发布时间：2022-04-19所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要 为了构建深部砂岩型铀矿化信息提取技术，本文论述了基于放射性地球物理方法提取深部铀矿化信息的理论基础，采用氡异常二维栅格衬度、分形滤波、氡与计算氡比值等方法对我国二连盆地及准噶尔盆地实测土壤氡浓度数据进行了处理，同时，应用证据权重法，集成地质、
摘 要 为了构建深部砂岩型铀矿化信息提取技术，本文论述了基于放射性地球物理方法提取深部铀矿化信息的理论基础，采用氡异常二维栅格衬度、分形滤波、氡与计算氡比值等方法对我国二连盆地及准噶尔盆地实测土壤氡浓度数据进行了处理，同时，应用证据权重法，集成地质、土壤氡、车载伽马全谱、航空伽马能谱等成矿有利信息图层，开展了多元信息定量化提取技术应用研究，通过数据处理，表层信息得到了有效压制，排除了氡异常的漂移或假异常，处理后的异常信息与矿体在地表的垂直投影及控矿构造正相关，为我国北方深部砂岩型铀矿找矿工作提供了技术支撑.
关键词 土壤氡浓度; 氡衬度; 分形滤波; 多元信息提取; 深部铀矿化信息
0 引 言
砂岩型铀矿产于中-新生代沉积盆地且浅部铀矿已基本查明，寻找深部砂岩型铀矿正处在全面攻坚阶段，各种勘查手段正在向高精度、多元化、精细化发展且不断创新提高. 我国的鄂尔多斯盆地、伊犁盆地、二连盆地、巴丹吉林-巴音戈壁盆地、塔里木盆地、松辽盆地、准噶尔盆地、四川盆地等沉积盆地具有较大的砂岩型铀矿找矿潜力，随着大营铀矿的发现，引起新一轮深部勘查热潮，但是，深部勘查技术仍是当前面临的难题. 从已发现的砂岩型铀矿床来看，产于这些沉积盆地的砂岩型铀矿大多是隐伏盲矿，上覆盖层较厚( 一般 200 m 左 右) ，且大多沉积盆地具有深部( 矿 体 埋 深 大 于 500 m) 找矿潜力. 然而，砂岩型铀矿较厚的上覆盖层却增加了放射性物探找矿难度，因为砂岩铀矿体的强放射性异常信息在上覆盖层传递过程中经历了围岩及盖层介质的层层阻隔，到达地表时表征深部铀矿化信息十分微弱，甚至被表层信息掩盖，深部放射性地球物理找矿标志不明显. 伽马能谱测量方法基本被认为“无效”，具有深穿透能力的氡及其子体测量方法，由于受地表浅层信息及气象等因素的干扰，指示深部铀矿化信息不明显，常出现假异常或异常漂移，由于这些原因，放射性地球物理勘查方法也曾经一度被铀矿勘查领域内地质工作者怀疑甚至摒弃. 进入 21 世纪后，随着砂岩型铀矿的不断发现及放射性地球物理方法在已知矿体上方地表的实验分析研究及对盖层地质环境认识，提出了剖面 “双峰”、平面“圈闭类环状”的表征深部铀矿化信息的氡异常特征( 李必红等，2007) ，这些氡异常特征在随后发现的砂岩型铀矿上的不断试验中被证实，但出现这种情况的原因还在探索中. 在未知区域的应用中，如何识别和提取指示深部铀矿信息的放射性地球物理找矿标志是砂岩型铀矿“攻深找盲”的关键问题和难点. 解决问题可从两方面入手，第一是采集方面，第二是数据处理方面，本文着重介绍数据处理方面.
1 表征深部铀矿化信息的放射性理论基础
关于放射性测量表征深部铀矿化信息的机理研究已经经历了较长的时间，主要是围绕铀衰变子体从矿体中释放、迁移及富集的过程，涉及粒子反冲( Porstendrfer，1994) 、团簇理论( Mandich，1996; Hunter and Jarrold，1999; ButterveckDempewolf et al. ，2000; 贾文懿等，2000; 乐仁昌等，2002) 、扩散( Semkow et al. ，1990) 、对流( Al-Tamimi and Abumurad， 2001) 、接力传递( 吴慧山等，1997) 等方面的理论或观点，这些理论或观点大多经过实验模拟，基本是目前比较公认的.
