高光譜遙感地空綜合預測方法在新疆卡拉塔格地區銅金礦床找礦中的應用

孫永彬王瑞軍魏本贊汪冰董雙發李存金李名松

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

技術應用

高光譜遙感地空綜合預測方法在新疆卡拉塔格地區銅金礦床找礦中的應用

孫永彬1王瑞軍1魏本贊1汪冰1董雙發1李存金1李名松1

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

新疆卡拉塔格地區位于東天山成礦帶，地質礦產資源豐富，銅金及多金屬礦床集中，找礦潛力較大。銅金礦床地表礦化蝕變現象明顯，發育的褐鐵礦化+黃鉀鐵礬化+絹云母化形成地物反射光譜特征異常，為高光譜遙感地空綜合預測方法用于探測銅金礦化蝕變信息成為可能，并成為尋找銅金礦床的有效技術方法。本文在卡拉塔格地區開展了航空高光譜和地面高光譜在銅金多金屬礦床找礦研究，分別采用HyMap航空成像光譜儀和FieldSpec Pro FR光譜儀，獲取了研究區HyMap航空高光譜分辨率數據、地面準同步定標數據、地面高光譜數據，提取并篩選了基于HyMap航空高光譜影像的成礦有利蝕變信息，在此基礎上對該區紅山銅金礦床進行了航空-地面高光譜綜合剖析，并結合礦區地質背景，建立了紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型，經對比分析在該區圈定了兩處找礦預測區。說明高光譜遙感地空綜合預測方法在該區得到了很好的應用效果。

航空高光譜；地面高光譜；診斷性光譜特征；地空綜合找礦模型；紅山銅金礦床

前言

遙感地質找礦是遙感信息獲取、含礦信息提取以及含礦信息成礦分析與應用的過程，近年來，被廣泛應用于地質、礦產資源及相關環境的調查中[1-7]。航空高光譜是當前遙感的前沿技術，通過高光譜成像所獲取的地球表面的圖像包含光譜維信息融合為一體，即“圖譜合一”[8]，具有波段數多，波帶窄，對地物能定量分析等優點，是二十世紀末期以來遙感領域最大的技術進展[9]。航空高光譜遙感技術相對于傳統的星載高光譜遙感技術，可以獲取高空間分辨率的高光譜遙感數據，因而對微小地物具有更強的識別能力[10]。通過高光譜礦物填圖，可以大面積、快速提取蝕變礦物[11]。王潤生等[12]系統總結了高光譜礦物填圖技術流程、工作方法和技術體系。中國國土資源航空物探遙感中心在新疆土屋東-三岔口地區，應用HyMap航空成像光譜數據填繪出了白云母、綠泥石、綠簾石、綠泥石和綠簾石組合、高嶺石、蒙脫石、透輝石、透閃石、蛇紋石、褐鐵礦、方解石等10多種礦物種類[13]。

本文以新疆卡拉塔格地區獲取的HyMap航空高光譜數據、地面準同步定標數據、地面高光譜數據為例，提取并篩選了基于HyMap航空高光譜影像的成礦有利蝕變信息，在此基礎上對紅山銅金礦床進行了航空-地面高光譜綜合剖析，并結合礦區地質背景，建立了紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型，圈定了兩處找礦有利地段，找礦效果顯著。

1、研究區地質概況

研究區大地構造位于東天山吐哈盆地南緣、大南湖-頭蘇泉晚古生代島弧帶（圖1）。

區內地層整體呈北西向產出，由中奧陶統荒草坡群大柳溝組（O2Hd）、中-上志留統紅柳峽組（S2-3h）、下泥盆統大南湖組（D1d）、上石炭統臍山組（C2qs）、中二疊統阿爾巴薩依組（P2a）、上二疊統庫萊組（P3k）、下侏羅統三工河組（J1s）、全新統（Qh）組成。

該區經歷了多期次的構造變動，區域構造形成類型多樣、特征復雜，褶皺、斷裂和火山機構發育，區域性的斷裂構造控制著該區火山巖和侵入巖的展布，次級斷裂控制著礦化蝕變帶的分布，更次一級構造裂隙帶控制著礦化體的產出。主要發育北西、北北西和北東東向三組斷裂構造，同火山斷裂發育，含礦火山熱液沿斷裂活動強烈。

