木紅旭，馬天碧，郭 強(qiáng)，邱駿挺，芮歆旻

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

砂巖型鈾礦的形成過程中，局部排泄構(gòu)造是礦床形成的重要條件，其定義為地下水在區(qū)域流通過程中，由于局部區(qū)域壓力減小，使地層中的承壓水向上排泄出地表或進(jìn)入上部地層的過程，在驅(qū)動砂巖鈾礦深部水循環(huán)方面具有重要作用(李學(xué)禮，1998；劉金輝等，2003；逄瑋等，2016)，對砂巖型鈾礦勘探具有重要意義。由于盆地內(nèi)部常發(fā)育植物、土壤或沙漠，導(dǎo)致很多局部排泄構(gòu)造被掩蓋，增加了識別的難度。例如松遼盆地作為我國重要的鈾礦產(chǎn)出盆地，盆內(nèi)沼澤遍布，部分地表被草場覆蓋;另一方面由于人類過渡放牧、墾荒等活動，盆地南部甚至出現(xiàn)沙漠，這些地物掩蓋了局部排泄構(gòu)造，使其在地表幾乎無法識別。

遙感技術(shù)通過近40年的發(fā)展，已成為礦產(chǎn)勘查工作上的重要技術(shù)手段，其具備的宏觀觀測能力對于識別區(qū)域蝕變信息及構(gòu)造特征具有重要的技術(shù)優(yōu)勢(陳勇敢等，2011；黃照強(qiáng)和江淼，2012；劉德長等，2015a,2015b)。例如，趙少杰等(2011)利用遙感線性構(gòu)造分形統(tǒng)計(jì)及蝕變信息對桂東地區(qū)多金屬礦進(jìn)行成礦預(yù)測。張淵等(2013)在西藏阿里一帶使用遙感技術(shù)提取線性構(gòu)造、蝕變信息等進(jìn)行找礦應(yīng)用。此外，利用遙感技術(shù)對水體變化與土壤鹽漬化的研究也取得了許多成果(塔西甫拉提等，2007；程晨等，2012；Wang et al.,2013)。林子瑜等(2008)認(rèn)為局部排泄帶作為重要的地下水出露地段，在地表上具有植被旺盛、土壤濕度大等特征，提出可利用遙感影像對與局部排泄帶相關(guān)的地表現(xiàn)象進(jìn)行識別，并利用Landsat 7 ETM+數(shù)據(jù)，結(jié)合K-T變換提取與排泄構(gòu)造相關(guān)的綠度、亮度、濕度指數(shù)，在新疆吐哈盆地進(jìn)行了試驗(yàn)并取得了良好的應(yīng)用效果。

Landsat 8衛(wèi)星于2013年2月11號發(fā)射，其搭載的OLI傳感器具有與ETM+相似的波段與空間分辨率。近年來學(xué)者對OLI數(shù)據(jù)進(jìn)行K-T變換，在森林、植被、農(nóng)業(yè)等方面取得很多進(jìn)展(張穎等，2014；邢麗瑋等，2018)。在此基礎(chǔ)上，本文利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)結(jié)合K-T變換技術(shù)，對松遼盆地南部地區(qū)與排泄構(gòu)造相關(guān)的綠度、亮度、濕度指數(shù)進(jìn)行了反演，對該區(qū)地表水動力系統(tǒng)進(jìn)行了研究。三個(gè)指數(shù)中，亮度代表蒸騰強(qiáng)度、綠度代表植被覆蓋程度、濕度代表土壤濕度，可以用來識別盆地內(nèi)部的排泄構(gòu)造(林子瑜等，2008；程晨等，2012；Wang et al.,2013)。結(jié)合遙感資料與已有地質(zhì)成果，對隱伏的局部排泄構(gòu)造進(jìn)行識別，對排泄構(gòu)造與鈾礦間關(guān)系進(jìn)行對比分析，為松遼盆地砂巖型鈾礦勘探提供有力指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地位于我國東北地區(qū)(圖1a)，是重要的能源盆地，含有豐富的石油和煤，近年來盆地南部的通遼地區(qū)也發(fā)現(xiàn)豐富的鈾礦資源(Wei et al.,2010；Xu et al.,2015)。松遼盆地沿北東-南西方向長約700 km，沿北西-南東向?qū)捈s350 km，面積約26萬km2(圖1b)(Zhu et al.,2019)。現(xiàn)今松遼盆地東部以佳木斯-伊通斷層為界與張廣才山分隔，向西以嫩江-八里罕斷層為界與大興安嶺分隔，北接小興安嶺，南鄰華北克拉通的北緣(圖1a,b)(Zhu et al.,2019)。

