航空伽马能谱测量在浅覆盖区地质填图单元划分中的应用

第31卷第2期物探与化探2007年4月GEOPHYSICAL geoCHeMICal eXPlorationApr.2007航空伽马能谱测量在浅覆盖区地质填图单元划分中的应用陈树军刘菁华王祝文〔吉林大学地球探测科学与技术学院吉林长春130026)摘要不同岩性的岩石其放射性元素U、Th和K的含量不同即使是同一岩性的岩石由于成因不同形成年代不同地质演化过程不同其放射性元素含量也不同。笔者根据放射性元素在岩石中分布的这个特点利用航空伽马能谱测量数据采用多元统计分析方法对航空伽马能谱测量数据进行分析并作出动态聚类图然后再与已有的地质图对比分析各种岩性放射性元素U、h和K的含量为该地区进行下一步地质工作提供依据。关键词航空伽马能谱变异系数主成分分析动态聚类中图分类号:P631.6文献标识码:A文章编号:1000-891820072-0110-05早在1958年我国就开始探索利用航空放射性为基岩。该区出露的地层单元主要为:①第四系测量资料进行岩性地质填图。20世纪80年代后期(h)坡积裙、沖积扇和河漫滩。②白垩系甘河组地矿部门组织的物探在1:5万区域调查中应用”(Kg)岩性以基性一中基性火山熔岩为主其次为的专题研究项目成果进一步显示了航空放射性测基性—中基性火山碎屑岩主要为气孔状玄武岩、气量资料在岩性、构造填图中的作用。”七五″和八孔杏仁状粗安岩、粗安质火山角砾岩、凝灰岩;3白五”期间地质矿产部设立1:5万区域地质调查中垩系光华组(K1sn)岩性较复杂主要为一套酸性遥感、物探、化探应用方法研究″项目使得航空伽火山岩系其上部主要为英安质角砾凝灰岩、熔结凝马能谱测量资料解释方法、地质填图和矿产预测方灰岩、英安岩,下部主要为流纹质角砾凝灰岩、火山法以及应用效果得到了进一步归纳和充实解释方角砾岩、熔结凝灰岩④侏罗系塔木兰沟组J4)主法进一步完善。新一轮国土资源调查再一次提要为气孔状粗安岩、粗安岩、粗安质角砾凝灰岩出对特殊地质景观区进行地质填图研究2。该区出露的岩浆岩为早石炭金河单元(Cj)由于航空伽马能谱测量具有可跨越任何陆面,中粗粒二长花岗岩2早白垩系秀山超单元(Kye)其φ0%的响应来自地表25cm深度的范围(称为花斑状碱长正长岩A25层)能够快速取得大面积的伽马能谱测量数据编制多种特征参数图件为研究测区的地质构造在浅覆盖区进行岩性填图或单元划分的格架、主要岩性分布、预测找矿远景地段和正确合理依据地部署地质矿产调查工作提供重要依据。放射性伽马能谱测量进行地质填图的主要依据笔者以实测的航空伽马能谱数据在浅覆盖区进是不同的岩性。同一种岩性的岩石若成因不同形行岩性单元划分达到定量确定岩性边界的目的。成年代不同地质演化过程不同其放射性元素U、1研究区地质背景3Th、K的含量也不同。所以可以通过放射性能谱测量得到的放射性元素U、Th、K的含量来区分不同的测区为阿龙山图幅的西南角,面积为1007岩性或填图单元。如表1列出了该测区主要岩性地km2为浅覆盖区。浅覆盖层表现为腐植土层加残面放射性能谱测量U、Th、K的含量从表中可知岩坡积碎石层厚度为0.5-1m同部地段可达3m性的放射性元素含量有较大差别所以可以通过放以上。表凨A层)植被较发育厚度一般在10~20射性伽马能谱测量区分不同的岩性cm其下为B层,般厚度为0.3m左右B层下面但在浅覆盖层上进行放射性能谱测量其含量2期陈树军等航空伽马能谱测量在浅覆盖区地质填图单元划分中的应用表1测区部分岩性的地面放射性测量铀、钍、钾元素含量3人地层岩性U) uTh)uk粗安岩14.85甘河组气孔状杏仁玄武粗安岩3.1216.464.61ea1英安岩英安质角砾凝灰岩3.092557.0英安质凝灰岩3.6123.086.76英安质角砾晶屑凝灰岩5.318.34.7光华组英安质岩屑凝灰岩3.02.65.17英安质熔结凝灰岩流纹岩31.15.89攻质凝灰岩流纹质岩屑凝灰岩22.65.17流纹质熔结凝灰岩42.62流纹质角砾凝灰岩4.126.226.41塔木兰气孔状杏仁玄武岩1.57547429沟组杏仁玄武岩T CK,ga K gnl K , gI玄武粗安岩3.74引自文靓3]1一第四系2—光华组为一套酸性火山岩3一甘河组,为基性中基性火山熔岩;—塔木兰沟组为粗安岩,玄武岩为主“一金变化是否仍能反映基岩的这种区别为此我们做了河单元为中粗粒二长花岗岩地表覆盖层与基岩层放射性能谱测量两者的放射图2航空伽马谱测量U、Th、K及总道计数率值与地质性元素含量显著正相关相关系数为0.8以上两者单元对比的剖面对比曲线变化趋势一致图1为P3剖面槽探基岩与覆盖层上能谱测量含量曲线对比覆盖层上同时在测区穿越不同岩性作航空能谱测量剖面放射性能谱测量反映了覆盖层下基岩的变化所以曲线与填图单元对比图图2)从图中可以看出不地表的能谱测量反映了基岩岩性变化41。