遙感線性構造分形統計和蝕變信息提取在桂東地區金鉛鋅錫多金屬成礦預測中的應用

趙少杰，錢建平，陳宏毅

(桂林理工大學地球科學學院，廣西桂林541004)

遙感線性構造分形統計和蝕變信息提取在桂東地區金鉛鋅錫多金屬成礦預測中的應用

趙少杰，錢建平，陳宏毅

(桂林理工大學地球科學學院，廣西桂林541004)

在桂東地區ETM+遙感影像742波段融合的基礎上，進行了線性構造和環形構造解譯，運用分形幾何學的原理和方法對研究區的遙感線性構造進行定量分析，利用計盒維數法求得研究區的線性構造分維值，得出該區線性構造具有良好的統計自相似性和分形特征，利用Surfer軟件求得線性構造分維等值線圖，采用主成分分析和比值法組合提取遙感蝕變異常信息。結果表明，本區環形構造、線性構造集中區、鐵染羥基異常和地球化學異常區在空間上基本重合，且呈NE、NW向點陣式分布。線性構造分維值(D)介于1.4到1.85的強構造活動帶為成礦優勢區域。綜合分析線性構造分維等值線、遙感蝕變信息異常、區域地質和地球化學等信息、已知礦床(點)信息，確定了三級成礦遠景區。其中Ⅰ級遠景區3個，Ⅱ級遠景區2個，Ⅲ級遠景區3個。

遙感影像;線性構造;環形構造;分維;蝕變信息提取;成礦預測

0 引言

已有研究表明，大多數遙感影像上的線性構造反映的是應力作用下的巖石形變帶、軟弱帶或應力集中帶(馬躍良和徐瑞松，1999)，因而它們常常成為導礦與容礦場所。但是線性構造的發育往往是不規則的，對線性構造的長度、密度和方位等要素的研究僅能揭示其發育規律的某些方面，不能充分反映他們復雜的空間分布特征。自法裔美籍科學家曼德布羅特于20世紀70年代中期創立分形理論以來，分形幾何學已經在地球科學領域得到廣泛的應用，為我們研究遙感線性構造提供了科學實用的新方法(余勇等，2005)。

圍巖蝕變是金屬礦床(特別是內生礦床)重要的找礦標志，蝕變巖型礦床的形成主要是不同類型的熱液與原巖相互作用的產物(張玉君等，2002)。遙感探測的結果是地表物質的光譜信息，只要有一定面積的蝕變巖石出露，就可以在遙感影像上有所反應。然而蝕變信息的強弱也很重要，這是因為巖石中的次要成分如鐵質和蝕變礦物，可形成巖石譜帶中的優勢地位，在可見光及近紅外(VNIR)區，天然礦物和巖石最常見的光譜特征是由各種形式存在的鐵質、水、OH－1基團或者基團產生的。上述蝕變礦物(黃鐵礦、矽卡巖和硅化、綠泥石、絹云母、碳酸鹽等)在短波近紅外波段具有診斷性強吸收特征，它們是純礦物本身固有的特征，不同的礦物組合在一起并不能改變礦物的波譜特征(張建東等，2007)。因此，遙感蝕變信息提取可以有效地發現區域礦化信息(張國榮等，2010;趙玲等，2008)。

本文選擇Landsat 7衛星(2000年10月30日，分辨率為28.5m)的ETM+數據，在進行742波段假彩色合成的基礎上(圖1)，對廣西桂東地區進行線性構造解譯，線性體分形統計和遙感蝕變信息提取，總結線性構造和遙感蝕變異常在區域空間上的分布規律，探討線性構造集中區和遙感蝕變異常與區域巖漿巖、地球化學異常和金銀錫多金屬礦床(點)的空間耦合關系，在此基礎上進行區域成礦遠景分析和成礦預測。

