基于ASTER數(shù)據(jù)韌性剪切帶型金礦蝕變信息提取方法優(yōu)化

劉建宇， 陳玲， 李偉， 王根厚， 王博

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

北山裂谷位于東天山—北山造山帶南部，是中亞造山帶的重要組成部分。已有研究成果表明，北山地區(qū)在古生代經(jīng)歷了復(fù)雜的洋殼俯沖、地塊碰撞拼接演化歷史，逆沖構(gòu)造、走滑斷層發(fā)育，古生代侵入巖廣泛分布[1-2]，使得北山地區(qū)成為了我國(guó)重要的金、銅、鉬、鐵等多金屬成礦帶。尤其在磁海Fe-Cu-Au-V-U-P成礦亞帶[3]，目前已在該帶東段甘肅境內(nèi)發(fā)現(xiàn)白墩子、小西弓和金窩子等金礦[4-7]，在西段新疆境內(nèi)發(fā)現(xiàn)了紅十井、大青山和222金礦[8-9]。這些金礦的形成均與該地區(qū)近EW向展布的大型韌性剪切帶具有密切關(guān)系。

特征離子或分子基團(tuán)引起的礦物和巖石的獨(dú)特反射或吸收特征，使得利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物填圖、蝕變提取和巖性識(shí)別成為可能。常見(jiàn)的方法有主成分分析(principal component analysis，PCA)和波段運(yùn)算等。PCA可以將大量相關(guān)的波段信息轉(zhuǎn)換為少量的包含不相關(guān)信息的波段，即主成分分量。Loughlin[10]通過(guò)對(duì)PCA統(tǒng)計(jì)結(jié)果的研究，總結(jié)出了對(duì)特定的TM波段組合進(jìn)行PCA提取鐵染和羥基蝕變異常的方法，并將該方法命名為Crosta法。在Loughlin的研究基礎(chǔ)上，Crosta等[11]提出了一種適用于具有更多短波紅外波段的ASTER數(shù)據(jù)的改良方法。該方法以典型蝕變礦物(如高嶺石、伊利石)的實(shí)驗(yàn)室波譜為參考，依次選取吸收、反射較強(qiáng)的波段，并對(duì)選擇出來(lái)的4個(gè)波段進(jìn)行PCA變換，最后根據(jù)特征向量統(tǒng)計(jì)結(jié)果選擇特定主成分分量進(jìn)行蝕變信息提取。波段運(yùn)算中，一般用目標(biāo)礦物的反射波段和吸收波段做比值運(yùn)算，以增強(qiáng)礦物的吸收特征[12-13]。目前，國(guó)內(nèi)外已有大量通過(guò)PCA和波段運(yùn)算處理ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感蝕變信息提取與遙感找礦預(yù)測(cè)的研究[12-19]。然而，許多學(xué)者指出，應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)提取出的相關(guān)蝕變信息中包含大量干擾信息，因此提出了多種去除干擾信息的方法。張玉君等[20]提出了利用標(biāo)準(zhǔn)離差對(duì)蝕變進(jìn)行分級(jí)； 張楠楠等[21]利用支持向量機(jī)(support vector machines，SVM)對(duì)PCA結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，提高蝕變提取結(jié)果與已知礦點(diǎn)的吻合率； 張志軍等[22]提出“SAM去干擾異常主分量門(mén)限技術(shù)”有效剔除了干擾異常，提取的蝕變礦物信息與實(shí)際情況吻合； 王頔等[17]采用多重分形“廣義自相似性”和“局部奇異性”理論與能譜面積法獲取的弱異常信息經(jīng)野外驗(yàn)證具較強(qiáng)的吻合性，實(shí)現(xiàn)了弱異常與復(fù)雜地質(zhì)背景的分離； 范素英[23]通過(guò)綜合分析蝕變信息、線環(huán)構(gòu)造和侵入巖等因素，利用層次分析法建立了冀北地區(qū)找礦預(yù)測(cè)模型，圈定了多個(gè)靶區(qū)。

