北山方山口地区典型蚀变岩矿的光谱特征研究

韩海辉，任广利，张转，高婷，杨敏

(1.国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室,中国地质调查局西安地质调查中心,陕西 西安 710054； 2.长安大学，陕西 西安 710054)

1 引言

利用遥感数据提取蚀变矿物的基础就是熟知不同岩石和矿物的光谱吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化学环境下岩石和矿物的光谱变异特征。自20 世纪70 年代开始，以HUNT 和SALISBURY 为代表的国外学者对地球上各大岩石和矿物的光谱特征进行了研究，发现在可见光-近红外光谱区(0.325～2.5μm)，岩石的吸收光谱是由杂质、包体、蚀变矿物及替代成分产生的，其中造岩矿物中Si、A1、Mg、O 等主要化学成分并不产生具有诊断意义的反射谱带，但次要矿物中所含的Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-等离子或分子基团在电子跃迁和分子振动作用下会在反射谱带中形成特征吸收峰(HUNT G R，1977；HUNT G R et al.，1978；SALISBURY J W et al.，1989；SALISBURY J W et al.，1989) 。

例如，学者已发现铁离子在0.9 μm 处具有吸收特征(ROBERT B S，1981)；绢云母和伊利石矿物中Al-OH 的吸收峰位置与其Al2O3含量呈线性关系(JAMES L P et al.，1993)；白云母中Al-OH 吸收峰在2 217 nm 处，而黑云母中该峰位则转移到2 199 nm处(DUKE E F et al.，2010)。中国学者通过对蒙脱石、明矾石、白云母、高岭土、绿泥石等蚀变矿物在可见光-近红外区间的光谱形态与谱位特征进行量化研究，发现二价铁在1.0 μm 附近吸收谱带强而宽，在0.43 μm、0.45 μm、0.51 μm和0.55 μm处亦产生吸收特征；三价铁在0.70 μm 附近吸收谱带最强(燕守勋等，2003)；含Al-OH 基团的明矾石、绢云母、伊利石等矿物在2.165 μm、2.325 μm 和 2.355 μm处具有较强吸收峰(韩剑，2008)；含Mg-OH 基团的绿泥石、绿帘石、蛇纹石等则在2.125 μm、2.315 μm 和 2.365 μm 处具有强吸收(刘汉湖，2008)；含CO32-离子的方解石、白云石等矿物在1.6～2.5 μm 区间出现5个特征吸收谱带(蒋立军，2011)。

由上可见，利用岩石和矿物的可见光-近红外光谱分析能够有效查明蚀变矿物的吸收特征，而这些特征规律是遥感图像识别蚀变矿物的物理基础，因此十分有必要继续开展岩矿光谱特征的深入分析。笔者所在的研究团队近年利用ASD 对从北山地区采集的不同蚀变岩石标本进行光谱测量时发现，不同岩性的样品中绿泥石、绢云母、碳酸盐等矿物的特征谱带吸收位置存在微小位移和差异，如研究成员已通过分析绿泥石样品的氧化物成分与谱带位置关系，发现2 250 nm 附近的吸收谱带随着FeO+Fe2O3含量的增加而向长波方向偏移(YANG Min et al.，2014)。因此，进一步查明这些蚀变矿物吸收谱带的特征，并分析岩矿实测光谱和影像端元光谱之间相似性及匹配度关系，可以为蚀变矿物的遥感识别和提取提供光谱依据。

甘肃北山方山口地区自20世纪80年代以来相继发现了方山口、明金沟、新老金厂、拾金坡、花牛山等多个金、银、铜、铅锌的矿床(点)，使该区域呈现出金矿床(点)数量多、成矿类型多样、矿化蚀变特征明显的特点。但该区域地质演化历史复杂，地层从太古宇到中生界出露较全，岩性多样，岩浆活动强烈，蚀变类型有硅化、黄铁矿化(褐铁矿化)、绢云母化、铁碳酸盐岩化和青磐岩化等(李文渊等，2006；田争亮等，2001)。那么，这种复杂背景下，不同岩石和矿物的光谱吸收特征有何特点呢？跟遥感影像上对应端元的光谱曲线是否吻合呢？另外，何种采集条件下获取的地面岩矿光谱最具代表性呢？就上述问题，笔者对该试验区内典型岩矿的光谱特征展开研究。首先，利用美国ASD便携式近红外光谱仪，对区内分布的不同岩石和矿物进行光谱曲线测量，并对光谱采集数据进行分析评价；其次，对研究区分布的典型岩矿样品开展光谱特征分析，包括实测光谱特征分析、遥感影像(ASTER和CASI-SASI)光谱特征分析以及两者的相似性分析。