圖1 桂東地區ETM+742假彩色合成遙感影像圖Fig.1 The ETM+742 image of Eastern Guangxi

1 區域地質背景

區內出露地層主要有寒武系和泥盆系。寒武系主要由一套淺變質砂巖等組成，泥盆系主要為一套淺海－陸相碎屑巖和泥巖組成。

區域構造上位于南華準地臺桂中－桂東臺陷之大瑤山隆起內，桂湘贛褶皺帶南緣與華夏褶皺帶之過渡地帶。區內構造線以北東向為主，北西向次之，其它方向較少(圖2)。北東向構造線主要表現為一系列緊閉線狀褶皺和縱向斷裂且具多期活動性，區內礦床、礦化點主要受其控制。

區內出露巖漿巖主要為花崗巖類，面積大小不等，小的小于15km2，大的大于500km2，主要巖體有花山、姑婆山等。巖體時代主要為燕山期，其次為加里東期。其中加里東期巖漿巖分布范圍較局限，而燕山期巖漿巖分布較廣泛。

區域礦產(礦種)主要有金、鉛鋅、錫等。其中金礦化類型主要為石英脈型和硅化破碎帶蝕變巖型，圍巖蝕變主要有硅化、綠泥石化、絹云母化、黃鐵礦化、碳酸鹽化等;鉛鋅礦以蝕變破碎帶和石英脈型為主，圍巖蝕變主要類型有硅化、黃鐵礦化、絹云母化、螢石化等;錫礦主要為云英巖和石英脈型，多產于斷裂破碎帶內，與斷裂構造關系極為密切，圍巖蝕變主要是矽卡巖化、硅化、云英巖化和碳酸鹽化等。

圖2 桂東地區區域地質圖Fig.2 Regional geological map of Eastern Guangxi

2 線性構造的基本特征

線性構造由霍布斯提出，泛指航空照片和衛星照片上呈現的線形影像。線性體是指遙感影像上任何天然的線或線性排列，它們大多與構造要素有關、具優選方位且能反映一個地區的基本構造格局(陳建平等，1999)。斷裂構造在遙感影像上一般以線性體的形式出現，也有一些斷裂帶以環形影像特征或其他一些特殊紋理形式出現。

2.1 線性構造的解譯標志

線性構造在遙感影像中具有一定的標志性特征。本區線性構造解譯標志主要有:

(1)延伸較長、呈直線狀的水系與溝谷切割不同的地質體。

(2)橫剖面上，平緩的負地形陡升為山地，相對高差大。陡坎、斷層三角面或斷層崖呈線性排列，是斷裂的明顯標志，在遙感影像上具有明顯的色調異常。

(3)密集隱約可見的線性體組合帶。

(4)規模較大的構造帶多表現為斷續出現，斷裂兩側色調有較明顯的差異特征。

2.2 線性構造的解譯

太陽輻射衰減對宏觀斷裂/線性構造信息提取的影響可以忽略。以Landsat 7衛星遙感影像資料(7、3、2，RGB合成圖)為線性構造解譯的基礎圖像。

根據以上標志，對該區的遙感影像進行了目視解譯(圖3)。

從遙感影像圖及其線性構造解譯圖(圖3)可以看出，區內線性構造十分發育。按線性構造的方位可分為NE、NW、近SN向組。NE、NW向線性構造在遙感影像上密集發育，長短不一，斷續相連，二者相互交切成網格狀。相應地，在地貌上河流亦多呈NW和NE向。近SN向線性構造發育較少，主要分布在中部，分布稀疏。區內環形構造亦較發育，形態各異，呈圓形、半圓形和弧形等。環形構造與線性構造集中區在空間分布上呈NE、NW向點陣式分布。礦床(點)集中分布區及其周邊區域線性構造密集發育，大多伴隨環形影像出現。

圖3 桂東地區遙感線性構造解譯圖Fig.3 The interpretation of the ETM+742 image for the linear structures in Eastern Guangxi

3 線性構造的分形特征

線性構造分維值(D)的大小反映了線性構造展布結構的復雜程度，構造活動的強烈及發育的程度。一般認為分維值愈大，說明斷裂的空間復雜程度愈高(譚凱旋和謝焱石，2010;謝焱石和譚凱旋，2002)，構造活動性愈強，愈有利于成礦元素的活化和成礦流體的運移聚集(謝焱石等，2010)，形成具有較大規模的礦床。

