新疆南天山某金矿蚀变信息提取研究

宫丽明，宋召军，高 泺，顾畛逵

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东青岛266590;2.山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590)

传统找矿手段(地质、物探、地球化学等)在找矿中地位至关重要，而遥感找矿作为最近十几年来发展起来的新兴手段，可以作为传统找矿手段有力的补充.遥感蚀变提取具有视域宽广，信息量丰富，能有效获取大量超出视觉以外的地学信息，便于进行大区域宏观观察和分析对比.

中亚成矿域、环太平洋成矿域和地中海成矿域是世界三大成矿域，矿产资源储量丰富.中亚地区石油、天然气、煤炭、铀矿、铁、铬、铜、钼、铬、铝土矿和黄金等矿产资源储量丰富［1］.而我国新疆地区和中亚地区位置相邻、面积相当，但某些矿产类型发现的矿床还是比较少，如中亚的斑岩型铜矿和黑色岩系金矿，在中亚地区已经发现十几个大型矿床，而我国仅有零星几个规模较小的.新疆南天山成矿带紧邻中亚成矿域，成矿潜力巨大.而新疆南天山地区多为山地丘陵地貌，气候干旱，降水稀少，多为冰山融水.常年的干旱，风蚀作用明显，山坡岩石风化的泥土，由于风蚀作用，多堆积在谷底.另外，南天山地区人口稀少，交通不发达，很多地区都人烟罕至，其特殊的自然和人文条件可以充分发挥遥感的作用，适合开展遥感蚀变提取，发挥遥感在地质勘查中的作用.本文利用新疆南天山地区的TM遥感多光谱影像数据，采用蚀变信息提取的主要技术进行地层、构造和蚀变提取，为新疆南天山地区进行地质找矿提供重要依据.

1 区域概况和研究方法

1.1 区域概况

南天山某金矿区地理坐标为，东经:74°15'00″～74°20'43″，北纬:40°02'14″～ 40°08'00″，其位于中国新疆境内与吉尔吉斯斯坦相邻.在自然条件上，新疆南天山地区多为山地丘陵地貌，气候干旱，降水稀少，多为冰山融水.常年的干旱，风蚀作用明显，山坡岩石风化的泥土，由于风蚀作用，多堆积在谷底［2］.社会经济方面，南天山地区人口稀少，交通不发达，很多地区都人烟罕至.属于中亚成矿域南天山成矿带［3］的一部分，有黑色金腰带之称.南天山成矿带从构造上属于晚古生代的地槽褶皱带，在新疆境内走向为北东走向.北边是中天山，其分界线是南天山缝合线，南到天山边缘断裂线.已经发现众多大型金矿，穆龙套(储量5000t)、道吉套兹(储量192t)、库木托尔(储量360t)、阿曼泰套(储量93t)萨瓦雅尔顿等多个大型黑色岩系金矿.其中穆龙套金矿作为该区域黑色岩系金矿的代表，金矿赋存在一套浅变质的黑色岩系中，矿体厚度达百余米，矿体构造断裂控制富矿位置［4］.从大地构造上来看，新疆南天山成矿带地区位于伊犁－伊塞克湖微板块与塔里木活动带的相交部位.区域出露地层主要为上志留统、下泥盆统到上石炭统.轻变质的含碳碎屑岩、变质细砂岩、含碳千枚岩、变质砂岩和粉砂岩以及生物灰岩等为该地区地层主要岩性.构造上，该区断裂和褶皱发育，断裂作为本区重要的控矿构造，构造线一般呈 NNE走向，可延伸数十公里，甚至数百公里.本区岩浆活动微弱，并没有大范围的岩浆侵入，仅在断裂处局部发现辉绿岩脉、基性熔岩、超基性岩透镜体和二长斑岩脉.

1.2 研究方法

蚀变信息提取的主要技术包括基于波段运算的比值法［5］、主成分分析法(K－L 变换)［6］、MPH 技术［7］和 Gram－Schmidt投影方法［8］.20世纪80年代末Crosta在巴西干旱地区利用TM影像进行主成分分析蚀变提取.主成分分析方法是一种将多个变量通过线性变换以选出较少个数重要变量的一种多元统计分析方法，该方法通过选取(TM1、TM3、TM4、TM5)进行主成分分析，在PC4主分量上提取铁染异常;同样，对波段(TM1、TM4、TM5、TM7)进行主成分分析，在PC4主分量上提取羟基和含碳酸根的蚀变异常信息［5］.国内研究现状，1995年何国金通过对内蒙古撰山子地区金矿TM影像弱信息进行增强处理，然后进行蚀变信息提取，最终圈定靶区［9］.2007年，张保平和张玉明将遥感蚀变信息提取方法应用在西天山班禅沟一带铜、铁矿找矿工作中［10］.2003年杨建民在东天山戈壁地区应用蚀变遥感异常提取方法，取得了良好的效果.研究区内已知矿床、矿(化)点122个，矿化点和已知矿床遥感异常吻合率分别为86%和100%，充分说明遥感蚀变信息提取的可靠性［11，12］.

2 地质依据和波谱前提

2.1 地质依据

热液蚀变矿床主要就是交代原岩形成富矿岩石.绢云母化、硅化、云英岩化、绿泥石化和铁化都是蚀变过程中常见蚀变类型.这种蚀变的过程是缓慢进行的，热液在搬运和卸载成矿元素中逐渐富集成矿.在实践中发现，这种热液搬运作用形成的矿床伴随着围岩蚀变作用，这种蚀变的范围要比矿体面积大很多.因此，虽然围岩蚀变不能绝对证明矿床的存在，但是围岩蚀变可以作为找矿的重要标志，大大增加找矿的机会.新疆地区植被不发育，岩石大面积裸露，有利于遥感监测到隐伏矿体.穆龙套金矿为代表的黑色岩系金矿是低温热液作用的黑色岩系金矿，具有明显的铁化、绢云母化、绿泥石化、硅化和弱石墨化.这成为该地区进行铁染和羟基提取的重要地质理论依据［13］.

