北衙金礦床遙感礦化蝕變信息提取及找礦預測

魏英娟，劉 歡

(1.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心，北京 100048；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037)

0 引言

遙感以其宏觀性、綜合性的特點，已成為人類研究地球表層系統(tǒng)的有力工具。多光譜遙感根據不同光譜特征對地物的響應特征，能夠客觀反映地質體、構造及礦化蝕變等地質要素，在地質找礦領域發(fā)揮著重要作用[1]。北衙金多金屬礦區(qū)是金沙江-哀牢山富堿斑巖帶內已發(fā)現(xiàn)規(guī)模最大的新生代富堿斑巖型金多金屬礦床，在西南三江地區(qū)占有極為重要的地位，前人雖然曾經在巖體、地球化學、地球物理等單方面信息及地、物、化多源綜合信息等方面開展過找礦預測工作[2]，但是，利用遙感技術手段開展北衙礦區(qū)成礦預測研究相對較少，主要有影像線、環(huán)結構—構造地球化學集成成礦預測方法，該方法通過遙感影像解譯線性體、環(huán)形體及斷裂構造等地質信息，結合構造地球化學信息開展成礦預測[3]。目前基于遙感影像在地質領域常用的有異常信息提取、地質解譯及找礦預測技術方法[4]，本文在基于信息異常提取、地質解譯的基礎上，結合了野外實地查證，圈定了找礦遠景區(qū)，避免了遙感解譯的相對主觀性，使預測結果更加客觀、可信。

在遙感異常信息提取方面，在過去的幾十年中，國內外研究者相繼將比值、主成分分析、光譜角，以及它們的混合等圖像處理方法，以及較少被用到的小波分析、神經網絡、分數維幾何(分形)等[5]技術用于遙感異常信息提取，并建立了一套完善的信息提取機制，取得了大量的科學成果，已成為遙感找礦的一個重要方法。而其中主成分分析法在提取蝕變信息中運用最為廣泛，張玉君等建立的 “去干擾異常主成分門限化”技術，在遙感數據異常提取中取得了較好的成果[6]。而本文在采用“去干擾異常主成分門限化”技術方法進行蝕變異常提取的基礎上，結合地質解譯及野外實地查證，圈定了找礦遠景區(qū)，使預測結果更加客觀、可信[7]。

1 研究區(qū)概況

北衙研究區(qū)位于云南省西北部，隸屬于云南省大理白族自治州管轄，坐標范圍為E100°00′～100°15′，N26°0′～26°10′。屬于中低山地，微地貌地形下切一般往往形成小型“V”或大型“U”溝谷水系，進而發(fā)育為平緩或渾圓狀、錐狀山或豬背脊狀山體等。區(qū)內發(fā)育有3條南北向流淌數千米較寬闊的現(xiàn)代水系及兩側形成的沖洪積平原河漫灘地或高平地，沿河漫灘地或高平地居住人類或耕種農作物外還發(fā)育有低矮的灌木林或草本植物。區(qū)內基巖隆起的褶皺山體巖石裸露程度較好，只有地表為平原河漫灘地區(qū)域被第四系覆蓋，總體認為研究區(qū)基本屬于遙感蝕變信息提取和可解譯程度較高的地區(qū)。

2 技術路線

本研究采用具有Landsat7衛(wèi)星ETM+數據的全部波段，并且比ETM+波譜分辨率更高、時相更新的Landsat8衛(wèi)星OLI數據，利用“去干擾異常主成分門限化”技術方法，對北衙地區(qū)的OLI遙感數據進行了蝕變信息提取及地質解譯，根據蝕變異常信息和解譯結果結合野外實地查證圈定了找礦靶區(qū)(圖1)，為研究區(qū)地質找礦提供了重要依據。

圖1 北衙金多金屬礦床遙感異常信息提取、地質解譯及找礦預測流程Fig.1 Flow chart of remote sensing anomaly information extraction,geological interpretation and prospecting prediction of Beiya gold polymetallic deposit

