藏東羅布莎蛇綠巖遙感巖礦信息提取方法研究

別小娟，張廷斌，孫傳敏，郭 娜

(1.成都理工大學(xué)旅游學(xué)院，成都 610059;2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059;3.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，成都 610059)

0 引言

蛇綠巖套是一組由蛇紋石化超鎂鐵巖、基性侵入雜巖和基性熔巖以及海相沉積物構(gòu)成的巖套，又稱蛇綠巖。蛇綠巖、混雜堆積和雙變質(zhì)帶是板塊縫合帶存在的標(biāo)志，因此蛇綠巖是確定板塊縫合帶的重要證據(jù)之一。蛇綠巖在西藏地區(qū)各板塊縫合帶(尤其是雅魯藏布江兩岸)都有廣泛分布，但由于受該地區(qū)地形條件和蛇綠巖出露規(guī)模的限制，致使現(xiàn)有地質(zhì)研究基礎(chǔ)薄弱，對(duì)蛇綠巖的空間分布情況難以確定[1]。遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于蝕變礦物填圖、羥基和鐵染異常提取、碳酸鹽礦物填圖和巖性分類等。近年來(lái)，TM/ETM，ASTER，SPOT，IKONOS 和Hyperion等中、高空間分辨率和高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于地質(zhì)填圖和礦產(chǎn)預(yù)測(cè)[2－5]，遙感技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)中的應(yīng)用正在日益深入[6－8]。例如李培軍等[9]和黃照強(qiáng)等[10]利用巖礦波譜庫(kù)和野外實(shí)測(cè)光譜，通過(guò)光譜角分類法(spectral angle mapping，SAM)對(duì)蛇綠巖信息進(jìn)行提取，并取得了較好效果。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行巖礦信息識(shí)別的難點(diǎn)在于，獲取的遙感圖像包含不同的地物覆蓋類型，其野外實(shí)測(cè)波譜曲線也包含有多種地物信息，很難與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的巖礦波譜相匹配，這會(huì)給巖礦信息提取帶來(lái)很大困難。西藏羅布莎蛇綠巖是雅魯藏布江蛇綠巖帶東段出露較好、研究程度較高的蛇綠巖帶之一，這使利用遙感技術(shù)提取巖礦信息成為可能。本文以羅布莎蛇綠巖為例，分別利用ETM和ASTER遙感數(shù)據(jù)，采用多種方法對(duì)蛇綠巖(主要為純橄巖和橄欖巖)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)蛇紋石化和綠泥石化等遙感蝕變礦物信息進(jìn)行提取。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

羅布莎位于西藏自治區(qū)曲松縣境內(nèi)，地處喜馬拉雅山東段、雅魯藏布江中游南岸，高山地貌，平均海拔在4 000 m以上;夏季地表有淺植被覆蓋，冬季高山有積雪。羅布莎蛇綠巖是雅魯藏布江蛇綠巖帶東段出露最好、規(guī)模最大的蛇綠巖，同時(shí)因蛇綠巖剖面中的地幔橄欖巖賦存著我國(guó)最大的豆莢狀鉻鐵礦床而備受關(guān)注。該蛇綠巖大致沿雅魯藏布江谷地呈NWW向展布，明顯受雅魯藏布江縫合帶的控制，由受板塊碰撞事件制約的不同形態(tài)的沖斷巖片(塊)所組成。該蛇綠巖帶東西延伸約42 km，最寬處約3.7 km，面積達(dá)70 km2，在平面上略呈一平置的反“S”形。

區(qū)內(nèi)出露的最老地層為石炭－二疊系，主要為一套由各種角巖、大理巖、結(jié)晶灰?guī)r及變質(zhì)火山巖組成的中深變質(zhì)巖系。上三疊統(tǒng)地層廣泛出露于羅布莎蛇綠巖套的南側(cè)。

羅布莎蛇綠巖巖塊主要由地幔橄欖巖、過(guò)渡帶純橄巖和蛇紋混雜巖組成，在橄欖巖相中含有少量純橄巖透鏡體、豆莢狀鉻鐵礦體以及輝長(zhǎng)巖和輝石巖脈。蛇綠巖普遍遭受不同程度的變質(zhì)作用(如蛇紋石化、綠泥石化和碳酸鹽化)，產(chǎn)生了含羥基和鐵染蝕變礦物異常帶;并伴隨塊狀硫化物礦床的形成，常常出現(xiàn)金、銀、銅、鐵等礦床[10－15]。羅布莎鉻鐵礦床地質(zhì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 羅布莎地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)西藏自治區(qū)桑日—加查縣區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)測(cè)圖(1∶50 000，1981)和西藏自治區(qū)曲松縣羅布莎超基性巖體區(qū)域地質(zhì)圖(1∶50 000，2009)修改)Fig.1 Geological sketch map of the Luobusha area

