植被覆蓋區(qū)ASTER斑巖型銅礦礦化蝕變分帶異常信息提取研究

閆潔茹， 趙志芳， 史青云， 張偉華

(1.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南昆明650091； 2.云南省遙感中心，云南昆明650091)

植被覆蓋區(qū)ASTER斑巖型銅礦礦化蝕變分帶異常信息提取研究

閆潔茹1,2， 趙志芳1,2， 史青云1,2， 張偉華1,2

(1.云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南昆明650091； 2.云南省遙感中心，云南昆明650091)

摘要：為彌補以往研究中植被覆蓋區(qū)遙感礦化蝕變信息提取精細化程度不高、蝕變?nèi)醍惓ｋy以從復(fù)雜背景中分離等不足，采用ASTER遙感數(shù)據(jù)，以植被覆蓋較厚的西南三江成礦帶寶興廠礦區(qū)為研究區(qū)，針對寶興廠斑巖型銅礦礦化蝕變分帶由外至內(nèi)綠泥石化—鉀化硅化—黑云母化硅化分布的特點，在頻率域內(nèi)，采用多重分形“廣義自相似性”和“局部奇異性”理論與能譜面積法(S-A法)，探索了復(fù)雜地質(zhì)背景條件下斑巖型銅礦蝕變分帶與特征礦物弱異常信息增強提取方法。經(jīng)野外驗證，方法應(yīng)用取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：斑巖型銅礦；植被覆蓋；蝕變分帶；弱異常信息增強；S-A法；云南曲靖

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.03.468

中圖分類號：TP751.2;P618.41

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)03-0468-07

收稿日期：2015-07-09；修回日期：2015-07-13；編輯：蔣艷

基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局項目“西南三江成礦帶中南段斑巖型銅礦遙感找礦模型研究與靶區(qū)優(yōu)選”(12120113095400)

作者簡介：閆潔茹(1992—)，女，碩士研究生，主要從事遙感地質(zhì)應(yīng)用研究工作，E-mail:461100056@qq.com

0引言

隨著我國經(jīng)濟的高速增長，對礦產(chǎn)資源的剛性需求成為焦點問題，但礦產(chǎn)資源的賦存狀態(tài)復(fù)雜多樣，礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀及與圍巖的關(guān)系等千變?nèi)f化，近地表的礦產(chǎn)資源日益減少，找礦難度越來越大。早在20世紀(jì)70年代，遙感已經(jīng)應(yīng)用在地質(zhì)找礦中，Abrams等1997年利用陸地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對礦化蝕變異常信息提取進行研究，提取了含3價鐵的蝕變巖，最早揭示了遙感蝕變異常信息提取與蝕變巖石中所含主要離子的關(guān)系。此后，遙感技術(shù)逐步應(yīng)用在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查中，Safwat等于2010年利用ASTER的波段比值和N維三度分析研究金礦化，表明了該方法對礦化蝕變分帶的研究較有成效(姚佛軍等,2012)。近年來，Bertoldi等(2011)采用ASTER數(shù)據(jù)探索了在地形高差大、陰影和云雪覆蓋厚的背景下，基于地形改正或干擾等級劃分等提取遙感礦化蝕變?nèi)醍惓＜扒秩霂r體等信息的方法(王頔等,2015)，初步解決了遙感礦化蝕變?nèi)醍惓Ｐ畔⑴c植被、云雪、陰影等復(fù)雜地質(zhì)背景疊加在一起的問題。

總結(jié)以往研究，針對植被覆蓋背景下斑巖型銅礦礦化弱異常精細化信息的增強處理仍較為薄弱。由于對遙感礦化蝕變地質(zhì)異常信息與背景干擾信息混合疊加這一現(xiàn)象重視不夠，導(dǎo)致植被覆蓋下斑巖型銅礦礦化低弱蝕變異常信息在提取過程中被屏蔽。基于此，從分析植被覆蓋特點及斑巖型銅礦礦化蝕變礦物光譜的基礎(chǔ)上，采用ASTER數(shù)據(jù)，在頻率域空間內(nèi)，基于多重分形模型，開展了寶興廠礦區(qū)斑巖型銅礦遙感蝕變?nèi)醍惓Ｐ畔⒌脑鰪娕c提取研究。

