基于短波紅外技術(shù)的西藏珠勒地區(qū)蝕變礦物填圖

余 杰,劉 學(xué),王 琳,王洪飛,司永強

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059)

珠勒礦區(qū)地處西藏阿里地區(qū)革吉縣,大地構(gòu)造位置處于青藏高原岡底斯-騰沖陸塊與喜馬拉雅陸塊的銜接部位,屬于岡底斯成礦帶的西段。目前,帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)斑巖型、矽卡巖型、淺成低溫?zé)嵋盒偷榷喾N礦床[1-3],開展了水系沉積物地球化學(xué)、流體包裹體同位素[4-6]、重磁[7,8]等一系列工作,對帶內(nèi)不同類型礦床的成礦物質(zhì)來源、成礦流體和成礦年齡進行了研究。珠勒礦區(qū)受復(fù)雜地貌條件限制,傳統(tǒng)地質(zhì)工作存在一定滯后性,遙感技術(shù)為該區(qū)域的地質(zhì)勘查工作帶來了新的契機。胡文泰[9]發(fā)現(xiàn)珠勒礦區(qū)存在明顯的羥基、鐵染和碳酸鹽蝕變;但基于衛(wèi)星遙感蝕變填圖的精度如何?地面實際礦物光譜特征及礦物類型是否與航天遙感解譯信息一致?這些問題不得而知。作者基于實地地質(zhì)勘查工作,以星-地一體化高光譜遙感技術(shù)為手段,開展珠勒礦區(qū)的光譜勘查,以期解決區(qū)內(nèi)精細(xì)化蝕變填圖的問題,確定找礦靶區(qū)。

Hunt[10]對不同巖石在可見光-近紅外譜段的光譜特征進行了研究,發(fā)現(xiàn)光譜特征變化由礦物中離子的電子躍遷、基團振動、電荷振動等引起。絡(luò)陰離子由于彎曲振動,導(dǎo)致陰離子在2000～2500 nm存在診斷特征;陽離子,如Fe2+、Fe3+、Mn2+等,由于發(fā)生電子躍遷,在400～1200 nm產(chǎn)生診斷性吸收特征[11]。短波紅外光譜(SWIR,1300～2500 nm)具有成本低、識別速度快等優(yōu)點,對火山、熱液成礦系統(tǒng)中的中低溫礦物具有特殊的敏感性,針對斑巖成礦系統(tǒng)礦床的研究已呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢[12-16]。針對高硫化淺成低溫?zé)嵋旱V床的研究,Zhou et al.[17]總結(jié)了明礬石的光譜變化規(guī)律,唐敏慧等[18]、郭娜等[19]確定了西藏鐵格隆南礦床的高硫化礦體蝕變分帶特征。

綜上所述,作者基于前人研究成果,以GF-5號蝕變填圖為基礎(chǔ),結(jié)合Landsat8 OLI多光譜提取的羥基、鐵染蝕變信息結(jié)果,在充分野外調(diào)研和地面光譜測量后,精準(zhǔn)驗證GF-5蝕變填圖結(jié)果,開展地面精細(xì)化蝕變填圖,完成礦區(qū)找礦潛力分析。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

珠勒位于西藏阿里地區(qū)革吉縣東南約60 km處,屬革吉鎮(zhèn)管轄。研究區(qū)屬特提斯造山系的東部與阿爾卑斯-喜馬拉雅巨型構(gòu)造帶東段,岡底斯-騰沖陸塊與喜馬拉雅陸塊的銜接部位,緊鄰雅魯藏布江結(jié)合帶西段。

研究區(qū)出露地層較為簡單,主要分布地層新近系、古近系、白堊系,其次為第四系(見圖1)。第四系(Qhpal)巖性主要為沖洪積砂、沙礫石、粉砂質(zhì)粘土、礫石砂層、粉砂、粉土層;新近系喜山階(zxηγπN1)主要為淺肉紅色 二長花崗斑巖;上白堊系燕山階存在兩種巖性,淺灰色中粒二長花崗巖、灰色-淺灰色中粒-中細(xì)粒花崗閃長巖;新近系中新統(tǒng)有布噶寺組(N1b),巖性為粗面巖-玄武巖,嘎扎村組一段(N1g1)巖性為粗安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、粗安巖,二段(N1g2)巖性為粗安質(zhì)角礫凝灰?guī)r、安山巖;古近系始新統(tǒng)林子宗群有帕那組(E2p)、典中組(E1-2d),帕那組巖性主要為火山角礫巖、集塊巖,典中組巖性主要為安山巖;上白堊統(tǒng)的江巴組(K2jb)巖性主要為流紋巖-流紋質(zhì)凝灰?guī)r,上則弄群(K1Z)主要為安山巖、玄武巖。典中組與上覆帕那組呈整合接觸,與上覆布寺嘎組呈角度不整合,布噶寺組呈角度不整合覆蓋于典中組之上。

