多元信息分析技術(shù)在西藏林周地區(qū)找礦中的應(yīng)用

郭 娜 郭 科 胡敬仁 唐菊興陳建平 張廷斌 鐘婉婷

(1.數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都610059;2.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院,成都610059;3.西藏工程勘查施工(集團(tuán))有限公司,拉薩 851400;4.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;5.中國地質(zhì)大學(xué)國土資源與高新技術(shù)研究中心,北京100083;6.北京市國土資源信息開發(fā)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

西藏林周位于青藏高原中南部,大地構(gòu)造位置處于岡底斯-念青唐古拉板片中部,屬于岡底斯構(gòu)造火山巖漿弧中段的新生代陸緣巖漿弧一部分,是拉薩地塊的重要組成部分[1]。測(cè)區(qū)成礦區(qū)劃上屬岡底斯火山-巖漿弧銅金多金屬成礦帶之尼木-工布江達(dá)銅、鉬、金次級(jí)成礦帶。由于區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動(dòng),尤其是喜馬拉雅期的構(gòu)造、變質(zhì)和巖漿活動(dòng)十分發(fā)育,從而形成復(fù)雜而有規(guī)律的構(gòu)造格局控制著該區(qū)域多金屬礦的生成和分布。林周盆地是以斷裂為邊界的伸展火山巖盆地,是岡底斯成礦帶的一個(gè)著名火山盆地,65～38 Ma B.P.形成的強(qiáng)烈的火山巖噴發(fā)、巖漿侵位等形成了一系列與之有關(guān)的成礦作用造就了該區(qū)域的巨大成礦潛力。作者在野外工作的基礎(chǔ)上,對(duì)地質(zhì)的、遙感的、化探的資料進(jìn)行了定量化的研究和分析,試圖通過在多元信息綜合分析的基礎(chǔ)上開展對(duì)該區(qū)域成礦預(yù)測(cè)的綜合研究,并對(duì)有利成礦地段進(jìn)行分析,圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東經(jīng) 91°45′～ 92°00′,北緯 29°50′～30°00′,屬于 1∶50 000林周地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查的唐家幅范圍。研究區(qū)在二疊紀(jì)之前,以米拉山斷裂為界表現(xiàn)為2種特征,其北為早石炭世至晚二疊世碎屑巖和碳酸鹽巖夾泥巖及火山碎屑巖的陸棚碎屑巖建造,之南為晚二疊世碎屑巖和碳酸鹽巖及中基性火山巖的局限裂谷盆地建造。晚三疊世呈現(xiàn)為碳酸鹽巖夾碎屑巖及中性火山巖局限臺(tái)地建造,早侏羅世至中侏羅世則呈現(xiàn)為大面積的中性-中酸性-酸性火山熔巖、火山碎屑熔巖與火山碎屑巖和火山碎屑沉積巖的火山島弧建造,中侏羅世至晚白堊世表現(xiàn)為較穩(wěn)定的陸源碎屑巖與碳酸鹽巖夾火山碎屑巖的弧內(nèi)盆地建造,古新世至漸新世顯露為大范圍的陸相中性-中酸性-酸性火山碎屑巖與熔巖及湖相碎屑巖建造。該地區(qū)石炭系為裂陷環(huán)境背景下形成的一套海進(jìn)-海退過程[2];二疊紀(jì)的沉積環(huán)境以淺海為主,并有早期的基性火山噴溢[3];三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)時(shí)期,岡底斯地塊演化為海陸過渡相和局部的陸相,同時(shí)伴隨酸性巖漿活動(dòng)[4,5]。

研究區(qū)的火山活動(dòng)強(qiáng)烈而又頻繁,分布面積較大,呈東西向帶狀分布,巖性復(fù)雜,從基性-酸性均有出露。根據(jù)火山巖的賦存層位和與地層的共生關(guān)系,認(rèn)為中岡底斯帶構(gòu)造火山運(yùn)動(dòng)主要形成于3個(gè)時(shí)期:中二疊世、早-中侏羅世和古近紀(jì)。前者賦存于洛巴堆組中,在唐家鄉(xiāng)的剖面測(cè)量中也發(fā)現(xiàn)一套厚約480 m的變玄武巖,并出露于拉薩河的兩岸(圖1),其上部以正斷層與上三疊統(tǒng)麥隆岡組泥巖、灰?guī)r接觸,頂部出露不全[3],總體具板內(nèi)(裂谷)堿性玄武巖特征;早中侏羅世主體由葉巴組構(gòu)成,為一套淺海相-濱岸相的晶屑凝灰?guī)r、碎屑熔巖和火山角礫巖的火山巖組合,古近紀(jì)陸相火山巖賦存于典中組、年波組、帕那組中,主要為安山巖、晶屑巖屑凝灰?guī)r、火山角礫巖,為陸緣山弧火山巖系。

