航空多道伽马能谱数据处理软件包

钾盐勘查的综合方法技术~

张玉君　李昌国
（地矿部航空物探遥感中心，北京　100083）
摘要　中国由于钾肥的短缺，故而在近30多年中对于钾盐勘察的各种新方法研究，给予了巨大关注。这些新方法包括：伽马能谱测井、航空伽马能谱、遥感、重力等。本文简要总结我们在此领域所做研究工作的主要成绩。1963年提出并研究了伽马能谱测井方法和井中伽马能谱仪，80年代前该仪器经过了数次改型，伽马能谱测井仪器和方法在6个省得到成功使用。1995年开发了井中放射性能谱交互解释软件系统（HRSIS），该软件系统包括五组功能程序：预处理、定量解释、趋势分析、图形显示、综合解释。自1984年开始进行高灵敏度航空测量在中国西部勘察蒸发型钾盐矿产，通常测量4个参数：K、Th、U和磁场。为了对数据进行预处理、处理、稳谱及图像处理研制开发了航空多道伽马能处理软件包（AMGPSP）和航空物探数据图像处理软件包（AGIP-SP）。自80年代中期开始应用数字图像处理技术进行地球物理和遥感数据（MSS和TM）的综合解译，用以研究中国西部蒸发型含钾盐盆地。在1993年初开发了专门的重力场三维图像化软件包（3DIG），首先建立重力场的三维数据阵列，然后以各种形式进行显示，以揭示该重力场的内部特征。
关键词　钾盐　井中伽马能谱仪　航空伽马能谱测量　遥感　重力场三维图像化
1　伽马能谱测井方法
据统计世界钾盐总储量中50%是在钻孔中发现的。为了发现钾盐并区分含钍、铀泥质岩石对钾盐的干扰，在1963年研究了伽马能谱测井方法并研制了井中伽马能谱仪，80年代前该仪器经历了五次改型。
该方法的基础是自然放射性同位素40K。40K的同位素丰度为0.0119%，其伽马量子的辐射系数为11.6%，能量适中为1.46MeV，适合探测和能谱分析。
所研制的四道井中伽马能谱仪用圆柱状碘化钠晶体探测伽马射线谱。这四道是（图1）：PK道（40K的1.46MeV峰的微分道，其能量阈为1.40～1.52MeV）；LI道（左积分道，其能量阈为≥1.30MeV）；RI道（右积分道，其能量阈为≥1.60MeV）；及TC道（总计数道，其能量阈为≥0.2MeV）。在制作井中伽马能谱仪过程中研究了下述技术要点：
1.1　灵敏度
由于40K的同位素丰度和伽马辐射系数都很低，必须提高井中伽马能谱仪的灵敏度，为此将Nal晶体的长度加大到100～150mm，其直径由于受钻孔内径的限制而不能超过50mm。

图1　四道井中伽马能谱仪用圆柱状碘化钠晶体探测伽马射线谱

4道是：PK道（40K的1.46MeV峰的微分道，其能量阈为1.40～1.52MeV）；LI道（左积分道，其能量阈为≥1.30MeV）；RI道（右积分道，其能量阈为≥1.60MeV）；及TC道（总计数值，其能量阈为≥0.2MeV）
1.2　脉冲传输
为了保持仪器的分辨率，从光电倍增管输出的脉冲经前置放大器之后，必须在波形和幅度上无畸变地从井下仪器经3600多米长的电缆传至地面仪器。选用了电压—电流型传输方案。对137Cs的分辨率经3600m电缆传输之后保持了无长电缆的分辨率水平（10%）。
1.3　稳定性
地壳的垂直温度梯度约为每33m升高1℃，因此在钻孔中3500m深处的环境温度可能高达100℃。为了使能谱仪达到可靠的稳定性，采取了以下三个措施：选用高温NaI晶体和光电倍增管；用供给光电倍增管高压源的正温度系数补偿光电倍增管增益的负温度系数；采用137Cs的自动稳谱线路以保持谱峰位置的稳定。
某一同位素的任一光电峰叠加在更高能量光电峰的康普顿延续线上。40K光电峰下的本底正比于右积分RI（图1），这是对于K的剥谱法和主分量分析的理论基础。我们研究了利用主分量分析和剥谱法压制U、Th干扰以得到更纯的钾异常。方程组（1）展示了主分量分析的数学过程。其本征向量通过统计得到。

第30届国际地质大会论文集　第20卷　地球物理

式中：X为原变量；E为新变量，它们是原变量的线性函数；I为单位矩阵。
1995年研制成功井中放射性能谱解释软件系统（HRSIS），它由五组功能程序组成：预处理，定量解释，趋势分析，图形显示，及综合解释。第六组是HELPs（求助功能）。HRSIS系统在微机上用C语言写成。图2所示为青海省昆特依盆地位于沉积活动中心的一口钻孔测井结果的图像实例。在图2上KCl层表现为左积分（LI）高、峰顶微分（PK）高、总计数（TC）高、但右积分（RI）低，除了KCl层外还可以清晰地看到湖相沉积的三个阶段。