同的岩性或填图单元其航空能谱测量的U、Th、K元槽探基岩上测量值素含量有明显的差别这又为在浅覆盖区利用航空浅覆盖层上测!能谱测量数据划分岩性或填图单元提供了依据。综上所述铀、钍、钾的含量在不同岩性、不同的地质单元中是存在差异的在该浅覆盖区所具有的特殊地质景观覆盖层上的放射性元素含量能反映其下基岩岩性的放射性元素含量覆盖层上的航空放射性数据能区分其下基岩岩性的差异所以可以利用航空伽马能谱测量数据进行地质填图,借以划分不同的岩性。3测量数据的预处理111)圆滑处理采用二维滑动方法,目的是消除浅表覆盖层的随机干扰突岀数据的趋势变化揭示数据中隐含信息反映不同地质体引起的放射性293003000031000场特征(2)趋势面分析趋势面分析的目的是分离出∥++∥++含量场晕的本底场、异常场及随机干扰变化消除浅覆盖层的局部干扰。方法采用多项式趋势面法多4+1使用三阶趋势分析得到趋势等值线图和局部剩余1—粗粒二长花岗岩2—流纹岩脉图同时从局部剩余图中剔除随机干扰物探与化探31卷级使各变量的贡献相当。会损失多少信息具体的求解方法在这里不详述结(4)网格化网格化是将地理空间上非均匀分果如下布的原始数据按一定规律内插到正方形网格上。内第一主分量为F1=0.76400+0.634m+0.119k插后产生的数据称为网格化数据。网格化数据都记第二主分量为F2=0.933-0.116m2-0.3401k于正方形格子中心处。网格化的目的之一是便于后第三主分量为F3=0.8601-0.437vm+0.263k续各种处理中计算机计算因为有了网格化数据就(3)组合变量有比值变量(Th)(K)不必储存各点的坐标节省了内存同时网格化数据(K)(U)(U)(Th)点坐标规律性好便于计算机搜索,节省了计算时4)统计参数变量有U、Th、K含量变异常系间。另外网格化数据对原始数据在空间上的变化数、平均值、均方差等。起一定的圆滑作用据此可得到较圆滑的等值线图。在这些变量中我们选择了K、U含量F3主分该地区航空数据网格间距是100×1000。量K含量变异系数4个变量其选择理由如下5)数据分布检验目的是了解数据的分布特1)在原始变量中鉀为造岩元素在岩石中的征,般要求数据服从正态分布否则需要进行转换含量高因此灵敏度高对岩性划分具有很好的可靠对数转换法)经检验,该区航空放射性数据呈正性。从相关系数表2中可以看出JU与K、Th、总道态分布。计数率的相关系数分别为0.4410.5990.550相4数据动态聚类分析进行填图单元划分关性较差因此选择K、U作为聚类参数可以代表所有的原始变量。4.1动态聚类法的基本原理表2铀、钍、钾含量及总道计数率相关系数设测区有n个测点用x1x2灬…x表示测点上实测值在多参数测量中x1x2",xn为向量)如1.0001.0000.764果初始分成k类,G1,G2灬…,G,它们的中心记作0.4110.764x1x2…x4每类测点的个数记作n1n2灬…,n用0.883Ki)表示x所属类别的标号。定义x1与G类别的距离为(2)在主成分分析变量中第一主分量的方差D=(x1-x),贡献最大73.136%)它集中反映了该测区铀、钍、分类函数定义为钾含量的基本变化趋势。第二主分量主要反映了铀含量、钾含量呈相反变化的趋势。第三主分量主要G2]反映铀含量、钍含量呈相反变化的趋势。F与F3动态聚类分析的目的就是使这个分类函数达到非常相似但高低值对应的区域正好相反F2对应最小。数学上可以证明分类函数达到最小等价于的地质含义不明显。所以主分量F3和F1与地质体使同类样品的离差平方和达到最小而使类与类之之间有一定的关系其值的高低反映了不同填图单间的离差平方和达到最大元因此选择第三主分量作为聚类参数较为合适。动态聚类法的过程是首先选一批有代表性的样3)变异系数是反映不同岩性放射性元素含量品作为初始中心”然后让样品按某种原则通常均匀程度的参数不同岩性的变异系数基本不相关,用最近距离原则)〕向初始中心汇聚从而得到初始组合在一起能较准确地表征不同岩性之间的差异分类;一步判断初始分类是否合理如不合理修所以将它们选作聚类变量较合适3如图3从钾改分类直到合理为止。含量变异系数等值线图可以看出钾含量变异系数4.2变量的选择能较好地将第四系与其他岩性区分开。选择变量的基本原则是应该选择最能反映地质43聚类方法的选择环境的特征变量变量之间应互不相关这样有利于该聚类方法是SPSS统计分析的K- means动态数据的分类。该测区的变量有以下几类聚类方法。通过以上分析选取了U、K含量F3主(1)原始变量:、Th、K含量以及Tc计数率。