湖北恩施白果坝地区铜铅锌多金属矿化遥感蚀变信息提取

吴 龙, 方 臣, 陈 曦

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

随着遥感空间信息处理技术的迅猛发展,空间遥感与地球物理、地球化学相结合的综合找矿已经成为了现代找矿技术的主流方法[1-3]。遥感矿化蚀变信息提取技术是遥感技术应用于地质找矿的核心部分,也是成矿预测能否取得成效的关键因素,同时遥感矿化蚀变信息提取技术在新时代的找矿领域已显示出巨大的潜力。遥感蚀变信息提取技术在方法上不断吸取相邻学科的新成果,如神经网络分类方法、分形分维技术等,来实现遥感矿化蚀变信息自动提取过程[4-10]。本文重点讨论遥感矿化蚀变信息提取在恩施白果坝地区的遥感找矿应用,探索研究区内铜铅锌多金属矿有利成矿区域。

1 研究区地质概述

研究区地处鄂西边陲,属云贵高原东北部的延伸部分,大地构造位置位于扬子陆块扬子碳酸盐台地构造区和川中(鄂西)前陆盆地构造区。在地史演化过程中主要经历了沉积盖层发展和陆缘活化两个阶段。首先在燕山早期形成了白果坝背斜的基本构造样式,为区域构造初步定型阶段,其中白果坝背斜南东翼岩层直立,北西翼发育大量层间寄生褶皱、膝折构造,在褶皱形成过程中,沿白果坝背斜核部形成了以恩施断裂、茅坝槽断裂为代表的断面倾向北西、走向为北东—北北东向逆断层系。由于断层的强烈逆冲推覆作用,在背斜核部形成一高陡带,局部地段地层发生倒转。接着燕山晚期应力释放调整,形成北西向断裂体系。早期北东—北北东向断裂构造规模大,纵贯整个研究区,它受到后来多次构造运动活化及改造,对铜铅锌多金属矿床的形成有着明显的区域控制作用,矿化主要表现为热液充填逆冲断层中各次级构造、裂隙和开放空间成矿,围岩蚀变较弱,主要为方解石化、硅化等。

1.1 研究区地层

区域地层以寒武系为主,主要有石龙洞组、秦家庙组、娄山关组,其中矿区铜铅锌矿赋存于娄山关组,铅锌矿化层位于娄山关组二段上亚段。铅锌矿化层岩性主要为灰—深灰色中厚层夹块状中细晶白云岩,中细晶结构,中厚层—块状,局部白云岩具轻微硅化,含少量硅质团块,方解石脉非常发育,裂隙较发育,受断裂、褶皱构造作用,岩石破碎强烈,多具角砾岩化。含矿层厚度一般为1～3 m,呈似层状、透镜状沿走向延伸,走向延伸方向品位变化较大。方铅矿及闪锌矿主要以脉状、浸染状赋存于方解石化白云岩、角砾状白云岩及裂隙中。含矿层底板为娄山关组二段上亚段灰—深灰色厚层—块状中细晶白云岩,偶含少量的方解石团块,顶板为娄山关组二段上亚段灰白—浅灰色中厚层硅质团块或硅质条带白云岩。

1.2 主要控矿构造

该区以北东向构造占主导地位,主要的褶皱有白果坝背斜,主要的断裂带有恩施断裂带、茅坝槽断裂带(图1)。矿区以褶皱为主、断裂为辅,主体位于白果坝背斜核部,该背斜轴向北东30°～40°,北西翼岩层倾角陡,倾向310°～325°,倾角24°～25°;南东翼岩层产状平缓,倾向135°～155°,倾角15°～20°,为一不对称的斜歪背斜。矿点位于白果坝背斜核部偏南东,次级断裂较发育,小裂隙发育,裂隙内充填有大量方解石脉,形成较为有利的容矿构造。