研究區(qū)的巖漿活動(dòng)劇烈,絕大多數(shù)侵入體呈復(fù)式套疊狀產(chǎn)出,主要是中酸性花崗巖類,分布面積大。中侏羅世葉巴巖漿島弧為由中基性輝長巖-輝長閃長巖類組成,古新世-始新世島弧鈣堿性花崗巖類建造廣布于研究區(qū)北部和南部,主要由二長花崗巖和花崗閃長巖組成。中新世-上新世堿性花崗巖類和斑巖類建造,多呈巖滴狀或巖瘤狀侵入花崗巖中,主要巖性為花崗斑巖及花崗閃長斑巖。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geologic map of study area

該帶內(nèi)礦產(chǎn)具有點(diǎn)多、面廣,礦化分段相對(duì)集中,后期疊加改造強(qiáng)烈,礦床類型復(fù)雜多樣,成礦時(shí)代較新之特點(diǎn),主要類型為斑巖型、夕卡巖型、復(fù)合熱液型等。總體來說,測(cè)區(qū)已發(fā)現(xiàn)的礦床、礦(化)點(diǎn)較多,成礦地質(zhì)背景有利,找礦潛力較大。

2 遙感構(gòu)造分析

對(duì)林周1∶50 000唐家幅數(shù)據(jù)處理,不能直接采用濾波的方式提取構(gòu)造線性體,原因在于數(shù)據(jù)處理結(jié)果與山谷(負(fù)地形)不對(duì)應(yīng)。因此,在進(jìn)行線性體增強(qiáng)時(shí),首先要將能夠豐富表現(xiàn)線性體信息的TM5波段進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算:255-TM5,得到原始5波段圖像的負(fù)片(圖2),從而提取正地形。然后再進(jìn)行方向?yàn)V波及相關(guān)的掩膜處理。由于區(qū)域內(nèi)構(gòu)造總體走向呈現(xiàn)NWW方向,因此設(shè)置110°(順時(shí)針)卷積濾波,采用3×3的卷積核進(jìn)行增強(qiáng)。之后,對(duì)增強(qiáng)圖像實(shí)行掩膜處理,提取值大于80的部分作為線性體影像區(qū),再對(duì)圖像進(jìn)行柵矢轉(zhuǎn)換,進(jìn)而提取研究區(qū)的線性體信息[10](圖3)。

線性體的等密度分析可直接反映其空間分布的數(shù)字特征和結(jié)構(gòu)特征,這些特征可提供深部構(gòu)造信息的找礦線索。高密度區(qū)可能是成礦的有利地帶,同時(shí),密度等值線的環(huán)形結(jié)構(gòu)還能夠進(jìn)一步反映深部的穹窿構(gòu)造[11]。分析結(jié)果顯示,研究區(qū)的高密度異常區(qū)域主要成帶狀或環(huán)狀分布(圖4)。帶狀分布特征可能是礦化或儲(chǔ)水的有利部位,也可能是斷裂或褶皺的發(fā)育部位[12]。與野外調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),高密度異常分布帶主要表現(xiàn)為各種形式的斷裂。從斷裂規(guī)模上來看,均屬于規(guī)模不大的北西向和北東向斷裂。野外工作結(jié)合遙感線性構(gòu)造解譯成果共同進(jìn)行分析認(rèn)為,北西-南東向斷裂屬控礦構(gòu)造、北東向構(gòu)造為導(dǎo)礦構(gòu)造、南北向斷裂為賦礦構(gòu)造。