分量K含量变异系数4个变量作6类聚类分析聚(2)对铀、钍、钾3个变量进行主成分分析得类结果见图42期陈树军等航空伽马能谱测量在浅覆盖区地质填图单元划分中的应用56900000.4556800000.35670000f8c0.05b566000410000420000图3钾含量变异系数等值线5690000568000056700005660000400000410000420000图4航空伽马能谱测量多元素聚类分析114物探与化探31卷@丿[Q第四系对应于聚类图上的5类。这也很好地说明了不同时9[K甘河组代的侵入岩放射性元素含量是有差异的从而可用QhP区四光华f放射性测量进行填图划分单元8x(四落木兰构组在此动态聚类结果图的基础上利用 surfer软Kign/聋赛状碱长件从聚类图上提取与地质图对应较好的地理位置数C中粗粒二长据然后从U、Th、K和总道计数率等值线图上得到岗岩相应位置的U、Th、K和总道计数率数据统计分析7。难草得出告地层单元的放射性持征含量洛类岩性单元P玄武岩放射性元素含量特征值见表3。地层界线实测断裂5结论KEm\ KgnoK椎断断裂利用航空伽马能谱测量数据通过主成分分析会人(0□火山口比值变异系数值计算得到一些有用的多元组合变Ey ME量。根据它们的等值线图以及与原始变量的相关系图5测区对应的地质图数优选适合该地区的变量组合再进行多变量聚类分析绘出聚类分类图。实践证明航空伽马能谱测的放射性元素含量不同导致第四系被划分为2类,量在浅覆盖区进行地质填图是一种简便的辅助地质这在解释时应注意。在钾含量变异系数等值线图填图手段能用来区分具有一定放射性含量差异的上第四系钾含量变异系数高可很好地区分出第四若性减少地质填图因受露头少而带来的工作量提系塔木兰沟组和聚类图上的3类对应泔河组零星高地质填图的精度。用该方法得到的聚类图能够较地分布于测区中聚类图基本反映了它的分布特征,好地与地质图岩性单元相对应,比单一变量的等值对应于聚类图上的2类光华组分布范围较广它反线图更具有可靠性和合理性因为它是利用多种参映了中酸性火山岩放射性元素含量的差异性即反数综合得到的结果。应该指出只有当不同岩性体映了流纹质的酸性火山岩到英安质的中酸性火山岩间存在放射性差异时该方法才有效并且航空伽马之间的变化它对应于聚类图上的4类秀山超单元能谱测量数据分类图也不等于若性地质图的放射性元素含量高多分布于火山口处变异系数低对应于聚类图上的6类但该区北部的秀山超单参考文献元岩体在聚类图上没有显示原因有待进一步研究[I]熊盛青.我国航空物探现状与展氧J]中国地质,199926金河单元放射性元素含量高但低于秀山超单元的(9)[2]王懋基涨文斌航空物探解释方法及应M]北京地质出放射性元素含量大部分由断层控制变异系数低,版社1992[3]刘菁华王祝文田钢等.地面伽马能谱測量在浅覆盖区地质表3地层单元与聚类类别及放射性含量平均值对应关系填图中的应用J]地质与勘探2003392)14]刘菁华王祝文田纲等.大兴安岭地区浅覆盖层对地面伽马类别射性元素含量平均值地层单元测量的影响探J]物探与化探200428(2)J11归属I( U) u Th) uK)10-610[5]熊盛青杨蓓范正国.IBM4341计算机航空伽马能谱解释处第四系(Qh)理系统及应J]物探化探计算技术199315(1)甘河线Kg)21.27[6] Pires A C B Harthill N. Statistical analysis of airborme gamma-ray光华组(K1mn)data for geologic mapping purposes: Crixas-Itapaci area, Goias塔木兰沟组J3)31.103.571.041276金河单元C1j)51.967.482.172196秀山超单元Ky)62.9712.493.3131207〕张文斌熊盛青.一种有用的解释参数——航空伽马能谱变系数J]物探与化探990J4(4)下转119页2期朱晓颖等法在煤火探测中的应用119信息提取中的方法研究J]国土资源遥感200356(2)50.[11永田武岩石磁敩M]北京地质出版社1959[9]眭素文于长春姚长利.起伏地形剖面重磁异常半智能处理〔2]柯林森υW,岩石磁茡与古地磁学方汯M]阚济生蒋邦本,解释软件及应甪J]物探与化探,2004281)65.陈养炎郝锦绮译.北京地震出版社1989[I0]谭承泽郭绍雍.