Question

吐哈盆地地浸砂岩铀矿遥感地学分析与成矿预测

Answer 1

遥感信息在铀矿地质研究中曾经被大量使用于地质构造研究，所使用的方法通常为目视解译，这在铀矿地质工作中发挥了积极的作用。但另一方面，遥感数据中所包含的地球物理-地球化学信息却没有得到应有的重视。为此，我们尝试利用遥感数据光谱变换技术提取内蒙古查干德勒苏地区的水文信息和岩石氧化-还原程度信息，进而对盆地水动力环境和找矿目标层位氧化-还原状态进行分析，圈定出找矿靶区。目前，这项成果已经被应用于鄂尔多斯盆地东盛地区和吐哈盆地分析和地浸砂岩铀矿找矿研究，取得了良好的效果。这里主要介绍遥感技术在吐哈盆地砂岩型铀矿找矿的中应用。

一、吐哈盆地地理、地质概况

（一）地理、地貌概况

吐哈盆地是天山山脉中的一个含煤、含油气和含铀盆地。盆地地面高程-150～1600m，总体地势北高南低、东高西低，呈东西分隔的特点，盆内西部的最低点在托克逊的艾丁湖，海拔高程-154.43m（黄海海平面），是我国最低的洼地；东部在哈密市的南西处沙尔湖，标高为54m。盆地北界以中-高山为主的山岳地貌，盆内、盆地南缘以台地丘陵及低山地貌。

（二）地质概况

吐哈盆地位于哈萨克斯坦板块东南端。盆地的区域构造演化经历了四个阶段：太古元古代原始古陆壳形成与发展阶段；震旦-泥盆纪的原始古陆壳的拉张裂解形成洋盆，而后陆块汇聚与洋盆闭合的演化阶段；石炭纪-早二叠世为区域裂陷槽（或裂谷带）形成与发展阶段；晚二叠世-第四纪的内陆盆地形成与发展阶段。

吐哈盆地所处的北天山及南部相邻地区元古界至新生界均有出露，其中以上古生界最为发育。盆地周缘出露的地层主要是石炭系，其次是泥盆系。盆地内中-新生界三叠系少量分散出露，为内陆河湖相沉积。侏罗系少量分散出露，为内陆河湖相、沼泽相沉积，是重要的含煤、油和含铀地层。白垩系少量出露，为河湖相红色碎屑岩系。第三系盆地内外有较多出露，为河湖相红色为主的碎屑岩系。第四系出露广泛，主要为陆相冲积、洪积、坡积等堆积。

二、定量遥感数据处理

（一）遥感数据选择及其波段特性

根据课题研究需要和地浸砂岩铀矿成矿条件的遥感地学分析，并结合未来应用的系统性、有效性和经济性，选定美国陆地资源卫星七号的ETM（增强型专题制图仪）数据。吐哈盆地遥感数据共计6景，轨道号和获取时间分别是139-30（2001.9.24）、139-31（2001.10.26）、140-30（2000.7.10）、140-31（2000.7.10）、141-30（1999.9.1）、14230（1999.8.23）。

ETM数据包括7个多光谱波段和一个全色波段，其各波段的基本特征见表2-9-1。

表2-9-1 ETM遥感数据源特征简表

（二）遥感数据辐射校正与匹配

1.遥感数据辐射校正

利用传感器观测目标的反射或辐射能量时，传感器得到的测量值与目标的光谱反射率或光谱辐射亮度等物理量是不一致的，这是因为测量值中包含了太阳位置条件、薄雾等大气条件、或因传感器的性能不完备等条件所引起的失真。为了正确评价目标的反射或辐射特性，必须清除这些失真。消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程称为辐射量校正（radiometric calibration，简称辐射校正）。

根据辐射传输方程，传感器的输出E_λ为：

中国西部中亚型造山带中新生代陆内造山过程与砂岩型铀矿成矿作用

式中：K_λ为传感器的光谱响应系数；ρ为地物的波谱反射系数；E₀为太阳辐射照度；T（Z₁，Z₂）为Z₁到Z₂区段大气层的光学厚度；θ为太阳天顶角；ε_λ为地物的波谱发射率系数；W_g（λ）为与地物同温度黑体的发射通量密度；H为平台高度，b_λ为大气辐射所形成的天空辐射照度。