1礦區(qū)地質(zhì)特征

云南寶興廠礦區(qū)斑巖型銅鉬礦可分4期3種巖石類型。其成礦作用發(fā)生于寶興廠復(fù)式斑巖體內(nèi)，礦化與蝕變相伴進行從巖體向外為鉬礦、鉬礦+銅+鐵礦、鉛鋅鐵礦+金銀礦。金屬元素分帶為Mo—Cu+Mo (Fe)—Cu+Au—Pb+Zn+Au+As+Ag。表現(xiàn)出由巖體—接觸帶—圍巖地層由高溫—低溫的系列成礦效應(yīng)。巖體內(nèi)普遍發(fā)育自交代與熱液蝕變作用，蝕變特征因巖性而異。研究區(qū)與礦化密切的主要類型是鉀-硅化。鉀化主要表現(xiàn)為黑云母化，次為鉀長石化；“閃長巖模式”相同礦化與大量出現(xiàn)熱液黑云母相伴，但只有同時發(fā)育硅化時礦化才強；綠泥石則是低級變質(zhì)作用中的典型礦物(表1、圖1)。

表1　寶興廠銅礦蝕變分帶對應(yīng)特征蝕變礦物表

圖1　寶興廠礦區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)圖1-三疊系白土田組：淺灰、黃色砂巖、粉砂巖、泥巖夾紫紅色泥巖，底部含礫砂巖；2-二疊系峨眉山組：灰綠色致密、杏仁狀玄武巖，夾苦橄巖、凝灰質(zhì)砂泥巖、煤線及硅質(zhì)巖；3-二疊系陽新組：深色、淺色灰?guī)r間互，含燧石條帶或結(jié)核；4-石炭系水長阱組：灰、深灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖；5-泥盆系榴江組：灰黑、棕色硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖；6-泥盆系長育村組：黑白條帶狀硅質(zhì)巖夾灰白、粉紅色頁巖，頂部夾含磷、錳鮞狀灰?guī)r；7-志留系—泥盆系青山組：淺灰夾深灰色灰?guī)r，角礫狀灰?guī)r，底部黑灰色灰?guī)r；8-志留系康廊組：白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖；9-奧陶系南板河組：灰色鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖、砂巖夾含礫質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r；10-奧陶系向陽組：灰黑、灰綠、深灰色頁巖平石英細砂巖，頂部夾含礫砂巖、細砂巖；11-奧陶系海東組：灰色細粒含長石砂巖、石英砂巖；12-古近紀(jì)花崗斑巖Fig.1　Map showing geology and minerals in the Baoxingchang ore district

2數(shù)據(jù)源

研究區(qū)選擇植被覆蓋較厚的西南三江成礦帶寶興廠礦區(qū)。數(shù)據(jù)源為ASTER數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)源除在可見光、近紅外波段與TM、ETM+具有相近的波譜及空間分辨率外，在短波紅外和熱紅外波段則比TM、ETM+具有較高的波譜及空間分辨率，因而在地質(zhì)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。研究共涉及2景ASTER數(shù)據(jù)(時相：2006-02-06，2002-02-23)，該遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，云覆蓋較少，圖像清晰。

3研究方法

3.1　主成分分析法

主成分分析法是一種正交線性變換，在信息總量守恒的前提下，將多光譜圖像中高度相關(guān)的信息集中到少數(shù)幾個波段，并且盡可能保證這些波段之間的信息互不相關(guān)(荊風(fēng)等,2005)。由于遙感各波段相互之間存在一定的相關(guān)性，為減少各波段之間存在的相關(guān)性對分類的干擾，并兼顧礦化蝕變的波譜特征，因此，ASTER礦化蝕變遙感異常信息的提取用主成分分析法進行篩選。