3.1 全區線性構造的分形特征

目前線性構造分維統計的方法很多，常用的有長度－頻度統計法、圓覆蓋法以及盒計維數法等。本文用第三種方法，具體做法是:

首先，用邊長為L的正方形初始網格覆蓋在遙感資料解圖上，在此基礎上，分別選取r=L/2，L/4，L/8，L/16，L/32的網格，求出相應標度下含有線性構造的網格數N(r)。其次，在lg(r)-lgN(r)坐標系中作圖，在計算機中用回歸求解方法求得最后回歸直線斜率的絕對值即為分維值D，同時求得相關系數平方R2。

對研究區遙感線性構造進行分形統計，所采用的標度為59～3.6875km。經過統計計算(表1)，最后求得本區的分維值D=1.872，R2=0.998，針對本區線性構造的分形特征，選擇了5個標度進行研究。當顯著性水平取0.01時，相關系數的臨界值為0.874;研究區的相關系數遠遠大于臨界值，說明lg(r)和lgN(r)具有極好的相似性，表明研究區線性構造具有分形特征，其分形結構具有很好的統計自相似性。

將研究區的分維值與其它地區進行對比(表2)可知，研究區的分維值明顯高于中國東部地區分維值，也高于中國大陸斷裂分維值、日本島弧線性構造的分維值，說明本研究區線性構造較復雜，活動性較強。

3.2 不同區段線性體的分形特征

由于不同區段構造變形程度具有一定的差異性，進而影響后期的熱液成礦作用的發育，因此需要研究不同區段線性構造的分形分維特征。以研究區遙感線性構造解譯圖(圖3)為底圖，將其劃分為64個邊長(L1)為14.75km的正方形區域，在每個正方形區域內，以邊長為r0=L1的正方形網格進行覆蓋，記錄有線性構造穿過的正方形網格數N(r0)，然后改變網格邊長，使r=r0/2、r0/4、r0/8，得到每一級別有斷層穿過的正方形網格數N(r)，把每組投放到雙對數坐標系中，經擬合發現每個正方形區域中4個點均呈直線關系，相關系數在0.894～0.999之間，上述結果表明:在r=14.75～1.8475km 標度范圍內，研究區內線性構造具有自相似性，即具有分形特征。所得直線的斜率的絕對值即為該塊的分維值D，然后把各正方形塊的分維值賦予各塊體的中心，并讀出所有中心點的橫坐標和縱坐標，利用Surfer軟件繪制出研究區線性構造分維等值線圖(圖4)。

表1 分形統計結果Table 1 Fractal statistical results

表2 研究區與其它地區線性構造分形特征比較Table 2 Comparison of fractal characteristics between the studying area and other areas

由圖4可知，研究區線性構造分維與其發育數量緊密相關，各個子區的線性體數量越多，密度越大，分維值也就越大，反之越小。

將已知礦點疊加在線性構造分維等值線圖(圖4)上，發現已知礦點分布在高分維值區或附近，低分維值或其附近沒有礦點分布。由此可見，線性構造分維值對預測礦點有一定的參考價值。而空間上的復雜程度是因地球動力過程引起的斷裂幾何學上的變化。因此從分形理論的角度來說，研究區中D＞1.4的強構造帶是成礦優勢的場所。

3.3 不同方向線性體的分形特征

本區主要構造線為NE和NW向，為更好地研究不同走向構造線性體分形分維特征與成礦之間的關系，首先對研究區NE、NW向線性構造的分形分維進行了研究。研究表明NE向線性構造的分維值D為1.666，相關系數為0.991，大于相關系數的臨界值，具有較好的相關性;NW向線性構造分維值D為1.381，相關系數為0.979，大于相關系數的臨界值，也具有較好的相關性，NE和NW向線性構造均具有較好的分形特征，但NE向的線性構造分維值高于NW向，說明NE向線性構造活動較NW向強烈、復雜，發育較好。

