甘肅北山音凹峽地區(qū)鎂鐵—超鎂鐵巖體遙感識(shí)別

李得成，蔡顯俊，梁利鵬，劉 磊,3，周 軍,3

（1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，陜西西安710100；2.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；3.蘭州金石開(kāi)礦產(chǎn)咨詢服務(wù)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

甘肅北山音凹峽地區(qū)鎂鐵—超鎂鐵巖體遙感識(shí)別

李得成*1，蔡顯俊2，梁利鵬2，劉 磊2,3，周 軍2,3

（1.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，陜西西安710100；2.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054；3.蘭州金石開(kāi)礦產(chǎn)咨詢服務(wù)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

快速、準(zhǔn)確圈定鎂鐵—超鎂鐵巖體在小巖體型鎳銅礦產(chǎn)勘查中尤為關(guān)鍵。以甘肅北山音凹峽地區(qū)為研究區(qū)，綜合應(yīng)用主成分分析處理ASTER可見(jiàn)光—短波紅外數(shù)據(jù)，并利用鎂鐵巖指數(shù)、主成分分析、最小噪聲分離法處理熱紅外數(shù)據(jù)，多種方法處理的圖像互相佐證。通過(guò)對(duì)多種圖像處理方法獲取結(jié)果進(jìn)行綜合分析并與地質(zhì)圖對(duì)比，圈定了7處疑似鎂鐵—超鎂鐵巖體集中區(qū)。經(jīng)野外驗(yàn)證，其中6處為鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體，另一處為中基性火山巖，證明了結(jié)果的有效性。該工作方法可以被應(yīng)用于西部地區(qū)鎂鐵—超鎂鐵巖體識(shí)別。

音凹峽；ASTER；鎂鐵—超鎂鐵巖體；鎂鐵巖指數(shù)；主成分分析；最小噪聲分離

在近期的礦床勘查研究中，“小巖體成大礦”越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1-2]。對(duì)于鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)小巖體中的鎳銅（鉑族）礦床，圈定鎂鐵—超鎂鐵巖體為尋找鎳銅礦床之前提，但由于此類巖體特別是含礦鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)小巖體的出露面積多小于1km2，很容易被1∶25萬(wàn)、1∶5萬(wàn)地質(zhì)圖所遺漏[1-2]。以甘肅北山輝銅山地區(qū)為例，僅在約600km2范圍內(nèi)即遺漏了11處鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)小巖體[3-4]。因此，快速、準(zhǔn)確圈定鎂鐵—超鎂鐵巖體在小巖體型鎳銅礦化找礦中尤為關(guān)鍵。

遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造研究、礦產(chǎn)資源勘查、巖性識(shí)別等領(lǐng)域[3-9]。鎂鐵—超鎂鐵巖體由于暗色礦物含量較高而在可見(jiàn)光—短波紅外范圍具有較低的反射率[10]；同時(shí)，其低SiO2含量使其在熱紅外10.25～10.95μm區(qū)間具有吸收谷且隨鎂鐵質(zhì)含量提高而深度逐漸加深[11]，為利用遙感識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體提供了理論基礎(chǔ)。

筆者課題組在對(duì)甘肅北山音凹峽地區(qū)應(yīng)用ETM+數(shù)據(jù)識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體過(guò)程中，通過(guò)綜合多種圖像處理方法，取得了較好的效果[9]，但由于ETM+數(shù)據(jù)光譜分辨率的限制，可見(jiàn)光—短波紅外僅6個(gè)波段，熱紅外僅1個(gè)波段，無(wú)法最優(yōu)利用鎂鐵—超鎂鐵巖體在可見(jiàn)光—短波紅外—熱紅外區(qū)間的光譜特征，因此本研究利用ASTER數(shù)據(jù)對(duì)音凹峽地區(qū)開(kāi)展進(jìn)一步研究，探索綜合利用ASTER數(shù)據(jù)可見(jiàn)光—短波紅外、熱紅外波段增強(qiáng)、識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體的可行性方法。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

甘肅北山地區(qū)是我國(guó)西北固體金屬礦產(chǎn)主要資源地之一，已發(fā)現(xiàn)銅—多金屬、銅鎳、富鉛鋅、鈾、優(yōu)質(zhì)錳等礦產(chǎn)地90余處，其中大中型以上礦床20余處[12]，其中與鎂鐵—超鎂鐵巖有關(guān)的巖漿礦床主要有紅石山鉻礦、黑山銅鎳礦等[12-13]，因此該區(qū)為鎂鐵—超鎂鐵巖有關(guān)的巖漿礦床的重點(diǎn)勘查區(qū)。

