蒙古国扎门乌德地区基于分形的遥感地质特征及成矿预测

王 翔，范海明，茹湘兰

(1.中国地质调查局发展研究中心 北京 100037；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.山西省地质调查院，山西 太原 030001)

研究区位于蒙古国东戈壁省南部扎门乌德(Zamyn-Uud)地区，其地理坐标为：北纬43°07′～43°11′，东经110°30′～110°38′。地理上属戈壁景观，人烟稀少；地质工作贫瘠，处于蒙古国南部重要的活动大陆边缘斑岩系列Cu、Mo、Au成矿带内，该成矿带内已发现亚洲第一大斑岩Cu-Au矿Oyu Tolgoi及重要的Cu-Mo矿Tsagaan Suvarga、Oyut Ulaan等一批与岩浆成矿作用有关工业矿床。

现代遥感地质找矿主要是采用各种图像解译方法，提取与致矿因素相关的各种信息，进行成矿远景预测。空间上矿体往往产于断裂交汇或构造带附近，这些断裂、构造在遥感影像上主要表现为线性、环形体等信息，并且在矿体附近富集一定的蚀变异常。线-环性构造的形态常往往是不规则的，对其长度、密度和方位等因素的分析仅能揭示了其发育规律的某些方面，不能充分反映其复杂的空间分布特征，而分形几何学为定量表征线-环构造的时空分布提供了新的手段[1]。蚀变作为一种地质记录。其分布具有明显的不均匀性。同时蚀变也是一种异常，而分维与异常又往往具有一定的关系[2]。

在综合研究该区域的成矿地质条件的基础上，利用分形几何学的原理、方法，对成矿构造要素进行定量研究，采用主成分结合灰度-面积分形法准确的提取了蚀变异常信息。探讨该区斑岩型矿产遥感成矿地质模型，寻找成矿的可行性。

1 成矿地质背景

研究区位于蒙古国南部的南戈壁Mainor、Byamba构造单元交界附近。从岛弧增生、安底斯型俯冲到盆地以及山脉抬升，经历了古生代、晚生代，临近中生代，陆块抬升，并伴随陆源沉积进入前陆盆地沉积直至晚白垩世末期，形成持续干燥至今，共四个时期。

区域出露地层主要有：志留系砾岩、薄层砂岩、灰岩、页岩和凝灰岩组成的沉积序列；早泥盆世-石炭纪的沉积岩、玄武沉积岩、英安岩和少量流纹岩与陆源凝灰质砂页岩互层组成的火山岩沉积；地层中侵入有泥盆纪正长岩、花岗岩脉和石炭纪钠长岩、花岗岩、花岗钠长岩岩体。构造复杂，以区域性NE向东蒙古深大断裂的次级EW和NW方向断裂为主。

上述地质条件体现了斑岩型多金属矿床的主要特征(即岛弧-陆缘弧环境和碰撞造山环境)。这一区域的斑岩型多金属矿床与古生代火山岩、古生代构造具有时空一致性，三者在时间上为同地质事件、空间上同位，形成构造-岩浆-矿化“三位一体”的统一体。

斑岩型矿床自岩体向围岩依次发育分布有：钾-硅酸盐化环状带→石英-绢云母化环状带→青磐岩化环状带。偶尔见泥化环状带产出，但多数受控于构造，叠加在蚀变带上；表现为斑岩热液系统→浅成低温热液系统的转化。

2 遥感地质特征

2.1 遥感数据源

此次研究利用2010年9月5日拍摄的P127R30ETM数据，结合其Pan波段高分辨率，采用HIS[4]法对ETM数据进行融合处理，以提高其空间分辨率，研究区多为戈壁。经反复对比,选择融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色图,效果较理想，植物绿色仅在沟谷内呈鲜绿、深绿色；基岩出露的地区，呈现浅土黄色。

2.2 线-环构造特征

2.2.1 线性构造

研究区多为戈壁。经反复对比,选择融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色图,效果较理想。解译区内断裂构造较为发育,其走向主要为NEE、NE以及EW向三组(图1)。

