京津冀地区线环构造遥感地质解译与控矿规律分析

2022-05-12卢克轩刘新星成嘉伟

地质与资源 2022年2期

卢克轩，刘新星，张娟，成嘉伟，高椿

河北地质大学/河北省战略性关键矿产资源重点实验室，河北石家庄 050031

0 引言

随着20 世纪70 年代遥感技术的飞速发展，地质学家们逐渐注意到影像中线－环形构造与矿床的密切联系［1］. 20 世纪80 年代，我国也开始了对于遥感影像中线－环形构造的研究，如杨武年［2］通过图像增强技术识别MSS 卫片上的环形异常，并得出环形异常与蚀变异常、矿点的分布比较吻合；赵不亿等［3］从遥感线－环构造的定量统计方面详细探讨了在找矿方面的应用，较为深入、全面地研究了遥感地质的定量分析方法.地球化学元素的异常富集和地壳运动的综合结果导致区域性大的成矿带，而具体位置则受控于具体的线性构造与环形构造［1］. 比如金银矿床的成矿关键就在于构造条件，以张家口－宣化地区的幔枝构造为例，在遥感图像上显示为3 层环状构造，其成矿物质主要来自地球深部并通过地幔热柱的演化从地核运移到近地表，在幔枝构造的有利构造带中集聚成矿［4-6］. 因而，对遥感图像上的线－环形构造的分析，无疑将深化控矿构造及找矿研究的意义. 近年来遥感影像的空间分辨率越来越高，多源遥感数据有利于线环构造的精细化解译［7］，还有地质学家将线环构造与多源信息（地、物、化、遥）结合起来进行综合分析［8-11］. 随着越来越多的矿床被发现，各类矿床的成矿作用、各地区的矿床成因更加深入的研究，有必要进一步对线－环形构造控矿规律进行总结，为指导找矿提供有效依据.

1 区域地质特征

1.1 区域地层与构造

京津冀地区位于华北平原的北部，本地区地层包括：下前寒武系，主要分布在太行山和燕山地区；中—新元古界，分布广泛，出露良好，发育完整，区内广泛出露长城系、蓟县系、青白口系；古生界寒武系、奥陶系，出露于北起平泉，延伸至南部的邯郸西部山区，划分为冀北地层分区和冀南地层分区；中生界，为一套复杂的陆相火山－沉积岩系，三叠系、侏罗系和白垩系出露广泛；新生界，主要分布于河北平原、坝上高原以及太行山和燕山的山前地带.

本区地质构造十分复杂，在地质历史的演化过程中，形成东西向展布的燕山板内造山带（天山－阴山造山带的一部分）和呈北东向展布的太行山板内造山带（兴安－太行山构造岩浆岩带的一部分），是中国窗棂式构造的重要组成部分［12］. 研究区构造分区如图1 所示.

图1 河北省主要断裂构造图（据文献［13］）Fig. 1 Tectonic map of major faults in Hebei Province（From Reference［13］）1—重力推断构造断裂（gravity-inferred fault）；2—重力推断构造单元界线（gravity-inferred boundary of tectonic unit）；I1—内蒙古板块南缘（southern margin of Inner Mongolia Plate）；II11—内蒙古海西褶皱带（Hercynian Inner Mongolia fold belt）；III11—康保褶皱束（Kangbao fold bundle）；III12—棋盘山中凹陷（Qipanshan sag）；I2—华北板块（North China Plate）；II21—冀北岩浆固结陆块（Northern Hebei magmaconsolidated land block）；II22—燕山基地－盖层活动构造带（Yanshan base-cap active tectonic belt）；III21—宣化－蔚县凹褶皱束（Xuanhua-Yuxian depression-fold bundle）；III22—承德－平泉穹凹褶束（Chengde-Pingquan dome-depression-fold bundle）；II23—太行山隆升断块（Taihang Mountain uplifted fault block）；II24—冀中南活动软块（断陷盆地）（Central South Hebei active soft block）；III23—廊坊－保定台陷（Langfang-Baoding platform subside）； III25—临清台陷（Linqing platform subside）

1.2 区域矿产

京津冀地区的三大岩类齐全且地层出露良好，赋存了大量的矿产资源. 矿床分布相对集中，但小型矿床多，大型矿床少，非金属矿产多，金属矿产少，贫矿多，富矿少. 截至1995 年，该地区已发现各类矿产109种，其中已探明储量的66 种，占全国已探明储量矿产种类的34.38%. 已探明的矿产储量中，有44 个矿种保有储量居全国前10 位，还有9 个矿种居全国第11到14 位［12］.