1-第四系;2-上白堊統(tǒng)競柱山組;3-新近系二長花崗斑巖;4-上白堊統(tǒng)二長花崗巖;5-上白堊統(tǒng)花崗閃長巖;6-新近系中新統(tǒng)粗面巖-玄武巖;7-新近系中新統(tǒng)粗安質(zhì)角礫凝灰?guī)r、安山巖;8-古近系始新統(tǒng)火山角礫-集塊巖;9-古近系始新統(tǒng)安山巖;10-上白堊統(tǒng)流紋巖-流紋質(zhì)凝灰?guī)r;11-下白堊統(tǒng)安山巖-玄武巖;12-性質(zhì)不明斷層;13-推測斷層;14-整合地質(zhì)界線;15-不整合地質(zhì)界線;16-地名圖1 西藏珠勒地區(qū)地質(zhì)簡圖

2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用Landsat8 OLI多光譜數(shù)據(jù)以及GF-5號AHSI高光譜數(shù)據(jù)。OLI數(shù)據(jù)為L1級數(shù)據(jù),產(chǎn)品號:LC81440382015269LGN01;GF-5號數(shù)據(jù)為L1級產(chǎn)品,產(chǎn)品號為GF5_AHSI_E81.40_N31.81_20190613_005833_L10000047709。兩種數(shù)據(jù)含云量均小于5%,滿足蝕變?nèi)跣畔⒌奶崛　?/p>

a-Al-OH類蝕變礦物的USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線;b-Mg-OH類蝕變礦物的USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線;c-鐵染類蝕變礦物的USGS標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線;d-基于OLI重采樣的Al-OH蝕變礦物光譜曲線;e-基于OLI重采樣的Mg-OH蝕變礦物光譜曲線;f-基于OLI重采樣的鐵染類蝕變礦物光譜曲線圖2 典型蝕變礦物USGS波譜庫光譜曲線及基于OLI重采樣光譜曲線

Landsat8衛(wèi)星的陸地成像儀(Operational Land Imager, OLI)傳感器的多光譜影像,影像波段參數(shù)見表1。OLI多光譜影像共11個波段,其中,可將光-近紅外-短波紅外范圍的波段為band1～band7,光譜分辨率為30 m,常用于提取鐵染類、羥基類蝕變礦物[20],全波段(pan)具有較高的空間分辨率,空間分辨率為15 m,熱紅外波段(TIR)為band10～band11,空間分辨率較低,為100 m。本次主要利用可見光到短波紅外光譜范圍的波段進行鐵染、羥基等蝕變異常的提取,影像數(shù)據(jù)。

GF-5號可見短波紅外高光譜相機(the Advanced Hyperspectral Imager, AHSI)數(shù)據(jù)是兼顧寬幅寬、寬譜段的高光譜遙感影像,能較好地應(yīng)用于蝕變填圖[21,22]。該數(shù)據(jù)包含近紅外(VNIR)波段和短波紅外(SWIR)兩個光譜范圍的波段,光譜范圍為400～2500 nm,空間分辨率皆為30 m,幅寬達60 km。光譜分辨率方面,短波紅外的光譜分辨率略低于近紅外波段,其中,近紅外波段的光譜分辨率為5 nm,短波紅外的光譜分辨率為10 nm。本次使用的數(shù)據(jù)為短波紅外光譜范圍的波段,數(shù)據(jù)光譜分布范圍為1004～2513 nm,共180個波段。

2.2 預(yù)處理

2.2.1 Landsat8 OLI多光譜預(yù)處理

本次工作區(qū)所使用的Landsat8 OLI數(shù)據(jù)采用了輻射校正、FLAASH大氣校正、歸一化、圖像裁剪等預(yù)處理。FLAASH大氣校正可一定程度上減少大氣對于影像數(shù)據(jù)帶來的影響,但該模型校正后得到的影像像元值為反射率的10 000倍,因此后續(xù)進行了歸一化處理得到0～1.0范圍的反射率值,為后續(xù)蝕變信息的提取打下基礎(chǔ)。

