新疆北山裂谷帶鐵染蝕變特征及其找礦意義

吳紀(jì)寧，胡琳琛

(1.中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院，陜西 西安 710119；2.新疆興宏泰股份有限公司，新疆 阿勒泰 836599)

0 引言

新疆北山裂谷帶蘊(yùn)含豐富的礦產(chǎn)資源，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了紅十井金礦、坡北銅鎳礦等金礦，板山鐵礦、紅石山鐵礦等鐵礦[1]。使用遙感技術(shù)觀察該地區(qū)可發(fā)現(xiàn)：斷裂帶韌性變形特征明顯，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。該地區(qū)的成礦環(huán)境好，具有較大的找礦潛力。北山地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)工作主要包含：20世紀(jì)50年代，新疆地質(zhì)局對(duì)北裂谷帶開展了1∶100萬的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡貙?、礦產(chǎn)、巖漿巖等地質(zhì)基礎(chǔ)情況進(jìn)行調(diào)查，為之后的礦產(chǎn)勘查工作奠定基礎(chǔ)[1]。劉月高等[2]學(xué)者基于含礦巖體(相)和非含礦巖體(相)在構(gòu)造、圍巖條件、化探異常特征等多個(gè)方面之間的區(qū)別，總結(jié)了新疆北山地區(qū)銅鎳硫化物礦床的綜合信息勘查模型的勘查策略。孫乾龍等[3]學(xué)者對(duì)北山成礦帶東鹽池地區(qū)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的地球化學(xué)分析，從成礦元素富集系數(shù)、成礦元素變異系數(shù)和后期疊加強(qiáng)度等方面分析其含礦性，為該地區(qū)找礦工作提供參考。目前新疆北山地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)工作已基本完成，北山地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)情況整體布局的研究已基本成型。

地質(zhì)科研工作主要包括：劉超等[4]學(xué)者詳細(xì)分析了新疆天山—北山地區(qū)的主要金屬礦產(chǎn)時(shí)空分布特征，并從大地構(gòu)造演化、巖漿巖等角度對(duì)控礦因素進(jìn)行了探討。牛輝等[5]學(xué)者使用EH4電磁測深方法，對(duì)清白山東工區(qū)進(jìn)行測深數(shù)據(jù)采集和二維反演運(yùn)算，確定韌性剪切帶型金礦的中心及目標(biāo)礦體位置。楊在峰[6]的團(tuán)隊(duì)對(duì)新疆北山地區(qū)鐵礦勘查開發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，研究指出北山地區(qū)已查明的鐵礦較多，但是學(xué)者對(duì)鐵礦點(diǎn)的含礦層位、礦石品質(zhì)等地質(zhì)條件的研究不足。研究將嘗試通過提取遙感影像內(nèi)的該地區(qū)鐵染蝕變異常信息，構(gòu)建新疆北裂谷帶鐵礦的找礦模型，圈定有利找礦靶區(qū)，從而對(duì)該地區(qū)的鐵礦開發(fā)提供科學(xué)合理的指導(dǎo)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

新疆北山裂谷北部山區(qū)的整體地形為北高南低，多為低山、丘陵，平均海拔為1200 m，主要的斷裂包括紅十字井?dāng)嗔?、紅柳河斷裂和白地洼—淤泥河斷裂三條[2]。研究區(qū)域的地理范圍為東經(jīng)-91°45′～92°15′、北緯40°40′～40°50′，具體位置見圖1。該地區(qū)在寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)—志留紀(jì)、石炭紀(jì)—二疊紀(jì)分別經(jīng)歷了不同方向多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，形成了不同方向的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)[7]。本次研究的研究區(qū)域正處于白地洼—淤泥河斷裂之上，該斷裂帶由兩條互相對(duì)沖的斷層構(gòu)成，斷裂帶內(nèi)可見強(qiáng)烈的片理化，并且偏離產(chǎn)狀近乎直立。圖1中元古界北山巖群主要巖性為變粒巖，GF-2影像上呈黃色、褐色色調(diào)、山脊圓滑、塊狀影紋；紅柳園組下亞組巖性為砂巖、粉砂巖、板巖；紅柳園組上亞組巖性以砂巖、粉砂巖、千枚巖、安山巖為主，黑色、棕色色調(diào)，條帶紋；石板山組巖性為巖屑砂巖、玄武巖，黑色、棕色色調(diào)，條帶狀影紋；第四系沉積物主要包括全新世河流相沖積物(黃色、白色色調(diào))、洪沖積物(棕色夾淺棕色色調(diào)，小型樹枝狀水系發(fā)育)。