图1 恩施白果坝地区构造地质简图Fig.1 Structural geological map of Baiguoba area,Enshi1.第四系;2.白垩系地层;3.侏罗系地层;4.巴东组;5.嘉陵江组;6.大冶组;7.二叠系地层;8.泥盆石炭系地层;9.志留系地层;10.奥陶系地层;11.寒武系地层;12.正断层;13.逆断层;14.平移断层;15.性质不明断层;16.断层编号;17.地名;18.研究区。

2 遥感矿化蚀变信息的提取

在遥感数据处理技术的支持下,操作者首先利用遥感解译手段和遥感数据信息提取技术可以得出研究区重要找矿标志,利用提取岩性信息、地质构造信息的方法进行综合地质解译判断,提取蚀变异常信息,然后经过遥感数据一系列处理,最终提取与目标矿床相类似的岩性蚀变信息[11-13]。本次研究遥感异常提取技术统一采用比较成熟的克罗斯塔技术,一次性异常提取,一般以“景”为单位。研究区遥感异常提取对象为羟基(泥化)和铁染(铁化)两种异常。

2.1 异常信息提取方法原理

表1 对岩石矿物反射光谱起主导作用的离子和基团的重要吸收谱带Table 1 Important absorption bands of ions and groups that play a dominant role in reflection spectra of rocks and minerals

其中,铁化和泥化是蚀变信息提取的主要目标。一般认为,铁化(褐铁矿化)具有独特的颜色(褐红色、黄褐色),在波谱曲线上有两个明显的吸收带,第一个吸收带位于0.4～0.5 μm(相当于TMl波段)处,第二个吸收带位于0.8～1.0 μm(相当于TM4波段)处,在0.63～0.69 μm(相当于TM3波段)附近反射相对较高,因此含有Fe3+矿物的岩石,可使其在TM4、TMl及TM2图像上亮度值降低,而使其在TM3图像上相对呈高值[14]。与热液作用有关的泥化蚀变如高岭土化、绿泥石化、绿帘石化、绢云母化、碳酸盐化等在2.08～2.35 μm(相当于TM7波段)附近有一个较强的光谱吸收带(1.55～1.75 μm)。

2.2 方法选择

遥感图像各波段间存在一定的相关性,为了减少相关性对分类的影响,常使用主分量分析法去相关。主分量分析基于变量之间的相互关系,在信息总量守恒的前提下,利用线性变换的方法来实现去相关性。由于所获各主分量之间不相关,故各主分量之间信息没有重复或冗余。主分量分析的这一基本性质在蚀变异常信息提取中被充分利用。TM多波段数据通过PCA所获每一主分量常常代表一定的地质意义,且互不重复,即各主分量的地质意义有其独特性[14-16]。

用TMl、TM4、TM5、TM7等4个波段进行PCA,对代表羟基化物主分量的判断准则是:构成该主分量的本征向量,其TM5系数应与TM7及TM4的系数符号相反,TMl一般与TM5系数符号相同。依据有关地物的波谱特征,羟基信息包含于符合这一判断准则的主分量内,故此主分量可称为羟基异常主分量(表2)。

表2 Landsat ETM数据第 1、4、5、7波段主成分分析特征矩阵Table 2 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,4,5 and 7

通过对研究区羟基主分量进行信息提取(图2),笔者得出了三个异常区域(表3),分布于研究区的中部和西北部,三个异常区主要为三级羟基异常。其中2号和3号异常区局部零星二级异常,总体异常分布较零散,异常展布受北东向构造影响较大,出露的地层主要为娄山关组和秦家庙组,成矿条件较好,建议沿茅坝槽断裂和恩施断裂安排野外路线验证,重点安排槽探和采样工作,1号异常区出露地层主要为三叠系地层,找矿指导性意义较小,不建议安排野外验证。

用TMl、TM3、TM4、TM5等4个波段进行PCA,对代表铁染物主分量的判断准则是:构成该主分量的本征向量,其TM3系数应与TM1及TM4的系数符号相反,TM3一般与TM5系数相同,同理,可将该主分量称之为铁染异常主分量(表4)。