2 地面岩矿光谱数据测量与预处理

本次实验采用的光谱测量仪是美国ASD公司生产的的FieldSpec光谱仪，该仪器拥有光谱范围宽、光谱分辨率高、光谱采样间隔小等优点，其主要技术指标见表1。光谱测量时为了保证数据精确有效，需要对校正白板、探头观测姿态、观测次数、测量对象规格、光照情况等方面进行严格限制，如测量时要求校正白板表面均匀洁净，探头垂直向下，同一样品光谱数据测量曲线不少于10条，样品规格一般为 9 cm×6 cm×3 cm的岩矿捡块样。为方便后续处理，测量的光谱数据均采用ENVI软件支持的Lib格式存储。

表1 FieldSpec的主要技术指标Tab.1 Main technical parameters of FieldSpec

地面光谱测量布线时，将主要沿有通行条件且横切各地质体的方向布设，其中光谱测量点为路线两侧的地质体，尤其是与成矿相关的围岩和蚀变带，采集样品并测量其光谱曲线，同时对采样位置、样品岩性与蚀变现象、样品采集环境做详细记录和拍照。对于试验区内的典型矿床，则要以设置剖面的形式进行系统采样和光谱测量，采集时剖面布置要垂直于矿体的走向，且剖面要贯穿矿体、围岩和蚀变矿物，沿剖面线详细采集不同地质体的光谱曲线；若矿床区域有探槽揭露的矿体，还需要对探槽内的矿体进行光谱测量，用以分析地面蚀变矿物与下伏矿体之间的对应关系。

测量好的地面光谱数据在分析前需要进行数据预处理和混合光谱解算。预处理可通过光谱仪自带ViewSpecPro软件完成，主要包括目标数据选取、反射率转换、噪声去除。其中，目标数据选取指将每个样品的多条测量曲线进行平均，降低数据随机误差，得到样品平均光谱曲线；反射率转换指利用参考白板的辐照度定标参数，将光谱仪实测的目标地物的辐照度数据转换为光谱反射率；噪声去除指采用多项式圆滑，抛物线修正等方法，对反射率曲线进行光滑修正处理，消除系统误差、随机误差和光照误差。

混合光谱解算的目的是判定样品所含的蚀变矿物类型。光谱仪采集的岩石光谱曲线通常是多种矿物光谱曲线综合的结果，因此需要进行混合光谱解算。笔者利用SpecMin Pro Version 3.1软件对样品的光谱进行解算，该软件可以通过对比喷气实验室(JPL)地物标准光谱库辅助判断样品中所含的蚀变矿物。

3 不同条件下获取的地面岩矿光谱特征对比

研究区内虽然地表碎石大多残留原地，但地表风化严重，岩石表层存在不同程度的覆盖物，岩石样品也存在块状与粉末状，部分样品还被沙漠漆包裹，那么这些因素对岩石中特征离子或分子基团的谱带吸收规律是否有干扰呢？如何才能使采集的地面岩矿光谱最具代表性呢？为了解决上述问题，笔者对不同条件下获取的地面岩矿样品进行了光谱特征对比研究。

(1)不同出露条件下同类岩石样品的光谱特征。遥感蚀变矿物提取中面对的一个难点就是地表覆盖物的干扰。那么，在地面岩矿光谱测量时，由地表风化或者河流与风力搬运沉积带来的表层覆盖物对岩石和矿物的光谱会产生何种影响？就此问题，本实验以采集的5种不同覆盖环境下的绿泥石化凝灰质火山熔岩为样本，利用ASD对各样品进行光谱测量，对比分析不同出露环境下相同岩石的光谱特征。这5种样品分别为：取块岩石标本样品、原位露头岩石样品、原地碎石样品、薄土覆盖岩石样品(样品表层土层厚度约1～2 mm)和浮土覆盖岩石样品(样品表层土层厚度超过3 mm)。

图1展示了各样品的光谱曲线，可以发现光谱反射率自浮土覆盖样→薄土覆盖样→原位露头样→标本样→碎石样依次降低。其中浮土覆盖样品反射率与其他几种有明显的区别，且羟基吸收峰不明显；薄土覆盖的岩石样品出现很弱的铝羟基(2.170～2.210 μm)和镁羟基吸收峰(2.300～2.400 μm)；原岩露头样的光谱曲线和标样的光谱曲线在吸收位置和吸收深度上基本一致，铝羟基(2.170～2.210 μm，2.250～2.260 μm)和镁羟基(2.340～2.350 μm)吸收峰表现均明显，反映出清晰的绿帘石蚀变特征和绿泥石双峰蚀变特征；碎石样品的反射率最低，但铝羟基、镁羟基吸收峰表现要好于薄土覆盖样，绿帘石和绿泥石蚀变的吸收位置较易识别，吸收深度也与标本样品的光谱曲线接近。另外，受测量过程中大气水汽的干扰，样品光谱曲线在1.400 μm和1.900 μm附近出现剧烈跳跃现象。

