基于高光譜數(shù)據(jù)的東天山—北山成礦帶礦物填圖及地質(zhì)應(yīng)用

文| 秦昊洋 李士杰 李志忠 何海洋 劉小玉 王思琪

1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心

2.自然資源陜西省衛(wèi)星技術(shù)應(yīng)用中心

一、引言

礦物是地質(zhì)體的基本組成單元，也是地質(zhì)工作中的重要研究對象。不同類型的礦物由于具有特定的化學(xué)鍵及分子基團，往往存在獨特的診斷性光譜特征，高光譜遙感衛(wèi)星能夠快速大范圍地獲取這種光譜特征信息，借助礦物光譜中特有的吸收位置、吸收深度等參數(shù)有效識別各種離子類礦物和單礦物，實現(xiàn)對礦物類型、空間分布和蝕變信息的提取工作[1-2]。近年來，隨著國產(chǎn)高光譜遙感數(shù)據(jù)的不斷成熟，高光譜遙感技術(shù)在地學(xué)領(lǐng)域尤其是成礦帶尺度的大范圍地質(zhì)調(diào)查研究中發(fā)揮著越來越重要的作用[3-5]。

東天山—北山成礦帶發(fā)育有以金、鐵、銅、鎳為主的各類多金屬礦床，礦床類型復(fù)雜，礦產(chǎn)種類豐富、儲量巨大，是我國重要的礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略基地，也是新一輪戰(zhàn)略找礦突破行動的重點工作區(qū)[6-8]。在該地區(qū)進行高光譜礦物填圖工作能夠快速、高效地獲取整個成礦帶尺度的礦物空間分布規(guī)律和蝕變特征信息，為整個東天山成礦帶的地質(zhì)工作提供全新的研究視角和數(shù)據(jù)來源，對支撐國家新一輪戰(zhàn)略找礦突破行動具有重要意義。此前由于缺乏成熟的技術(shù)方法體系和相關(guān)的軟件工具，限制了國產(chǎn)高光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣，國內(nèi)地質(zhì)勘查工作中常用的遙感數(shù)據(jù)源仍以多光譜、高空間分辨率數(shù)據(jù)為主，借助高光譜遙感數(shù)據(jù)的區(qū)域性地質(zhì)研究工作還存在實際困難[9-10]。為解決上述難題，推進國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地質(zhì)找礦領(lǐng)域的應(yīng)用，本文利用高分五號01A、資源一號02D 等國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在東天山—北山成礦帶開展了高光譜礦物填圖工作，編制了填圖成果圖集。填圖工作完全基于自主研發(fā)的礦物填圖技術(shù)方法體系和軟件工具pymica完成，該工具內(nèi)置了數(shù)百條礦物參考光譜及相應(yīng)專家識別規(guī)則，目前支持識別含羥基礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物、含鐵礦物等60 余種礦物類型，并充分利用了GPU 并行計算技術(shù)，實現(xiàn)了自動化、批量化的高效數(shù)據(jù)處理。針對野外找礦工作的實際勘查需求，填圖成果圖集包括了成礦帶1∶100 萬礦物分布圖、白云母鋁含量分布圖、綠泥石Mg/（Mg+Fe）比值圖等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為成礦帶內(nèi)發(fā)掘熱液活動痕跡、揭示區(qū)域隱伏構(gòu)造、圈定礦化蝕變帶等地質(zhì)工作提供了可靠依據(jù)。

東天山—北山成礦帶成果圖集目前已在大規(guī)模的工程化應(yīng)用實踐中完成了初步驗證，為全國成礦帶尺度的高光譜遙感礦物填圖研究和應(yīng)用工作提供了應(yīng)用示范和有力工具，對研究區(qū)域性成礦作用和礦床成因類型劃分具有重要價值。

二、遙感數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

1.高光譜遙感數(shù)據(jù)源

高光譜遙感數(shù)據(jù)擁有納米級的光譜分辨率，具備上百個有效波段，可覆蓋400—2500nm 波段范圍，能夠有效識別礦物化學(xué)鍵在近紅外、短波紅外所引起的吸收特征，從而在大尺度上精細探測和分析地表巖石礦物成分。本文使用189 景高分五號01A 高光譜影像和145 景資源一號02D 高光譜影像進行填圖工作，影像范圍基本覆蓋東天山—北山成礦帶，總面積約27 萬平方千米。影像成像時間均為2018—2022 年的3—10 月，影像質(zhì)量良好，總云量均小于5%。高分五號、資源一號高光譜衛(wèi)星參數(shù)如表1 所示。

