基于ASTER的哈密土墩地區(qū)構(gòu)造及蝕變信息提取與找礦預(yù)測(cè)

陳 菁，周 萍

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083)

黃山—鏡兒泉成礦帶位于古亞洲成礦域，是我國(guó)重要的大型銅鎳礦分布區(qū)。研究區(qū)哈密土墩位于該成礦帶中，具有很大的找礦勘查潛力。目前為止，對(duì)于研究區(qū)的報(bào)道較少。彭方紅等［1］通過(guò)東天山赤湖—土墩地區(qū)1∶50000化探普查和異常查證，新發(fā)現(xiàn)紅灘金礦、沙海金礦以及一批具有重要找礦意義的Au、Cu、Ni、Pb異常。永文富［2］對(duì)土墩地區(qū)基性—超基性巖體進(jìn)行了研究，認(rèn)為巖體分異作用完善，巖相分帶呈“似層狀”，礦體分布明顯，受巖相控制，其中南巖體含S、CaO高，含SiO2、K2O、Na2O低，成礦條件更為有利。王敏芳等［3］對(duì)該礦區(qū)內(nèi)巖石和礦石的鉑族元素地球化學(xué)特征開展了研究，指出土墩礦區(qū)的成礦鎂鐵質(zhì)巖體形成于碰撞后的拉張環(huán)境。周強(qiáng)等［4］利用航空高光譜HyMAP數(shù)據(jù)識(shí)別出該區(qū)與成礦關(guān)系密切的6種蝕變礦物及其空間分布趨勢(shì)。本文將利用ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行土墩地區(qū)的構(gòu)造解譯和蝕變礦物填圖，并據(jù)此進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)，以期為該區(qū)域的找礦勘查提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于準(zhǔn)噶爾板塊東南緣活動(dòng)帶康古爾塔格泥盆—石炭紀(jì)島弧帶南帶與塔里木板塊東北邊緣活動(dòng)帶覺羅塔格石炭紀(jì)島弧帶北帶的對(duì)接部位，康古爾塔格俯沖碰撞帶銅鎳鉬金成礦帶之赤湖—黃山—鏡兒泉銅鎳鉬金成礦區(qū)中［2］。區(qū)內(nèi)出露地層主要有古生界泥盆系、石炭系、二疊系，中生界侏羅系，新生界第三系和第四系松散堆積物。其中石炭系巖石分布最廣，占研究區(qū)面積的30%左右，是一套海相火山沉積-正常沉積巖。本區(qū)出露的石炭系主要包括雅滿蘇北山組 (夾有少量火山碎屑巖的正常沉積碎屑巖)和梧桐窩子組(噴發(fā)-溢流相火山碎屑巖、火山熔巖)。侏羅系零星出露于研究區(qū)東北角與西北角，是一套正常沉積碎屑巖，巖性為灰色、灰綠色、黃褐色砂巖、礫巖、粉砂巖和砂礫巖。二疊系在研究區(qū)西南部有小片出露，是一套由紫紅色砂巖、灰綠色粉砂巖、褐紅色礫巖組成的正常沉積碎屑巖 (見圖1)。

圖1 研究區(qū)所在的大地構(gòu)造環(huán)境 (據(jù)邵行來(lái)等，2010，略修改)Fig.1 Geographical map of Tudun，Hami，Xinjiang Province

區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了土墩銅鎳礦，含礦巖體是一個(gè)分次侵入形成的復(fù)式巖體，分為南巖體和北巖體，邊部被輝長(zhǎng)巖環(huán)繞。礦石類型主要有3種，分別為稀疏浸染狀礦石、稠密浸染狀礦石和塊狀礦石，金屬礦物主要有磁黃鐵礦、鎳黃鐵礦、黃銅礦、鉻鐵礦、磁鐵礦等，非金屬礦物主要有橄欖石、輝石、普通角閃石、斜長(zhǎng)石等［2］。區(qū)內(nèi)圍巖蝕變嚴(yán)重，主要有黃鉀鐵礬和黃鐵礦為主的鐵染蝕變，高嶺石絹云母為主的鋁羥基蝕變以及綠泥石為主的鎂羥基蝕變。本文將利用ASTER數(shù)據(jù)通過(guò)主成分分析法對(duì)蝕變礦物進(jìn)行提取。