图2　测井图像实例

此钻孔位于青海省昆特依盆地沉积活动中心
*最左边为原始伽马能谱测井曲线，经用本征向量调正了比例尺。
*中部为PK、LI及RI的合成三色图像。石盐层由于其放射性元素含量低而表现为暗色调，相反钾盐层或含杂卤石层为亮色调，泥质岩层由于含U、Th和K偏高也为亮色调。
*K趋势曲线及Th-U趋势曲线呈现出Th、U的递减及K的递增，反映出盆地演变的三个阶段：半咸水湖阶段；超咸水湖阶段；干盐湖与超咸水湖交替阶段。
*经主分量分析所获K曲线展现出在60m和130m深处的富含杂卤石层。
伽马能谱测井方法成功地在6个省（云南、湖北、四川、山东、新疆及青海）得到推广应用。厚度≥0.5m、KCl含量≥2%的含钾盐层在勐野井及其它矿区均可测出。石油部曾制定了“油盐兼探”的技术政策，在此政策的鼓舞下在江汉油田利用伽马能谱测并发现了一层厚0.8m的钾芒硝层，其KCl含量高达16.8%。在四川省发现一层厚度≥0.2m的杂卤石。在1991年云南省某新勘探区，第一口钻孔岩心全部丢失，唯有依靠伽马能谱测井才补救了钻孔资料，找到了数层含钾盐层，避免了重新打钻的经济损失。
2　航空伽马能谱测量
自1984年起在中国西部开始进行以寻找蒸发型钾盐矿床为主的高灵敏度航空物探测量。通常记录四个参数：K、Th、U及磁场。可用多道（512道）或4道航空伽马能谱仪，所用方柱型碘化钠晶体的总体积可达50dm3，飞行高度约为90m，线距1～2km，测量比例尺1∶100000～1∶200000。
80年代曾开发了航空多道伽马能谱处理软件包（AMGPSP）及航空物探图像处理软件包（AGIPSP），皆用FORIRAN语言编写，使用这两个软件包可进行伽马能谱软件稳谱、预处理、处理以及航空物探数据的图像处理[1,2]。中国西部寻找钾盐的地区植被稀疏、地形平坦，是开展航放的理想地区。数据动态范围通常如下：K——0～8%,Th——（0～40）×10-6,U——（0～15）×10-6。
数字图像处理技术十分有助于提取下述各方面的地质信息：岩性填图；直接找钾；钾盐矿产沉积的研究；提取构造形迹；以及在某些情况下还能判断油气异常[3,4]。航空伽马能谱是少数几种可以直接探测某些元素的方法之一。
例如，做为航空伽马能谱测量结果的K、Th、U数据合成三元图像，实际上是一幅三元素区域地球化学图，与陆地卫星图像（TM或MSS）综合，K、Th、U三元素图像可借用监督或非监督分类方法达到岩性填图的目的。
含泥质岩石（砂岩、泥岩等）由于富含氧化钾，成为对直接找钾盐的主要干扰。通过分析K、Th双元素图像及其散布图发现，泥质岩石中K和Th含量之间存在一定线性相关性。为了直接确定KCl试用了一系列图像处理技术，如：主分量分析、彩色坐标系的转换、植被提取等。
据上述现象和试验成功地区分了KCl和第三纪砂岩中的氧化钾，这种砂岩富存于柴达木盆地测区的东北角。对此测区圈定了十处新KCl异常，其中一处经地面验证，固体KCl储量增加了3245000t。KCl卤水对于勘察据有特殊的重要性，将含K≥0.6%的地面水通过图像圈定为KCl卤水。
通过监督分类对原14种岩性分类的岩性图又增加了两类。不仅成功地区分了KCl与氧化钾，还成功地区分了KCl与含泥质KCl。
3　遥感测量
7个波段的TM数据由于其更高的能谱和空间分辨率，对研究含钾蒸发盆地更为有用。
虽然为了提取地质信息总是希望使用尽可能多的波段，但是仍离不开一幅最佳显示的三元图像。最佳三元图像应包含信息量最多，而三个波段间相关性最低。利用组合相关因子Q做为最优化组合的量度和基础。

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式中：Si为i波段的变异；Ri是相关系数。
最佳三元图像应具有最大的Q值。例如昆特依盆地TM数据中以1、4、7三波段组合为最佳。昆特依盆地是一个现代盐湖，对于勘察钾盐有一定重要性，它位于青海省柴达木盆地的西北方向。图3a是一幅黑白图像，它清晰地展示出昆特依盆地的总体地貌景观，它是一个长80km、宽30km的菱形封闭干盐湖，一条公路横穿而过，干盐湖的北部有阿尔金山、东、西和南部有两组背斜环绕，有的背斜含具工业价值的油田。

图3　昆特依盆地景观

a—TM数据的1、4、7波段组成的合成图像清晰地展现出中国西部昆特依盆地的总地貌景观，它是一个长80km宽30km的菱形封闭干盐湖；b—通过1、4、5、6、7波段数据的KL转换，得到一幅宝贵的异常图像，在其上KCl表现为白色亮斑
为了建立固体钾盐的异常标志进行了图像采样，在图像上选了14个地质目标，统计了它们各自的TM七个波段的亮度值。图像采样结果示于图4。固体KCl（编号12和13）具有明显的可分辨的波谱特征，为解译提供了基础。
基于波谱分析，通过KL转换（主分量分析）及分段切割拉伸提取了固体钾盐异常（图3b），这两种方法的结果十分接近。除了探测KCl，还进行了构造形迹研究、盐矿特征分析、盐盆物质来源的揭示研究等。