圖2 TM5正地形圖像Fig.2 The image of TM5 positive relief

圖3 線性體信息提取結(jié)果Fig.3 Result of linear information extraction

環(huán)形構(gòu)造特征的提取主要是通過對(duì)ETM+1,2,3,4,5,7波段進(jìn)行主成分變換,然后利用PC6、PC5與TM6進(jìn)行RGB彩色合成而獲得的。經(jīng)解譯判斷,研究區(qū)存在大、小兩個(gè)環(huán)形構(gòu)造,并且二者交叉相連?？梢钥闯?在環(huán)形體的邊界分布著高密度的線性體,說明環(huán)形體所表現(xiàn)出的隱伏穹窿構(gòu)造由于受到擠壓力的作用而使得其邊界區(qū)域的微地貌特征發(fā)生了變化。

3 遙感礦化蝕變分析

圖4 線性體等密度分析與遙感推斷構(gòu)造疊加圖Fig.4 Stacking chart of linear density analysis and concluded structure

蝕變是熱液礦床的重要找礦標(biāo)志,利用ETM資料可識(shí)別的礦物有:(1)鐵的氧化物、氫氧化物和硫酸鹽,包括褐鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦和黃鉀鐵釩等;(2)羥基礦物,包括黏土礦物和云母;(3)水合硫酸鹽礦物(石膏和明礬石)和硫酸鹽礦物(方解石和白云母等)[13]。一般情況下,在植被覆蓋比較少的地方通過比值分析和主成分分析可以有效提取礦化蝕變信息。該研究區(qū)的圍巖蝕變主要表現(xiàn)為夕卡巖化、黃鐵礦化、硅化、碳酸鹽化和絹云母化。絹云母化是尋找Cu礦的重要標(biāo)志,與黃鐵礦化同時(shí)出現(xiàn)稱黃鐵絹云母化,這在斑巖銅礦中極為常見;青磐巖化是淺成Au低溫?zé)嵋旱V床中最常見的蝕變,也是斑巖銅礦Cu-Mo-Au礦化的外圍蝕變之一;鉀長石亦是常見的早期蝕變之一;碳酸鹽化則主要見于基性超基性巖中;夕卡巖化主要分布在中酸性侵入體的內(nèi)外接觸帶附近[14]。富含OH-或CO2-3的綠泥石、白云石、方解石、高嶺石、明礬石等在 TM5具有反射峰,在TM7具有吸收谷。同樣,含有Fe3+的褐鐵礦在TM3波段存在反射峰,在TM1具有吸收谷。作者曾利用比值分析、主成分分析、HLS變換、密度分割在西藏東部、中部等地區(qū)已經(jīng)有效地提取了相關(guān)的礦化蝕變信息[15-17]。通過圖像亮度值的概率分布(圖5)來選擇能夠充分表現(xiàn)地物種類和數(shù)量的波段組合。從圖5可看出ETM5、ETM7、ETM4的輻亮度分布域最寬,其次是ETM3。由于ETM5主要表現(xiàn)地形信息,因此可取ETM74與ETM3組合來作為研究區(qū)的遙感影像圖(圖6)開展更深一步的研究。

同時(shí),利用 ETM1+ETM2、ETM3/ETM1、ETM4/ETM3、ETM5/ETM7 做主成分分析 ,提取鐵染蝕變信息(表1);利用 ETM1+ETM2、ETM5/ETM7、ETM4/ETM3、ETM7 做主成分分析,提取羥基蝕變信息(表2)。表1顯示,PC3主要增強(qiáng)了鐵染蝕變信息,特征值為0.889 975;表2顯示,PC4主要增強(qiáng)了羥基蝕變信息,特征值為0.998 213。而其他相關(guān)信息在鐵染主成分圖像和羥基主成分圖像中的特征值均較低,說明在主成分變換的過程中有效地抑制了其他信息,從而增強(qiáng)了鐵染和羥基的有效信息。

表1 提取鐵染蝕變信息PCA特征向量矩陣和特征值Table 1 PCA eigenvector matrix and eigenwert used in Fe alteration information extraction

表2 提取羥基蝕變信息PCA特征向量矩陣和特征值Table 2 PCA eigenvector matrix and eigenwert used in OH alteration information extraction

