基于ASTER的浙江诸暨地区金矿蚀变信息提取

朱 骏

(浙江水利水电学院 测绘与市政工程学院，浙江 杭州 310018)

矿产在社会发展和经济建设进程中，是重要的基础资源，它在国家安全和经济中的地位十分重要.目前我国经济正处在高速发展时期，每年各行各业需要消耗很多矿产资源，矿产资源需求的增长和其总量的有限形成了一对矛盾.2010年，天然气，矿物油，Fe，Al，Au，Cu，S，Ni，U，B，K，P，Cr，石棉已无法满足国内需求.未来几年，中国矿产资源的短缺现状将进一步加剧.如果将来矿产资源供应中断，将严重威胁经济，社会和国家安全.居安思危，从长远看，只有资源有保障了，国家才会安全.因此，加强矿产资源勘查力度十分紧迫.摆在相关科研工作者和从业人员面前的一个重要任务，是怎样快速开展矿产资源潜力评价和提高找寻新的矿产地的效率，这其中提高矿产地质勘查的技术水平是关键[1].

当前，矿产资源勘查手段主要有：地球化学、地球物理、传统地质和遥感技术.相比于其它三种矿产勘察手段，遥感技术具有效率高、成本低等特点，能够迅速的划定找矿靶区，为常规找矿方法指明方向，从而使找矿速度大大加快，使矿产资源短缺的现状缓解.自20世纪60年代问世以来，发展矿产资源的遥感勘查技术的重要性被世界各矿业大国所认识.伴随不断发展的遥感技术，各种航空、航天平台上搭载的对地观测的传感器越来越先进，技术参数不断提高和改进，用于生产和科研的遥感数据源选择余地越来越大，多类型、多平台的遥感数据受到普遍应用，并且遥感技术和地质、物化探等勘查技术的协同合作也越发紧密，成为了多技术、多学科互相融合的理想平台.

目前来看，开展相关的遥感构造解译和遥感蚀变信息提取工作，是遥感技术在地质遥感、矿产资源潜力评价项目中的主要应用.其中，遥感蚀变信息提取，凭借计算机技术的优势，实现弱地质信息的自动提取，是遥感在地质工作中比较有特点的一项应用，使遥感技术快速提取成矿信息的特点得以体现.比起传统遥感地质构造解译工作，使遥感找矿效率高的优势更能展现[1].

遥感蚀变信息，即指从遥感数据中提取的、和成矿围岩蚀变矿物可能相关的一种量化遥感找矿信息.作为当前矿产资源潜力评价的基础性参量，它由平面空间连续无缝采集的一定区域内的波谱数据生成的，具有较高采样密度和定位精度，并不受人为因素影响.

五年前，浙江省国土资源厅以加强矿产勘查，实现找矿重大突破为宗旨，组织实施了“751”地质找矿工程项目，一共设立5个老矿山深部及外围接替资源勘查区和7个重点勘查区[1].本次选择金华罗店-绍兴平水勘查区为对象，在其中的诸暨地区圈定一个区域作为研究区，开展面向实际应用的金矿蚀变信息提取应用研究.通过实际应用，探索在植被干扰区开展相关蚀变信息提取的方法，同时也能进一步推动遥感技术在浙江地质找矿中的应用.

1 研究区概况

1.1 地理交通概况

本次选择浙江诸暨市东南约20 km的璜山、石角和大爽村一带区域为研究区，具体地理位置在北纬29.36°～29.60°，东经120.15°～120.49°之间，面积约618 km2.研究区所处的浙江省绍兴-诸暨地区，有比较丰富的金矿资源，已知的小型金矿床、矿点和矿化点星罗棋布，是浙江省主要的黄金产区之一.在研究区中，比较有名的金矿有：诸暨市璜山金矿，诸暨市齐村金矿，诸暨市庙下畈金矿，东阳市罗山金矿，诸暨市街亭砂金矿.研究区具体地理位置(见图1).

图1 研究区详细地理位置

1.2 研究区地质背景及遥感影像

研究区的地质情况(见图2).选用的研究区ASTER影像数据来自全国矿产资源潜力评价项目，影像的时相为2010年7月27日，Level 1B级产品.经过几何精校正、裁剪和FLAASH大气校正后的研究区ASTER影像(见图3).

