戈壁浅覆盖区花岗岩中锂铍伟晶岩的ASTER 遥感识别技术——以新疆镜儿泉地区为例*

姚佛军，徐兴旺，杨建民，吴林楠，耿新霞

（1中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；2中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源研究院重点实验室，北京 100029；3新疆维吾尔自治区有色地质勘查局七〇四队，新疆哈密 839000）

随着对环境的重视，清洁能源的锂电发展迅速，社会发展对锂稀有金属需求量越来越大，而卫星遥感技术是进行稀有金属勘查的一种手段，在稀有金属找矿中具有很好的的效果（金谋顺等，2019；范玉海等，2018a;b；代晶晶等，2017;2018）。在国外，有很多利用遥感技术进行含锂伟晶岩探测的实例，如Perrotta等（2005）在巴西的米纳斯吉拉斯州利用AS‐TER数据对含锂伟晶岩进行了的实验性填图，Mendes等(2017)对不同的矿床中具相似特征含锂矿物的识别进行了方法探索，提出利用相似比拟法可以实现含锂矿物的技术区分；Joana等（2019）通过ASTER数据进行蚀变矿物填图实现了沉积岩中含锂矿物的直接识别，并对技术方法进行了系统综述（Joana et al.,2020）。近年来，国内利用遥感技术进行含锂伟晶岩勘查也取得很多成果，如王记周等（2019）、王辉等（2018）、范玉海等在新疆大红柳滩对含锂伟晶岩进行找矿勘查并对锂资源进行了评价。总的来说，大部分研究的是沉积岩和变质岩中的伟晶岩信息提取，目前主要使用ASTER、LANDSAT以及高分辨率遥感数据，依据其稀有金属矿床相关矿石与围岩的光谱差异进行遥感地质工作，但花岗岩中的伟晶岩脉的遥感识别鲜有研究。究其原因，是因为花岗岩和含锂伟晶岩脉的主要成分为石英，其光谱差异性并不明显，在镜儿泉研究区，从LANDSAT遥感影像、高分辨率的谷歌遥感影像、中国高分系列遥感影像等来看，其特征不明显，需要一种方法增强其差异性，能够显著突出伟晶岩遥感特征的产品，以便适合野外地质填图和勘查工作的实际需要。本文主要是采用ASTER遥感数据，通过增强遥感图像中的差异来增强地质体的岩性差异，并突出含锂伟晶岩的遥感特征，在2019年野外调查中新发现含锂辉石伟晶岩1处。

1 研究区地质地貌概况

研究区位于新疆哈密市东直线距离170 km，行政区划属新疆维吾尔自治区哈密市管辖。由哈密市经G7京新高速及简易公路可直达靶区，交通极为便利。研究区大地构造位置处于准噶尔-吐哈地块觉罗塔格晚古生代沟弧带康古尔海槽东段，区域上位于镜儿泉凸起的挤压带内。区域构造位于黄山-镜儿泉韧性剪切带内，呈北东东走向延伸，长达六百余千米，沿剪切带发育大量中三叠世中酸性岩体（图1）。

研究区出露地层主要为上石炭统干墩组浅变质岩，侵入岩主要有中三叠世早期黑云母花岗岩、中三叠世晚期白云母花岗岩（含矿）。区内伟晶岩脉发育，多沿白云母花岗岩内部节理、裂隙产出，大致分为3组：近东西向裂隙多被花岗伟晶岩脉充填；北东向裂隙除被花岗伟晶岩充填外，且有含锂、铍的伟晶岩脉充填；近南北向裂隙宽度和延伸规模小，有少量花岗伟晶岩脉充填。区内已发现含矿伟晶岩脉4条，具有工业价值的伟晶岩脉2条，1号脉以Li-Be-Nb-Ta矿化为主，2号脉以Be-Nb-Ta矿化为主（图2）。