3 蝕變異常信息提取

3.1 波譜數據選擇

與北衙金多金屬礦化有關的蝕變類型主要為硅化、褐鐵礦化、黃鉀鐵礬化、黃鐵礦化、絹云母化、綠泥石化、高嶺土化和碳酸鹽化等。理論上，上述蝕變類型均含有Fe2+，F(xiàn)e3+離子或OH-，CO32-離子，鐵染和黏土化是蝕變信息提取的主要目標。由這些基團構成的巖石礦物與硅、鋁、鎂和氧形成的主要造巖礦物相比，在Landsat8 OLI B2—B7(0.45～2.3 μm)各波段上存在明顯的特征譜帶。鐵染異常在真彩色影像中具有獨特的顏色(褐紅色、黃褐色)，在波譜曲線上有2個明顯的吸收帶，第一個吸收帶位于0.4～0.5 μm(相當于B2波段)處，第二個吸收帶位于0.8～1.0 μm(相當于B5波段)處，在0.63～0.69 μm(相當于B4波段)附近反射率相對較高。與熱液作用有關的黏土化蝕變如高嶺土化、綠泥石化、綠簾石化、絹云母化、碳酸鹽化等在2.08～2.35 μm(相當于B7波段)附近有一個較強的光譜吸收帶，在1.55～1.75 μm(相當于B6波段)附近存在較高的反射率。這些蝕變礦物的特征譜帶正是提取礦化蝕變遙感信息的理論依據[8]。

因此，本研究采用美國Landsat8衛(wèi)星遙感數據為數據源，Landsat8 OLI傳感器共有9個波段，空間分辨率為30 m，其中全色波段的空間分辨率為15 m，一景影像的寬幅為185 km×185 km。影像數據時相為2016年12月6日，選取植被影像較小的冬季影像，利于自動礦化蝕變信息提取和目視解譯地層、巖性、構造等地質信息。所獲取的影像圖像云量少，總體影像清晰，不同地物的層次感較強，色調對比度好，紋理細節(jié)清晰。

3.2 遙感數據預處理

遙感影像預處理包括幾何糾正、大氣校正及去干擾等步驟。其中最關鍵是去干擾信息，是為了屏蔽與礦化無關的各類信息(本次影像中干擾信息主要是植被、水體和陰影)的干擾，避免無關信息可能產生一些假的異常，提高礦化蝕變信息提取的精度[9]。

1)綠色植被在近紅外波段形成強反射，選擇歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)提取植被信息，來生成消除植被干擾的影響，具體公式為：

NDVI=(B5-B4)/(B5+B4)，

(1)

式中，B5,B4分別為第5，4波段反射率。

2)水體和陰影具有相似的波譜特征，根據水體和陰影的反射光譜特征，在水或陰影B7

3.3 異常提取

主成分分析是現(xiàn)在廣泛采用的提取巖石蝕變信息的方法。這種方法是對圖像數據的集中和壓縮，它將多光譜圖像中各個波段高度相關的信息集中到少數的幾個波段，并且盡可能地保證這些波段的信息互不相干。即用多個綜合性波段代表多波段的原圖像，得到的各個組分互不相關，減少了數據冗余，最大限度提取目標信息[10]。

由于鐵染和羥基異常對圍巖蝕變信息及遙感找礦具有重要指導意義，分別利用主成分分析法提取鐵染和羥基異常。

對OLI影像的B2,B4,B5,B6這4個波段進行主成分分析，得到的組分中包含F(xiàn)e3+等陽離子的鐵染異常信息。對代表鐵染異常主成分的判斷準則是，構成該主成分的特征向量，其B4系數應與B2及B5系數符號相反，一般與B6系數符號相同，依據有關地物的波譜特征，鐵染信息包含于符合這一判斷準則的主成分稱之為鐵染異常主成分分量，避免B6，B7波段同時參加運算，主要是為了排除黏土類礦物蝕變信息干擾[10]。圖2中PC4代表鐵染異常的主成分分量，作為鐵染蝕變異常信息增強圖像。

圖2 PCA[2，4，5，6]主成分特征向量矩陣Fig.2 PCA[2,4,5,6] principal component eigenvector matrix

對OLI影像的B2,B5,B6,B7這4個波段進行主成分分析，得到的組分中包含OH-等陰離子的羥基異常信息，對代表羥基主成分的判斷準則是，構成該主成分的特征向量，其B6系數應與B7及B5的系數符號相反，一般與B2系數符號相同，依據有關地物的波譜特征，羥基信息包含于符合這一判斷準則的主成分分量內，故此主成分分量可稱為羥基異常主成分分量，刪去B3和B4波段，是為了避免可見光波段同時參加運算，主要是為了排除鐵氧化物的干擾[10]。圖3中PC4代表羥基異常的主成分分量，作為羥基蝕變異常信息增強圖像。

圖3 PCA[2，5，6，7]主成分特征向量矩陣Fig.3 PCA[2,5,6,7] principal component eigenvector matrix

