结合实测光谱的ASTER TIR数据岩性划分与构造样式分析：以新疆阿克苏蓝片岩为例

张 志，管志超，王少军

1.中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院，武汉 430074 2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079 3.中国地质大学(武汉)公共管理学院，武汉 430074

0 引言

遥感对地观测从宏观到微观、从定性到定量逐步提升，在可见光-近红外谱段出现了许多高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的影像数据，在资源勘查、矿物填图、环境污染监测等领域发挥了重大作用。随着ASTER数据的广泛应用，其在岩石矿物提取方面的优势逐渐显现[1]。造岩矿物如长石和石英，在可见光-近红外谱段没有明显的吸收特征[2]，而在热红外范围却具有特征谱带[3]，且在岩石光谱上也可表现出来[4]。因此，利用ASTER TIR热红外可对干旱地区裸露的岩石进行矿物信息提取和岩石地层划分，最终实现区域构造分析的目的。

Christensen等[5]认为热红外遥感能够探测SinOk、SO42-、CO32-、PO43-等原子基团基频振动特征，以此识别硅酸盐(包括不含水造岩矿物)、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氧化物、氢氧化物等矿物，这大大拓宽了遥感矿物识别大类与矿物种属。Ninomiya等[6-7]采用ASTER TIR数据对帕米尔东北缘地区的岩性进行了识别，针对ASTER TIR谱域定义了石英、碳酸盐和硅酸盐等矿物指数，分别识别了石英质沉积岩、碳酸盐类岩石和硅酸盐类岩石，不同的指数图像反映了岩石中不同矿物含量的相对丰度。闫柏琨[8]采用ASTER TIRB12与B13的比值反演了裸露岩石中的SiO2含量，与实际吻合较好。

近年来，根据岩石样品实测光谱结合遥感影像进行岩性划分有了较大发展[9-10]。Rowan等[11]根据实验室各种矿物的发射率光谱曲线，采用ASTER TIR去相关和光谱角分类等方法，对美国加州帕斯山地区进行岩性划分，认为热红外发射率数据完善了光谱反射率的分类，特别是可以很好地对含石英质的岩石进行提取；同样的方法在澳大利亚北领地的一处超基性岩[12]中也得以验证。郑硕等[13]利用岩石样品的光谱特征，根据ASTER SWIR-TIR波段比值组合进行彩色合成，在克拉玛依地区成功地划分出了花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩和碱长花岗岩，证明了TIR对花岗岩有较强的识别能力。

本文在野外调查的基础上采集了相关岩石样品，通过岩石热红外光谱测试和发射光谱曲线分析，选择来自EROS数据中心、由Gillespie[14]温度-发射率分离算法所得的ASTER标准发射率产品数据AST_05，建立适用于阿克苏地区的热红外矿物指数。根据矿物指数划分结果，对阿克苏蓝片岩进行初步解体，获取了不同岩石地层单元的空间分布信息。

1 研究区概况

阿克苏地处塔克拉玛干沙漠西北，属于南天山华力西造山带南缘及塔里木板块西北缘的柯坪断隆内。阿克苏蓝片岩被划为中元古界长城系阿克苏群，其上被震旦系苏盖特布拉克组红色砂岩角度不整合覆盖，如图1所示。前人[15]认为阿克苏群整体呈NE—SW方向分布，长约30 km，宽约10 km，地势起伏不平，海拔1 200～1 800 m。该地区岩石裸露，植被覆盖少。

阿克苏群内部褶皱变形强烈，岩层内部多片理化，形成了蓝片岩、多硅白云母片岩、绿泥石片岩及少量石英岩和变铁质岩等，地质体被10多条NW—SE向辉绿岩脉所切割[16]。张立飞等[15]认为，阿克苏蓝片岩由北向南，岩性大致由变基性火山岩夹基性蓝片岩向长英质蓝片岩变化。在南东向，长英质蓝片岩出露层厚2～3 km不等，白云母片岩地层和变基性火山岩夹基性蓝片岩地层都很薄。北西向，主要是变基性火山岩夹基性蓝片岩地层，其中也有长英质蓝片岩与之互层。所以，阿克苏群变质岩的原岩由长石砂岩、岩屑长石砂岩与基性火山岩不均匀互层夹硅质岩薄层等岩石组成。