图1 不同覆盖条件下的绿泥石化凝灰质火山熔岩 光谱曲线图Fig.1 Spectral curves of the chlorited-tufflava in different coverage conditions

由上可见，原位露头岩石样品和原地碎石样品的光谱吸收峰位置与吸收深度与取块岩石标本样品的光谱特征最为接近，较易于识别所含的蚀变矿物；薄土覆盖岩石样品在一定程度上也能反应出蚀变矿物的光谱特征，但吸收峰表现较弱；而浮土覆盖岩石样品基本不能反映标本样品的光谱特征。因此，面对研究区这种岩石风化作用强和岩石露头易被风沙覆盖的情况，样品采集与光谱测量时需要选择能有效反映蚀变矿物特征的的岩石样品开展工作。

(2)同一样品在块状与粉末状形态下的光谱特征。同一矿物在不同出露条件下的样品光谱存在较大差异，那么同一岩石样品在块状与粉末状形态下的光谱又有何不同呢？笔者通过岩石破碎作用改变了多个岩石样品的粒径大小，但未改变矿物成分，然后对比不同破碎状态下相同样品的光谱曲线，发现块状岩石和粉末状岩石样品的吸收峰分布特征基本一致(图2)，仅在反射率上略有差别，即粉末样的整体反射率要高于块状样。这个测试结果表明，岩矿的可见光-近红外光谱主要取决于矿物的成分和分子结构，岩石的物理破坏作用不会导致特征谱带的变化。因此，研究区干旱环境下存在的残积原岩碎屑的光谱特征可以代表其下伏原岩的光谱特征。

(3)同一样品新鲜面与沙漠漆面的光谱特征。北山地区地表处露的岩石多发育沙漠漆。所谓沙漠漆，就是戈壁基岩裸露的荒漠区，由于地下水上升，蒸发后常在岩石表面沉淀了一层红棕色氧化铁和黑色氧化锰薄膜，像涂抹了一层油漆，故名沙漠漆，在次生氧化作用下多变成红色。

为了探究沙漠漆对岩石光谱特征的影响，笔者采集了被沙漠漆包裹的石英和次火山岩样品，测量其新鲜面和沙漠漆面的光谱曲线，对比结果(图3)显示新鲜面的光谱反射率比沙漠漆面的反射率整体要高，沙漠漆面的光谱曲线在0.400～0.600 μm谱段内表现出铁离子吸收峰，但在其他谱段内两者的光谱吸收峰位置与深度基本一致。这个结果表明尽管采集样品表明被沙漠漆包裹，但样品还是保留了大部分原岩的光谱特征。

(4)矿体和围岩区域相同蚀变岩石的光谱特征。试验区存在多个典型的金矿床，那么同一矿床区域内，矿体蚀变围岩和矿体外围相同蚀变岩体的光谱特征是否一致呢？本研究从新井金矿床与明水河金矿床分别采集了各自矿体围岩区的蚀变闪长岩和矿体外围区域的蚀变闪长岩，对比其光谱曲线特征。

新井金矿床外围蚀变闪长岩(BSY-010)岩性为灰黑色中-粗粒石英闪长岩，沿岩体节理，裂隙发育钾长石化、绿泥石化和黏土化，地表可见有方解石细脉。其光谱测量结果(图4)显示该样品在2.200 μm附近有Al-OH吸收峰，深度浅、峰形小；2.250 μm处存在一个不明显的Fe-OH吸收峰；2.310～2.360 μm附近为Mg-OH吸收峰，深度不大，峰形较差。根据矿物的吸收特征可以判断，2.200 μm附近的Al-OH吸收峰表现岩体发育黏土化或绢云母化，2.250 μm和2.310～2.360 μm两个吸收峰表现岩体发育绿泥石化，经Specmin软件进行光谱解混计算得出其蚀变矿物主要有绿泥石、伊利石、高岭土等。新井金矿的矿体北侧围岩为钾化和绿帘石化的石英闪长岩(BSY-011-2)，光谱结果显示0.8～1.2 μm 处存在Fe2+离子吸收峰，2.250 μm附近有微弱的Fe-OH吸收峰，2.360 μm附近的吸收峰深度较大，峰形左宽右窄，可能与绿泥石、方解石的混合有关，经Specmin软件计算得出其蚀变矿物主要有绿泥石、黝帘石和方解石。相比而言，矿体围岩区的蚀变闪长岩光谱曲线比较光滑，而外围蚀变闪长岩数据曲线比较粗糙；围岩蚀变区的样品表现为更强烈的褐铁矿化蚀变。

