ASTER数据在北方铝土矿预普查中的应用——以豫西渑池地区为例

张云峰，李领军，冯 淳

ASTER数据在北方铝土矿预普查中的应用
——以豫西渑池地区为例

张云峰，李领军，冯 淳

(西北有色地质研究院，西安 710054)

ASTER数据的光谱和空间分辨率均具有一定优势，适合于中等比例尺的矿产预普查。为了探讨ASTER数据应用于铝土矿预普查的效果，通过对ASTER图像彩色合成、地质解译及异常信息提取，对豫西渑池地区的铝土矿进行了预普查试验。结果表明，在北方基岩裸露地区，应用ASTER数据圈定“赋矿影像单元”和提取铝土矿遥感找矿信息能获得较好的效果。

ASTER数据;豫西;铝土矿;赋矿影像单元;主成分分析(PCA)

0 引言

在矿产资源勘查节奏日益变快的今天，矿产预普查工作也要求更加快速、准确和便捷。遥感地质工作因其具有区域性、快速性和经济性的特点，而在地质矿产勘查工作中起到越来越重要的作用。张瑞江［1］通过遥感技术在我国西部地区开展了控矿要素解译、成矿带展布以及矿化蚀变信息提取等方面的应用研究，论述了遥感技术的优势所在，并总结了一套遥感找矿预测方法和程序;王恩德等［2］在辽西地区钼多金属矿床远景区预测研究中，通过遥感信息提取技术，在已知矿集区的基础上再次预测了2个小型远景区;崔银亮等［3］应用遥感技术在滇东北地区开展了铅锌银矿的成矿预测，圈定了40个找矿远景区，等等。这些遥感专题研究及实践成果为进一步地质勘查工作提供了重要参考。

目前，遥感数据源越来越多，但就现阶段而言，数据空间分辨率和光谱分辨率的提高往往不能兼得，相反有些还出现互相消长的趋势。近年来，由于ASTER数据具有较高的空间分辨率和光谱分辨率特征，因而在地质勘查中越来越多地被应用。刁海等［4］在内蒙古白乃庙地区使用ASTER数据，基于主成分分析技术提取了矽卡岩化、青磐岩化、绿泥石化及碳酸盐化等异常信息;张玉君等［5］在新疆东天山及黄山地区用ASTER数据进行不同类型矿床蚀变异常信息提取研究，并对ASTER数据应用方法进行了总结。在“我国北方铝土矿找矿快速评价及远景区预测”项目中，笔者在豫西渑池地区，结合铝土矿的赋存特点，使用ASTER数据，通过图像处理、地质解译及信息提取等工作步骤进行了铝土矿远景区评价，取得了一定的找矿效果，为我国北方地区的铝土矿预普查工作提供了一定的方法依据。

1 ASTER数据及其特点

ASTER是搭载在美国NASA Terra卫星上的一种高级光学传感器，可以采集从可见光到热红外共14个光谱通道的遥感数据(表1［6］)。

表1 ASTER数据简介Tab.1 Profile of ASTER data

与ETM数据相比，ASTER数据的空间和光谱分辨率都有一定程度的提高，单景图像覆盖地面大小为60 km×60 km，适宜制作1/5万～1/10万比例尺的遥感影像图;短波红外(SWIR)图像的光谱分辨率可以达到40～70 nm。由于空间分辨率的提高，ASTER数据在中等比例尺遥感影像图制作及地质解译方面均具有一定的优势，特别是SWIR波段图像光谱分辨率的提高，更为精确提取各种含水矿物信息提供了基础。

2 图像的彩色合成

ASTER三个VNIR波段(B1，B2，B3)图像的空间分辨率均为15 m，用其直接进行彩色合成，基本能够满足1/5万比例尺制图要求。但由于缺少蓝色波段，合成图像的色彩较单一且地物可分辨程度及视觉效果均较差(图1a)。为提高彩色合成图像的视觉效果及地物之间可辨程度，本文选择SWIR波段B4，B8与VNIR波段B2数据进行彩色合成(图1b)，并使用IHS变换的方法将其与B3数据进行融合［7］。融合图像在空间分辨率及色彩丰富程度方面均有提高(图3c)。

