基于无人机的伽马射线光谱技术在南非Sea Point接触带的地层岩性测绘中的应用

《Applied Radiation and Isotopes》：UAV-Based Gamma-Ray Spectrometry for Lithological Mapping at the Sea Point Contact, South Africa

　　

利亚姆·康纳·德拉内利（Liam Connor Delaney）、雅克·贝兹乌登豪特（Jacques Bezuidenhout）和里库斯·勒鲁克斯（Rikus le Roux）

南非斯泰伦博斯大学军事科学学院

摘要

无人机伽马射线光谱技术（UAV-GRS）通过高空间分辨率和灵活的作业方式，彻底改变了近地表放射性调查的方法。本研究采用了伽马射线机载检测（GRAD）系统，对南非地质复杂的Sea Point接触带进行了原始放射性核素（⁴⁰K、²³⁸U和²³²Th）的定量分析。通过对现场伽马射线光谱进行全谱分析（FSA），得出了这些放射性核素的活度浓度，并通过空间插值技术绘制了岩石类型的分布图。铀（U）的活度浓度从北部花岗岩（66.24 ± 24.7 Bq/kg）逐渐增加到变质沉积岩（82.01 ± 22.01 Bq/kg），再增加到南部花岗岩（92.65 ± 23.22 Bq/kg），并在微花岗岩中达到峰值（102 ± 21.76 Bq/kg）。相比之下，钍（Th）的活度变化较为有限（39.53–53.47 Bq/kg），这反映了其主要受矿物学成分的控制；而⁴⁰K的活度则向南部逐渐增加（1287.1–1395 Bq/kg），这与含钾矿物逐渐富集的过程一致。活度比值进一步揭示了岩浆演化的过程。南部花岗岩和微花岗岩中较低的Th/U比值（分别为0.22和0.62）表明在晚期岩浆分异过程中铀得到了显著富集，同时与钍和钾发生了分离。较高的Th/U比值和Th/K比值则反映了北部花岗岩及Malmesbury变质沉积岩更为原始的成分以及钍在难熔副矿物中的保留。总体而言，这些放射性数据和活度比值记录了岩浆分异从北向南的演变过程，最终形成了高度富集铀的微花岗岩侵入体，同时也证明了GRAD系统在识别露头尺度上的地球化学梯度方面的有效性。

引言

辐射在地球上无处不在，不仅来源于宇宙射线，还来自岩石、土壤、水以及地质基质衍生的建筑材料中的天然放射性物质（Sanjurjo-Sánchez & Alves, 2017; Liza et al., 2024; Degra et al., 2025）。其中，源自地质构造中天然存在的放射性核素的地球辐射占地表自然放射性的主要部分（Seow et al., 2024）。这些天然放射性核素（⁴⁰K、²³⁸U、²³²Th）的分布反映了岩石类型和地球化学性质的差异，使其成为地质和环境研究的宝贵示踪剂（Boyle, 1982; Patel et al., 2023）。

长英质火成岩和高级变质岩通常含有较高的铀（U）、钍（Th）和钾（K）含量，这是因为这些元素主要存在于锆石、独居石、磷灰石和钛铁礫等副矿物中（Dostal & Capedri, 1978; Bea, 1996; Tzortzis et al., 2003; Moura et al., 2011; Cuney, 2014; Houchin et al., 2024; Seow et al., 2024）。相比之下，大多数沉积岩中的U和Th含量较低，因为这些元素在常见的碎屑矿物中较为稀缺，且风化过程会进一步去除这些元素。然而，在某些特定沉积环境中（如富含有机物的页岩、含磷层、富铁-锰的沉积物以及含有氧化还原front的砂岩中），U可以通过氧化作用重新富集（Cumberland et al., 2016; Cuney et al., 2022; Pang et al., 2024）。长英质岩石，尤其是花岗岩，往往富含不相容元素，导致其放射性元素含量高于基性岩石（Bezuidenhout, 2023; Seow et al., 2024）。

