基于高光譜數據的東天山—北山成礦帶礦物填圖及地質應用

文| 秦昊洋 李士杰 李志忠 何海洋 劉小玉 王思琪

1.中國地質調查局西安礦產資源調查中心

2.自然資源陜西省衛星技術應用中心

一、引言

礦物是地質體的基本組成單元，也是地質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、吸收深度等參數有效識別各種離子類礦物和單礦物，實現對礦物類型、空間分布和蝕變信息的提取工作[1-2]。近年來，隨著國產高光譜遙感數據的不斷成熟，高光譜遙感技術在地學領域尤其是成礦帶尺度的大范圍地質調查研究中發揮著越來越重要的作用[3-5]。

東天山—北山成礦帶發育有以金、鐵、銅、鎳為主的各類多金屬礦床，礦床類型復雜，礦產種類豐富、儲量巨大，是我國重要的礦產資源戰略基地，也是新一輪戰略找礦突破行動的重點工作區[6-8]。在該地區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律和蝕變特征信息，為整個東天山成礦帶的地質工作提供全新的研究視角和數據來源，對支撐國家新一輪戰略找礦突破行動具有重要意義。此前由于缺乏成熟的技術方法體系和相關的軟件工具，限制了國產高光譜遙感衛星數據的應用推廣，國內地質勘查工作中常用的遙感數據源仍以多光譜、高空間分辨率數據為主，借助高光譜遙感數據的區域性地質研究工作還存在實際困難[9-10]。為解決上述難題，推進國產高光譜衛星數據在地質找礦領域的應用，本文利用高分五號01A、資源一號02D 等國產高光譜衛星數據，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的礦物填圖技術方法體系和軟件工具pymica完成，該工具內置了數百條礦物參考光譜及相應專家識別規則，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，實現了自動化、批量化的高效數據處理。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）比值圖等數據產品，為成礦帶內發掘熱液活動痕跡、揭示區域隱伏構造、圈定礦化蝕變帶等地質工作提供了可靠依據。

東天山—北山成礦帶成果圖集目前已在大規模的工程化應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用工作提供了應用示范和有力工具，對研究區域性成礦作用和礦床成因類型劃分具有重要價值。

二、遙感數據及數據處理

1.高光譜遙感數據源

高光譜遙感數據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，影像質量良好，總云量均小于5%。高分五號、資源一號高光譜衛星參數如表1 所示。

表1 高光譜遙感衛星主要參數

2.遙感數據預處理

數據預處理工作能夠將衛星傳感器存儲的DN值數據轉換為礦物識別所需的地表反射率數據，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12.5m分辨率DEM數據和Landsat鑲嵌數據集（NASA Landsat GeoCover）作為地理基準參考完成。此外，由于高光譜傳感器內每個探測元件具有敏感差異性，其校準標定工作易出現偏差，導致部分波段數據中出現整列分布的條紋噪聲，因此需進行去噪處理以提高影像質量。數據預處理均在pymica 平臺中完成，其流程如圖1 所示。

圖1 高光譜數據預處理流程

噪聲條紋的出現是由于其定標校準的失效致使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 值的標準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據去噪效果良好[12-13]。高光譜數據去噪效果如圖2 所示。

圖2 高光譜數據去噪

完成預處理工作后，將工作區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統去除和光譜匹配兩個步驟。

去除連續統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統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結果的影響，本文將吸收特征兩端預設區間的波長、反射率平均值作為去統端點。

礦物內部化學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生變化，反映在光譜曲線中即可形成特征波段內精細的吸收帶[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準礦物光譜進行對比匹配，即可實現對不同礦物的識別分類。標準光譜數據采用美國地質調查局（USGS）標準波譜庫中的實測數據。

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、深度作為判據與標準光譜數據進行擬合度匹配，擬合度最高的標準礦物即作為分類結果。該方法在保證分類結果有效的同時能夠降低噪聲對光譜匹配過程產生的干擾，在應用國產高光譜衛星進行礦物填圖工作中效果較好。