铁矿：主要有受变质铁硅质建造铁矿床、接触交代矿床、岩浆型矿床. 此外，还有少量海相沉积矿床、沉积变质矿床、沉积矿床，极少量的热液矿床.

金矿：主要分布在承德、唐山、张家口等地. 据数据统计，燕山期岩体附近的储量约占86%，海西期岩体附近的储量约占13%.

铜矿：主要分布在高化学丰度值的地层中，兴隆寿王坟－平泉小寺沟铜矿成矿区、平泉下营房铜矿成矿区和涞水镇厂－涞水东团堡铜矿成矿区为3 处重点成矿区.

铅锌矿：主要为共生矿床. 铅矿主要为热液型，其次为斑岩型、火山－次火山热液型，规模均较小；锌矿以火山－次火山热液型为主，夕卡岩型次之.

煤矿：在平面上呈带状分布，煤炭资源丰富，变质程度普遍较高. 主要有开滦煤田、广宗煤田和东坡煤田.

2 遥感数据的选择与处理

2.1 遥感数据选择

2013 年Landsat 8 卫星发射，主要携带有两个传感器：OLI（陆地成像仪）和TIRS（热红外传感器）.OLI 含有9 个波段，不仅包括了ETM＋的所有波段，而且还对波段5、全色波段进行了调整，增加了海岸波段1 和卷云波段9，辐射分辨率提高到12 bit，灰度区间为0～65535，增加了影像的灰度显示范围. 故而本次选取较新且植被较少的2017 年11 月22 日Landsat 8 OLI 遥感影像作为源数据. 表1 对OLI 与ETM＋的波段设置进行了对比［14-15］.

表1 OLI与ETM＋的波段设置对比Table 1 Comparison of band settings between OLI and ETM＋

2.2 遥感数据处理

在遥感影像解译前，需要对其进行预处理，从而能够真实地反映地表信息. 具体操作包括辐射校正、几何校正、镶嵌融合、图像增强及图像彩色合成. 辐射校正：首先利用ENVI 软件中的Radiomertric Calibraton工具进行辐射定标，然后用大气校正工具FLAASH 进行大气校正，可以消除或减弱大气对阳光和来自目标的辐射所产生的散射而引起的辐射失真.

镶嵌融合：通过使用ENVI 平台的Seamless Mosaic 工具对的京津冀地区的多景Landsat 8 OLI 影像进行镶嵌、融合，从而拼接成一幅完整的京津冀地区的遥感影像，作为本次研究的对象. 图像增强：对于一幅遥感影像，它的边缘和突变等细节比较丰富的地方属于影像中的高频部分，背景区域等细节比较少的地方则属于低频部分，频域高通滤波法只允许高频部分通过而相对抑制低频部分，进而达到了锐化图像的目的. 图像彩色合成：为了更好地解译线－环构造，采用753 波段分别赋予蓝、绿、红三原色进行RGB 合成.

2.3 遥感地质解译

本研究主要采用目视解译的方法，解译了研究区的线－环构造（如图2），同时叠加了搜集到的矿点信息. 从解译出的线－环形构造及矿点分布情况可以看出：该区的矿床多成群出现，部分环形构造受北东向和东西向的线性构造控制，且部分环形构造内部包括含一个或多个次级环形构造；该区小环较多，大环相对较少，且多数矿点落在了小环之上或其旁侧，即小型环形构造控矿特征较为明显；环形构造分布明显受控于线性构造，线性构造与环形构造交错分布，且在线性构造交汇部位矿床分布较为密集，尤以研究区的东部和西南部最为明显.