从式中可以看出，传感器的输出值除了与地物本身的反射和发射波谱特性有关外，还与传感器的光谱响应特性、大气条件、光照情况等因素有关。

在本次研究中，利用太阳高度角和方位角对所获取的遥感数据进行了太阳辐射误差校正处理。采用波段对比方法，依据大气对不同波长电磁辐射散射的选择特性，通过对ETM多光谱遥感数据不同波段的线性回归分析，计算出大气散射干扰值，从而对大气辐射误差加以纠正。

2.遥感数据辐射匹配

吐哈盆地涉及6景ETM数据，各景数据由于成像时间的差异，太阳光强及大气状态的变化，或者遥感器本身的不稳定，致使所获取的相邻图幅影像上的对比度及亮度值出现差异，从而影响到大区域对比研究。

相邻图幅影像间色调调整的方法一般都是以图像的重叠区域为基础，通过各种平滑过渡来消除色调上的差异。目前常见的方法有：影像直方图法、相邻影像方差法、均值法等色调调整方法。

在对上述匹配方法优缺点进行分析的基础上，研制出一种新型的相邻图幅辐射匹配方法——多样本均值匹配法（见第二节），利用该方法对吐哈地区6景遥感图像进行了辐射匹配处理，效果优异。

（三）遥感数据光谱变换处理

遥感影像的光谱增强基于多光谱数据波段间的反射（发射）辐射值的变化，其中光谱指数则依据所研究物质的（吸收/反射）光谱特征和遥感数据的波段特性，通过光谱空间线性变换或比值计算得出。由于吸收由物质（表面）的分子耦合决定，所以，光谱指数常常能够反映出目标物地球化学组成的信息。

通过光谱变换处理或比值运算所获取的光谱指数广泛地应用于矿产勘查和植被分析，查明岩石和植被类型的细小差异。正确地选择光谱指数能够突出显示和增强在常规色调波段显示时难以察觉的差异信息。同时，光谱指数也能够减少阴影所带来的影响。

1.K-T变换

K-T变换是Kauth-Thomas变换的简称，也称缨帽（Cap）变换，是一种光谱空间发生旋转的线性变换，变换之后的坐标轴指向与地面景物密切相关的方向，更直观地反映出地面覆盖植被和土壤在多光谱空间中的特征。

该变换提供了一种方法以优化数据显示，从而有利于对蒸腾、植被和土壤湿度进行研究。所给出的三个数据轴分别是亮度（Brightness）、绿度（Greenness）和湿度（Wetness），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。三个指标分别定义如下：

亮度=0.2909 TM1+0.2493 TM2+0.4806 TM3+0.5568 TM4+0.4438 TM5+0.1706 TM7+10.3695

绿度=-0.2728 TM1-0.2174 TM2-0.5508 TM3+0.7221 TM4+0.0733 TM5 0.1648 TM7-0.7310

湿度=0.1446 TM1+0.1761 TM2+0.3322 TM3+0.3396 TM4-0.6210 TM5-0.4186 TM7-3.3828

显然，亮度分量是TM数据6个波段的加权和，反映出图像总体的反射值。绿度分量表现为近红外波段（TM4）与可见光（尤其是红色光TM3）波段的差值，而近红外波段是植被叶绿素的高反射区，因此，绿度分量能够反映绿色生物量特征。湿度分量表现为可见光-近红外波（TM1～4）段与短波红外（TM5、7）的差值，而TM5、7波段对应的电磁辐射为水分子的强吸收带，因此，湿度分量能够反映地面湿度特征。

2.氧化指数与粘土矿物指数

近三十年来，中外学者对岩石和矿物波谱特性进行了大量卓有成效的研究工作，这些研究涉及晶体场理论、矿物学、固体物理学、量子力学、遥感岩石学等众多领域。研究表明，在可见光-短波红外（0.35～2.5μm）光谱区域，主要造岩矿物并不产生具有鉴定意义的反射谱带，岩石光谱特征主要由其中为数不多的次要矿物决定，主要包括含铁（Fe²⁺，Fe³⁺）基团和羟基（OH^-）、水（H₂O）或碳酸根（