圖4 桂東地區遙感線性構造分維等值線圖Fig.4 The contour map of the fractal dimension values of the linear structures in Eastern Guangxi

在線性特征研究的基礎上，分別做NE向和NW向線性構造分維值等值線圖(圖5)，由圖5可知，NE和NW向線性構造分維值高值區基本一致，表明NE和NW向線性構造密集區也基本一致，進一步說明了NE和NW向線性構造交匯部位對成礦有利。

4 遙感蝕變信息提取

遙感蝕變異常信息主要有兩種:羥基和鐵染。羥基異常(OHA)是OH－1和等基團振動產生的蝕變遙感異常。鐵染異常(FCA)是Fe3+等陽離子電子過程產生的蝕變遙感異常。研究區內發育的礦床(點)與金屬礦化有關的圍巖蝕變主要有硅化、黃鐵礦化、矽卡巖化、綠泥石化、絹云母化、云英巖化以及碳酸鹽化等，這些近礦圍巖蝕變礦物可以大致分為含 Fe3+和 Fe2+離子，含羥基類礦物富含水(H2O)、羥基(OH－1)或碳酸根()等基團。

蝕變信息相對于遙感圖像豐富的信息而言是一種弱信息，研究區植被覆蓋較好，水系比較多，因此對蝕變信息提取有很大的影響，所以在蝕變信息提取前先要對水體和植被進行去干擾。水體反射的光譜特征表現為B2＞B5，對水體用比值(B2/B5)做掩膜去除水體，利用ENVI自帶的植被抑制功能消除植被影響。

圖5 桂東地區NE(左)、NW(右)向線性構造分維等值線圖Fig.5 The contour map of fractal dimension values of the linear structures of NE(left)and NW(right)in Eastern Guangxi

遙感蝕變信息的提取以主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)為主，輔以比值法。提取鐵染信息用B1、B3、B4、B5波段做主成分分析，異常主分量應具有的特點是:B1和B4的貢獻系數與B3的貢獻系數符號相反，再用波段比值(B3/B1)方法提取異常信息，用閾值分割方法增強蝕變信息。從表3中可以看出，在PC4中B3和B1、B4具有相反的貢獻值，且B3具有強負載值(表現為正值)，故PC4反映了鐵染信息，用B3/B1提取鐵染;提取羥基信息用B1、4、5、7波段做主成分分析，異常主分量應具有的特點是:B4和B7的貢獻系數與B5的貢獻系數符號相反，再用波段比值(B5/B7)方法提取異常信息，用閾值分割方法增強蝕變信息。從表4中可以看出，在PC4中B5、B7具有相反的貢獻值，且B5具有強負載值(表現為正值)，故PC4反映了羥基信息，用B5/B7提取羥基。最后得出鐵染(紅色)和羥基(黃色)蝕變信息圖(圖6)。

根據鐵染和羥基異常，并結合線性構造分維值和環形構造分布等方面信息，可將本區劃分為8個遙感線性構造－蝕變信息異常區(圖6)，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅷ異常區為強鐵染弱羥基組合;Ⅰ、Ⅶ異常區為強羥基弱鐵染組合;Ⅴ、Ⅵ異常區為一般鐵染和羥基組合。遙感蝕變信息異常具有一定的空間分帶性，北邊以鐵染為主，羥基較少，主要礦種為錫礦;中部為羥基和鐵染都較好，主要礦種為錫和鉛鋅;南部以羥基為主，鐵染較少，主要礦種為金礦。

5 地球化學異常信息

由1∶20萬區域化探圖 (圖7)可見，地球化學異常區主要呈NE、NW向展布;地球化學異常區與線性構造高分維值分布區比較吻合，且與遙感蝕變異常分布區基本一致，在空間上亦呈點陣式分布。地球化學異常主要位于燕山期和加里東期的巖體及其周圍。其中Cu、Pb、Zn異常區主要分布在南部，Sn和Sb異常主要分布在北部，具有明顯的分帶性。