表1 高光譜遙感衛(wèi)星主要參數(shù)

2.遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理工作能夠?qū)⑿l(wèi)星傳感器存儲的DN值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為礦物識別所需的地表反射率數(shù)據(jù)，并消除大氣散射、地形起伏、大氣水汽、幾何畸變等因素造成的影響[11]。其中大氣校正借助輻射傳輸模型完成，正射校正、幾何校正分別采用工作區(qū)12.5m分辨率DEM數(shù)據(jù)和Landsat鑲嵌數(shù)據(jù)集（NASA Landsat GeoCover）作為地理基準(zhǔn)參考完成。此外，由于高光譜傳感器內(nèi)每個探測元件具有敏感差異性，其校準(zhǔn)標(biāo)定工作易出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致部分波段數(shù)據(jù)中出現(xiàn)整列分布的條紋噪聲，因此需進行去噪處理以提高影像質(zhì)量。數(shù)據(jù)預(yù)處理均在pymica 平臺中完成，其流程如圖1 所示。

圖1 高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

噪聲條紋的出現(xiàn)是由于其定標(biāo)校準(zhǔn)的失效致使DN 值失真引起的，本文采用全局拉伸的方法參照整幅圖像DN 值的標(biāo)準(zhǔn)差與均值對真值線性拉伸，該方法對于地形起伏程度較低、地物類型相對均一的影像數(shù)據(jù)去噪效果良好[12-13]。高光譜數(shù)據(jù)去噪效果如圖2 所示。

圖2 高光譜數(shù)據(jù)去噪

完成預(yù)處理工作后，將工作區(qū)高光譜遙感影像進行裁剪鑲嵌，生成東天山—北山成礦帶遙感影像圖。

3.礦物光譜匹配識別

本文采用自主研發(fā)的pymica 填圖工具進行礦物光譜匹配識別工作，識別過程主要分為連續(xù)統(tǒng)去除和光譜匹配兩個步驟。

去除連續(xù)統(tǒng)能夠有效突出地物光譜的吸收特征，在增強地物光譜特征的同時將反射率進行歸一化，以便與其他光譜的吸收特征相比較，進行光譜間匹配分析工作[14-15]。由于影像在大氣校正后得到的反射率曲線會殘留有部分大氣特征及噪聲干擾，因此在對光譜曲線吸收特征進行連續(xù)統(tǒng)去除時對端點的選擇尤為重要。為了壓抑噪聲及大氣特征對去統(tǒng)結(jié)果的影響，本文將吸收特征兩端預(yù)設(shè)區(qū)間的波長、反射率平均值作為去統(tǒng)端點。

礦物內(nèi)部化學(xué)鍵振動及電子躍遷能夠造成礦物對不同波段的光子散射比例發(fā)生變化，反映在光譜曲線中即可形成特征波段內(nèi)精細的吸收帶[16-17]。不同礦物的光譜吸收帶特征存在不同程度的差異。提取礦物光譜吸收特征與標(biāo)準(zhǔn)礦物光譜進行對比匹配，即可實現(xiàn)對不同礦物的識別分類。標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)采用美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）標(biāo)準(zhǔn)波譜庫中的實測數(shù)據(jù)。

本文在pymica 填圖工具中使用光譜吸收帶擬合面積與吸收位置、深度作為判據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進行擬合度匹配，擬合度最高的標(biāo)準(zhǔn)礦物即作為分類結(jié)果。該方法在保證分類結(jié)果有效的同時能夠降低噪聲對光譜匹配過程產(chǎn)生的干擾，在應(yīng)用國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星進行礦物填圖工作中效果較好。

