甘肅省席芨水地區(qū)遙感蝕變信息提取及找礦遠(yuǎn)景分析

周永剛

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

遙感作為一種大數(shù)據(jù)載體，具有數(shù)據(jù)量大、信息繁雜、干擾信息多、更新速度快等特點(diǎn)。隨著航空、航天技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感影像的空間分辨率和光譜分辨率越來越高，在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前，針對(duì)地質(zhì)找礦已經(jīng)開發(fā)出了多種有效的光譜處理方法，常見的有比值法、主成分分析法、光譜角法、混合像元法、MPH技術(shù)等[1-4]。應(yīng)用遙感技術(shù)從宏觀上了解區(qū)域地層、構(gòu)造、巖漿巖展布特征[5]，提取礦化蝕變信息，從而圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)，是找礦預(yù)測的一種有效手段。

研究區(qū)席芨水地區(qū)屬于甘肅省靖遠(yuǎn)縣石門鄉(xiāng)、水泉鄉(xiāng)和景泰縣中泉鄉(xiāng)管轄。屬祁連山系北側(cè)的中低山-丘陵區(qū)，北高南低，海拔高度為1600～2842m，高差一般為200～400m，中等切割。水系主要是從研究區(qū)南部穿流而過的黃河及其支流。大陸性干旱氣候，除黃河兩岸的局限區(qū)域外，植被稀少、基巖裸露較好，為礦化蝕變信息的提取提供了先決條件。

自1958年至今，研究區(qū)只進(jìn)行過1∶20萬、1∶5萬區(qū)調(diào)、化探及少量的礦點(diǎn)檢查和礦產(chǎn)勘查工作，地質(zhì)研究程度較低。該文以ETM+數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對(duì)研究區(qū)與金礦(化)有關(guān)的礦化蝕變信息進(jìn)行了提取，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景、區(qū)域成控礦條件、區(qū)域物化探異常等資料，圈定金礦找礦遠(yuǎn)景區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1—加里東期構(gòu)造層；2—海西-印支期構(gòu)造層；3—燕山-喜山期構(gòu)造層；4—加里東晚期斜長花崗巖；5—加里東晚期石英閃長巖；6—角度不整合界線；7—實(shí)測及推測逆斷層；8—性質(zhì)不明斷層；9—傾伏向斜；10—傾伏背斜；11—構(gòu)造分區(qū)界線；12—河流；13—地名；14—研究區(qū)圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置簡圖

區(qū)域構(gòu)造屬于華北板塊、北祁連構(gòu)造分區(qū)(圖1)，秦祁昆成礦域北祁連成礦帶[6-8]。位于北祁連加里東褶皺帶東部，松山復(fù)向斜的南翼，荒涼灘斷裂的中段*寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，甘肅省靖遠(yuǎn)縣紅窩窩一帶金礦普查報(bào)告，2009年。。構(gòu)造以具多期活動(dòng)的斷裂和褶皺構(gòu)造發(fā)育為主要特點(diǎn)，區(qū)內(nèi)斷裂走向主要為NW向，該組斷裂及其次級(jí)斷裂是區(qū)內(nèi)主要的控礦構(gòu)造?；臎鰹嗔咽菂^(qū)內(nèi)規(guī)模最大的斷裂，總體表現(xiàn)出向東收斂、向西散開的“掃帚”狀。松山復(fù)向斜是區(qū)內(nèi)規(guī)模最大的褶皺。

區(qū)內(nèi)地層屬于祁連山分區(qū)、北祁連地層小區(qū)[6-8]，出露地層較為齊全，尤以奧陶系、下志留系最為發(fā)育。從老到新為古生代奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系，中生代三疊系、侏羅系、白堊系，新生代新近系和第四系*寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，甘肅省靖遠(yuǎn)縣紅窩窩一帶金礦普查報(bào)告，2009年。。

區(qū)內(nèi)巖漿巖主要為加里東晚期的石英閃長巖、斜長花崗巖、輝石閃長巖等[6-8]。以巖基或巖株形態(tài)侵入于奧陶紀(jì)、志留紀(jì)地層中。其中，石英閃長巖多充填于NW向斷裂及NW與NE向斷裂交會(huì)處，呈脈狀或條帶狀，與金礦(化)關(guān)系密切*寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，甘肅省靖遠(yuǎn)縣紅窩窩一帶金礦普查報(bào)告，2009年。。