图1 研究区遥感地质解译特征

1)NEE、NE线性构造。两组断裂共轭成套出现；NEE线性构造自北而南，NE线性构造自西而东；均大致以15km间隔广布全区。此类线性构造影像上断续出现，表现为阶坎状、直线凹地、沟谷，明暗色条带，解译为压扭性构造，体现了形成较早、后期复活同时遭受新生断裂改造的构造特征。NE向构造中部南北延伸较长的断裂带影像特征最为清晰,单条断裂的连续性最好，NEE向构造以中北部影像上水体呈窜珠状相连最为清晰。NEE、NE向线性构造较均匀的形成菱形构造。

2)NW线性构造。该类型构造在研究区中部较为发育，间隔4～6km，影像解译特征为较为平直的亮、暗色条带，短凹地、“V”型沟谷，延伸较长，解译为扭或压扭性断裂。古生代岩体接触部位或切割了环状构造的断裂带内,常发育热液型蚀变,对成矿有利。

3)另外研究区内NS向构造较为隐晦，主要分布与研究区中部，影像上呈浅色条带，受后期构造破坏的基底构造特征。

总体上与成矿地质背景相一致，但从影像解译结果看，EW次级断裂并不明显，NS次级线性构造较为隐晦，但对表现了后期改造的构造特征。

2.2.2 环性构造

该区域共解译出环状构造76个,主要呈圆状,少数呈半圆状(图1)，多数环互相嵌套、相切。研究区内环形结构大小基本可以分为三类，一类直径约15km，二类直径约10km，三类直径约8km。整体上小环围绕大环呈环形分布，相切相连，呈现向“心”性。这种环形出露的形态，表明基底具有一较大的岩浆活动形成的岩体。环形构造形迹明显，大型环状构造的内部周边,发育多处线环构造密集区,由多个套合呈子母环、姊妹环产出的环状构造及断裂构造组成，子母环、姐妹环色调差异明显(图1)。古生代地层、岩体组成的NEE、NE向线性断裂构造内发育环状构造；古生代产出花岗岩类侵入体为小的环形构造，表现为岩株、岩脉状零星出露于其内部。通过综合分析,该地区深部发生的熔融形成岩浆房,同时随断裂活动孔隙上升、侵入,形成一系列大小、深浅不一的(隐伏-半隐伏)岩体,与地表对应表现为大环及其内部及周边的一系列的小型环状构造。这些线-环构造密交错区，是热液型金属矿床成矿的有利部位。

2.2.3 线-环构造数据分形模型和分形求和法

构造分维值(D)的大小反映了其空间展布的复杂程度，构造活动的强烈及发育程度，一般认为分维值越大，说明其空间复杂程度愈高，构造活动性越强，成矿元素越有利于活化以及成矿流体的运移、聚集，形成规模较大的矿床[4]。

传统的计算线性构造分形特征采用网格法进行，即首先以边长为L的正方形网格覆盖在解译图上，以此为基础，分别选取r=L/2，L/4，L/8，L/16，L/32，…的网格，求出相应标度下所含线性构造的网格数N(r)。然后在lg(r)-lgN(r)双对数坐标系中作图，计算回归直线斜率的绝对值即为分维值D。该方法不能反应出线-环构造对周边的影响，且受一定的网格采样影响。这里设计一种基于线密度的线密度-面积分形方法，考虑线性构造的影响范围的同时，其空间上又具有分形特征，直接提取线性构造的分形异常特征。

这里线密度指线-环构造是在单位面积内的长度，经过对比分析制作完成了研究区像元大小为100m的构造密度图(图1)。对构造密度图采用密度-面积多重分形法进行分析。

设有分形模型(式(1))。

Tr=Cr-Dr>0

(1)

式中：r为特征尺度；C>0为比例常数；D>0为分维数；T(r)为尺度≥r的数目或总数。

地质现象具有标度不变性[5]的，可以运用分形进行分形。式(1)两边同时取对数，形成一元线性回归方程(式(2))。

log[Tr]=-Dlogr+logC

(2)

运用最小二乘法原理计算斜率D，得分维数。当散点总体上分布在一条直线上时，采用分段拟合法。为了准确的确定分界点，找出合适的界限点ri0，不断变化这个界限点使得各区间拟合的直线段，与原始数据间的剩余平方和Ei(i=1，2)，在两个区间的总和为最小(式(3))。

(3)