區內火山活動強烈，火山巖分布廣泛。巖石類型以中基性火山巖為主，中酸性火山巖次之，從奧陶系至二疊系均有出露，其中奧陶系最為發育，其次為泥盆系、石炭系，二疊系局部出現。侵入巖較為發育，主要為一套古生代侵入體，包括中酸性閃長巖、花崗閃長巖、花崗巖等侵入巖。其中志留紀侵入巖由老到新依次為英云閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖、花崗斑巖。區內經受了區域埋深變質作用，主要變質礦物為綠泥石、鈉長石、葡萄石、石英、陽起石、方解石、綠簾石。

區內已知礦床自北西向南東依次產出有：紅山銅金礦床→梅嶺銅鋅金礦床→紅石銅金礦床→紅海銅鋅金礦床。

2、高光譜遙感地空綜合預測方法用于尋找銅金礦床的原理

2.1 高光譜遙感地空綜合預測方法的依據

不同礦床類型由于巖石巖性和蝕變礦物不同，它們的光譜特征有明顯的差異[14]。銅金礦床屬于內生金屬礦床，這類礦床與地表蝕變密切相關，尤其地表蝕變礦物直接指示礦床的成因類型和指導找礦。利用航空高光譜遙感影像進行蝕變礦物提取，結合地表巖石光譜測試分析，應用HyMap航空成像光譜儀和美國ASD公司的FieldSpec Pro FR光譜儀對不同類型礦床的光譜特征進行測量，分析其不同類型礦床的光譜特征，進行蝕變礦物遙感信息提取，開展高光譜遙感地空綜合預測研究，進而指導找礦。

2.2 蝕變礦物診斷性光譜特征分析

巖礦的光譜包含有一系列特征吸收譜帶。每一個特征譜帶或譜帶組合與巖礦內部微粒的物質屬性存在一定的對應關系[15]。在短波紅外光譜區域，褐鐵礦、黃鉀鐵礬、白云母、綠泥石等具有可以識別的診斷性光譜特征，特征吸收波段的深度與巖石中這些礦物的含量密切相關[16]。礦物診斷性光譜吸收包括金屬陽離子在可見光區域的電子過程以及陰離子基團在近紅外區域的振動過程。蝕變礦物的可見光-近紅外范圍內幾種官能團主要包括Fe2+、Fe3+、Al-OH、Mg-OH、OH-、CO32-。

一般陰離子診斷譜帶位于2000-2500nm光譜區域。而Fe2+，Fe3+和Mn2+診斷譜帶一般位于400-1200nm光譜區域[17]。所以根據400-1100nm光譜區間的Fe吸收譜帶和2000-2500nm羥基和碳酸根譜帶將礦物分為含鐵礦物、含羥基礦物和含碳酸根礦物以及其它礦物[18]。褐鐵礦的光譜吸收峰是礦物光譜分析、遙感鐵染異常提取常用的波段。其中Fe3+離子的特征吸收峰位主要在600～800nm，中心位置在700nm左右，Fe2+離子的特征吸收峰位主要在900～1500nm，中心位置在1200nm左右；白云母的診斷性光譜特征是Al-OH鍵在2180～2230nm之間的尖銳而深的吸收特征，以及在2340nm和2440nm 附近的較弱Al-OH特征，Clark等[19]在高光譜分辨率下，檢測到白云母礦物在2200nm附近的吸收波段隨Al含量的增加向長波方向的移動；綠泥石的光譜具有Fe-OH和Mg-OH的診斷性吸收特征，波長位置分別為2235～2255nm和2320～2360nm，這些吸收特征的波長隨著綠泥石中鐵離子含量的增加而增大[16]。

3、HyMap航空高光譜數據獲取及處理

綜合考慮儀器參數、成圖精度的要求、研究區自然地理、地形起伏、野外工作條件等因素，進行飛行方案的最優設計（表1）。將HyMap成像光譜儀搭載在Y-12飛機上，利用國外引進的HyMap航空高光譜遙感測量系統、地面ASD光譜測量系統。采集高光譜分辨率的HyMap航空高光譜遙感數據、地面準同步的地物光譜定標數據。具體獲取過程分為三個步驟：首先對HyMap成像光譜儀進行實驗室定標，保證其性能指標達到項目要求，以獲取優質的高光譜影像數據；其次進行HyMap儀器的安裝和測試，按照儀器安裝規范方法，將HyMap安裝在運12飛機上，保證機下的攝影窗口滿足數據獲取要求，按照航空成像光譜數據獲取規范進行地面測試；最后為HyMap航空高光譜數據獲取和初步質量檢查。