）基团两大部分。

含铁矿物主要有角闪石、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、磁铁矿、黄钾铁矾等。岩石中含多量的Fe³⁺时，其主要吸收谱带位于ETM4和ETM1波段，反射波长相当于ETM3波段的电磁波。因此，可用TM3/TM1区分氧化铁含量的高低，此即为氧化铁指数。岩石中若含大量的Fe²⁺，则其主要吸收谱带位于TM1波段，对于波长相当于TM2波段的电磁波有某种程度的反射，对于波长相当于TM5波段的电磁波有强反射。因此，可用TM5/TM4区分氧化亚铁含量的高低，此即为亚铁矿物指数（图2-9-1）。为避免因岩石自身含铁量差异而产生的影响，正确地判断岩石的氧化-还原程度，采用氧化指数=（氧化铁指数/亚铁矿物指数）形式进行计算和分析。

在Erdas Imagine遥感数字图像处理软件的支持下，利用其功能模块和空间建模工具完成了吐哈盆地及其邻区亮度指数、绿度指数、湿度指数、氧化铁指数、亚铁矿物指数、氧化指数等遥感地学信息的提取工作，利用这些信息可以实现对吐哈盆地地浸砂岩铀矿成矿地质条件的空间分析和深入研究。

（四）数字高程模型

数字高程模型（DEM，digital elevation model）是以数字形式按一定的结构组织在一起，用于表示实际地形特征的空间分布，也就是地形形状大小和起伏的数字描述。

DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地物提供连续性描述的算法。最基本的DEM至少包含相关区域内平面坐标（x，y）与高程（z）之间的映射关系，即：

z=f（x，y）x，y∈DEM所在区域。

通过提取并测定地形的特征点，将一个连续的地形表面转化成一个以一定数量的离散点表示的离散的地表，再将其转换成规则的或不规则的格网结构，从而建立该区域的DEM。

图2-9-1 几种含铁矿物的波谱曲线

（阎积惠等，1989）

1—磁铁矿；2—赤铁矿；3—角闪石；4—褐铁矿

利用DEM可以获取有关区域中任一点的地形情况，计算出任一点的高程，从而获得区域地貌准确的、定量的三维空间描述。

本次研究中我们利用USGS提供的DEM数据，其空间分辨率为3 rad·s^-1，高程分辨率为50m，经过适当的投影变换和数字处理，在GIS中实现全区地形显示和径流、流域分析，圈定区域分水岭界线。同时，在Erdas Imagine图像处理软件的支持下，利用TM遥感影像和DEM数据，通过一系列方法和步骤，获得了研究区的三维地貌影像。在计算机上，利用该影像我们可以从各种视角和不同的高度对研究区构造地貌进行深入细致的观察和分析。

三、遥感信息地学分析

（一）盆地构造和水动力环境的遥感地学分析

地浸砂岩铀矿主要产于地台、中间地块及在褶皱带基础上活化而形成的负向构造单元的平缓自流盆地区，在这类盆地中，承压水具有完整的补-迳-排水动力环境。

层间承压水的补给一般来自蚀源区大气降水，并且常常是经由山-盆交界处的山前-盆缘断裂或盆缘出露的透水层注入。由于荒漠化，盆地内部具有很强的反射率，而周边山地蚀源补给区则相对较低。因此，可以利用Cap指数中的亮度指数并结合地貌高程分析将盆地与蚀源补给区范围加以识别和圈定。

与浅表地下水（潜水）不同，深部地下水（层间承压水）需要通过断裂构造或次级隆起的边缘排泄，不一定恰好位于地貌的最低处。同时，在排泄区和补给区确定之后，径流区也就不言而喻了。因此，在地浸砂岩铀矿找矿中，尤其是荒漠戈壁地区，经济有效地识别层间承压水排泄区是一个关键性的技术课题。

在强烈蒸腾的荒漠化地区，地下水的排泄有时具有一定的隐蔽性，但是植被及对湿度敏感的红外光谱却可以有效地成为排泄区识别的定量指标。利用Cap指数中的绿度和湿度指数对排泄构造进行识别和分析，当这些指数较高且成带状分布时，则指示有排泄构造存在。