本次研究選用了1景ETM+(13740，2001－01－29)和1景ASTER(AST00087PRDAT0123，2006－10－08)衛(wèi)星遙感圖像，影像清晰，信息豐富，無(wú)云層覆蓋。其中ETM圖像有少量冰雪覆蓋，ASTER數(shù)據(jù)僅在雅魯藏布江兩岸有淺植被覆蓋，數(shù)據(jù)可解譯程度較高，適合用于本文進(jìn)行遙感巖礦信息提取方法研究。

2 蝕變礦物信息提取

研究區(qū)內(nèi)的主要蝕變類型有蛇紋石化、綠泥石化和碳酸鹽化等。本文分別使用ETM和ASTER數(shù)據(jù)、采用比值法和主成分分析法提取羥基和鐵染蝕變異常信息，信息提取流程如圖2所示。

圖2 遙感蝕變信息提取流程Fig.2 Flow chart of remote sensing alteration information extraction

本文根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的礦物波譜庫(kù)對(duì)遙感巖礦信息進(jìn)行提取。由于ETM數(shù)據(jù)只有6個(gè)波段(B1—5和B7)，因此將研究區(qū)巖礦遙感異常分為鐵染異常和羥基異常2類來(lái)提取;ASTER數(shù)據(jù)有9個(gè)波段，故根據(jù)礦物波譜曲線將研究區(qū)礦物分為2大類:含OH離子的蛇紋石和綠泥石與含F(xiàn)e2+和Fe3+的磁鐵礦和橄欖石。

根據(jù)含羥基礦物的波譜曲線特征可知，含羥基類礦物在ETM7波段為特征吸收帶，在ETM5波段有較高的反射率，二者在ETM5和7波段的同時(shí)出現(xiàn)有利于含羥基礦物的提取，故提取遙感羥基異常(以下簡(jiǎn)稱羥基異常)時(shí)，比值法采用ETM B5/B7，主成分分析法選用PCA 1457。鐵氧化物的特征光譜信息集中在ETM1—4波段，在ETM1和4波段為特征吸收帶，在ETM3波段為相對(duì)高反射，則ETM1和3波段組合有利于突顯鐵染類異常。因此提取遙感鐵染異常(以下簡(jiǎn)稱鐵染異常)時(shí)，比值法采用ETM B3/B1，主成分分析法選用PCA 1345。

同理，使用ASTER數(shù)據(jù)提取羥基異常時(shí)，比值法采用ASTER B7+B9/B8，主成分分析法選用PCA 1348;提取鐵染異常時(shí)，比值法采用ASTER B4/B3，主成分分析選用PCA 1234。

使用ETM圖像提取蝕變信息的結(jié)果如圖3所示;使用ASTER圖像提取蝕變信息的結(jié)果如圖4所示。

圖3 用ETM圖像提取的鐵染和羥基異常信息Fig.3 Iron－ stain alteration and hydroxyl alteration information extracted from ETM

圖4 用ASTER圖像提取的鐵染和羥基異常信息Fig.4 Iron－ stain alteration and hydroxyl alteration information extracted from ASTER

從以上對(duì)比可以看出，基于ETM和ASTER數(shù)據(jù)分別采用比值法和主成分分析法提取的鐵染和羥基異常信息，空間分布規(guī)律較為一致，但規(guī)模各有不同。

使用ETM數(shù)據(jù)提取的鐵染異常，在圖3(a)(比值法)和圖3(b)(主成分分析法)中顯示出的異常都分布在已知蛇綠巖帶(紫色線區(qū)域)之上及其南側(cè)，但主成分分析法提取的鐵染異常規(guī)模沒(méi)有比值法的大;使用ASTER數(shù)據(jù)提取的鐵染異常，在圖4(a)(比值法)和圖4(b)(主成分分析法)中顯示出的異常在蛇綠巖帶上分布較少，在蛇綠巖帶西段的南北兩側(cè)都有異常分布，在蛇綠巖帶東段則主要分布在蛇綠巖帶的北側(cè)，2種方法提取的鐵染異常規(guī)模相當(dāng)。

使用ASTER數(shù)據(jù)提取的羥基異常，在圖4(c)(比值法)和圖4(d)(主成分分析法)中示出的羥基異常(主要為綠泥石化和蛇紋石化)，在研究區(qū)的東、西段分布在蛇綠巖帶的南北兩側(cè)，在研究區(qū)的中段基本分布在蛇綠巖帶上;而使用ETM數(shù)據(jù)提取的羥基異常較少(圖3(c)和(d))，沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律。

