湖南长城岭-凤凰山地区遥感蚀变信息提取与成矿预测

2021-09-29塔娜鲍甜甜冯一鸣王瑞雪

地质找矿论丛 2021年3期

塔娜，鲍甜甜，冯一鸣，王瑞雪

(昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093)

0 引言

随着遥感技术的不断发展，遥感影像提取矿化蚀变异常信息已经成为地质找矿的重要手段之一[1-3]。在热液成矿过程中，近矿围岩与热液产生化学反应，形成蚀变岩。在遥感影像上表现出与正常岩石不同的光谱特征和图形特征，针对该特征可以对蚀变信息进行提取，为地质工作提供有力的找矿依据[4]。

湖南长城岭-凤凰山地区地处湘南锑铅锌多金属成矿带内，在长城岭“Ф”型构造区具有较好的找矿前景，但对区内围岩蚀变分布信息研究较少。本文将基于Landsat-8遥感数据，采用主成分分析法及比值+主成分分析法，对铁染、羟基和硅化的蚀变异常信息进行提取与分析，在此基础上采用高分辨率Worldview-Ⅱ数据对长城岭北部背首-凤凰山地区进行铁染异常提取、圈定成矿远景区。

1 区域地质背景

长城岭-凤凰山地区位于湖南省郴州市宜章县NE方向，区内为中低山区，地形复杂，植被茂密。其大地构造位置属于赣南-桂东的加里东早期后隆起区与湘桂海西-印支凹陷区之间的过渡带上，资兴向斜与五盖山倒转背斜过渡带的南部[5]。

区内断裂、褶皱发育。断裂以NE向、SN向为主，次为NW及EW向。褶皱主要是五盖山背斜、刘家-平和背斜和旧市-赤石背斜等。区内NE向构造控制了区内的地形地貌，其中的资兴-长城岭断层(F101)是区内重要的导矿构造(图1)。区内地层发育较齐全，震旦系、寒武系、泥盆系、石炭系、侏罗系地层均有出露[6]①。其中，石炭系和泥盆系为重要的含矿层位。区内岩浆岩以酸性-中酸性侵入花岗斑岩最为发育，与矿床成矿关系密切。

图1 长城岭-凤凰山地区区域地质图(据文献①)Fig.1 Regional geological map of Changcheng-Fenghuangshan area1.侏罗系下统；2.石炭系下统岩关阶(孟公坳组)；3.泥盆系上统锡矿山组；4.泥盆系上统佘田桥组；5.泥盆系中统棋梓桥组；6.泥盆系中统跳马涧组；7.寒武系下统；8.震旦系中上统；9.震旦系下统；10.断裂

2 长城岭-凤凰山地区地质概况

长城岭-凤凰山地区南部已知矿床有长城岭铷锑铅锌多金属矿床和背首铅锌矿床，北部凤凰山地区出露铅锌和铁锰矿点。区内已知矿点密布，其中长城岭铷锑铅锌多金属矿床规模较大，开采历史较长。

2.1 地层

长城岭-凤凰山地区地层岩性(图2)为：泥盆系中统棋梓桥组泥质灰岩、白云质灰岩、灰岩；泥盆系上统佘田桥组灰岩、白云质灰岩、白云岩；泥盆系上统锡矿山组灰岩、泥质粉砂细砂岩夹砂页岩；石炭系下统岩关阶(孟公坳组)灰岩、泥灰岩、页岩；侏罗系下统石英砂岩、泥质粉砂岩、砂页岩；第四系残坡积物等[7]。整体地层走向大致呈NE向展布，其中泥盆系中统棋梓桥组为主要的赋矿层位。

图2 长城岭—凤凰山地区地质简图Fig.2 Geological sketch of the Changchengling-Fenghuangshan area1.第四系全新统；2.侏罗系下统；3.下石炭统岩关阶(孟公坳组)第四段；4.下石炭统岩关阶(孟公坳组)第三段；5.下石炭统岩关阶(孟公坳组)第二段；6.下石炭统岩关阶(孟公坳组)第一段；7.泥盆系上统锡矿山组上段；8.泥盆系上统锡矿山组下段；9.泥盆系上统佘田桥组上段；10.泥盆系上统佘田桥组下段；11.泥盆系中统棋梓桥组上段；12.泥盆系中统棋梓桥组下段；13.断裂