图4　图像采样结果

曲线为14个地质目标TM7个波段的亮度值。固体KCl（编号12和13）具有明显的可分辨波谱特征，提供了建立固体钾盐异常标志的基础

图5　3DIG软件包解释结果之实例

a—云南省勐腊重力场第20号局部负异常的似“CT”图像；b—第20号负异常沿长轴方向的10个断面，它们揭示出该异常的内部形态，具体描绘出岩层变形情况及其与盆地断裂的立体关系

图6　云南省物探人员手工计算的第20号局部负异常的解释结果

a—半径为r1、r2、r3、r4、r5的圆周上平均剩余重力差平面图；b—解释剖面；c—所获解释结果——石盐岩体；d—剖面之断面

图7　勐腊重力场剖面

从北向南再经东南纵贯勐腊重力场全区的主切割剖面图像，并标有等值线。由于显示的限制将全剖面切成4段
4　重力场三维图像化
盐层与周围介质的密度差通常均大于0.3g/cm3，而NaCl与KCl的密度差约为0.15g/cm3，所以重力勘探传统地用于盐类矿床勘察。
云南省物探人员经常用不同半径圆周上平均剩余重力之差来估价盐矿体的形状和大小（公式3）。

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式中：gr1、gr2为在半径为r1、r2的圆周上剩余重力场数据。n1、n2为半径为r1、r2圆周上供平均计算的点数。
原则上讲，此平均剩余重力差接近于重力一阶垂向导数。有数个利用此方法所解释的实例得到了钻探的验证。
我们工作的贡献在于对重力数据进行了三维图像化，以获得更好的可视性及更快的解释。在1993年用FORTRAN语言开发了一个专门用于重力场三维图像化的软件包（3DIG）。它利用上延、不同半径圆周平均剩余重力差分及其它方法建立重力场三维数据阵列，然后以不同形式加以显示。
利用此软件包对中国西南部含盐勐腊重力场进行了评价。该重力场动态范围为－3.5×10-5～2.9×10-5m/s2。有20个局部负异常。对每一个局部异常都进行了研究，其结果以断面组形式及似“CT”形式表示，可以揭示出剖面内部与周围介质的关系并具体描绘出岩层变形及其与盆地断裂的立体关系。图5为第20号局部负异常的此类图像的实例，对此异常还进行了手工计算，以进行对比。图6即为手工计算结果。图5及图6均揭示出第20号局部负异常的内部特征。图7展示出该重力场从北往南再到东南纵贯全区的主切割剖面，并标有等值线，由于显示的限制，全剖面切为4段。
利用钻探结果及断面数据通过相关分析（如最小二乘拟合）可以获得深度比例尺，一旦得到近似深度比例尺，此软件便可容易地算出钾盐或钠盐层的埋深、厚度及储量。
致谢　感谢米双杰、李寿田、张明伦、陈云龙、李淑仪、陈显尧等同志参加了研制井中伽马能谱仪及方法研究。同样感谢云南省物探工作者在测量盐矿重力方面的努力。我们感谢朱月娥、史殿林和谢欣同志在软件开发方面的工作，以及徐东宸同志负责完成青海航空物探测量。同样感激高荣锦同志对于S600图像处理系统的支持。此外应感谢杨星虹和李毅同志对于本文文字和图件的排版打印。
参考文献
[1]　Zhang Yu-Jun,Wang Nai-Dong and Zhang Zhi-Min.A software package for processing of data of airborne gamma-ray multichannel spectrometer.Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration,1989,11:11～21.
[2]　Zhang Yu-Jun.The study of image restoration techniques for aerial radiometric data.Chinese Journal of Geophysics,1990,33:405～412.
[3]　Zhang Yu-Jun.A study of aero-magnetic and radiometric anomalies in some oil-gas field by image processing techniques.Chinese Journal of Geophysics,1994,37:505～515.
[4]　Zhang Yu-Jun.Digital image processing of airborne radiometric and magnetic data from central Chai DaMu Basin.In:An Overview of Exploration Geophysics in China.Tulsa,American Society of Exploration Geophysicists.1989,517～535．

