ASTER遥感影像与航磁梯度数据综合应用

贾伟洁 ,郭 华,2,李 迁

1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083 2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083



ASTER遥感影像与航磁梯度数据综合应用

贾伟洁1,郭 华1,2,李 迁1

1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083 2.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083

以中国北部某地区为研究区域，通过研究区典型矿物与典型地物波谱分析，利用主成分分析与波段比值方法，对ASTER数据的蚀变信息进行提取，获取地表蚀变信息。同时根据实际飞行测量所得的航磁梯度数据解译梯度异常，获取地表以下的岩性构造信息，并圈定航磁梯度找矿远景区。最后，利用这两种数据优势，建立遥感和航磁梯度综合远景区判断依据，划分出研究区一级综合远景区3处，二级综合远景区3处，三级综合远景区2处，并进行实地踏勘。结果表明，遥感与物探方法的结合，可以提高地质勘查的准确度与效率。

ASTER；波谱分析；蚀变信息；航磁梯度异常；综合远景区

0 引言

20世纪90年代以来，随着我国社会与经济的发展以及信息科学技术的革命性变革，我国地质勘查找矿技术与手段发生了根本性变化，从人工野外地质勘查进入现代信息化找矿新阶段。地球物理、地球化学与遥感等新技术与新方法不断涌现与成熟，为地质勘查与成矿预测提供了丰富的资料。综合应用海量地球物理、遥感、地球化学等数据进行信息提取与信息综合，已成为地质勘查找矿研究的热点。

利用多光谱遥感影像进行蚀变提取可以识别矿化蚀变弱信息。经过十几年的发展，成熟的多光谱、高光谱蚀变提取与矿物填图方法在全国得到了推广和应用，并且在矿产资源潜力评价项目中发挥了重要作用。但是遥感影像所提取的信息局限于地表，对深层地质问题解释并无明显优势。而利用航空物探数据则可以通过一些技术手段对地下深部异常体开展从定性到定量的解释分析。航磁梯度测量是航磁测量的一个进化阶段，具有对磁场水平方向和垂直方向弱小变化反映能力强、不受日变影响、压制背景场、突出磁异常地质体边界等优点，在矿产资源勘查以及军事探测等方面具有重要的应用价值。在国家高技术研究发展计划(“863”计划)支持下，中国国土资源航空物探遥感中心成功研制出具有完全自主知识产权的AGS-863航磁全轴梯度测量系统，使我国由单一航磁测量进入多参量测量阶段，实现了历史性跨越[1]。近几年来，许多专家学者在多种数据综合进行地质勘探方法研究方面做出努力。吴德文等[2]进行了基于多元数据分析的遥感矿化蚀变信息提取模型研究，建立的比值组合线性回归模型较之单一的比值方法有更好的应用效果；潘军[3]2005年在他的博士论文中分析了研究区典型矿床遥感蚀变信息与地球化学异常的内在关系，发现了它们在空间上具有良好的对应关系；郭娜等[4]在地质、遥感、化探的GIS叠加综合分析基础上，提出了林周盆地典型火山岩出露区组合找矿技术方法。肖克炎等[5]建立了综合预测模型，对区域成矿情况进行预测。这些研究在对地球化学、遥感地质、基础地质等多元矿致异常信息综合分析的基础上，对区域成矿情况进行了很好的预测，建立了各种综合找矿模型。但是这些研究中有的是基于岩矿石的组分分析和光谱数据数据之间的关系进行，有的是基于遥感信息和地球化学信息之间的对应关系进行，较少涉及地球物理数据的应用，而地球物理信息是地质勘查找矿的重要信息来源。