在此基礎上，開展HyMap航空高光譜遙感數據輻射定標、大氣校正光譜反演、幾何校正和地理編碼等數據處理工作。通過此項研究，為高光譜遙感地空綜合預測銅金礦床的技術方法研究和應用提供關鍵的數據基礎。

4、地面高光譜數據獲取及處理

地面光譜測量采用美國A S D公司生產的FieldSpec Pro FR地面光譜測量儀（表2）。利用該儀器開展了地面光譜準同步定標（圖2）。在HyMap高光譜數據獲取過程中，準同步布設黑白布定標場和明暗地物定標場，利用FieldSpec Pro FR地面光譜測量儀進行光譜定標數據獲取（圖2-3），并基于經驗線性模型法，對高光譜影像進行大氣校正和光譜比對分析。

同時開展了典型銅金礦床地表蝕變圍巖和其他相關的巖石地物的光譜測量，完成了4條貫穿地層走向的成礦有利地質單元光譜測量和4條典型礦床光譜測量。共完成光譜測量點287個，光譜測量曲線2870條。測量完成后，開展了各巖石類型的巖礦光譜數據處理、光譜庫建立、光譜特征分析等研究工作，研究及分析結果為航空高光譜蝕變礦物信息提取、地面光譜驗證、銅金礦床圍巖蝕變信息篩選等提供重要的地面光譜信息支持。

地面高光譜數據處理采用ViewSpec Pro軟件，利用ViewSpec Pro軟件挑選符合要求的地面巖礦光譜曲線，并將這些曲線轉換為txt格式的文件。由于受到太陽位置、角度條件、大氣條件、地形影響及傳感器本身性能的影響，傳感器所記錄的數據與目標的光譜反射率或光譜輻射亮度值并不一致。需先將傳感器記錄的原始輻射值（DN值）轉化為地物反射率[20]。

5、蝕變礦物信息提取處理方法及分布特征

目前基于高光譜遙感影像數據提取礦物的處理方法可以分為兩大類：a）通過像元光譜與礦物標準光譜曲線的匹配實現識別和量化目標礦物；b）提取礦物光譜特征吸收波段參數作為識別和量化指標[21]。前者在處理過程中光譜數據信息可能由于重定標而部分丟失。且基于單幅圖像統計參數的處理方法難以做到無縫銜接，該方法也涉及大量的運算。本次研究區蝕變礦物提取主要基于第二種方法。該方法利用ENVI軟件，基于可編程實現的特征提取處理通道，該通道中腳本設計是基于提取光譜參數，首先對影像光譜數據進行均值標準化、去連續統、卷積平滑等數據預處理，在進行特征深度、特征面積、特征寬度、極小值波長、比值、算術和邏輯運算等特征參數提取。同時利用多個診斷性特征來標記或約束特定的礦物，提取礦物的分布和相對含量，并增強礦物識別的精度。

根據礦物光譜特征吸收波段參數的蝕變礦物提取方法，在研究區提取了褐鐵礦-黃鉀鐵礬、白云母-蒙脫石、綠泥石-綠簾石-碳酸鹽、葉臘石等蝕變礦物或組合（圖3），其中褐鐵礦-黃鉀鐵礬、白云母-蒙脫石、綠泥石-綠簾石-碳酸鹽等蝕變礦物組合在全區范圍內分布，且呈團塊狀、條帶狀及星散狀。葉臘石則僅在研究區北東部呈星點狀分布，蝕變不明顯，對于指導找礦意義不大。

6、紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型的建立與找礦有利地段優選

6.1 礦區地質特征

紅山銅金礦床是高硫型-淺成低溫熱液型礦床[22]。礦床產于陸相蝕變酸性火山彎窿及其通道中，該次火山機構受近東西與北西向兩組斷裂控制，且主要控巖控礦構造為北西向斷裂。銅礦體受北西向斷裂及其次級構造破碎帶控制，為浸染狀輝銅礦化和黃銅礦化。金礦化主要與酸性次火山巖中的細粒黃鐵礦有關[23]（圖4）。

礦區地表發育黃鉀鐵釩化、絹云母化、硅化、褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化、綠簾石化、青盤巖化。近礦蝕變以火山巖酸淋濾帶蝕變體的黃鉀鐵礬化-明礬石化-高嶺土化-石膏和中性斑巖體的絹云母化-硅化為顯著特征，遠礦蝕變為青盤巖化[24]。礦區中心為泥化、硫酸鹽帶，向北為硅化-伊利石化-絹云母化-褐鐵礦化帶。具有找礦標志的礦化蝕變為：硅化-絹云母化、伊利石化、褐鐵礦化、硅化、高嶺土化-明礬石化等[23]。