圖1 北山地區(qū)構(gòu)造簡圖

2 遙感數(shù)據(jù)處理

研究使用從Terra衛(wèi)星上獲取的ASTER LIB數(shù)據(jù)提取鐵染蝕變信息，使用從高分二號(hào)衛(wèi)星(GF-2)上獲取的數(shù)據(jù)解譯遙感地質(zhì)信息。由于遙感成像質(zhì)量容易受到衛(wèi)星運(yùn)行速度、隨機(jī)噪聲、光照強(qiáng)度等因素的影響，因此在提取遙感影像有效信息前，首先要消除或減弱外界干擾因素對(duì)遙感影像造成的影響[8-9]。針對(duì)研究數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)等級(jí)情況，研究對(duì)遙感影像預(yù)處理的過程包括：波段合成、去邊框處理、頭文件重定義、輻射定標(biāo)、大氣校正共6個(gè)步驟。去邊框處理的目的是去除波段合成過程中VNIR波段成像和SWIR波段成像之間的差異；大氣校正步驟使用輻射傳輸模型中的標(biāo)準(zhǔn)MODTRAN大氣模型。圖2為新疆北山裂谷帶經(jīng)過亞極地夏季熱帶大氣校正后的效果圖，可以看出經(jīng)過處理之后的遙感影像，消除了光照、大氣因子等因素對(duì)地物反射的影響。清晰顯示了輻射率、地表巖石反射率、地表溫度等物理模型。

圖2 遙感影像預(yù)處理結(jié)果

GF-2數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要步驟：正射校正、波段融合、圖像鑲嵌、圖像裁剪、增強(qiáng)處理。經(jīng)過融合處理之后的影像分辨率可明顯提高，該步驟將提升遙感地質(zhì)解譯的精細(xì)程度。增強(qiáng)處理步驟包括拉伸處理和色彩合成，該步驟能增大地層、巖體和巖脈等地質(zhì)體的顏色差異，提高目視可譯程度。

3 鐵蝕變信息提取

不同礦物、巖石的物質(zhì)成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，展現(xiàn)出來的光譜特性也有所不同。礦床周圍的巖石通常存在蝕變現(xiàn)象，不同蝕變現(xiàn)象均有其對(duì)應(yīng)的光譜異常表現(xiàn)[10-12]。利用這一現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感找礦靶區(qū)的圈定。參考USGS典型蝕變礦物波譜庫，研究選取針鐵礦、赤鐵礦、黃鉀鐵礬框、褐鐵礦四種典型的鐵染蝕變礦物作為研究對(duì)象。將波譜庫內(nèi)的礦物波譜曲線重采樣到可見光—近紅外波段的曲線上，結(jié)果見圖3。

圖3 典型鐵礦物反射波譜曲線

研究使用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)和波段比值法(Ratio Method，RM)提取蝕變信息。PCA法可以將相關(guān)性高的波段信息集中在少數(shù)幾個(gè)波段之中，從而用少數(shù)綜合波代表所有波段信息，有效減少需要處理的數(shù)據(jù)量。RM法利用代數(shù)運(yùn)算原理，通過對(duì)反射波段和吸收波段做比值處理，增強(qiáng)不同巖性的波譜差異特征。兩種方法結(jié)合下提取鐵染蝕變信息的工作流程見圖4。