1号脉长800 m，宽1～36 m。共生结构带由内向外依次为块体石英带（含矿）→长石块体带→石英-锂辉石带→文象伟晶岩带→准文象带→细粒花岗伟晶岩带。目前开采深度约50 m，矿脉倾向北西300°～340°，倾角 50°～70°，平均品位：手选锂辉石为28.01%，w(BeO)为0.29%，w(Ta2O5+Nb2O5)为0.06%。2号矿脉长约300 m，宽1～21 m，东段矿脉狭缩、弯曲剧烈，西段矿脉较为稳定。共生结构带由内向外依次为块体石英体→块体微斜长石带→小块体带（钠长石化）→文象带→中粒准文象带→花岗岩状伟晶岩带→细晶岩状花岗伟晶岩带，平均品位：w(BeO)为0.021%，w(Ta2O5+Nb2O5)为0.012%。

研究区属典型干旱戈壁荒漠景观，微地貌形态为坡度缓、比高小的弧立残山和平坦的荒漠。区内地表风化剥蚀严重，西南和北部的70%岩体被第四系、新近系、风积物覆盖。其中浅薄的第四纪砂土覆盖，给野外实地调查造成困难，很难获得浅覆盖下的伟晶岩脉，而遥感能够一定程度上揭露戈壁浅覆盖下的岩性信息（耿新霞等，2008）。

图1 东天山东部地区大地构造位置简要图Fig.1 Simplified geotectonic location map of eastern Tianshan

图2 镜儿泉矿区地质简图Fig.2 Geological sketch map of the Jingerquan ore district

2 遥感数据处理

遥感找矿或者岩性识别需要根据研究目的选择合适的数据，对于不同的研究目的，高分辨率遥感数据不一定优于中低分辨率数据。本次研究主要是利用遥感来识别花岗岩中的伟晶岩脉体，因其高分辨率遥感数据波段设置不足，识别不明显，故而使用ASTER遥感数据。ASTER遥感数据虽然是中低空间分辨率，但其波段范围宽、光谱分辨率较高，能够携带更多的信息，可以利用其较高的光谱分辨率来增强其光谱差异性。

2.1 遥感数据的优选

稀有金属伟晶岩找矿采用的高分辨率影像真彩色合成的高亮色为伟晶岩（代晶晶等，2017），目前，谷歌地球/奥维图片中已经收录大部分的高分辨率影像，且奥维影像也添加了中国高分系列卫星影像图片，可以借助谷歌地球/奥维的高分辨率影像进行伟晶岩的识别。在本次研究中，笔者利用谷歌地球/奥维的高分辨率影像和2015年09月24日的8波段WorldView-2高分辨率遥感数据，尝试假彩色合成，彩色变换等方法来识别花岗岩中的伟晶岩，实际区分效果有限，伟晶岩脉体并不能在高分辨率遥感影像中被明显区分出来，推测可能是花岗岩中的伟晶岩与围岩花岗岩光谱差异性微弱，难以有效区分（图3a、b）。因此借助中低空间分辨率但具有较高光谱分辨率的ASTER遥感数据进行研究。

2.2 伟晶岩脉的遥感检出限

图3 镜儿泉研究区GoogleEarth影像（a）和WorldView影像（b）注：图3a拍摄于2010年4月25日/2013年9月4日；图3b拍摄于2015年9月24日Fig.3 GoogleEarth image(a)and WorldView image(b)in Jingerquan study areaNote:3a was taken on April 4,2010/September 4,2013,and 3b was taken on September 26,2015

