內蒙古撰山子地區遙感信息提取及找礦預測

李 偉,毛啟貴,鄒 滔,管育春,楊 星

(1.北京礦產地質研究院有限責任公司;2.中國科學院新疆生態與地理研究所新疆礦產資源研究中心; 3.中色紫金地質勘查(北京)有限責任公司)

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造、環形構造提取控礦信息[1]。從遙感圖像上識別并分析蝕變巖的分布規律,是遙感找礦工作的主要研究內容之一[2]。目前,ETM+、ASTER、Hyperion和Landsat 8 OLI等遙感數據,在遙感蝕變信息提取和構造解譯方面應用廣泛[3-10]。前人研究“強鐵染異常+弱羥基異常”與金礦化、羥基蝕變信息強烈區與構造破碎帶存在密切的對應關系[11-13],以及環形影像與成礦構造吻合區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—朝陽金成礦帶內構造影響最為明顯的金礦床,具有獨特的地質構造環境。撰山子金礦床受隱伏的建平環形構造及伴生的斷裂、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和其外圍找礦提供了豐富準確的指示性信息[17],而Landsat 8 OLI數據輻射分辨率和波譜分辨率較ETM+數據的大幅提升,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據來源[3,7,18],且利用Landsat 8 OLI數據對斷裂等大型構造的解譯具有很大作用[6,8,19]。因此,以撰山子地區為例,采用Landsat 8 OLI數據進行遙感異常信息提取及構造解譯,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,綜合地質特征、構造解譯及蝕變異常信息建立撰山子地區金找礦標志,以選取最有利地區圈定找礦預測遠景區,并進行野外實地調查及采樣來驗證基于OLI遙感影像找礦技術在金找礦預測方面的輔助作用。

1 數據、研究區及典型礦床

1.1 數據選取

撰山子地區遙感數據收集了2017年6月1日的Landsat 8 OLI數據,景號122/31,該數據在撰山子地區內無積雪,無云蓋,且地質體出露明顯。

1.2 研究區地質特征

撰山子地區位于赤峰—開源深大斷裂以北,華北克拉通與興蒙造山帶結合部位[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 典型礦床地質特征

研究區內典型礦床為撰山子金礦床,礦區內出露地層為二疊系、侏羅系及第四系,如圖2所示。礦區以發育北西向斷裂、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]。礦區內巖漿巖具有多期次侵入特征,包括白堊紀細粒花崗巖、花崗斑巖,二疊紀—三疊紀閃長巖。

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—構造破碎帶 21—地質界線 22—金礦床(點)圖1 撰山子地區地質簡圖(據文獻[23-24]修改)

1—第四系 2—侏羅系 3—二疊系 4—白堊紀細粒花崗巖 5—白堊紀花崗斑巖 6—二疊紀—三疊紀閃長巖 7—霏細巖 8—礦體 9—地質界線 10—推測斷裂 11—斷裂圖2 撰山子金礦地質簡圖(據文獻[21,25]修改)

2 處理方法及蝕變提取

2.1 數據處理

為提高圖像精度及反映構造地貌特征,需對獲取的影像數據進行預處理,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Landsat 8 OLI數據的波段特征和前人應用經驗及地質解譯目的,結合該區的影像特征,經最佳波段分析后選取B7B5B3波段融合以增強區域構造信息。

Landsat 8 OLI數據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,需對原始影像數據進行校正,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軟件的輻射定標和FLAASH大氣校正模塊。

經上述處理后的圖像上仍含有植被、水體、道路等非地質因素,這些因素會對蝕變信息的提取產生干擾,用植被提取及水體提取相應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(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作為判據消除植被干擾,N取值0.225左右。

在傳統印象中，校園內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，典型表現為走廊和封閉樓梯間組成水平交通與垂直交通。但在密集的城市環境中，校園交通空間汲取了城市動態發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合，使交通空間不僅僅只是連接區域，而是逐漸形成了多層次、多要素的動態開放系統。因此教育建筑內交通空間的交往性設計、教學性設計越來越受到關注[12]。

2)水體提取方法:利用歸一化水體指數(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或冗余[29],達到去除相關、進行特征提取、數據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數據的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 遙感異常優化及分級

遙感異常優化使用了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標準差的倍數,劃分為一、二、三級異常。