磁法勘探教程M]北京地质岀版社J984.THE APPLICATION OF THE MAGNETIC METHOD TO THE DETECTIONOF UNDERGROUND COAL FIRESZHU Xiao-ying YU Chang-chun XIONG Sheng-qingchEN Bin(I. China Aerogeophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China 2. Institute of Mineral Resources, CAGSBeijing 100037, ChinaAbstract Systematic investigations were conducted on the rock samples collected from the Ruqigou coalfield in Ningxia. As the rocktemperatures vary with the combustion degree the authors made a serial of calefaction experiments on the rock samples. The resultsdemonstrate that the rock magnetism varies with temperature. The feasibility of applying the magnetic method to detecting the undergrotfires was studied and in addition the human-computer interactive inversion algorithm was used to process the measured da-ta. The inversion result fits the measured data well and can determine the combustion center and delineate the coal fire area effectivelyKey words susceptibility magnetic method magnetization intensity poal fire作者简介朱晓颡1977-)女中国地质科学院矿产资源所在读博士主要从事综合物探方法进行成矿预测研究工亻上接114页THE APPLICATION OF AIRBORNE GAMMA-RAY SPECTROMETRIC SURVEYIN CLASSIFICATION OF GEOLOGICAL MAPPING ELEMENTIN SHALLOW OVERBURDEN ATEACHEN Shu-jun LIU Jing-hua ,WANG Zhu-wenCollege of Geoexploration Science and Technology, Jilin Unicersity Changchun 130026, ChinaAbstract Different lithological rocks have different content of radio-elements such as uranium thorium andEven if they arethe same lithological rocks as a result of different cases and age of formation different geological evolvement process their content ofelements also is different. According to this character of radio-elements in rocks using airborne gamma-ray spectrometric datusing the statistical multi-analysis methods this paper analyzes airborne gamma-ray spectrometric data ,makes out dynamic clusterhart, compares with geological map compartmentalizes geological element, then offers some gist for the next geological work in thisarea.Key words airborne gamma-ray spectrometry yariation coefficient principal component analysis dynamic cluster作者简介陈树军(1982-)男在读硕士主要从事核地球物理研究。