图2 研究区羟基异常提取图Fig.2 Extraction map of hydroxyl anomaly in study area

图3 研究区铁染异常提取图Fig.3 Extraction of iron staining anomaly in the study area

异常编号异常特征找矿意义1主要为三级羟基异常,分布较为分散。1号异常区地层主要为三叠系地层,构造不发育,找矿指导性意义不大,不建议安排野外验证。2主要为三级羟基异常,异常较零散,异常展布受北东向构造影响较大。2号异常区成矿条件相对较好,沿茅坝槽断裂北东向展布,且出露地层为娄山关组和覃家庙组,有一定找矿意义,建议安排野外路线验证,重点安排槽探和采样工作。3主要为三级羟基异常,局部零星二级异常,异常分布较零散,异常展布受北东向构造影响较大。3号异常区成矿条件较好,沿茅坝槽断裂北东向展布,且出露地层为娄山关组,建议安排野外验证,重点安排槽探和采样工作。

表4 Landsat ETM数据第 1、3、4、5波段主成分分析特征矩阵Table 4 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,3,4 and 5

表5 铁染异常蚀变信息提取异常检查推荐表Table 5 Recommendation table for extracting abnormal alteration information of iron dyeing

通过对研究的铁染主分量进行信息提取(图3),笔者得出了四个异常区域(表5),主要分布于研究区的东北和西北部。其中2号和4号异常区为二级铁染异常,出露的地层主要为娄山关组和秦家庙组,异常分布面积小且零散,呈北北东—北东带状分布,与茅坝槽断裂和恩施断裂一致,成矿条件较好,建议重点安排槽探和采样工作。1号和3号异常区为三级铁染异常,其中1号异常区出露地层主要为三叠系地层,3号异常区为人类活动区域,不建议安排野外验证工作。

3 野外验证及分析讨论

2016年项目组分别对沿构造破碎带发育的遥感矿化蚀变信息异常区实施了野外实地考查,对异常进行了查证,同时分析了遥感提取蚀变异常信息和研究区内已知矿点之间的关系,最终成果表明:与羟基蚀变信息有关的矿点有7个,与铁染蚀变信息有关的矿点有4个。结合野外考查验证总体来讲,研究区内硅化蚀变异常和羟基蚀变异常是找矿的有利标志。

图4 恩施白果坝地区铜铅锌多金属矿野外验证照片Fig.4 Field verification photos of copper,lead and zinc polymetallic mines in Baiguoba area,EnshiA.铅锌矿;B.铅锌矿;C.硅质团块;D.矿洞;E.断层带。

白果坝铜铅锌矿化主要分布于北东向、北北东向断裂的周围,整个区域铁染蚀变异常发育规模较小,主要出现在白果坝背斜核部,表现为铁染三级蚀变异常,局部见二级异常,其他区域基本没有发育。羟基蚀变异常发育规模相对大一些,分别集中在白果坝背斜核部及西南翼,整个白果坝地区铜铅锌矿区表现出羟基蚀变异常和铁染蚀变异常套合较好。结合野外验证,铅锌含矿层位主要位于娄山关组二段上部细晶白云岩中,岩石常具硅化,含少量硅质团块(图4),方解石脉非常发育,裂隙较发育,并充填有大量方解石脉。铅锌等硫化物矿石常充填于岩石裂隙、节理中。在北东向断裂发育部位,铅锌矿常顺断裂裂隙及断裂角砾岩充填形成。

总体来讲,白果坝铜铅锌多金属矿的产出与硅化,以及羟基蚀变异常套合区的边缘上伴随有铁染蚀变异常的出现,笔者推测硅化、羟基和铁染异常的叠合是指示研究区内铜铅锌多金属矿化的主要标志。本次工作取得如下成果:一是采用选择基础图像→主成分分析→统计分析→异常提取的方法和流程与野外实际验证取得了良好效果;二是在交通不便、自然地理条件恶劣的地区,利用遥感找矿方法可以迅速高效地圈定蚀变异常分布范围,预测有利成矿区,为常规地质找矿指明方向,可以缩小工区范围,提高找矿工作效率。