铀系 列 分 铀 组 ( 238 U、234 Th、…) 和 镭 组 ( 226 Ra、222 Rn、 218 Po、214 Pb、214 Bi、…210 Po、…) ，铀矿放射性勘查主要关注镭组核素，其中，氡( 222 Rn) 是铀238 U 子体中唯一的以气体存在的核素，是深部找矿重要的示踪剂. 表层土壤中氡由两部分构成: 其一是原生氡，由测点位置有限小空间内土壤中正常放射性铀系核素238 U，…，238 Ra 的衰变产生的; 其二是外来氡，由非测量点位置的放射性铀系核素238 U，…，238 Ra 衰变产生的，包括深部接力传递迁移( 吴慧山等，1997) ，地表运移和大气氡的渗入. 对于野外现场实测的每个测点，其土壤中氡是空间氡信息叠加的结果，如何在这种叠加的氡信息中提取来自深部迁移的氡是深部找矿的关键，笔者认为以数据采集和数据处理为突破口，不断创新理论和技术手段是一种可行路径.
2 深部铀矿化信息提取技术
2. 1 氡异常分形滤波技术
分形滤波技术是目前数据处理技术研究热点，成秋明等提出并发展了分形技术在地球化学中的应用( Cheng et al. ， 1994; Cheng，2003; 陈永清等，2006; 成秋明等，2009) ，本论文在此基础上，将分形滤波技术应用于实测土壤氡浓度的数据处理中，通过傅立叶变换将异常与背景分离，选取合适的滤波器去掉背景值，再进行逆变换后的数据压制了背景值的干扰，使异常分带性明显，可有效地提取深部氡浓度信息.
如图 1，内蒙古某一深部砂岩型铀矿矿区实测的土壤氡浓度数据经过分形滤波处理结果，原始土壤氡浓度等值图 ( 图 1a) 显示矿体在地表的垂直投影与氡浓度低晕场对应，氡异常晕或氡高晕场处在矿体侧面，经过分形滤波处理后的等值图上，矿体在地表垂直投影范围内显示密度较大的串珠状或线状异常，表明分形滤波技术处理后的氡浓度异常密度可用于评价深部铀矿化信息.
2. 2 氡浓度与计算氡浓度比值法
伽马能谱测量表征浅层信息，伽马能谱现场实测的铀当量含量通常是通过测量的氡子体214 Bi( 1. 76 MeV) 特征能量谱线换算获得的，然而，实测获得的数据信息中包含深部的信息量小，深部信息提取难度大. 假设土壤层中氡气没有外来的，全是土壤层正常放射性核素衰变产生，且全部析出的氡气都保存在土壤中，则，伽马能谱获得的铀当量含量与土壤氡气来自土壤正常核素产生的氡气浓度呈线性关系. 也就是说，伽马能谱所获铀当量含量与土壤氡气测量的氡浓度背景值呈线性关系. 于是，采用伽马能谱铀当量含量数据计算氡浓度( 称之为计算氡) ，反应浅层氡浓度分布信息特征，这样，通过实测氡浓度与计算氡浓度的比值来评价氡的深部异常信息.
应用实测氡浓度与计算氡浓度比值来评价氡浓度异常时，一般当实测氡浓度比计算氡浓度高时，可能由深部放射性核素引起，即异常有可能与深部矿化有关.
采用这种方法处理了新疆准噶尔某一地区土壤氡浓度，如图 2，可以看出，土壤氡浓度与计算氡浓度比值越大的数据分布区域对深部铀成矿信息越有利，但是，计算氡浓度是假设浮土层为饱和情况，而实际土壤空气与大气之间是流动的，往往是处于动态的平衡状态，所以这种方法还存在缺陷.