2 SiO2的定量反演

SiO2是地質(zhì)體分類及成因演化分析的重要化學(xué)參量，也是地殼的主要成分［5］。研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造與巖漿活動(dòng)頻繁，形成多條石英脈。因此分析研究區(qū)石英脈的空間展布對(duì)研究區(qū)構(gòu)造特征的提取具有重要意義。

在遙感地質(zhì)應(yīng)用中，人們一直努力尋找?guī)r石中SiO2含量與光譜特征的相關(guān)關(guān)系，并以此作為通過(guò)遙感進(jìn)行SiO2含量定量反演的依據(jù)。研究表明，硅酸鹽在可見光—近紅外 (0.4～2.5μm)波段范圍內(nèi)只覆蓋有些含水化合物基頻振動(dòng)的合頻與倍頻，而在8～14μm范圍的熱紅外大氣窗口內(nèi)存在熱紅外光譜發(fā)射率譜帶，具有明顯的診斷特征 (見圖2)［6］。

圖2 硅酸鹽礦物發(fā)射率光譜曲線 (引自ASU光譜庫(kù))Fig.2 Spectral emissivity curve of silicate minerals

如圖2所示，石英在8～12μm波段存在明顯診斷特征，即2個(gè)代表高發(fā)射率的波峰夾1個(gè)代表低發(fā)射率的波谷。本文將據(jù)此利用ASTER的4個(gè)熱紅外波段對(duì)SiO2含量進(jìn)行反演。

關(guān)于SiO2的反演，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了不少研究。Ninomiya［7］利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)ASTER模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行了SiO2含量的定量反演，并且將誤差控制在7%之內(nèi);二宮芳樹等［8］針對(duì)ASTER數(shù)據(jù)提出了可以定性表征硅酸鹽SiO2含量的光譜指數(shù)，并進(jìn)行了實(shí)例研究，但只是定性研究，沒(méi)有達(dá)到定量化;陳江等［9］把ASU波譜庫(kù)的礦物重采樣至ASTER各熱紅外波段，對(duì)礦物的波譜進(jìn)行波段比值處理，對(duì)各礦物成分進(jìn)行相關(guān)分析，選擇波段比值與SiO2含量最大相關(guān)系數(shù)，最后運(yùn)用最小二乘匹配法的對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，其函數(shù)為:

王俊虎等［5］以華南某花崗巖型鈾礦田為例，利用ASTER熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行了SiO2含量的定量反演，在反演圖上識(shí)別出了研究區(qū)內(nèi)明顯的硅化斷裂帶以及花崗巖和紅層分布區(qū)，并且識(shí)別結(jié)果得到了實(shí)地驗(yàn)證。

本文根據(jù)公式 (1)，利用ENVI中的波段計(jì)算工具得出研究區(qū)的SiO2含量圖，然后根據(jù)SiO2含量百分?jǐn)?shù) (酸度)對(duì)灰度圖像進(jìn)行彩色密度分割，并從中解譯出研究區(qū)的硅化斷裂帶 (見圖3)。

3 線性構(gòu)造信息提取

本文對(duì)ASTER的6個(gè)短波紅外波段進(jìn)行了主成分分析。其中，PC1主要包含地形、地貌信息;PC4突出表現(xiàn)為構(gòu)造信息，對(duì)PC4進(jìn)行3×3低通卷積濾波處理，標(biāo)記為PC4';ASTER的Band3與ETM+4相同，均位于水的強(qiáng)吸收區(qū)，主要包括與水有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造、地貌等。將PC1(R)、Band3(G)、PC4'(B)進(jìn)行假彩色合成，以突出區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造［10］。結(jié)合上文得出的硅化斷裂帶，經(jīng)過(guò)解譯得到研究區(qū)的線性構(gòu)造信息解譯圖 (見圖4)，區(qū)內(nèi)斷裂主要呈北東東向和北西向展布，其中干墩大斷裂 (F2)貫穿整個(gè)礦區(qū)，是區(qū)域成礦的主要控礦斷裂［3］。