2.2 构造

长城岭-凤凰山地区的构造以断裂为主，褶皱为次。区内断裂构造极其发育，以NE向断裂F101—F104为主，次为NW及SN向。F101为长城岭矿区西侧边界，多处为泥盆系中统棋梓桥组与侏罗系的分界线，为区内重要断裂。F102及F103断裂与F101大致平行，均发育破碎带，局部可见硅化及强烈方解石化。F104断裂位于最东侧，发育于泥盆系上统锡矿山组中。由于研究区地处五盖山背斜东翼的南部、刘家-平和背斜的东翼，沿地层总体倾斜方向发育了规模较小且平缓的次级褶皱，局部可见强烈挠曲[8]。

遥感影像显示：在平和-长城岭-凤凰山一带发育一个直径约10 km的环形构造，以F101为代表的NE向断褶带与之叠加，组成“Ф”型样式构造(图3)。凤凰山位于该环形构造的东部。该环形构造内部次级环形构造发育，其中就有背首及凤凰山环形构造。背首环是由弧形沟谷及向心状水系构成的双层式环形构造，凤凰山环则是由放射状水系及环形沟谷构成的单层环形构造。

图3 背首及凤凰山环形构造解译简图(OLI432)Fig.3 line-loop structure interpreted from the Beisgou-Fenghuangshan area

2.3 岩浆岩及围岩蚀变

研究区岩浆活动强烈，岩性主要是酸性-中酸性，以花岗质侵入岩为主。岩浆岩类型有花岗斑岩、石英斑岩、辉绿岩、细晶岩(凤凰山地区)等。区内围岩蚀变强烈，主要有黄铁矿化、铁锰碳酸盐化、硅化、绿泥石化、绿帘石化、白云石化、萤石化等[9]。黄铁矿化及白云石化发育于棋梓桥组中。铁锰碳酸盐化常见于花岗斑岩或石英斑岩中。硅化发育于棋梓桥组和佘田桥组断裂带旁侧。菱铁矿化及铅锌矿化零星分布于蚀变岩中，矿化程度较低。

3 遥感数据源及数据预处理

3.1 遥感数据源

本文所采用的Landsat 8 OLI数据获取时间为2016年3月1日，数据标识LC81230422016061LGN00。Worldview-Ⅱ数据获取时间为2019年4月1日。以上数据均无云，干扰信息较少。

3.2 数据预处理

预处理过程包括辐射定标、FLAASH大气校正、正射校正、几何校正、裁剪与镶嵌、图像融合等。Landsat-8数据下载时已经过专业部门的几何粗校正，Worldview-Ⅱ数据则进行全部预处理步骤。从图4可以看出，虽然Landsat-8数据覆盖了更大的波段范围，但Worldview-Ⅱ影像以其较高的空间分辨率，极大地提高了地物细节的识别能力。

图4 预处理后影像对比Fig.4 Comparison of the pre-processed imagesa.Landsat-8 OLI432；b.Worldview-Ⅱ532

4 Landsat-8蚀变异常信息提取

采用ASD光谱仪对野外采集的蚀变岩样品进行光谱测试，测试波长范围为0.3～2.5 μm，对比蚀变岩样实测光谱与USGS标准波谱库，根据实测光谱特征选择合适波段进行铁染、羟基及硅化蚀变异常信息的提取。

4.1 铁染蚀变信息提取

(1)主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)

铁染蚀变矿物的光谱曲线主要受到铁离子的影响，Fe2+在0.51 μm、0.55 μm、1.1 μm吸收特征较强，Fe3+在0.49 μm、0.7 μm、0.87 μm附近吸收[10]。对野外采集的铁染蚀变岩石(图5)进行光谱测试，发现实测光谱曲线与褐铁矿极为相似，且具有与其他典型铁染蚀变矿物波谱曲线相似的吸收反射带(图6)。铁染蚀变岩实测光谱曲线在0.45～0.58 μm、0.60～0.75 μm、0.82～1.20 μm波谱范围为吸收谷，在0.55～0.61 μm、1.25～1.40 μm、2.02～2.15 μm附近为反射峰。根据实测光谱吸收反射特征，对Landsat-8 OLI 2、3、4、5波段数据进行主成分分析，提取长城岭-凤凰山地区铁染蚀变异常信息。