一般來說，主成分分析法可以在信息損失最小的前提下，減少變量數(shù)目、降低數(shù)據(jù)維數(shù)，起到數(shù)據(jù)壓縮的作用；另外，主成分分析還具有去相關(guān)性的作用。以二維數(shù)據(jù)為例，第一主成分以取向代表信息量最大為原則，第二主成分與第一主成分正交。主成分分析在較低序的主成分分量中保留了多光譜數(shù)據(jù)的主要特征。所以，主成分分析方法所獲得的第一主成分是各個波段的加數(shù)和，基本上反映了地物總的輻射差異，其他成分則能夠揭示地物的某些波譜特征。

3.2　S-A法去除干擾信息

由于地質(zhì)成礦過程的長期性和復(fù)雜性，記錄這一過程的數(shù)據(jù)集往往具有非線性結(jié)構(gòu)和非平穩(wěn)特征(陳永清等,2009,2011)。其空間分布在特征空間域具有局部不均一性和各相異性，而且通常表現(xiàn)出服從多重分形分布的特征，其尺度不變性和廣義自相似性是各種地質(zhì)過程和地質(zhì)事件所產(chǎn)生的地質(zhì)特征和模式的本質(zhì)屬性，分形和多重分形模型可以用來表征尺度不變性(成秋明,2006)。因此，本次研究探索將非線性理論和方法引入有效提取變質(zhì)礦物異常信息中。

非線性理論和方法應(yīng)用于深層次礦致弱異常信息提取，可有效增強礦致弱異常信息，更好地提取礦致弱異常信息(陰江寧等,2012)。即采用基于“廣義自相似性”與“局部奇異性”多重分形模型的S-A法進行地質(zhì)背景與礦致異常的分離(王艷等，2012)。S-A法能夠在傅立葉能譜空間中度量地球化學(xué)異常所對應(yīng)的各向異性的廣義自相似性，并能通過識別不同的廣義自相似性將能譜的分布分解成不同的濾波器，進而利用傅立葉逆變換對地球化學(xué)異常和背景進行分解(黃靜寧等，2009)。這種自相似性可以由以下冪律關(guān)系表達：

A(>S)∝S-β

(1)

式(1)中，S為能譜密度，A為大于能譜密度的某一臨界值(S0)的面積。不同的β值在logA(>S0)-logS圖上能夠獲取。通常在log-log圖上，所有直線段服從關(guān)系式(1)。不同的直線段代表不同的分形關(guān)系，2條直線的交點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值(能譜密度值)被視為確定分形濾波器的閾值。借助這些閾值，可以構(gòu)造各種異常濾波器和背景濾波器，通過傅立葉逆變換將其變換到空間域中，以實現(xiàn)對復(fù)雜空間模式(如區(qū)域異常和局部異常)的分離。

4異常信息提取方案設(shè)計

寶興廠斑巖型銅礦礦區(qū)地表植被覆蓋較厚、斑巖型銅礦礦化蝕變分帶及其特征蝕變礦物特征明顯?；诖?，設(shè)計植被覆蓋區(qū)斑巖型銅礦礦化蝕變分帶信息提取方案如下。

4.1　植被覆蓋光譜反映及信息提取

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，是反映植被生長狀況及植被覆蓋度的一種廣泛應(yīng)用的指示因子(曾浩等,2013)。NDVI能夠與植被覆蓋呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性，對研究區(qū)進行NDVI研究表明，植被覆蓋度大于62%，表明該區(qū)域植被覆蓋較厚。

4.2　蝕變分帶特征礦物遙感異常提取

4.2.1石英及硅化蝕變帶信息提取分析石英的波譜曲線(圖2)可以發(fā)現(xiàn)：石英在ASTER數(shù)據(jù)的B2波段呈吸收谷，B4波段具有高反射，B12波段存在強反射，B11波段為強吸收，故認(rèn)為選取2、4、11、12波段進行主成分分析，可以提取絕大多數(shù)硅化信息。硅化異常分量PC2表征特征為在ASTER 2、11波段的貢獻應(yīng)與4、12波段相反，且12波段具有高載荷。對PC2分量應(yīng)用S-A法，將PC2分量傅里葉變換至頻率域空間(圖3)，以異常分量頻率值及像元數(shù)量分別作為S-A法中的S、A來考慮，生成log-log圖(圖4)。