圖1 松遼盆地大地構(gòu)造位置圖(a，據(jù)Wei et al.,2010；Zhu et al.,2019修改)、松遼盆地及其周緣地質(zhì)圖(b，藍(lán)色虛線框?yàn)檠芯繀^(qū))Fig.1 Geotectonic location map of the Songliao Basin(a，after Wei et al.,2010;Zhu et al.,2019),and geological map of the Songliao Basin(b,the blue dotted box is study area)1-上新統(tǒng)；2-中新統(tǒng)；3-古近系；4-上白堊統(tǒng)明水組；5-上白堊統(tǒng)四方臺組；6-上白堊統(tǒng)嫩江組；7-上白堊統(tǒng)姚家組；8-上白堊統(tǒng)青山口組；9-上白堊統(tǒng)泉頭組；10-下白堊統(tǒng)；11-上侏羅統(tǒng)；12-中侏羅統(tǒng)；13-下侏羅統(tǒng)；14-三疊系；15-古生界；16-元古界；17-太古界；18-元古代混合巖；19-太古代混合巖；20-玄武巖；21-燕山期花崗巖；22-印支期花崗巖；23-古生代花崗巖；24-元古代花崗巖；25-斷層；26-城市1-Pliocene；2-Miocene；3-Palaeogene；4-Upper Cretaceous Mingshui Formation；5-Upper Cretaceous Sifangtai Formation；6-Upper Cretaceous Nenjiang Formation；7-Upper Cretaceous Yaojia Formation；8-Upper Cretaceous Qingshankou Formation；9-Upper Cretaceous Quantou Formation；10-Lower Cretaceous；11-Upper Jurassic；12-Middle Jurassic；13-Lower Jurassic；14-Triassic；15-Paleozoic；16-Proterozoic；17-Archean；18-Proterozoic migmatite；19-Archean migmatite；20-basalt；21-Yanshannian granite；22-Indosinian granite；23-Paleozoic granite；24-Proterozoic granite；25-fault；26-city

松遼盆地是在古生代及早中生代基底之上發(fā)育的一個(gè)典型的裂谷盆地，內(nèi)部又包括數(shù)量眾多且大小不一的次級盆地(Meng et al.,2003；Wei et al.,2010)。通常認(rèn)為裂谷盆地的成因?yàn)橄绕诖嬖诘脑龊竦貧さ闹亓逅?，并在塑性下地殼?cè)向流作用下進(jìn)一步形成后裂谷盆地(Wei et al.,2010)。松遼盆地的基底包括古生界的花崗巖、變質(zhì)巖以及三疊紀(jì)的火山碎屑沉積巖(吳真瑋等，2015)(圖2)。沉積蓋層主要為同裂谷期的下白堊統(tǒng)淺湖-深湖相泥巖、粉砂巖，辮狀河三角洲及扇三角洲的細(xì)粒-中粒砂巖；后裂谷期的上白堊統(tǒng)主要包括青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組，巖性主要為深湖相泥巖、曲流河三角洲細(xì)粒砂巖，局部含有粗砂巖，白堊系厚度最大達(dá)7000 m(圖2)。白堊系之上為新生代地層所覆蓋，巖性主要為洪泛平原沉積的中-細(xì)粒砂巖、沖積成因的粗粒砂巖(Song et al.,2014；Wang et al.,2016；Feng et al.,2018;施立志等，2019)。根據(jù)沉降特征的差異，松遼盆地可以分為南北兩部分。盆地北部經(jīng)歷了同裂谷期沉降和后裂谷期的熱沉降，該區(qū)域的次級盆地多發(fā)育更厚的白堊紀(jì)地層，而盆地南部經(jīng)歷的后裂谷作用影響較小，次級盆地發(fā)育的后裂谷期上白堊統(tǒng)厚度小(Wei et al.,2010)。

