)越多，受較遠(yuǎn)樣本點(diǎn)的影響越大，擬合的表面越光滑。綜合所獲取的能譜數(shù)據(jù)以及研究的區(qū)域特征，將插值具體參數(shù)設(shè)置為張力權(quán)重1，樣本點(diǎn)數(shù)目100。

2.3 異常值處理

統(tǒng)計(jì)學(xué)上，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布情況下，根據(jù)小概率事件的原理，將偏差超出合理誤差限（兩倍或三倍標(biāo)準(zhǔn)差）的值，判為異常值［2］，它的存在會(huì)對(duì)分析結(jié)果（平均值與標(biāo)準(zhǔn)差）產(chǎn)生重要影響，正確處理異常值是保證原始數(shù)據(jù)可靠性、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算準(zhǔn)確性的前提。

由于放射性測(cè)量的觀測(cè)值，是由大量的獨(dú)立的隨機(jī)因素之總和構(gòu)成的，一般認(rèn)為這些因素對(duì)觀測(cè)值的影響是均勻的，非突變的，所以能譜測(cè)量的觀測(cè)值是符合概率論的“中心極值定量”條件的，即服從正態(tài)分布。因此，可以采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

常用的異常值處理方法包括拉依達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則、迪克遜準(zhǔn)則和肖維勒準(zhǔn)則，此處采用拉依達(dá)準(zhǔn)則對(duì)航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)極值進(jìn)行處理。

拉依達(dá)準(zhǔn)則異常值的判定標(biāo)準(zhǔn)是：如果離群值Xd與測(cè)定平均值之差的絕對(duì)值大于3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，即

則可以認(rèn)為該離群值Xd為異常值，應(yīng)從該組分析數(shù)據(jù)中舍棄。

2.4 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化也就是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的指數(shù)化，是將數(shù)據(jù)按比例縮放，使之落入一個(gè)小的特定區(qū)間的過程。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理主要包括數(shù)據(jù)同趨化處理和無量綱化處理兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)同趨化處理主要解決不同性質(zhì)數(shù)據(jù)問題，對(duì)不同性質(zhì)指標(biāo)直接加總不能正確反映不同作用力的綜合結(jié)果，須先考慮改變逆指標(biāo)數(shù)據(jù)性質(zhì)，使所有指標(biāo)對(duì)測(cè)評(píng)方案的作用力同趨化，再加總才能得出正確結(jié)果。數(shù)據(jù)無量綱化處理主要解決數(shù)據(jù)的可比性，即各指標(biāo)值都處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)別上，可以進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)分析，便于不同單位或量級(jí)的指標(biāo)能夠進(jìn)行比較和加權(quán)。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果是用統(tǒng)一元素視含量來代替實(shí)際分析值，既保證了后續(xù)處理的便捷，又能凸現(xiàn)出物理量的本質(zhì)含義。

2.4.1 物探領(lǐng)域航空γ能譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的算法為：

aUij=Uij/MU （2）

其中，aUij為i行j列像元?dú)w一化鈾值，Uij為i行j列像元鈾值，MU為全區(qū)鈾均值。釷和鉀的計(jì)算方法與之相同。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)增加了不同背景值元素含量的可比性。

顯然，以MU為背景值，像元值>1者為區(qū)域中相對(duì)高場(chǎng)區(qū)，反之為低場(chǎng)區(qū)。

2.4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于放射性核素性質(zhì)不同，造成地質(zhì)體中原始含量差異，為了能夠同時(shí)將元素參與評(píng)價(jià)計(jì)算，需要對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化處理，通過函數(shù)變換將其數(shù)值映射到某個(gè)數(shù)值區(qū)間。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法有很多種，常用的有“最小—最大標(biāo)準(zhǔn)化”、“Z-score標(biāo)準(zhǔn)化”和“按小數(shù)定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化”等。此處采用“最小—最大標(biāo)準(zhǔn)化”方法,使亮度值落到[0,1]區(qū)間，計(jì)算公式為：

其中max為樣本數(shù)據(jù)的最大值，min為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

2.5 彩色合成與孟賽爾(IHS)變換

RGB色彩空間是影像可視化分析過程中一種常用的描述方式,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)要素的同步觀察和分析。但是為了圖像處理的目的, 有時(shí)需要在 RGB 和IHS 這兩種彩色坐標(biāo)間進(jìn)行變換，因?yàn)橛行┨幚碓谀硞€(gè)彩色系統(tǒng)中可能更方便些。孟賽爾變換可以通過一定的算法（公式4）（Sabins,1987）將一幅含 RGB 圖像分離成表征地表空間信息的亮度(Intensity)和表征光譜信息的色度(Hue)與飽和度(Saturation)三個(gè)成分，并且 I、H、S成分相互獨(dú)立，可以很好地實(shí)現(xiàn)能譜間去相關(guān)［3］。

將光譜信息的孟賽爾變換（IHS）方法引入到能譜數(shù)據(jù)處理中，得到航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)I、H、S三個(gè)分量信息，它們分別代表放射總場(chǎng)強(qiáng)度（I）、放射場(chǎng)類型（H）和及其放射場(chǎng)純度（S）。

