WorldView-2高分蝕變遙感異常定量提取方法研究

呂鳳軍，白楊林，蘇鴻博，吳云霞，蔣麗麗，汪周鑫

1.河北地質大學，河北 石家莊 050031；2.遼寧省物測勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 100131

0 引言

圍巖蝕變是各種與熱液活動有關的礦床形成的一個重要標志，是各種氣水熱液與圍巖交代作用的結果，能夠指示與熱液有關礦化的形成。由于現有星載高空間分辨率遙感數據波譜分辨率較寬、波段少的原因，在基巖裸露區、植被覆蓋區，國內外遙感地質學家主要應用多光譜遙感數據提取礦化蝕變遙感異常，如TM/ETM+、ASTER[1-4]，異常提取方法主要有主成分分析、波譜角、比值等方法[4-5]。陳勇敢等（2011）利用ASTER遙感數據反演了與含鋁羥基、鎂羥基有關的蝕變信息[6]，目前定量蝕變遙感異常提取研究、尤其是利用高空間分辨率遙感數據開展蝕變遙感異常定量提取的研究成果較為罕見。本文以河北省隆化縣北岔溝門—楊樹溝門銀鉛鋅礦勘查區為例，初步探索了WorldView－2（WV－2）高空間分辨率遙感數據蝕變遙感異常定量提取方法，為該區地質找礦工作提供的新的技術手段。

1 工作區地質礦產概況

工作區位于河北省承德市隆化縣郭家屯一帶，大地構造位于華北地臺北緣（Ⅰ級）、內蒙地軸中部（Ⅱ級）、上黃旗巖漿巖亞帶（Ⅳ級）與半截塔中斷凹（Ⅳ級）結合部位。區內中晚侏羅世—白堊紀巖漿侵入活動頻繁、火山活動強烈、斷裂構造發育。

1.1 地質概況

區內出露有中生界侏羅系上統張家口組、白堊系下統西瓜園組、花吉營組及新生界第四系上更新統、全更新統。其中張家口組巖性主要為流紋質熔巖、火山碎屑巖、粗面質熔巖，西瓜園組巖性主要有砂巖、礫巖、砂質頁巖，花吉營組巖性主要為安山巖、凝灰質砂礫巖。

區內巖漿侵入活動集中在燕山中晚期，主要出露有中晚侏羅世中粗粒黑云花崗巖、細粒含斑角閃二長花崗巖、細粒斑巖狀二長花崗巖、細粒少斑二長花崗巖，晚白堊世細粒二長花崗巖、石英正長斑巖、正長斑巖。

區內斷裂構造發育，主要有近南北向、北東向和近東西向斷裂。其中北東向斷裂規模較大；北西向斷裂最為發育，但規模較小；近東西向斷裂無論是規模和還是發育情況介于北東向斷裂和北西向斷裂之間。

1.2 礦產概況

工作區內已發現有斑巖型鉬礦體、與潛火山巖漿活動有關的細脈浸染型銅多金屬礦體、爆破角礫巖型鉛鋅礦體、高硫型淺成熱液礦體、低硫型淺成低溫熱液礦體。圍巖蝕變主要有硅化、黃鐵礦化、絹英巖化、高嶺土化、碳酸鹽化、綠泥石化、鉀長石化等。其中絹英巖化、黃鐵礦化與成礦關系最為密切，其次為硅化，綠泥石化分布范圍離礦體分布范圍比絹云母分布范圍離礦體分布范圍稍遠[7]。

2 工作方法

WV－2高分遙感數據在400～1 040 nm波長區間共有8個波段，其中多光譜波段遙感數據空間分辨率為1.84 m，全色波段波長區間為450～800 nm，空間分辨率為0.5 m，掃幅寬度為60 km, 以11bit數據類型存儲（表1）。現有資料表明，過渡性金屬陽離子，如三價鐵離子、二價鐵離子在該波長區間具有診斷性波譜特征。由于工作區黃鐵礦化、褐鐵礦化蝕變是主要的找礦標志，推測礦化圍巖與背景巖石硅酸鹽13項分結果中氧化亞鐵、氧化鐵含量會有所不同，該差異能引起樣品波譜反射率的變化。