圖2 松遼盆地巖性綜合柱狀圖(據(jù)Wang et al.,2013；Song,2014修改)Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Songliao Basin(after Wang et al.,2013；Song,2014)1-花崗巖；2-火山巖；3-變質(zhì)巖；4-泥巖；5-粉砂巖；6-細(xì)砂巖；7-中砂巖；8-粗砂巖；9-火山碎屑沉積巖；10-烴源巖；11-煤層；12-角度不整合；13-平行不整合1-granite；2-volcanic rock；3-metamorphic rock；4-mudstone；5-siltstone；6-fine sandstone；7-medium sandstone；8-coarse sandstone；9-pyroclastic sedimentary rock；10-source rock；11-coal seam；12-angular unconformity；13-disconformity

松遼盆地鈾礦床以沉積型的層間氧化帶砂巖型鈾礦床為主，并伴有熱液蝕變作用，主要的找礦目的層位為晚白堊世姚家組和嫩江祖，在盆地南部找礦優(yōu)勢明顯(羅毅等，2007；蔡煜琦和李勝祥，2008；李林強(qiáng)，2014)。姚家組沉積厚度140～200 m，主要形成于干旱及氧化環(huán)境，以紅色碎屑巖為主，夾少量灰色泥巖及砂巖，鈾礦化主要發(fā)育在該組的上、下段河流相砂體中。姚家組上段巖性主要為淺灰色、灰白色、紅褐色厚層細(xì)砂巖、粉砂巖，夾灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；下段巖性主要為灰白色、紫紅色、黃褐色細(xì)砂巖，夾紫紅色、灰白色粉砂質(zhì)泥巖，局部可見雜色礫巖。姚家組砂體普遍受到熱液蝕變作用，多期次的蝕變作用使地層發(fā)生絹云母化、黃鐵礦化、高嶺石化等。嫩江組沉積厚度30～100 m，由于受構(gòu)造運(yùn)動影響強(qiáng)烈，盆地南部地層遭受嚴(yán)重剝蝕。嫩江組巖性以灰綠色泥質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖為主，底部發(fā)育灰色粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)粗砂巖。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次使用的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)共包含9個(gè)波段(表1)，其中第8波段為全色波段，擁有15 m空間分辨率，其余8個(gè)波段為30 m空間分辨率。OLI第2～6波段分別與ETM+第1～5波段對應(yīng)，而第7、8波段則分別對應(yīng)ETM+的7、8波段。

表1 Landsat 8 OLI傳感器參數(shù)表Table 1 Sensor parameters of Landsat 8 OLI

為覆蓋整個(gè)松遼盆地南部地區(qū)，共使用8景Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)，行列號分別為：121030、121029、120030、120029、119030、119029、118030、118029，采集信息如表2所示，全部8景數(shù)據(jù)的云量均小于1%，數(shù)據(jù)覆掩范圍如圖3所示。

表2 研究使用的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)采集信息表Table 2 Acquisition information of Landsat 8 OLI data in this study

圖3 實(shí)驗(yàn)所用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)覆掩范圍示意圖(地質(zhì)圖圖例參照圖1)Fig.3 Schematic diagram of Landsat 8 OLI data overlay range used in the experiment(geological legend the same to Fig.1)1-遙感影像行列號；2-研究區(qū)范圍；3-城市1-row and column number of remote sensing image；2-study area；3-city