2 研究区金矿蚀变信息提取

2.1 金矿蚀变类型

蚀变类型按大类分，主要有羟基类、铁染类和碳酸盐化.在每一大类蚀变中，又包含多种细分的蚀变类型.浙江金矿蚀变类型归纳起来主要有绢云母化、绿泥石化、黄铁矿化和碳酸盐化4类[2].其中，绢云母化和绿泥石化属于羟基类蚀变类型，黄铁矿化属于铁染类蚀变类型.本研究主要针对羟基和铁染两大类蚀变类型，和浙江金矿常见的4种蚀变类型，开展研究区的遥感蚀变提取应用研究.

(1)羟基类

羟基类是对以粘土矿物为特征矿物的蚀变类型的统称，热液矿床形成过程中形成粘土矿物[1]，羟基是粘土矿物的重要组分.

绢云母化是一种十分普遍的中-低温热液蚀变，属于羟基类蚀变类型，较常见于中-酸性岩浆岩和板岩等富铝岩石中.比较少见到绢云母岩单矿物.绢云母化的产生过程中，经常伴有产生黄铁矿和石英，所以可称作绢英岩化，如果黄铁矿含量大于5%时，就称作黄铁绢英岩化.在Au、Pb、Zn、Cu、Mo和Bi等乃至红柱石、萤石、刚玉等矿床中均可见绢云母化现象.尤其是斑岩型Cu、Mo矿床、黄铁矿型Cu矿床与多金属矿床.它一般可以作为寻找中温热液矿床的标志[2].

图2 诸暨研究区地质图

图3 研究区ASTER第432波段假彩色合成影像

绿泥石化是一种常见中-低温热液且重要的蚀变作用，属于羟基类，是找寻金属矿的一类重要标志.中-基性的岩浆岩，部分酸性岩浆岩和某些泥质岩石，是与绿泥石化有关的主要原岩.在围岩蚀变这个过程里，绿泥石主要由硅酸盐矿物(如辉石、黑云母、角闪石等)通过热液交代蚀变形成[1]，这些硅酸盐矿物中富含Mg、Fe.亦可由热液带来Mg、Fe组分和普通的铝硅酸盐矿物混合反应而成.很少单独出现与成矿作用有关的绿泥石化，大多数和别的热液蚀变作用[1]，比方说黄铁矿化、绢云母化、碳酸盐化、硅化、青磐岩化等共生，和它有关的矿产主要有Pb、Zn、Cu、Ag、Au、Sn与黄铁矿等[2].

(2)铁染类

铁染类是指含Fe2+、Fe3+矿物为特征矿物的一类蚀变.Au是亲Fe和亲S元素，一些Fe的氧化物与氢氧化物，它们一般与Au伴生.因此，对于金矿的预测，铁染蚀变有十分重要的意义.

黄铁矿化属于铁染类，在矿化蚀变中，也是重要的一种.它常同金属硫化物矿床相伴生，尤其是与斑岩型Cu矿床、火成岩型Fe矿床、构造破碎带Au矿床等关系密切.在中温热液矿床中，经常可见黄铁矿化与绢云母化共生现象，同时发育非常广泛.黄铁矿化一般可以作为寻找中温热液矿床的标志[1，3].

(3)碳酸盐化

热液和岩浆作用中，碳酸盐化是一种经常见到的蚀变类型.矿床种类中与碳酸盐化有关的不少.按围岩性质和成因来划分，如产在各种属于水成岩的碳酸盐岩石里的Ag、Pb、Zn、Cu、W、Sn、Hg、Sb、Fe、萤石、重晶石和菱镁矿等矿床.另一类是产在超基性-碱性岩中的矿床，比方说稀土、Nb、Ti和Fe等矿床，这些矿床围岩的碳酸盐化很常见，有的甚至形成碳酸岩.第三类是与中-基性、弱酸性岩的碳酸盐化有关的矿床，主要如Cu、Zn、Fe、Pb、U和Au等矿床.碳酸盐矿物种类很多，在交代蚀变岩中所见到的碳酸盐包括Ca、Mg、Fe、Mn等的各种碳酸盐，比方说方解石、白云石、菱铁矿、菱镁矿、锰菱铁矿等[1].