圖3 研究區(qū)SiO2含量及硅化斷裂帶分布Fig.3 Content figure of SiO2 and silicified fracture distribution in study area

圖4 研究區(qū)斷裂分布Fig.4 Fracture distribution in study area

4 蝕變信息提取

對(duì)ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、Flaash大氣校正等預(yù)處理。由于研究區(qū)受道路、陰影等因素影響，因此在蝕變信息提取前利用ENVI軟件中的掩膜運(yùn)算將這些干擾因素剔除。去除干擾信息后，采用Crosta技術(shù)提取出研究區(qū)中的鐵染和羥基蝕變信息。

圖5所示為含羥基基團(tuán)礦物波譜曲線，圖中除綠泥石外其他礦物均在波段6具有明顯的吸收峰，而綠泥石在波段8有一吸收峰，這是Mg-OH區(qū)別于Al-OH的主要依據(jù)，因此可以利用ASTER數(shù)據(jù)分別提取Mg-OH基團(tuán)和Al-OH基團(tuán)信息［11］。

圖5 含羥基基團(tuán)礦物波譜曲線Fig.5 Spectral curve of hydroxyl group-containing minerals

選取波段1，3，4，8進(jìn)行主成分分析，以提取Mg-OH基團(tuán)蝕變信息。異常主成分PC3顯示的band4和band8的貢獻(xiàn)系數(shù)符號(hào)相反 (見表1)，且band8具有強(qiáng)負(fù)載值 (表現(xiàn)為正值)，故PC3反應(yīng)了Mg-OH基團(tuán)蝕變信息。

表1 Aster 1，3，4，8波段的PCA統(tǒng)計(jì)Table 1 PCA statistics of Aster 1，3，4，8

選取波段1，4，6，7進(jìn)行主成分分析，以提取Al-OH基團(tuán)蝕變信息。異常主成分PC4具有的band4和band7的貢獻(xiàn)系數(shù)與band6的貢獻(xiàn)系數(shù)符號(hào)相反 (見表2)，且band6具有強(qiáng)負(fù)載值 (表現(xiàn)為正值)，故PC4反應(yīng)了Al-OH基團(tuán)蝕變信息。

選取波段1，2，3，4進(jìn)行主成分分析，以提取三價(jià)鐵離子蝕變信息。異常主成分PC4具有的band1和band3的貢獻(xiàn)系數(shù)與band2的貢獻(xiàn)系數(shù)符號(hào)相反 (見表3)，且band2具有強(qiáng)負(fù)載值 (表現(xiàn)為正值)，故PC4反應(yīng)了三價(jià)鐵離子蝕變信息。

綜上所述，Mg-OH基團(tuán)蝕變信息在波段1，3，4，8的異常主成分PC4中;Al-OH基團(tuán)蝕變信息在波段1，4，6，7的異常主成分PC3中;三價(jià)鐵離子蝕變信息在波段1，2，3，4主成分的第四主成分中。對(duì)包含主要信息的主成分進(jìn)行閾值分割［12］，可得到蝕變異常分布圖 (見圖6)。

表2 Aster 1，4，6，7波段的PCA統(tǒng)計(jì)Table 2 PCA statistics of Aster 1，4，6，7

表3 Aster 1，2，3，4波段的PCA統(tǒng)計(jì)Table 3 PCA statistics of Aster 1，2，3，4

圖6 土墩遙感蝕變異常信息圖Fig.6 Remote sensing alteration map of Tudun

5 遙感找礦預(yù)測(cè)