音凹峽地區(qū)為北山地區(qū)主要鎂鐵—超鎂鐵巖體產(chǎn)地之一，位于北山地區(qū)東部。區(qū)內(nèi)出露地層較少，主要為二疊系方山口組英安巖、英安質(zhì)角礫凝灰?guī)r夾安山巖、玄武安山巖、英安質(zhì)集塊角礫熔巖（圖1）。該區(qū)侵入巖發(fā)育，包括二長(zhǎng)花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、石英二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、橄欖巖、蛇紋巖以及大量輝綠巖脈。

2 鎂鐵—超鎂鐵巖識(shí)別的波譜基礎(chǔ)

2.1 可見(jiàn)光—短波紅外光譜特征分析

根據(jù)約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University，JHU）光譜庫(kù)，中酸性巖體如花崗巖、石英二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖等在可見(jiàn)光—短波紅外區(qū)間均不具有明顯的吸收帶，反射率比較高；而鎂鐵—超鎂鐵巖石如玄武安山巖、輝綠巖、橄欖巖由于含大量輝石或橄欖石而在可見(jiàn)光—短波紅外區(qū)間具有較強(qiáng)吸收特征[7,10]。

圖1 音凹峽地區(qū)地質(zhì)圖[14-15]

2.2 熱紅外光譜特征分析

根據(jù)JHU光譜庫(kù)，火成巖隨著SiO2含量的降低，吸收谷向長(zhǎng)波方向移動(dòng)[7,10-11]。花崗巖、石英二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖在8.5～9.3μm具有最小發(fā)射率，玄武安山巖、輝綠巖、橄欖巖在10.3～11μm具有吸收谷且深度逐漸加深，在吸收谷兩側(cè)各種巖性的發(fā)射率均較高[7,10-11]。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)

研究所采用的ASTER數(shù)據(jù)獲取于2003年7月7日。將4～9波段重采樣至15m后，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何精校正、坐標(biāo)配準(zhǔn)、大氣校正[4,7]。

3.2 圖像處理方法

通過(guò)大量處理實(shí)驗(yàn)，本研究采用主成分分析法、最小噪聲分離法、鎂鐵巖指數(shù)法增強(qiáng)巖性信息。

3.2.1 主成分分析

主成分分析通過(guò)一定的數(shù)學(xué)重組形成在多光譜上內(nèi)在聯(lián)系較為合理或地質(zhì)意義更加明確的新變量或主成分，從而經(jīng)過(guò)圖像處理來(lái)突出特定地質(zhì)內(nèi)容[16-18]。本研究對(duì)可見(jiàn)光—短波紅外9個(gè)波段數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

3.2.2 最小噪聲分離（Minimum Noise Fraction，MNF）法

最小噪聲分離法是在主成分分析基礎(chǔ)上發(fā)展的一種以信噪比為衡量條件的線性變換算法，該方法可以有效降低數(shù)據(jù)維數(shù)并分離噪聲[7,18-19]。本研究應(yīng)用MNF法處理ASTER熱紅外波段數(shù)據(jù)。

3.2.3 鎂鐵巖指數(shù)（mafic index，MI）

鎂鐵質(zhì)巖石由于SiO2含量較低而在10.3～11μm（對(duì)應(yīng)ASTER第13波段）具有吸收谷，且深度隨鎂鐵質(zhì)礦物含量增加而逐漸加深，從而可以利用公式（1）突出鎂鐵質(zhì)巖體，即為鎂鐵巖指數(shù)，為目前識(shí)別鎂鐵巖較常用的方法[11,18,20]。因此本研究采用鎂鐵巖指數(shù)增強(qiáng)鎂鐵—超鎂鐵巖信息。

4 結(jié)果分析

4.1 可見(jiàn)光—短波紅外數(shù)據(jù)處理結(jié)果

對(duì)可見(jiàn)光—短波紅外9個(gè)波段主成分分析后，通過(guò)試驗(yàn)分析，選取第1、3、6主成分分別置于紅、綠、藍(lán)通道進(jìn)行假彩色合成（圖2），可以較好地區(qū)分各巖性單元，特別是對(duì)于超鎂鐵質(zhì)巖體、鎂鐵質(zhì)巖脈可有效識(shí)別。橄欖巖、蛇紋巖在圖像上呈黑灰色，輝綠巖脈呈現(xiàn)淺灰黑色線狀，花崗巖呈灰白色。根據(jù)MNF圖像可圈定出7個(gè)巖體集中區(qū)。