3.4 異常后處理

3.4.1 閾值分割

為了突出遙感找礦異常的中心位置，對上面經過主成分分析的特征向量數據，選取適當的閾值(特征參數)進行分割，閾值分割是遙感信息分級的主要方法。即利用直方圖統(tǒng)計均值和方差，通過對“均值+N倍方差”中N的調整，進行閾值分割，一般鐵染蝕變強度取N為2，2.5，3，羥基蝕變強度取N為1.5，2，2.5，將異常劃分為3級，值越大異常強度越高，并附以不同的顏色。

3.4.2 中值濾波

提取出鐵染、黏土類蝕變異常，再對其進行3×3中值濾波，使其邊界圓滑，得到2類礦化蝕變信息的增強圖像[9]。

3.4.3 找礦異常篩選

鐵染和羥基蝕變異常如圖4所示。

(a)鐵染蝕變異常 (b)羥基蝕變異常

異常篩選主要分為2步進行：首先，應用光譜角法，對上述異常進行了篩選。當存在已知礦點或礦床時，可以利用光譜角法圈定與其有相似譜特征的靶區(qū)，以減少主成分分析所獲異常中的非礦異常，這一點是光譜角法在異常信息提取中對主成分分析法起的重要輔助作用。光譜角法獲得的異常進一步縮小了上述遙感找礦異常范圍[7]。其次，將經過第一步篩選后的異常與原有的地質礦產資料相配合，進行遙感蝕變異常與地質異常信息的相互驗證、相互篩選[7]，得到最終的2類礦化蝕變異常信息分布。

從圖中可以看出，鐵染蝕變異常和羥基蝕變異常分布具有一定地域性，且具重合現(xiàn)象，異常一般呈團塊狀、帶狀、面狀展布，且異常分布范圍和地質構造緊密相連，這類蝕變異常是反映工作區(qū)的鐵染蝕變、羥基蝕變暈的富集地段，是找礦的重要指示標志[11]。

4 區(qū)域地質解譯分析

遙感基礎地質信息解譯主要可分為巖性解譯和構造解譯。巖性解譯指依據遙感資料波譜與空間信息特征來判定出露地面的巖性物性和產出特點；構造解譯主要是在遙感信息上識別、標繪和分析各種構造成分的存在標志、形態(tài)特征、分布規(guī)律、組合和交切關系及其地質成因。本研究區(qū)遙感解譯底圖數據為OLI B7 (R)，B5 (G)，B4 (B)波段組合并與B8進行融合處理生成15 m空間分辨率假彩色遙感影像，以區(qū)域地質圖為參考資料，依據地物在遙感信息上幾何形態(tài)的主要標志和遙感基礎地質解譯的基本原則(巖性、構造)，得出研究區(qū)遙感基礎地質信息解譯圖[12]。

4.1 基巖標志特征及分析

1)三疊紀砂巖地層(T1q)。在遙感影像上顯示較明顯的微凸起北東向帶狀分布的條帶狀山體，山體總體呈平緩或小墳丘狀，與三疊紀灰?guī)r(T2b)組地層在微地貌上存在明顯差異。該套地層地表溝谷水系不發(fā)育，發(fā)育的植被主要為草本植物。

2)三疊紀灰?guī)r地層(T2b)。該套地層廣泛存在于區(qū)內中部。在遙感影像上顯示塊狀圖斑紋理標志特點。它總體發(fā)育為大片平緩微隆起的基巖大平臺，其內存在多處錐狀或饅頭狀環(huán)形地質體，地表水系及植被不發(fā)育。同樣該套地層與周圍分布的基巖亦存在十分醒目的圖斑紋理差異，同樣也是區(qū)內顯示的解譯標志特征最醒目的一套地層(圖5)，因此，認為遙感解譯劃分的地層界線或分布形態(tài)基本可靠。

圖5 三疊紀灰?guī)r地層(T2b)與周圍地層影像Fig.5 Triassic (T2b)and surrounding stratigraphic images

3)二疊紀玄武巖類地層(P2β)。在遙感影像上顯示該套地層分布于區(qū)內東西兩側。在地表這套地層形成眾多中高山并發(fā)育較陡立的放射狀錐狀山體或山脈，以及典型清晰樹枝狀或條紋狀圖斑紋理標志為顯著特征(圖6)；在地貌上發(fā)育深切密集的 “V”溝谷水系并呈近乎平行展布。同樣該套玄武巖類地層與三疊紀地層不管從微地貌類型還是紋理結構方面均存在明顯差異，因而所解譯劃分的二疊紀地層分布形態(tài)或界線基本可靠。