图5 野外采集铁染蚀变岩石Fig.5 Samples with iron stain collected in field

图6 实测铁染蚀变矿物与典型铁染蚀变矿物波谱对比Fig.6 Pectral comparison of the measured iron stain mineral and the typical ones

表1为OLI 2、3、4、5主成分分析特征向量统计结果。由于铁染蚀变矿物波谱具有在Band 3强吸收，Band 2、4、5均反射的特点，依据Crosta异常所在组分判断原则，OLI 3贡献系数应与OLI 2、4、5符号相反，且根据波谱吸收反射特性，OLI 3应为负值，其余为正。从表1可以看出，PC3的OLI各波段贡献情况满足该要求，因此选择PC3作为铁染异常信息的指示分量。

表1 OLI 2、3、4、5主成分分析特征向量统计结果Table 1 Statistics of eigenvector of principle component analysis of ALI 1, 2, 3, 4, 5

对PC3进行滤波、拉伸、非监督分类和重编码，去除干扰因素产生的蚀变异常后，得到铁染蚀变异常分布图(图7)。从图7a中可以看出，铁染蚀变异常信息主要分布于研究区中部和东部，即长城岭-凤凰山沿线及东侧。铁染蚀变高值异常集中分布在长城岭北部环形山、背首及研究区南东等处。全区铁染蚀变异常具有沿地层走向大致分布，且受环形构造影响的特征。研究区东部高级蚀变异常呈NE向展布，推测受到NE向断裂的控制。在研究区北部，两个环形构造附近，蚀变也具有环形分布的特征。叠加地质信息可以看出(图7b)，已知矿点附近铁染蚀变信息强烈，且长城岭南部矿区出露斑岩及硅化体处蚀变也较为强烈。以上分析表明，采用OLI 2、3、4、5波段进行主成分分析提取的研究区铁染异常具有受断裂及构造控制分布的特征，且提取结果与地质资料吻合情况较好，证实了该方法提取铁染蚀变信息的可行性。

图7 Landsat-8 OLI 2、3、4、5主成分分析铁染蚀变异常图Fig.7 iron stain anomaly map of principle component analysis of Landsat 8 OIL 2, 3, 4, 5a.铁染蚀变异常分布图；b.铁染蚀变异常叠加地质信息图

(2)比值+主成分分析法

比值法是根据蚀变矿物的波谱吸收反射特征，将吸收与反射谱段的反射率进行比值运算，从而增强地物之间对比度，进行蚀变信息提取的方法。比值+主成分分析法即通过将比值法与主成分分析法进行结合，即将主成分分析中的某一个波段用两个特征波段的比值来代替，提取蚀变信息的方法。根据铁染蚀变矿物波谱(图6)特征，选择OLI3与OLI2波段进行比值运算，并将OLI2波段替换为比值波段，再进行主成分分析，提取铁染蚀变信息。

表2为OLI 3/2、3、4、5主成分分析特征向量统计结果。根据比值后的贡献系数应为负值，其余波段不变的原则，选择PC4进行取反，提取铁染蚀变信息。

表2 OLI 3/2、3、4、5主成分分析特征向量统计结果Table 2 Statistics of eigenvector of principle component analysis of OIL 3/2, 3, 4, 5

比值+主成分分析法提取铁染蚀变异常信息相对于单独的主成分分析法具有更好的效果。高值异常更加集中在已知矿点周围(图8a)，与地质信息更加吻合(图8b)。研究区南东部及背首、凤凰山环形构造处蚀变异常的等级得到提高，且在长城岭矿区西侧二三级蚀变异常增多。