表1 WV—2高分遙感數據各波段波長及中心波長Table 1 Wavelength and central wavelength of WV-2 high-resolution remote sensing data

2.1 數據采集與處理

對工作區內14件樣品做了硅酸鹽13項分析，其中螢石礦圍巖樣品3件、鉛鋅礦圍巖樣品3件、目前正在探礦處巖石樣品1件、背景巖石樣品7件，計算鉛鋅礦圍巖和背景巖石樣品中氧化物含量的均值。

在室內，利用ASD波譜儀測量硅酸鹽13項分析副樣粉末波譜反射率，每次測量10組數據。去除有問題的波譜數據后，取剩余反射率的平均值為該樣品最終測量結果。根據WV－2高分遙感數據波譜特征，對硅酸鹽13項分析樣品粉末波譜按WV－2波長特征進行重采樣。

2.2 數據分析

工作區背景巖石中二氧化硅、氧化鈉含量均值明顯高于鉛鋅礦化圍巖中相應氧化物含量的均值，背景巖石中氧化亞鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化磷含量的均值與鉛鋅礦圍巖中相應氧化含量均值差異較小（圖1－A）；鉛鋅礦化圍巖樣品中氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀、氧化硫含量的均值遠高于背景巖石中相應氧化物含量的均值，氧化鈦、氧化錳含量的均值略高于背景巖石中相應氧化物含量的均值（圖1－B）。由于黃鐵礦在地表氧化環境中極易氧化成褐鐵礦，表明褐鐵礦化、絹云母化（或高嶺土化）是北岔溝門鉛鋅礦勘查區主要的找礦標志之一。

圖1 背景巖石與礦化圍巖氧化物含量對比直方圖Fig. 1 Histogram of oxide content comparison between background rocks and mineralized surrounding rocks

實測硅酸鹽13項粉末波譜反射率表明，背景巖石粉末波譜反射率在WV－2高分遙感數據的1、2、3、4、5波段要低于鉛鋅礦圍巖粉末波譜反射率，而背景巖石粉末反射率在WV－2高分遙感數據的6、7、8波段要高于鉛鋅礦圍巖粉末反射率（表2）。由于礦化圍巖中氧化鐵的含量高于背景巖石中氧化鐵的含量，并且三價鐵離子在WV－2高分遙感數據6、7、8波段的波長間具有明顯的吸收峰，實測樣品粉末反射率隨著樣品中在氧化鐵含量的增加而降低。推測硅酸鹽13項分析樣品中氧化鐵的含量與樣品在WV－2高分遙感數據6、7、8波段反射率數據大小具有內在的統一性。

表2 背景巖石與礦化圍巖在WV－2高分遙感數據各波段反射率統計特征表Table 2 Reflectance statistical characteristics of background rocks and mineralized surrounding rocks in various bands of WV-2 high-resolution remote sensing data

2.3 建立氧化鐵+氧化硫反演模型

工作區內背景巖石和鉛鋅礦圍巖中氧化硫、氧化鐵含量具有相同的變化趨勢，因此建立氧化鐵含量+氧化硫含量與WV－2高分遙感數據反射率間的定量反演模型。由于氧化鐵+氧化硫含量基本大于1，樣品反射率數據在0～1之間，因此取樣品氧化鐵+氧化硫含量和的倒數，使二者在同一個數量級上。氧化鐵+氧化硫含量和的倒數與其WV－2高分遙感各波段反射率的相關系數均大于0.7，表明WV－2高分遙感各波段與氧化鐵+氧化硫含量和的倒數具有較好的相關性。其中氧化鐵+氧化硫含量和的倒數與其在WV－2高分遙感的8波段反射率相關系數最大，二者相關系數為0.787 9（表3）。