2.2 蚀变信息提取

(1)羟基类蚀变提取

采用PCA法ASTER波段1、3、4、(5+6)/2.0提取研究区的羟基类蚀变信息[4-6].

为了解研究区植被覆盖情况，先进行研究区ASTER影像的植被指数计算，计算结果(见表1).

表1 研究区ASTER影像植被指数(NDVI)统计特征表

从结果可以看出，研究区ASTER影像上的植被覆盖程度中等，且存在云、水体等其它干扰因素.标准偏差0.284 461，说明NDVI值分布相对集中.因此，在进行蚀变提取之前，需对研究区ASTER影像进行植被和其它干扰因素的去除，主要采用掩膜的方法.

以研究区ASTER影像NDVI均值为标准，采用密度分割方法，将NDVI值在0到均值0.657 641之外的像元掩膜去除.即在此范围内的像元，黑色显示，其余白色显示，生成一个掩膜文件(见图4).

图4 研究区ASTER影像植被等干扰掩膜效果

ASTER波段1、3、4、(5+6)/2.0主成分分析提取羟基类蚀变异常，研究区影像经处理后，各分量的特征向量值(见表2).

表2 ASTER波段1、3、4、(5+6)/2.0 PCA特征向量表

可以看出，PC4中ASTER3、(5+6)×0.5与ASTER4的系数符号相反，ASTER4与ASTER1的系数符号相同，符合羟基类蚀变主分量的判断标准，故PC4包含了羟基蚀变信息.将羟基类异常分为三级.然后，通过密度分割，得到各级羟基类异常图.

(2)铁染类蚀变提取

采用PCA法ASTER波段1、2、3、4提取研究区的铁染类蚀变信息[7-11].

ASTER波段1、2、3、4主成分分析提取铁染类蚀变异常，研究区ASTER影像经处理后，各分量的特征向量值(见表3).

表3 ASTER波段1、2、3、4 PCA特征向量表

可以看出，PC4中ASTER1与ASTER2其特征向量具有相反的贡献值且高负载荷，从铁的波谱反射率曲线上来看，Band1对应强吸收谷，Band2对应强反射峰.所以，PC4能增强铁染类蚀变信息.将提取铁染类蚀变信息分为三级.然后，通过密度分割，得到各级异常图.

(3)绢云母化蚀变提取

采用SAM法[12]提取研究区ASTER影像的绢云母化蚀变，使用的参考是图5波谱的3号曲线.

蚀变类型的光谱曲线均取各代表矿物平均波谱曲线得到，并重采样到与ASTER影像波谱分辨率一致，得到的参考光谱曲线(见图5).图中1号曲线为羟基类蚀变ASTER参考光谱；2号曲线为铁染类蚀变ASTER参考光谱；3号曲线为绢云母化蚀变ASTER参考光谱；4号曲线为黄铁矿化蚀变ASTER参考光谱；5号曲线为绿泥石化蚀变ASTER参考光谱；6号曲线为碳酸盐化蚀变ASTER参考光谱.

图5 重采样到ASTER的金矿各蚀变类型参考光谱曲线

阈值分别取0.1、0.15、0.2，得到各阈值下提取的异常图.SAM阈值<0.1的绢云母化异常占像元总数的0.01%，SAM阈值<0.15的绢云母化异常占像元总数的0.24%，SAM阈值<0.2的绢云母化异常占像元总数的1.17%.

(4)黄铁矿化蚀变提取

采用SAM法提取研究区ASTER影像的黄铁矿化蚀变，使用的参考波谱如图5的4号曲线所示.阈值分别取0.1、0.15、0.2，得到各阈值下提取的异常图.SAM阈值<0.1的黄铁矿化异常占像元总数的0.005 4%，SAM阈值<0.15的黄铁矿化异常占像元总数的0.06%，SAM阈值<0.2的黄铁矿化常占像元总数的0.47%.

