高分遥感数据在胶东水道地区金成矿远景区圈定中的应用研究

2022-12-03邹键唐文龙王凤华胡峰薄军委王志新刘治魏绪峰李勇

地质论评 2022年6期

邹键，唐文龙，王凤华，胡峰，薄军委，王志新，刘治，魏绪峰，李勇

1)山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台，264004；2)中国地质调查局天津地质调查中心，天津，300170； 3)山东省地质测绘院，济南，250013

内容提要: 近年来遥感技术在分辨率、蚀变信息提取和覆盖能力方面有了大幅提升，已成功应用于国内外自然资源调查领域，并取得了不错的效果，遥感解译正成为地质调查工作中不可或缺的一种工作手段。水道地区位于华北克拉通东南缘与苏鲁造山带东北缘的衔接部位，是胶东牟平—乳山金矿带的核心地段，金矿资源丰富，目前运用遥感解译及信息提取技术开展该区的地质找矿工作较为薄弱。笔者等利用ENVI5.3遥感图像处理与分析软件对ASTER(先进星载热辐射与反射辐射计, Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)、GF-1共9景遥感数据进行处理，使制作的图像信息逼真、线性构造明显，共解译线性构造929条、环形构造89个、韧性剪切带15条，其中北北东向断裂、环形构造和韧性剪切带边缘地段是金矿床产出的有利部位；基于ASTER数据采用“去干扰异常主分量门限技术”进行主成分分析，提取了铝、镁羟基和铁染异常信息，圈定异常浓集区36处，金矿床产出位置一般发育较强铝、镁羟基(Al—OH、Mg—OH)异常；结合区域金矿成矿规律开展了成矿预测，圈定金成矿远景区12处，经野外查证，新发现金矿点2处。遥感技术可为区域矿产地质调查提供强有力的技术支撑。

遥感技术以其超强宏观性、信息丰富且提取快速的特点已被成功应用于地质填图和找矿研究(侯德华等，2018)，特别是对于海拔高、植被覆盖严重、人员难以抵达的复杂环境区域，遥感找矿更是一种快捷高效的方法。国产卫星虽较国外卫星(法国、德国、美国等)在波普覆盖密度、超高空间分辨率影像、单颗卫星应用率上有较大差距，但在独有波段方面已超出国外(马玥等，2016；李娜等，2021)，通过近几年的发展，国产卫星(如资源一号02C、资源三号、高分一号、高分二号卫星等)的遥感数据在空间、光谱以及时间分辨率和数据覆盖能力方面得到了极大提升(郑雄伟等，2021)，并具有较高的应用潜能。现阶段，遥感技术在自然资源调查领域已广泛应用，运用高光谱数据图像在热带雨林覆盖区、高山峡谷区、植被覆盖区、基岩区指导地质填图(胡官兵等，2019；王烜等，2019；程三友等，2021；李娜等，2021)；利用国产高分一号卫星数据在伊朗南部铬铁矿富集地区开展不同尺度的遥感地质矿产解译工作，圈定了成矿有利地区(蒋校等，2021)；通过对国产高分二号卫星数据在西藏桑耶地区进行预处理和影像增强，成功开展了岩性—构造遥感解译(侯德华等，2018)；采用Landsat 5TM数据，在西藏尼木地区利用遥感单窗算法进行温度反演，有效地提取了地热异常(杨俊颖等，2021)；以Worldview-2高空间分辨率数据为信息源进行图像增强处理，结合ASTER(先进星载热辐射与反射辐射计, Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) 数据提取遥感异常，在西昆仑大红柳滩—俘虏沟地区开展地质矿产遥感解译，发现4种矿化类型并圈定找矿靶区11处(王辉等，2018)；利用ASTER遥感影像，采用成像光谱法和主成分分析法提取矿化蚀变信息，扩大了青海虎头崖矿区的找矿规模，并发现了矿化富集地段，显示出ASTER数据对矿化蚀变信息有较强的敏感性，能提取较多矿化异常信息(程三友等，2020)。现阶段，国内外都在探索研究航空高光谱热红外遥感技术，我国利用航空热红外成像系统(TASI)在甘肃和新疆局部地区获取了高光谱热红外遥感数据，以热红外大气校正与光谱重建技术成功对规模较小的石英脉—硅化带进行了提取与区分(刘常德等，2018)。遥感解译技术在不断发展更新，正成为地质调查工作中不可或缺的一种工作手段。

胶东是我国最重要的黄金资源基地，累计探明金矿资源量已超4500 t(于学峰等，2016)，该区自西向东由3条金矿带组成：招远—莱州金矿带、栖霞—蓬莱—福山金矿带和牟平—乳山金矿带(于学峰等，2018)。近年来，随着烟台辽上新类型(黄铁矿碳酸盐岩型)金矿床的发现(李国华等，2017)和栖霞地区金矿(笏山、西陡崖、金山等大中型金矿床)(Yang Kuifeng et al., 2018；戚静洁等，2018；智云宝等，2020)不断取得找矿突破，为该区金矿勘查注入了新的活力。水道地区地处牟平—乳山金矿带核心地段，是该成矿带金矿床主要发育地区。研究区植被繁茂，为该区矿产地质调查工作带来了较大阻碍。笔者等采用GF-1和ASTER数据协同处理的方式，对工作区构造进行解译，对铝羟基、镁羟基和铁染蚀变信息进行提取，结合区域地质背景、控矿构造、成矿作用特征及金矿床的空间分布，圈定遥感金成矿远景区，为该区开展矿产地质调查、金矿勘探开发提供技术资料，同时为牟平—乳山金矿带遥感探测提供理论依据。