据文献[15]修改。图1 阿克苏蓝片岩地质简图Fig.1 Geological sketch of Akesu blueschist

2 岩石样品发射光谱测试及分析

2.1 岩石样品分布及测试概况

野外详细观察了阿克苏蓝片岩地质体及岩墙，采集了21块岩石样品，样品分布如图2所示。室内对样品进行薄片鉴定并利用傅里叶变换热红外光谱仪FTIR进行了热红外光谱测试。

理论上，FTIR镜头入瞳处接收的热红外辐射包括3个部分：第一部分是岩石样品自身的热红外辐射；第二部分是太阳、周边物体、大气的热辐射入射到岩石表面，经岩石表面反射到镜头中的辐射；第三部分是岩石样品与镜头之间大气的辐射。公式如下：

(1)

(2)

图2 阿克苏蓝片岩ASTER假彩色合成影像及样品分布图Fig.2 ASTER false color composite image of Akesu blueschist and sample distribution

2.2 样品发射率曲线分析

阿克苏蓝片岩地区以造岩矿物硅酸盐类变质岩为主，矿物内部Si—O键的不对称伸缩振动导致其最强吸收位置位于热红外8～12 μm处。因此在光谱特征的解释上，许多问题可以归结于造岩矿物的贡献[17]，可用残余辐射谱带特征(restrahlen features, RF)来描述波谱曲线强吸收的位置，如图3所示。野外获取的岩石样品主要为以下3类：白云母石英片岩类(包括白云母石英片岩与二长白云母石英片岩)、绿泥绿帘片岩类(与图1中变基性火山岩夹基性蓝片岩对应)和辉绿岩类(与图1基性岩脉对应)，对这些样品的光谱曲线分析如下。

图3 不同类型样品的实测发射光谱曲线及RF特征位置Fig.3 Emission spectrum curve measured and its RF position of different samples

2.2.1 白云母石英片岩类

主要分布于蓝片岩西北部(图2中样品2、4、7、13)、东南部(样品37)和东北部(样品57)，包括白云母石英片岩和二长白云母石英片岩等长英质岩石类型。实测结果显示：白云母石英片岩类RF位于波长8.55、9.16和9.6 μm处，与石英的RF位置对应，均处于热红外波段的较短波长处[11]，但其RF值的发射率是逐渐降低的，与石英RF值趋势不一致；二长白云母石英片岩与白云母石英片岩曲线形状基本一致，区别在于前者在波长8.55和9.16 μm处RF值的发射率较高，并且波长大于10 μm的曲线上升较慢。野外调查发现：片岩中多硅白云母条带与石英条带呈现出厘米、毫米尺度上的互层，这显示出原岩成分为泥岩与石英砂岩互层的韵律变化，与前人[18]观察近于一致。

2.2.2 绿泥绿帘片岩类

主要分布于蓝片岩西北部(样品8、9、11、12)和东北部(样品59)，其发射率整体较高。根据样品光谱曲线，绿泥绿帘片岩类RF位于波长9.60、10.50和11.66 μm处。主要矿物组成为绿帘石和绿泥石，绿帘石属于岛状硅酸盐，晶体结构中硅氧四面体的对称性低，谱带多，导致硅酸盐矿物RF位置会随着硅氧四面体孤立性的增加，即聚合度的降低，相对石英特征光谱向长波方向移动[19]，测试结果与Lyon等[2]的测试结果类似。绿帘石通常为基性岩浆岩动力变质的常见矿物，绿泥石常见于低级变质岩带中绿片岩相及低温热液蚀变中(绿泥石化)，因此这类岩石与前人研究[15-16]中论述的变基性火山岩对应。

2.2.3 辉绿岩类

主要为NW—SE向岩墙(样品17、42)，实测结果其RF不明显，仅在波长8.30 μm处有一个相对低的发射率，并且在波长9.60 μm处表现了微弱的石英RF。辉绿岩中基性斜长石常蚀变为钠长石、黝帘石、绿帘石和高岭石，辉石常蚀变为绿泥石、角闪石和碳酸盐类矿物，实测显示两者曲线形状相近；辉绿岩缺少绿泥绿帘片岩在波长10.5和11.66 μm处的RF，可作为这两类矿物的划分依据。