(5)绿泥石化蚀变提取

采用SAM法提取研究区ASTER影像的绿泥石化蚀变，使用的参考波谱如图5的5号曲线所示.阈值分别取0.1、0.15、0.2，得到各阈值下提取的异常图.SAM阈值<0.1的绿泥石化异常占像元总数的0.000 1%，SAM阈值<0.15的绿泥石化异常占像元总数的0.000 5%，SAM阈值<0.2的绿泥石化常占像元总数的0.009 7%.

(6)碳酸盐化蚀变提取

采用PCA法ASTER波段1、3、4、8提取研究区的碳酸盐化蚀变信息[9].

ASTER波段1、3、4、8主成分分析提取碳酸盐化蚀变，研究区ASTER影像经处理后，各分量的特征向量值(见表4).

表4 ASTER波段1、3、4、8 PCA特征向量表

可以看出，PC4中ASTER4与ASTER8其特征向量具有相反的贡献值且高负载荷，ASTER1与ASTER4的系数符号相同，因此，PC能增强羟基类/碳酸盐化蚀变异常信息.将提取蚀变信息分为三级.然后，通过密度分割，得到各级异常图.

根据提取的研究区6种金矿蚀变信息，配上图名、图例、比例尺、图框、相关地名点等制图要素，编制出一幅浙江省诸暨研究区金矿遥感蚀变异常分布图(见图6).该图采用高斯-克吕格投影，投影平面直角坐标系，比例尺为1 ∶50 000.

图6 浙江省诸暨研究区金矿遥感蚀变异常分布图

3 蚀变信息提取结果分析

3.1 提取蚀变指向性较好

提取的各种蚀变信息，在图上均有集中分布区域，尤其在各金矿点周围，能见到各种蚀变信息不同程度的分布.说明提取的蚀变信息指向性较好(见图7).图7中，从上到下，从左到右各金矿点为：诸暨市璜山金矿，诸暨市齐村金矿，诸暨市街亭砂金矿，诸暨市庙下畈金矿.在诸暨市璜山金矿范围内，各类蚀变信息分布尤为集中明显，近矿点位置黄铁矿化、绢云母化分布更明显，比较符合实际情况[13].

图7 各金矿点周围蚀变信息分布图

3.2 提取假异常较少

通过对浙江省诸暨研究区金矿遥感蚀变异常分布图的观察，各种提取出的蚀变信息中包含的明显假异常比较少，这和提取蚀变信息前，已经做过掩膜去干扰步骤有关.去干扰做的好，能够降低蚀变提取结果出现假异常的概率，增大提取出的蚀变信息的可信度.

3.3 与各种地质信息关系较密切

提取的各种金矿蚀变信息，与构造、断裂带、断层等地质信息关系较密切，尤其在矿点周围(见图8).图8为诸暨市璜山金矿周围蚀变信息和地质构造信息分布情况.黑色线为地壳拼接断裂带或推测性质不明断层，彩色斑块为各种提取出的蚀变信息，红色三角形为璜山金矿的大致位置.从图中可以看出，提取出的蚀变信息多沿断裂、构造破碎带展开分布，并具有优良的分带性，线性构造发育区域，也正是几种蚀变矿物相对集中发育的地方.

图8 诸暨璜山金矿附近蚀变信息与构造信息的关系

3.4 提高了工作效率

本次诸暨研究区金矿遥感蚀变信息提取所用遥感影像数据为ASTER，成本低，且采用具体的提取方法主要为PCA和SAM，都能通过现有成熟遥感软件较为方便的实现，提高了工作效率.

4 结 论

本次应用ASTER遥感影像，在浙江诸暨地区开展了金矿相关蚀变信息提取工作，主要应用主成分分析法和光谱角匹配法来提取各种蚀变信息，采用掩膜的方法来减轻植被干扰对蚀变信息提取的影响.从最后蚀变信息提取的结果来看，提取效果不错.后续研究应用可以采用高光谱Hyperion影像或WorldView-3影像，开展蚀变信息提取工作.也可以尝试应用一些新的提取方法，或改进现有方法，以进一步加强遥感技术在实际地质找矿工作中的作用.

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