表1 构建模型的模拟地物DN值Table1 DN value of model of simulated objects

采用15 m～30 m中低分辨率ASTER遥感数据识别宽度不到几米的伟晶岩，是许多地质学者存疑的问题。为了解释遥感数据对信息的检出限，利用图像模拟的方法，采用主成分分析（PCA）提取信息的方法说明遥感数据的检出限。建四维图象（2550×2000×4），分割为（1275×1000×4）4个子图，依图4左上、右上、左下、右下的次序输入花岗岩、伟晶岩、第四系、变质岩的ASTER的1、3、4、6波段数据（表1），并令其按列方向从0到相应波段DN值递变，递变周期为255列。若以（255×1×4）为一个单元，则全图有20000个单元，左上角的蚀变岩有5000个单元，经PCA提取，阈值选用3σ（σ为标准离差），得出蚀变岩占5000/20000即1/4时的PCA结果。然后对蚀变岩区依次用普通岩取代，蚀变岩区分别保留500个单元（1275×100×4）、10个单元（1275×2×4）。对每一次改变都进行了PCA，阈值取3σ。阈值的确定以不出现干扰（即花岗岩、第四系和变质岩无异常）为原则，当阈值降低出现干扰时，意味着来蚀变岩的信息已减弱，以致淹没于干扰中。将3次PCA检出限模型实验结果列入表2，检出限模型实验结果以图4右展示。左为检出限模型及其第一次PCA结果的全貌，右为PCA结果的局部窗口放大图。从最后一次实验来看，蚀变岩仅剩下10单元，即（1275×2×4），此时仍获得了蚀变异常，10个单元仅占全图面的两千分之一（10/20000），因此，根据检出限模型实验结果，花岗岩中伟晶岩检出限优于两千分之一。也就是说在面积为两万平方千米的图幅上，只要蚀变岩（有强有弱）的总面积不小于10平方千米，其信息就能被遥感检出。

笔者根据以上模拟结果：只有优于10/20000的信息就可以检出。再构建一个2个波段的30 m分辨率512×512像素的遥感模型，用以模拟伟晶岩脉体在围岩中的微弱信息，第1个波段按列方向输入从0到139的DN值递变数据，递变周期为512列，第二波段模拟南北向长条状伟晶岩，分辨率输入1个像素的值，Y分辨率逐渐减少，分别200个像素、150个像素、100个像素、50个像素、40个像素、30个像素、29个像素、28个像素等，当长度缩小到27个像素时，就无法解译出来，因此，实际上只要南北向分辨率达到二十几个像素即可分别出来（图5）。

当然，作为实验模型，条件被大大简化了，实际地质情况十分复杂，岩性变化万千；但该检出限模型实验结果也具有一定参考意义。至少说明利用中低分辨率遥感数据可以识别一定长度的伟晶岩脉体，为中低分辨率蚀变小脉体提供支撑。

2.3 微弱信号增强处理

虽然花岗岩和伟晶岩标准光谱（USGS）或者ASD等便携式光谱测试仪测试的光谱特征具有一定的差异，但因其主要成分为石英，在15～30 m空间分辨率，且在仅有几个波段的ASTER遥感数据中，差异性不明显，信号微弱，为了适合地质人员有效的利用遥感影像，需要对影像进行处理，获得易于地质人员野外实际工作的图像。本次工作采用2000年06月10日获取的ASTER遥感数据，图中切除ASTER图像中的镜儿泉花岗岩岩体影像（图6a），图6b为AB的光谱剖面。对AST6-AST3，AST6-AST1两对波段做散点图（图6c、d），根据花岗岩中伟晶岩脉的影像和散点图对应关系，可以看出，图6a影像图中红色是圈出的伟晶岩脉，相应的图6c和6d为波段散点图，图6c和6d中的黑框为对应图6a影像图中圈出的伟晶岩脉。从图6b中1、2、3点位对应的伟晶岩脉其光谱特征与花岗岩的光谱特征差异性非常好小，最小的仅仅差别几个像素的差别（图6a、b中的剖面2与周围的特征差别）。这种差异性非常小，难以解译。

再根据散点图（图6c、d）其花岗岩中伟晶岩脉体对应散点图中的内部部分，这就难以利用主成分分析或者比值法的信息提取的方法提取出相应的信息，因为主成分分析提取信息是坐标平移和旋转获取正交变换后的信息，切割出的也是外部信息，对于如图的内部信息，采用主成分或者比值法所取得的效果有限，需要结合岩性增强的方法来综合分析。

表2 伟晶岩检出限模拟的实验结果简表Table 2 Results testing detection limit model of pegmatite

图4 伟晶岩检出限模拟结果Fig.4 Detection limit model of pegmatite

图5 伟晶岩脉体识别模拟Fig.5 Recognition model of pegmatite veins

图6 ASTER遥感影像的光谱剖面与波段散点图a：光谱剖面AB位置；b：光谱剖面图；c：AST6和AST3散点图；d：AST6和AST1散点图Fig.6 Spectral profile and band scatter of ASTER remote sensing imagea:Spectral profile AB position;b:Spectral profile;c:Scatter plot of AST6 and AST3;d:Scatter plot of AST6 and AST1