2.2.2 GF-5 AHSI高光譜預(yù)處理

GF-5 AHSI的L1級的SWIR波段的數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、波段剔除、FLAASH大氣校正、正射校正、圖像裁剪等預(yù)處理(見圖2)。高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理主要在ENVI5.3軟件上完成。

輻射定標(biāo)是利用GF-5 AHSI數(shù)據(jù)的增益(Gain)和偏移值(Offset),將圖像的灰度值轉(zhuǎn)換為絕對輻射率值。波段剔除主要剔除水汽吸收波段和低信噪比波段,以此降低數(shù)據(jù)處理量,并減少噪音等無效信息對有用信息的干擾。GF-5 AHSI高光譜數(shù)據(jù)的SWIR光譜范圍波段受水汽吸收影響嚴(yán)重,且信噪比低波段對蝕變信息的提取作用不大,以上兩種波段將被去除。本次提取的蝕變礦物(明礬石、高嶺石)主要吸收特征表現(xiàn)在SWIR的1300～2500 nm波譜范圍內(nèi),去除波段如表2所示,包含受水汽吸收影響的波段 SWIR43～50以及SWIR96～112,共25個波段,分別對應(yīng)光譜范圍1359～1418 nm、1805～1940 nm;低信噪比波段主要有17個波段,對應(yīng)波譜范圍為135～1443 nm、1948～1956 nm、1999～2015 nm、2445～2513 nm,分布不集中。

表2 珠勒地區(qū)GF-5號短波紅外波段去除

3 蝕變信息提取

3.1 多光譜羥基、鐵染蝕變信息提取

主成分分析法(Crosta方法)提取羥基、鐵染等蝕變信息已經(jīng)較為成熟[23]。研究區(qū)影像中包含了第四系、水體、雪等干擾因素,常規(guī)處理方法為“掩膜+主成分分析”,但當(dāng)掩膜面積較大時,蝕變信息也可能被誤除,而二次主成分分析可以有效降低干擾信息影響,增強蝕變?nèi)跣畔24]。因此,本文對研究區(qū)采用二次主成分分析法——使用Crosta方法、波段比值法提取鐵染、羥基蝕變信息的基礎(chǔ)上進行主成分分析。

代表性鐵染蝕變礦物有褐鐵礦、黃鉀鐵礬;羥基類代表性蝕變礦物有Al-OH類的白云母、伊利石、高嶺石、明礬石、蒙脫石以及Mg-OH類的綠泥石、綠簾石等等[25]。利用UGSG波譜庫中上述幾種典型蝕變礦物的光譜曲線,基于OLI進行波譜重采樣,結(jié)果如圖2所示。

從圖2a可以看出,Al-OH的吸收特征位于2.10 μm附近,Mg-OH則表現(xiàn)為2.3 μm附近(圖2b),鐵染(主要為Fe3+)則表現(xiàn)為0.4 μm和0.9 μm附近(圖2c)。

從圖2d、e可以看出,羥基類礦物在0.43～0.45 μm(OLI1)、2.11～2.29 μm(OLI7)具有吸收特征,在0.53～0.59 μm(OLI3)、1.57～1.65 μm(OLI6)具有反射特征,且OLI7為強吸收;OLI6為強反射;而在圖 2f中,鐵染在0.85～0.88 μm(OLI5)與2.11～2.29 μm(OLI7)具有強吸收特征,在0.64～0.67 μm(OLI4)與1.57～1.65 μm(OLI6)具有反射特征,且OLI6相對于OLI5表現(xiàn)為強反射。由此可見,羥基和鐵染都在OLI6表現(xiàn)為強反射,在OLI7都表現(xiàn)為強吸收,存在信息重疊。因此,使用PCA(OLI1、OLI3、OLI6、OLI7)提取羥基時混合有鐵染信息;使用PCA(OLI4、OLI5、OLI6、OLI7)提取鐵染信息則混合有羥基信息。而使用波段比值法OLI6/OLI7(下面表示為V1)可增強羥基蝕變信息;OLI6/OLI5(下面表示為V2)可增強鐵染蝕變信息。

