新疆南天山某金礦蝕變信息提取研究

宮麗明，宋召軍，高 濼，顧畛逵

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實驗室，山東青島266590;2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590)

傳統(tǒng)找礦手段(地質(zhì)、物探、地球化學(xué)等)在找礦中地位至關(guān)重要，而遙感找礦作為最近十幾年來發(fā)展起來的新興手段，可以作為傳統(tǒng)找礦手段有力的補(bǔ)充.遙感蝕變提取具有視域?qū)拸V，信息量豐富，能有效獲取大量超出視覺以外的地學(xué)信息，便于進(jìn)行大區(qū)域宏觀觀察和分析對比.

中亞成礦域、環(huán)太平洋成礦域和地中海成礦域是世界三大成礦域，礦產(chǎn)資源儲量豐富.中亞地區(qū)石油、天然氣、煤炭、鈾礦、鐵、鉻、銅、鉬、鉻、鋁土礦和黃金等礦產(chǎn)資源儲量豐富［1］.而我國新疆地區(qū)和中亞地區(qū)位置相鄰、面積相當(dāng)，但某些礦產(chǎn)類型發(fā)現(xiàn)的礦床還是比較少，如中亞的斑巖型銅礦和黑色巖系金礦，在中亞地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)十幾個大型礦床，而我國僅有零星幾個規(guī)模較小的.新疆南天山成礦帶緊鄰中亞成礦域，成礦潛力巨大.而新疆南天山地區(qū)多為山地丘陵地貌，氣候干旱，降水稀少，多為冰山融水.常年的干旱，風(fēng)蝕作用明顯，山坡巖石風(fēng)化的泥土，由于風(fēng)蝕作用，多堆積在谷底.另外，南天山地區(qū)人口稀少，交通不發(fā)達(dá)，很多地區(qū)都人煙罕至，其特殊的自然和人文條件可以充分發(fā)揮遙感的作用，適合開展遙感蝕變提取，發(fā)揮遙感在地質(zhì)勘查中的作用.本文利用新疆南天山地區(qū)的TM遙感多光譜影像數(shù)據(jù)，采用蝕變信息提取的主要技術(shù)進(jìn)行地層、構(gòu)造和蝕變提取，為新疆南天山地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)找礦提供重要依據(jù).

1 區(qū)域概況和研究方法

1.1 區(qū)域概況

南天山某金礦區(qū)地理坐標(biāo)為，東經(jīng):74°15'00″～74°20'43″，北緯:40°02'14″～ 40°08'00″，其位于中國新疆境內(nèi)與吉爾吉斯斯坦相鄰.在自然條件上，新疆南天山地區(qū)多為山地丘陵地貌，氣候干旱，降水稀少，多為冰山融水.常年的干旱，風(fēng)蝕作用明顯，山坡巖石風(fēng)化的泥土，由于風(fēng)蝕作用，多堆積在谷底［2］.社會經(jīng)濟(jì)方面，南天山地區(qū)人口稀少，交通不發(fā)達(dá)，很多地區(qū)都人煙罕至.屬于中亞成礦域南天山成礦帶［3］的一部分，有黑色金腰帶之稱.南天山成礦帶從構(gòu)造上屬于晚古生代的地槽褶皺帶，在新疆境內(nèi)走向為北東走向.北邊是中天山，其分界線是南天山縫合線，南到天山邊緣斷裂線.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)眾多大型金礦，穆龍?zhí)?儲量5000t)、道吉套茲(儲量192t)、庫木托爾(儲量360t)、阿曼泰套(儲量93t)薩瓦雅爾頓等多個大型黑色巖系金礦.其中穆龍?zhí)捉鸬V作為該區(qū)域黑色巖系金礦的代表，金礦賦存在一套淺變質(zhì)的黑色巖系中，礦體厚度達(dá)百余米，礦體構(gòu)造斷裂控制富礦位置［4］.從大地構(gòu)造上來看，新疆南天山成礦帶地區(qū)位于伊犁－伊塞克湖微板塊與塔里木活動帶的相交部位.區(qū)域出露地層主要為上志留統(tǒng)、下泥盆統(tǒng)到上石炭統(tǒng).輕變質(zhì)的含碳碎屑巖、變質(zhì)細(xì)砂巖、含碳千枚巖、變質(zhì)砂巖和粉砂巖以及生物灰?guī)r等為該地區(qū)地層主要巖性.構(gòu)造上，該區(qū)斷裂和褶皺發(fā)育，斷裂作為本區(qū)重要的控礦構(gòu)造，構(gòu)造線一般呈 NNE走向，可延伸數(shù)十公里，甚至數(shù)百公里.本區(qū)巖漿活動微弱，并沒有大范圍的巖漿侵入，僅在斷裂處局部發(fā)現(xiàn)輝綠巖脈、基性熔巖、超基性巖透鏡體和二長斑巖脈.