2 遙感蝕變異常信息提取

2.1 遙感數(shù)據(jù)的選取及預(yù)處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)的選取

(1)遙感數(shù)據(jù)選擇

對(duì)比多個(gè)不同年份和獲取時(shí)間的ETM+數(shù)據(jù)，根據(jù)影像形成季節(jié)、時(shí)間、植被發(fā)育程度、云雪覆蓋度及數(shù)據(jù)完整性等多個(gè)指標(biāo)，最終選取了植被尚不繁茂、太陽高度角較大、無云雪覆蓋、數(shù)據(jù)完整等[9]，獲取于2003年4月24日、太陽高度角57.8°、太陽方位角134.2°、云量為0、軌道號(hào)為130～34的Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)。ETM+數(shù)據(jù)包含8個(gè)波段，其中ETM+1為可見藍(lán)光波段，波長范圍0.45～0.515μm，分辨率30m，可穿透淺水體，含鐵離子礦物反射波譜曲線表現(xiàn)為吸收谷，對(duì)含鐵離子地質(zhì)體識(shí)別較好等；ETM+2為可見綠光波段，波長范圍0.525～0.605μm，分辨率30m，可穿透淺水體，識(shí)別植被效果較好等；ETM+3為可見紅光波段，波長范圍0.630～0.690μm，分辨率30m，葉綠素吸收谷，能較好地反映地層、構(gòu)造及植被等；ETM+4為近紅外波段，波長范圍0.760～0.900μm，分辨率30m，是葉綠素反射峰，能較好地反映地層、構(gòu)造、隱伏地質(zhì)體及地形地貌等特征；ETM+5為中紅外波段，波長范圍1.550～1.750μm，分辨率30m，對(duì)地物含水量(植被、第四系沉積物)、構(gòu)造、隱伏斷裂等反映較好；ETM+6為熱紅外波段，波長范圍10.40～12.5μm，分辨率60m，對(duì)地物熱異常反應(yīng)明顯；ETM+7為中紅外波段，波長范圍2.080～2.35μm，分辨率30m，是含羥基、碳酸根離子的吸收區(qū)，能較好的反映巖石的礦化蝕變情況，同時(shí)對(duì)地層、構(gòu)造、巖漿巖等地質(zhì)體反映也較好，是地質(zhì)工作常用波段；ETM+8為全色波段，波長范圍0.52～0.92μm，包含豐富的信息，分辨率15m，可與多光譜數(shù)據(jù)融合制作空間分辨率和光譜分辨率都較高的影像圖。

(2)最優(yōu)波段組合選擇

為了在遙感影像上更直觀地突出研究區(qū)的地質(zhì)特征，并使之包含豐富而又層次分明的地質(zhì)信息，進(jìn)行了最優(yōu)波段組合的選擇。主要選擇地物信息豐富，數(shù)據(jù)冗余度低的波段進(jìn)行組合[10-12]，遙感數(shù)據(jù)光譜信息統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 ETM+各波段特征及其相關(guān)性統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，各波段地物光譜信息含量從多到少依次是ETM+7>ETM+5>ETM+3>ETM+4>ETM+2>ETM+1，因?yàn)椴煌ǘ沃g可能存在數(shù)據(jù)冗余，所以不能直接選擇信息量最多的前3個(gè)波段。根據(jù)Landsat7搭載的傳感器的目的不同，ETM+數(shù)據(jù)包含多光譜波段組、熱紅外波段組、全色波段，根據(jù)所處的不同波長范圍，多光譜各波段分為可見光波段(ETM+1，ETM+2，ETM+3)、近紅外波段(ETM+4)、中紅外波段(ETM+5，ETM+7)，不同的波長范圍接受不同的地物光譜信息，因此，理論上在可見光、近紅外、中紅外3個(gè)波段組中，各選擇一個(gè)波段進(jìn)行假彩色合成包含的信息最為豐富。