图2 京津冀地区线－环形构造与矿点分布关系图Fig. 2 Relationship between line-ring structures and ore occurrences in Beijing-Tianjin-Hebei region1—铜矿点（Cu occurrence）；2—金矿点（Au occurrence）；3—铅锌矿点（Pb－Zn occurrence）；4—磁铁矿矿点（magnetite occurrence）；5—线性构造（linear structure）；6—环形构造（ring structure）

3 线－环形构造的控矿规律分析

3.1 线性构造的控矿规律

3.1.1 单一线性构造

根据线性构造不同半径缓冲区内的矿点数量统计（图3），可以看出缓冲区半径在0.5～5 km 时，随着缓冲区半径的增大，矿点数量的增长速度较快且大致相同，因而得出线性构造5 km 内为最佳成矿范围. 然后对该范围内的矿床成因类型进行统计得出，96%的矿床类型为内生矿床，外生矿床仅占4%，可见线性构造对内生矿床的控制作用最为显著，与外生矿床关系甚微；并且热液矿床和中温热液矿床为主要成因类型，分别占比35%和27%. 对线性构造最佳成矿范围内的内生矿床矿种类型进行统计（图4），可见线性构造对金矿和铅锌矿的控制作用十分强烈.

图3 线性构造不同半径缓冲区内矿点数量统计图Fig. 3 Ore occurrence numbers in buffer zones with different radii from linear structure

图4 线性构造5 km 缓冲区内内生矿床矿种统计图Fig. 4 Varieties of endogenetic deposit in buffer zone of 5 km from linear structure

综合以上分析可得出结论，线性构造5 km 范围内应为最佳成矿范围，与内生金属矿床的分布极为密切，尤其是铅锌矿和金矿最为明显，且该范围内的矿床多为热液矿床和中温热液矿床，对此两种矿床的控制作用最强.

3.1.2 线性构造交汇部位

结合矿床的具体位置与线性构造的分布格局进行综合分析，可知两组或两组以上线性构造交汇部位较单一线性构造控矿作用更为明显. 对线性构造交点处不同半径缓冲区内的矿点数进行统计（图5），发现半径在0.5～10 km 时矿点数的增长速度较快且保持稳定，继续扩大范围后矿点的增长速度突然下降，因此推断线性构造交汇处10 km 内为最佳成矿范围. 再对矿床成因类型进行统计，该区域内96%的矿床为内生矿床，外生矿床仅占4%，且在该区域内热液矿床和中温热液矿床为主要的矿床类型，且此两种矿床在线性构造交汇部位分布的比例明显高于在单一线性构造处的分布，可知两组或两组以上断裂的交汇部位较单一线性构造对成矿热液的运移与矿床的形成更为理想. 从图6 可推测，线性构造交汇部位为金属矿床的形成提供了良好的条件，对内生金属矿产的分布有一定的控制作用，其中对磁铁矿矿床的控制作用最为明显.

图5 线性构造交点不同半径缓冲区内矿点数量统计图Fig. 5 Ore occurrence numbers in buffer zones with different radii from linear structure intersection

图6 线性构造交点10 km 缓冲区内内生矿床矿种统计图Fig. 6 Varieties of endogenetic deposit within 10 km buffer zone from linear structure intersection

综上分析可得，线性构造交汇处10 km 范围内为最佳成矿范围，与磁铁矿矿床的分布相关性较高，且构造交汇处矿床类型仍以热液矿床和中温热液矿床为主.

3.2 环形构造的控矿规律

3.2.1 单一环形构造

环形构造与金属矿床的分布有着十分密切的内在联系，并对其具有一定的控制作用［16-17］. 对于环形构造与矿点的关系分析可从环形构造内部和环形构造外部两方面进行分析比较［18］. 对环形构造内部不同半径缓冲区内的矿点数进行了统计（图7），发现2 km 为环形构造内部的最佳成矿范围. 其中98%的矿床为内生矿床，可见环形构造与线性构造相似，与内生矿床关系十分密切，与外生矿床的形成关系甚小；中温热液矿床和热液矿床为主要的矿床类型，40%矿床为中温热液矿床，11%为热液矿床. 根据环内2 km 范围内的内生矿床矿种类型的统计结果（图8），约28%的铅锌矿、20%的磁铁矿、14%的金矿和22%的铜矿分布在该范围内，可见环形构造内部与铅锌矿分布最为密切.