三、填圖應(yīng)用

1.成礦帶構(gòu)造信息解譯

斷裂構(gòu)造在形成時，沿斷裂帶兩側(cè)的巖塊會發(fā)生顯著的錯動、位移，并形成充填著大量巖石碎塊的破碎帶。受構(gòu)造應(yīng)力作用的影響，斷裂破碎帶內(nèi)通常會形成各種類型的動力變質(zhì)巖或出現(xiàn)充填不同礦物成分的巖脈，使得斷裂帶內(nèi)的礦物類型與兩側(cè)巖體存在顯著差異，成為地質(zhì)調(diào)查工作中識別斷裂構(gòu)造的基本標(biāo)識之一。野外地質(zhì)調(diào)查受人員、地理條件等因素限制，在斷層追索工作中常存在局限。高光譜礦物填圖方法憑借對斷裂破碎帶內(nèi)礦物類型的精細識別，能夠在可觀測尺度下顯示出呈線性展布的礦物類別差異，為構(gòu)造解譯提供可靠判據(jù)。圖3 中展示了一條由白云石、方解石等碳酸鹽礦物形成的斷裂破碎帶，填圖結(jié)果清晰、連續(xù)地揭示出了斷裂構(gòu)造的走向和分布，并與1∶25 萬地質(zhì)圖中構(gòu)造分布進行了對比驗證。相比于地質(zhì)圖，礦物填圖結(jié)果還能夠直觀清楚地觀測到斷裂帶的寬度、走向形態(tài)以及其中充填的礦物類型，為野外地質(zhì)工作提供更加豐富翔實的資料。

東天山—北山成礦帶地處荒漠戈壁區(qū)，部分斷裂構(gòu)造信息因為第四系砂土、鹽堿地覆蓋，導(dǎo)致斷裂帶與兩側(cè)巖體間的差異不明顯。在高分二號、Landsat-8 等常用的高分辨率、多光譜衛(wèi)星中色調(diào)不夠突出，給遙感構(gòu)造解譯工作帶來挑戰(zhàn)。高光譜遙感影像具備極高的光譜分辨率，能夠在礦物特征信號微弱、豐度較低的情況下對其進行分類識別，借此識別出第四系覆蓋區(qū)斷裂構(gòu)造帶與兩側(cè)巖體間礦物組成的差別，從而解譯構(gòu)造。圖4 中展示了高光譜礦物填圖結(jié)果在第四系覆蓋區(qū)中的應(yīng)用情況，第四系覆蓋區(qū)礦物以伊利石、高嶺土、蒙脫石為主，其間穿插兩條近東西走向的綠泥石、綠簾石礦物帶F1 和F2，其線性展布特征清晰地反映出了該位置的斷裂構(gòu)造活動軌跡。相比于礦物填圖結(jié)果中的顯著特征，影像及地質(zhì)圖中均未能解譯出兩處斷裂帶。

不同于呈線性展布的斷裂構(gòu)造，褶皺構(gòu)造由巖層彎曲變形而形成，其在遙感影像上主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)折端的存在，即巖層由褶皺一翼轉(zhuǎn)到另一翼的彎曲部位置，兩翼地層產(chǎn)狀出現(xiàn)規(guī)律性的變化。高光譜礦物填圖同樣能夠揭示褶皺構(gòu)造的存在（圖5），在圖中具體表現(xiàn)為褶皺核部主要以絹云母為主，兩側(cè)褶皺翼則含有大量綠泥石、方解石、白云石，兩側(cè)褶皺翼礦物類型基本一致，且與核部之間差異明顯，能夠清晰地觀察到巖層的彎曲形態(tài)。褶皺核部外側(cè)發(fā)育的小型斷層構(gòu)造行跡和巖層錯斷現(xiàn)象也一目了然，清楚地揭示了斷層兩側(cè)的巖體差異。相比于地質(zhì)圖，礦物填圖中觀察到的褶皺形態(tài)更加直觀，包含礦物類型信息更加豐富，解讀更加便利。

圖5 高光譜礦物填圖揭示褶皺構(gòu)造

2.成礦帶巖性解譯

地層巖性信息能夠為理解整個成礦帶區(qū)域物質(zhì)循環(huán)演化、金屬礦產(chǎn)分布、巖漿熱液活動等提供信息，對地質(zhì)勘查工作具有重要意義。不同的巖性因其礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部條件不同，在遙感影像上表現(xiàn)出明顯的多樣性，因此與其他地物信息提取或遙感解譯相比，遙感巖性解譯更加困難。本文利用高光譜礦物填圖成果，從礦物構(gòu)成的尺度進行巖性劃分識別，分類結(jié)果更加精細（圖6）。相比于地質(zhì)圖，填圖結(jié)果清晰準(zhǔn)確地識別出了以方解石、白云石為主要礦物的白云質(zhì)大理巖體；以白云母、綠泥石為主要礦物的二長花崗巖體，以及一處環(huán)形構(gòu)造。除巖性信息外，礦物尺度的精細分布特征同樣能夠提供更豐富的地質(zhì)涵義，例如大理巖體中白云石與方解石的組分差異能夠反映出鎂含量分布的不同；花崗巖體中綠泥石通常是由輝石風(fēng)化形成，綠泥石的分布和豐度同樣能夠揭示花崗巖體的風(fēng)化蝕變程度。