郭良德
（航空物探遥感中心，北京　100083）
近几年，全世界航空物探技术蓬勃发展。各国政府用于航空物探的费用不断增加。澳大利亚政府自1993年开始实施矿产勘查计划以来，用于航空物探的勘查费用由原来的每年200万澳元剧增到每年1000万澳元。加拿大第二轮矿产开发计划中用于航磁测量的经费达200万加元[1]。亚洲、非洲和南美洲的许多国家想方设法为本国的矿产勘查筹措资金，使得航空物探市场看好。加拿大Aerodat公司在加纳、印尼、沙特、墨西哥和格陵兰等地进行了大量的航空物探测量工作，还与几内亚政府签订了76000测线公里的航磁航放测量合同。加拿大Sander公司在玻利维亚承包了25万测线公里的航磁航放测量项目[2]。世界各国的航空物探公司在国际勘探市场上都十分活跃。这主要是由于人们相信采用先进技术，利用多种现代技术手段可以带来经济效益。由于航空物探工作不像地面工作那样践踏农田、砍伐树木、剥开地皮等，对地面环境没有什么影响，符合人们的环保愿望和各国政府的环保政策，所以，在制订找矿计划时，航空物探被列为普查找矿不可缺少的手段之一。经费的投入加速了航空物探技术的发展，专用飞机数量增加，仪器更新，使测量精度不断提高。目前，已有几篇文章介绍国外航空物探的发展态势，所以本文重点介绍技术方面的进展。
一、新的测量系统
当前，航空物探发展的趋势是高精度、大比例尺和低空飞行。在地形条件复杂，找矿前景良好的地段，直升机测量受到青睐。
澳大利亚Geo Instruments公司新开发的直升机航空物探测量系统，将磁力仪的探头装在直升机前下方的钢性支架里。由于采用了RMS公司的航空自动数字补偿器，在飞机做各种动作的情况下，其抗干扰能力可以达到和吊仓系统同样的效果。支架系统比吊仓系统更具有机动性，不像吊仓系统那样有电缆挂到建筑物或高压电线上的危险，尤其在有树林的不平坦地形条件下，比吊仓系统安全得多。而且，当需要安装能谱仪的时候，直升机的低飞性能可使探测晶体离地面的距离更近。
根据地质构造解释的需要，Geo Instruments公司提出了测量系统的指标[1]。
1.测量飞行高度：离地20m～40m;
2.测线间距：40m～60m;
3.沿测线采样：10次/s（飞行速度111km/h，每3m一次采样）；
4.同时采集磁和放射性数据；
5.实时差分GPS导航（偏航距小于5m）；
6.高灵敏度磁力仪（0.01nT）和能谱仪。
航空物探发展的另一个明显特点是获取航测的副产品——数字地形模型。由于采用了先进的导航定位技术，利用GPS数据和雷达仪的测高数据，可以在做航空物探测量的同时，获得测区的网格化调平的地形图像（数字化地形高度模型）。这种图像经过增强处理，对地质构造解释非常有用。将磁和放射性图像叠加在地形图像之上，有助于地质工作者将地球物理特征与已知的矿化情况和化探结果相互对应起来。
二、数据采集和处理
加拿大Exploranium公司和丹麦紧急事务管理机构合作开发了航空伽马能谱数据处理新方法。该方法是利用整个测区的全部256道数据，辨别出有意义的谱特征。利用这些谱成分重新构成钾、铀、钍窗口，其干扰要比原来没有处理过的窗口小得多。测试表明，新构成的铀窗口可以增加系统有效体积十倍以上。该方法的好处是，使用前端程序之后，可进行三个标准窗口的分析。据说，该方法将会成为航空、地面和地下伽马能谱测量的工业标准。
美国的GEM公司为了降低航空物探测量成本，开发出Airnav航空GPS图形导航系统。该系统以486DX2—66计算机为基础，和9.5英寸屏幕的LCD显示器相连接，LCD安装在飞行员座位前的面板上，在飞行过程中可实时控制整个系统。该系统包括欧弗豪塞尔和钾磁力仪及雷达高度计。GPS天线安装在吊仓里。Airnav图形导航系统运行在WindowsNT操作环境之下。
GEM公司公布的AirNAV2.0版航空导航数据收录系统，采用模块设计，易于扩展，可接多台PC机。大容量数据存储器易于用户配置，同时也是图形用户的接口。可使用不同的显示硬件，可多屏幕显示。在飞行过程中，AirNAV监视测量工作进度，以确保测量的准确性和完整性。AirNAV系统具有导航和数据收录两种配置方式。整套系统包括：Pentium-100工业计算机，1GB可移动存储媒体，具有实时差分能力的高精度NovAtelGPS，可供飞行员以交互方式工作的9.5英寸显示器。该系统连接到30kg重的吊仓，吊仓里装有雷达高度计、GPS天线及磁力仪。以PentiumPC机为基础的NAV/DAS系统可以和航电、放射性、甚低频等仪器相连接。
Geosoft公司研制出了运行于Windows 95和Windows NT之上的OASIS montajTM软件系统，为地球物理、地球化学和地质数据的管理、操作、解释和可视化，提供了一个综合的处理和分析的环境。可供地学工作者利用GXs程序快速地处理和分析大量的数据、网格和图像。GXs具有多种功能：航空物探数据的调平，化探数据的分析，直至图像的可视化。用户也可以通过GXs软件的开发进一步增强其功能。其它的软件功能，包括动态连接功能，可帮助地学工作者进行质量控制和解释，此外，还包括综合数据和网格的进出、数据管理、图件编辑、交互成像和灰度调整功能。
在OASIS montajTM软件投入市场之后，Geosoft公司一直致力于增加新的应用功能，其中包括位场数据深度自动反演的欧拉反褶积软件，处理和分析网格数据的MAGMAP2D－FFT系统，处理多频航电数据的HEM系统，提取和显示均匀半空间和薄板模型结果。目前，正在开发地球化学解释系统。
High-Sense地球物理公司采用了SARNAV（寻找和营救导航）系统。该系统是一台装有GPS的导航计算机，放置在生产测量的基地里。在飞机起飞之前，给SARNAV系统装上测区的飞行计划。一旦测量飞机不能按时返回生产基地，可按动按钮使SARNAV系统进入寻找和营救飞机状态，自动指导营救人员进入测区。到达测区之后，可追索测线寻找丢失的飞机。在发生事故的时候，SARNAV系统可大大减少确定事故发生地点的时间。High—Sense公司12套航空物探系统都装了SARNAV系统，固定翼和旋转翼飞机都可安装。
三、航磁测量
加拿大Aerodat公司将高分辨率磁测用于土木工程，探测有危险的未爆炸物。测量中应用了三轴向磁梯度仪。在欧洲成功地进行了污染区大面积填图，其飞行高度为10m，测线间距10m。