為定量地了解各波段之間數(shù)據(jù)冗余程度，對(duì)多光譜的6個(gè)波段進(jìn)行了相關(guān)性分析(表1)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，ETM+1與ETM+2，ETM+3兩個(gè)波段相關(guān)性較高，均為0.90以上，因此可見，3個(gè)波段只能選擇一個(gè)，而與ETM+4、ETM+5、ETM+7三個(gè)波段相關(guān)性較低均在0.80以下。ETM+5與ETM+7相關(guān)性最大，ETM+4與ETM+5相關(guān)性次之，ETM+4與ETM+7相關(guān)性最小。另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，6個(gè)波段與其他各波段相關(guān)性總和大小依次為ETM+1

通過以上分析可知，ETM+1波段與其他波段相關(guān)性總體最低，ETM+7波段與其他波段相關(guān)性總體次低，且ETM+7波段對(duì)地質(zhì)體特征及其礦化蝕變信息反映較好，故中紅外光譜范圍選擇ETM+7、近紅外光譜范圍選擇ETM+4，可見光光譜范圍選擇ETM+1，即741波段組合是該次選擇的最優(yōu)波段組合，為了更好地反映地質(zhì)體特征，提高影像的顯示效果，將741波段組合的假彩色影像與ETM+8波段進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，使其結(jié)果既有多光譜特征，又具有較高的空間分辨率特征。

2.1.2 遙感影像預(yù)處理

為更好地突出地質(zhì)信息，對(duì)遙感影像進(jìn)行了直方圖拉伸、方向增強(qiáng)、濾波、幾何校正、準(zhǔn)歸一化、去除干擾信息等一系列遙感影像增強(qiáng)和去干擾操作。

(1)準(zhǔn)歸一化

對(duì)遙感影像原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)歸一化處理包括大氣輻射校正、太陽高度角校正、日地距離校正、大氣層上照度較正及高低增益校正等[13-15]。將原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)歸一為同一比例尺的視反射率值，目的是改進(jìn)相鄰影像處理結(jié)果的可比性及影像拼接時(shí)的色調(diào)一致性。目前常見的遙感處理軟件都有相關(guān)的處理模塊，需要的參數(shù)在頭文件中都可以查到，例如影像中心坐標(biāo)，傳感器類型，衛(wèi)星過研究區(qū)時(shí)間等。根據(jù)研究區(qū)實(shí)際，地面高程設(shè)置為1.92km，大氣校正模式選擇Sub-Arctic Summer，氣溶膠模式選擇Rural，氣溶膠反演模式選擇2-Band(K-T)，Kaufman-Tanre氣溶膠反演默認(rèn)條件為Over-Land Retrieval standard等。

(2)去除干擾信息

去除邊框：因?yàn)閭鞲衅鳙@取數(shù)據(jù)時(shí)掃描順序的差異，導(dǎo)致獲得的遙感影像左右兩側(cè)影像邊參差不齊，為消除其影響，選擇ETM+1×ETM+5[14]去除遙感影像左右兩側(cè)邊的影響，使其不參與到主成分分析的操作中。

去除水體、陰影：水體和陰影是遙感礦化蝕變異常提取中常見的干擾信息，根據(jù)其光譜特征，水體(陰影)一側(cè)ETM+7ETM+1。故此，選擇常用的ETM+7/ ETM+1去除水體、陰影的干擾[3,13-15]。

去除植被：植被是遙感礦化蝕變異常提取中常見的一種干擾因素，根據(jù)植被光譜特征，前人采用過ETM+5/ETM+4、ETM+3/ETM+4、ETM+4/ETM+3等比值法或其他波段運(yùn)算的方法來獲得植被信息[3,13-15]，經(jīng)過對(duì)比分析，選擇了操作簡單、植被信息反映較好的ETM+3/ETM+4，以消除植被干擾信息。

2.2 遙感礦化蝕變異常信息提取

主成分分析法(PCA：Principal Component Analysis)是遙感礦化蝕變異常信息提取最常用也是最成熟的方法[11-13]，是基于信號(hào)二階統(tǒng)計(jì)特征的分析方法，其分析結(jié)果各主量之間不相關(guān)，地物光譜信息多集中于第一主成分分量之上，光譜信息量向后依次減少，且各主分量之間包含的信息互不重復(fù)。遙感蝕變信息的提取主要使用ENVI5.1、ARCGIS10.2等軟件，以經(jīng)過幾何校正、去除或降低干擾信息等處理的ETM+數(shù)據(jù)為主，使用PCA1345分析提取鐵染異常[13-15]，使用PCA1457分析提取羥基異常[13-15]，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征、區(qū)域成控礦條件和區(qū)域物化探特征，建立統(tǒng)一的礦化蝕變遙感異常解譯標(biāo)志，為區(qū)域礦產(chǎn)預(yù)測提供依據(jù)。