盆地补-迳-排区域确定之后，就可以在宏观尺度上对荒漠化地区的地下水动力环境进行深入的分析和研究。

总体而言，吐哈盆地内部与其周边山地比较，亮度值较高，反映蒸腾强烈，绿度和湿度相对较低，呈现出干旱盆地的特点；氧化指数较高，反映出盆地内出露的地层遭受了较强的氧化。

在盆地内部，以鲁克沁镇—小草湖站为界，出现东西分异。

1）氧化指数（图2-9-2）：西部盆地区托克逊县—七克台一带出现一片高氧化指数区域，高值异常主体呈NWW方向展布，鄯善县—七克台高值异常呈NEE向展布；东部盆地区中，柳树泉农场以西不连续的片状高值组成两条NEE向异常带，柳树泉农场以东存在南湖一片大面积的高值异常。

图2-9-2 吐哈盆地氧化指数分级图

1—吐哈盆地边界；2—遥感解译断裂构造；3—油气藏

2）绿度指数（图2-9-3）：西部盆地区托克逊、吐鲁番市—鲁克沁镇、胜金口—鄯善县、鄯善县—七克台出现4条高值异常带，前3条为NWW走向，后1条为NEE走向；东部盆地区只在哈密一带出现1条NWW走向的高值异常带。

3）湿度指数（图2-9-3）：在西部盆地区，湿度指数的高值异常与绿度指数的高值异常基本一致，局部不一致，如艾丁湖一带。这种高湿度低绿度异常区域水质可能为咸水性质；在东部盆地区中，哈密市一带的NWW向高绿度指数带却没有高湿度指数相伴，向南至南湖一带，出现高湿度低绿度指数区，表现为咸水性质。

上述遥感指数的分析表明，吐哈盆地由东西两个岩石、地层、构造性质差异较大的部分组成。

图2-9-3 吐哈盆地绿度、湿度指数合成影像图

1—吐哈盆地边界；2—遥感解译断裂构造

氧化指数的高值条带反映了盆地中岩石地层的展布和较高的氧化程度。在西部盆地区，岩石地层主要呈现NWW走向，在鲁克沁镇—小草湖站以东，转为近EW走向，柳树泉农场以东又转为NWW走向。

绿度指数和湿度指数高值条带反映了构造排泄。在西部盆地区，至少存在3条较大规模的NWW向排泄构造，引起高绿度和高湿度异常；在东部盆地区，只在哈密市一带存在1条NWW向的排泄构造，由于没有高湿度相伴，其水的补给更大的可能性是来自山前冲积扇，而非深部含水地层；在东西部盆地的交接部位，鲁克沁—小草胡北东向区域性排泄构造控制了艾丁湖、鲁克沁、鄯善-七克台等一系列高湿度和高绿度异常的空间展布，应引起高度重视。

（二）区域氧化-还原环境的遥感地学分析

地浸砂岩铀矿的含矿主岩是砂岩或粉砂岩，铀在层位中的集聚有赖于古气候干旱炎热与半干旱炎热的交替性变化和成矿层体中有机质、黄铁矿、油气等还原剂对6价铀的还原和吸附。铀在氧化区被带出，而在还原区中被沉淀，氧化和还原的交互地带是寻找铀矿的重要场所。

在地浸砂岩铀矿区，氧化的岩石呈现出紫色、红色或杂色，而还原的岩石则呈现出灰色、绿色或灰绿色，这种色调上的差异与岩石中铁的价态有着内在的联系。

铁是地球上比较丰富的元素之一，具有亲氧特性，在氧化环境中呈三价铁状态，在还原环境中呈二价铁状态。含二价铁的矿物在风化作用下是最不稳定的，同硅氧四面体连接的二价铁在氧化作用下分解生成三价铁：

4FeSiO₃+O₂→2Fe₂O₃+4SiO+2140kJ（W.D.Keller，1975）

由于三价铁氧化物的难溶性，就同易溶于溶液的Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺等离子发生分离，从而使岩石色调变成紫色、红色或杂色（视氧化程度强弱而定）。