圖6 二疊紀玄武巖典型(P2β)影像解譯標志Fig.6 Image interpretation signs of typical Permian basalt (P2β)

4)不明地質屬性體劃分。依據遙感影像顯示出的紋理標志特征，分析認為這些紋理標志與微地貌類型應屬于火山或巖漿活動遺跡顯示的標志。因此，最終推測為不明地質屬性體。結合已有地質資料分析它們有可能是次火山巖類，如黑云母正長斑巖、正長斑巖、角閃正長斑巖等。

4.2 區(qū)域構造(線、環(huán)形構造)標志及解譯劃分

1)線性構造(斷裂)標志及解譯劃分(圖7)。在區(qū)內遙感影像顯示出的線性構造主要為北東與北西或東西向3組構造垂交展布。它們在地貌上一般存在平直深切河谷，或斷續(xù)河流，以及深切平直連續(xù)陡崖即斷層三角面(圖7(a)—(b))，以及圖像上一般顯示平直連續(xù)或斷續(xù)線性影像帶等標志。通過影像標志特點綜合分析認為，區(qū)內線性構造(斷裂)大部分應以壓扭性質為主，拉張性質斷裂次之。其中在工作區(qū)中北部三疊紀灰?guī)r地層(T2b)地層內地表呈第四系淺覆蓋地貌景觀特征，在野外調查過程中發(fā)現(xiàn)遙感解譯劃分的北西向斷裂構造(圖7(c))確實存在，并在地表見到淺灰色構造角礫巖(圖7(d))，角礫狀構造，角礫成分主要為灰質白云巖，膠結物主要為巖粉，鈣質，泥質等，膠結致密。因此，說明本次遙感解譯劃分的斷裂構造部分是可靠的。

(a)平直連續(xù)陡崖(斷層三角面)影像解譯標志圖 (b)平直深切溝谷影像解譯標志圖 (c)NW向斷裂構造影像解譯標志圖 (d)斷層破碎構造角礫巖野外照片

2)環(huán)形構造標志及解譯劃分。在區(qū)內遙感影像顯示存在數量眾多的放射狀山體或墳丘或饅頭狀集群環(huán)(圖8(a))。在地貌上一般為孤立的近似圓形凸起山峰或漏斗狀洼坑(圖8(b))，以及環(huán)形或弧形溝谷，影像上一般顯示存在圓形或近似環(huán)形影像標志，其內往往發(fā)育放射狀水系或漏斗或洼地、錐狀山峰等標志。通過解譯分析發(fā)現(xiàn)區(qū)內存在的圓形或近似環(huán)形影像標志，主要分布于各類侵入巖類，一般應屬于地形地貌引起，而零星分布在三疊紀地層內的環(huán)形影像，推測它們應與火山活動或不同巖性引起。

(a)墳丘或饅頭狀集群環(huán)影像解譯標志圖 (b)凸起山峰或漏斗狀洼坑影像解譯標志圖

5 成礦遠景預測

依據區(qū)內已知多金屬礦點、礦化點、成礦地質背景，并結合遙感地質解譯結果，包括提取的鐵染及羥基異常分布等信息，綜合分析最終確認在區(qū)內劃分多金屬成礦有利遠景區(qū)，必須具備如下成礦有利預測條件：存在二疊紀玄武巖(P2β)類巖石；遙感解譯劃分的走向各異的斷裂相互交錯部位或幾組平行展布的斷裂夾持區(qū)域；存在有遙感解譯圈劃的環(huán)形構造；遙感影像提取的高、中級鐵染或羥基異常零星圖斑。根據以上綜合分析，本次在區(qū)內共劃分出3處成礦有利(條件)遠景區(qū)，其編號為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ(圖9)。

圖9 北衙地區(qū)遙感成礦遠景預測圖Fig.9 Prospective map of remote sensing mineralization in Beiya area

成礦有利(條件)遠景區(qū)(Ⅰ)位于區(qū)內中東部。遙感地質解譯結果表明區(qū)內存在二疊紀玄武巖類地層(P2β)，北東與北西向構造在此交匯形成構造有利條件，以及存在3處環(huán)形構造，其中北側兩處推測與巖漿上侵或存在其他巖性有關。另外，在NE與NW向構造交匯地段存在密集鐵染異常圖斑，其中野外調查在一處觀察點西側發(fā)現(xiàn)深灰-灰綠色杏仁狀玄武巖，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，部分裂隙面見黃褐色鐵泥質薄膜(圖10(a))，而在觀察點東側巖石露頭上見到灰綠色杏仁狀玄武巖，巖石局部裂隙面見黃褐色鐵泥質薄膜(圖10(b))。參照區(qū)內成礦預測有利條件，綜合分析認為該區(qū)域除存在構造有利條件外，說明地表巖石存在褐鐵礦化或鐵染現(xiàn)象，進而推測該區(qū)域為多金屬礦產成礦有利(條件)遠景地區(qū)。