相较于航磁总场数据，航磁梯度数据具有以下优势：航磁梯度测量可以采集横向梯度、纵向梯度和垂向梯度数据，异常信息丰富，为梯度数据的数据处理方法研究提供理论支持[6]。横向梯度和纵向梯度数据统称为水平梯度数据，利用水平梯度数据对实测的总场进行增强网格化处理研究，所获得的数据相当于在进行原比例尺测量总场时进行了加密测量，获得了更大比例尺的数据，提高了测量精度，也增强了地质解释的可靠性[7]。利用水平梯度或垂向梯度转换成总场，在进行航磁梯度测量时不用进行总场测量，这样可以不用再进行日变的测量工作，大大提高了工作效率。应用实测的梯度数据可用相关方法原理直接计算地质体的边界、埋藏深度和产状，这将大大缩减数据处理工作量。利用总梯度模确定磁性体的边界，可更好地反映地表下磁性体的分布特征获得丰富的异常信息[8]。但是航磁梯度异常地质解释处于初级阶段[9-11]，且尚无利用多种不同来源信息进行综合解译的先例。

在本文中，笔者对研究区ASTER遥感数据进行地表蚀变信息提取，并对航磁梯度数据进行异常分析。利用得到的遥感蚀变矿化信息结合航磁梯度数据异常推断信息进行综合分析，建立两者之间的关系模型，实现地质勘查解释综合推断远景的划分。并进行野外踏勘，对所得结果进行进一步验证，为地质勘查找矿提供新的研究方法与思路。

1 研究区地质背景

研究区位于中朝准地台中部燕山沉降带和山西台隆的结合部位，根据区域构造特征可划分为地槽发展阶段和地台发展阶段。在地槽发展阶段，太古宙为一套巨厚的半砂质、泥质、钙质物的交互堆积。太古宙末期经过五台运动、吕梁运动和阜平运动，阜平群形成各种线型褶皱，轴向一般为东西转为北西。同时有中酸性基性或超基性岩的侵入活动。此后，进入地台发展阶段，接受震旦、寒武、奥陶系碳酸盐的沉积。

图1 研究区地质图Fig.1 Geology map of the study area

研究区西部邻区断裂发育，特别是北西、北北西向的燕山期张性兼扭压性断裂控制了侵入体、矿化、区域蚀变和热变质带的分布，为岩浆活动及矿液的主要通道。与成矿有关的燕山期中酸性侵入体分布于基岩区东北部，向西至大龙华一线，皆为沿北西西向断裂充填的岩株、岩脉，呈断续带状分布。主要岩性为闪长岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、黑云角闪石英闪长岩，部分为花岗斑岩，出露岩体少。岩体的主要围岩为震旦系高于庄组、雾迷山组及铁岭组各种白云岩，寒武系石灰岩及泥质灰岩，奥陶系石灰岩等，其次为泥质岩体。上述围岩具有蚀变带和热变质带。研究区内生矿产的矿点、矿化点及矿化现象的分布与上述条件一致，且在岩体附近多为矽卡岩型矿化带，远离岩体则为热液矿化带。研究区矿产资源丰富，金属矿产以黑色金属铁和有色金属钨为主，其中铁矿分布在研究区西部，钨矿分布于研究区西南部。围岩蚀变除矽卡岩化外，有大理岩化、硅化、绿帘石化、绿泥石化等，沿断裂及裂隙发育。岩浆活动条件较好，地表分布有岩体出露，并且根据区内岩石普遍遭受变质和蚀变情况，深部岩体有可能扩大或相连而造成较广泛的接触带，为成矿提供了有利条件。此外本区有零星出现的有色金属金属量高含量点，具有寻找有色金属矿床的有利条件。这些信息为遥感数据和梯度数据进行综合解释提供了有力的前提和背景信息。研究区地质概况如图1所示。

2 遥感蚀变信息解译

围岩蚀变是热液矿床成矿的重要标志之一。自20世纪70年代以来，国内外学者已经利用多种遥感数据成功提取到遥感蚀变异常信息[12-13]。由于ASTER数据在短波红外波段具有较高的波谱分辨率和空间分辨率，使其对特定蚀变矿物组合的识别更为有效。因此，笔者利用ASTER数据对研究区地表蚀变信息进行提取；选用成像时间相近的两景ASTER数据进行大气校正、几何校正、拼接裁剪预处理操作，得到研究区范围的遥感预处理数据。

由于本研究区地表蚀变除矽卡岩化外，有大理岩化、硅化、绿帘石化、绿泥石化等，沿断裂及裂隙发育，参照美国地质调查局2007年发布的矿物反射波谱库[14]，绘制常见蚀变矿物波谱曲线图(图2a)，直观显示其波谱特征，并将这些曲线按矿物类别重采样到ASTER对应波段，使其波形分析更加方便(图2b)。

