航空γ能谱测量数据在西澳伊尔岗地区钙结岩型铀矿勘查中的应用

车永飞，张云龙，赵英俊，林子瑜

（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.核工业270研究所，江西 南昌330200；3.东华理工大学，江西 抚州344000）

20世纪70年代以来，航空γ能谱测量作为新的技术手段逐渐应用于铀矿勘查中。首先提出了伽玛能谱数据的变异γ场[1]和相对γ场[2]的概念，随后该方法被推广至其它放射性测量和水化数据测量处理中。此后，经过不断改进又提出了γ能谱的3个特征参数：古铀量、古铀迁移量和活性铀迁移量等[3－4]。近年来，经过大量的研究和实践，提出了新的γ能谱参数 （如铀富集系数、铀丰富程度指数和铀改造程度指数等）[5－6]，并对一些参数公式进行了修正[7]，以反映区域原始铀含量、迁移和富集特征，作为表生铀矿直接的示矿信息。

钙结岩型铀矿床是一种特殊的表生铀矿床，是来自大面积铀源区的铀，通过含铀地下水带入致密的钙结岩中富集，形成具有工业意义的铀矿床。西澳伊尔岗地区已发现该类铀矿床15个，该区具有优越的钙结岩型铀矿成矿条件。航空γ能谱测量是寻找铀矿最直接有效的方法之一，能快速圈定找矿靶区[8]，大大提高找矿效率。本文主要利用航空γ能谱测量数据提取古铀量和铀富集系数，并利用特征空间域的贝叶斯决策准则监督分类技术，提取了研究区的航放异常信息，进而对伊尔岗地区的钙结岩型铀矿进行成矿预测。

1 伊尔岗地区地质特征

伊尔岗地盾由太古界花岗岩和绿岩带组成[9]。东部的奥菲彻盆地出露二叠系至中生界沉积盖层，北部和东北部的纳贝鲁盆地分布元古界沉积物，西部由达林断裂与佩思地堑状构造盆地相隔，盆地中充填古生界—新近系，厚度约为15km[10]。由于长期风化作用，该地区成为一个地势平坦的高原区，海拔高度约650m[11]。在白垩纪区内气候潮湿，高原区受广泛发育的东西向水系冲刷，在白垩纪海退以后演化成大陆边缘带，受强烈风化剥蚀作用，形成平原并发育厚度较大的红土层；渐新世—中新世该区变为湿润的热带－亚热带气候，准平原化的红土层不断被侵蚀，裸露出深层的风化壳；到晚中新世，从大陆中心向四周气候逐渐趋于干燥，因此水系断流，形成一系列的黏土泡或盐湖和古河道；沉积形成部分钙结岩，沿河道或环绕湖边分布的以及同时期形成的冲积层共同构成了铀矿化的主岩[12]。伊尔岗的北部地区广泛分布“非成土钙结岩”，西澳的钙结岩型铀矿化主要产于以花岗岩为基底的汇水区内，具有经济价值的铀矿床仅产于北部地区 （南纬30°以北的地区）[10]，以伊利里大型铀矿床为典型代表。

2 航空γ能谱测量数据应用的依据

2.1 γ能谱特征参数的建立依据

铀、钍、钾元素在不同的地球化学环境下，其活动性有不同的变化规律[13]：①铀元素化学性质复杂多变，在还原条件下表现为＋4价 （即U4＋），活动性较弱，且是不可溶的。在氧化条件下表现为＋6价 （即U6＋），以铀酰离子络合物的形式存在于地下水中，可溶解或者容易被吸附而发生转移。②钍元素的化学性质稳定，一般不受成岩后期改造和地球化学作用等因素的影响。在氧化环境下铀元素被淋失而迁移时，钍元素则保留了下来，并且常常在碎屑物中形成了含量较高的钍元素沉积。③钾元素的化学性质活泼，在氧化和还原环境下的活动性几乎相等。因此，可根据铀、钍、钾元素地球化学性质的差异，建立航空γ能谱测量多元素特征参数组合，计算古铀量（GU）和铀富集系数 （Uc），来识别铀源区和铀后生富集区。