3 矿物指数构建及岩性划分

根据采集的阿克苏蓝片岩样品，比较白云母石英片岩、二长白云母石英片岩、辉绿岩和绿泥绿帘石英片岩4种岩石的光谱曲线(图4a)，得到重采样后ASTER TIR光谱曲线(图4b)，并据此结果来建立矿物指数。

3.1 白云母指数(muscovite index)

由图4可知：白云母石英片岩发射波谱曲线RF特征位于ASTER TIR波段B10和B12，且前3个波段(B10--B12)的发射率低于另外3种岩石，B13和B14处的发射率明显高于B10和B12处；而当样品中含有长石时，由二长白云母石英片岩的光谱可知，其RF值在B10和B12有了提高。因此，通过B10、B12、B13、B14这4个波段的比值关系可以指示阿克苏地区岩石中白云母的含量，据此建立适用于阿克苏蓝片岩的白云母指数Im：

Im=(B13·B14)/(B10·B12)。

(3)

式中B10、B12、B13、B14分别为ASTER TIR波段B10、B12、B13、B14的发射率。

对阿克苏ASTER TIR发射率影像进行Im运算，得到白云母指数图(图5)。

白云母指数图对阿克苏蓝片岩中白云母矿物的含量具有很好的指示意义。如图5，由于阿克苏群四周均为第四纪洪积扇，Im值越高即亮度越高，表示岩石中白云母含量越高。变质岩西北边缘部分有一条狭长的亮色条带，表示其存在一套白云母含量较高的岩性层，与野外采样点2和4号所测定的绢云石英千枚岩位置对应。绢云母为白云母的亚种，且绢云母石英千枚岩与白云母石英片岩在本次热红外实测光谱中形状相似，因此被归为白云母石英片岩类。阿克苏群中部颜色较亮，白云母含量较高，在37和57号样品处得到验证，指示该处变质岩原岩更偏向于泥质成因，与前人的研究成果[20]类似。对于7和13号的含长英质的白云母片岩，Im值为1左右，在Im影像中处于中间值，位于图5中亮度居中部分。综上所述，Im与白云母石英片岩类样品一一对应，符合野外岩石样品实测结果。

图4 4种样品的发射光谱曲线图(a)及重采样后发射光谱曲线图(b)Fig.4 Four samples’ emissivity spectral curve (a) and resampled emissivity spectra curve of the samples according to the ASTER TIR (b)

图5 蓝片岩地质体Im影像图Fig.5 Im image of blueschist geological body

3.2 基性指数(basite index)

相比于其他岩石，绿泥绿帘石英片岩发射光谱曲线在波长10.50 μm处突然降低，是一个明显的RF(图4a)，其位置对应于ASTER B13。辉绿岩光谱曲线在B13处虽没有RF，但其整体曲线变化趋势与前者类似，而白云母石英片岩和二长白云母石英片岩发射率是随着B12、B13、B14依次增大；考虑到辉绿岩和绿泥绿帘石英片岩原岩为基性岩，据此建立基性指数Ib(basite index)：

Ib=(B12·B14)/(B13·B13)。

(4)

对阿克苏ASTER TIR发射率影像进行Ib运算，得到岩石基性指数图(图6)。

图6 蓝片岩地质体Ib影像图Fig.6 Ib image of blueschist geological body

由于基性指数可能对植被或含水地物敏感，本文仅讨论影像中阿克苏群内的情况。如图6，Ib值越高即色调亮度越高，指示了该部分基性程度越高。在阿克苏群西北部分可以看见几条NE—SW走向且明暗交替分布的条带，每一条高亮度的条带都指示了一套基性地层，其位置与8、9、11、12和59号采样点对应；样品测试表明均为绿泥绿帘石英片岩，根据此图像可以对北段进行精细的岩性划分。辉绿岩墙在Ib图中亮度较高，呈NW—SE向横切基性地层，17号采样点样品与之对应。部分岩墙样品(42号)在图像上亮度和周边岩层差异不明显，可能是岩墙厚度小于热红外影像的空间分辨率所致。

