DEM 纹理增强在松辽盆地南部控铀断裂识别中的应用

易敏 ,邱骏挺 ,叶发旺 ,王建刚 ,郭强

(1.核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室,北京 100029;2.中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江 嘉兴 314033;3.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点试验室,北京 100029)

松辽盆地是我国东北部一个大型的中、新生代沉积盆地,蕴含有丰富的铀矿资源,已相继发现了钱家店、白兴吐等砂岩型铀矿床和一系列铀矿化点、异常点等[1--3]。近年研究表明,松辽盆地后生改造作用和构造反转对铀矿形成具有重要作用,其中新生代产生的断裂构造为成矿流体的运移、排泄以及深部还原物质的活动提供了有利条件,是十分重要的成矿要素[4]。掌握新生代松辽盆地的断裂构造样式、性质及其组合特征对开展区域性铀成矿预测工作具有积极意义。

遥感已成为地质矿产勘查工作中不可或缺的技术手段,广泛应用于构造解译、岩性识别、地质填图、找矿预测等多个领域[5--12]。应用研究学者已发现综合利用多源数据解译能大大提高遥感解译成果的可信度与准确度[13--15]。本文以松辽盆地为例探讨了一种基于数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的地形纹理增强技术,并用于断裂构造的识别。

1 地质背景

1.1 地层

松辽盆地由基底和盖层沉积两部分构成:基底由一套前寒武世至古生代的变质岩和火成岩组成,上部盖层则主要由中、新生代地层组成,总厚度超过11 000 m,以白垩系最为发育,包含沙河子组、登楼库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组等,厚度超过7 000 m[16--17](图1)。从沙河子组到四方台组,沉积水深先由深变浅再变深最终变浅,其中沙河子组为一套河流、滨浅湖、半深湖--深湖沉积,登楼库组和泉头组主要为洪积、河流、湖泛平原、三角洲沉积,姚家组和嫩江组主要为洪积、河流、三角洲或半深湖--深湖沉积,四方台组主要为浅湖、浅滩和河流沉积。白垩系岩石类型也十分多样,包含了湖相泥岩、页岩、河流相砂岩,冲积扇砾岩等。沉积岩颜色多样,包含了代表氧化环境的红色、紫红色、黄色以及代表还原环境的黑色、灰色等。

图1 松辽盆地南部区域地质简图Fig.1 Regional geology map of the southern Songliao Basin

1.2 构造

松辽盆地以正断层的广泛发育为特征,分两种类型:一种是同沉积的生长断层,另一种是后生断层。这两种正断层组成盆地中最广泛的构造样式——张性断块。生长断层在断裂活动时期影响和控制着上、下盘沉积岩性和厚度的发育,其上、下盘沉积环境可能不同,因而两盘地层不易对比。后生断层与沉积作用无关,通常发生在构造运动短暂的强烈活动期,两盘的地层可以对比。张性断块在平面上可与其他样式相区分。松辽盆地压性构造主要是在白垩纪末—第四纪时期形成。在第四纪时期,大陆边缘出现突发性的弹性收缩,挤压显著,使盆地发育一系列背斜构造带,表现为逆断层和波状褶皱。松辽盆地的剪性构造主要以盆地东部的郯庐断裂带为代表,不仅在宏观上表现为明显的线状特征,而且在剖面上也呈现出花状构造。

2 技术方法

数字高程模型(DEM)是地表形态的数字化模拟,其中蕴含了地学应用分析所必需的地形地貌信息[18]。地表形态是由地球内、外力作用产生,是内外力协同合作的结果,故而DEM较遥感图像而言更能突出地表的地形地貌。因此利用DEM 影像与遥感图像进行纹理分析与解译在理论上可提高解译的可靠性。

DEM 图像DN 值的差值体现为地形的起伏,原始图像的视觉效果相对较差,因此需要对DEM 数据进行处理来改善图像的视觉效果,能更有针对性的提取所需信息。本文采用的影像增强原理就是通过模拟太阳对地照射,进行人为制造阴影,达到增强与突出地形起伏效果的一种信息增强方法。通过对阴影进行建模,计算局部照明度以及像元是否落入阴影内,即通过假想一个太阳(固定光源)的位置,再根据实际地形的变化,计算每个像元的DN 值。

首先对DEM 图像进行3×3卷积操作,计算图像中各个像元沿着行列方向的坡度值,根据两正交方向的坡度值反算出坡度角:

式中:Pd为中心像元坡度角,rad;k为地形调节因子,常量,根据地形的不同设置不同的值;Zx、Zy为中心像元行列方向的坡度值。再通过两个正交方向的坡度值计算中心像元的坡向角P X:

式中:P X为中心像元的坡向角,rad;Z x、Z y为中心像元行列方向的坡度值。最后通过建模公式计算中心像元的DN 值:

式中:DN为模拟生成图像的像元值;θr为假想光源天顶角,rad;P d为像元坡度角,rad;θf为假想光源的象限角,rad;P X为像元坡向角,rad。

3 实验数据与数据处理

本研究使用的数字高程数据为空间分辨率15 m 的ASTER DEM 数据,下载自美国地质调查局EarthExplorer数据服务平台(https:∥earthexplorer.usgs.gov),由105 幅图件镶嵌而成,覆掩了整个松辽盆地及部分盆地周边地区,面积约35×104km2(图2)。