2. 3 氡异常二维栅格衬度技术
衬度已被广泛应用于医学、光学、电子学、生命科学等领域，用于突出目标信息或显示信息异常，也是放射性异常评价的一个重要指标，测点氡浓度与测点周边一定范围内各氡浓度平均值的比值可突出深部异常信息( LI et al. ，2014) . 本论文是基于 ArcGis 平台和衬度概念，将实测的散点数据插值成二维栅格数据，选取适当的滑动滤波器，对栅格数据进行滑动平均滤波，获取数据区域范围内背景值栅格数据，对二维栅格数据进行小波变换处理，获取数据范围内异常栅格数据，通过异常栅格数据和背景栅格数据的比，进行深部铀矿化信息评价. 笔者对二连盆地实测土壤氡浓度进行处理，达到了比较满意的效果，图 3 为二连盆地已知砂岩型铀矿区土壤氡浓度及氡异常衬度等值图，原始氡浓度等值图( 图 3a) 氡异常晕与已揭露的工业孔的漂移较大，在土壤氡浓度衬度异常等值图中( 图 3b) 显示明显的两条串珠状线性氡衬度异常，该异常该地段的地质构造对应，且主矿体在地表的 垂直投影处在这两条串珠状线性异常中间靠近北侧异常.
2. 4 多元信息定量提取
对于出露地表的浅层铀矿，采用伽马能谱测量或者伽马总量测量即可确定矿体位置和规模. 对于深部铀矿体，单一方法往往存在多解性，深部铀矿化信息在传递至地表的过程中受迁移营力、盖层介质环境、核素衰变、地表信息的干扰等条件的约束，很难垂直传递，加大了找矿难度，采用多元信息提取可极大减少多解性带来的找矿不确定性.
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为此，笔者在二连盆地某一矿区联合开展车载伽马能谱和瞬时测氡技术研究，车载伽马能谱测量线距 250 ～ 500 m，测量周期 5 s，车速 20 km/h，土壤氡气测量采用点线网格为 100 m × 500 m. 将该地区实测土壤氡浓度，车载伽马能谱铀当量含量、钍当量含量、钾含量经过数据处理，形成深部成矿有利的氡信息图层，铀当量含量的变异系数、差量铀、集成铀图层、等伽马能谱信息图层，结合该地区调研的航空伽马能谱信息图层和地层组合熵图层，组成综合信息系列图层. 这里，铀当量含量变异系数是统计单元内铀当量含量均方差与铀当量含量均值的比值. 差量铀是指统计窗口内各测点铀当量含量与该窗口内铀当量含量的平均值的差值. 集成铀是指铀富集系数、铀衬度、全谱分解分形铀三者归一化后的加和信息，铀富集系数为铀、铀钍比、铀钾比三者的乘积，全谱分形分解铀是通过奇异值分解伽马全谱处理后( Hovgaard and Grasty，1997) ，将全谱数据中噪声和突变等干扰信号除去，应用分形方法提取异常场的方法.
采用证据权重方法进行这些信息图层综合处理后，得到后验概率如图 4，其中后验概率越大，成矿概率越大，成矿越有利，从图 4 可以看出已揭露的工业孔基本处在后验概率大于 0. 65 的范围内.
3 结论与探讨
3. 1 深部铀矿化信息传递至地表富集，其过程复杂多变，影响因素较多，除了盖层地质环境外，还与铀及其子体核素的衰变、迁移以及铀镭平衡等因素有关，从放射性地球物理实测数据中提取深部铀矿化信息关键是如何压制浅层信息.
3. 2 实测土壤氡浓度是土壤本身固有氡和外来氡的信息叠加，可通过数据处理来提取来自深部的氡异常信息. 采用氡异常二维栅格衬度、分形滤波、氡浓度与计算氡浓度比值对实测土壤氡浓度数据进行了处理，表明该方法具有较好的应用效果; 多元信息提取是铀矿“攻深找盲”的趋势，具有科学价值和研究意义.
3. 3 放射性地球物理的数据处理只是提取深部铀矿化信息的解决途径之一，数据采集也是提取深部铀矿信息一种途径，而且，深部铀矿目标层结构，盖层地质环境、核素迁移也是深部铀矿勘查需要解决的问题，可进一步开展铀子体核素在矿体盖层空间迁移的三维动态模拟及放射性地球物理勘查、深穿透地球化学勘查、普通地球物理勘查融合式研究. 但是，深穿透地球化学勘查过程繁琐，周期长，还有待提高.——论文作者：李必红，吴慧山，赵丹，杨龙泉
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