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

如前所述，前人研究表明蒸騰強(qiáng)度、植被覆蓋程度與土壤濕度，可用來識別盆內(nèi)排泄構(gòu)造(林子瑜等，2008；程晨等，2012)，而這三個(gè)指數(shù)又可以分別對應(yīng)亮度指數(shù)(Brightness)、綠度指數(shù)(Greenness)和濕度指數(shù)(Wetness)。

K-T變換即Kauth-Thomath變化，也稱纓帽變換，是主成分分析的一種特殊方法。通過K-T變化可以將TM圖像中除熱紅外波段的6個(gè)波段壓縮成3個(gè)分量，其中第一分量為亮度指數(shù)，反映地物總體反射率綜合指數(shù)；第二分量為綠度指數(shù)，反映地面植被覆蓋情況；第三分量為濕度指數(shù)，反映地面水分條件，特別是土壤濕度條件。變換處理后的3個(gè)分量可以更好地對地物、植被等做更細(xì)致、精確的分析，更直觀地反映出地面植被與土壤在多光譜空間中的特征。本文利用ENVI軟件對遙感影像進(jìn)行校正，在該軟件下完成K-T變化，得到亮度指數(shù)、綠度指數(shù)、濕度指數(shù)圖并進(jìn)行拼接等處理。

本文使用的Landsat 8 OLI level 1產(chǎn)品在使用之前需進(jìn)行大氣校正。在ENVI軟件FLAASH大氣校正模塊下選擇傳感器類型為Landsat 8 OLI，經(jīng)緯度、傳感器高度、成像時(shí)間等內(nèi)容會自動獲取或根據(jù)頭文件數(shù)據(jù)手動輸入，地面高程根據(jù)影像的平均海拔填寫，大氣模型選擇Atmospheric Model，Sub-Arctic Winter，最后進(jìn)行自動校正即可。K-T變換采用Landsat 8的后6個(gè)波段(Band 2～Band 7)，在ENVI中選擇Tasseled Cap模塊，以Landsat 7的模型為基礎(chǔ)，對每一景圖像均進(jìn)行K-T變換。其中，亮度指數(shù)為6個(gè)波段的加權(quán)和，反映了圖像的整體反射值；綠度指數(shù)為近紅外波段與可見光波段的差值；濕度指數(shù)為可見光-近紅外與短波紅外波段的差值(林子瑜等，2008)。在ENVI中的Layer Stacking模塊對K-T變換得到的亮度、綠度和濕度指數(shù)圖分別進(jìn)行無縫拼接。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4～6分別展示了經(jīng)K-T變換后得到的亮度、綠度和濕度結(jié)果。在亮度圖上，綠色-紫色-紅色-白色代表亮度增大趨勢，白色為最高值。在綠度圖上，白色-紅色-綠色代表綠度增大趨勢，綠色為最高值。在濕度圖上，綠色-藍(lán)色代表濕度增大趨勢，藍(lán)色越深表明濕度越大。從亮度圖上可以看出(圖4)，亮度值最高區(qū)域分布在研究區(qū)的北、西和南部，而通遼-開魯一帶主要為代表次級亮度的紅色區(qū)域，此外整個(gè)松遼盆地南部亮度指數(shù)普遍較高，表明盆地蒸騰作用強(qiáng)烈。從綠度圖上可以看出(圖5)，研究區(qū)綠度具明顯帶狀特征，集中在開魯-通遼-雙遼一線，此外，在研究區(qū)的北西及南部也有比較高的綠度特征。從濕度圖上看(圖6)，研究區(qū)高濕度區(qū)域分布范圍廣泛，在開魯北部、通遼西部有小范圍的藍(lán)色區(qū)域分布，在研究區(qū)的西南、西北和東北部有大范圍的藍(lán)色區(qū)域分布。

圖4 松遼盆地南部K-T變換亮度指數(shù)圖Fig.4 K-T transform brightness index in south of the Songliao Basin

圖5 松遼盆地南部K-T變換綠度指數(shù)圖Fig.5 K-T transform greenness index in south of the Songliao Basin