美国Geometrics公司的新型CM-201拉莫尔计数器置于G-822A铯磁力仪电子模块中现有的空间里。该计数器接收探头的信号，共用同一电源，已经成为探头的一个部件。计数器输出RS-232数字数据、计数速率0.1～100Hz。灵敏度范围0.002nT/1Hz～0.22nT/100Hz，一般采用10Hz速率，灵敏度为0.02nT。除了具有磁力仪计数功能之外，CM-201模块包含6个12位A/D转换器，还包括d/h消逝计数器，可供输出数据格式编程用。多个计数器与探头可以连接起来，从每一个探头同时输出RS-232数据，从而形成单数据流。这样，2～6个探头的梯度仪组就可同步运行，所有探头的数据通过一根电缆到达记录计算机。CM-201计数器可以多种方式组合形成新的仪器配置。
在丢失探头信号而不能完成闭合框标定的情况下，RMS公司的AADCⅡ型自动航磁数字补偿器能够将同一架次中几次飞行测量的分散数据合并成单个的标定解。新方法可对飞机不同方向提供的补偿数据进行合并（空间标定合并），当探头获得360°方向信号时，可得到最佳解。开展更高空间分辨率的小面积详细填图时，用户可选取10Hz和20Hz数据输出，也可选取需要的带宽。
Sander公司的大多数航磁测量采用了自动地形飞行程序。该程序引导飞行员沿每条测线保持最佳高度和最佳位置飞行，确保更好的航磁数据调平和测线与测线之间的一致性。地形数据来自数字地形模型或数字化的地形图，根据测量飞机的爬升和下降计算出测量飞行平面。Sander报道，在丢失控制点的调平时，精度可以提高一个数量级。
四、航电
GEOTEM航电系统是澳大利亚Geoterrex-Dighem公司的最新发明，工作频率为25Hz,4ms脉冲，16ms记录断电时间。该系统适合于厚的导电盖层和沉积层覆盖的元古界基岩区的勘探。
GEOTEM系统最突出的部分是低基频发射器和三分量（x,y,z）接收器。低基频对导电覆盖层地区的勘探特别有用。发射器一次场的x,y,z分量可用来确定接收器（侧滚、俯仰和偏航）的方向。根据这个信息重新验证测得的分量，从而给出真正的垂直分量（z）和水平分量（x,y）。这就意味着改正的数据有更佳的保真度。采集横向水平分量（y）已完全实现。这个分量可用来确定导体的走向和导体与飞行测线的方向的偏角。当导体位于测线一旁时，y分量可以给出比x和z分量更大的响应。探测两条测线之间小矿体的能力得到了提高。
五、航空放射性测量
加拿大Exploranium公司利用天然同位素进一步改进了GR-820航空伽马能谱仪的自动稳定性，即使在低背景区探测器质量差的条件下也能实现。以前，有时很难获得稳定峰值，尤其在测区计数钍背景值极低和在探测器分辨率低的情况下更是如此。新的方法可以在同位素峰值低至0.05数率/s的情况下仍然可实现峰值的稳定性。
加拿大High—Sense公司已经完成了KS16型2048道能谱仪的改进工作。KS16型能谱仪有一个自动启动装置，在电源接通和断开过程中保持稳定峰值的位置，没有死时间。自动监视系统不需要增加空勤操作员，减少了航放测量的成本。该公司为纳米比亚地调局完成了航放数据再处理项目。这些数据是60年代后多次航空测量获得的。利用该公司自己开发的后标定技术，对不同承包商采集的不同规格的数据进行标准化处理，获得的统一数据更便于矿产勘探和地质解释应用。
澳大利亚WGC公司的SPECTRA+PLUS软件内含一个功能强大的能谱数据处理新方法，这个复杂的算法是基于反褶积技术，能对整个伽马射线频谱的放射性元素浓度进行分析和最佳化。该处理方法利用所有的记录数据测定放射性元素的浓度。这就增加了能谱仪系统的综合灵敏度并降低了统计干扰，减少了与传统窗口数据有关的统计误差。WGC公司最近采用了新的PGAM1000型能谱仪和探头。结果表明，两种新技术综合利用大大改进了能谱测量获得的地质信息的处理能力和可视化显示。
参考文献
1.吴其斌，崔霖沛.近年来固体矿产物探的若干重大进展.物探化探译丛，1997,（5）5～11
2.Killeen P G.Airborne Geophysical Surveying.Canadian Mining Journal,1977,（2）:sl～s15
SOME NEW ADVANCES IN AEROGEOPHYSICAL TECHNIQUES ABROAD Guo Liangde
（Aerogeophysical Survey and Remote-Sensing Center,Beijing 100083）
Abstract
In the helicopter aerogeophysical survey system developed by the Geo Instrument Company of Australia,the sonde of magnetometer is installed inside a rigid holder in the front of the helicopter which shows its unique advantage.Most instruments developed by companies of western countries record digitized topographic altitide data during the air-borne survey over the field.The GEM Company of America has developed the Airnav air-borne GPS image navigation system.The GEOTEM system developed by the Geoterrex-Dighem Company of Australia is fit for areas covered by relatively thick sediments.The Aerodat Company of Canada applies the high resolution aeromagnetic survey system to environmental investigation.The new type CM-201 counter developed by the Geometrics Company of America can synchronize the gradiometer composed of two to six sondes.There are also some new advances in the development of geophysical softwares.