图2 块状样和粉末样的光谱曲线Fig.2 Spectral curves of the of block samples and the powder samples

图3 样品沙漠漆面与新鲜面的光谱曲线Fig.3 Spectral curves of the of the desert varnish surface and the fresh surface

图4 新井金矿外围蚀变闪长岩和矿体蚀变闪长岩光谱曲线Fig.4 Spectral curves of diorite in ore zone and diorite in periphery of Xinjin gold mine

明水河金矿矿体围岩区蚀变闪长岩(WBS010-3)主要有7处吸收峰(图5)：0.600～-0.800 μm和0.800～1.000 μm为铁离子吸收峰，峰形非常平缓，反应出褐铁矿化蚀变；1.429～1.583 μm和1.948 μm附近为水汽的吸收峰；2.212 μm附近有一吸收峰，峰形较弱、深度小，为Al-OH吸收峰；2.250 μm和2.345 μm附近2处吸收峰主要由绿泥石引起。经Specmin软件计算得出其蚀变矿物主要有绿泥石、蒙脱石、黄钾铁矾、绢云母。而外围闪长岩体(WBS010-1，WBS010-4)反射率相对较低，铁离子吸收峰不明显，Al-OH吸收峰较深，经Specmin软件计算得出其蚀变矿物有绿泥石、蒙脱石和白云母。通过比较发现，矿体围岩蚀变区的样品更富含褐铁矿和黄钾铁矾化蚀变特征。

图5 明水河金矿蚀变围岩光谱曲线图Fig.5 Spectral curves of the of Mingshuihe gold mine

4 典型蚀变岩矿的光谱特征分析

4.1 典型蚀变岩矿的实测光谱特征分析

本次研究针对典型蚀变带、矿化带以及与成矿地质体相关的蚀变围岩，采集了大量岩矿样品，并利用ASD光谱仪得到了各岩矿标本从0.350～2.500 μm的连续光谱曲线。为了进一步掌握研究区出露的主要蚀变岩矿样品的光谱特征，笔者挑选出7类典型标本，对其光谱特征进行详细分析。图6为上述7种主要蚀变样品的光谱测量曲线，反映出的光谱特征如下。

蚀变花岗岩光谱曲线(图6A)表现出4个强弱不同的特征吸收谱带。0.6～0.8 μm处的吸收谱带表现出Fe3+离子的特征吸收峰位，中心位置在0.7 μm左右，峰形较浅；0.9～1.1 μm处的吸收谱带表现出较强的Fe2+离子的特征吸收峰位，尤其在1.0 μm 附近产生了强而宽的典型光谱吸收特征。此外，该光谱曲线表现出明显2.2μm处峰形较深的Al-OH强吸收峰和2.355 μm处峰形较浅的Al-OH弱吸收峰。研究区花岗岩为后期印支期侵入体，野外检查中发现花岗岩蚀变处地表见有褐铁矿、绢云母矿物。将实测蚀变花岗岩光谱曲线与USGS光谱库中白云母及褐铁矿光谱曲线进行对比，发现在0.4～1.4 μm内蚀变花岗岩光谱曲线与褐铁矿光谱曲线表现出极高的相似性；在2.1～2.4 μm范围内蚀变花岗岩光谱曲线与白云母光谱曲线表现出极高的相似性，对比结果显示蚀变花岗岩光谱曲线表现出的吸收谱带特征能够与野外检查发现的蚀变矿物相吻合。

蚀变闪长岩光谱曲线上(图6B)，Fe3+离子与Fe2+离子的吸收特征表现较弱，吸收峰不明显，但2.204 μm处存在明显的Al-OH强吸收峰，而2.3～2.4 μm处Mg-OH的吸收峰也很明显(中心位置在2.342 μm处)。另外在2.254 μm处存在一个峰形较浅的Fe-OH吸收峰。野外检查发现闪长岩受后期热液活动影响，在其边部及接触带部位绿泥石化与绿帘石化发育，蚀变区域地表亦可见褐铁矿化、绢云母化。将实测蚀变闪长岩光谱曲线与USGS光谱库中白云母、褐铁矿、绿帘石、绿泥石光谱曲线进行对比，可明显看出蚀变闪长岩光谱曲线上表现出的Fe-OH吸收峰和Mg-OH的吸收峰位与绿帘石光谱曲线中特征吸收峰位一致，进一步验证了绿帘石化蚀变的存在。