圖6 松遼盆地南部K-T變換濕度指數(shù)圖Fig.6 K-T transform wetness index in south of the Songliao Basin

針對K-T變換得到的亮度、綠度和濕度結(jié)果開展了野外查證工作。野外查證過程中發(fā)現(xiàn)亮度圖上呈現(xiàn)白色的區(qū)域，實(shí)地查證可見白堿化和沙化，植被稀少表明蒸騰作用強(qiáng)烈(圖7a,b)，地表鹽堿化明顯。綠度圖指示植被覆蓋程度高的地區(qū)，實(shí)地查證可見正常沙土和較為茂盛的植物(圖7c,d)。濕度圖上的藍(lán)色區(qū)域，實(shí)地查證可見棕黃色、褐色砂巖或泥質(zhì)砂巖，局部可見植物根系，巖層中含水率較高(圖7e,f)。通過實(shí)際現(xiàn)場查證，表明K-T變換得到的亮度、綠度、濕度指數(shù)可以很好地指示盆地蒸騰作用、植被覆蓋程度與土壤濕度。

圖7 野外查證照片F(xiàn)ig.7 Field verification photos

4 討論

4.1 盆內(nèi)排泄構(gòu)造帶識別

盆地內(nèi)的淺表地下水(潛水)排泄帶通常在地表附近表現(xiàn)為地表水、泉水或蒸發(fā)強(qiáng)烈區(qū)域，而深層地下水(承壓水)需要通過斷層、不整合面等地質(zhì)構(gòu)造才能進(jìn)入淺地表形成潛水層或到達(dá)地表之上，形成排泄構(gòu)造。在識別兩種排泄帶時(shí)，若區(qū)域上斷層不發(fā)育而地表蒸發(fā)較強(qiáng)，泉水或者湖泊較發(fā)育的地區(qū)通常為潛水排泄區(qū)；區(qū)域上斷裂較發(fā)育，斷層周圍濕度大、植被發(fā)育的地區(qū)通常為承壓水排泄區(qū)。由于承壓水順斷層向上排泄，可能會進(jìn)入淺表地層從而會影響潛水層排泄帶，兩者可能出現(xiàn)疊合作用，在地表表現(xiàn)為濕度增大、植被覆蓋茂盛等特征。松遼盆地由于強(qiáng)烈的蒸騰作用，地表被白堿或者沙漠覆蓋較嚴(yán)重，使排泄構(gòu)造具有一定的隱蔽性。但是植被以及對濕度敏感的紅外光譜卻可以有效地識別出這種隱蔽排泄帶(林子瑜等，2008)。綠度和濕度指數(shù)如果具有較高的特征值，并且在空間上呈帶狀分布，則可以指示排泄構(gòu)造帶的存在。

本文將亮度、綠度、濕度圖進(jìn)行疊加得到了信息綜合圖(圖8)，在信息綜合圖中觀察強(qiáng)亮度、綠度和濕度重合或相接的區(qū)域。從圖8a中可以看出研究區(qū)西北、南和東南部出現(xiàn)多處綠度高值條帶，但是這些區(qū)域的濕度并不大(圖5、圖6)。由于這些區(qū)域已處于盆地邊緣，其水的補(bǔ)給可能來自盆緣造山帶，而不是深部地下水，反之在盆地內(nèi)部的開魯-通遼-雙遼一帶，均存在北東向的高綠度、高濕度和高亮度帶。這些區(qū)域經(jīng)目視解譯得到了多條疑似排泄帶(圖8a)。在開魯-通遼以南廣大地區(qū)雖然為濕度高值區(qū)，但是綠度指數(shù)偏低，可能缺乏深部地下水的補(bǔ)給，導(dǎo)致蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，形成咸水環(huán)境。