式中：D1和D2分别为相应区间的斜率(分维数)。对研究区线-环构造密度采用上述方法进行分形分析。从图2中可将研究区内线密度分为四个段进行线性拟合，得到四个分维值D1(0.0262)、D2(0.0297)、D3(0.0963)、D4(0.3313)对应于图2中①、②、③、④斜率。以上方程的相关性R2均大于0.97，说明具有代表性，拟合可靠。这里针对全区进行分形分析，通过分维值可了解构造对成矿范围的影响，以及构造背景、岩浆热液的影响，有利于成矿预测[7]。同时通过分形分析(图3)，可知D1主要表现为该区域的构造背景，研究区线性构造以北东、北西向为主，北东向为主要构造，这与野外踏勘结论完全吻合。

图2 构造线密度LogN(r)—Logr

图3 构造线密度分维划分图

2.3 遥感蚀变信息提取

区内主要蚀变类型为：绿泥石化、黄铁矿化、绢云母化、钾硅酸盐化、青磐岩化。这些蚀变的总体特征为：含有三价铁离子(Fe3+)、羟基(OH-)离子，并在ETM/TM 遥感波谱数据上具有诊断性特征[5]，为研究区蚀变遥感信息的提取提供了理论依据。

Crósta技术是一种经典的矿物蚀变信息提取技术[6]，以特征向量矩阵为分析导向。在过去的近20多年内已取得了丰硕的研究成果。它运用TM1、TM3、TM4、TM5波段做主成分分析，提取铁染蚀变信息[7]，运用TM1、TM4、TM5、TM7波段做掩膜主成分分析，提取羟基异常。国内学者在该方法有一定的发展，包括数据前的掩膜处理与数据后的分级以及比值、差值主成分析法等[8]。利用分形理论的求和法,结合主成分分析法更加准确的提取了铁染、羟基蚀变信息。

1)铁染蚀变信息提取。表1为TM1、TM3、TM4、TM5掩膜主成分分析得到的主成分特征向量矩阵。由于铁的氧化物具有在TM1强吸收，TM3小反射峰的特性，通过PC4可以进行异常提取。

表1 TM1、TM3、TM4、TM5掩膜-主成分的特征向量矩阵

在确定了异常分量以后，从铁染、羟基所表现的波谱特征可知，所提取的异常信息表现为暗像元(负异常)，对其求反得到亮像元(正异常)表示的异常信息。需要对异常信息进行分级。采用前文提到的式(1)、式(2)来提取异常信息，图4、图5的结果可知，①表现为背景；而蚀变异常拟合②的相关性R2均大于0.98，比较准确的提取了研究区的蚀变异常。在MAPGIS6.7中将羟基、铁染异常信息进行组合，即将两种共同分布的区域提取出来，得到遥感综合异常分级的结果(图3中的综合异常)。通过综合异常信息分析，剔除了大量由于地层岩性引起的异常信息，所得结果主要表现为强异常区具有成矿较强的蚀变异常信息，异常信息主要表现中、东北两个异常区带及北西部零散分布区。

表2 TM1、TM4、TM5、TM7掩膜-主成分的特征向量矩阵

图4 铁染PC4 LogN(r)—Logr图

图5 羟基PC4 LogN(r)—Logr图

1)东北部区带，异常分布于中部NE向(Honger Hill断裂)及其上方的NE向两条主断裂与伴生的3条NW向次级断裂内，同时受NNE构造控制，散落在环形构造周边，层次分明。断裂给异常提供了通道，底部岩浆作用提供了能量及一定的物源。

2)中部区带，异常分布于中部NE向(Honger Hill断裂)及其下方的NE向两条主断裂与伴生的多条NW向次级断裂内，NNE构造对异常分布影响不大；异常主要受环形构造及NW向生断裂控制。