图8 Landsat-8 OLI 3/2、3、4、5比值+主成分分析铁染蚀变异常图Fig.8 Iron stain map of principle component analysis of Landsat 8 OLI 3/2, 3, 4, 5a.铁染蚀变异常分布图；b.铁染蚀变异常叠加地质信息图

4.2 羟基蚀变信息提取

(1)主成分分析法

羟基蚀变矿物的光谱曲线主要受到羟基离子影响，羟基离子伸缩振动与晶格振动一般出现在2.1～2.5 μm附近，其中在2.2～2.4 μm处吸收最强，是最典型的吸收带[11]。对野外采集羟基岩石样品(图9)进行光谱测试，发现实测羟基岩样光谱中羟基离子在1.4 μm、1.9 μm、2.2～2.4 μm具有极为明显的吸收特征，与典型含羟基矿物(白云石、方解石、绿泥石、绿帘石等)吸收谱段吻合(图10)。根据野外采集的羟基蚀变的围岩样品所测光谱，羟基类矿物在0.35～0.52 μm、1.4～1.9 μm附近为反射带，在0.84～1.15 μm、2.2～2.4 μm范围内为吸收带，因此选择OLI 2、5、6、7进行波段组合进行主成分分析来提取羟基异常。

图9 野外采集羟基蚀变岩石Fig.9 The altered rock samples with hydroxyl collected from field

图10 实测羟基蚀变矿物与典型羟基蚀变矿物波谱对比Fig.10 Spectral comparison of the measured alteration mineral hydoxyl and the the typical ones

表3为OLI 2、5、6、7主成分分析特征向量统计结果。基于实测羟基矿物波谱0.35～0.52 μm、1.4～1.9 μm附近反射，0.84～1.15 μm、2.2～2.4 μm范围吸收的特点，并根据Crosta异常所在组分判断原则，OLI2、OLI6的贡献系数应与OLI5、OLI7贡献系数符号相反，且OLI2、OLI6符号为正，OLI5、OLI7符号为负。根据主成分分析特征向量统计结果，选择PC3作为羟基蚀变信息的指示分量。

表3 OLI 2、5、6、7主成分分析特征向量统计结果Table 3 Statistics of eigenvector of principle component analysi eigenvector of ALI 2, 5, 6, 7

对PC3进行滤波、拉伸、非监督分类和重编码，得到羟基蚀变异常分布图(图11)。从图11a中可以看出，羟基蚀变信息全区均有不同程度的分布，主要集中在长城岭南部、长城岭北部环形山及凤凰山东北部。羟基蚀变沿NE向断裂展布的特征相对铁染异常稍弱，但环形构造处蚀变依然强烈。蚀变高值区位于长城岭北部环形山脊线处及山体西北，以及长城岭矿区附近。长城岭北部环形山西北侧蚀变异常强烈。经野外验证及与地质资料对比分析(图11b)，发现已知矿点周围提取出较为强烈的羟基蚀变异常信息，且长城岭矿区已知斑岩体、硅化体附近存在大量高值异常，验证了提取结果的准确性。

图11 Landsat-8 OLI 2、5、6、7主成分分析羟基蚀变异常图Fig.11 Hydroxyl distribution map of principle component analysis of Landsat 8 OIL 2. 5, 6, 7a.羟基蚀变异常分布图；b.羟基蚀变异常叠加地质信息图

(2)比值+主成分分析法

根据实测羟基蚀变矿物与典型羟基蚀变矿物波谱对比(图10)特征，选择OLI6与OLI7波段进行比值运算，并替换OLI7波段。根据OLI 2、5、6、6/7主成分分析特征向量统计结果(表4)，各波段的贡献系数符号依次应为正负正负，因此选择PC3作为提取羟基异常的主分量。

表4 OLI 2、5、6、6/7主成分分析特征向量统计结果Table 4 Statistics of eigenvector of principle component analysis of OIL 2. 5, 6, 6/7

比值+主成分分析法提取的羟基异常结果如图12所示，与主成分分析法提取的羟基异常结果图11相比，整体蚀变提取结果与图11相似，已知矿体及地质资料仍与该方法所提取的异常信息吻合。但图12中已知矿体周围及环形构造处高值异常减少，长城岭矿区西部异常等级降低，长城岭南东部高值异常增多。