2.2 航放示矿信息的提取依据

航放示矿信息[14]是指通过对航放数据的处理、组合和变换，能够显示铀成矿有利地段，并结合对铀元素地球化学性质、区域铀成矿规律和预测要素的综合分析，最终圈定有利找矿靶区的航放数据处理结果。伊尔岗地区钙结岩型铀矿产出于新生代河道内，而航空γ能谱测量对地表岩石的放射性特征具有良好的反映。因此，可采用监督分类的方法提取航放示矿信息。监督分类 （又称训练分类），是指用被确认类别的样本像元来识别其他未知类别像元的过程[15]。在监督分类的过程中，通过在图像上选取一定数量的训练区，通过统计和计算，将每个像元的信息和训练样本的信息进行比较，并按照一定的规则将图像的像元划分到与其最相似的样本类别。监督分类常用的算法有最小距离分类法、多级切割分类法、特征曲线窗口法和最大似然法等。其中，最大似然法 （即贝叶斯分类法）是监督分类中最常用的方法[16]。通过对航空γ能谱数据进行监督分类，获取航放空间距离影像，将距离近的区域划为航放异常区。

3 航空γ能谱测量数据的处理

本文所使用的是航空γ能谱测量数据[17]，分辨率为200m。对该数据的应用采用以下2种方法：（1）利用多参数组合法计算古铀量和铀富集系数； （2）利用监督分类法提取航放示矿信息。

3.1 数据的预处理

（1）投影转换

由于收集到的各种基础数据坐标系统不同，需要将所有格式数据转换至统一的坐标系下，且要对数据进行投影变换。本文将航空γ能谱源数据所使用的不同坐标系统，通过变换投影类型、投影参数或椭球体等，在ARCGIS10中将其转换为GCS＿WGS＿1984坐标系。

（2）异常值处理

物探、化探和数学地质中一般接触的是未知总体方差的样本。根据理论和经验，这些样本是符合正态分布或近似正态分布的[18]。但是在这些样本中，有时会发现个别可疑数据 （通常称异常值），它们与样本中其它值比起来偏大或偏小。这种异常值的产生可分为两种情况： （1）异常值由实验过程中读错、记错、仪器突然跳动、突然震动等异常情况引起。误差理论认为，这种个别的异常值往往是 “粗大误差”，或称为 “过失误差”、“坏值”。显然，这样的异常值若不剔除或改正，势必歪曲实验结果； （2）如果在某地质单元范围内，某指示元素的背景值符合正态分布，仅有个别值过高，该异常就有可能是矿致异常，是指导我们继续深入工作的指示。本文依据拉依达准则对航空γ能谱数据进行异常值的判定和处理。

拉依达准则异常值的判定标准是：如果离群值Xd与测定的数据平均值X之差的绝对值大于3倍的标准偏差σ，即

则将离群值Xd判为异常值，通过ERDAS建模来处理航放数据存在的异常值，处理后的数据如果呈正态分布，认为该异常值与研究对象有关，对其予以保留，否则应从该组数据中舍弃。

是夜，虚弱的、奄奄一息的我看见西边林场边的树丛里，飘起缕缕的亮光，那亮光像北极光，它们飘散，星星点点地朝我飘来，在我旁边，那团白光聚集成范峥峥的人形，她幽幽地对我说，带我回家……

（3）数据标准化 （归一化）处理

经过投影转换和异常值处理的航放U、Th、K含量数据数量级不一致 （U、Th含量的数量级是10－6，K含量的数量级是10－2），没有可比性。为了使这些数据具有可比性，必须对数据进行归一化处理 （即量纲统一）。本文采用最小－最大标准化方法处理航空γ能谱数据，对原始数据进行线性变换，使处理后的数据处于 [0，1]区间，公式模型[19]为：