图2　农业区主要地物识别图像

1—树木；2—水体：3—砂石

图3　农业区主要地物识别图像

1—花生地：2—玉米地：3—裸露沙土

图4　地质研究区植被、岩石蚀变矿化信息提取示意图

1—矿化点：2—蚀变区：3—植被

图5　赤铁矿矿化信息提取示意图


图6　针铁矿矿化信息提取示意图


图7　矿化程度信息提取示意图

1—高：2—中等；3—低

张玉君　王乃东　张志民

（地质矿产部航空物探遥感中心）

摘要 　本文阐述一个在SEL32/57计算机硬软件环境下运行的处理航空多道伽马能谱数据的软件包，它由磁带格式变换模块TAPEFORM等七个模块组成，每个模块又包含有数个子程序。源程序用FORTRAN语言写成，共有语句2200多条（注释行不在其内）。在微分谱分析模块中采用了迭代技术求全谱本底，称之为逐次淹没法。经生产应用证明：软件包运行稳定，技术方法和理论正确，达到了国外同类软件的水平。

概况

1984年初地矿部航空物探遥感中心接收了从美国Geometrics公司引进的航空多道伽马谱系统，它由GR-800D能谱仪及G714收录器组成，除记录钾、铀、钍及总计数率四个积分窗口外，它还以微分谱的形式将向上和向下探测器各256道能谱数据记录在九轨磁带上。微分谱的用途在于：检验积分窗口值的可靠性，检查峰漂并进行软件稳谱，组织更多的有用能窗等；Geometrics公司出售专门的软件解决这些问题，这部分软件售价4～5万美元。引进这套系统时未购买相应软件。

中心曾从加拿大Scintrex公司引进综合航空测量系统及数据处理系统，四道能谱仪及G—704收录器包括在其中，数据在SEL32/57机上处理。SEL32/57机硬件、软件环境为处理多道能谱资料提供了一定条件。于是产生了一个明智的方案：把研究的问题集中到沟通G714-G104渠道、微分谱分析及四道处理程序的改进等方面，从而加快了研究速度。

该软件包由以下七个模块组成：

（1）磁带格式变换模块TAPEFORM，将G714记录格式转换为G704格式；

（2）微分库建立模块G714BASE，在磁盘上建立微分谱数据文件；

（3）微分谱分析模块SPCANAL，利用微分道数据进行能谱分析，评价峰漂、计算峰中位值；

（4）软件稳谱模块SFSTBL，当峰移显著时，移动窗口值，利用微分道数据，形成替换数据文件；

（5）有效高度计算模块HSTAT，用雷达高度值，气压高度值及温度值求有效高度，并统计；

（6）含量计算模块MULT01，修正K,U,Th数据，并求其含量；

（7）比值计算模块MULT02，利用调过水平的含量值求比值。

以上各模块之间的关系示于图1，各模块均用FORTRAN语言编写，每个模块又由数个子程序组成，不算注释行，共有语句2200余条。在微分谱分析模块中采用了迭代技术求全谱本底，该方法又称之为逐次淹没法，它是核物理测量伽马谱学近十年出现的一种新技术。

图1　航空多道能谱数据处理流程图

经过四年生产应用证明：该软件包运行稳定，程序中使用的技术方法和理论正确，软件稳谱方法巧妙，达到了国外同类软件的水平。

多道能谱的潜在优势除了软件稳谱外，还在于提供更多的有用能窗及通过微分谱拟合求解 K, U,Th元素含量等。国外一些学者正在朝这方面努力。

一、飞行数据带读入和转换程序原理

磁带格式变换模块TAPEFORM的简要框图如下：

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同时，为将 G714原始记录带上信息进行有针对性的筛选并送到微分库文件中，编制了G714BASE模块，并编制了G714微分库输出子程序RBASE1,RBASE2,RBASE3,RBASE4。

以下是在TAPEFORM和G714BASE程序中解决的四个问题：

1.首先解决正确读带问题

将带上信息正确输入计算机内存，保证物探软件库TAPEIN子程序从带上读2304个字节，子程序参数IERB使磁带机遇到文件结束码时停机。

2.ASCII码和EBCDIC码转换

这两种码都是8位表示一个字符，当进行ASCII→EBCDIC变换时，数字0—9的变换只需把第7和第8位由0变为1即可，反之1变0。字母A—Z只需把第8位由0变1；反之，1变0。特别需要指出的是正负号不在此规则内，需对信息先判别正负，单独处理。