图12 Landsat-8 OLI 2、5、6、6/7比值+主成分分析羟基蚀变异常图Fig.12 Hydroxyl anomaly map of ratio+principle component analysis of LandsatIL OLI 2, 5, 6, 6/7a.羟基蚀变异常分布图；b.羟基蚀变异常叠加地质信息图

4.3 硅化蚀变信息提取

长城岭-凤凰山区域地层岩性多为泥盆系灰岩、白云质灰岩、白云岩等，地表出露许多花岗斑岩体及硅化体。区内硅化蚀变分布较为广泛，主要发育在泥盆系棋梓桥组和佘田桥组中。实地调查发现，区内岩石中石英、长石含量较高，且部分岩石中石英、长石等硅质颗粒含量占比达50%以上。区内花岗斑岩体富硅、铝、钾，为钙碱性[12]；地表出露花岗斑岩中可见石英脉，沿断裂见硅化体，沿断裂两侧层间破碎带可见灰岩角砾。

(1)主成分分析法

将野外采集硅化岩样(图13)所测光谱与典型硅质矿物波谱对比分析，硅质矿物的强吸收谷与含羟基矿物大体相同(图14)。从整体来看，硅质矿物在0.43～0.45 μm、1.45～1.90 μm反射，0.50～0.60 μm、1.20～1.50 μm、1.85～2.10 μm以及2.10～2.30 μm范围内吸收。根据上述特征，选择OLI 1、3、6、7波段进行主成分分析来提取硅化异常。

图13 野外采集硅化蚀变岩石Fig.13 Silicification rock samples collected in field

图14 实测硅化蚀变矿物与典型硅化蚀变矿物波谱对比Fig.14 pectral comparison of measured silicification mineral and the typical ones

表5为OLI 1、3、6、7主成分分析特征向量统计结果。由上述分析可知，OLI1、OLI7的贡献系数应该与OLI3、OLI6贡献系数符号相反，且OLI 1、7为负，OLI 3、6为正。因此，选择PC2作为硅化蚀变异常信息的指示分量，且需要进行取反处理。

表5 OLI 1、3、6、7主成分分析特征向量统计结果Table 5 Statistics of eigenvector of principle component analysis of OIL 1, 3, 6, 7

主成分分析及分类重编码后的硅化蚀变异常分布图如图15所示。硅化蚀变在长城岭-凤凰山区域内广泛分布(图15a)，且主要分布于泥盆系与石炭系地层中，与地质资料吻合。研究区南东部硅化异常强烈，且具有沿断裂及地层走向分布的特征(图15b)。长城岭北环形山及凤凰山处硅化蚀变信息同样较为强烈，多分布于山脊线处。区内已知矿体附近硅化蚀变均较为强烈，已知硅化体及斑岩体处提取出大量异常信息，且高值异常分布与断裂及地层走向一致，提取结果较为准确。

图15 Landsat-8 OLI 1、3、6、7主成分分析硅化蚀变异常图Fig.15 Silicification anomaly map of principle component analysis of Landsat-8 OIL 1, 3, 6, 7a.硅化蚀变异常分布图；b.硅化蚀变异常叠加地质信息图

(2)比值+主成分分析法

选取OLI6/7代替OLI7，主成分分析后特征向量统计结果见表6所述。根据Crosta组分原则，OLI1、OLI6/7符号应与OLI3、OLI6相反，前者为负，后者为正。因此，选择PC2取反提取硅化蚀变异常。

表6 OLI 1、3、6、6/7主成分分析特征向量统计结果Table 6 Statistics of eigenvector of principle component analysis of OIL 1, 3, 6, 6/7

比值+主成分分析及分类重编码后的硅化蚀变异常分布图如图16所示。硅化蚀变异常带状分布特征依然明显，环形构造处异常面积稍有减少，但异常等级仍较高(图16a)。已知硅化体附近蚀变等级仍较高，比值+主成分分析法蚀变异常提取结果与主成分分析法稍显不同的是，蚀变更加集中在研究区南东部，且图幅西侧硅化异常减弱(图16b)。