1.2 研究方法

蝕變信息提取的主要技術(shù)包括基于波段運(yùn)算的比值法［5］、主成分分析法(K－L 變換)［6］、MPH 技術(shù)［7］和 Gram－Schmidt投影方法［8］.20世紀(jì)80年代末Crosta在巴西干旱地區(qū)利用TM影像進(jìn)行主成分分析蝕變提取.主成分分析方法是一種將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，該方法通過選取(TM1、TM3、TM4、TM5)進(jìn)行主成分分析，在PC4主分量上提取鐵染異常;同樣，對波段(TM1、TM4、TM5、TM7)進(jìn)行主成分分析，在PC4主分量上提取羥基和含碳酸根的蝕變異常信息［5］.國內(nèi)研究現(xiàn)狀，1995年何國金通過對內(nèi)蒙古撰山子地區(qū)金礦TM影像弱信息進(jìn)行增強(qiáng)處理，然后進(jìn)行蝕變信息提取，最終圈定靶區(qū)［9］.2007年，張保平和張玉明將遙感蝕變信息提取方法應(yīng)用在西天山班禪溝一帶銅、鐵礦找礦工作中［10］.2003年楊建民在東天山戈壁地區(qū)應(yīng)用蝕變遙感異常提取方法，取得了良好的效果.研究區(qū)內(nèi)已知礦床、礦(化)點(diǎn)122個，礦化點(diǎn)和已知礦床遙感異常吻合率分別為86%和100%，充分說明遙感蝕變信息提取的可靠性［11，12］.

2 地質(zhì)依據(jù)和波譜前提

2.1 地質(zhì)依據(jù)

熱液蝕變礦床主要就是交代原巖形成富礦巖石.絹云母化、硅化、云英巖化、綠泥石化和鐵化都是蝕變過程中常見蝕變類型.這種蝕變的過程是緩慢進(jìn)行的，熱液在搬運(yùn)和卸載成礦元素中逐漸富集成礦.在實踐中發(fā)現(xiàn)，這種熱液搬運(yùn)作用形成的礦床伴隨著圍巖蝕變作用，這種蝕變的范圍要比礦體面積大很多.因此，雖然圍巖蝕變不能絕對證明礦床的存在，但是圍巖蝕變可以作為找礦的重要標(biāo)志，大大增加找礦的機(jī)會.新疆地區(qū)植被不發(fā)育，巖石大面積裸露，有利于遙感監(jiān)測到隱伏礦體.穆龍?zhí)捉鸬V為代表的黑色巖系金礦是低溫?zé)嵋鹤饔玫暮谏珟r系金礦，具有明顯的鐵化、絹云母化、綠泥石化、硅化和弱石墨化.這成為該地區(qū)進(jìn)行鐵染和羥基提取的重要地質(zhì)理論依據(jù)［13］.

2.2 波譜前提

第一波段0.47μm、第二波段0.56μm、第三波段0.66μm、第四波段0.83μm、第五波段1.65μm 和第六波段2.21μm為可見光—近紅外光譜區(qū)中心波長.在反射波譜中，不是每個造巖礦物都有鑒定意義的反射譜帶，具有比較明顯鑒定意義的是 Fe2+、Fe3+、OH－、CO2－3等離子或離子基團(tuán)，他們在反射光譜中形成明顯的吸收谷.Fe2+的吸收谷分布在1.1～2.4μm 光譜范圍內(nèi)，F(xiàn)e3+在0.85～0.94μm 譜段有較強(qiáng)的吸收，在0.45μm和0.55μm波長處也有吸收.羥基的吸收譜帶主要有 3個:1.4μm、2.2～2.3μm 和 2.3～2.4μm.2.2～2.3μm附近存在強(qiáng)吸收谷，使TM7產(chǎn)生低值，故TM5有相對高值.

3 礦區(qū)鐵染和羥基蝕變信息提取

3.1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

選取 Landsat5衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，行列號為 PATH151、ROW32，獲取時間為2010年7月.對TM影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正.其中，由于影像進(jìn)行了初步處理，無法利用頭文件進(jìn)行輻射定標(biāo)，通過波段計算，對每一波段進(jìn)行輻射定標(biāo)后進(jìn)行波段疊加，進(jìn)而進(jìn)行大氣校正.從而有效消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差，提高了圖像質(zhì)量.

3.2 圖像裁剪和掩膜處理

輸入具體坐標(biāo)對TM影像進(jìn)行感興趣區(qū)域裁剪，裁剪出所需要的礦區(qū)范圍.同時，遙感TM影像中存在水體、陰影、植被和雪的干擾，為了去除這些干擾因素對蝕變信息提取的影響，對這些信息進(jìn)行掩膜處理［14］.裁剪區(qū)域主要存在植被、陰影、植被和雪的干擾.