5.1 綜合信息分析

綜合分析研究區(qū)的巖漿巖分布、構(gòu)造信息、蝕變礦物信息以及化探信息可知，區(qū)內(nèi)化探異常、蝕變礦物以及巖漿巖分布大致相同，且化探異常和蝕變礦物主要集中在斷裂構(gòu)造附近，以交叉性斷裂為甚。這兩點(diǎn)充分說(shuō)明巖漿巖為礦床的形成提供了充分的物源基礎(chǔ)，而斷裂作為導(dǎo)礦構(gòu)造，在金屬元素的富集與傳輸中更是具有重要作用。因此，巖漿巖與構(gòu)造是本區(qū)成礦的主要因素。

5.2 找礦靶區(qū)的圈定

根據(jù)上述分析，選擇鐵染蝕變、鋁羥基與鎂羥基蝕變強(qiáng)烈、有巖漿巖分布且位于斷裂附近的區(qū)域，圈定了3個(gè)級(jí)別6個(gè)找礦有利區(qū) (見圖7)。

圖7 哈密土墩找礦預(yù)測(cè)圖Fig.7 Prediction map of mineral prospect in Tudun，Hami

一級(jí)找礦靶區(qū):Ⅰ號(hào)靶區(qū)，巖漿巖分布區(qū)，區(qū)內(nèi)蝕變強(qiáng)烈，有Au、Cu元素異常，有斷裂構(gòu)造分布，且區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)銅鎳礦床。

二級(jí)找礦靶區(qū):Ⅱ、Ⅲ號(hào)靶區(qū)，巖漿巖分布區(qū)，區(qū)內(nèi)蝕變強(qiáng)烈，存在多金屬元素異常，有斷裂構(gòu)造存在。

三級(jí)找礦靶區(qū):Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ號(hào)靶區(qū)，其中，Ⅳ號(hào)靶區(qū)內(nèi)有蝕變信息與金屬元素異常出現(xiàn);Ⅴ、Ⅵ號(hào)靶區(qū)有巖漿巖分布，構(gòu)造與蝕變較強(qiáng)烈。

6 結(jié)論

基于ASTER熱紅外波段得到的SiO2含量圖可以用來(lái)解譯研究區(qū)中大的硅化斷裂破碎帶，為研究區(qū)成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測(cè)提供了重要依據(jù)，同時(shí)也證明了熱紅外遙感技術(shù)在找礦工作中的重要性。

研究區(qū)內(nèi)有明顯的鐵染蝕變與羥基蝕變，且與化探異常、巖漿巖以及斷裂分布大致相同。說(shuō)明巖漿巖為礦床的形成提供了充分的物源基礎(chǔ)，而斷裂作為導(dǎo)礦構(gòu)造，在金屬元素的富集與傳輸中具有重要作用。因此，巖漿巖與構(gòu)造是本區(qū)成礦的主要因素。

［1］ 彭方紅，莫新華，賀靜，等.赤湖—土墩地區(qū)地球化學(xué)找礦效果［J］.新疆地質(zhì)，2001，19(4):276～280.PENG Fang-hong，MO Xin-hua，HE Jing，et al.Role of geochemistry in ore prospecting at Chihu-Tudun region of eastern Tianshan ［J］.Xinjiang Geology，2001，19(4):276 ～280.

［2］ 永文富.新疆哈密土墩基性—超基性巖巖體特征及其含礦性研究［J］.新疆有色金屬，2002，(3):1～6.WEN Yong-fu.The research of mafic-ultramafic rocks’characteristics and mineralized in Tudun，Hami，Xingjiang Province［J］.Xinjiang Nonferrous Metals，2002，(3):1 ～6.

［3］ 王敏芳，夏慶霖，肖凡，等.新疆東天山土墩銅鎳硫化物礦床巖石地球化學(xué)和鉑族元素特征及其對(duì)成礦的指示意義 ［J］.礦床地質(zhì)，2012，31(6):1195～1210.WANG Min-fang，XIA Qing-lin，XIAO fan，et al.Rock geochemistry and platinum group elements characteristics of Tudun Cu-Ni sulfide deposit in East Tianshan Mountains of Xinjiang and theirmetallogenic implications［J］.Mineral Deposits，2012，31(6):1195～1210.