圖2　石英波譜圖Fig.2　Diagrams showing spectra of quartz

圖3　石英PC2傅里葉變換結(jié)果圖Fig.3　Result of PC2 Flourier transform for quartz

圖4　石英異常分量S-A法log-log圖Fig.4　log-log plot of quartz anomaly component by the S-A method

log-log圖分形特征顯示，頻率域空間異常分量頻度與像元數(shù)量關(guān)系符合冪律關(guān)系，且可用不同直線段表示。不同的直線段代表了不同的分形關(guān)系，2條直線的交點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值(能譜密度值)被視為確定分形濾波器的閾值。log-log圖上，log(異常頻率)分形濾波器閾值為0.41，認(rèn)為該閾值為地質(zhì)背景與石英變質(zhì)礦物異常的分離值，選取該閾值即可進行地質(zhì)背景與石英變質(zhì)礦物的分離。

4.2.2鉀長石及鉀化蝕變帶信息提取分析鉀長石的波譜曲線(圖5)可以發(fā)現(xiàn)鉀長石在ASTER數(shù)據(jù)的B2波段具有高反射，B11波段存在反射峰，在B6、B12波段為小吸收谷，故認(rèn)為選取2、6、11、12波段進行主成分分析，可以提取絕大多數(shù)鉀化信息。

圖5　鉀長石波譜圖Fig.5　Diagrams showing spectra of K-feldspar

鉀化異常分量PC3表征特征為在ASTER 6、12波段貢獻應(yīng)與2、11波段相反，且11波段具有高載荷。對PC3分量應(yīng)用S-A法，將PC3分量傅里葉變換至頻率域空間(圖6)，以異常分量頻率值及像元數(shù)量分別作為S-A法中的S、A來考慮，生成log-log圖(圖7)。

圖6　鉀長石PC3傅里葉變換結(jié)果圖Fig.6　Result of PC3 Flourier transform for K-feldspar

圖7　鉀長石異常分量S-A法log-log圖Fig.7　log-log plot of K-feldspar anomaly component by the S-A method

log-log圖分形特征顯示，在頻率域空間異常分量頻度和像元數(shù)量關(guān)系符合冪律關(guān)系，且可用不同直線段表示。不同的直線段代表了不同的分形關(guān)系，2條直線的交點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值(能譜密度值)被視為確定分形濾波器的閾值。log-log圖上，log(異常頻率)分形濾波器閾值為0.38，認(rèn)為該閾值為地質(zhì)背景與鉀長石變質(zhì)礦物異常的分離值，選取該閾值即可進行地質(zhì)背景與鉀長石變質(zhì)礦物的分離。

4.2.3綠泥石及青盤巖化蝕變帶信息提取分析綠泥石的波譜曲線(圖8)可以發(fā)現(xiàn)：綠泥石在ASTER數(shù)據(jù)的B5波段存在反射峰，在B2、B8波段為吸收谷，在B11波段為強吸收。故認(rèn)為選取2、5、8、11波段進行主成分分析，可以提取絕大多數(shù)綠泥石信息。

圖8　綠泥石波譜圖Fig.8　Diagrams showing spectra of chlorite

綠泥石異常分量PC2表征特征為在ASTER5波段貢獻應(yīng)與11波段相反，且5波段具有高載荷。對PC2分量應(yīng)用S-A法，將PC2分量進行傅里葉變換至頻率域空間(圖9)，以異常分量頻率值及像元數(shù)量分別作為S-A法中的S、A來考慮，生成log-log圖(圖10)。