对岩石三价铁和氧化-还原电位的测量表明，氧化-还原电位与三价铁的关系比较密切（图2-9-4），三价铁含量越高，氧化还原电位越低，氧化性越强，反之亦然。

图2-9-4 三价铁与氧化-还原电位的关系

（数据引自“内蒙古测老庙盆地砂岩型铀矿床成矿条件、控矿因素与找矿方向研究”，成都地质学院、核工业西北地勘局217大队）

大量研究表明，仅仅依靠砂岩层位中有限的碳屑、黄铁矿等还原剂不足以使水中大量铀持续不断地还原沉淀而形成规模型矿体，垂向上升和（或）顺层侧向运移的油气的存在可能对铀成矿提供源源不断的还原剂，使铀成矿作用持续不断地进行，从而形成大规模的铀的富集成矿作用。油气在承压环境中可以垂向迁移，这将导致上部岩石、土壤中三价铁/二价铁的比值降低，形成还原环境。

在氧化指数图像上，十红滩地区氧化指数值为0.1～0.3。迪坎—鄯善存在一片更大范围的低值（0～0.2）区域，这片区域与地表沙漠范围相协调一致，而沙漠作为高温干燥的环境，铁的价态应以3价为主，这一矛盾的表现可以用油气还原加以合理解释。事实上，在鲁克沁、鄯善、七克台、小草湖等地区，已经探明了一系列规模型的油气聚集带，承压的油气在构造的导通下向上和顺层侧向迁移，使地表岩石、土壤中的3价铁还原成2价铁，从而使氧化指数降低。油气-低氧化指数-沙漠化三位一体，可能隐含着更加深刻的地学与生态学内涵，三者之间存在一定机制下的因果关系。

（三）三维地貌地学分析

地貌是地球内外营力共同作用的产物。在较古老的造山带，外动力作用对地貌的塑造可能已经超过了内动力所产生的结果，但在相对年轻的盆地及其周边造山带，内动力所产生的地貌特征仍然得以较大程度的保留。通过对地貌的深入研究可以反演该区内外营力作用，从而了解地质演化过程，分析成矿地质条件，为地质找矿服务。

吐哈盆地及其邻区为新生代盆岭构造区，最近一次山系的强烈隆升和盆地沉降时间为第三纪（以晚第三纪尤为强烈），盆地现代地貌特征与此次事件有着密切的成生和继承关系。

1.现代三维地形

利用DEM数据和TM影像数据制作研究区三维影像图，进行宏观的、不同高度层次的、多方位的观察与地学分析（图2-9-5）。

盆地北部为博格达山脉、巴里坤山脉，海拔高程为4000余米，分水岭距盆地边界30km；南部山系为觉罗塔格山、中天山，海拔高程为2000 余米，分水岭距盆地边界130km。北部山地水系径流短，蚀源区狭小，而南部山地水系径流长，蚀源区广泛。迪坎一带对应着盆地南部最大的山地豁口，至少有七条较具规模的水系在此注入盆地。

图2-9-5 吐哈盆地高程分级图

1—吐哈盆地边界；2—流域边界；3—遥感解译断裂构造

2.盆地沉积演化历史（J-Q）与物源

侏罗纪以来，吐哈盆地发育四个湖侵期：早侏罗世三工河期（J₁s）、中侏罗世七克台期（J₂q）、早白垩世胜金口期（K₁sh）、第三纪桃树园期（E₃-N₁t），两个沼泽化期：早侏罗世八道湾期（J₁b）、中侏罗世西山窑期（J₂x）。

在早、中朱罗世，吐哈盆地沉积物主要来源于南部觉罗塔格山和中天山山系，对于盆地中与地浸砂岩铀矿密切相关的西山窑组而言，鲁克沁-鄯善、七克台等地存在三角洲沉积，明确指示物源的方向。