圖8a中經(jīng)K-T變換解譯的排泄帶均靠近西拉木倫河斷裂，表明該斷裂很可能是區(qū)域性的深部地下水排泄構(gòu)造(圖8b)。另外，在遙感圖像上，存在多處串珠狀分布的湖水或者突然消失的水體，表明區(qū)域上斷層較發(fā)育(圖8c、d)，這些次級斷層與西拉木倫河斷裂共同組成了區(qū)域上的排泄構(gòu)造帶，與K-T變換解譯的排泄構(gòu)造吻合(圖8a)。

圖8 (a)強(qiáng)亮度、綠度、濕度綜合圖和排泄構(gòu)造解譯圖；(b)松遼盆地南部構(gòu)造分布圖(據(jù)蔡煜琦和李勝祥，2008修改)；(c)、(d)排泄構(gòu)造遙感驗(yàn)證圖Fig.8 (a)Comprehensive map of brightness,greenness,wetness and interpretation of drainage fault structures;(b)structural distribution in southern Songliao Basin(after Cai and Li,2008);(c),(d)remote sensing verification of drainage fault structures1-強(qiáng)亮度；2-強(qiáng)綠度；3-強(qiáng)濕度；4-排泄帶；5-鈾礦床1-strong brightness；2-strong greenness；3-strong wetness；4-discharge structure；5-uranium ore deposit

4.2 排泄帶與鈾礦的關(guān)系及找礦方向探討

排泄構(gòu)造對地下深部氧化帶的發(fā)育具有控制作用，對層間氧化型鈾礦床的形成具有重要意義，并對礦床的分布起到控制作用(李林強(qiáng)，2014；逄瑋等，2016)。局部排泄構(gòu)造帶能改變水動力條件，使含鈾層地下水交替頻率變高，原生含鈾地層經(jīng)含氧成礦流體的長期氧化，逐漸形成層間氧化帶。研究表明，開魯?shù)貐^(qū)淺層地下水為氧化水，深部地下水為油田還原水。這種從氧化到還原的地下水結(jié)構(gòu)，對研究區(qū)姚家組這種泥-沙-泥結(jié)構(gòu)的地層具有較強(qiáng)的改造作用(佘新民等，2007)。姚家組原生沉積的鈾元素，是該地區(qū)鈾成礦的基礎(chǔ)，當(dāng)其與排泄構(gòu)造引起的層間氧化流體、還原流體疊加時(shí)，可形成較大規(guī)模的鈾礦體。

目前，對松遼盆地南部姚家組的勘探已發(fā)現(xiàn)海力錦、錢家店、白興吐、?？?、金寶屯等多處鈾礦床(礦化點(diǎn))(羅毅等，2007；張振強(qiáng)等，2009；趙忠華等，2012；李林強(qiáng)，2014；蔡建芳等，2015)。這些礦床或礦化點(diǎn)處于西拉木倫河斷裂帶的分布范圍內(nèi)，大致沿?cái)嗔褞ё呦蚍植肌６鳮-T變換結(jié)果表明西拉木倫河斷裂為該區(qū)域上的排泄構(gòu)造帶，通過與K-T變換解譯圖匹配發(fā)現(xiàn)這些礦床均沿排泄帶分布(圖8a)，表明排泄構(gòu)造帶對鈾礦分布具有一定的控制作用。根據(jù)解譯的排泄構(gòu)造對鈾礦床分布的控制作用，建議下一步找礦方向可以沿開魯北西部、通遼南部的排泄構(gòu)造帶展開。

5 結(jié)論

(1)利用Landsat 8 K-T變換得到松遼盆地南部亮度、綠度、濕度指數(shù)，與野外查證情況吻合良好，說明可以使用K-T變換進(jìn)行排泄帶相關(guān)信息識別。

(2)提取的排泄帶主要沿西拉木倫河斷裂分布，很可能是該斷裂控制的斷裂型排泄帶。

(3)排泄帶與已知的鈾礦床在空間上有明顯的相關(guān)關(guān)系，沿著排泄帶有較大的找礦潛力。

(4)在通遼南部和開魯北西部新發(fā)現(xiàn)的多條排泄帶可能作為后期的找礦工作區(qū)。