由于地壳中U、Th和K的空间分布高度异质且与岩石类型紧密相关，因此可靠地绘制自然辐射分布图对于地质辨别、矿物勘探和放射性评估至关重要（Domingos et al., 2020; Raptis et al., 2022; Thiam et al., 2023）。传统的地面测量方法虽然精度高，但效率较低且覆盖范围有限；而有人驾驶的航空测量虽然覆盖范围广，但往往无法 capturing 细小的地质变化（Reinhardt & Herrmann, 2019）。近年来，无人机搭载的伽马射线光谱技术（UAV-GRS）作为一种折中的解决方案应运而生（Connor et al., 2016; Martin et al., 2020），成功解决了空间覆盖范围和分辨率之间的矛盾（van der Veeke et al., 2021; Andreasen et al., 2025）。UAV-GRS技术发展迅速，现已能够对中小面积区域进行高分辨率的天然和人为放射性核素测绘，并具有出色的空间保真度（Martin et al., 2020; Kunze et al., 2022; van der Veeke et al., 2023; Altfelder et al., 2024; Dadrass Javan et al., 2024）。例如，Ji等人（2025）在实际应用中验证了一种双探测器UAV-GRS（MARK-M1）系统，用于事故后的放射性评估。

UAV-GRS系统在≤40米的高度运行，与传统的航空测量（直径>150米，飞行高度60–120米）相比，大幅减少了测量范围，同时覆盖的区域也比地面传感器（约1米）更广（Nicolet & Erdi-Krausz, 2003; Beamish, 2016; Baldoncini et al., 2018）。它们能够有效捕捉近地表的地质异质性，并具有低成本和适合崎岖地形的优势（Altfelder et al., 2024）。主要挑战包括有效载荷限制、高度影响和背景噪声，这些问题促使研究人员在高度、地形和氡校正方面不断进步（van der Veeke et al., 2021; Xia et al., 2023; Deng et al., 2025）。尽管如此，目前很少有研究仅将UAV-GRS用于岩石类型分类，大多数研究侧重于环境或采矿领域（Ardiny et al., 2024）。

本研究设计并部署了一种UAV-GRS系统，用于量化不同岩石类型中的原始放射性核素，展示了如何利用天然伽马射线的辐射特征来高精度地划定地质边界，并提供有关环境地球化学特性的信息。本研究的新颖之处在于实现了在极低高度下的连续移动式UAV-GRS数据采集，而非文献中常见的静止悬停式测量方法（Connor et al., 2016; Dadrass Javan et al., 2025）。尽管在5米高度下测量范围较为广阔，但通过密集的空间采样有效减少了相邻测量点之间的重叠，从而增强了信号的统计可靠性，降低了测量不确定性，提高了岩石学和地球化学识别的精度和准确性，凸显了UAV-GRS在局部尺度上解析重要空间模式的能力。

节选内容

研究区域

测量工作在南非开普敦Sea Point地区的Sea Point接触带（33° 55' 2'' S, 18° 23' 11'' E）进行。Sea Point接触带展示了不同岩石类型之间的重要地质过渡（图1）。图2展示了Sea Point接触带的简化地质图，标出了测量区域及数据采集时使用的UAV飞行路径。

结果与讨论

在测量过程中，采用了类似螺旋形的网格飞行模式，即等间距的平行飞行线路。UAV完全自主运行，确保了恒定的飞行速度和稳定的飞行高度。通过对UAV采集的伽马射线光谱进行全谱分析并校正高度衰减后，通过普通克里金插值技术，发现了²³⁸U的明显空间变化。

结论

本研究证明，GRAD系统可以高空间分辨率地解析近地表原始放射性核素的分布，从而有效区分Sea Point接触带内的岩石类型和地球化学性质。该系统还成功覆盖了步行难以到达或不安全的区域，特别是在大西洋沿岸潮湿且崎岖的露头地带。由此可见，GRAD系统在地质研究中的关键作用不可忽视。

作者贡献声明

里库斯·勒鲁克斯（Rikus le Roux）：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、资源提供。利亚姆·康纳·德拉内利（Liam Connor Delaney）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件开发、资源提供、方法论设计、数据调查、正式分析。雅克·贝兹乌登豪特（Jacques Bezuidenhout）：撰写、审稿与编辑、验证、软件开发、资源提供、项目管理、资金筹措、概念构思。

Gustafson et al., 2025; 国际原子能机构，2010; le Roux, 2025; Lumpkin et al., 2014; Wang et al., 2025.

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。