早白垩世沉积主要限于吐鲁番坳陷，自西向东粒度变大，东部以砾岩为主，厚度也自西向东减薄。晚白垩世广大地区遭受剥蚀或未接受沉积。

吐哈盆地下第三系鄯善群沉积仍然限于吐鲁番坳陷，南侧和盆地东部为剥蚀区。

上述现代三维地形和盆地沉积演化历史及物源分析显示，在迪坎—小草湖以东存在一长期隆起区域——了敦隆起，在该隆起的西侧边缘，应该存在一个较大规模的斜坡环境，这一斜坡的后方（东南），对应着较大流域范围的海西隆起造山带——中天山，在流域范围内，存在大量的华力西期花岗岩体。据航空伽马能谱测量成果，中天山隆起带是铀、钍、钾特高场区，面积达6000km²，U=（2～6）×10^-6、Th=（6～22）×10^-6、K=（2～5）×10^-2；华力西期花岗岩的钍铀比值一般小于3.15，而且铀的浸出率高，一般大于50%，个别岩体达90%以上。这一广阔的流域背景和丰富的铀源，可以为吐哈盆地中了敦隆起西缘斜坡带铀的后生富集成矿提供持续而丰富的铀源。

图2-9-6 吐哈盆地了敦隆起西缘地浸砂岩铀矿成矿远景区划图

1—吐哈盆地边界；2—遥感解译断裂构造；3—成矿预测区；4—低氧化指数区；5—西山窑组晚期冲积扇沉积；6—西山窑组晚期三角洲沉积；7—西山窑组早期冲积扇沉积；8—西山窑组早期三角洲沉积

（四）吐哈盆地找矿方向初步厘定

吐哈盆地南缘十红滩一带已经探明了一定储量的可地浸砂岩型铀矿资源，下一步勘查的方向何去何从，是一个亟待解决的问题（图2-9-6）。是继续沿着现代盆地的边缘向东西两侧追踪，还是另辟蹊径，需要对成矿理论和本地区成矿条件进行客观分析。

对十红滩地区地质勘查资料的分析和野外调查表明，铀矿赋存部位与一个横向入湖的三角洲砂体有关，铀源来自南部的觉罗塔格山脉，这使得近年来对东西两侧的追踪勘探基本全部落空。因此，寻找类似的成矿环境，是当前所急需解决的问题。

1.中部NE向区域性排泄构造

中部NE向区域性排泄构造根据遥感信息中的绿度和湿度指数高值区域线性分布而确定，在空间上位于鲁克沁—鄯善—七克台一线，横贯盆地南北，排泄带长度100余公里。

2.斜坡带和扇三角洲沉积

总体而言，盆地东部除哈密和大南湖等地在早中侏罗世局部凹陷接受沉积外，余皆为隆起区环境。在上述北东向区域性排泄构造以东，了敦隆起西缘存在一个较大规模的斜坡带。以此斜坡带对应的鲁克沁-鄯善、七克台等地存在大型的西山窑组扇三角洲沉积。

3.氧化-还原环境

迪坎—鄯善存在一片大面积的低氧化指数区域，系油气垂向渗漏所至地面还原异常，其对应的下部层位存在还原环境。

综上所述，鲁克沁—迪坎、鄯善之东南、七克台之东南为进一步寻找可地浸砂岩铀矿的重要场所。

四、结论与讨论

1）光谱变换指数（CAP指数、氧化铁指数、亚铁矿物指数及氧化指数）的建立基于（地物吸收/反射光谱）特征，具有理论和技术基础。

2）K-T变换产生的亮度指数、绿度指数和湿度指数可以反映砂岩盆地内部的蒸腾强度、绿色植被分布和土壤湿度信息，进而可以揭示出盆地排泄构造的空间展布特征，对盆地进行水动力环境分析，划分蚀源补给区、径流区和排泄区。

3）利用氧化铁指数、亚铁矿物指数构建氧化指数，对盆地地表岩石土壤氧化-还原程度进行半定量分析，揭示出还原地段，分析油气渗漏与地面沙漠化的因果联系。

4）利用DEM数据进行大范围的构造地貌分析，结合常规地质研究成果，揭示出了敦隆起西部边缘存在斜坡环境，该斜坡带连接鲁克沁-鄯善、七克台等大型西山窑组三角洲沉积单元和中天山广大蚀源区域。

5）基于构造排泄、三角洲沉积单元、斜坡性质、大流域汇水区段、还原环境等诸多成矿要素，圈定出迪坎-七克台找矿远景范围和区段。

参考文献

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（林子瑜，管太阳，刘蓉蓉，李社，黄美化）