內(nèi)蒙古撰山子地區(qū)遙感信息提取及找礦預(yù)測

李 偉,毛啟貴,鄒 滔,管育春,楊 星

(1.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限責(zé)任公司;2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所新疆礦產(chǎn)資源研究中心; 3.中色紫金地質(zhì)勘查(北京)有限責(zé)任公司)

引 言

由于遙感影像可以全面、客觀記錄地表景觀的幾何特征,因此可以利用解譯的線性構(gòu)造、環(huán)形構(gòu)造提取控礦信息[1]。從遙感圖像上識別并分析蝕變巖的分布規(guī)律,是遙感找礦工作的主要研究內(nèi)容之一[2]。目前,ETM+、ASTER、Hyperion和Landsat 8 OLI等遙感數(shù)據(jù),在遙感蝕變信息提取和構(gòu)造解譯方面應(yīng)用廣泛[3-10]。前人研究“強鐵染異常+弱羥基異?！迸c金礦化、羥基蝕變信息強烈區(qū)與構(gòu)造破碎帶存在密切的對應(yīng)關(guān)系[11-13],以及環(huán)形影像與成礦構(gòu)造吻合區(qū)域是金成礦的有利地段[14]。

撰山子金礦床位于華北克拉通北緣赤峰—朝陽金成礦帶,也是赤峰—朝陽金成礦帶內(nèi)構(gòu)造影響最為明顯的金礦床,具有獨特的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境。撰山子金礦床受隱伏的建平環(huán)形構(gòu)造及伴生的斷裂、韌性剪切帶控制[15-16]。前人曾利用在TM圖像中提取的金礦化蝕變信息為撰山子金礦區(qū)和其外圍找礦提供了豐富準(zhǔn)確的指示性信息[17],而Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)輻射分辨率和波譜分辨率較ETM+數(shù)據(jù)的大幅提升,為鐵染類、羥基類等蝕變礦物信息的提取研究提供了新的數(shù)據(jù)來源[3,7,18],且利用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)對斷裂等大型構(gòu)造的解譯具有很大作用[6,8,19]。因此,以撰山子地區(qū)為例,采用Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)進行遙感異常信息提取及構(gòu)造解譯,在遙感異常信息提取方面選用主成分分析法進行蝕變異常提取,綜合地質(zhì)特征、構(gòu)造解譯及蝕變異常信息建立撰山子地區(qū)金找礦標(biāo)志,以選取最有利地區(qū)圈定找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū),并進行野外實地調(diào)查及采樣來驗證基于OLI遙感影像找礦技術(shù)在金找礦預(yù)測方面的輔助作用。

1 數(shù)據(jù)、研究區(qū)及典型礦床

1.1 數(shù)據(jù)選取

撰山子地區(qū)遙感數(shù)據(jù)收集了2017年6月1日的Landsat 8 OLI數(shù)據(jù),景號122/31,該數(shù)據(jù)在撰山子地區(qū)內(nèi)無積雪,無云蓋,且地質(zhì)體出露明顯。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)特征

撰山子地區(qū)位于赤峰—開源深大斷裂以北,華北克拉通與興蒙造山帶結(jié)合部位[20-21]。出露的地層由老到新依次為古元古界、奧陶系—志留系、二疊系、侏羅系、白堊系及第四系,如圖1所示。斷裂主要有東西向斷裂、北東向斷裂、北西向斷裂及近南北向斷裂[22]。巖漿活動頻繁,以花崗質(zhì)巖漿活動最為強烈。其中,燕山期花崗巖體與金礦化具有密切的關(guān)系[23],含礦巖體侵入中生代海相-陸相沉積巖系,形成了撰山子、金廠溝梁、安家營子等多個大中型金礦床。

1.3 典型礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)內(nèi)典型礦床為撰山子金礦床,礦區(qū)內(nèi)出露地層為二疊系、侏羅系及第四系,如圖2所示。礦區(qū)以發(fā)育北西向斷裂、北東向斷裂、近東西向斷裂為主,其中北西向斷裂是主要的控礦斷裂[23]。礦區(qū)內(nèi)巖漿巖具有多期次侵入特征,包括白堊紀(jì)細(xì)?；◢弾r、花崗斑巖,二疊紀(jì)—三疊紀(jì)閃長巖。

1—第四系 2—白堊系 3—侏羅系 4—二疊系 5—奧陶系—志留系 6—古元古界 7—早中生代斑狀二長花崗巖 8—中粗粒二長花崗巖 9—細(xì)粒二長花崗巖 10—晚中生代花崗巖 11—晚古生代花崗斑巖 12—古生代花崗巖 13—古生代閃長巖 14—酸性巖脈 15—石英脈 16—煌斑巖脈 17—基性巖脈 18—斷裂 19—推測斷裂 20—構(gòu)造破碎帶 21—地質(zhì)界線 22—金礦床(點)圖1 撰山子地區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[23-24]修改)