图1 ASTER图像3种彩色合成方案效果对比Fig.1 Color composite program comparison of ASTER image

3 地质解译

3.1 研究区地质概况

研究区大地构造位置处于中朝准地台华熊台缘凹陷的渑池—确山陷褶束的西北部，区内断裂构造发育，其中北东(NE)向断裂最为发育，北西(NW)向次之，也有少量近东西(EW)向断裂，具有“一穹”、“三向”3 组断裂交错的扇形地垒式特点［8］。这些构造对含铝、含煤岩系的展布起着一定的控制作用。区内沉积地层发育，尤其是石炭系含铝粘土岩系;火成岩出露面积很小。

区内铝土矿的赋矿地层为中石炭统本溪组，地层岩性特征明显，可作为寻找铝土矿的标志。该组地层直接覆盖在中奥陶统灰岩剥蚀面上，古侵蚀面经历了一亿多年的风化剥蚀，形成了许多大小不等的洼地及溶斗，是铝土矿堆积的良好场所，而且矿体的形态、产状及厚度均受古地形的控制［9］。

3.2 遥感地质解译

区域构造遥感解译结果表明，在渑池—新安一带的新生代盆地北缘，发育一组巨大的弧形构造带，其边缘为一系列同方向展布的构造透镜体，向北逐渐减弱，由南向北挤压的推覆构造特征十分明显。属于石铨曾等［10］所确定的渑池—义马—新安—伊川—临汝—襄城逆冲推覆构造带的西端部分。

区内铝土矿床(点)数量较多，并集中产于弧形构造带北缘的褶皱带内，少量产于渑池—新安一带的新生代盆地边缘。

对比豫西渑池地区ASTER图像(图2)及其地质解译图(图3)可以看出，裸岩－浅覆盖区岩性的可解译程度相对比较高。地表出露的奥陶－石炭系赋矿地层具有特殊的影像特征，为找矿信息的提取及矿产地特征纹理、色调的分析提供了依据。

遥感解译认为，断裂构造的影像特征比较明显，表现为直线状水系、陡坎地形等影像，部分构造两侧色调差异明显，其中NE向和NNE向的断裂构造十分发育，其走向与解译的区域构造——弧形构造西北缘的构造方向一致，NE向断裂构造多处构成了不同地质单元的界面，反映了后期构造对地层单元的改造控制作用。

地层岩性的影像解译标志不明显，元古界汝阳群石英砂岩主要分布于东北韶山及南部阮坪一带，呈浅粉色调，该岩石分布区水系冲沟较为粗大，呈正地形显示;寒武系白云岩、白云质灰岩、泥岩等主要分布在工作区中部，东部地区也有零星分布，图像上呈以金黄色为主的色调，边界比较明显;奥陶－二叠系灰岩、页岩、砂岩等主要分布于工作区中部，从图像上难以细分，总体色调较浅，影纹较细碎，局部可见层理影纹。解译时，对该单元中的特殊图斑进行了圈定。该类图斑形态呈不规则状或透镜状，长轴方向与断裂构造方向基本一致，色调较浅，表面比较平滑。经与地质图对比，该类影像主要出现在奥陶系与石炭系接触带附近，与本溪组下段赋矿层位基本一致，区内已知铝土矿床(点)均分布在该影像单元的内部或边部。为此，笔者特将此类指示工作区铝土矿赋存层位的重要图斑称为“赋矿影像单元”。第三系砾岩及第四系洪－冲积物在区内分布较为广泛，影像特征也较明显。

图2 豫西渑池地区ASTER数据B4，B8，B2与B3融合图像Fig.2 ASTER fusion image of B4，B8，B2 with B3 in Mianchi，Western Henan

图3 豫西渑池地区遥感地质解译图Fig.3 The map of remote sensing geological interpretation in Mianchi，Western Henan

4 异常信息提取

4.1 地质理论依据

中石炭世，豫西地区随华北板块一同下沉，海水侵入，在中奥陶统或上寒武统碳酸盐岩的风化剥蚀面上，沉积了一套铁－铝－粘土岩－煤岩系地层，铝土矿分布于中石炭统本溪组中上部［9］，在后期构造运动作用下抬升，局部出露地表。因此可以根据遥感波谱特征提取有关铝土矿的矿石信息。