但采用同一種方法對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行異常提取的結(jié)果之間的可比性不強(qiáng)，分布規(guī)律和規(guī)模都不盡相同。與影像圖比較，鐵染異常主要分布在ASTER B6(R)，B 3(G)，B1(B)假彩色合成圖像(圖 5)中影像呈紅色(類似鐵帽)的區(qū)域，羥基異常主要分布在影像呈藍(lán)紫色的異常區(qū)域，尤其是圖4(d)中用ASTER數(shù)據(jù)提取的綠泥石化和蛇紋石化異常，與圖5中的羥基異常(藍(lán)紫色區(qū)域)位置基本一致。

圖5 ASTER B6(R)，B3(G)，B1(B)假彩色合成圖像Fig.5 False color composite image of ASTER B6(R)，B3(G)，B1(B)

總體來(lái)講，使用ASTER數(shù)據(jù)提取的羥基異常與蛇綠巖關(guān)系更為密切，而使用ETM和ASTER數(shù)據(jù)提取的鐵染異常則分布在蛇綠巖帶及其南北兩側(cè)范圍更大的區(qū)域。

3 巖性信息提取

遙感數(shù)據(jù)在獲取過(guò)程中，由于受到傳感器、大氣傳輸及地物在像元中的分布等因素影響，從圖像中提取的地物光譜曲線(即使是純凈像元的光譜曲線)與實(shí)驗(yàn)室或野外實(shí)測(cè)的地物光譜會(huì)有較大的差別，如果直接利用實(shí)驗(yàn)室或野外實(shí)測(cè)光譜進(jìn)行巖性識(shí)別，難以取得好的效果。本文根據(jù)已知的巖性分布(圖1)，采用純凈像元指數(shù)法(pure pixel index，PPI)，利用遙感圖像提取純凈像元進(jìn)行巖性分類。巖性信息提取的流程如圖6所示。

圖6 遙感巖性信息提取流程Fig.6 Flow chart of remote sensing rock information extraction

利用經(jīng)過(guò)大氣校正的ASTER圖像(圖5)，首先進(jìn)行最小噪聲分離(minimum noise fraction，MNF)變換，然后采用PPI提取端元波譜，結(jié)合地面已知數(shù)據(jù)識(shí)別端元波譜，得到純橄巖和橄欖巖的影像波譜特征曲線。由于2種巖石的波譜特征非常相似，用ASTER圖像數(shù)據(jù)難以將兩者區(qū)分開(kāi)，因此本文對(duì)基于PPI獲取的純橄巖和橄欖巖端元的影像波譜取平均值(圖7)作為參考波譜，進(jìn)行SAM分類和波譜特征擬合(spectral feature fitting，SFF)處理。

圖7 純橄巖與橄欖巖的ASTER影像波譜平均值Fig.7 Image average spectral curve of dunite and olivinite from ASTER

3.1 光譜角分類

SAM分類方法[16]是將多個(gè)波段的波譜響應(yīng)作為矢量，通過(guò)計(jì)算各波段波譜與參考波譜之間的夾角來(lái)表示其匹配程度的分類方法。兩者夾角越小，說(shuō)明目標(biāo)地物與參考地物越相似。本文將基于PPI獲取的純橄巖和橄欖巖端元影像波譜取平均值作為參考波譜，對(duì)經(jīng)過(guò)“連續(xù)統(tǒng)去除”(continuum removal)的影像進(jìn)行波譜角分類，通過(guò)試驗(yàn)取波譜角閾值為0.06，得到蛇綠巖(主要為純橄巖和橄欖巖)的巖性信息(圖8)?！斑B續(xù)統(tǒng)去除”法是分析礦物高光譜數(shù)據(jù)的一種常用方法(所謂的“連續(xù)統(tǒng)”是一種用于分離某一種吸收特征的數(shù)學(xué)函數(shù))，在礦物和巖石光譜分析中去除背景吸收的影響并且分離特征物質(zhì)吸收特征時(shí)被廣泛應(yīng)用。