圖9　綠泥石PC2傅里葉變換結(jié)果圖Fig.9　Result of PC2 Flourier transform for chlorite

圖10　綠泥石異常分量S-A法log-log圖Fig.10　log-log plot of chlorite anomaly component by the S-A method

log-log圖分形特征顯示，頻率域空間異常分量頻度和像元數(shù)量關(guān)系符合冪律關(guān)系，且可用不同直線段表示。不同的直線段代表了不同的分形關(guān)系，2條直線的交點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)值(能譜密度值)被視為確定分形濾波器的閾值。log-log圖上，log(異常頻率)分形濾波器閾值為0.71，認(rèn)為該閾值為地質(zhì)背景與綠泥石變質(zhì)礦物異常的分離值，選取該閾值即可進行地質(zhì)背景與綠泥石變質(zhì)礦物的分離。

5野外驗證

對提取的礦化蝕變分帶異常信息進行野外查證(查證了32個野外驗證點，拍攝野外照片96張，其中29處吻合，3處未吻合，吻合率達91%)。結(jié)合室內(nèi)巖礦鑒定分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)各礦物蝕變異常多表現(xiàn)為硅化蝕變異常和鉀化蝕變異常，表明此次提取的礦化蝕變異常信息可以較好地指示蝕變類型，結(jié)果可靠，提取精度好，可作為近礦的重要指示應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查工作中(圖11、圖12、圖13)。

圖11　蝕變遙感異常提取8號點野外驗證及巖礦鏡下鑒定結(jié)果圖Fig.11　Field verification of alteration anomaly extraction point No. 8 and the identification under microscope

圖12　遙感蝕變異常提取12號點野外驗證及巖礦鏡下鑒定結(jié)果圖Fig.12　Field verification of alteration anomaly extraction point No.12 and the identification under microscope

圖13　寶興廠礦區(qū)蝕變信息分布圖Fig.13　Map showing distribution of alteration information in the Baoxingchang ore district

6結(jié)論

(1) 通過詳細分析復(fù)雜地質(zhì)背景(植被覆蓋)及石英、鉀長石和綠泥石3種礦物蝕變異常在ASTER數(shù)據(jù)中的特征波譜反映，引入多重分形模型，基于S-A法設(shè)計和構(gòu)建了ASTER數(shù)據(jù)斑巖型銅礦礦化蝕變分帶異常信息的提取方法和流程，結(jié)合野外驗證，該方法較好地實現(xiàn)了植被等背景信息的去除，改進了斑巖型銅礦礦化蝕變分帶異常提取精度。

(2) 在遙感蝕變異常信息提取過程中，將植被信息均作為背景信息予以去除，增強提取了硅化、鉀化和綠泥石化蝕變異常信息，可能由于蝕變異常信息過于微弱，造成部分區(qū)域的蝕變信息存在丟失現(xiàn)象，在后續(xù)研究中仍有待加強更加精細化的弱信息增強處理方法的探索。

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Extraction of anomaly information of mineralized alteration zonation for porphyry copper deposits in vegetation-covered areas using ASTER data

YAN Jie-ru1,2， ZHAO Zhi-fang1,2， SHI Qing-yun1,2， ZHANG Wei-hua1,2

(1. School of Resource Environment and Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, Yunnan, China； 2. Yunnan Provincial Remote Sensing Center, Kunming 650091, Yunnan, China)

Abstract：The previous extraction of mineralized alteration information using remote sensing images in vegetation-covered areas has poor accuracy, and is hard to identify weak anomalies from complex background. Therefore, taking the vegetation-covered Baoxingchang ore district in Sanjiang metallogenic belt as an example, and combin with its alteration zonation going inwardly from chloritization, potassium alteration, silicification to biotitization and silicification, this study used the multi-fractal ″generalized self similarity″ and ″local singularity″ theory and spectral area method (S-A method) in frequency domain, to discuss the alteration zonation and strengthened extraction of weak anomalies in complex geological setting using ASTER remote sensing data. Field verification shows that this method has realized an ideal result.

Keywords：porphyry copper deposit； vegetation cover； alteration mineralization； strengthening of weak anomaly information； S-A method； Qujing in Yunnan