根據(jù)上述蝕變信息的反射吸收特征,結(jié)合表3特征值可知,羥基蝕變信息應(yīng)該在OLI1與OLI7同號、OLI3和OLI6同號,且OLI6和OLI7異號的主分量中,即PC3(下面表示為V4),且表現(xiàn)為負(fù)異常高特征值。同理,鐵染蝕變信息則應(yīng)該在OLI4與OLI6同號、OLI5與OLI7同號,且OLI6與OLI7異號的主分量中,即PC4(下面表示為V3),亦表現(xiàn)為負(fù)異常高特征值(見表4)。而波段比值法得到的羥基 、鐵染蝕變皆表現(xiàn)為正異常且高特征值。因此,進行二次主成分分析PCA(OLI6/OLI7,OLI6/OLI5,PC4(OLI1,OLI3,OLI6,OLI7),PC3(OLI4,OLI5,OLI6,OLI7))。得到特征向量矩陣如表5所示,PC3與V1和V2呈負(fù)相關(guān),與V3和V4呈正相關(guān)。因此,PC3主要包含鐵染蝕變和羥基蝕變的組合信息。選則二次主成分分析得到的PC3同波段比值法、一次主成分分析得到的主分量進行RGB(PC3,V1,V3)假彩色合成,紅色表示“鐵染+羥基”混合蝕變信息,在此基礎(chǔ)上,圈定了蝕變靶區(qū)(見圖3)

表3 主成分特征向量矩陣 PCA(OLI1、OLI3、OLI6、OLI7)

表4 主成分特征向量矩陣 PCA(OLI4、OLI5、OLI6、OLI7)

表5 二次主成分分析特征向量矩陣

圖3 RGB(PC3,V1,V3)假彩色合成圖

3.2 高光譜蝕變礦物填圖

使用最小噪音變換MNF、純凈像元指數(shù)PPI、N維可視化、光譜分析等提取端元光譜,再使用光譜角填圖法SAM進行明礬石和高嶺石的蝕變填圖(見圖4)。波段剔除主要剔除水汽吸收波段和低信噪比波段,以此降低數(shù)據(jù)處理量,并減少噪音等無效信息對有用信息的干擾。光譜分析使用的波譜庫為實測光譜,結(jié)合SAM填圖法[26],可以使填圖結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖4 GF-5 AHSI L1級SWIR數(shù)據(jù)處理流程圖

對珠勒地區(qū)使用GF-5號AHSI進行明礬石和高嶺石的蝕變填圖結(jié)果如圖5a。可見,明礬石化主要分布在研究區(qū)西南部,高嶺石主要沿NW-SE向分布,北部較為聚集,南部零星分布。對比多光譜提取的“羥基+鐵染”蝕變靶區(qū),填圖結(jié)果較為吻合。

a-GF-5號AHSI高光譜蝕變礦物填圖;b-蝕變礦物遙感地質(zhì)綜合圖16-明礬石;17-高嶺石;18-“羥基+鐵染”混合蝕變靶區(qū)。其他符號含義同圖1圖5 珠勒地區(qū)明礬石、高嶺石蝕變礦物分布

結(jié)合以上蝕變填圖和地層巖性、構(gòu)造分析:明礬石主要分布在新近系中新統(tǒng),噶扎村組(N1g)分布較為集中,而在古近系始新統(tǒng)典中組(E1-2d)零星分布;巖性方面,明礬石主要分布在安山巖中;構(gòu)造方面,明礬石化蝕變主要沿垂直于NEE向斷裂分布,并在斷層交界附近集中分布。高嶺石分布地層較廣,主要集中分布在典中組(E1-2d)和布噶寺組(N1b),零星分布在帕那組(E2p)、則弄群(K1Z);巖性方面主要分布于安山巖、粗面巖、玄武巖等中基性火山巖中,構(gòu)造方面,在F1斷層和次斷層的交界處分布集中,并垂直于F1斷層的走向,呈線狀分布(圖5b)。

4 野外驗證

4.1 短波紅外光譜測試

本次采集并測試巖石樣品61件,測量儀器為美國ASD FeildSpec便攜式光譜掃描儀。通過光譜地質(zhì)解譯專家(The Spectral Geologist, TSG)進行數(shù)據(jù)處理與解譯,測得研究區(qū)蝕變礦物主要有明礬石、鐵白云石、黑云母、方解石、綠泥石、水鋁石、白云石、綠簾石、角閃石、黃鉀鐵礬、蒙脫石、絹云母(白云母、鈉云母、多硅白云母)、伊利石、菱鐵礦、電氣石、黝簾石等。