由于目前遙感技術(shù)在尋找韌性剪切帶型金礦方面的應(yīng)用相對(duì)較少，因此選取北山裂谷成礦帶西段紅十井和磁海南2個(gè)研究區(qū)，對(duì)ASTER可見(jiàn)光-近紅外與短波紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA和波段運(yùn)算處理來(lái)識(shí)別斷裂構(gòu)造、區(qū)分地質(zhì)單元、尋找與韌性剪切帶型金礦密切相關(guān)的蝕變異常區(qū)，并優(yōu)化提取結(jié)果。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

北山造山帶自北向南共分布有4條大型蛇綠巖帶，分別是： 紅石山蛇綠巖帶、石板井蛇綠巖帶、紅柳河蛇綠巖帶和柳園蛇綠巖帶[2]。4條蛇綠巖帶將5個(gè)島弧單元相互隔開(kāi)，自北向南依次為： 雀兒山島弧、黑鷹山—旱山島弧(以白山—碎石黑山—路井?dāng)嗔褳榻?，北部為黑鷹山島弧，南部為旱山島弧)、雙鷹山—花牛山島弧(以黑山—堿泉子—大豁井為界，以北為雙鷹山島弧，以南為花牛山島弧)和石板山島弧(位于最南部)，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置[2]Fig.1 Sketch regional geological map of the Beishan orogenic belt and the locations of research areas[2]

本文2個(gè)研究區(qū)均位于雙鷹山島弧內(nèi)(圖1)，西部為紅十井研究區(qū)，東部為磁海南研究區(qū)。2個(gè)研究區(qū)內(nèi)主要出露地層為石炭系，包括下石炭統(tǒng)紅柳園組(C1h)第一亞組，主要巖性為灰綠色、灰色長(zhǎng)英質(zhì)砂巖、灰?guī)r、安山玢巖和凝灰?guī)r； 上石炭統(tǒng)矛頭山組(C2m)第二亞組，主要巖性為灰色、綠色安山巖、安山玢巖、玄武巖、細(xì)碧巖、凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)砂巖及灰?guī)r。紅柳園組和矛頭山組中的中酸性火山巖為主要的賦礦建造。紅十井研究區(qū)北側(cè)有石炭紀(jì)花崗巖侵入，而磁海南研究區(qū)內(nèi)未見(jiàn)侵入巖[24-25]。

紅十井—矛頭山斷裂為一大型韌性斷裂，周圍發(fā)育有與其近平行的次級(jí)斷裂，呈NE向穿過(guò)紅十井研究區(qū)，在磁海南研究區(qū)內(nèi)與白地洼—淤泥河斷裂會(huì)合。該斷裂帶是金礦的主要控礦構(gòu)造，沿紅十井—矛頭山斷裂發(fā)現(xiàn)的金礦有222金礦、八一泉金礦和青山口金礦等； 大青山金礦、大青山東金礦和平梁子金礦等則分布在次級(jí)斷裂附近[8-9]。與之類似，在甘肅境內(nèi)發(fā)現(xiàn)的金窩子金礦和白墩子金礦同樣主要受韌性斷裂控制[7, 27- 28]。上述金礦的蝕變類型較為一致，均以硅化、絹云母化和綠泥石化為主[26, 28]。