式中：x和y分别为处理前后航空γ能谱测量值；Min和Max分别为航空γ能谱测量值的最小值和最大值。

3.2 航空γ能谱特征参数的计算

（1）古铀量

古铀量具有反映铀源的作用，其高值区指示并可圈定铀源。通过计算古铀量，能评价有利地层供给铀的能力，来初步确定铀成矿有利区。古铀量计算的思路和依据为：①钍元素在近地表环境下稳定，不易迁移，能较好地反映岩石原始状态的分布特征；②铀元素性质较活泼，当地球化学条件改变时，容易被淋滤、迁移和富集；③原岩中，铀、钍存在共生关系，其含量呈正相关关系，铀、钍比值在一定范围内。因此，可用钍含量为基本参数来计算古铀量。其计算公式[7]如下：

（2）铀富集系数

铀富集系数具有突出铀相对富集区的作用。根据U、Th、K地球化学性质的差异（U、K性质活泼易迁移，Th性质稳定不易迁移），地质单元中U／Th和U／K增高，说明该地段存在U的后期活化迁移，在原有高U含量的铀源层，形成叠加产生后生富集。铀富集系数 （Uc）的计算公式[20]如下：

式中：U、Th、K分别为铀、钍、钾元素含量的实测值。

根据古铀量和铀富集系数的计算公式，在ERDAS软件中建立空间数据模型并运算，通过去异常值和平滑处理得到古铀量图 （图1）和铀富集系数图 （图2）。从图1和图2可知，伊尔岗地区已知铀矿床全部位于古铀量和铀富集系数的高值区。

图1 伊尔岗地区古铀量 （GU）图Fig.1 Distribution of original uranium content in Yilgarn area

图2 伊尔岗地区铀富集系数 （Uc）图Fig.2 Distribution of uranium enrichment coefficient in Yilgarn area

1—铀富集区界限；2—大型铀矿床；3—中型铀矿床；4—小型铀矿床；5—铀矿化点。

3.3 航放示矿信息的提取

航放示矿信息通过对航放数据 （航放U、Th、K含量与古铀量、铀富集系数进行RGB合成的影像数据）进行监督分类，获取空间距离影像来圈定，将距离近的区域视为航放异常区。本文基于贝叶斯准则的监督分类方法对伊尔岗地区航放数据进行处理，并对航放异常信息进行阈值分割，将该地区航放异常信息划分为3个等级。具体步骤如下：

（1）提取航放样本信息

伊尔岗地区已探明钙结岩型铀矿大型1个、中型9个、小型5个及2个铀矿点。以已知大、中型矿床为训练样本，按矿床规模分别建立12像元 （大型）、8像元 （中型）的缓冲区，并获取其AOI（area of interest）文件。根据建立的缓冲区，利用ERDAS软件逐个获取各缓冲区对应地区的航放数据 （U、Th、K含量与古铀量、铀富集系数）统计参数的最大 值 （Max）、最 小 值 （Min）、均 值（Mean）、标准差 （SD）等统计参数。

（2）监督分类获取特征空间距离文件

利用ERDAS软件的监督分类工具，选择最大似然－贝叶斯决策分类法来实现监督分类，比较伊尔岗地区影像的训练样本像元信息航放数据值与AOI（感兴趣区）像元信息航放数据值的相似性，由训练样本与感兴趣区二者间像元信息航放数据的差值组成的灰度矩阵得到了航放特征空间距离影像，影像像元灰度值越低，说明感兴趣区的像元信息航放数据与已知矿床样本的相似性越高，则该地区更有利于成矿。同时对航放特征空间距离影像像元灰度值进行了最大值 （Max）、最小值 （Min）、均值 （Mean）、标准差 （SD）的统计。

（3）阈值分割划分异常等级

为了使异常信息更加明了，需要对航放特征空间距离影像进行异常分级 （即阈值分割）。阈值分割方法特别适用于目标和背景占据不同灰度级范围的影像，按影像的灰度值将其分割成多个级别[21]。灰度影像阈值分割算法的基本原理[22－23]，是根据影像的组成结构和应用要求，将影像划分为若干个互不相交的子区域的过程。阈值分割包括两个步骤：①确定需要的分割阈值；②将分割阈值与灰度值比较以划分类别。即根据确定的阈值，将影像中各个像素的灰度值与这个阈值相比较，根据比较结果将其归类。