利用密度分割的方法對(duì)鐵染主分量圖像PC3和羥基主分量圖像PC4進(jìn)行Fe蝕變和OH蝕變異常信息的提取。并按照±4σ進(jìn)行門限值的確定(張玉君 ,2007)。按照 1.5σ、2σ、3σ分別確定羥基和鐵染的三級(jí)異常,再將2種異常信息進(jìn)行疊加,即可確定研究區(qū)綜合蝕變異常(圖7)。從最佳波段組合ETM7、ETM4、ETM3圖像上看到的紅色部分為鐵帽,這與解譯出的蝕變信息非常吻合。

圖5 研究區(qū)遙感影像直方圖Fig.5 Histogram of remote sensing images in study area

圖6 ETM7,ETM4,ETM3組合遙感影像圖Fig.6 Remote sensing image of ETM7,ETM4 and ETM3 association

4 地球化學(xué)特征分析

圖7 研究區(qū)綜合蝕變異常解譯圖Fig.7 Interpretation chart of alterations

對(duì)研究區(qū)1∶50 000巖石地球化學(xué)數(shù)據(jù)的處理中,首先計(jì)算各元素的平均值,然后求取所有樣本的方差(表3)和協(xié)方差矩陣。經(jīng)計(jì)算樣品數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣呈降序方式排列,使得S-1無法求取,因此采用主成分分析(表4)解決S求逆過程中的困難。利用MatLAB編寫程序來完成馬氏距離D2的計(jì)算。最后比較每一個(gè)樣品中D2i是否大于D2a(m,n,-m),(其中m為元素?cái)?shù)量,n為樣本數(shù)量,i為信度)。大于D2i的則作為背景值被剔除,重復(fù)F判別檢驗(yàn),直到無剔除為止。在對(duì)研究區(qū)內(nèi)2 106件樣品的分析處理中,共剔除背景值數(shù)據(jù)2 021個(gè),最終確定異常樣本85個(gè)(圖8)。

表3 原始化探數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical result of original geochemical data

圖8 化探綜合異常與樣本點(diǎn)疊加圖Fig.8 The stacking chart of geochemical prospecting anomalies and sample points

異常值主要分布在4個(gè)區(qū)域,其中A區(qū)高值異常主要是 Hg、Cu、Sn異常,同時(shí)具有 Cd、Bi異常;B區(qū)高值異常主要是W異常;C區(qū)高值異常主要是Au、Sn、As異常;D區(qū)高值異常主要是各元素的綜合異常,包含元素較多,涉及Cu、Mo、Au 、Ag 、Pb 、Zn 、W 、Sn 、Fe 、Cd 、Hg 、As 、Bi、Sb 等所有元素,是尋找多金屬礦床的重要指示標(biāo)志。同時(shí),研究區(qū)內(nèi)具有Fe高值異常,這主要與區(qū)域內(nèi)廣布的褐鐵礦化有關(guān)。

5 綜合成礦信息分析

將地球化學(xué)、遙感的綜合信息在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行GIS疊加分析,可以看出化探異常峰值與遙感構(gòu)造信息、蝕變信息吻合(圖9)。分析結(jié)果表明:

圖9 遙感構(gòu)造、蝕變、化探信息綜合疊加圖Fig.9 Stacking chart of stucture and alteration,geochemical prospecting anomaly

表4 原始化探數(shù)據(jù)PCA特征向量矩陣和特征值Table 4 PCA eigenvector matrix and eigenwert of original geochemical prospecting data

a.從區(qū)域內(nèi)和周邊已知礦床、礦點(diǎn)來看,礦床主要賦存在中二疊統(tǒng)洛巴堆組、上三疊統(tǒng)麥隆岡組的深灰色薄-中層狀灰?guī)r以及中下侏羅統(tǒng)葉巴組中呈不規(guī)則的灰色中層狀灰?guī)r透鏡體中。礦體與夕卡巖或夕卡巖化的灰?guī)r關(guān)系密切。

b.區(qū)域內(nèi)的中二疊統(tǒng)洛巴堆組、上三疊統(tǒng)麥隆岡組,其中的碳酸鹽巖為巖漿熱液交代作用和成礦作用提供了良好的條件。區(qū)域內(nèi)NW向構(gòu)造及SN向構(gòu)造控制著巖漿活動(dòng)和空間展布,為礦床的形成提供了導(dǎo)礦和容礦構(gòu)造。