就研究区铝土矿的矿石组分而言，其主要矿物为一水硬铝石，占45.6% ～95%，次要矿物为伊利石、高岭石、水云母、叶蜡石及褐铁矿等［8，11］。由于一水硬铝石在可见光—近红外波段无明显的特征吸收谱带，无法从该波段遥感数据中直接提取其信息，但可以通过提取铝土矿中的次要矿物，即伊利石、高岭石和水云母等含Al—OH的矿物信息来间接圈定铝土矿的分布范围。

4.2 矿物波谱特征

PCI Geomatica软件中提供了美国地质调查局(USGS)大量的岩石矿物光谱数据。从图4可以看出，伊利石、高岭石等含 Al—OH矿物在1.451 μm，2.204 μm 等波长处具有吸收特征，在 1.5 ～1.7 μm，2.26 μm 等波长处附近具有反射特征。

图4 几种矿物光谱曲线Fig.4 Spectral curves of several mineracs

可以看出，伊利石、高岭石等含Al—OH的矿物在ASTER数据B6波段(中心波长2.205 μm)具有较强的吸收谷，在B4波段(中心波长1.656 μm)具有反射峰，异常信息提取的过程中主要依据特征矿物在B4和B6两个波段上的吸收与反射差异［5，12］。

由B4，B6的二维散点图(图5)可以看出，含Al—OH的矿物异常信息分布于背景信息之外，通过一定的异常信息提取方法就可以将背景与含Al—OH的矿物信息分离出来。

图5 ASTER数据B4，B6二维散点图Fig.5 Two － dimensional scatter plot of B4 and B6 of ASTER data

4.3 提取方法及结果

主成分分析是一种常用的统计分析方法，将这种方法引入到对遥感数据处理，特别是异常信息的提取中，有利于突出目标地物信息。鉴于含羟基和含水矿物在2.2～2.3 μm 附近存在强吸收谷，因此研究中主要使用 ASTER数据 B1，B3，B4，B6进行主成分分析［6］。从分析结果(表2)可以看出，在

表2 主成分分析特征向量矩阵Tab.2 Eigenvector matrix in PCA

PC4中，B4及B6具有强的载荷，且符号相反，主要反映了含Al—OH的矿物信息。PC4与B1，B3，B4，B6关系为

为有效表达含Al—OH的矿物异常信息分布趋势及分级状况，对PC4进行了滤波及异常分级处理，形成了研究区含Al—OH矿物信息图像(图6)。

图6 研究区提取的含Al—OH矿物信息图像Fig.6 ASTER image with Al—OH mineral information in Mianchi，Western Henan

这里采用均值滤波方法，窗口大小为5像元×5像元，滤波次数为3次。滤波结果表明，孤立的散点信息被去除，同时，部分散布的信息图斑被连成片状或带状，有助于异常信息分布规律的分析。

在异常信息的分级中，采用X+kσ进行阈值的选择，其中X=128为图像的均值，σ=24.7为标准离差，k 的取值分别为 1.5，2.0 和 2.5［13］，依次计算出一、二、三级异常的分割阈值分别为165，177和190。

5 结果评价

由图6可以看出，含Al—OH的矿物遥感异常信息主要分布于工作区的中部，多呈不规则的条带状，而且有NE向展布的趋势，与区域地层的展布方向基本一致。由异常分布情况与已知地质图件的对应分析表明，异常主要分布于古生界地层单元，其中在奥陶－石炭系地层的接触带及其附近(石炭系本溪组含矿层位)往往呈现串珠状异常带。东部及其他地区的部分异常分布于寒武系地层中，或与白云岩、灰岩等有一定关系。

从遥感异常信息与区内已知18处矿床(点)的叠加分析可以看出，区内大多数矿床(点)均分布于含Al—OH的矿物信息异常之上或紧邻异常旁侧分布。对部分异常点的野外调研表明，提取的含Al—OH的矿物信息在地表对应性较好。初步分析认为，在我国北方的基岩裸露区，该类信息具有找矿指示意义。