6 綜合成礦預測

將桂東地區線性構造和環形構造信息、線性構造分維值、遙感蝕變信息、燕山期和加里東期花崗巖分布、區域地球化學異常和已知礦床(點)分布資料綜合分析，對區域成礦前景進行分析，劃分了三級成礦遠景區。

表3 B1、B3、B4、B5 波段的主成分分析Table 3 Principal component analysis of band B1，B3，B4，B5

表4 B1、B4、B5、B7 波段的主成分分析Table 4 Principal component analysis of band B1，B4，B5，B7

圖6 桂東地區遙感異常蝕變信息圖Fig.6 Alteration anomaly information map of remote sensing in Eastern Guangxi

6.1 Ⅰ級成礦遠景區(Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ號成礦遠景區)

Ⅰ號預測區:NE向線性構造發育，線性構造分維值1.75～1.85。遙感蝕變類型為強羥基弱鐵染組合。區內分布Cu、Pb、Zn金屬量異常和Au重砂異常，并有加里東期花崗巖出露?？梢娨幌盗薪鸬V點分布，代表性礦床為桃花中型和古袍小型等金礦。

圖7 桂東地區地球化學異常圖Fig.7 Geochemical anomaly map of Eastern Guangxi

Ⅱ號預測區:NE和NW向線性構造密集分布，交錯出現，線性構造分維值1.8～1.85。遙感蝕變類型為鐵染和羥基組合。區內分布Cu、Pb、Zn金屬量異常，并有燕山期花崗巖出露?？梢娨幌盗薪鸬V點分布，代表性礦床為暫船小型金礦。

Ⅴ號預測區:NE和NW向線性構造密集分布，交錯出現，線性構造分維值1.75～1.85。預測區位于姑婆山巖體及其周圍，主要是燕山期花崗巖。遙感蝕變類型為鐵染和羥基組合。區內分布Sn、Sb金屬量異常和Sn重砂異常?？梢娨恍┝绣a礦點分布，代表性礦床有新路中型、可達小型等錫礦。

Ⅰ級成礦遠景區均有成型礦床出現，且具有一定規模，其線性構造分維值高，羥基鐵染異常較強，區內尚有不同時期的巖漿巖體出露，下一步工作重點應是立足于礦床深部和外圍地區找礦。發現新的礦床類型。

6.2 Ⅱ級成礦遠景區(Ⅲ、Ⅵ號成礦遠景區)

Ⅲ號預測區:NE和NW向線性構造密集分布，交錯發育，線性構造分維值1.7～1.85，位于環形構造周圍。遙感蝕變類型為強鐵染弱羥基組合。區內分布有Cu、Pb、Zn金屬量異常。并有燕山期的花崗斑巖和英安斑巖小巖體出露。代表性礦點有福安鉛鋅礦等。

Ⅵ號預測區:NE和NW向線性構造較發育，交錯發育，線性構造分維值1.65～1.75，位于燕山期花山花崗巖體及其周圍。遙感蝕變類型為鐵染和羥基組合。區內分布Sn金屬量異常。區內有一系列錫礦點。

Ⅱ級成礦遠景區亦有小型礦床(點)出現，其線性構造分維值高，羥基鐵染異常較強，區內已發現燕山期巖漿巖體出露，下一步工作重點應是擴大已知礦床(點)規模和外圍地區找礦。

6.3 Ⅲ級成礦遠景區(Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ號成礦遠景區)

Ⅳ號預測區:NE和NW向線性構造較發育，線性構造分維值1.6～1.7。遙感蝕變類型為鐵染和羥基組合。區內分布Cu金屬量異常和Au重砂異常。區內未發現已知礦床(點)。

Ⅶ號預測區:NE和NW向線性構造不甚發育，線性構造分維值1.4～1.6，位于環形構造及其周圍。遙感蝕變類型為強羥基弱鐵染組合，區內分布Sn金屬量異常。區內未發現已知礦床(點)。

Ⅷ號預測區:NE和NW向線性構造較密集，交錯發育，線性構造分維值1.65～1.75。遙感蝕變類型為強鐵染弱羥基組合，區內分布Sn金屬量異常。區內未發現已知礦床(點)。