2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

ASTER傳感器共有14個(gè)波段，其中3個(gè)可見(jiàn)光-近紅外波段(空間分辨率15 m，第3波段另增設(shè)了具后視功能的3B波段)，6個(gè)短波紅外波段(空間分辨率30 m)，5個(gè)熱紅外波段(空間分辨率90 m)。本文共用到2景ASTER L1T數(shù)據(jù)，覆蓋紅十井研究區(qū)的數(shù)據(jù)獲取于2002年5月13日，覆蓋磁海南研究區(qū)的數(shù)據(jù)獲取于2001年8月23日，影像質(zhì)量都較好，無(wú)壞道，無(wú)云、雪覆蓋。由于ASTER自身原因?qū)е录t外通道傳感器相互干擾，使得第4波段探測(cè)器入射光發(fā)生了分散，因此需要進(jìn)行串?dāng)_校正。鑒于L1T級(jí)數(shù)據(jù)已經(jīng)過(guò)輻射校正、幾何糾正和地形校正，因此本次預(yù)處理只包括串?dāng)_校正、重采樣、輻射定標(biāo)及大氣校正。通過(guò)FLAASH 大氣校正前、后變質(zhì)輝長(zhǎng)巖的影像波譜及實(shí)測(cè)波譜(圖2)的對(duì)比可以看出，校正后可見(jiàn)光范圍的反射率降低，短波紅外范圍的反射率升高，從而突出了變質(zhì)輝長(zhǎng)巖在B8波段的吸收特征，有利于蝕變信息提取。

(a) 大氣校正前影像波譜(b) 大氣校正后影像波譜(c) 實(shí)測(cè)波譜

圖2變質(zhì)輝長(zhǎng)巖大氣校正前后影像波譜及實(shí)測(cè)波譜對(duì)比

Fig.2ImagespectrumofthemetagabbrobeforeandafterFLAASHatmosphericcorrectionandthespectrummeasuredbyASD

3 研究方法

研究區(qū)內(nèi)與金礦關(guān)系密切的蝕變?yōu)榻佋颇富?、綠泥石化、綠簾石化、碳酸鹽巖化和黃鐵礦化。本文在對(duì)USGS波譜庫(kù)中的方解石、白云石(典型碳酸鹽礦物)、白云母(礦物成分與絹云母極為相似，典型Al-OH蝕變礦物)、綠泥石、綠簾石(典型Mg-OH蝕變礦物)以及黃鐵礦的波譜特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將各典型蝕變礦物重采樣至ASTER波段范圍的波譜曲線如圖3所示。

圖3 重采樣后的典型蝕變礦物波譜Fig.3 Resampled spectra of the typical altered minerals

選取特定的波段組合進(jìn)行波段運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)某種礦物或離子的吸收或反射特征，達(dá)到在突出有利信息同時(shí)抑制干擾信息的目的。波段比值B2/B1和B5/B3+B2/B1一般被用來(lái)突出Fe3+和Fe2+的信息[31]，因此本次研究中選取以上2種波段運(yùn)算提取鐵染信息。像元值越大，代表Fe3+或Fe2+蝕變程度越強(qiáng)。

在完成蝕變提取后，對(duì)獲取的5個(gè)波段進(jìn)行乘法運(yùn)算以擴(kuò)大弱蝕變區(qū)和強(qiáng)蝕變區(qū)的差異，抑制因巖性、風(fēng)化物和植被等引起的假異常，突出具有多重蝕變的區(qū)域。通過(guò)與已知礦點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，選擇合適的經(jīng)驗(yàn)閾值，最后對(duì)異常提取結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，完成蝕變異常區(qū)篩選。

4 處理結(jié)果

4.1 PCA處理結(jié)果

以紅十井研究區(qū)為例，對(duì)B1，B3，B8和B9波段進(jìn)行PCA處理，提取碳酸鹽巖化蝕變。PC4分量包含了大量反映方解石、白云石在B8波段強(qiáng)烈吸收，B9波段反射的信息，而且B8波段的特征向量值為負(fù)，B9波段為正(表1)，所以方解石、白云石含量較高的像元較亮，反之色調(diào)較暗。

表1 ASTER B1，B3，B8和B9波段的PCA特征向量矩陣Tab.1 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B3，B8 and B9

與之類似，對(duì)B1，B4，B6和B7波段及B1，B5，B8和B9波段分別進(jìn)行PCA處理后發(fā)現(xiàn)，白云母在B6波段吸收，在B7波段反射和綠泥石、綠簾石在B8波段吸收，在B9波段反射的特征均在PC4分量表現(xiàn)明顯； 且吸收波段的特征向量為負(fù)，反射波段的特征向量為正。因此亮度高的像元包含更多白云母或綠泥石、綠簾石(表2—3)。