6 结论

1)通过遥感地质解译研究认为，豫西地区铝土矿的分布主要受弧形构造带北缘的褶皱带控制，已知矿床(点)与地质解译圈定的“赋矿影像单元”及提取的含Al—OH矿物遥感异常信息有较为密切的关系，在基岩裸露区域，使用该方法可以对铝土矿进行较有效的圈定及预测。

2)ASTER数据适用于矿产预普查中的1∶5万～1∶10万比例尺层次的遥感影像图制作及地质解译。

3)选择性的波段彩色合成及融合方法可以提高数据的使用效果。

4)使用ASTER遥感数据在我国北方基岩裸露地区提取与铝土矿矿化有关的信息，具有较高的准确率和较强的针对性。

［1］ 张瑞江.基于遥感技术的成矿预测方法和程序研究［J］.国土资源遥感，2010(3):58 －63.

［2］ 王恩德，贾三石，付建飞，等.基于遥感影像信息的辽西钼多金属矿床远景区预测研究［J］.国土资源遥感，2009(2):19－23.

［3］ 崔银亮，张云峰，郭 欣，等.滇东北铅锌银矿床遥感地质与成矿预测［M］.北京:地质出版社，2011.

［4］ 刁 海，张 达，狄永军，等.基于主成分分析和分形模型的ASTER蚀变异常信息提取［J］.国土资源遥感，2011(2):75－79.

［5］ 张玉君，杨建明，姚佛军.用ASTER数据进行不同类型矿床蚀变异常提取研究［J］.矿床地质，2006，25(增刊):507 －510.

［6］ 李海涛，田庆久.ASTER数据产品的特性及其计划介绍［J］.遥感信息，2004(3):53－55.

［7］ 张永生，巩丹超，等.高分辨率遥感卫星应用:成矿模型处理算法及应用技术［M］.北京:科学出版社，2004:55－56.

［8］ 周亚丽.河南省渑池县贾家洼西段铝土矿地质特征［J］.华北国土资源，2009(3):9－11.

［9］ 杨振军，刘国范，马庚杰，等.豫西铝土矿成矿地质条件及找矿前景［J］.矿产与地质，2005(3):280－285.

［10］石铨曾，尉向东，李明立，等.河南省东秦岭山脉北缘的推覆构造及伸展拆离构造［M］.北京:地质出版社，2004:68－70.

［11］温同想.河南石炭纪铝土矿地质特征［J］.华北地质矿产杂志，1996，11(4):491 －511.

［12］杨长保，姜琦刚，刘万崧，等.基于ASTER数据的内蒙古东乌珠穆沁北部地区遥感蚀变信息提取［J］.吉林大学学报:地球科学版，2009，39(6):1163 －1167.

［13］冯雨林，时建民，杨利军.ETM+遥感影像矿化蚀变信息的提取与找矿实践［J］.地质与资源，2008，17(1):69 －72.

The Application of ASTER Data to Bauxite Deposit Pre－survey in Northern China:A Case Study of Mianchi Area，Western Henan

ZHANG Yun－feng，LI Ling－jun，FENG Chun
(Northwest Geological Institute of Nonferrous Metals，Xi’an 710054，China)

ASTER data have the superiority of ground resolution and spectral resolution，and hence are suitable for medium－scale pre－survey of mineral resources.For the sake of studying the effect of applying ASTER data to bauxite pre － survey，The authors made an experiment that included image color composite，geological interpretation，and remote sensing extraction of anomaly information in Mianchi area of Western Henan.The result shows that the ASTER data are effective in delineating“ore－bearing image unit”and extracting remote sensing information in exposed bedrock areas of northern China.

ASTER data;Western Henan;bauxite;ore－bearing image unit;PCA(principal component analysis)

TP 79

A

1001－070X(2012)01－0048－05

10.6046/gtzyyg.2012.01.09

2011－05－26;

2011－06－27

中国铝业股份有限公司技术开发项目“我国北方铝土矿找矿快速评价及远景区预测”(编号:ZB2006CAQD03－B11)资助。

张云峰(1972－)，男，高级工程师，主要从事遥感地质解译及信息提取方向研究。E－mail:yfzh999@126.com。

(责任编辑:刁淑娟)