圖2 可見(jiàn)光—短波紅外波段主成分分析1（R）、3（G）、6（B）主成分假彩色合成圖像

4.2 熱紅外數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4.2.1 鎂鐵巖指數(shù)

鎂鐵巖指數(shù)結(jié)果圖像中（圖3），已知的橄欖巖、蛇紋巖均具有較高的數(shù)值而呈淺色調(diào)，另有多個(gè)未知區(qū)也呈淺色調(diào)，這些區(qū)域大部分與圖2所圈定的巖體集中區(qū)吻合。但有些區(qū)域在圖3中影像特征與已知鎂鐵巖影像特征差異較明顯（圖3中2點(diǎn)處），與可見(jiàn)光—短波紅外圖像結(jié)果不同。同時(shí)，研究區(qū)中部（圖3中1點(diǎn)處）出現(xiàn)面積較大淺色調(diào)區(qū)域，此區(qū)域在可見(jiàn)光—短波紅外圖像上與已知鎂鐵巖體差異明顯。輝綠巖脈受混合像元影響而在圖像上較模糊。

4.2.2 MNF變換

對(duì)熱紅外波段進(jìn)行最小噪聲分離變換后可以有效識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖。將MNF1、MNF2、MNF4分別置于紅、綠、藍(lán)通道進(jìn)行假彩色合成后，超鎂鐵巖體（橄欖巖、蛇紋巖）呈暗色（圖4），輝綠巖脈呈明顯線狀，花崗巖多顯示為淺色。

圖3 研究區(qū)鎂鐵巖指數(shù)圖像

圖4 熱紅外波段MNF1（R）、2（G）、4（B）假彩色合成圖像

4.3 綜合分析

單獨(dú)使用可見(jiàn)光—短波紅外或熱紅外中的一種識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體均存在一定的局限性，綜合使用可以有效剔除干擾信息，使得識(shí)別結(jié)果更為準(zhǔn)確。

可見(jiàn)光—短波紅外主成分分析圖像共識(shí)別疑似巖體集中區(qū)7處（含圖2中1點(diǎn)處）；熱紅外數(shù)據(jù)鎂鐵巖指數(shù)和MNF變換假彩色合成圖像可識(shí)別疑似巖體集中區(qū)6處（含圖3中1點(diǎn)處），但圖3中2點(diǎn)在熱紅外圖像上影像特征與已知超鎂鐵巖體均不同。通過(guò)將可見(jiàn)光—短波紅外和熱紅外圖像分析結(jié)果綜合，顯示2大類圖像中有5處巖體集中區(qū)結(jié)果吻合，另外2處（圖3中1點(diǎn)、2點(diǎn)處）結(jié)果差異明顯。

為了對(duì)ASTER可見(jiàn)光—短波紅外波段和熱紅外波段識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體的特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)證，本研究對(duì)新識(shí)別的5處吻合和2處差異區(qū)域進(jìn)行野外驗(yàn)證（圖3、圖4），結(jié)果表明5處吻合區(qū)域均為鎂鐵—超鎂鐵巖體。圖4中1點(diǎn)處局部含玄武安山巖，可能為熱紅外圖像中被突出的原因。而圖4中2點(diǎn)處為蝕變輝長(zhǎng)巖，推測(cè)為強(qiáng)烈蝕變導(dǎo)致巖石化學(xué)成分變化而在熱紅外圖像差異明顯。

結(jié)果表明熱紅外波段數(shù)據(jù)對(duì)于SiO2含量變化較敏感，但由于數(shù)據(jù)空間分辨率較低（90m）且存在水平條帶噪聲，加之研究區(qū)內(nèi)很多小巖體出露直徑僅約100m，ASTER熱紅外數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確圈定其出露范圍，使得應(yīng)用效果受到一定程度的限制。將可見(jiàn)光—短波紅外與熱紅外數(shù)據(jù)配合，可以提高結(jié)果的可信性。

5 結(jié)論

（1）本研究以甘肅北山音凹峽地區(qū)為研究區(qū)，綜合應(yīng)用主成分分析處理ASTER可見(jiàn)光—短波紅外數(shù)據(jù)，并利用鎂鐵巖指數(shù)、最小噪聲分離法處理熱紅外數(shù)據(jù)，多種方法處理的圖像互相佐證，可有效識(shí)別鎂鐵—超鎂鐵巖體。