图5指示了阿克苏群西北边缘和中部可被划分为呈NE—SW向的白云母石英片岩类地层。由图6可知，阿克苏群中西北部分的亮色条带为NE—SW向的多套绿泥绿帘石英片岩类地层，与前人[15-16]变基性火山岩夹基性蓝片岩对应。这两类地层之间，在Ib和Im影像中颜色亮度处于中间部分的地层则多是由斜长石英片岩或者二长白云母石英片岩等组成的长英质片岩，由于缺乏更多野外岩石样品佐证，结合前人[15]剖面资料，暂定为长英质蓝片岩地层。阿克苏南部地区同样也有这样一块区域。辉绿岩脉虽然在Ib中亮度与绿泥绿帘石英片岩一致，但其均呈NW—SE向穿过地质体构造特征明显，因此可以将两者区分开。在蓝片岩地质体南部上覆一套不整合地层，根据野外岩石样品52可知岩性为红色砂岩夹碳酸盐岩，两者不仅在Ib和Im影像中界限明显，且在可见光影像下也容易区分。根据以上分析，得到阿克苏群蓝片岩的精细解译(图7)。

图7 综合利用各种矿物指数的阿克苏蓝片岩区解译图Fig.7 Interpretation map of Akesu blueschist with all kinds ot minerals index

4 构造样式及成因机制探讨

图7显示几条NW—SE向平行的辉绿岩脉呈近似垂直地侵入绿泥绿帘石英片岩中，表明阿克苏蓝片岩受NW—SE方向作用力的强烈挤压，内部出现垂直于地层走向的伸展型张节理，被辉绿岩侵入填充。另外，阿克苏蓝片岩北部呈发散状向南转折，整体形态在平面上呈一个弯钩状的褶皱。图1中各地层均呈NE—SW走向，类似于一套简单的单斜地层，与本文热红外影像划分结果相悖。对于该现象，在Ib图(图6)北东截取了一部分进行局部放大分析。如图8所示：A处近于为褶皱转折部位的转折端，从翼部到转折端，其厚度明显增加，由几套紧密的绿泥绿帘石英片岩地层到与白云母石英片岩互层构成，而东边的翼部则整体减薄、甚至消失，仅在图B和C处可以间或看到绿泥绿帘石英片岩地层呈现透镜体出露。在高分辨率遥感图像(图9)上，更加清晰地呈现了褶皱及其翼部的强烈变形。

Liou等[21]将阿克苏蓝片岩地质体分为南北两个带，北部以变基性片岩为主，而南部以含多硅白云母矿物等长英质片岩为主。由图7可知，阿克苏地质体北部和北东部均有基性(绿泥绿帘石英片岩)地层，在其北部出现了基性地层的不连续性，而在北东部分出现了由于强烈挤压作用而形成的褶皱，表明地质体南部和北部所受NW—SE向的压力大小不同，并且南部压力较北部大。这与黄文涛等[18]根据多硅白云母压力计算结果发现地质体南部受到的压力大于北部类似。

图8 褶皱转折端及两翼Ib影像图Fig.8 Fold hinge and limb in Ib image

图9 绿泥绿帘石英片岩高分辨率影像图像Fig.9 High resolution image of chlorite epidote quartz schist

5 结论

1)本文依据不同岩石在热红外波段范围内具有不同的发射率特征，建立了适用于阿克苏地区岩性划分的指数模型，可为相关研究提供参考。对于阿克苏地区而言，白云母片岩类岩石的发射率在ASTER波段B13和B14处较B10和B12处高，据此建立的白云母指数可以提取含有白云母的岩性；绿泥绿帘片岩类热红外发射率在10.50 μm处有一个明显的RF发射特征，据此建立基性指数提取绿泥绿帘片岩类岩性。

2)根据岩性划分结果，发现阿克苏蓝片岩中轴迹线方向为NE—SW的褶皱构造，填补了前人仅在此处所认识的单斜地层的不足。热红外遥感数据可发现在可见光谱段遥感数据上不明显的地层延伸与空间展布特征，对区域基础地质填调查以及构造分析具有很大的帮助。

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