尽管光谱差异性很小，但仍然可以利用微弱信息增强的方法增强伟晶岩的遥感特征，经过岩性增强，增强其光谱差异性，获取了易于识别的伟晶岩遥感影像。

首先，遥感图像经过准归一化处理后，DN值域分布在0≤rk≤255范围内。对[0，255]区间内的任一个rk值进行如下变换：

当灰度级是离散值的时候，可用频数近似代替概率值，即：

式中，L是灰度级数；Pr(rk)是取第k级灰度值的概率；nk是在图像中出现第k级灰度的次数；N是图像中像素数。通常把为得到均匀直方图的图像增强用直方图累积分布函数的离散形式可由式

表示，其反变换为

rk=T-1(Sk)

变换后的图像为岩性增强的图像，其中伟晶岩脉体为图7中天蓝色脉体清楚的显示出来，可提供给地质人员供填图使用（图7）。

3 遥感识别结果的查证与新发现

图7 ASTER原始遥感影像图（a）与岩性增强影像对比图(b)Fig.7 Comparison between ASTER original image(a)and RSLE image(b)

根据岩性识别的图像结果，共识别了4条近东西向的脉体，Wy1、Wy2、Wy3、Wy4、Wy5、Wy6和Wy7，其中Wy1为北侧的伟晶岩脉，此脉体圈定靶区，Wy4为1号脉体和2号脉体所在的伟晶岩脉，并且延伸到第四系处，被第四纪砂土浅覆盖，在此处野外查证后发现伟晶岩脉探槽，Wy6为花岗岩中的伟晶岩脉，Wy7为花岗岩体南侧的伟晶岩脉。再结合ASTER遥感数据提取的蚀变异常信息，识别遥感找矿标志，综合分析在本区域圈定了找矿靶区若干处，其中一个找矿靶区进行野外验证（图8），发现锂辉石伟晶岩脉一处，该伟晶岩脉，处于岩体北部，呈东西向分布，地表物理分化强，地表露头的脉体宽1～2 m，长度大于10 m（图8）。

4 结 论

高分辨率遥感识别干旱区裸露区的伟晶岩型稀有金属矿床效果明显，可以借助于高分辨率遥感（可见-近红外）的假彩色合成的图像进行识别，根据伟晶岩光谱特征，一般伟晶岩在可见-近红外波段的假彩色合成影像中显示高亮的色调；由于谷歌地球或者奥维地图中的遥感影像图片具有较高的分辨率，地质人员也可以借助谷歌地球或奥维地图遥感影像图片进行伟晶岩脉体的识别。但诸如镜儿泉研究区，花岗岩中难以区分伟晶岩，需要遥感人员进行一定的技术“解读”，把微弱的光谱差异性增强，适合地质人员野外填图和找矿工作的具有清晰伟晶岩脉体的影像图，这也是专业分工和合作的目的。本文主要取得以下结论：

（1）对于遥感识别地质体，需要模拟来获取准确的参数和合适的方法。模拟的好处在于能把复杂的问题简单化，并且能够“隐藏”干扰信息，对于采用的技术方法提取的信息及信息量能够很好打的模拟。

（2）根据遥感模拟的检出限，ASTER遥感识别一定长度的脉体具有优势，有些脉体宽度虽然不到1个像素，但因其具有一定的长度，能够很好的识别。

（3）遥感的技术优势在于把“隐藏”的信息“显现”出来，通过一定的转化或增强，把相对于高分辨率遥感“隐藏”的伟晶岩脉体信息显示输出，供地质填图和找矿使用。

（4）在戈壁荒漠景观区，第四纪砂土的浅覆盖下的伟晶岩脉可以识别出来。

致 谢研究过程中得到了中国地质科学院矿产资源研究所王登红研究员、新疆有色地质勘查局704队三金柱教授级高工和新疆有色地质勘查局郭旭吉教授级高工的指导。