蚀变辉长岩光谱曲线上(图6C)， Fe3+离子与Fe2+离子的吸收谱带都不是很明显，但可模糊识别。而在2.254 μm处Fe-OH吸收峰与2.3～2.4 μm处Mg-OH的吸收峰很明显，峰形都较深。此外，2.204 μm处可识别Al-OH吸收峰，但峰形短而浅。野外检查发现辉长岩基本呈岩株或岩脉状产出，在地表接触带主要发育绿泥石与绿帘石化。将蚀变辉长岩光谱曲线与USGS光谱库中已知矿物的光谱曲线对比，发现蚀变辉长岩光谱曲线上表现出的吸收峰位与绿帘石光谱曲线中Mg-OH特征吸收峰位大体一致。

蚀变砂岩光谱曲线(图6D)表现出明显的Fe3+离子与Fe2+离子的特征吸收谱带。0.6～0.8 μm处的吸收谱带为Fe3+离子的特征吸收峰位，峰形较浅；0.9～1.1 μm处的吸收谱强而宽，为典型的Fe2+离子的特征吸收峰位，其中心位置在1.0 μm 附近。野外检查发现砂岩与地表接触带主要发育褐铁矿化，将其蚀变岩体的光谱曲线与USGS光谱库中褐铁矿的光谱曲线对比，发现两者高度相似，进一步验证了蚀变矿物为褐铁矿。

A.蚀变花岗岩光谱:a.白云母;b.蚀变花岗岩;c.褐铁矿;B.蚀变闪长岩光谱:a.白云母;b.绿帘石;c.蚀变闪长岩;d.绿泥石;e.褐铁矿;C.蚀变辉长岩光谱:a.绿帘石;b.绿泥石;c.蚀变辉长岩;d.褐铁矿;D.蚀变大理岩和蚀变砂岩光谱:a.方解石;b.蚀变大理岩;c.蚀变砂岩;d.褐铁矿；E.褐铁矿化石英脉和蚀变破碎带光谱:a.白云母;b.褐铁 矿化石英脉;c.绿泥石;d.蚀变破碎带;e.褐铁矿图6 不同蚀变岩石的光谱曲线Fig.6 Spectral curves of different altered rocks

蚀变大理岩曲线(图6D)表现出3个明显的特征吸收谱带，分别位于2.00 μm附近、2.16 μm附近和2.34 μm附近。其中，2.34 μm处的吸收峰最为明显。将蚀变大理岩岩体的光谱曲线与USGS光谱库中方解石的光谱曲线对比，发现上述3个特征吸收峰位均能与方解石的吸收峰位很好的对应。

野外发现区内石英脉分2类：一类呈宽脉(脉宽>50 cm)产出，延伸远，但蚀变不发育；另一类呈细脉产出(脉宽多<50 cm)，延伸短，产于中酸性岩体中断裂内，两侧围岩蚀变较发育，形成褐铁矿化、孔雀石化、绿泥石化。对褐铁矿化石英脉进行光谱测量(图6E)，显示出弱的0.6～0.8 μm的Fe3+吸收谱带和0.9～1.1 μm的强而宽的Fe2+吸收谱带。此外，经过与USGS光谱库中白云母与绿泥石的光谱曲线对比，判定褐铁矿化石英脉光谱曲线上还存在2个Al-OH吸收峰和一个Mg-OH吸收峰，说明了绢云母、绿泥石、绿帘石等蚀变矿物的存在。

蚀变破碎带光谱测量(图6E)显示其与褐铁矿化石英脉具有相近的光谱特征，均表现有Fe3+、Fe2+吸收谱带及强Al-OH和弱Mg-OH吸收峰，野外观测的蚀变矿物为伊利石、绿泥石、方解石、赤铁矿等。

4.2 典型蚀变岩矿的遥感光谱特征分析

为了与遥感影像上的光谱特征进行对比，上述7种蚀变地质体的实测光谱被分别重采样到ASTER数据和CASI-SASI数据的波谱范围，光谱重采样采用距离加权算法(林红磊等，2016)。同时，从经过大气校正的Aster和CASI-SASI两种遥感影像上也分别采集了7个采样点对应端元上蚀变岩石的光谱曲线。