圖6 高光譜礦物填圖揭示巖性/環(huán)形構(gòu)造

東天山—北山成礦帶的基性巖體通常與金、銅、鎳等金屬礦床密切相關(guān)[18]。應(yīng)用礦物填圖綠泥石鎂含量專題信息圖，能夠清晰直接地反映出成礦帶內(nèi)輝綠巖為主的基性巖分布（圖7）。由圖中可見，輝綠巖巖體中綠泥石吸收特征傾向于向短波方向移動，這意味著輝綠巖體中的綠泥石鎂含量相比于其他綠泥石普遍偏高，依據(jù)這一特征，可以在綠泥石專題信息圖中解讀輝綠巖分布。

圖7 高光譜礦物填圖揭示基性巖體

3.礦化蝕變帶提取

蝕變帶信息提取是淺成低溫?zé)嵋盒徒饘俚V床找礦工作的主要內(nèi)容和重要技術(shù)手段，與熱液活動相關(guān)的各類蝕變礦物均能夠為找礦工作提供理論依據(jù)[19-20]。例如以綠泥石、白云石、絹云母、石膏為主要礦物組合的青磐巖化；以絹云母、石英為主的絹英巖化；以高嶺石、伊利石、紅柱石、明礬石為主的高級泥化等均能夠反映熱液蝕變過程中的交代變質(zhì)作用，按照不同蝕變類型進行蝕變帶的劃分能夠為找礦工作提供重要信息。高光譜礦物填圖結(jié)果中能夠清晰展現(xiàn)出蝕變分帶相關(guān)的礦物組合特征：處于蝕變區(qū)域外圍的綠泥石、白云石、絹云母；位于內(nèi)層過渡帶的高嶺土、伊利石；位于蝕變中心的明礬石、葉蠟石（圖8）。礦物組成和空間分布關(guān)系清晰展現(xiàn)出了外側(cè)青磐巖化帶+泥化過渡帶+高級泥化中心帶的蝕變分帶特征，為該地區(qū)斑巖型銅礦的找礦工作提供了有力依據(jù)。在野外驗證工作中，現(xiàn)場采樣取得了高嶺土、明礬石、石膏樣品，充分證明了填圖結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

圖8 高光譜礦物填圖礦化蝕變帶提取

四、結(jié)語

目前的工作成果圖集主要基于高分五號01A 和資源一號02D 兩種國產(chǎn)高光譜遙感衛(wèi)星完成，由于不同遙感衛(wèi)星具體參數(shù)不同，因此填圖結(jié)果在鑲嵌成圖時會在接邊處存在少量分類不一致的情況。隨著高分五號02 星以及資源一號02E 的發(fā)射升空，國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋和信噪比不斷提高，未來可以采用更高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)進行填圖工作。東天山—北山成礦帶的地質(zhì)應(yīng)用目前已得到工程化項目的實踐驗證，這標(biāo)志著成礦帶尺度的礦物填圖技術(shù)及數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)成熟，未來在例如阿勒泰成礦帶、阿爾金成礦帶、怒江成礦帶等均可開展礦物填圖工作，為上述地區(qū)的新一輪找礦突破行動提供全新的地質(zhì)信息。

此外，高光譜遙感數(shù)據(jù)30m 空間分辨率適用于1∶25 萬及以下比例尺的地質(zhì)填圖工作，目前已完成了東天山—北山成礦帶內(nèi)1∶25 萬標(biāo)準(zhǔn)圖幅的分幅填圖工作。但這與部分大比例尺地質(zhì)找礦項目所需的1∶2.5 萬詳查區(qū)、1∶1 萬重點調(diào)查區(qū)等精細勘查仍有距離。針對大比例尺勘查工作的需要，可在重點區(qū)開展無人機高光譜填圖試點研究及應(yīng)用，為新一輪找礦戰(zhàn)略突破行動提供助力。無人機搭載高光譜成像傳感器可以在保證數(shù)據(jù)光譜分辨率的同時，極大地提升其成像空間分辨率，視飛行高度可達亞米級。因此，采用無人機高光譜與星載高光譜數(shù)據(jù)結(jié)合的方式開展工作，可為找礦工作提供更加豐富精細的數(shù)據(jù)支撐。