3.ASCII和二进制数变换

在ASCII→二进制数变换时，我们采用乘积累加法。举例如下：7583（ASCII）见图2：

设K=4，循环四次，取“3”，“8”，“5”，“7”。

最后，jIA=7583，为二进制数。

反之，二进制数→ASCII码，采用除法取余，例如7583（二进制数），则7583÷10=758余“3”，758÷10=75余“8”，除四次即可得到7583（ASCII码）。一般计算机上都有取余子程序。

图2　ASCII二进制变换

4.磁盘输入输出速度

利用SEL32/57机物探软件库RREAD和RWRITE对盘输入输出信息，应注意两子程序的四个参数LFC,BUFF,NREC和0,BUFF与NREC的使用大有开发余地。若BUFF=192,NREC=192，则每次输出一个磁盘块；而BUFF=3072,NREC=3072，则一次可输出16个磁盘块到内存。实践证明，NREC取3072或4096为佳，既快又安全。

二、微分谱分析和软件稳谱模块原理及功能验证

1.微分谱分析模块（SPCANAL）

微分谱分析模块流程如图3，其原理可分解为以下七个步骤：

（1）合成微分全谱。利用G714微分库，对一条或数条测线各点下视探头微分值按道合成，以获得统计性较好的微分全谱。

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式中：i——道；j——测点号；k——测线号。

（2）五点移动加权平均光滑滤波。滤波次数可以是一次或多次，滤波公式为：

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经实际数据实验证明，采用一次滤波即能取得较好效果。

（3）用逐次淹没法求全谱本底。即用迭代技术将能峰逐次淹没到真实背景水平，从而求出本底谱。具体做法是：

图3　SPCANAL模块框图

将微分谱从40道至251道分为22个段（Ply）,88个节（Bin）。每个段由4个节组成，每个节由1道，2道或3道组成。具体分配如图4，图中：

图4　逐次淹没法求本底各道分段分节示意

自Bin（1）至Bin（8）共2个Ply，对应40至47道。

自Bin（9）至Bin（36）共7个Ply，对应

至

道

自Bin（37）至Bin（84）共12个Ply，对应

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至

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道。

自Bin（85）至Bin（88）共1个Ply，对应248至251道。

由于伽马能峰的宽度从低能区到高能区是逐渐变大的，又由于希望每一能峰能包括5～7个节，故每个节所包含的道数是递增的；第85～88节每个节只包括1道，这是因为这个区间内设有能峰，另一原因是为使节的总数目成为4的倍数。低能区每个节也只包括1道，是因为考虑到在低能区能峰有可能较密集。

迭代开始，首先对各个节内各道计数求平均值BBIN。做为该计数，将每一节的计数与左，右相邻两段内同样节号的两个节计数的均值做比较，如果此平均值小于该节计数，则以此均值替代该节计数。如对于第4段第3节，取第3段第3节及第5段第3节计数相加除以2，如果此平均值比第4段第3节计数更小，则以此平均数做为第4段笫3节的计数，然后用相邻节的计数内插求出各道计数，再与各道原始计数做比较，如原始计数更低，则取原始计数为该道计数。如此迭代八次，所得之各道值即为欲求之本底谱。

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式中：i——段号；j——段内节号；（i·4+j）—总节号。各道之值为：

对9——36段：

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对37—84段：

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对1～8段及85～88段，道计数与节计数是一致的；

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式中：m为道号。

（4）求净峰谱线：计算净峰面积。总谱线逐道扣除本底谱即得净峰谱，按窗口累加即可求出净峰面积。

（5）一次微商。求一次微商是为了更准确地寻找峰位，微商计算公式如下：

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（6）六点判据求峰位。利用微分谱寻找峰中心位置的六点判据如图5。选择六点判据是考虑到伽马能峰应具有相当宽度，道数太少会形成误判，而道数太多又会造成丢失，其判别计算公式为：

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式中：CH为峰中位值。

图5　求峰位示意图

程序运行报告将全部满足（9）式之峰中位值列表打出。

（7）用行打绘全谱图及微分谱图。为了在行打上绘出全谱图及微分谱图，编写了两个子程序，各有十种比例尺可供自动选择。在以上各处理步骤之间均可调用子谱图程序，以便直接检查运算情况。

2.软件稳谱模块（SFSTBL）

图6为软件稳谱模块流程，根据谱分析报告，对比实际峰中位值与理想值，当峰漂显著时（如，可假设当 Th的2.62MeV能峰漂移超过五道时，则认为峰漂显著），调正软件窗口值，利用微分谱重新组合积分窗口计数，将新窗口计数输出，形成替代数据文件，供32/57库管理程序DBFIX调用，修改积分库中相应值。

3.程序功能实际验证

微分谱分析和软件稳谱两模块的主要功能实际验证如下：

（1）评价峰移及峰漂。

铜陵工区多数架次仪器调节很好并较稳定。如21架次及28架次，经谱分析检查峰漂小于一道。但第2架次仪器未调整好，经谱分析检查发现峰移六道之多。

（2）实现软件稳谱。

图6　SFSTBL程序框图

对第2架次各测线下视探头重新计算了窗口值，按测线建立了替换文件，改正了积分库相应数据，达到了软件稳谱目的。

（3）验算多道谱仪部分参数。

利用第28架次水面不同高度飞行数据所做谱分析结果，经相关分析可求得多道谱仪的某些参数，并与83年渤海飞行所得之结果做比较，现将比较结果列于表1。

对比表1的结果，可发现1983年渤海飞行计算所得之

及K^下的飞机本底偏高，其他参数均较一致。

（4）谱分析程序还为全谱拟合求解U,Th,K三组分做了准备。

表1　航空多道伽马能谱仪参数检验

三、多道能谱积分库数据处理

积分库数据处理成图过程中，数据带转贮入库，数据编辑及错误修正均可借用SEL32/57数据处理专用软件完成，有关能谱数据的处理方法与程序为新增内容，它们包括：①有效高度换算模块HSTAT；②能谱分项校正模块MULT01；③能谱特殊参数及比值计算模块MULT02。