其中，ASTER数据波谱范围包括了9个波段(1～9波段)，CASI-SASI数据波谱范围包括了116个波段。CASI/SASI数据在0.950～1.050 μm处为重叠波段，由于 SWIR 噪声大于 VNIR，因此通常使用 CASI 数据替代 SASI 数据重叠部分。波段数据替代中会同时去除受到水气吸收(1.400 μm和1.900 μm附近)影响和航拍中低性噪比情况下形成的坏波段。笔者使用的CASI/SASI经处理后最终剩余116个波段(CASI：35个波段；SASI：81个波段)，光谱范围为404～2435 nm。

(1)Aster波谱范围上蚀变岩石的光谱特征。上述7种蚀变地质体的ASD实测光谱特征分析结果表明，研究区存在的蚀变主要与铁氧化物、含Al-OH矿物、含Mg-OH矿物和含CO32-矿物有关，如野外观测到的褐铁矿、绢云母、绿泥石、绿帘石、方解石等。图7A、图7B图为将7种蚀变岩石的实测光谱重采样至ASTERR波谱范围后的光谱曲线，可以看出各蚀变岩石的光谱特征仍较为明显：蚀变大理岩在ASTER 5，8波段处吸收，在ASTER4，6，7波段处反射，对应为含CO32-矿物的光谱吸收特征。蚀变花岗岩在ASTER 3波段处吸收，在ASTER 2，4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 6波段处强吸收对应为含Al-OH矿物的吸收峰位，而8波段的弱吸收峰对应为含Mg-OH矿物。蚀变闪长岩在ASTER 3波段处吸收，在ASTER 2，4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 6，8波段处吸收分别对应为含Al-OH矿物和含Mg-OH矿物。褐铁矿化石英脉在ASTER 3波段处吸收，在ASTER 4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 6，8波段吸收，分别对应为含Al-OH矿物和含Mg-OH矿物的吸收峰位。蚀变破碎带在ASTER 3波段处强吸收，在ASTER 4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 6波段强吸收，ASTER 8波段弱吸收，分别对应为含Al-OH矿物和含Mg-OH矿物的吸收峰位。蚀变辉长岩在ASTER 3波段处吸收，在ASTER 4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 6波段处弱吸收，对应为含Al-OH矿物的吸收峰位；在ASTER 8波段处吸收，ASTER 5波段处反射，对应为含Mg-OH矿物的光谱特征。蚀变砂岩在ASTER 3波段处吸收，在ASTER 4波段处反射，对应为铁氧化物的光谱吸收特征；在ASTER 5，6波段处吸收，对应为含Al-OH矿物的光谱特征；在ASTER 8波段处弱吸收，对应为含Mg-OH矿物的光谱特征。但不足的是，由于ASTER单一波段波谱范围较窄，某些蚀变矿物的吸收谱带未在这些波段范围内，因此这些吸收特征无法反应出来。

图7C、图7D图为在ASTER遥感数据上采集的7种蚀变岩石的光谱曲线，可以看出样品影像端元光谱曲线与样品实测光谱曲线(ASTER波谱范围)所反映的总体规律基本一致，即主要特征峰的吸收位置大致相同，但吸收深度方面两者还是存在一定差异。分析认为一方面影像是在距地几百千米的空中成像，尽管进行了大气校正，但地物光谱曲线仍然会受到大气、水汽、杂质等各种因素的干扰；另一方面由于影像一个像元范围内(15 m×15 m)不可避免的会混入其他物质，其光谱特征也会发生一定变化，但总体来看ASTER遥感影像上某样品的端元光谱曲线还是能够反应出该样品主要的光谱吸收特征，所以试验区内利用ASTER遥感影像提取地面蚀变矿物是可行的。

a.蚀变大理岩；b.蚀变花岗岩；c.蚀变闪长岩；d.褐铁矿化石英 脉；e.蚀变破碎带；f.蚀变辉长岩；g.蚀变砂岩图7 ASTER影像上蚀变岩石的光谱曲线特征Fig.7 Spectral curves in ASTER of different altered rocks

(2)CASI-SASI波谱范围上蚀变岩石的光谱特征。分析表明7种蚀变岩石的光谱吸收特征在ASTER波谱范围上较为明显，那么高光谱CSAI-SASI数据波谱范围内这些特征是否能表现地更精确呢？为此，笔者将7种样品的实测光谱重采样至CSAI-SASI数据波谱范围，另外同样从经过大气校正的CSAI-SASI影像上采集了7种样品的光谱曲线，然后进行对比分析。