3 相山鈾礦田放射場(chǎng)異常特征

航放場(chǎng)aU圖上（圖2），相山火山盆地內(nèi)部與外圍震旦前寒武紀(jì)地層鈾放射場(chǎng)特征差異明顯，盆地內(nèi)部總體呈高場(chǎng)-偏高場(chǎng)，中間穿插兩個(gè)北東向條帶狀低值區(qū)，而盆地外圍總體為低場(chǎng)區(qū)。盆地內(nèi)部鈾分布亦不均勻，其中高場(chǎng)區(qū)沿盆緣西部、南部和東部呈不連續(xù)環(huán)狀分布，盆地中部為偏高場(chǎng)區(qū)，北部是相對(duì)低值區(qū)。西部礦床包括鄒家山、居隆庵、牛腦上、石洞和石咀下位于高場(chǎng)、偏高場(chǎng)向低場(chǎng)過渡地帶；北部礦床和東部云際礦床位于高低場(chǎng)過渡區(qū)。

航放場(chǎng)aTh圖上（圖3），盆地外圍則為低場(chǎng)區(qū)，盆地北部和東部為高場(chǎng)區(qū)，西部為偏高場(chǎng)區(qū)，而中部和南部則為偏高場(chǎng)和低場(chǎng)區(qū)混雜，礦床主體位于高場(chǎng)區(qū)。

圖2 相山地區(qū)航空伽瑪能譜aU圖

圖3 相山地區(qū)航空伽瑪能譜aTh圖

航放場(chǎng)aK圖上（圖4），盆地整體為高場(chǎng)區(qū)，中間穿插兩個(gè)北東向條帶狀低值區(qū)。而盆地外緣則是低值區(qū)。西部礦區(qū)位于高值區(qū)；北部礦區(qū)包括巴泉、沙洲、橫澗村以及北部云際礦床均位于高低值過渡帶。

圖4 相山地區(qū)航空伽瑪能譜aK圖

圖5 相山地區(qū)航空伽瑪能譜孟賽爾變換［I］分量

航空伽瑪能譜孟賽爾變換I分量（圖5）代表放射場(chǎng)總強(qiáng)度，從圖上可以看出相山火山盆地呈現(xiàn)總場(chǎng)高值特征，盆地外圍為低值區(qū)。西部礦床包括鄒家山、居隆庵、牛腦上、石洞和石咀下位于高場(chǎng)、偏高場(chǎng)向低場(chǎng)過渡地帶；北部礦床和東部云際礦床則位于高低場(chǎng)過渡區(qū)。

航空伽瑪能譜孟賽爾變換H分量（圖6）展示的是各放射場(chǎng)協(xié)同作用的結(jié)果，其中盆地南部為釷、鈾釷場(chǎng)混合場(chǎng)區(qū)，中部到西部鈾、鈾鉀混合場(chǎng)區(qū)，北部邊緣為鉀場(chǎng)區(qū)，盆地東部鈾、鉀場(chǎng)混雜。西部礦床位于鈾和鈾鉀混合場(chǎng)的過渡位置，北部礦區(qū)位于鉀和鈾鉀混合場(chǎng)的過渡位置，東部礦區(qū)也與鈾、鉀場(chǎng)密切相關(guān)。

航空伽瑪能譜孟賽爾變換S分量（圖7）代表分量場(chǎng)純度，火山盆地放射場(chǎng)特征呈扇葉狀分布，盆地北部為連續(xù)分布的高值區(qū)，已知礦床也都分布在這一區(qū)域內(nèi)，盆地南部則為高低值混合區(qū)。

（左）圖6 相山地區(qū)航空伽瑪能譜孟賽爾變換［H］分量

（右）圖7 相山地區(qū)航空伽瑪能譜孟賽爾變換［S］分量

4 結(jié)語

4.1 筆者采用張力樣條法（Spline）對(duì)離散的航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，極大的消弱了航線對(duì)插值結(jié)果的影響，為數(shù)據(jù)的可視化處理與分析奠定了良好的基礎(chǔ)。

4.2 將光學(xué)色彩空間變換中的孟賽爾變換（IHS）技術(shù)引入到航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理中，得到了代表放射總場(chǎng)強(qiáng)度I、放射場(chǎng)類型H和及放射場(chǎng)純度S三個(gè)分量，使相山火山盆地的能譜異場(chǎng)特征清晰地呈現(xiàn)出來。

4.3 鈾、釷和鉀等放射性元素的分布與地質(zhì)作用密切相關(guān)，結(jié)合鈾成礦機(jī)理及其它地質(zhì)信息，相山鈾礦田航空伽瑪能譜異常特征對(duì)進(jìn)一步的鈾礦勘查具有重要意義。

［1]黃錫強(qiáng).江西相山鈾礦田熱液蝕變特征及成礦物理化學(xué)條件分析[D].北京：中國地質(zhì)科學(xué)院,2007

［2]鄧勃.關(guān)于異常值的檢驗(yàn)與處理.大學(xué)化學(xué),1995;10(4):5～9

［3]田寶鳳,孫榮春,王海霞,等.基于IHS變換的多光譜遙感圖像有損壓縮算法.光電工程,2008;35(1):140～144

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.008