表3 WV—2高分遙感各波段實測巖礦反射率與氧化鐵+氧化硫倒數相關系數表Table 3 Relationship between measured rock and ore reflectance and reciprocal phase of iron oxide + sulfur oxide in each band of WV-2 high-resolution remote sensing

利用逐步回歸法、最小二乘法建立氧化鐵+氧化硫含量倒數與WV－2高分遙感數據各波段間的擬合方程，進而利用WV－2高分遙感數據反演與褐鐵礦（或黃鐵礦）含量有關的信息。擬合結果表明，利用逐步回歸方法和最小二乘方法建立的擬合方程完全一致（圖2）。在氧化鐵+氧化硫含量倒數擬合方程中，氧化鐵+氧化硫含量倒數與WV－2高分遙感數據8波段反射率的擬合度為0.620 9，殘差平方和為0.674，回歸模型顯著性均小于0.05（表4），表明所建立的擬合方程具有統計意義。

表4 實測巖礦粉末8波段反射率與（氧化硫+氧化鐵）倒數回歸方差分析表Table 4 Variance analysis table of reciprocal regression between measured 8-band reflectance of rock ore powder and (sulfur oxide + iron oxide)

圖2 實測巖礦粉末WV-2 8波段反射率與1/(Fe2O3+SO3)擬合方程圖Fig. 2 Fitting equation diagram of measured WV-2 8-band reflectance of rock ore powder and 1/(Fe2O3+SO3)

3 結果分析

基于所建立氧化鐵+氧化硫含量WV－2高分遙感定量反演模型，反演了北岔溝門鉛鋅礦勘查區氧化鐵+氧化硫的含量。結果表明，氧化鐵+氧化硫含量在1%～35%間對已知鉛鋅礦體具有較好的指示意義。

在北岔溝門鉛鋅礦勘查區、誥政鉛鋅礦業公司1173PD、哈叭氣村西南、孫家營礦區的氧化鐵+氧化硫含量較高（圖3－A、圖4—A、圖5－A）。

圖3 北岔溝門鉛鋅礦一帶氧化鐵+氧化硫含量反演結果與野外照片Fig. 3 Inversion results and field photos of iron oxide + sulfur oxide content in Beichagoumen lead-zinc ore area

圖4 孫家營礦區氧化鐵+氧化硫含量反演結果與野外照片Fig. 4 Inversion results and field photos of iron oxide + sulfur oxide content in Sunjiaying mining

圖5 哈叭氣村西南氧化鐵+氧化硫含量反演結果與野外照片Fig. 5 Inversion results and field photos of ferric oxide + sulfur oxide content in southwest Hapiaqi Village

4 結論

（1）北岔溝門鉛鋅礦勘查區黃鐵礦化與鉛鋅礦化關系密切，黃鐵礦在地表氧化環境中極易氧化成褐鐵礦，與硅酸鹽13項分析中的氧化鐵、氧化硫相對應，即認為氧化鐵+氧化硫含量能夠指示褐鐵礦化、黃鐵礦化蝕變的強弱。

（2）通過建立礦化圍巖、背景巖石中硅酸鹽13項分析數據及其粉末波譜反射率間的定量反演模型，利用WV－2高分遙感定量反演工作區礦化蝕變信息，反演結果與工作區已知礦床（點）和野外檢查結果吻合較好，為該區地質找礦工作提供新的工作方向和技術支持，為WV－2高分遙感數據在其它礦集區應用提供了經驗。

（3）現有研究成果表明，赤鐵礦、褐鐵礦、針鐵礦含有三價鐵離子的礦物主要吸收特征位于0.9μm附近，一級次要吸收特征位于0.5～0.6μm間，二級次要吸收特征位于0.6～0.7μm間，WV－2 8波段波長區間為0.86～1.04μm，進而表明本文所建立的WV－2高分遙感數據8波段氧化鐵+氧化硫反演不僅具有統計學意義，而且也符合現有定量遙感反演機理。