植被掩膜處理，利用ENVI提供的歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取植被信息，方法增強(qiáng)對植被的響應(yīng)能力，可以消除大部分與儀器定標(biāo)、太陽角、地形、云、陰影和大氣條件等有關(guān)的輻射度的變化，是較為常用的一種監(jiān)測植被的遙感指數(shù)NDVI=(ETM4－ETM3)/(ETM4+ETM3)［15］.

雪的掩膜處理，利用高端切割的方法去掉雪的干擾，原先存在雪的地區(qū)，通過掩膜處理以后value值變?yōu)?，降低了對主成分分析的干擾.如圖1所示.

圖1 未經(jīng)處理的TM影像和經(jīng)過掩膜處理的對比圖

3.3 主成分分析和密度分割

鐵染和羥基蝕變提取應(yīng)用的方法為主成分分析又稱K－L變換，這種方法是對遙感影像信息的壓縮和集中，使影像波段信息集中在較少的幾個波段中，使各波段信息不具有相關(guān)性，也就是說用綜合性波段代表原圖像.Crosta(克羅斯塔)法就是一種經(jīng)典主成分分析方法，這種方法通過(TM1、TM3、TM4、TM5)進(jìn)行主成分分析，在第四主分量上提取鐵染異常;通過(TM1、TM4、TM5、TM7)主成分分析，在第四主分量上提取羥基和含碳酸根的蝕變異常信息.這種經(jīng)典的蝕變礦物提取方法，既能夠去除波段之間的相關(guān)性，又能突出蝕變信息;然而，仍然存在一些偽異常點(diǎn)［16］.

選取TM影像波段1、3、4、5進(jìn)行主成分分析，進(jìn)行鐵染蝕變提取.主成成分分析特征值計算結(jié)果如表1所示，可知，在波段5的一排中，波段3的符號與波段1及4的特征值符號相異，與波段5的相同.因此判斷鐵染蝕變異常信息在波段5中，即主成分分析的第4分量.

表1 TM影像主成分分析后1、3、4、5特征值分布表

圖2 鐵染蝕變提取結(jié)果圖

圖3 羥基蝕變提取結(jié)果圖

利用ENVI的密度分割功能對鐵染異常地區(qū)蝕變進(jìn)行分級，利用σ(標(biāo)準(zhǔn)差)的倍數(shù)作為等級劃分的閥值.3σ、2.5σ和2σ為別作為劃分一級、二級和三級蝕變異常的閥值.同時為了突出異常點(diǎn)進(jìn)行3×3、5×5、5×5窗口濾波處理.經(jīng)計算，第四主分量的標(biāo)準(zhǔn)差是 0.004334，其倍數(shù)分別為0.013002、0.010835和0.008668，作為劃分三級異常區(qū)的閥值，并且分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ來表示.如圖2所示.羥基蝕變提取采用的是TM1、4、5、7四個波段進(jìn)行主成分分析，對代表羥基和碳酸根離子主成分的判斷準(zhǔn)則是:TM5系數(shù)應(yīng)與TM7、TM4的特征值符號相反，與TM1系數(shù)符號相同.以此原則判斷，羥基和碳酸根離子信息包含于波段7第四主成分內(nèi).鐵染蝕變和羥基蝕變存在于絕大多數(shù)成礦巖體中，提取這兩種蝕變信息基本可以確定研究區(qū)成礦巖石的分布情況.同樣用標(biāo)準(zhǔn)差σ作為劃分的閥值，進(jìn)行密度分割渲染，劃分出三級羥基異常如圖3所示.

表2 TM影像主成分分析后1、4、5、7特征值分布表

4 結(jié)論

本文是在總結(jié)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，在南天山成礦地帶某金礦區(qū)進(jìn)行蝕變提取.最近幾年來，利用遙感TM數(shù)據(jù)進(jìn)行的蝕變信息提取技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在找礦中，并且取得了良好的效果［17］.本文通過遙感影像的大氣校正、幾何校正的預(yù)處理，利用主成分分析和密度分割的方法進(jìn)行鐵染和羥基蝕變提取，并進(jìn)行三級異常分級.遙感蝕變提取只能是找礦的第一步，為野外地質(zhì)探勘提供一個詳盡的靶區(qū)，這仍然需要地質(zhì)工作者野外詳細(xì)的地質(zhì)地圖，最終選擇出最優(yōu)的成礦靶區(qū).綜合利用各種探礦手段，高效地找到礦藏儲量大、品質(zhì)高的礦藏.

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