1.有效高度换算模块（HSTAT）

本模块为 MULT01模块进行高度校正准备高度参数值。程序使用了 AD590M机外温度计，1241M气压高度计及265无线电高度计的输出参数。模块流程见图7。

图7　MULT01流程图

将测量高度换算为标准环境下（一个大气压，0℃温度）的有效高度，主要取决于空气密度，而空气密度与气压，温度关系较密切。在测量参数中，将气压高度计输出根据“The Encyclopedia of Atmospheric Sciences and Astrogcology,1967”标准，转换为气压值，便可近似计算出有效高度值，公式为：

H ´（I）=H（I）·K0/K（I）·mmHg（I）/atm

式中：K0为绝对0度（－273.16℃）；atm为标准大气压（760mmHg）；H,K,mmHg为由测量值经转换获取的高度，绝对温度及气压值；H´为有效高度。

2.能谱分项校正模块（MULT01）

本模块完全放弃了四道能谱仪综合修正背景的作法，充分利用了多道谱仪具有上勘晶体和宇宙射线窗口的优势，采取了逐点分项校正的方法。模块流程见图8。

可以证明，0.2→3.0MeV能量范围内各窗口受宇宙射线的影响与字宙射线窗口的计数值成良好的线性关系。因此，有可能利用宇宙射线窗口计数剥离掉测量窗口的宇宙射线成分。

图8　MULT01流程图

同样可以证明，上勘探头铀道计数与下勘探头受大气氡的影响成比例关系。因此，可以利用上测计数近似地剥离下勘各窗口受到的氡气影响。

此程序对原始能谱数据进行了以下修正处理：

①飞机本底修正；②宇宙射线修正；③死时间修正；④高度修正；⑤超高统计；⑥康普顿散射修正；⑦大气氡修正；⑧三点递推圆滑；⑨含量换算；⑩结果统计；（11负）值归0；（12记）库并打印报告。

3.能谱特殊参数及比值计算模块（MULT02）

本模块是为能谱数据地质应用编制的后继程序。它计算三种窗口含量比值和一种放射性找矿特征参数、对区分岩性及地质找矿有独到功用。在计算以上参数时，遇到的主要问题是个别数据数值过小而引起当其作为分母时比值值域过大。为解决此问题，设置了各窗口元素阈值，凡小于阈值的数据点经与周围数据内插而仍无明显改善者，均废弃为0。模块流程见图9。

图9　MULT02流程图

参考文献

[1]Canberra lndustries,Inc,USA,GAMMA-M NaI Analysis software user´s Manual,1981.

[2]East,L V.,Phillips,R.I,.,Strong,A.R.,A fresh approach to Nal scintillation detector spectrum analysis, Fifth Symposium on X-and Gamma-Ray Sources and Applications,The University of Michigan,June 10-12, 1981.

[3]Canberra Industries,Inc..USA,Technical Reference Manual for SPECTRANF Version 2,June,1981.

[4]Geodata International, Inc., USA, Manual on Principles,Operation and data recoveryfrom airbome Gamma radia-tion Measuring Systems, March, 1977.

[5]Geametrics,Inc.,USA,Model G-725 D GcophysicalSurvey Processor,1983.

[6]Grasty, R.L, Utilizing experimentally derived multi-channel Gamma-Ray spectra,for the analysis of airborne data,June, 1982.

[7][美]达恩利，著.铀矿勘探放射性测量单位和仪器校正于铭强，译.北京：原子能出版社，1982.

[8]郑成法.核辐射测量.北京：原子能出版杜，1983.

[9]Scintrex,Inc,Canada,User´s Manual for DBRADI,1980.

[10]Scintrex,Inc,Canada,User´s Manualfor DBRAD2,1980.

A SOFTWARE PACKAGE FOR PROCESSING OF DATA OF AIRBORNE GAMMA—RAY MULTICHANNEL SPECTROMETER

Zhang Yu jun, Wang Nai dong aud Zhang Zhi min

（Aero-Geophysical and Remote Senssing Centre,MGMR）

Abstract A software package for processing of data of airborne gamma-ray multichannel spectrometer under the hardware and software circumstances of computer SEL 32/57 is presented.The package consists of 7 modules.Each module consists of several subroutines.The source programs are written in FORTRAN.There are more than 2200 statements in the package（excluding the comment lines）.For seeking ater background spectrum,an iterative technique called gradual annihilation method is used in the modulefor analysis of differential spectrum.A Four years' application of the software package in production has proved the stability of operation and the correctness of the technique and the theory used in the programs.This software package comes up to the level of the similar ones overseas.

原载《物化探计算技术》，1989,Vol.11,No.1。

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