紅山銅金礦床礦化以銅、金礦為主，賦礦巖性主要為流紋巖、英安巖、安山玢巖、閃長玢巖、火山角礫巖。礦石礦物主要為黃銅礦、藍銅礦、閃鋅礦、磁鐵礦、赤鐵礦、黃鉀鐵釩等。脈石礦物為石英、斜長石、絹云母、綠泥石等。礦石呈稠密浸染狀、細脈狀、角礫狀構造[25]。

6.2 紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型的建立

充分研究區域成礦有利的構造、地層、巖漿巖條件、變質條件的基礎上，結合區域控礦因素、礦床、礦化蝕變特征，進行航空高光譜蝕變礦物分布特征分析及評價。本文截取了研究區內紅山銅金礦床及外圍基于HyMap航空高光譜遙感影像的蝕變礦物分布圖（圖5），圖中顯示紅山銅金礦床中心位置呈黑白相間且顏色突變的色調，影紋粗糙且不均勻，礦床外圍呈灰黑色、灰綠色色調，影紋粗糙。與礦床有關的航空高光譜蝕變礦物組合主要為褐鐵礦+黃鉀鐵釩、絹云母+蒙脫石等，呈大面積的團塊狀分布。在礦床外圍分布著呈星散狀、星點狀的綠泥石+綠簾石蝕變礦物組合，該組蝕變為銅金礦床外圍主要發育的蝕變組合，對于尋找該類型礦床有一定的指示作用。

在紅山銅金礦區收集了具體的剖線采樣和光譜數據，圖6為紅山銅金礦區的地質光譜綜合剖面，出露的地層為奧陶統荒草坡群大柳溝組，巖性主要為英安巖、片理化帶、流紋斑巖、花崗巖、花崗閃長巖、構造蝕變巖以及銅金礦化體等。蝕變礦物主要有褐鐵礦、黃鉀鐵釩、絹云母、石膏、高嶺石、明礬石及方解石等。通過樣品采集和光譜測試結果，研究與該區銅金礦關系密切的幾種賦礦巖性的光譜曲線，分別為構造蝕變巖、花崗閃長巖、花崗巖、流紋斑巖、蝕變英安巖、及銅金礦化體。

經研究分析發現：紅山銅金礦床及外圍不同巖性地面光譜特征各不相同，各類巖性具體曲線特征如下（圖7）：

構造蝕變巖（圖7-a）地面光譜曲線特征顯示：880nm處的Fe3+特征吸收可能為褐鐵礦化所致；2210nm處的弱吸收峰為發育弱絹云母化所致，2260nm處的較強吸收峰為巖石發育黃鉀鐵礬化所致。故構造蝕變巖蝕變礦物組合為：褐鐵礦+黃鉀鐵礬+絹云母。

花崗閃長巖（圖7-b）地面光譜曲線特征顯示：880nm處較強的對稱吸收峰為巖石發育褐鐵礦化所致；2210nm處較強的吸收峰，及右肩2250nm處較弱次級吸收峰，是Al-OH的特征吸收，為明礬石化所致；2350nm處強的主吸收峰，左肩2250nm處較強的次級吸收峰，是Mg-OH的特征吸收，為綠泥石化所致。故其蝕變礦物組合為：褐鐵礦+明礬石+綠泥石。

花崗巖（圖7-c）地面光譜曲線特征顯示：910nm處較弱的Fe3+特征吸收峰為褐鐵礦化所致；2210nm處的弱Al-OH特征吸收峰為絹云母化引起，其右肩2250nm處的較弱吸收峰可能為明礬石化所致；2265nm處的較弱吸收峰可能為黃鉀鐵礬化所致；2330nm處可見較強吸收峰，是CO32-的特征吸收峰，為巖石發育碳酸鹽化所致，故花崗巖蝕變礦物組合為：褐鐵礦+黃鉀鐵礬+絹云母+明礬石+方解石。

流紋斑巖（圖7-d）地面光譜曲線特征顯示：880nm處的較強吸收峰為褐鐵礦化所致；2210nm處的強Al-OH特征吸收峰為巖石發育絹云母化所致；2265nm處的弱Fe-OH特征吸收峰為巖石發育黃鉀鐵礬化所致，故流紋斑巖蝕變礦物組合為：褐鐵礦+黃鉀鐵釩+絹云母。