2.2.1 羥基異常提取

含有羥基、碳酸根離子的礦物在ETM+7波段為強(qiáng)光譜吸收帶，在ETM+5波段為高反射區(qū)，而在ETM+4(反射)～ETM+1(吸收)之間存在較弱的光譜反差[13,16-18]。對(duì)掩膜處理后的ETM+1，ETM+4，ETM+5，ETM+7波段進(jìn)行主成分分析，其特征向量及特征值見表2。

表2 ETM+1，ETM+4，ETM+5，ETM+7主成分分析特征向量

根據(jù)地物光譜特征，對(duì)含有羥基異常分量的判別標(biāo)準(zhǔn)為：ETM+5波段與ETM+1波段系數(shù)相同，與ETM+4、ETM+7波段系數(shù)相反，得出含羥基異常的主分量為PC4。以k倍的標(biāo)準(zhǔn)離差(σ)值作為閾值對(duì)PC4進(jìn)行分級(jí)，用不同顏色表示不同的羥基異常強(qiáng)度等級(jí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，PC4分量的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.006351，經(jīng)試驗(yàn)取k=2，1，0.5。根據(jù)選取的kσ值對(duì)PC4進(jìn)行密度分割，從而提取羥基異常信息，異常分級(jí)數(shù)據(jù)見表3，羥基異常結(jié)果疊加741假彩色影像結(jié)果見圖2。

表3 羥基異常強(qiáng)度等級(jí)劃分

圖2 羥基異常提取圖

2.2.2 鐵染異常提取

硫化、氧化金礦(化)體含有Fe3+，F(xiàn)e2+，含有Fe3+的礦物特征光譜信息主要集中在ETM+1～ETM+4波段，其中在ETM+1，ETM+4波段為吸收谷，在ETM+3波段為高反射區(qū)。含有Fe2+的礦物特征光譜信息主要集中在ETM+5，ETM+7波段，為避免ETM+7波段含羥基和碳酸根礦物光譜信息的干擾，舍棄ETM+7波段，選擇ETM+5波段參與運(yùn)算[13,16-18]。對(duì)掩膜處理后的ETM+1，ETM+3，ETM+4，ETM+5波段進(jìn)行主成分分析，其特征向量及特征值見表4。

表4 ETM+1，ETM+3，ETM+4，ETM+5主成分分析特征向量

根據(jù)地物光譜特征，對(duì)含有羥基異常分量的判別標(biāo)準(zhǔn)為：ETM+3波段與ETM+1、ETM+4波段系數(shù)相反，得出含鐵染異常的主分量為PC4。以N倍的標(biāo)準(zhǔn)離差(σ)值作為閾值對(duì)PC4進(jìn)行分級(jí)，用不同顏色表示不同的鐵染異常強(qiáng)度等級(jí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，PC4分量的標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.006505，經(jīng)試驗(yàn)取k=3，1.5，0.5。根據(jù)選取的kσ值對(duì)PC4進(jìn)行密度分割，從而提取鐵染異常信息，異常分級(jí)數(shù)據(jù)見表5，鐵染異常結(jié)果疊加741假彩色影像結(jié)果見圖3。

表5 鐵染異常強(qiáng)度等級(jí)劃分

圖3 鐵染異常提取圖

3 遙感蝕變異常分析及找礦遠(yuǎn)景區(qū)的圈定

3.1 遙感蝕變異常分析

提取出羥基異常群點(diǎn)3處：①②號(hào)斷裂的交會(huì)處中級(jí)異常1處，②號(hào)斷裂西北段中高級(jí)異常1處及③號(hào)斷裂北側(cè)斷裂交會(huì)處高級(jí)異常1處(圖2、圖4)。提取出鐵染異常群點(diǎn)4處：②號(hào)斷裂西北段高級(jí)異常2處，①②號(hào)斷裂的交會(huì)處中級(jí)異常1處，③號(hào)斷裂北側(cè)斷裂交會(huì)處中級(jí)異常1處(圖3、圖4)。