图7 环形构造内部不同半径缓冲区内矿点数量统计图Fig. 7 Ore occurrence numbers in buffer zones with different radii from ring structure

图8 环形构造内部2 km 缓冲区内内生矿床矿种统计图Fig. 8 Varieties of endogenetic deposit within 2 km buffer zone inside ring structure

图9 为环形构造外部不同半径缓冲区内矿点数量的统计结果，不难发现环形构造外部5 km 为最佳成矿范围. 与环形构造内部比较发现，相同半径缓冲区内，环形构造外部的矿点数量明显高于环形构造内部，所以环形构造外部对矿床的控制作用更为明显. 对该范围内的矿床成因类型进行了统计，发现内生矿床仍占据主要地位，约占95%，构造对外生矿床几乎无影响. 该范围内35%的矿床为热液矿床，27%的矿床为中温热液型矿床，可见热液矿床和中温热液矿床与环形构造关系最为密切，受环形构造控制最为明显. 从图10 中可明显看出，48%的磁铁矿、55%的金矿、39%的铅锌矿和54%的铜矿分布在该范围内，即将近50%的内生金属矿床分布在该范围内，可见环形构造外部5km 与内生金属矿床的成矿关系十分密切，其中对金矿和铜矿的影响最大.

图9 环形构造外部不同半径缓冲区内矿点数量统计图Fig. 9 Ore occurrence numbers in buffer zones with different radii outside ring structure

图10 环形构造外部5 km 缓冲区内内生矿床矿种统计图Fig. 10 Varieties of endogenetic deposit within 5 km buffer zone inside ring structure

综合上述对环形构造内部和外部的缓冲区分析可知，环形构造外部较环形构造内部更有利于矿床的形成，且与内生金属矿床如金矿、铜矿的分布关系十分密切. 50%左右的内生金属矿床都分布在环形构造外部5 km 范围内，且矿床成因类型以热液型和中温热液型为主.

3.2.2 环形构造交汇部位

环形影像往往并非孤立存在，它们多成群、成串或成复式环出现. 如果环代表不同期次的岩浆活动，则金属矿床多富集在环与环的交汇处，或复式小环的内缘［19-20］. 通过对京津冀地区环形构造交点处的缓冲区分析（图11），发现10 km 为环形构造交汇部位的最佳成矿范围. 但是在实际工作中，不能脱离地质成矿理论，简单地根据环的位置作为找矿的标志. 一般说，金属矿床只赋存于与岩浆或热源有关的环内［21］. 该范围内的主要矿床成因类型为热液型和中温热液型，分别占该范围的38%和27%，且98%的矿床为内生矿床.因而断定环形构造交汇处对内生矿床具有显著的控制作用，与外生矿床无明显联系. 图12 为环形构造交汇处10 km 范围内的内生金属矿床矿种统计图，其中38%的铜矿床分布在该区域内，对其控制作用最为明显，磁铁矿、金矿次之.

图11 环形构造交点不同半径缓冲区内矿点数量统计图Fig. 11 Ore occurrence numbers in buffer zones with different radii from ring structure intersection

图12 环形构造交点10 km 缓冲区内内生矿床矿种统计图Fig. 12 Varieties of endogenetic deposit within 10 km buffer zone from ring structure intersection

综合上述对环形构造交汇处的分析可知，在半径小于10 km 时，矿点数量的增长速度较快且保持稳定，半径大于10 km 后矿点数量的增长速度明显下降.因而推测10 km 为环形构造交汇部位的最佳成矿范围，且对铜矿的分布影响最大，与热液矿床和中温热液矿床关系最为密切，控制作用最为明显.

3.3 线－环形构造交汇部位的控矿规律

借助ArcGIS 平台对线性构造与环形构造交汇处进行缓冲区分析（图13），发现半径大于10 km 后，矿点数量的增长速度开始下降，因而推断缓冲区10 km为线环构造交汇处的最佳成矿范围. 热液矿床和中温热液矿床为主要的矿床类型. 线性构造为热液的运移提供了良好的通道，环形构造则成为了良好的容矿场所. 通过对线－环形构造交汇处10 km 范围内的内生金属矿床的矿种类型进行统计（图14），可见54%的铅锌矿、54%的铜矿、49%的金矿和43%的磁铁矿分布在该范围内，其中线－环构造交汇处对铜矿、铅锌矿的影响最为明显.