1—第四系 2—侏羅系 3—二疊系 4—白堊紀(jì)細(xì)粒花崗巖 5—白堊紀(jì)花崗斑巖 6—二疊紀(jì)—三疊紀(jì)閃長巖 7—霏細(xì)巖 8—礦體 9—地質(zhì)界線 10—推測斷裂 11—斷裂圖2 撰山子金礦地質(zhì)簡圖(據(jù)文獻(xiàn)[21,25]修改)

2 處理方法及蝕變提取

2.1 數(shù)據(jù)處理

為提高圖像精度及反映構(gòu)造地貌特征,需對獲取的影像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,如校正、融合、裁剪、波段選取等,采用GS(Gram-Schmidt)法融合處理,GS法對Landsat 8 OLI遙感具有最好的光譜保真度[28]。本研究根據(jù)Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)的波段特征和前人應(yīng)用經(jīng)驗及地質(zhì)解譯目的,結(jié)合該區(qū)的影像特征,經(jīng)最佳波段分析后選取B7B5B3波段融合以增強區(qū)域構(gòu)造信息。

Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)在獲取過程中會受到如搭載平臺、傳感器誤差、太陽高度角、地形及植被覆蓋、大氣分子和氣溶膠散射等因素影響,導(dǎo)致測量值與地物本身的光譜反射率存在誤差。為消除或修正輻射畸變,得到真實的地物反射率,需對原始影像數(shù)據(jù)進行校正,通常包括傳感器校正和大氣校正2類[7]。上述處理使用ENVI 5.1軟件的輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正模塊。

經(jīng)上述處理后的圖像上仍含有植被、水體、道路等非地質(zhì)因素,這些因素會對蝕變信息的提取產(chǎn)生干擾,用植被提取及水體提取相應(yīng)信息并采用掩膜遮罩來避免此類因素的干擾。

1)植被提取方法:利用歸一化植被指數(shù)(NDVI),提取植被信息,并建立掩膜。其計算方法見式(1):

NDVI=(Band5-Band4 )/(Band5+Band4)

(1)

式中:Band5、Band4為第5、第4波段反射率。

采用NDVI>N作為判據(jù)消除植被干擾,N取值0.225左右。

在傳統(tǒng)印象中，校園內(nèi)交通空間只用來連接上下層或各單元，常常以封閉型的交通空間形式呈現(xiàn)，典型表現(xiàn)為走廊和封閉樓梯間組成水平交通與垂直交通。但在密集的城市環(huán)境中，校園交通空間汲取了城市動態(tài)發(fā)展與多功能集聚的傾向，漸漸被賦予更多的功能。尤其是在用地面積有限的校園空間中，多種功能空間是與交通空間相互兼容并有機結(jié)合，使交通空間不僅僅只是連接區(qū)域，而是逐漸形成了多層次、多要素的動態(tài)開放系統(tǒng)。因此教育建筑內(nèi)交通空間的交往性設(shè)計、教學(xué)性設(shè)計越來越受到關(guān)注[12]。

2)水體提取方法:利用歸一化水體指數(shù)(NDWI),提取水體,并建立掩膜。其計算方法見式(2):

NDWI=(Band3-Band5)/(Band3+Band5)

(2)

式中:Band3、Band5為第3、第5波段反射率。

采用NDWI>N作為判據(jù)消除水體干擾,N取值0.3左右。

2.2 遙感蝕變異常提取

遙感蝕變異常提取眾多方法中的主成分分析法(PCA,Principal Component Analysis)是運用最為廣泛的一種。

主成分分析法使主成分之間的信息沒有重復(fù)或冗余[29],達(dá)到去除相關(guān)、進行特征提取、數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強的目的。鐵染和羥基異常對礦化蝕變信息及遙感找礦具有重要指導(dǎo)意義[30],利用主成分分析法提取鐵染和羥基異常。

2.2.1 鐵染主成分分析

選取Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)的Band2、Band4、Band5、Band6 4個波段作為組合波段進行主成分分析,是因為鐵氧化物的特征光譜信息集中在Band2、Band5,Band2(0.4～0.5 μm)和Band5 (0.8～1.0 μm)為吸收峰,Band4(0.63～0.69 μm)無特征吸收從而呈高反射。