在②號(hào)斷裂西北端有1處高級(jí)鐵染異常(圖3、圖4)，主要分布于②號(hào)斷裂南西側(cè)，沖溝水系發(fā)育，然而該區(qū)為第四系覆蓋區(qū)，羥基無明顯異常，推測其為非礦致異常，實(shí)際工作中可在沖溝上游的②號(hào)斷裂及其次級(jí)斷裂布置檢查路線。其余3個(gè)異常主要在斷裂交會(huì)處，或者沿?cái)嗔?、巖體接觸帶發(fā)育，異常強(qiáng)度較好，且羥基異常與鐵染異常套合較好，推測為礦致異常。

3.2 找礦遠(yuǎn)景區(qū)的圈定

分析提取的鐵染蝕變異常和羥基蝕變異常，選擇了分布連續(xù)、具有一定規(guī)模、異常強(qiáng)度為中級(jí)—高級(jí)、與構(gòu)造密切相關(guān)的3個(gè)異常區(qū)為找礦遠(yuǎn)景區(qū)(圖4)。

圖4 成礦遠(yuǎn)景區(qū)分布圖

遙感礦化蝕變異常信息的提取與研究區(qū)密切相關(guān)，研究區(qū)面積大小及其內(nèi)地質(zhì)體的類型、分布范圍、成因類型、礦物組合、礦化蝕變區(qū)的大小和強(qiáng)度等均對(duì)提取結(jié)果有直接影響。另外，提取的異常在后處理的過程中可能會(huì)因?yàn)殚撝颠x擇的原因，導(dǎo)致漏掉異?；蚣佼惓５默F(xiàn)象，可結(jié)合該區(qū)地、物、化資料對(duì)異常進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[19-20]。

4 野外驗(yàn)證

為驗(yàn)證遙感礦化蝕變信息提取結(jié)果，僅選擇了交通條件較為便利，距離較近的3號(hào)成礦遠(yuǎn)景區(qū)進(jìn)行了實(shí)地踏勘。踏勘發(fā)現(xiàn)：②號(hào)斷裂向NW方向延伸穩(wěn)定，沿?cái)嗔褦嗬m(xù)見有巖體出露，并見有發(fā)育一系列NW，NE向次級(jí)斷裂。斷裂帶內(nèi)、斷裂與巖體交會(huì)處,②號(hào)斷裂與次級(jí)斷裂交會(huì)處見有褐鐵礦化、硅化、綠泥石化、綠簾石化、高嶺土化等礦化蝕變現(xiàn)象。在3號(hào)成礦遠(yuǎn)景區(qū)北東側(cè)山坡處見有私采礦硐(圖4)，因礦硐內(nèi)積水未能采取化驗(yàn)樣。

通過野外踏勘可知，遙感蝕變信息提取結(jié)果與具有一定規(guī)模的礦(化)點(diǎn)具有較好的相關(guān)性，能夠?yàn)檎业V勘查提供指導(dǎo)信息和方向。

5 結(jié)論

(1)ETM+1，ETM+2，ETM+3，ETM+4，ETM+5，ETM+7波段含有豐富的光譜信息，利用各礦物在不同波譜段反射或吸收的特性進(jìn)行主成分分析，從而提取遙感金礦化蝕變信息是可行的。

(2)干擾信息的去除或壓制至關(guān)重要，關(guān)系到提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用“多元數(shù)據(jù)分析+準(zhǔn)歸一化+掩膜分析+主成分分析+密度分割”方法，在植被覆蓋較少、基巖出露較好的干旱區(qū)開展遙感金礦化蝕變信息(主要是羥基異常和鐵染異常信息)提取，能有效消除植被、水系、陰影等干擾信息。同時(shí)，結(jié)合區(qū)域成、控礦因素、物化探異常進(jìn)行金礦成礦遠(yuǎn)景區(qū)預(yù)測是有效的。

(3)研究區(qū)羥基異常和鐵染異常信息與線性構(gòu)造有密切的相關(guān)性，共圈定找礦遠(yuǎn)景區(qū)3處，即①②號(hào)斷裂的交會(huì)處，②號(hào)斷裂西北段，③號(hào)斷裂北側(cè)的次級(jí)斷裂交會(huì)處，圈定了高級(jí)異常、中高級(jí)異常及中級(jí)異常各1處。