張玉君 李昌國
（地礦部航空物探遙感中心，北京 100083）
摘要 中國由於鉀肥的短缺，故而在近30多年中對於鉀鹽勘察的各種新方法研究，給予了巨大關註。這些新方法包括：伽馬能譜測井、航空伽馬能譜、遙感、重力等。本文簡要總結我們在此領域所做研究工作的主要成績。1963年提出並研究了伽馬能譜測井方法和井中伽馬能譜儀，80年代前該儀器經過了數次改型，伽馬能譜測井儀器和方法在6個省得到成功使用。1995年開發了井中放射性能譜交互解釋軟件系統（HRSIS），該軟件系統包括五組功能程序：預處理、定量解釋、趨勢分析、圖形顯示、綜合解釋。自1984年開始進行高靈敏度航空測量在中國西部勘察蒸發型鉀鹽礦產，通常測量4個參數：K、Th、U和磁場。為了對數據進行預處理、處理、穩譜及圖像處理研制開發了航空多道伽馬能處理軟件包（AMGPSP）和航空物探數據圖像處理軟件包（AGIP-SP）。自80年代中期開始應用數字圖像處理技術進行地球物理和遙感數據（MSS和TM）的綜合解譯，用以研究中國西部蒸發型含鉀鹽盆地。在1993年初開發了專門的重力場三維圖像化軟件包（3DIG），首先建立重力場的三維數據陣列，然後以各種形式進行顯示，以揭示該重力場的內部特征。
關鍵詞 鉀鹽 井中伽馬能譜儀 航空伽馬能譜測量 遙感 重力場三維圖像化
1 伽馬能譜測井方法
據統計世界鉀鹽總儲量中50%是在鉆孔中發現的。為了發現鉀鹽並區分含釷、鈾泥質巖石對鉀鹽的幹擾，在1963年研究了伽馬能譜測井方法並研制了井中伽馬能譜儀，80年代前該儀器經歷了五次改型。
該方法的基礎是自然放射性同位素40K。40K的同位素豐度為0.0119%，其伽馬量子的輻射系數為11.6%，能量適中為1.46MeV，適合探測和能譜分析。
所研制的四道井中伽馬能譜儀用圓柱狀碘化鈉晶體探測伽馬射線譜。這四道是（圖1）：PK道（40K的1.46MeV峰的微分道，其能量閾為1.40～1.52MeV）；LI道（左積分道，其能量閾為≥1.30MeV）；RI道（右積分道，其能量閾為≥1.60MeV）；及TC道（總計數道，其能量閾為≥0.2MeV）。在制作井中伽馬能譜儀過程中研究了下述技術要點：
1.1 靈敏度
由於40K的同位素豐度和伽馬輻射系數都很低，必須提高井中伽馬能譜儀的靈敏度，為此將Nal晶體的長度加大到100～150mm，其直徑由於受鉆孔內徑的限制而不能超過50mm。
圖1 四道井中伽馬能譜儀用圓柱狀碘化鈉晶體探測伽馬射線譜
4道是：PK道（40K的1.46MeV峰的微分道，其能量閾為1.40～1.52MeV）；LI道（左積分道，其能量閾為≥1.30MeV）；RI道（右積分道，其能量閾為≥1.60MeV）；及TC道（總計數值，其能量閾為≥0.2MeV）
1.2 脈沖傳輸
為了保持儀器的分辨率，從光電倍增管輸出的脈沖經前置放大器之後，必須在波形和幅度上無畸變地從井下儀器經3600多米長的電纜傳至地面儀器。選用了電壓—電流型傳輸方案。對137Cs的分辨率經3600m電纜傳輸之後保持了無長電纜的分辨率水平（10%）。
1.3 穩定性
地殼的垂直溫度梯度約為每33m升高1℃，因此在鉆孔中3500m深處的環境溫度可能高達100℃。為了使能譜儀達到可靠的穩定性，采取了以下三個措施：選用高溫NaI晶體和光電倍增管；用供給光電倍增管高壓源的正溫度系數補償光電倍增管增益的負溫度系數；采用137Cs的自動穩譜線路以保持譜峰位置的穩定。
某壹同位素的任壹光電峰疊加在更高能量光電峰的康普頓延續線上。40K光電峰下的本底正比於右積分RI（圖1），這是對於K的剝譜法和主分量分析的理論基礎。我們研究了利用主分量分析和剝譜法壓制U、Th幹擾以得到更純的鉀異常。方程組（1）展示了主分量分析的數學過程。其本征向量通過統計得到。
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式中：X為原變量；E為新變量，它們是原變量的線性函數；I為單位矩陣。