1.含铁离子类矿物；2.含碳酸根类矿物；3.含羟基类矿物。图2 蚀变岩石中常见矿物的反射波谱曲线(a)以及在ASTER波段采样的均值曲线(b)Fig.2 Reflection spectrum curves of common minerals in the alteration rocks (a) and their ASTER bands sampling average curves (b)

图2反映出蚀变岩石中含有的常见矿物具有独特的反射波谱特征，并在ASTER波段中具有明确的反映。从图2b曲线1中可以看出，含铁离子类矿物对ASTER1、3、7波段具有吸收作用，在对应波段形成明显波谷；曲线2说明含碳酸根离子的矿物在ASTER1、2、3波段的反射率较高，而在ASTER4--8波段总体呈下降趋势，而至ASTER9波段反射率忽然变大，在ASTER8波段形成一个明显的吸收峰；曲线3说明含羟基离子矿物对ASTER6、8波段的吸收作用，并形成具有双峰特征的曲线。这些曲线特征形成蚀变异常提取的光谱依据。

对进行预处理后的ASTER数据各个波段的亮度值进行归一化处理，然后对研究区在ASTER各波段的典型地物进行统计，绘制研究区典型地物归一化亮度值曲线图(图3)。

由研究区典型地物的波谱信息分析可得，图3中1--3植被曲线在ASTER1、2波段可见光波段亮度值较低，到ASTER3出现强亮度值，这可以作为抑制植被干扰的依据；而水体以及建筑物与蚀变矿物的波谱曲线特征明显不同，故一般不会对蚀变信息提取造成干扰。

根据图2所示的常见矿物波谱及图3反映的研究区常见地物波谱分析，绿泥石、绢云母等含羟基类蚀变矿物在ASTER8波段存在一个明显的吸收谷，而在ASTER7波段与ASTER9波段反射率较高，形成明显的吸收谷V形态，研究区内广泛分布的普通岩石、土壤、植被波谱不存在这种波谱特征；因此，利用ASTER波段比值(ASTER7+ASTER9)/ASTER8可以增强矿物的显示特征。对比值结果进行低通滤波，减少像元噪声、增强相似像元的连通性。同理，利用针铁矿、赤铁矿等含铁离子类蚀变矿物在ASTER1波段存在明显吸收谷、而在ASTER2、3波段反射率较高的波谱特征，利用ASTER波段比值(ASTER2+ASTER3)/ASTER1增强铁离子特征，并利用低通滤波处理结果。同样分析可得，利用ASTER波段比值(ASTER5+ASTER7)/ASTER6可以增强白云石、方解石等含碳酸根类蚀变矿物特征。

1--3.典型植被；4--6.建筑物；7--9.水体。图3 研究区典型地物ASTER波段归一化亮度值曲线Fig. 3 ASTER bands normalized brightness value curve of typical objects in the study area

参照“去干扰异常主分量门限技术”提取方法[13]，根据蚀变矿物的波谱特征，利用主成分分析方法，选取ASTER1、2、3、4波段提取铁离子信息，ASTER1、3、4、5波段提取碳酸根信息，ASTER1、3、4、8波段提取羟基信息。对主成分分析结果特征矩阵进行分析，确定异常所在主分量并将其作为异常特征分量，然后对异常特征分量进行密度分割，提取铁染异常、碳酸根异常和羟基异常。这些异常在遥感图上的表现如图4所示。