野外采集得到的巖石礦物光譜通常是多種巖石礦物的綜合結(jié)果,為得到較為純凈的單一礦物光譜,需進行光譜解混。通常情況下,大尺度的光譜混合通常被認(rèn)為是一種線性組合,小尺度的則被認(rèn)為是非線性組合[27]。對于巖礦信息提取這一類大尺度的光譜混合,本次采用線性光譜解混的方式對野外采集的實測光譜進行光譜解混。最小二乘法是線性光譜解混中一種常用的方法,精度較高[28],采用此方法進行光譜解混,得到圖6兩種蝕變礦物的光譜曲線。解混得到的光譜曲線與USGS巖石礦物光譜庫中的光譜曲線波形吻合,從光譜角度證明了蝕變礦物識別結(jié)果可靠。

圖6 珠勒地區(qū)地表巖石樣品中鉀明礬石(a)和高嶺石(b)光譜曲線

明礬石是一種在pH極低、中低溫環(huán)境下生成的蝕變礦物[29]。明礬石的化學(xué)成分主要為KAl3(SO4)2(OH)6,因其含有的Al-OH基團,而在2100 nm附近存在診斷性光譜特征[11],而由于K被Na和不同程度替代時,吸收特征波長位置發(fā)生飄移[30]。本次研究區(qū)所采集的巖石樣品中,含有明礬石的樣品一共有5件,吸收特征波長在2209 nm附近(圖6a),由此可見,珠勒地區(qū)的明礬石類型主要為鉀明礬石。

高嶺石也是在酸性低溫環(huán)境中生成的,與明礬石常一起出現(xiàn)的蝕變礦物。高嶺石由于存在Al-OH,在2205 nm出現(xiàn)強吸收(圖6b),這與明礬石區(qū)分易發(fā)生混淆。但其在2315 nm、2355 nm、2385 nm三處出現(xiàn)連續(xù)吸收特征,可區(qū)別于明礬石。

4.2 野外路線調(diào)查

根據(jù)路線地質(zhì)調(diào)查,研究區(qū)古近系典中組火山巖分布區(qū)為蝕變中心,其地表發(fā)育強烈的硅化、絹云母化、泥化、鉀化、綠泥石化、黃鐵絹英巖化、褐鐵礦化。蝕變可分為上下兩部分,上部主要為紅褐色強硅化褐鐵礦化蝕變巖,局部赤鐵礦化,新鮮面內(nèi)多孔洞,泥化類型以明礬石為主,另發(fā)育葉臘石、高嶺石、石膏等;下部為灰白色、淡黃褐色硅化泥化蝕變巖,風(fēng)化面多孔洞,新鮮面長石泥化、絹云母化,局部發(fā)育黃鉀鐵礬。圍巖蝕變具有明顯的分帶現(xiàn)象,從中心向外表現(xiàn)為強硅化、明礬石化、絹云母化、泥化、綠泥石化。

4.3 巖相學(xué)鏡下鑒定

將野外采集的地表巖石樣品進行加工,打磨成光片、薄片,在顯微鏡下,根據(jù)巖相學(xué)方面的知識,在TK0708采樣點找到了明礬石(見圖7)。

(a)野外蝕變帶分布;(b)明礬石巖石標(biāo)本;(c)明礬石鏡下照片(TK0705)圖7 野外照片及鏡下鑒定照片

5 結(jié)論

(1)短波紅外技術(shù)能方便快捷地厘定蝕變礦物類型,SWIR光譜分析得出珠勒地區(qū)主要存在鉀明礬石,吸收特征位于2209 nm附近。鉀明礬石和高嶺石伴生出現(xiàn),可成為珠勒地區(qū)高硫型淺成低溫?zé)嵋旱V床的指示標(biāo)志。

(2)對比多光譜OLI提取的“羥基+鐵染”混合蝕變結(jié)果,結(jié)合光譜測試分析、野外勘查、鏡下鑒定等方法,認(rèn)為GF-5號高光譜影像能滿足蝕變礦物精細(xì)填圖,為下一步的研究起到指導(dǎo)作用。

(3)本文基于ASD實測光譜,采用GF-5號AHSI高光譜地SWIR波段影像,提取了明礬石和高嶺石的蝕變信息,結(jié)合地層、巖性、構(gòu)造分析得出,明礬石在新近系嘎扎村組的安山巖中,在斷層交接處附近集中分布,高嶺石則在古近系典中組的安山巖和新近系布噶寺組粗面巖-玄武巖中集中分布,且都在斷層的交界處。認(rèn)為斷層構(gòu)造對此次蝕變有著很大影響?；诙滩t外技術(shù)提取的蝕變集中分布之處,推測該處具有較大的成礦潛力。