图8A、图8B图展示了7种样品实测光谱重采样至CSAI-SASI波谱范围后的光谱曲线，与采样至ASTERR波谱范围的样品光谱曲线相比，前者所反映的波形连续性更强、细节信息更丰富，更重要的是蚀变矿物具有的多个吸收特征谱带有更好的显示；另外，由于CSAI-SASI光谱分辨率高，因此重采样至CSAI-SASI波谱范围的样品光谱曲线与样品实测光谱曲线很接近，这也最大程度地保留了原始曲线的光谱特征。

(图例说明同图7)图8 CASI-SASI影像上蚀变岩石的光谱曲线特征Fig.8 Spectral curves in CASI-SASI of different altered rocks

图8C、图8D图为从CSAI-SASI遥感数据上采集的7种蚀变岩石的光谱曲线，相比样品实测光谱曲线(CSAI-SASI波谱范围)，样品影像端元光谱曲线的圆滑性和连贯性要差一些，噪声也更多，个别波形受干扰也发生了局部变形，分析认为造成大量噪声的主要原因还在于成像仪器在成像过程中受到了大气中水汽和杂质的干扰，后续的定标和大气校正处理只能减少而不能完全消除这种干扰带来的影响。但对样品实测光谱曲线和影像光谱曲线进行包络线消除处理后发现，各样品两种曲线的总体变化规律基本一致，且样品中所含蚀变矿物的吸收谱带位置和吸收深度在两种曲线上的特征表现几乎吻合，表明本次使用的CSAI-SASI遥感数据能够有效反应地物原始光谱曲线的变化特征，这为利用光谱匹配等方法从高光谱影像上识别和判断蚀变矿物提供了客观依据。

4.3 典型蚀变岩矿的光谱相似性分析

光谱相似性测度描述了两光谱曲线间的相似性。常见的相似性测度方法有距离测度、相似性函数和峰匹配，一般向量的相似性函数较距离测度应用更为广泛，如相关系数法(SCM)。相似性函数应满足下面的性质：0 < sim(x,y) ≤ 1，当且仅当x=y时，等号成立；sim(x,y)=sim(y,x)。

相关系数是多元统计学中用来衡量两组变量之间线性密切程度的无量纲指标，取值范围为[-1，1]，分为正相关、不相关和负相关3 类情况。通常将负相关与正相关合并到一起，这时取值范围为[0，1]，值越大相关性越强。当值为1 时，两向量完全相同。相关系数是中心化的夹角余弦，性质与夹角余弦相似，相关系数计算公式(史永刚等，2011)如下所示。

笔者采用相关系数法对7种样品的ASD实测光谱曲线、ASTER数据遥感光谱曲线以及CASI-SASI数据遥感光谱曲线进行相似性计算，并对结果进行了分析。表2为7种蚀变岩石的ASD实测光谱曲线相似性特征矩阵，特征如下。

蚀变大理岩与蚀变辉长岩两者实测光谱曲线的相似性系数不到0.1，表明2个曲线差异很大，呈现不相关；蚀变大理岩与和蚀变破碎带的曲线相似性系数均未超过0.5，表明蚀变大理岩与后两者蚀变岩石在光谱曲线上也较易区分，呈弱正相关；蚀变大理岩与蚀变花岗岩和蚀变砂岩的光谱曲线相似性系数均为0.64左右，呈正相关；而蚀变大理岩和蚀变闪长岩的光谱曲线相似性系数接近0.8，表明2种曲线形态高度相似。

蚀变花岗岩与蚀变闪长岩、蚀变破碎带及蚀变砂岩的光谱曲线都呈现出高度正相关，曲线相似性系数均在0.9左右，因此很难直接从光谱曲线上区分这几种蚀变岩石类型，而蚀变花岗岩与蚀变辉长岩的曲线相似性系数约为0.6，表现为弱的正相关。

蚀变闪长岩除了与蚀变辉长岩表现为弱的正相关外(相似性系数约0.5)，与其他蚀变岩石都呈现出高度正相关(相似性系数超过0.8)；和蚀变破碎带除了与蚀变大理岩表现为弱的正相关外(相似性系数约0.4)，与其他蚀变岩石也都呈现高度正相关(相似性系数超过0.8)。此外，蚀变辉长岩与和蚀变破碎带高度正相关(相似性系数超过0.8)，与其他蚀变岩石呈现弱相关(相似性系数未超过0.6)。以上相似性分析结果表明，若要直接通过实测的光谱曲线判断蚀变岩石的类型存在很大困难。