三、填圖應用

1.成礦帶構造信息解譯

斷裂構造在形成時，沿斷裂帶兩側的巖塊會發生顯著的錯動、位移，并形成充填著大量巖石碎塊的破碎帶。受構造應力作用的影響，斷裂破碎帶內通常會形成各種類型的動力變質巖或出現充填不同礦物成分的巖脈，使得斷裂帶內的礦物類型與兩側巖體存在顯著差異，成為地質調查工作中識別斷裂構造的基本標識之一。野外地質調查受人員、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，為構造解譯提供可靠判據。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，填圖結果清晰、連續地揭示出了斷裂構造的走向和分布，并與1∶25 萬地質圖中構造分布進行了對比驗證。相比于地質圖，礦物填圖結果還能夠直觀清楚地觀測到斷裂帶的寬度、走向形態以及其中充填的礦物類型，為野外地質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，部分斷裂構造信息因為第四系砂土、鹽堿地覆蓋，導致斷裂帶與兩側巖體間的差異不明顯。在高分二號、Landsat-8 等常用的高分辨率、多光譜衛星中色調不夠突出，給遙感構造解譯工作帶來挑戰。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斷裂構造帶與兩側巖體間礦物組成的差別，從而解譯構造。圖4 中展示了高光譜礦物填圖結果在第四系覆蓋區中的應用情況，第四系覆蓋區礦物以伊利石、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造活動軌跡。相比于礦物填圖結果中的顯著特征，影像及地質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造，褶皺構造由巖層彎曲變形而形成，其在遙感影像上主要表現為轉折端的存在，即巖層由褶皺一翼轉到另一翼的彎曲部位置，兩翼地層產狀出現規律性的變化。高光譜礦物填圖同樣能夠揭示褶皺構造的存在（圖5），在圖中具體表現為褶皺核部主要以絹云母為主，兩側褶皺翼則含有大量綠泥石、方解石、白云石，兩側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。褶皺核部外側發育的小型斷層構造行跡和巖層錯斷現象也一目了然，清楚地揭示了斷層兩側的巖體差異。相比于地質圖，礦物填圖中觀察到的褶皺形態更加直觀，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域物質循環演化、金屬礦產分布、巖漿熱液活動等提供信息，對地質勘查工作具有重要意義。不同的巖性因其礦物成分、內部結構及外部條件不同，在遙感影像上表現出明顯的多樣性，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，從礦物構成的尺度進行巖性劃分識別，分類結果更加精細（圖6）。相比于地質圖，填圖結果清晰準確地識別出了以方解石、白云石為主要礦物的白云質大理巖體；以白云母、綠泥石為主要礦物的二長花崗巖體，以及一處環形構造。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化形成，綠泥石的分布和豐度同樣能夠揭示花崗巖體的風化蝕變程度。

圖6 高光譜礦物填圖揭示巖性/環形構造

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[18]。應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熱液型金屬礦床找礦工作的主要內容和重要技術手段，與熱液活動相關的各類蝕變礦物均能夠為找礦工作提供理論依據[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。高光譜礦物填圖結果中能夠清晰展現出蝕變分帶相關的礦物組合特征：處于蝕變區域外圍的綠泥石、白云石、絹云母；位于內層過渡帶的高嶺土、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系清晰展現出了外側青磐巖化帶+泥化過渡帶+高級泥化中心帶的蝕變分帶特征，為該地區斑巖型銅礦的找礦工作提供了有力依據。在野外驗證工作中，現場采樣取得了高嶺土、明礬石、石膏樣品，充分證明了填圖結果的準確性和有效性。

圖8 高光譜礦物填圖礦化蝕變帶提取

四、結語

目前的工作成果圖集主要基于高分五號01A 和資源一號02D 兩種國產高光譜遙感衛星完成，由于不同遙感衛星具體參數不同，因此填圖結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 的發射升空，國產高光譜衛星數據覆蓋和信噪比不斷提高，未來可以采用更高質量的影像數據進行填圖工作。東天山—北山成礦帶的地質應用目前已得到工程化項目的實踐驗證，這標志著成礦帶尺度的礦物填圖技術及數據產品已經成熟，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，為上述地區的新一輪找礦突破行動提供全新的地質信息。

此外，高光譜遙感數據30m 空間分辨率適用于1∶25 萬及以下比例尺的地質填圖工作，目前已完成了東天山—北山成礦帶內1∶25 萬標準圖幅的分幅填圖工作。但這與部分大比例尺地質找礦項目所需的1∶2.5 萬詳查區、1∶1 萬重點調查區等精細勘查仍有距離。針對大比例尺勘查工作的需要，可在重點區開展無人機高光譜填圖試點研究及應用，為新一輪找礦戰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據光譜分辨率的同時，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據結合的方式開展工作，可為找礦工作提供更加豐富精細的數據支撐。