圖4 鐵染蝕變異常信息提取流程

主成分分析法提取蝕變信息的原理：針對(duì)礦物波譜的1、2、3、4波段做掩膜主分量分析，提取鐵染礦物中與三價(jià)鐵離子相關(guān)的異常主分量。PCA法提取鐵染蝕變異常信息的主要步驟：濾波處理、選取提取主分量、計(jì)算波段信息和色彩分割。濾波處理可消除特定的空間頻率，如遙感影像中的斑點(diǎn)和噪聲。研究使用中值濾波進(jìn)行影像處理，該濾波方法可更好的過濾掉孤立噪聲點(diǎn)，對(duì)遙感影像中地物的凸顯作用最為明顯[13]。選取濾波處理后圖像的主分量，選取依據(jù)為Band 2、Band 4的貢獻(xiàn)系數(shù)符號(hào)選取應(yīng)與Band 3相反。計(jì)算4個(gè)波段的基本信息，并以2.0、2.5、3.0倍標(biāo)準(zhǔn)差將鐵染蝕變異常由低至高分割為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)。等級(jí)越高，鐵染蝕變現(xiàn)象越強(qiáng)烈。

以圖4c所示的經(jīng)過處理的新疆北山裂谷帶遙感影像的鐵染蝕變信息處理為例，選取第四主分量為鐵礦異常信息提取的主分量，PC 4的Band1、Band 2、Band 3、Band 4的特征向量系數(shù)為0.242414、-0.773852、0.580741、-0.071103。通過對(duì)遙感影像的特征向量矩陣表進(jìn)行主成分分析，4個(gè)波段的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值分別為2628.684 260、152.455 423、20.295 994、16.531 049色彩分割處理后顯示在數(shù)據(jù)直方圖上的一級(jí)異常的數(shù)據(jù)值范圍為33.142 772～41.428 465，二級(jí)異常的數(shù)據(jù)值范圍為41.428 465～49.714 158，三級(jí)異常的數(shù)據(jù)值范圍為49.714 158～57.999 851。按照上述步驟對(duì)圖4c進(jìn)行初步異常提取的結(jié)果見圖5。

圖5 PCA法初步處理結(jié)果

將初步獲取的信息分布圖進(jìn)一步通過RM法處理，獲取特征明顯的特征圖像。參考圖2中針鐵礦等蝕變礦物的光譜特征曲線，研究選用Band/Band1對(duì)含三價(jià)鐵離子礦物蝕變信息進(jìn)行提取，選用(Band5/Band3)+(Band2/Band1)對(duì)含二價(jià)鐵離子礦物蝕變信息進(jìn)行提取。提取結(jié)果見圖6，圖6a是三價(jià)鐵離子信息提取結(jié)果，綠色代表三價(jià)鐵離子異常。圖6b為二價(jià)鐵離子信息提取結(jié)果，紅色代表二價(jià)鐵離子異常。受到第四系和鎂鐵—超鎂鐵巖體等因素的影響，圖像西南方位的特征提取受到一定干擾。

圖6 RM法鐵染蝕變提取結(jié)果

4 找礦模型構(gòu)建及靶區(qū)圈定

4.1 找礦模型構(gòu)建

研究利用經(jīng)過預(yù)處理之后的GF-2圖像對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行較大比例尺度的地質(zhì)解譯，結(jié)果見圖7。解譯內(nèi)容主要包括地層、構(gòu)造和巖體。研究區(qū)域內(nèi)的出露地層主要為石炭系。元古界出露地層主要為北山巖群(Pt1B.)。古生界出露地層包括紅柳園下亞組(C1ha)、紅柳園上亞組(C1hb)、石板山組(C2sh)。新生界的出露地層主要為全新世河流相沖積物(Qhal)、沖洪積物(Qhalp)。研究地區(qū)的斷裂構(gòu)造包括1條區(qū)域性大斷裂、31條局部性斷裂兩層和1條推測斷裂。區(qū)域內(nèi)還包含5處褶皺轉(zhuǎn)折端。該地區(qū)巖漿層較為發(fā)育，主要有火山巖、中酸性侵入巖和基性—超基性侵入巖。