3 結果與分析

3.1 遙感構造解譯

遙感構造解譯方法包含直接解譯法、間接解譯法[19]、環型構造解譯法等。依據上述構造的遙感解譯方法,區內遙感構造解譯如圖3所示。

1—斷裂 2—解譯區域性斷裂 3—解譯環形構造 4—解譯斷裂 5—金礦床(點)圖3 撰山子地區遙感構造解譯圖

撰山子地區遙感影像解譯表現為由北西向區域性大斷裂所夾持的北東向斷裂、近東西向斷裂構成基本構造格架。在北西向斷裂形成后,由于后期的多期次構造活動和巖漿活動形成了次級斷裂,組成不規則的網格狀構造,經巖漿熱液活動,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形構造。撰山子金礦床礦體分布于環形構造邊緣。

3.2 遙感蝕變異常解譯

經遙感蝕變異常提取,顯示撰山子地區羥基蝕變信息強烈區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主要沿環形構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。總體而言,羥基蝕變與鐵染蝕變的空間關系不顯著[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 撰山子地區遙感蝕變異常圖

4 討 論

4.1 找礦標志

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。礦區周圍存在Au-Ag-Cu-As-Sb-Pb-Zn組成的綜合異常。根據遙感構造解譯圖及遙感蝕變異常圖可以發現下列特征:①金礦床(點)主要分布于環形構造邊緣;②金礦床(點)附近往往有線性構造存在,線性構造平行分布或位于環形構造邊緣;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造和環形構造交會部位,并伴有強鐵染和羥基蝕變。綜上,撰山子地區金找礦標志特征如表3所示。

4.2 找礦預測

撰山子地區處于華北地臺北緣興蒙造山帶的造山環境中,自太古代以來,這一地區是一個長期的活動帶,經歷裂解、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雜的大型地質構造帶中,經過巖性、應力、變質等方面的多期作用和變化,形成金等成礦物質的富集區,由于各種作用所產生的熱流體長期作用,使金富集成礦。根據表3建立的找礦標志,對撰山子地區進行找礦預測,圈定3處找礦預測遠景區,如圖5所示。

表3 撰山子地區金找礦標志特征

1—斷裂 2—解譯區域性斷裂 3—解譯環形構造 4—解譯斷裂 5—找礦預測遠景區及編號 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 撰山子地區遙感找礦預測區圖

Ⅰ找礦預測遠景區位于撰山子南,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測遠景區位于環形構造內,具明顯北東向線性構造,且環形構造邊緣與線性構造重疊位置的鐵染、羥基蝕變異常強烈;在該找礦預測遠景區通過野外調查發現羥基蝕變異常區發育強綠簾石化、硅化蝕變帶,存在弱褐鐵礦化,如圖6-a所示。依據找礦標志,除存在巖體和構造條件外,還發現圍巖對應蝕變,說明該找礦預測遠景區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找礦預測遠景區位于房身溝,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測遠景區位于環形構造內,且環形構造邊緣與線性構造重疊位置的鐵染、羥基蝕變強烈,斷裂明顯,前人在環形構造東側發現梨樹溝金礦點,野外調查中在鐵染、羥基蝕變及環形構造疊加區發現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)。因此該找礦預測遠景區具有較好的找礦前景。

Ⅲ找礦預測遠景區位于大洼,出露中粗粒二長花崗巖、細粒二長花崗巖、奧陶系—志留系、二疊系及石英脈等,遙感解譯顯示該找礦預測遠景區位于環形構造及其邊緣,具明顯北東向線性構造,且環形構造邊緣與線性構造重疊位置的鐵染、羥基蝕變強烈;該區野外調查中選取鐵染、羥基蝕變強裂與環形構造及線性構造疊加區,以及脈巖發育地區,見一北西向構造破碎帶,其中韌性剪切帶發育,發育強褐鐵礦蝕變,如圖7所示。依據區內找礦標志,大洼具有良好成礦條件,且存在地表直接礦化現象,故該遠景區內具有較好的找礦前景。

圖7 大洼構造破碎帶

5 結 論

1)選取Landsat 8 OLI影像,利用主成分分析法,提取了撰山子地區的羥基、鐵染蝕變信息。結果顯示,撰山子地區羥基、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形構造附近分布,與區內已有金礦(點)床分布一致;鐵染蝕變信息與羥基蝕變信息空間關系不明顯,但金礦化均位于二者疊加部位。

2)綜合構造解譯、遙感蝕變信息及區域與撰山子地區地質特征,建立撰山子地區金找礦標志,依此圈定3處找礦預測遠景區。經實地調查,撰山子地區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造及蝕變的驗證。

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