c.研究區(qū)內(nèi)目前僅存在1個(gè)已知的邦浦銅、鉬、鉛、鋅多金屬礦礦床,該礦點(diǎn)處于2個(gè)環(huán)形穹窿構(gòu)造的外邊界,周邊線性體極其發(fā)育(高密度線性體異常區(qū)域),并受到NW向和近SN向交叉斷裂的控制。礦點(diǎn)處于化探異常的峰值區(qū)域內(nèi),是多金屬礦成礦與找礦的重要遠(yuǎn)景區(qū)。

d.遙感蝕變異常綜合信息提取結(jié)果顯示,一級(jí)蝕變異常集中區(qū)主要分布在山脊處,而化探異常則主要分布在山體底部,這主要是受到研究區(qū)山高谷深的自然地理特點(diǎn)的影響?；疆惓Ｍ捎谠剡w移而出現(xiàn)一定距離的偏移,從而形成礦化體→遙感異?！疆惓５木嚯x差[23]。

6 成礦有利地段

通過以上分析可知,線性構(gòu)造密集交匯處、環(huán)形構(gòu)造邊緣區(qū)域、化探異常高值分布地段為首選成礦有利地段。在研究區(qū)內(nèi)圈出3個(gè)成礦有利地段,并按照賦礦可能性的大小將其分為三級(jí)。

a.一級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)(Ⅰ)處于東經(jīng) 91°55′～91°58′,北緯 29°53′～29°55′的區(qū)域范圍內(nèi),涉及面積16.2 km2。該區(qū)域線性體極其發(fā)育,處于2個(gè)大環(huán)形構(gòu)造的交叉位置,并受北西向米拉山斷裂和一條NNE向斷裂的控制。出露地層主要是早中侏羅世的葉巴組和漸新世日貢拉組,以及少量的呈火山溶蝕殘塊的晚三疊世麥隆岡組和早石炭世永珠組,并有始新世的鉀硅化比較強(qiáng)烈的小巖珠狀花崗閃長斑巖侵入體。區(qū)內(nèi)Cu、Mo、Pb、Zn、Ag等多元素化探異常均十分突出,而遙感蝕變特征也顯示出了區(qū)域內(nèi)所具有的強(qiáng)硅化和褐鐵礦化蝕變特征。該區(qū)是地質(zhì)、遙感、化探等的多元信息綜合集中反應(yīng)區(qū),應(yīng)作為尋找多金屬礦的一級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

b.二級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)(Ⅱ)處于東經(jīng) 91°54′～92°00′,北緯 29°57′～29°59′的區(qū)域范圍內(nèi),涉及面積39 km2。該區(qū)內(nèi)大范圍出露古新世二長花崗巖類侵入巖,早石炭世永珠組碎屑巖類呈殘塊出露于該異常區(qū)的西邊和南西面,并有巖滴狀花崗閃長斑巖侵入到其中。該區(qū)域具有Au、W、Mo、Sn、Bi、Cd等元素的化探高異常值,并受 NW向和SN向交叉斷裂的控制,處于2個(gè)環(huán)形構(gòu)造的外邊界位置,找礦遠(yuǎn)景比較大,可作為尋找金、鎢、鎘等礦產(chǎn)的二級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

c.三級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)(Ⅲ)處于東經(jīng) 91°45′～91°51′,北緯 29°54′～29°59′的區(qū)域范圍內(nèi),涉及面積62 km2。該區(qū)出露地層主要是葉巴組、洛巴堆組及麥隆岡組,北西部被大范圍的始新世二長花崗巖體侵截并伴有輝綠玢巖的侵入。該異常區(qū)北界為區(qū)域性的米拉山逆沖推覆斷裂所阻隔,南部邊緣為一條與其平行的規(guī)模較大的右旋推覆韌性剪切帶;該區(qū)南部還受3條近東西向斷裂的分割,同時(shí)受1條NE向斷裂的控制,阻擋了熱液流體向外的運(yùn)移。圍巖蝕變主要有夕卡巖化、黃鐵礦化、硅化、碳酸鹽化、絹云母化等,化探結(jié)果顯示該區(qū)域是Cu元素的高值富集區(qū),因此可作為銅礦三級(jí)找礦遠(yuǎn)景區(qū)開展更進(jìn)一步的查證。

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