蝕變英安巖（圖7-e）地面光譜曲線特征顯示：880nm處的弱吸收峰為弱褐鐵礦化所致；2210nm處的弱Al-OH特征吸收峰為絹云母化引起；2350nm處的較強主吸收峰及其左肩2250nm處的較強次級吸收峰，是Mg-OH的特征吸收峰，為綠泥石化所致；2330nm處的較強主吸收峰以及1880nm、2060nm、2170nm處較弱次級吸收峰，是CO32-的特征吸收峰，為巖石發育碳酸鹽化所致；1836nm、1935nm、2213nm、2270nm處可見多處較強吸收峰，為巖石發育石膏所致。故蝕變英安巖蝕變礦物組合為：褐鐵礦+絹云母+綠泥石+方解石+石膏。

銅金礦化體（圖7-f）地面光譜曲線特征顯示：880nm處的較強Fe3+特征吸收為巖石發育褐鐵礦化所致；2210nm處的弱Al-OH特征吸收峰為巖石發育絹云母化；2265nm處的弱Fe-OH特征吸收峰為巖石發育黃鉀鐵礬化；1540nm、1835nm、1920nm、2000nm、2165nm、2208nm、2250nm、2329nm、2374nm、2385nm處可見多處較強吸收峰，可能為巖石發育黝簾石化所致。故銅金礦化體蝕變礦物組合為：褐鐵礦+絹云母+黃鉀鐵釩+黝簾石。

根據航空高光譜和地面高光譜蝕變礦物或組合的類型和分布特征，結合紅山銅金礦床的地質特征，進行典型礦床航空-地面高光譜綜合剖析，最終建立了紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型（表3）。

6.3 銅金礦床找礦有利地段優選

在建立紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型的基礎上，結合地質、區域化探、野外調查驗證等多源地學信息，運用高光譜遙感地空綜合預測方法，優選了兩處與已知礦床航空-地面高光譜向類似的找礦有利地段，分別為I-1和I-2（圖8）。

I-1找礦有利地段分布玉帶銅金礦點北西側一帶，呈北北西向展布，面積約5.2km2。區內分布的地層為中-上志留統紅柳峽組（S2-3h）火山巖，近東西向斷裂構造發育，區內多發育褐鐵礦化、硅化、綠簾石化等蝕變。化學分析顯示鈦含量最高達0.23×10-2，金紅石含量最高達0.38×10-2。為銅、金、鈦等元素多金屬找礦有利地段。

I-2找礦有利地段分布在東二區南東側，呈近東西向展布，面積約6.8km2。區內分布的地層為中奧陶統荒草坡群大柳溝組（O2Hd）火山巖，北東東向斷裂構造發育，花崗閃長巖體呈近東西向展布，區內多發育硅化、褐鐵礦化、赤鐵礦化、綠簾石化、孔雀石化等蝕變。化學分析顯示鈦元素含量最高達0.21×10-2，金紅石含量最高達0.35×10-2，且區內已有紅山銅金礦床分布，為銅、金、鈦等元素多金屬找礦有利地段。

7、結論

（1）新疆東天山卡拉塔格銅金多金屬礦床集中，地表具有指示意義的蝕變礦物分布較為典型，適合利用高光譜遙感地空綜合預測方法在該區尋找銅金及多金屬礦床，且找礦效果顯著，故該方法為尋找銅金礦床的有效技術方法。

（2）在運用HyMap航空成像光譜儀和FieldSpec Pro FR光譜儀進行高光譜數據獲取和處理的基礎上，結合HyMap航空高光譜蝕變礦物提取效果分析，最終開展典型礦床航空-地面高光譜綜合剖析研究，建立了紅山銅金礦床高光譜遙感地空綜合找礦模型，并綜合地質、區域化探及野外調查驗證等多源地學信息，圈定了I-1和I-2等兩處找礦有利地段。

（3）與常規的地質、區域化探等地質礦產勘查方法相比，高光譜遙感地空綜合預測方法具有低成本、快速高效的優勢。但由于各類礦床的找礦標志和高光譜異常信息多種多樣，從而造成蝕變異常信息的多解性，加上利用高光譜地空綜合預測方法開展多金屬礦產資源調查研究還比較少，需要今后繼續完善成熟。

致謝：核工業航測遙感中心汪冰研究員在成文過程中給予了建設性的指導和幫助，野外工作得到王瑞軍、李存金等同事的大力幫助，在此表示衷心的感謝！

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