表2 ASTER B1，B4，B6和B7波段的PCA特征向量矩陣Tab.2 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B4，B6 and B7

表3 ASTER B1，B5，B8和B9波段的PCA特征向量矩陣Tab.3 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B5，B8 and B9

(c) 紅十井Al-OH異常(d) 磁海南Al-OH異常

(e) 紅十井Mg-OH異常(f) 磁海南Mg-OH異常

圖42個(gè)研究區(qū)ASTER數(shù)據(jù)異常信息提取結(jié)果

Fig.4ExtractionresultsofalterationinformationbyASTERintwostudyareas

4.2 波段運(yùn)算結(jié)果

利用波段運(yùn)算所得到的2個(gè)研究區(qū)的Fe2+和Fe3+異常結(jié)果如圖5所示，在空間上異常的分布具有一定規(guī)律性。

(a) 紅十井Fe2+異常分布(b) 磁海南Fe2+異常分布

(c) 紅十井Fe3+異常分布(d) 磁海南Fe3+異常分布

圖52個(gè)研究區(qū)鐵染異常處理結(jié)果

Fig.5Resultsofferricalterationanomalyintwostudyareas

從圖5可以看出，紅十井研究區(qū)的2種結(jié)果雖然均沿NE向展布，但是分布區(qū)域差別較大，研究區(qū)中部和西南部Fe2+異常較弱，大青山金礦周圍未見(jiàn)異常，而在Fe2+異常強(qiáng)度較高的北部地區(qū)則未見(jiàn)已知金礦。Fe3+異常與已知金礦分布較為一致，尤其在紅十井金礦—紅西金礦一帶，但在中部、北部未見(jiàn)已知金礦地區(qū)卻出現(xiàn)了大面積異常。磁海南研究區(qū)的Fe2+異常分布較廣，而Fe3+異常則集中分布于研究區(qū)北部和南部，中部較少。

4.3 異常篩選

從PCA和波段運(yùn)算的結(jié)果可以看出，紅十井研究區(qū)內(nèi)的已知礦點(diǎn)雖然均位于所提取出的異常內(nèi)，但是沒(méi)有一種異常信息與已知礦點(diǎn)吻合程度較高。而且，每種方法均提取出了較多的干擾信息。對(duì)照地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，這些干擾信息明顯更多地反映了地層的信息。這些信息的存在大大降低了蝕變異常提取的精度。通過(guò)總結(jié)金礦與蝕變異常的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，金礦一般位于多種蝕變均較強(qiáng)的區(qū)域，一種蝕變異常的強(qiáng)弱對(duì)于尋找金礦的指示意義較弱。為了篩選出具有多種蝕變異常的地區(qū)，本文將以上5個(gè)處理結(jié)果做乘法運(yùn)算，以增大具有多種異常的像元亮度值與僅有一種或蝕變較弱的像元亮度值之間的差異，使得異常重疊區(qū)具有更高的亮度值。再通過(guò)閾值分級(jí)，精確選取出更具指示意義的復(fù)合異常區(qū)(圖6)。

(a) 紅十井異常篩選結(jié)果及已知礦點(diǎn)(b) 磁海南異常篩選結(jié)果及野外驗(yàn)證區(qū)

圖6篩選后的復(fù)合異常區(qū)及野外驗(yàn)證區(qū)

Fig.6Resultsofselectedanomalies

5 結(jié)果驗(yàn)證

由于紅十井研究區(qū)地質(zhì)資料較豐富，磁海南研究區(qū)資料較少，且交通相對(duì)便利，因此對(duì)2個(gè)研究區(qū)內(nèi)篩選出的異常結(jié)果采用不同的方式進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)紅十井研究區(qū)采用與已知礦點(diǎn)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證，在磁海南研究區(qū)進(jìn)行野外實(shí)地驗(yàn)證。樣品的薄片鑒定由河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室完成，波譜測(cè)試?yán)妹绹?guó)ASD波譜分析儀完成。