（2）通過(guò)對(duì)多種圖像處理方法獲取結(jié)果進(jìn)行綜合分析圈定了7處疑似鎂鐵—超鎂鐵巖體集中區(qū)，經(jīng)野外驗(yàn)證，其中6處為鎂鐵—超鎂鐵質(zhì)巖體，另一處也為基性火山巖，證明了結(jié)果的有效性。在我國(guó)西部地區(qū)，很多鎂鐵—超鎂鐵巖小巖體由于規(guī)模較小被遺漏，限制了該類礦床的找礦工作。本研究中的工作方法可以被應(yīng)用于西部地區(qū)鎂鐵—超鎂鐵巖體識(shí)別。

[1]湯中立,閆海卿,焦建剛，等.中國(guó)巖漿硫化物礦床新分類與小巖體成礦作用[J].礦床地質(zhì),2006,25(1):1-9.

[2] 湯中立,閆海卿,焦建剛，等.中國(guó)小巖體鎳銅（鉑族）礦床的區(qū)域成礦規(guī)律[J].地學(xué)前緣,2007,14(5):92-103.

[3]楊建民,張玉君,姚佛軍.利用ETM+遙感技術(shù)進(jìn)行尾亞雜巖體的巖性識(shí)別[J].巖石學(xué)報(bào),2007,23(10):2397-2402.

[4] Liu Lei,Zhuang Da-fang,Zhou Jun,et al.Alteration Mineral Mapping Using Masking and Crosta Technique for Mineral Exploration in Mid-vegetated Areas:a Case Study in Areletuobie, Xinjiang(China)[J].International Journal of Remote Sensing, 2011,32(7):1931-1944.

[5]劉磊,周軍,尹芳，等.基于ASTER數(shù)據(jù)的巴里坤地區(qū)蝕變礦物填圖及找礦[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,28(4):556-561.

[6]尹芳,劉磊,張繼榮,周軍.新疆謝米斯臺(tái)地區(qū)小巖體型礦化遙感探測(cè)[J].地球?qū)W報(bào),2014,35(5):561-566.

[7]劉磊,周軍,馮敏，等.甘肅北山輝銅山地區(qū)鎂鐵巖體遙感識(shí)別方法研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2013,28(3):520-525.

[8]劉磊,周軍,馮敏，等.基于ETM+數(shù)據(jù)的甘肅北山地區(qū)基性巖體識(shí)別[J].地質(zhì)找礦論叢,2013,28(4):589-593.

[9]尹芳,張建超,周軍，等.基于ETM+和CBERS數(shù)據(jù)的甘肅北山音凹峽地區(qū)鎂鐵超鎂鐵巖體識(shí)別[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2014, 29(3):457-462.

[10] Hunt GR.Spectral Signatures of Particulate Minerals in the Visible and Near Infrared[J].Geophysics,1977,42(3):501-513.

[11] Nair A,Mathew G.Lithological Discrimination of the Phenaimata Felsic-Mafic Complex,Gujarat,India,Using the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)[J].International Journal of Remote Sensing, 2012,33(1):198-219.

[12] 楊合群,李英,楊建國(guó).北山造山帶的基本成礦特征[J].西北地質(zhì),2006,39(2):78-95.

[13]楊建國(guó),王磊,王小紅，等.甘肅北山地區(qū)黑山銅鎳礦化鎂鐵—超鎂鐵雜巖體SHRIMP鋯石U-Pb定年及其地質(zhì)意義[J].地質(zhì)通報(bào),2012,31(2/3):448-454.

[14] 甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局.1∶5萬(wàn)音凹峽幅地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[R].內(nèi)部報(bào)告,1995.

[15] 甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)局.1∶25萬(wàn)馬鬃山幅地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報(bào)告[R].內(nèi)部報(bào)告,2001.

[16]張兵，周軍，王軍年.遙感蝕變礦物填圖與找礦方法[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，30（3）：452-952.

[17] Liu Lei,Zhou Jun,Yin Fang,etal.The Reconnaissance of Mineral Resources Through ASTER Data-based Image Processing,Interpreting and Ground Inspection in the Jiafushaersu Area,West Junggar,Xinjiang(China)[J].Journal of Earth Science,2014,25(2):397-406.

[18] Liu Lei,Zhou Jun,Zhuang Dafang,etal.Lithological Discrimination of the Mafic-ultramafic Complex,Huitongshan,Beishan,China:Using ASTER Data[J].Journal of Earth Science, 2014,25(3):529-536.

P627

A

1004-5716(2015)09-0149-04

2015-07-15

2015-08-03

李得成（1982-），男（苗族），貴州同仁人，工程師，現(xiàn)從事區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)調(diào)查、遙感地質(zhì)相關(guān)研究工作。