對Band2、Band4、Band5、Band6進行主成分分析,結(jié)果如表1所示。

表1 PCA(Band 2、Band 4、Band 5、Band 6)主成分特征向量矩陣

從表1可以看出,主成分PC1主要反映了Band5和Band6;主成分PC2主要反映了Band4和Band5;主成分PC3反映Band6;主成分PC4反映了Band2和Band4。根據(jù)鐵染蝕變礦物的波譜特征,主成分PC4符合鐵染類礦物的波譜特征,因此主成分PC4可作為鐵染異常主分量[28]。

2.2.2 羥基主成分分析

對Band2、Band5、Band6、Band7進行主成分分析,結(jié)果如表2所示。

表2 PCA(Band 2、Band 5、Band 6、Band 7)主成分特征向量矩陣

2.2.3 遙感異常優(yōu)化及分級

遙感異常優(yōu)化使用了3×3中值濾波,中值濾波可以去除異常圖中的孤立異常。

遙感異常等級劃分是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù),劃分為一、二、三級異常。

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感構(gòu)造解譯

遙感構(gòu)造解譯方法包含直接解譯法、間接解譯法[19]、環(huán)型構(gòu)造解譯法等。依據(jù)上述構(gòu)造的遙感解譯方法,區(qū)內(nèi)遙感構(gòu)造解譯如圖3所示。

1—斷裂 2—解譯區(qū)域性斷裂 3—解譯環(huán)形構(gòu)造 4—解譯斷裂 5—金礦床(點)圖3 撰山子地區(qū)遙感構(gòu)造解譯圖

撰山子地區(qū)遙感影像解譯表現(xiàn)為由北西向區(qū)域性大斷裂所夾持的北東向斷裂、近東西向斷裂構(gòu)成基本構(gòu)造格架。在北西向斷裂形成后,由于后期的多期次構(gòu)造活動和巖漿活動形成了次級斷裂,組成不規(guī)則的網(wǎng)格狀構(gòu)造,經(jīng)巖漿熱液活動,尤其是巖體及巖脈的侵入,在北東向斷裂、東西向斷裂上形成了環(huán)形構(gòu)造。撰山子金礦床礦體分布于環(huán)形構(gòu)造邊緣。

3.2 遙感蝕變異常解譯

經(jīng)遙感蝕變異常提取,顯示撰山子地區(qū)羥基蝕變信息強烈區(qū)主要在北西向斷裂與北東向斷裂的交會部位,呈條狀—串珠狀分布,在金礦(點)床周邊羥基蝕變信息較為豐富。鐵染蝕變信息強烈區(qū)主要沿環(huán)形構(gòu)造呈星散狀分布及沿北西向斷裂帶呈條帶狀分布,在金礦(點)床附近鐵染蝕變信息較為豐富,如圖4所示?？傮w而言,羥基蝕變與鐵染蝕變的空間關(guān)系不顯著[31],但羥基蝕變、鐵染蝕變與金礦床(點)分布吻合度較高,且金礦床(點)均位于二者的疊加部位。

1—鐵染一級異常 2—鐵染二級異常 3—鐵染三級異常 4—羥基二級異常 5—羥基三級異常圖4 撰山子地區(qū)遙感蝕變異常圖

4 討 論

4.1 找礦標(biāo)志

撰山子金礦床位于東西向斷裂與北北東向斷裂交會處,礦體產(chǎn)出于花崗巖體與二疊系地層接觸部位,受控于北西向斷裂。礦區(qū)周圍存在Au-Ag-Cu-As-Sb-Pb-Zn組成的綜合異常。根據(jù)遙感構(gòu)造解譯圖及遙感蝕變異常圖可以發(fā)現(xiàn)下列特征:①金礦床(點)主要分布于環(huán)形構(gòu)造邊緣;②金礦床(點)附近往往有線性構(gòu)造存在,線性構(gòu)造平行分布或位于環(huán)形構(gòu)造邊緣;③附近侵入巖體的存在是成礦的有利條件;④撰山子金礦床位于北東向線性構(gòu)造和環(huán)形構(gòu)造交會部位,并伴有強鐵染和羥基蝕變。綜上,撰山子地區(qū)金找礦標(biāo)志特征如表3所示。

4.2 找礦預(yù)測

撰山子地區(qū)處于華北地臺北緣興蒙造山帶的造山環(huán)境中,自太古代以來,這一地區(qū)是一個長期的活動帶,經(jīng)歷裂解、碰撞和活動大陸邊緣的增生造山作用,礦床均分布于這些復(fù)雜的大型地質(zhì)構(gòu)造帶中,經(jīng)過巖性、應(yīng)力、變質(zhì)等方面的多期作用和變化,形成金等成礦物質(zhì)的富集區(qū),由于各種作用所產(chǎn)生的熱流體長期作用,使金富集成礦。根據(jù)表3建立的找礦標(biāo)志,對撰山子地區(qū)進行找礦預(yù)測,圈定3處找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū),如圖5所示。