［4］ 周強(qiáng)，甘甫平，陳建平，等.哈密土墩礦區(qū)高光譜影像蝕變礦物識(shí)別初步研究［J］.礦床地質(zhì)，2006，25(3):329 ～336.ZHOU Qiang，GAN Fu-ping，CHEN Jian-ping，et al.Application of hyper-spectral imaging data to mineral identification in Tudun Cu-Ni deposit，Hami，Xinjiang ［J］.Mineral Deposits，2006，25(3):329 ～336.

［5］ 王俊虎，張杰林，張靜波.基于ASTER熱紅外數(shù)據(jù)的SiO2含量反演在某礦田信息提取中的應(yīng)用 ［J］.鈾礦地質(zhì)，2010，26(5):306～310.WANG Jun-hu，ZHANG Jie-lin，ZHANG Jing-bo.SiO2content retrieving based on ASTER thermal data and its application in substracting metallogenic factor of a uranium deposit［J］.Uranium Geology，2010，26(5):306 ～310.

［6］ 閆柏琨，劉圣偉，王潤(rùn)生，等.熱紅外遙感定量反演地表巖石的SiO2含量［J］.地質(zhì)通報(bào)，2006，25(5):639～643.YAN Bai-kun，LIU Sheng-wei，WANG Run-sheng，et al.Quantitative inversion of the SiO2content in surface rocks using thermal infrared remote sensing［J］.Geological Bulletin of China，2006，25(5):639～643.

［7］ Ninomiya Y.Quantitative estimation of SiO2content in igneous rocks using thermal infrared spectral with a neural net work approach［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，1995，3(3):684 ～691.

［8］ Yoshiki Ninomiya，F(xiàn)u Bihong.Detecting lithology with ASTER multispectral thermal infrared“radiance-at-sensor”data［J］.Remote Sensing of Environment，2005，99(1):127 ～130.

［9］ 陳江，王安建.利用ASTER熱紅外遙感數(shù)據(jù)開展巖石化學(xué)成分填圖的初步研究［J］.遙感學(xué)報(bào)，2007，11(4):601 ～608.CHEN Jing，WANGAn-jian.The pilot study on petrochemistry components mapping with ASTER thermal infrared remote sensing data ［J］.Journal of Remote Sensing，2007，11(4):601 ～608.

［10］ 錢建平，張淵，趙小星，等.內(nèi)蒙古東烏旗遙感構(gòu)造和蝕變信息提取與找礦預(yù)測(cè)［J］.國(guó)土資源遙感，2013，25(3):109 ～116.QIAN Jian-ping，ZHANG Yuan，ZHAO Xiao-xing，et al.Extraction of linear structure and alteration information based on remote sensing image and ore-prospecting prognosis for Dongwu Banner，Inner Mongolia ［J］.Remote Sensing for Land ＆Resources，2013，25(3):109～116.

［11］ 陳曄，何政偉，鄧輝，等.利用ASTER影像識(shí)別和提取礦化蝕變信息［J］.桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(1):51～57.CHEN Ye，HE Zheng-wei，DENG Hui，et al.Identification and extraction of mineralized alteration information by ASTER remote sensing data［J］.Journal of Guilin University of Technology，2014，34(1):51～57.

［12］ 張玉君，楊建民，陳薇.ETM+(TM)蝕變遙感異常提取方法研究與應(yīng)用——地質(zhì)依據(jù)和波譜前提 ［J］.國(guó)土資源遙感，2002，(4):30～35.ZHANG Yu-jun，YANG Jian-min，CHEN Wei.A study of the method for extraction of alteration anomalies from the ETM+(TM)data and its application:Geologic basis and spectral precondition ［J］.Remote Sensing for Land ＆ Resources，2002，(4):30 ～35.