1995年研制成功井中放射性能譜解釋軟件系統（HRSIS），它由五組功能程序組成：預處理，定量解釋，趨勢分析，圖形顯示，及綜合解釋。第六組是HELPs（求助功能）。HRSIS系統在微機上用C語言寫成。圖2所示為青海省昆特依盆地位於沈積活動中心的壹口鉆孔測井結果的圖像實例。在圖2上KCl層表現為左積分（LI）高、峰頂微分（PK）高、總計數（TC）高、但右積分（RI）低，除了KCl層外還可以清晰地看到湖相沈積的三個階段。
圖2 測井圖像實例
此鉆孔位於青海省昆特依盆地沈積活動中心
*最左邊為原始伽馬能譜測井曲線，經用本征向量調正了比例尺。
*中部為PK、LI及RI的合成三色圖像。石鹽層由於其放射性元素含量低而表現為暗色調，相反鉀鹽層或含雜鹵石層為亮色調，泥質巖層由於含U、Th和K偏高也為亮色調。
*K趨勢曲線及Th-U趨勢曲線呈現出Th、U的遞減及K的遞增，反映出盆地演變的三個階段：半鹹水湖階段；超鹹水湖階段；幹鹽湖與超鹹水湖交替階段。
*經主分量分析所獲K曲線展現出在60m和130m深處的富含雜鹵石層。
伽馬能譜測井方法成功地在6個省（雲南、湖北、四川、山東、新疆及青海）得到推廣應用。厚度≥0.5m、KCl含量≥2%的含鉀鹽層在猛野井及其它礦區均可測出。石油部曾制定了“油鹽兼探”的技術政策，在此政策的鼓舞下在江漢油田利用伽馬能譜測並發現了壹層厚0.8m的鉀芒硝層，其KCl含量高達16.8%。在四川省發現壹層厚度≥0.2m的雜鹵石。在1991年雲南省某新勘探區，第壹口鉆孔巖心全部丟失，唯有依靠伽馬能譜測井才補救了鉆孔資料，找到了數層含鉀鹽層，避免了重新打鉆的經濟損失。
2 航空伽馬能譜測量
自1984年起在中國西部開始進行以尋找蒸發型鉀鹽礦床為主的高靈敏度航空物探測量。通常記錄四個參數：K、Th、U及磁場。可用多道（512道）或4道航空伽馬能譜儀，所用方柱型碘化鈉晶體的總體積可達50dm3，飛行高度約為90m，線距1～2km，測量比例尺1∶100000～1∶200000。
80年代曾開發了航空多道伽馬能譜處理軟件包（AMGPSP）及航空物探圖像處理軟件包（AGIPSP），皆用FORIRAN語言編寫，使用這兩個軟件包可進行伽馬能譜軟件穩譜、預處理、處理以及航空物探數據的圖像處理[1,2]。中國西部尋找鉀鹽的地區植被稀疏、地形平坦，是開展航放的理想地區。數據動態範圍通常如下：K——0～8%,Th——（0～40）×10-6,U——（0～15）×10-6。
數字圖像處理技術十分有助於提取下述各方面的地質信息：巖性填圖；直接找鉀；鉀鹽礦產沈積的研究；提取構造形跡；以及在某些情況下還能判斷油氣異常[3,4]。航空伽馬能譜是少數幾種可以直接探測某些元素的方法之壹。
例如，做為航空伽馬能譜測量結果的K、Th、U數據合成三元圖像，實際上是壹幅三元素區域地球化學圖，與陸地衛星圖像（TM或MSS）綜合，K、Th、U三元素圖像可借用監督或非監督分類方法達到巖性填圖的目的。
含泥質巖石（砂巖、泥巖等）由於富含氧化鉀，成為對直接找鉀鹽的主要幹擾。通過分析K、Th雙元素圖像及其散布圖發現，泥質巖石中K和Th含量之間存在壹定線性相關性。為了直接確定KCl試用了壹系列圖像處理技術，如：主分量分析、彩色坐標系的轉換、植被提取等。
據上述現象和試驗成功地區分了KCl和第三紀砂巖中的氧化鉀，這種砂巖富存於柴達木盆地測區的東北角。對此測區圈定了十處新KCl異常，其中壹處經地面驗證，固體KCl儲量增加了3245000t。KCl鹵水對於勘察據有特殊的重要性，將含K≥0.6%的地面水通過圖像圈定為KCl鹵水。
通過監督分類對原14種巖性分類的巖性圖又增加了兩類。不僅成功地區分了KCl與氧化鉀，還成功地區分了KCl與含泥質KCl。
3 遙感測量
7個波段的TM數據由於其更高的能譜和空間分辨率，對研究含鉀蒸發盆地更為有用。
雖然為了提取地質信息總是希望使用盡可能多的波段，但是仍離不開壹幅最佳顯示的三元圖像。最佳三元圖像應包含信息量最多，而三個波段間相關性最低。利用組合相關因子Q做為最優化組合的量度和基礎。
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式中：Si為i波段的變異；Ri是相關系數。