图2 松辽盆地整体数字地形图Fig.2 DEM of the Songliao Basin

利用纹理增强方法,以松辽盆地的数字地形图作为对象,开展阴影模拟,将阴影结果同数字高程结果进行叠合,获得了松辽盆地全盆及周围地区的纹理信息增强图(图3)。

4 地形纹理增强结果的应用

4.1 发现光学遥感不易观察到的断裂

松辽盆地西缘盆山结合带地区的地势变化明显。以乌兰浩特--扎赉特旗--龙江县一带为例,其西部临山,东部则为平原。在遥感数字地形图上可以明显看出,扎赉特旗西部的地势较高(以红色表示高海拔),而东部则较为平缓(以黄绿色表示低海拔)(图4)。地势从西向东平缓过渡,很难看出西部与东部之间有间断的迹象。

通过纹理增强后可以看出,西部地区的纹理特征十分明显,东部地区的纹理特征则相对较弱,这是由于西部地区地势较高,受水流下蚀作用明显,经纹理增强后则更为明显(图5)。与此同时,发现扎赉特旗东部不远处有一条北北东走向的线状构造,以此为界,将西部较强的纹理特征与东部较弱的纹理特征截然分开,且西部呈东西走向的纹理遇该北北东向线状构造后戛然而止,并未向东部继续延伸,说明该线状构造可能为一条断裂构造。

图3 松辽盆地纹理信息增强图Fig.3 Texture enhanced image of Songliao Basin

图4 松辽盆地西缘扎赉特旗附近数字高程图Fig.4 DEM near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

进一步对比遥感影像图后发现,利用纹理增强图解译出的线状构造正好经过一个冲积扇,且冲积扇覆盖处的线状构造特征最弱,此外还发现线状构造经过处,冲积扇的地表形态有明显变化,具体表现为线状构造以西冲积扇弧口紧闭,而线状构造以东冲积扇弧口突然向外扩张(图6)。以上特征说明,利用纹理增强图解译的线状构造很可能是一条断裂构造,其形成时间位于冲积扇形成之前,且很可能为一条同沉积构造,控制了冲积扇的形成。

4.2 确证断裂并推断断裂活动性质

前文介绍了地势差异大的地区纹理特征明显,而地势差异小的地区纹理特征不明显这一常识。该特征同样可以用来确证断裂并推断断裂的活动性质。下述以双辽地区为例进行介绍。

图5 松辽盆地西缘扎赉特旗附近纹理增强解译图Fig.5 Texture enhanced image and geological interpretation near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

图6 松辽盆地西缘扎赉特旗附近遥感地质解译图Fig.6 Remote sensing image and geological interpretation map near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

双辽地区位于松辽盆地的东南隆起区和西南隆起区的交界处,研究区内盖层仅见有嫩江组,以湖相沉积为主,岩性为灰绿色、灰紫色安山玄武岩、安山岩和少许流纹岩以及碎屑岩[19]。从双辽地区的数字地形图上可见,该地区的地形差异较小,整体表现为西南高、东北低,纹理特征极不明显(图7)。经过纹理增强后可见,西南部的纹理特征明显增强,东北部有一小块地区纹理特征也较为明显,但东部地区纹理特征依然不明显(图8)。考虑到纹理特征与地势差异之间的关系,认为西南部的整体地势要高于东部地区。

图7 松辽盆地双辽县附近数字高程图Fig.7 Digital elevation model near Shuangliao County in Songliao Basin

图8 松辽盆地中部双辽县附近纹理增强地质解译图Fig.8 Texture enhanced geological interpretation map near Shuangliao County in central Songliao Basin

值得注意的是,双辽县从遥感影像上看位于一北北西走向的小块体之上(以下简称双辽块体),且从遥感影像上可以明显看出该块体与西部的大块体原为同一块体,原因是该块体的西部边界与西部大块体的东部边界在遥感影像上具有相同的特征,同时根据地质图发现两块体都处于嫩江组,具有相似的地质特征(图9)。两者之间现被一北北西走向的线状构造分割。该线状构造在遥感影像上呈绿色条带状,是河流活动后的产物,但究竟与河流下蚀作用有关还是与断裂活动有关,通过遥感影像无法确定。

直接利用数字地形图判别双辽块体与西部块体之间的相对运动是很困难的,因为两者海拔高度相差不大,数字高程图像上的DN 值差很小而不易被辨识,为了突出这种差异性,需要对原始图像进行处理。从纹理增强图上可见,双辽块体的纹理特征明显弱于西部块体,说明双辽块体地势低而西部块体地势高。而从遥感影像上分析,两者原为同一块体,说明双辽块体相对西部块体发生下降,二者间存在相对运动,分割两者的线状构造应为一断裂构造。考虑到断裂构造两侧的岩性相同,推断该断裂构造为后生断裂构造。

目前,在该构造附近已发现多处铀矿化异常,红色虚线为断裂、两旁的红点为铀矿化点,这很可能是由于该断裂改变了地下水的迁移状态,为含铀含氧水的渗入与循环创造了有利的构造环境(图9)。本例说明,利用纹理增强技术可以间接的识别后生断裂构造,为快速确定区域铀成矿要素提供了新的技术支持。

5 结论

本文以松辽盆地例,建立了基于数字地形的纹理增强方法,并在松辽盆地西部扎赉特旗地区和中部双辽地区开展了试验应用,对同沉积构造和后生构造进行了识别,取得了较好的应用效果,为覆盖区开展遥感地质构造解译工作提供了新的思路,也为松辽盆地铀成矿要素的确定提供了新的技术支持。