3)北西部零散分布区，分布零散，没有具体规律；从地层及岩性分布可知，应是粘土物质引起异常反映，对多金属矿产没有明确的指示意义。

3 成矿预测分析

通过分析，运用MAPGIS平台，区内共解译分析出4个多金属找矿远景区(图6)。根据上述研究成果，经野外实地验证所取得的结果表明(图7)，预测区内石英长石斑岩岩枝内，可以看见强烈的钾硅酸盐交代和硅化现象；石英绢云母化带，蚀变矿物组合为绢云母+石英+钾长石±绿泥石[10-13]，其中钾长石、斜长石被绢云母和石英不同程度地交代。主要蚀变矿物为绢云母、石英，少数绿泥石；在含矿斑岩边缘及其与围岩的接触带上主要产出，常见于环绕钾硅酸盐化带，同时与钾硅酸盐化带呈渐变过渡关系，部分产于钾硅酸盐化带内。泥化带：蚀变矿物为粘土矿物+黄铁矿+石英±绢云。青磐岩化带：蚀变矿物为绿帘石、绿泥石、黄铁矿以及碳酸盐矿物，矿化微弱，分布于前述蚀变带外围的火山岩围岩中。而从线-环线性构造分维特征以及蚀变综合异常结果可知：构造分维值D3、D4区域主要表现为岩体内部活动，成矿可能较小；而蚀变异常主要分布在D2(0.0297)区域，这与含矿斑岩边缘及其与围岩的接触带分布绿泥石化相吻合。那么将该区域线-环构造分维区域D2与综合蚀变异常相结合，能很好的进行找矿预测。

图6 蒙古国扎门乌德地区遥感多金属成矿预测图

图7 典型勘查点蚀变特征

野外验证踏查16个采样点(图7)化验结果(表3)表明，Cu元素百分比在0.2以上的有7个，占总样品数的43.75%；Zn元素百分比在0.1以上的有4个，占总样品数的25.00%，这两种元素在样品化验中总体含量都较高，说明采样点处，矿物元素富集较高，成矿可能性较大；进一步证明了本文所采用的找矿思路的可靠性，以及成果的可利用性。

表3 野外踏查采样成果表

通过上述分析研究区已构成完整的斑岩型矿床岩浆、构造、热液蚀变系统，是寻找斑岩型Cu-Au、Cu-Mo工业矿床的有利靶位，建立研究区以构造为主导方向，环形构造为限制区域，蚀变异常为具体示矿定位的多金属找矿的思路。

4 结论与探讨

1)多金属矿产主要沿中部NE向主断裂(Honger Hill断裂)两侧伴生NW向断裂分布，断裂为成矿提供通道等有利作用。

2)底部岩体或火山岩等引起的环形构造周边，是找矿的有利部位。

3)线-环构造线密度分维值在D2(0.0297)区域为有利部位。

4)蚀变异常为矿产在地表的表现提供了良好的指示作用。

遥感影像以其色调、色彩、形态、影纹、大小等及其间相互组合关系显示影像特征，反映了与之对应的地面地物特征。影像中的线形体和环形体及其在空间上的展布形式与地面地物特征相对应。地壳地质元素、地质景观是地面地物特征的主导因素，不同的线环组合形式的地质解释，有助于开展遥感地质成矿预测。遥感蚀变信息提取作为找矿方法之一，近年来取得了很多成绩，能反映具体地矿化体的展布情况，结合遥感解译线-环地质找矿特征分析，有针对性地去发现矿化体，克服以往野外工作中有盲目性。而单纯的提取羟基、铁染遥感蚀变信息具有一定的局限性，将二者有机的结合，形成组合异常信息，更加有利于成矿预测分析。

研究区主体位于区域性NE向东蒙古深大断裂的次级EW和NW方向断裂内，地质构造复杂，成矿地质条件优越。但由于地理、气候、政治等原因，地质工作程度很低，采用遥感技术手段进行前期的找矿工作意义深远。由于斑岩型多金属矿床的蚀变分带特征及其与构造紧密相关性，采用遥感手段进行预测具有其特定的优势。研究区以遥感解译为主，兼顾地质特征结合蚀变信息分析；建立了以线性构造为主体，环形构造为限制区。构建了线-环构造线密度分形统计分析，解决了线-环构造统一利用，在空间上的控矿关系；在分维值较高的区域往往表现为环形构造特征，即岩体的内活动，不成矿；而在其边部分维值较低的区域，则主要表现出了导、控矿构造的特征，与岩浆地质成矿模式统一。求和分形法准确的提取了蚀变异常，并为准确的指导快速预测多金属矿产，最终圈定了四个多金属成矿远景区。经过野外验证，这几个远景区内均见有各类型的金属矿化信息，取得了良好的效果，为快速找矿提供了线索；研究解译的四个找矿远景区可作为进一步地质工作的依据。今后可以利用高分辨率、高光谱数据进行进一步分析，结合地质、地球物理、地球化学等数据对这一类型区域提供更加有利的找矿证据，为找矿空白区提供快捷、高效的第一手资料。

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