圖8 SAM提取的蛇綠巖信息Fig.8 Ophiolite information extracted by SAM

從圖8中的蛇綠巖識(shí)別結(jié)果(紫色圖斑)與已知蛇綠巖分布(綠色線區(qū)域)特征對(duì)比可以看出，所提取純橄巖和橄欖巖的分布與已知的野外蛇綠巖分布趨勢(shì)一致，大致呈現(xiàn)反“S”形，吻合較好，但范圍更大些;且由于受到植被等因素的影響，SAM分類結(jié)果不連續(xù)。與 ASTER B6(R)，3(G)，1(B)假彩色合成圖像(圖5)對(duì)比可以看出，所提取的純橄巖和橄欖巖與圖5中的藍(lán)紫色圖斑有極強(qiáng)的相關(guān)性，且與前述提取的蛇紋石和綠泥石信息(圖4(d)，ASTER數(shù)據(jù)PC1348結(jié)果)亦有較強(qiáng)的空間相關(guān)性。

3.2 波譜特征擬合

SFF法是利用最小二乘法，選擇目標(biāo)地物特定吸收特征的波譜區(qū)間，對(duì)影像波譜同參考波譜進(jìn)行匹配。該方法與SAM法相似，用同樣的端元波譜作為參考波譜，然后對(duì)端元波譜和影像進(jìn)行“連續(xù)統(tǒng)去除”以增強(qiáng)波譜特性，逐波段地對(duì)每條參考端元波譜和未知波譜進(jìn)行最小二乘擬合，得到均方根誤差(RMS)圖像。RMS越小，波譜匹配效果越好，從而得到蛇綠巖的巖性信息(圖9)。

圖9 SFF提取的蛇綠巖信息Fig.9 Ophiolite information extracted by SFF

從圖9可以看出，波譜特征擬合的結(jié)果(紫色圖斑)與光譜角分類結(jié)果(圖8)相似，雖然在空間展布上不很連續(xù)，但與已知蛇綠巖分布(綠色線區(qū)域)在空間位置和展布趨勢(shì)上比較一致，且規(guī)模比地面已知蛇綠巖的規(guī)模大。圖3(a)(b)和圖4(a)(b)顯示，所提取的鐵染異常多分布在所提取的蛇綠巖的南北兩側(cè)，與所提取的蛇綠巖重疊較少;圖4(c)(d)顯示，所提取的羥基異常與所提取中的蛇綠巖在研究區(qū)東部基本重疊，這是由于所提取的異常主要為綠泥石化和蛇紋石化蝕變信息，與蛇綠巖相關(guān)性很強(qiáng)。需要說(shuō)明的是，采用SAM和SFF提取蛇綠巖信息時(shí)，會(huì)受到地形的影響(如分布在雅魯藏布江北岸的SAM結(jié)果和分布在研究區(qū)南部河流東岸的SFF結(jié)果)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)使用ETM和ASTER遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行蛇綠巖帶巖礦信息提取研究，發(fā)現(xiàn)使用ASTER數(shù)據(jù)提取的羥基異常與蛇綠巖信息在空間分布上較為一致。西藏地區(qū)有廣泛的蛇綠巖分布，但限于地面地質(zhì)工作基礎(chǔ)薄弱、對(duì)蛇綠巖的分布研究不夠，可在工作部署階段用此方法初步定性地確定蛇綠巖的可能分布區(qū)。

2)采用光譜角分類(SAM)和波譜特征擬合(SFF)方法提取的純橄巖和橄欖巖在空間分布上基本一致，且與野外調(diào)查的蛇綠巖分布范圍有一定重疊，證明采用這2種方法提取蛇綠巖信息，能夠取得較好效果;但前提是要選擇好參考波譜，目前從地物波譜庫(kù)中的波譜和實(shí)驗(yàn)室波譜都難以獲得理想的巖性信息，這是由于遙感圖像的像元多為混合像元，根據(jù)已知巖性分布獲取的影像波譜與波譜庫(kù)和實(shí)驗(yàn)室的波譜有較大差別;在用SAM法識(shí)別巖性信息時(shí)，要通過(guò)多次試驗(yàn)確定適當(dāng)?shù)拈撝怠?/p>

3)蛇綠巖的分布與綠泥石化、蛇紋石化蝕變礦物信息的空間關(guān)系更為密切。

4)本文采用SAM和SFF提取蛇綠巖信息時(shí)，是采用提取的影像波譜作為參考進(jìn)行遙感巖性信息提取的。因此，影像波譜的提取方法對(duì)巖礦信息提取結(jié)果的影響和如何排除地形的影響以提高巖礦信息提取的精度，還有待進(jìn)一步研究。

志謝:論文撰寫(xiě)中，西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)局李金高教授級(jí)高工、西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院吳華博士對(duì)本文提出了寶貴的建議，“西藏自治區(qū)礦產(chǎn)資源潛力評(píng)價(jià)”項(xiàng)目組提供了資料和數(shù)據(jù)支持，在此一并表示感謝!

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