图16 Landsat-8 OLI 1、3、6、6/7比值+主成分分析硅化蚀变异常图Fig.16 Silicification anomaly map of ratio+principle component analysis of Landsat-8 OIL 1, 3, 6, 6/7a.硅化蚀变异常分布图；b.硅化蚀变异常叠加地质信息图

5 Worldview-Ⅱ长城岭北部铁染蚀变信息提取

长城岭铅锌铜银多金属矿区地表出露岩体较多，通过对长城岭-凤凰山地区进行蚀变信息提取，发现区内具有较好的蚀变效果。在长城岭北部背首及凤凰山环形构造部位也存在铅锌银铜矿点，铁染蚀变异常较好，值得进一步开展工作。

Worldview-Ⅱ数据具有高空间分辨率、光谱范围覆盖广的特点，比较Landsat-8数据可以更加突出地物细节。因此，基于Worldview-Ⅱ影像，分别选用2358波段主成分分析法和Band5/Band8比值法对长城岭北部背首-凤凰山地区铁染蚀变信息进行提取。

图17a为根据Worldview-Ⅱ影像提取的2358主成分分析法铁染蚀变异常分布图，图17b为5/8比值法铁染分布图。可以看出两种方法提取的铁染异常大体相似，多数异常集中在背首环形构造及凤凰山北部的山脊处。背首-凤凰山区域内高值异常所占比重较大，一二级异常达95%以上，仅含少量三级异常。与Landsat-8影像提取结果(图7)相比，凤凰山周围异常明显增加，结果更为准确。叠加化探异常资料后显示，Sb/Au化探异常区域的蚀变提取效果较好。

图17 Worldview-Ⅱ影像铁染蚀变异常图Fig.17 Iron stain anomaly map of Worldview II imagea.2358主成分分析法铁染蚀变异常分布图；b.5/8比值法铁染分布图

6 远景区圈定

根据上述方法提取的铁染蚀变异常信息、羟基蚀变异常信息和硅化蚀变异常信息结果分析，结合地质及化探资料，对长城岭-凤凰山地区圈定三级四个成矿预测远景区(图18)：南东部远景区(Ⅰ)，背首(西)远景区(Ⅱ-1)，背首(东)远景区(Ⅱ-2)，凤凰山远景区(Ⅲ)。

图18 长城岭-凤凰山地区成矿预测远景区Fig.18 Potential ore prediction map of Changchengling-Fenghuangshan areaa.Landsat-8 3/2、3、4、5铁染蚀变异常图；b.Landsat-8 2、5、6、6/7羟基蚀变异常图；c.Landsat-8 1、3、6、6/7硅化蚀变异常图；d.Worldview-Ⅱ 2、3、5、8铁染蚀变异常图

主要远景区特征如下：

南东部远景区(Ⅰ)：位于研究区南东，长城岭矿区东部。该远景区铁染、羟基、硅化蚀变异常均极为强烈，并且均有沿地层走向(NE向)分布的特征。且该区域多为泥盆系灰岩地层，构造复杂，利于成矿。

背首远景区(Ⅱ)：由两个远景区(Ⅱ-1、Ⅱ-2)组成，分别位于背首环形构造东西两侧。背首(东)远景区(Ⅱ-2)羟基及硅化蚀变极为强烈，铁染蚀变也较强烈。背首(西)远景区(Ⅱ-1)铁染、羟基蚀变极为强烈，硅化蚀变较弱。该处远景区位于背首双层式环形构造两环之间，内部多条NE向断裂穿过，野外见铁染、白云母化、高岭土化、绿泥石化、绿帘石化、硅化等蚀变岩，具有极好的成矿前景。

凤凰山远景区(Ⅲ)：位于凤凰山环形构造西北侧，Worldview-Ⅱ影像提取结果显示该处铁染蚀变异常信息较多，且等级较高。化探资料显示该处具有较高的Sb/Au异常，且实地调查发现该处新开挖公路边坡上可见细晶岩，具有较好的成矿前景。