Ⅲ級成礦遠景區雖未見及礦床(點)，但均具有較高的線性構造分維值和鐵染羥基異常出現，值得下一步找礦工作重視。

7 結論和認識

(1)桂東地區的遙感影像解譯表明，研究區內線性構造和環形構造發育。NE向線性構造和NW向線性構造密集發育，相互交切構成網格狀。NE向線性構造為本區主要控礦構造;NW向線性構造為本區主要的切礦或限礦構造。環形構造和巖體吻合較好。環形構造、線性構造集中區在空間上呈NE、NW向點陣式分布。

(2)研究區內線性構造具有分形特征，其分形結構具有良好的統計自相似性，分維值高于中國大陸其他地區的斷裂構造分維值。NE和NW向線性構造分維值高值區基本一致，呈點陣式分布。線性構造分維值(D)介于1.4到1.85的強構造活動帶是成礦優勢區域。已知礦床(點)均分布于線性構造高分維值區。

(3)研究區內具有顯著的鐵染羥基異常，鐵染羥基異常區與分維值較高的地區和化探異常區基本一致，區域上亦呈點陣式分布。構造變形為成礦熱液運移和沉淀提供了導礦通道和容礦空間，并引起周邊圍巖的蝕變和礦化作用。

(4)遙感蝕變信息異常具有一定的空間分帶性，北邊以鐵染為主，羥基較少，主要礦種為錫礦;中部為羥基和鐵染較好，主要礦種為錫和鉛鋅礦;南部以羥基為主，鐵染較少，主要礦種為金礦。

(5)通過遙感信息和已知礦點對比研究，證實了線性構造與環形構造信息、線性分維高值區和遙感蝕變異常信息可以作為成礦預測的標志。綜合線性構造和環形構造信息、分形分維統計、遙感蝕變異常信息、地球化學異常、巖漿巖和礦床(點)的分布，確定了三級成礦遠景區。其中Ⅰ級遠景區3個，Ⅱ級遠景區2個，Ⅲ級遠景區3個。

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Application of Fractal Statistics of Linear Structure and Alteration Information Extraction of Remote Sensing on the Au，Pb，Zn，Sn Polymetallic Minerogenetic Prognosis in Eastern Guangxi

ZHAO Shaojie，QIAN Jianping and CHEN Hongyi
(College of Earth Science，Guilin University of Technology，Guilin541004，Guangxi，China)

Based on the fusion of band 742 of ETM+remote sensing image in Eastern Guangxi，the linear and circular structures were interpreted.The linear structures were analyzed quantitatively using the principle and method of fractal geometry.The fractal dimension values of linear structure were calculated by the box-counting dimension，and the linear structures showed good statistical self-similarity and fractal characteristics in this area.The contour map of the fractal dimension values was done by Surfer software.The anomaly of alteration information of remote sensing was extracted by the main component analysis and ratio method.These results show that the circular structure and linear structure concentration areas are basically coincide with iron and hydroxyl alteration and geochemical anomalies spatially，and have the characteristic of lattice distribution in NE and NW.The strong structural deformation belt with fractal dimension values(1.4～1.85)of linear structure is favorable metallogenic region.Based on comprehensive analysis for the fractal dimension values，anomalies of alteration information，regional geological and geochemical information，and the known ore occurrences(deposits)，three orders of metallogenetic prospective areas are proposed，which include three first，two secondary，and three tertiary order metallogenic prospect areas.

remote sensing image;linear structure;circular structure;fractal dimension;alteration information extracting;metallogenic prognosis

P627;P612

A

1001-1552(2011)03-0364-008

2010－12－03;改回日期:2011－02－25

項目資助:有色及貴金屬隱伏礦床勘查教育部工程研究中心和廣西地質工程中心重點實驗室基金、中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室開放基金(200913)資助。

趙少杰(1985－)，男，碩士研究生，構造地質學方向。Email:365589085@qq.com

錢建平(1953－)，男，教授，成礦構造和構造地球化學方向。Email:jpqian@163.com