对ASTER数据比值和主成分分析所得到的异常信息进行叠加，并结合当地地质构造进行综合分析，进行遥感异常区确定与筛选，得到最终的遥感异常推断区，如图5所示。

由于研究区东部地区第四纪覆盖较多，推断遥感异常集中在裸露条件较好的西部，并且遥感异常对已知矿点有较好的反映。结合研究区地质矿产概况，研究区西北部铜钼矿点位于铁染异常区A1、碳酸根异常区B1和羟基异常区C1交汇处，周围各种遥感异常反映强烈，异常区总体上呈现向北西方向展布的趋势；研究区北中部的变质铁矿化点位于碳酸根异常区B5周围，碳酸根异常反映强烈；最后，在西南部铁染异常区A6，周围有呈北西方向展布的铁染异常，有已知矿点。同时，研究区中部河流两岸铁染异常反映明显(A3区，A4区)，并有碳酸根(C3区)和羟基异常(B3区)分布；北部中间河流两岸散布碳酸根(B2区，B4区)、铁染(A5区)和羟基异常(C2区)。

ASTER遥感蚀变信息的提取对于研究区找矿工作具有一定的指导意义。但是由于遥感数据提取的信息仅限出露于地表蚀变异常，且异常提取结果具有多解性与不确定性，因此需要其他来源数据进行相互佐证。在研究中，前期利用ASTER数据进行遥感异常的提取、圈定遥感异常推断区，为野外地质勘查和地质解译提供前期参考资料。

3 航磁梯度异常解译

根据水平梯度、垂向梯度和相应转换数据反映的异常梯度带、串珠状异常带、异常错移带，不同梯度数据的分界特征，垂向梯度数据正好对应岩体边界的特点，以及会出现的边界南移现象，参考总场数据以及地质资料进行研究区航磁梯度异常提取和岩体边界推断。以航磁梯度反映的构造、岩性分布规律和航磁梯度异常特征为依据，结合研究区地质概况，圈定航磁梯度找矿三级找矿远景区。由图6可见，圈定梯度一级远景区5个、二级远景区2个、三级远景区1个、推断有68个航磁梯度异常点。

研究区西部邻区断裂发育，控制侵入体、矿化、区域蚀变和热变质带的分布，为岩浆活动及矿液的主要通道。与成矿有关的燕山期中酸性侵入体呈断续带状分布其中，在航磁梯度图上表现为点、块状散布正异常，梯度异常点Tz-24，Tz-25，Tz-26，Tz-43，Tz-44，Tz-45，Tz-46推断为隐伏蚀变岩体。由于航磁梯度反映较好，成矿条件具备，研究区西部的TA1，TA2和TA3三个区推断为一级梯度远景区。在研究区中部，航磁梯度图明显表示出一个环形构造，其中心为正异常，周围环绕分布有串珠状环形异常，初步推断为岩浆上拱形成断裂和裂隙、并填充其中、后为第四系覆盖形成的隐伏岩体。这个环状异常与其东部的正异常块体分别推断为一级梯度远景区TA4和TA5。研究区中有梯度异常分布，但是地质成矿条件一般，推断为二级梯度远景区TB1和TB2。在研究区的东部有较弱的航磁梯度异常串珠，推断为三级梯度远景区TC1。

研究中利用航磁梯度在数据处理效率、异常选编以及地质解译等方面优势，对资料进行初步的地质解释，效果突出。但仍需对其处理数据反映的地质矿产特征进行探索，为进一步的地质解释提供更为可靠依据。

图4 遥感图上的铁染 (a)、碳酸根 (b)和羟基(c)异常Fig.4 Iron-stained(a), carbonate ion(b) and hydroxyl (c) anomalies on remote sensing image

图5 研究区遥感异常推断图Fig.5 Remote sensing abnormal inference graph in the study area

Th为水平方向的航磁梯度。图6 航磁梯度推断找矿远景区Fig.6 Promising perspective area graph based on aeromagnetic gradient data

4 综合解释

依据第2节得到的遥感异常推断结果与第3节中得到航磁梯度推断远景区，参考研究区的地质资料，对本地区找矿远景进行综合判断。

综合找矿远景区推断依据：

Ⅰ级综合找矿远景区：有明显的遥感异常和航磁梯度异常，并且两者有着较好的对应关系，地质中的成矿构造和含矿地质体条件良好；

Ⅱ级综合找矿远景区：有明显的遥感异常或航磁梯度异常，可能由于其他原因没有形成明显的对应关系，但是存在较好的成矿地质条件；

Ⅲ级综合找矿远景区：有遥感异常或航磁梯度异常分布，成矿地质条件一般。

图7 研究区遥感与航磁梯度综合解译结果图Fig.7 Integrated interpretation graph based on remote sensing and aeromagnetic gradient in the study area