在本文研究中，经过对数拉伸、平滑和锐化等增强处理后的航放特征空间距离影像，其直方图呈近似正态分布，那么在做异常切割或数据切割时便可借用这个表征正态分布曲线的尺度，利用像素点的均值加减n倍方差（Mean±nSD）确定异常下限和划分异常信息等级 （表1）。

表1 伊尔岗地区航放特征空间距离影像信息阈值分割Table 1 Radioactive feature space distance threshold for the image segmentation of Yilgarn area

根据表1得到的伊尔岗地区航放特征空间距离影像信息阈值分割值，将其赋予不同的颜色，把航放异常信息划分为3级，得到伊尔岗地区航放示矿信息分级图 （图3）。其一级异常区 （红色）为与钙结岩型铀矿有关的航放异常信息和成矿有利地段，该区域存在强烈的航放异常；二级异常区 （黄色）航放异常信息表现良好。虽然航放异常信息没有一级异常区强烈，但区内同样具备多种铀成矿条件，也有发现铀矿床甚至大型铀矿床的潜力。

图3 伊尔岗地区航放示矿信息分级图Fig.3 The metallogenic indicative grade map of airborne gamma spectra in Yilgarn area

4 成矿预测

综合铀源区、铀富集区和航放示矿信息，按照以下原则开展伊尔岗地区钙结岩型铀矿成矿预测，并圈定铀成矿远景区。

（1）成矿地质条件优越的地区。由于该地区的钙结岩型铀矿产于新生代河道内，因此，围绕新生代河道圈定铀成矿远景区。

（2）铀源区和铀富集区的交集区。铀源是钙结岩型铀矿形成的必要条件，铀必须富集到一定程度才能成矿。因此，围绕铀源区和铀富集区的交集区圈定铀成矿远景区。

（3）航放示矿信息呈现良好的地区。通过对航放信息进行监督分类，获取了航放示矿信息分级图。航放示矿信息能指示铀矿化的存在，是找铀矿的重要信息。其中，Ⅰ级异常区 （红色）为铀成矿最有利的地区，围绕Ⅰ级和Ⅱ级异常区圈定铀成矿远景区。

根据以上原则，共圈定7片钙结岩型铀矿成矿远景区，并按照古河谷、航放异常等分布区为界限圈定远景区边界。将广泛分布古河谷，分布大面积Ⅰ级航放异常，且已发现2个（含）以上铀矿床的远景区定为Ⅰ级远景区；将广泛分布古河谷，分布大面积Ⅱ级及以上航放异常，发现2个以下铀矿床的远景区定为Ⅱ级远景区。最终优选4片Ⅰ级远景区和3片Ⅱ级远景区 （图4），其中，Ⅰ级远景区特别是4号远景区，虽然暂时未发现铀矿床，但航放异常信息强烈，可作为后期铀矿勘查的重点地区；Ⅱ级远景区具有良好的铀成矿条件，也有发现铀矿床甚至大型铀矿床的潜力。目前，已在2号远景区新发现工业铀矿化，有望落实为中型铀矿床，初步验证了预测结果的有效性。

5 结论

本文以航空γ能谱测量数据为基础，以GIS技术为手段，采用多参数组合和监督分类方法对航空γ能谱数据进行处理和分析，开展了西澳伊尔岗地区钙结岩型铀矿成矿预测的研究，共圈定出7片铀成矿远景区，并取得了以下成果和认识：

图4 伊尔岗地区铀成矿远景区示意图Fig.4 The sketch map of uranium prospect region in Yilgarn

（1）利用放射性元素铀、钍、钾的地球化学性质和地球化学活动特点，通过航空γ能谱数据微弱信息处理方法，提取了古铀量和铀富集系数，通过分析圈定出铀源区和铀富集区。

（2）采用GIS技术，利用特征空间域的贝叶斯决策准则监督分类技术，提取了研究区的航放异常信息，通过阈值分割获取了多级航放异常信息。

（3）根据钙结岩型铀矿的成矿理论，并结合铀源区、铀富集区和航放示矿信息，圈定了5片Ⅰ级铀成矿远景区和2片Ⅱ级铀成矿远景区，为该区下一步铀矿勘探提供了依据。

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