最佳三元圖像應具有最大的Q值。例如昆特依盆地TM數據中以1、4、7三波段組合為最佳。昆特依盆地是壹個現代鹽湖，對於勘察鉀鹽有壹定重要性，它位於青海省柴達木盆地的西北方向。圖3a是壹幅黑白圖像，它清晰地展示出昆特依盆地的總體地貌景觀，它是壹個長80km、寬30km的菱形封閉幹鹽湖，壹條公路橫穿而過，幹鹽湖的北部有阿爾金山、東、西和南部有兩組背斜環繞，有的背斜含具工業價值的油田。
圖3 昆特依盆地景觀
a—TM數據的1、4、7波段組成的合成圖像清晰地展現出中國西部昆特依盆地的總地貌景觀，它是壹個長80km寬30km的菱形封閉幹鹽湖；b—通過1、4、5、6、7波段數據的KL轉換，得到壹幅寶貴的異常圖像，在其上KCl表現為白色亮斑
為了建立固體鉀鹽的異常標誌進行了圖像采樣，在圖像上選了14個地質目標，統計了它們各自的TM七個波段的亮度值。圖像采樣結果示於圖4。固體KCl（編號12和13）具有明顯的可分辨的波譜特征，為解譯提供了基礎。
基於波譜分析，通過KL轉換（主分量分析）及分段切割拉伸提取了固體鉀鹽異常（圖3b），這兩種方法的結果十分接近。除了探測KCl，還進行了構造形跡研究、鹽礦特征分析、鹽盆物質來源的揭示研究等。
圖4 圖像采樣結果
曲線為14個地質目標TM7個波段的亮度值。固體KCl（編號12和13）具有明顯的可分辨波譜特征，提供了建立固體鉀鹽異常標誌的基礎
圖5 3DIG軟件包解釋結果之實例
a—雲南省猛臘重力場第20號局部負異常的似“CT”圖像；b—第20號負異常沿長軸方向的10個斷面，它們揭示出該異常的內部形態，具體描繪出巖層變形情況及其與盆地斷裂的立體關系
圖6 雲南省物探人員手工計算的第20號局部負異常的解釋結果
a—半徑為r1、r2、r3、r4、r5的圓周上平均剩余重力差平面圖；b—解釋剖面；c—所獲解釋結果——石鹽巖體；d—剖面之斷面
圖7 猛臘重力場剖面
從北向南再經東南縱貫猛臘重力場全區的主切割剖面圖像，並標有等值線。由於顯示的限制將全剖面切成4段
4 重力場三維圖像化
鹽層與周圍介質的密度差通常均大於0.3g/cm3，而NaCl與KCl的密度差約為0.15g/cm3，所以重力勘探傳統地用於鹽類礦床勘察。
雲南省物探人員經常用不同半徑圓周上平均剩余重力之差來估價鹽礦體的形狀和大小（公式3）。
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式中：gr1、gr2為在半徑為r1、r2的圓周上剩余重力場數據。n1、n2為半徑為r1、r2圓周上供平均計算的點數。
原則上講，此平均剩余重力差接近於重力壹階垂向導數。有數個利用此方法所解釋的實例得到了鉆探的驗證。
我們工作的貢獻在於對重力數據進行了三維圖像化，以獲得更好的可視性及更快的解釋。在1993年用FORTRAN語言開發了壹個專門用於重力場三維圖像化的軟件包（3DIG）。它利用上延、不同半徑圓周平均剩余重力差分及其它方法建立重力場三維數據陣列，然後以不同形式加以顯示。
利用此軟件包對中國西南部含鹽猛臘重力場進行了評價。該重力場動態範圍為－3.5×10-5～2.9×10-5m/s2。有20個局部負異常。對每壹個局部異常都進行了研究，其結果以斷面組形式及似“CT”形式表示，可以揭示出剖面內部與周圍介質的關系並具體描繪出巖層變形及其與盆地斷裂的立體關系。圖5為第20號局部負異常的此類圖像的實例，對此異常還進行了手工計算，以進行對比。圖6即為手工計算結果。圖5及圖6均揭示出第20號局部負異常的內部特征。圖7展示出該重力場從北往南再到東南縱貫全區的主切割剖面，並標有等值線，由於顯示的限制，全剖面切為4段。
利用鉆探結果及斷面數據通過相關分析（如最小二乘擬合）可以獲得深度比例尺，壹旦得到近似深度比例尺，此軟件便可容易地算出鉀鹽或鈉鹽層的埋深、厚度及儲量。
致謝 感謝米雙傑、李壽田、張明倫、陳雲龍、李淑儀、陳顯堯等同誌參加了研制井中伽馬能譜儀及方法研究。同樣感謝雲南省物探工作者在測量鹽礦重力方面的努力。我們感謝朱月娥、史殿林和謝欣同誌在軟件開發方面的工作，以及徐東宸同誌負責完成青海航空物探測量。同樣感激高榮錦同誌對於S600圖像處理系統的支持。此外應感謝楊星虹和李毅同誌對於本文文字和圖件的排版打印。
參考文獻
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