5.1 對(duì)比驗(yàn)證

將紅十井研究區(qū)篩選后的異常結(jié)果同已知礦點(diǎn)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，所有已知礦點(diǎn)均位于異常區(qū)內(nèi)(圖6)。雖然在研究區(qū)的北部及東部無(wú)礦點(diǎn)地區(qū)仍有少量異常分布，但篩選后的結(jié)果范圍大大減小，且與已知礦點(diǎn)吻合度較高，相對(duì)于傳統(tǒng)的PCA提取異常的方法有了明顯進(jìn)步。

5.2 野外驗(yàn)證

磁海南研究區(qū)內(nèi)的異常主要分布在北部地區(qū)，受庫(kù)木塔格沙壟阻隔，研究區(qū)西北部地區(qū)難以到達(dá)，且異常較少，因此本次野外驗(yàn)證主要在東北部地區(qū)開(kāi)展。

(a) 紅柳園組大理巖化灰?guī)r(b) 矛頭山組角閃片巖(c) 變質(zhì)花崗斑巖內(nèi)絹云母(薄片)

圖7-1研究區(qū)野外照片、樣品薄片及波譜分析結(jié)果

Fig.7-1PhotosofthefieldworkinsouthofCihairegionandphotomicrographofthemeta-graniteandspectraofthesamplesmeasuredbyASD

(d) 樣品實(shí)測(cè)波譜(e) 野外礦點(diǎn)(f) 探槽內(nèi)褐鐵礦化

圖7-2研究區(qū)野外照片、樣品薄片及波譜分析結(jié)果

Fig.7-2PhotosofthefieldworkinsouthofCihairegionandphotomicrographofthemeta-graniteandspectraofthesamplesmeasuredbyASD

6 討論

一般斑巖型銅礦具有硅化、鉀化的核，在核的外圍分布有泥化、絹英巖化和青磐巖化蝕變帶。不同蝕變的形成與溫度有密切關(guān)系，因此這些蝕變帶具有圍繞巖體分布的特征[33]。泥化帶的代表變質(zhì)礦物為在2.20 μm處有吸收特征的高嶺石和黃鉀鐵礬，絹英巖化帶的變質(zhì)礦物為在2.17 μm處有吸收特征的伊利石和絹云母，青磐巖化帶的代表礦物為綠泥石、綠簾石和方解石，吸收谷位于2.35 μm處。目前已有不少學(xué)者基于以上規(guī)律，利用多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變帶的劃分并進(jìn)行礦產(chǎn)預(yù)測(cè)[15, 31-32]。韌性變形構(gòu)成中產(chǎn)生的構(gòu)造分異作用會(huì)導(dǎo)致韌性剪切帶內(nèi)的礦物組成與化學(xué)成分變化，形成含金熱液[26]。成礦溫度在115～381℃，變化較大。因此，在這種背景下，韌性剪切帶型金礦的蝕變并不像斑巖型銅礦那樣具有較強(qiáng)的規(guī)律性。而且韌性剪切帶兩側(cè)地層受構(gòu)造產(chǎn)生的區(qū)域變質(zhì)作用影響，形成絹云母等變質(zhì)礦物，因此造成蝕變異常沿韌性斷裂分布較廣。所以，很難靠一種方法，或者提取一種蝕變信息而準(zhǔn)確找到成礦有利帶。

7 結(jié)論

1)受區(qū)域變質(zhì)作用的影響，在北山地區(qū)用傳統(tǒng)PCA方法提取的蝕變異常中具有大量反映地層信息的假異常。

3)該方法具有高效、快速的特點(diǎn)，對(duì)于在北山裂谷尋找韌性剪切帶型金礦具有先行指導(dǎo)意義。

4)本次研究中未能對(duì)紅十井研究區(qū)東部和北部的異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，在以后工作中需要開(kāi)展大量野外工作，對(duì)該方法的有效性和普適性做進(jìn)一步驗(yàn)證。