表3 撰山子地區(qū)金找礦標(biāo)志特征

1—斷裂 2—解譯區(qū)域性斷裂 3—解譯環(huán)形構(gòu)造 4—解譯斷裂 5—找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)及編號 6—實地驗證位置 7—鐵染一級異常 8—鐵染二級異常 9—鐵染三級異常 10—羥基二級異常 11—羥基三級異常 12—金礦床(點)圖5 撰山子地區(qū)遙感找礦預(yù)測區(qū)圖

Ⅰ找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于撰山子南,出露中粗粒二長花崗巖,在燒鍋營子巖體的控制作用下,金礦床分布于巖體周邊特定的空間位置[24],遙感解譯顯示該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于環(huán)形構(gòu)造內(nèi),具明顯北東向線性構(gòu)造,且環(huán)形構(gòu)造邊緣與線性構(gòu)造重疊位置的鐵染、羥基蝕變異常強烈;在該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)羥基蝕變異常區(qū)發(fā)育強綠簾石化、硅化蝕變帶,存在弱褐鐵礦化,如圖6-a所示。依據(jù)找礦標(biāo)志,除存在巖體和構(gòu)造條件外,還發(fā)現(xiàn)圍巖對應(yīng)蝕變,說明該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)附近有金成礦富集的條件,因此具有一定的找礦前景。

圖6 撰山子南綠簾石化、硅化蝕變帶(a)和房身溝褐鐵礦化石英脈(b)及民采坑(c)

Ⅱ找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于房身溝,出露中粗粒二長花崗巖及二疊系地層,遙感解譯顯示該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于環(huán)形構(gòu)造內(nèi),且環(huán)形構(gòu)造邊緣與線性構(gòu)造重疊位置的鐵染、羥基蝕變強烈,斷裂明顯,前人在環(huán)形構(gòu)造東側(cè)發(fā)現(xiàn)梨樹溝金礦點,野外調(diào)查中在鐵染、羥基蝕變及環(huán)形構(gòu)造疊加區(qū)發(fā)現(xiàn)有褐鐵礦化石英脈出露(如圖6-b所示),并見有民采坑(如圖6-c所示)。因此該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)具有較好的找礦前景。

Ⅲ找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于大洼,出露中粗粒二長花崗巖、細(xì)粒二長花崗巖、奧陶系—志留系、二疊系及石英脈等,遙感解譯顯示該找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)位于環(huán)形構(gòu)造及其邊緣,具明顯北東向線性構(gòu)造,且環(huán)形構(gòu)造邊緣與線性構(gòu)造重疊位置的鐵染、羥基蝕變強烈;該區(qū)野外調(diào)查中選取鐵染、羥基蝕變強裂與環(huán)形構(gòu)造及線性構(gòu)造疊加區(qū),以及脈巖發(fā)育地區(qū),見一北西向構(gòu)造破碎帶,其中韌性剪切帶發(fā)育,發(fā)育強褐鐵礦蝕變,如圖7所示。依據(jù)區(qū)內(nèi)找礦標(biāo)志,大洼具有良好成礦條件,且存在地表直接礦化現(xiàn)象,故該遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi)具有較好的找礦前景。

圖7 大洼構(gòu)造破碎帶

5 結(jié) 論

1)選取Landsat 8 OLI影像,利用主成分分析法,提取了撰山子地區(qū)的羥基、鐵染蝕變信息。結(jié)果顯示,撰山子地區(qū)羥基、鐵染蝕變強烈,主要沿北西向斷裂和北東向斷裂交會部位及環(huán)形構(gòu)造附近分布,與區(qū)內(nèi)已有金礦(點)床分布一致;鐵染蝕變信息與羥基蝕變信息空間關(guān)系不明顯,但金礦化均位于二者疊加部位。

2)綜合構(gòu)造解譯、遙感蝕變信息及區(qū)域與撰山子地區(qū)地質(zhì)特征,建立撰山子地區(qū)金找礦標(biāo)志,依此圈定3處找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)。經(jīng)實地調(diào)查,撰山子地區(qū)具有較好的找礦潛力,基于Landsat 8 OLI影像提取的信息均有地表構(gòu)造及蝕變的驗證。

3)在撰山子地區(qū)通過遙感信息提取及解譯建立的找礦標(biāo)志是可信的,依此圈定的找礦預(yù)測遠(yuǎn)景區(qū)仍需要結(jié)合地物化綜合信息及實地情況進行進一步驗證。