2.2 波谱前提

第一波段0.47μm、第二波段0.56μm、第三波段0.66μm、第四波段0.83μm、第五波段1.65μm 和第六波段2.21μm为可见光—近红外光谱区中心波长.在反射波谱中，不是每个造岩矿物都有鉴定意义的反射谱带，具有比较明显鉴定意义的是 Fe2+、Fe3+、OH－、CO2－3等离子或离子基团，他们在反射光谱中形成明显的吸收谷.Fe2+的吸收谷分布在1.1～2.4μm 光谱范围内，Fe3+在0.85～0.94μm 谱段有较强的吸收，在0.45μm和0.55μm波长处也有吸收.羟基的吸收谱带主要有 3个:1.4μm、2.2～2.3μm 和 2.3～2.4μm.2.2～2.3μm附近存在强吸收谷，使TM7产生低值，故TM5有相对高值.

3 矿区铁染和羟基蚀变信息提取

3.1 遥感数据预处理

选取 Landsat5卫星数字产品，行列号为 PATH151、ROW32，获取时间为2010年7月.对TM影像进行几何校正、辐射定标和大气校正.其中，由于影像进行了初步处理，无法利用头文件进行辐射定标，通过波段计算，对每一波段进行辐射定标后进行波段叠加，进而进行大气校正.从而有效消除遥感图像中由大气散射引起的辐射误差，提高了图像质量.

3.2 图像裁剪和掩膜处理

输入具体坐标对TM影像进行感兴趣区域裁剪，裁剪出所需要的矿区范围.同时，遥感TM影像中存在水体、阴影、植被和雪的干扰，为了去除这些干扰因素对蚀变信息提取的影响，对这些信息进行掩膜处理［14］.裁剪区域主要存在植被、阴影、植被和雪的干扰.

植被掩膜处理，利用ENVI提供的归一化植被指数(NDVI)提取植被信息，方法增强对植被的响应能力，可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云、阴影和大气条件等有关的辐射度的变化，是较为常用的一种监测植被的遥感指数NDVI=(ETM4－ETM3)/(ETM4+ETM3)［15］.

雪的掩膜处理，利用高端切割的方法去掉雪的干扰，原先存在雪的地区，通过掩膜处理以后value值变为0，降低了对主成分分析的干扰.如图1所示.

图1 未经处理的TM影像和经过掩膜处理的对比图

3.3 主成分分析和密度分割

铁染和羟基蚀变提取应用的方法为主成分分析又称K－L变换，这种方法是对遥感影像信息的压缩和集中，使影像波段信息集中在较少的几个波段中，使各波段信息不具有相关性，也就是说用综合性波段代表原图像.Crosta(克罗斯塔)法就是一种经典主成分分析方法，这种方法通过(TM1、TM3、TM4、TM5)进行主成分分析，在第四主分量上提取铁染异常;通过(TM1、TM4、TM5、TM7)主成分分析，在第四主分量上提取羟基和含碳酸根的蚀变异常信息.这种经典的蚀变矿物提取方法，既能够去除波段之间的相关性，又能突出蚀变信息;然而，仍然存在一些伪异常点［16］.

选取TM影像波段1、3、4、5进行主成分分析，进行铁染蚀变提取.主成成分分析特征值计算结果如表1所示，可知，在波段5的一排中，波段3的符号与波段1及4的特征值符号相异，与波段5的相同.因此判断铁染蚀变异常信息在波段5中，即主成分分析的第4分量.

表1 TM影像主成分分析后1、3、4、5特征值分布表

图2 铁染蚀变提取结果图

图3 羟基蚀变提取结果图

利用ENVI的密度分割功能对铁染异常地区蚀变进行分级，利用σ(标准差)的倍数作为等级划分的阀值.3σ、2.5σ和2σ为别作为划分一级、二级和三级蚀变异常的阀值.同时为了突出异常点进行3×3、5×5、5×5窗口滤波处理.经计算，第四主分量的标准差是 0.004334，其倍数分别为0.013002、0.010835和0.008668，作为划分三级异常区的阀值，并且分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ来表示.如图2所示.羟基蚀变提取采用的是TM1、4、5、7四个波段进行主成分分析，对代表羟基和碳酸根离子主成分的判断准则是:TM5系数应与TM7、TM4的特征值符号相反，与TM1系数符号相同.以此原则判断，羟基和碳酸根离子信息包含于波段7第四主成分内.铁染蚀变和羟基蚀变存在于绝大多数成矿岩体中，提取这两种蚀变信息基本可以确定研究区成矿岩石的分布情况.同样用标准差σ作为划分的阀值，进行密度分割渲染，划分出三级羟基异常如图3所示.

表2 TM影像主成分分析后1、4、5、7特征值分布表

4 结论

本文是在总结地质资料的基础上，在南天山成矿地带某金矿区进行蚀变提取.最近几年来，利用遥感TM数据进行的蚀变信息提取技术已经广泛应用在找矿中，并且取得了良好的效果［17］.本文通过遥感影像的大气校正、几何校正的预处理，利用主成分分析和密度分割的方法进行铁染和羟基蚀变提取，并进行三级异常分级.遥感蚀变提取只能是找矿的第一步，为野外地质探勘提供一个详尽的靶区，这仍然需要地质工作者野外详细的地质地图，最终选择出最优的成矿靶区.综合利用各种探矿手段，高效地找到矿藏储量大、品质高的矿藏.

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