根据综合远景区的推断依据，判断研究区有8处较为有希望的综合找矿远景区，其中一级综合远景区3处，二级综合远景区3处，三级综合远景区2处(图7)。在一级综合远景区Ⅰ1和Ⅰ3中存在铜钼矿和铁矿已知矿点。研究区的中东部由于较厚的第四纪覆盖层，利用遥感影像没有提取到有效的蚀变信息；但经对航磁梯度数据进行解译，发现了地下岩体的分布情况。根据地质状况，推断有Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3二级远景区。研究区东部和南部推断有三级远景区Ⅲ1、Ⅲ2。

对研究区进行野外踏勘，在研究区中西部河流沿岸附近发现岩石露头。在西北部的遥感铁染异常、羟基异常、碳酸根异常强烈处，航磁梯度也反映为较大块状正异常，为综合远景区Ⅰ1区。在此地区进行实地踏勘发现铜钼矿岩体，岩体上有明显铜绿。通过中东部航磁梯度异常点附近岩心进行地面磁场测量，在二级远景区Ⅱ3区得到全区磁性最大值，说明地下有磁性较强的岩体分布。

5 结论与讨论

笔者基于ASTER遥感蚀变推断信息特征和航磁梯度推断信息特征，提出了综合找矿模型，对研究区进行综合找矿远景区划分，得到了较好的地质勘探找矿效果。

遥感蚀变提取根据矿物所具有独特的反射波谱特征，可以反映地表蚀变矿物的分布，但是同时受到同物异谱、异物同谱现象，以及地表覆盖的干扰，提取的异常具有多解性与模糊性。而梯度数据主要反映的是高频成分，相对于航磁总场异常能反映出更多的信息，对于划定异常体水平边界、地层深部信息有较好的效果；但是梯度数据用于地质解译同样存在多解性的问题。所以遥感与航磁梯度数据的综合模型的建立，可以减少单一数据使用的模糊与多解性性问题，增强地质勘查的精度与可靠性。

由于遥感与航空梯度两种数据在数据采集方式、成像原理与目标表达上存在较大差异，笔者并没有基于两者的数据原理进行分析建立更为精确定量综合解释模型，在未来的研究中将对这个问题进行深入研究。

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Integrated Application of ASTER Remote Sensing Image and Aeromagnetic Gradient Data

Jia Weijie1, Guo Hua1,2,Li Qian1

1.ChinaAeroGeophysicalSurvey&RemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China2.SchoolofGeophysicsandGeoinformationTechnology,ChinaUniversityofGeoscience,Beijing100083,China

Some place in North of China was taken as the study area in this paper.Through the research of typical areas and mineral feature spectrum analysis, by using principal component analysis and band ratio, we extracted surface alterations of ASTER data. At the same time, based on the actual flight data of the aeromagnetic gradient, we interpreted gradient anomaly, achieved deep structure and underground ore body information, and delineated aeromagnetic gradient promising prospective areas. By taking advantage of these two types of data, we built judgment criteria of remote sensing and aeromagnetic gradient information promising prospective areas. Based on this, three first class comprehensive promising prospective areas, three second class comprehensive promising prospective areas, and two third class comprehensive promising prospective areas were delineated. Many field explorations were made. The result proves that our method makes geological survey more quick and accurate.

ASTER; spectrum analysis; alteration information; aeromagnetic gradient abnormal; comprehensive promising perspective area

10.13278/j.cnki.jjuese.201504303.

2014-08-07

中国地质调查局地质大调查项目(12120113099000)

贾伟洁(1985--)，女，工程师，主要从事航空物探与遥感数据处理与方法技术研究，E-mail:sunleaver@gmail.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504303

P627

A

贾伟洁，郭华，李迁. ASTER遥感影像与航磁梯度数据综合应用.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(4):1237-1245.

Jia Weijie, Guo Hua, Li Qian. Integrated Application of ASTER Remote Sensing Image and Aeromagnetic Gradient Data.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1237-1245.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504303.