圖7 遙感地質(zhì)解譯圖

通過上述信息，研究構(gòu)建的關(guān)于控礦地質(zhì)條件和蝕變異常信息的找礦模型。蝕變異常信息顯示鐵染蝕變異常沿?cái)嗔褞Х植?，異常?qiáng)度不大?？氐V地質(zhì)條件包括地層、巖性、巖漿巖、構(gòu)造、頂?shù)装鍘r性和蝕變現(xiàn)象六部分。①地層：紅柳園組的主要巖性為粉砂巖、千枚巖、片巖、砂巖等。遙感影像特征為黃色、土黃色色調(diào)，色調(diào)較亮，并且影紋光滑，地表無植被覆蓋。②巖性：磁鐵礦受后期斷裂影響較弱。遙感影像特征為白色、黃色淺色色調(diào)。③巖漿巖：南部主要為花崗巖。遙感影像特征為褐色、黃褐色色調(diào)，U型溝谷地貌，水系發(fā)育，地表無植被覆蓋。④構(gòu)造：礦點(diǎn)沿白地洼—淤泥河斷裂帶分布。遙感影像顯示其北側(cè)地層為白色色調(diào)，南側(cè)巖體為黃褐色色調(diào)。水系經(jīng)過斷層時(shí)出現(xiàn)彎曲。⑤頂?shù)装鍘r性：頂板主要為云母片巖、千枚巖、石英片巖。底板巖性為綠泥石化角巖和角閃巖。⑥蝕變現(xiàn)象：主要為孔雀石化和褐鐵礦化。

4.2 靶區(qū)圈定

經(jīng)過處理之后的遙感影像，由于存在水系、第四系覆蓋等因素的影響，存在鐵染蝕變信息假異?，F(xiàn)象。篩除第四系假異常之后，研究確定有利找礦靶區(qū)，由圖8可見。根據(jù)遙感影像顯示的鐵染蝕變異常信息，研究確定了3個(gè)有利找礦靶區(qū)。鐵染蝕變信息分布具有如下特點(diǎn)：①大多位于白地洼—淤泥河斷裂帶上，且在上中下部位均有分布。②沿石炭系紅柳園組地層分布。這些特點(diǎn)符合研究構(gòu)建的找礦模型特點(diǎn)和該地區(qū)的成礦規(guī)律。研究確定的3個(gè)有利找礦靶區(qū)中，3號(hào)靶區(qū)已經(jīng)確定存在鐵礦點(diǎn)，其他兩處靶區(qū)是否存在鐵礦及其規(guī)模還有待考證。

圖8 有利找礦靶區(qū)圈定

5 結(jié)論

考慮到新疆北山裂谷帶氣候惡劣、地形復(fù)雜，研究基于北山地區(qū)的ASTER遙感數(shù)據(jù)，使用主成分分析法和波段比值法提取該地區(qū)鐵染蝕變異常信息。ASTER光譜的空間分辨率較低，GF-2數(shù)據(jù)空間分辨率高，但僅包含4個(gè)波段。兩種影像的融合分析能夠確保空間分辨率的基礎(chǔ)上，有效縮小提取蝕變信息，獲得的礦產(chǎn)靶區(qū)圈定結(jié)果更加精確。研究構(gòu)建的結(jié)合遙感影像解譯結(jié)果和鐵染蝕變異常信息的鐵礦找礦模型最終圈定了3處有利找礦靶區(qū)。研究的主要成果包括：

1)確定白地洼地區(qū)鐵染蝕變異常信息分布規(guī)律及分布點(diǎn)。

2)解譯了北山地區(qū)地層、構(gòu)造、巖體等基礎(chǔ)地質(zhì)信息，同時(shí)進(jìn)行礦化蝕變信息提取。

3)構(gòu)建了控礦地質(zhì)條件和蝕變異常信息的找礦模型，并利用該模型圈定了白地洼地區(qū)的3處找礦有利區(qū)。