(a)照片1 (b)照片2

成礦有利(條件)遠景區(qū)(Ⅱ)位于區(qū)內西南角。地質解譯結果發(fā)現(xiàn)該區(qū)內存在2條近似平行展布的斷裂、線性構造，出露基巖為大片分布的二疊紀玄武巖類地層(P2β)，尤其靠其2處推測的不明地質屬性體附近存在眾多高級鐵染與羥基遙感異常圖斑。在該遠景區(qū)內通過開展野外調查發(fā)現(xiàn)一處巖石露頭為較為破碎的玄武巖，巖石表面風化強烈呈土黃色，表面見到紫紅色鐵質薄膜，破碎玄武巖巖石裂隙發(fā)育，被黑褐色鐵質浸染風化后呈土黃色即褐鐵礦化及黏土化現(xiàn)象(圖11)。參照區(qū)內成礦預測有利條件，分析認為該區(qū)域除存在多金屬礦產成礦有利(條件)構造條件外，地表還存在褐鐵礦化與黏土礦化現(xiàn)象，從而說明遙感提取的地表鐵染與羥基遙感異常存在的可靠性。因此推測認為該區(qū)域存在多金屬礦產成礦有利(條件)環(huán)境。

圖11 紫紅色鐵質薄膜(褐鐵礦化)與黏土礦化Fig.11 Purple-red iron film (limonite mineralization) and clay mineralization

成礦有利(條件)遠景區(qū)(Ⅲ)位于區(qū)內東南角。地質解譯結果證實該區(qū)域內存在4處環(huán)形構造，尤其靠近區(qū)內東側不明地質屬性體內存在的2處環(huán)形構造被北西向線性斷裂切割并構成南側界線。區(qū)內分布基巖背景為二疊紀玄武巖(P2β)類地層，并且沿NW向線性斷裂兩側或環(huán)形構造邊緣弧地段上存在大量不同級別的鐵染與羥基遙感異常圖斑。在該區(qū)域通過野外調查發(fā)現(xiàn)一處灰褐色、灰綠色玄武巖露頭，巖石裂隙發(fā)育，巖石風化呈碎塊狀、砂土狀，沿巖石裂隙存在泥質、鐵質浸染現(xiàn)象(圖12(a))；在靠其北西側見到淺黃色-黑褐色玄武巖，經測試巖石具有弱磁性，巖石風化強烈，風化后呈褐黃色碎塊狀，存在褐鐵礦化現(xiàn)象十分明顯(圖12(b))。依據上述存在構造有利成礦條件以及地表存在遙感提取的不同級別的鐵染與羥基遙感異常，尤其是野外見到了沿玄武巖巖石裂隙見泥質、鐵質浸染及風化后呈碎塊狀存在明顯的褐鐵礦化特點，并結合區(qū)內成礦有利預測條件，通過分析認為該地段具備多金屬礦產成礦的有利區(qū)段。

(a)灰綠色泥質、鐵質浸染野外照片 (b)淺黃色-黑褐色玄武巖褐鐵礦化野外照片

6 結論

1)在北衙地區(qū)利用OLI影像采用“去干擾異常主成分門限化”技術進行了成礦遙感異常信息提取，所得蝕變異常(羥基異常、鐵染異常)的分布結果在成礦遠景區(qū)預測過程中起到重要作用。同時，結合野外調查，證實OLI影像提取的遙感蝕變異常存在的可靠性。

2)研究區(qū)遙感影像總體上看立體感層次較分明，地質信息較豐富，尤其是反映線性、環(huán)形構造更加清晰。通過對研究區(qū)的初步宏觀地質解譯分析，總結評價認為該區(qū)制作的遙感影像基本能夠滿足輔助大比例尺找礦預測及地質綜合調查工作需要。

3)綜合考慮遙感解譯的斷裂與環(huán)形構造成礦條件、基巖性質，遙感提取的鐵染、羥基異常以及野外實地調查驗證，劃定了3個找礦遠景區(qū)，說明北衙地區(qū)具有較好的成礦潛力。