表3为7种蚀变岩石的ASTER光谱曲线相似性特征矩阵，可以看出蚀变大理岩与其他6类蚀变岩石的光谱曲线相似性系数较低，表现为弱正相关，曲线较易区分；而对于其他蚀变岩石来说，相互之间的光谱曲线相似性系数都超过了0.9，表现为高度正相关。分析认为这是由于ASTER数据的光谱分辨率太低，导致这些蚀变岩石在ASTER数据上的光谱曲线十分接近，因此很难直接通过这些曲线进行岩性识别和分类。

表4为7种蚀变岩石的CASI-SASI光谱曲线相似性特征矩阵，可以发现该结果与ASD实测光谱曲线相似性计算结果的总体趋势基本一致，即蚀变大理岩的曲线较易区分，其他蚀变岩石的曲线高度相似。

表5为7种蚀变岩石的ASD光谱曲线(采样至ASTER波谱范围)和ASTER光谱曲线相似性特征矩阵，表6为7种蚀变岩石的ASD光谱曲线(采样至CASI-SASI波谱范围)和CASI-SASI光谱曲线相似性特征矩阵。从表5中对角线数值可以看出蚀变大理岩、蚀变花岗岩、蚀变破碎带、蚀变砂岩各自的ASD光谱曲线和ASTER光谱曲线呈现高度正相关(相关系数都超过0.76)，蚀变闪长岩和蚀变辉长岩的ASD光谱曲线(采样至ASTER波谱范围)和ASTER光谱曲线的相关性相对较弱，但也表现为正相关；而表6中对角线数值都超过了0.7，表现7种蚀变岩石的ASD光谱曲线和CASI-SASI光谱曲线高度相似。理论上，上述情况下若以ASD实测光谱作为参考数据库，采用光谱相似性区分方法可以识别影像上这7种蚀变岩石，但是从2个表格中其他数据发现，某些蚀变岩石的影像光谱与其他岩石的实测光谱相似度也很高，如蚀变花岗岩的ASTER光谱曲线与和蚀变破碎带的ASD光谱曲线相关性非常高，同样其CASI-SASI光谱曲线也存在这种问题。这种情况下，如果利用遥感影像直接识别和区分蚀变岩石，结果会存在很大误差，而前一小节分析表明不同蚀变矿物在遥感影像上的光谱特征更易区分，因此笔者后续重点研究蚀变矿物的识别和提取，以此辅助判断研究区存在的蚀变岩石类型。

表2 主要蚀变岩石的ASD实测光谱曲线相似性特征矩阵Tab.2 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD spectral

注：63.蚀变大理岩 ；112.蚀变花岗岩；222.蚀变闪长岩；226-2.褐铁矿化石英脉；227.蚀变破碎带；231.蚀变辉长岩；272.蚀变砂岩。

表3 主要蚀变岩石的ASTER光谱曲线相似性特征矩阵Tab.3 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASTER spectral

注：项目编号同表2。

表4 主要蚀变岩石的CASI-SASI实测光谱曲线相似性特征矩阵Tab.4 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from CASI-SASI spectral

注：项目编号同表2。

表5 主要蚀变岩石的ASD和ASTER光谱曲线相似性特征矩阵Tab.5 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD and ASTER spectral

注：项目编号同表2。

表6 主要蚀变岩石的ASD和CASI-SASI实测光谱曲线相似性特征矩阵Tab.6 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD and CASI-SASI spectral

注：项目编号同表2。

5 结论

(1)试验区不同采集环境和样品形态下岩矿的光谱特征存在一定差异，原位露头岩石样品和原地碎石样品与岩石标样在光谱曲线特征上最为接近，而干旱环境下存在的残积原岩碎屑的光谱特征可以代表其下伏原岩的光谱特征，而岩矿的可见光-近红外光谱主要取决于矿物的成分和分子结构，岩石的物理破坏作用不会导致特征谱带的变化。另外光谱分析结果显示矿体围岩蚀变区样品比矿区外围同类型蚀变样品要更富集方解石、绿泥石、伊利石、赤铁矿等矿物，这为在北山成矿带及西北其他地区开展岩矿光谱测量提供了理论依据。

(2)通过分析ASD光谱仪获取的试验区地面岩矿光谱测量数据，快速确定出试验区蚀变岩石中存在含Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-离子或离子基团的蚀变矿物，并有效分析了岩石光谱与岩性的关系，这对遥感蚀变矿物信息的提取起到了指导作用。

(3)光谱分析还发现各蚀变岩石影像端元光谱曲线与其实测光谱曲线所反映的曲线形态和吸收峰位置基本一致，但不同蚀变岩石的光谱曲线相似性很高，因此仅利用遥感影像难以准确识别出蚀变岩石的类别，但利用遥感图像提取含Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-离子或离子基团的蚀变矿物具有较好的可行性。