1 区域地质背景及矿床概况

图1 胶东地区地质简图及有色、贵金属矿分区带分布图(据丁正江等，2012修改)Fig. 1 Geological sketch map of Jiaodong Peninsula and distribution map of nonferrous and precious metals ore zones(modified from Ding Zhengjiang et al., 2012&)中生代侵入岩：LL—玲珑岩体; GD—郭家店岩体; LJ—滦家河岩体; BG—毕郭岩体; WJ—王家庄岩体; XF—幸福山岩体; QS—鹊山岩体; WD—文登岩体; KY—昆嵛山岩体; GL—郭家岭岩体; YS—牙山岩体; YG—院格庄岩体; ZH—招虎山岩体; SF—三佛山岩体; WS—伟德山岩体。成矿区( 带) ：① 莱州西部成矿带; ② 招远—平度成矿带; ③ 栖霞—蓬莱—福山成矿区; ④ 胶莱盆地东北缘成矿区; ⑤ 牟平—乳山成矿带; ⑥ 威海—文登成矿带; ⑦ 荣成成矿区Abbreviations for Mesozoic granitoid intrusions: LL—Linglong; GD—Guojiadian; LJ—Luanjiahe; BG—Biguo; WJ—Wangjiazhuang; XF—Xingfushan; QS—Queshan; KY—Kunyushan; WD—Wendeng; GL—Guojialing; YS—Yashan; YG—Yuangezhuang; ZH—Zhaohushan; SF—Sanfoshan; WS—Weideshan． Metallogenetic zones (regions): ① western Laizhou; ② Zhaoyuan—Pingdu; ③ Qixia—Penglai—Fushan; ④ northeastern Jiaolai basin; ⑤ Muping—Rushan; ⑥ Weihai—Wendeng; ⑦ Rongcheng

2 数据源及数据处理

2.1 数据源及影像处理

高分一号卫星是我国高分辨率对地观测系统的第一颗卫星，卫星全色分辨率是2 m，多光谱分辨率为8 m，主要用于构造信息的解译。ASTER数据有14个波段：可见光、近红外和短波红外到热红外，光谱分辨率较高, 特别是在短波红外有6个波段、热红外有6个波段，它们分别对粘土矿物、碳酸盐和硅酸盐类矿物具有较好的识别能力(杨日红等，2012)。

本次利用国产GF-1(分辨率为2m，4个波段)和ASTER遥感数据(分辨率15 m，6个短波红外波段)为信息源，共计9景，卫星轨道号、时相及主要用途见表1。要求图像无云层遮挡，影像清晰、层次丰富、色调均匀、反差适中。相邻景图像之间有不小于图像宽度4%的重叠。选择信息量大、相关性小的3个多光谱波段合成，波段之间配准误差不大于0.2 mm，图像套合误差不大于0.3 mm。

表1 胶东水道地区卫星遥感数据一览表Table 1 List of satellite remote sensing data in Shuidao area of Jiaodong Peninsula

利用美国ENVI5.3遥感图像处理与分析软件对图像进行处理，处理方法主要有辐射定标、大气校正、波段组合、几何校正、图像融合、增强、数字镶嵌等。对工作区遥感数据进行主成分分析和光谱统计分析，依据不同图像各波段的相关性及地物光谱特征，采用ASTER—B631和GF1—B431组合，使影像反映的地物清晰、水体突出、林草分明、信息结构逼真、线性构造明显；选取控制点进行几何校正，控制图像精度在一个像素元的误差范围内。同时，采用HIS、PC Spectral sharpening处理方法将多光谱数据与全色数据融合，使地形地物界线更为清晰，圆滑状的地物边界纹理特征更明显。工作区跨多景遥感数据，对相邻两景影像作数据镶嵌和色彩调整，镶嵌后的影像图几何保真度高、畸变小、无漏缝、无重叠、色调自然匀称、纹理清晰(图2)。

图2 胶东水道地区GF-1遥感影像图(2013年11月、2014年10月成像)Fig. 2 GF-1 Remote sensing image in Shuidao area of Jiaodong Peninsula (mapped in November, 2013 and October, 2014)

2.2 遥感构造解译

研究区构造控矿作用明显，分析构造与矿化蚀变之间的关系对热液矿床研究具有重要的意义。本次利用ASTER—B631和GF1—B431遥感影像数据，对区内断裂、韧形剪切带和环形构造进行解译。线性断裂主要表现为不同色调的线性色异常(图3a)或呈宽带状直线型展布(图3b)，北东向和北北东向断裂规模大、延伸长、分布广且数量多，表现为大型冲沟、陡坎等，北西向断裂表现为北西向的线状冲沟，排列的陡坎等，局部地段控制了现代地形地貌，并显示为张性断裂特征；韧性剪切带呈密集的细线纹理、条带状延伸，连续性较好，呈联排线状凸起(图3c)；环形构造在地表的变现特征为放射状水系、环形水系、环状排列的水点，或环形山脊、环形冲沟、环状色调异常(图3d)。

图3 胶东水道地区四处构造影像特征Fig. 3 Characteristics of structural image in Shuidao area of Jiaodong Peninsula(a)宋家沟村两类地貌单元线性色异常；(b)虎龙头村断裂呈宽带状直线型展布；(c)杨家庄韧性剪切带影像特征； (d)院格庄镇环形构造影像特征(a)Linear color anomalies of two types of geomorphological units in Songjiagou village; (b) the Hulongtou Village fault is distributed in a wide band straight line; (c) image characteristics of ductile shear zone in Yangjiazhuang; (d) image characteristics of ring structure in Yuangezhuang Town

2.3 ASTER数据遥感异常提取

基于ASTER数据，本次采用“去干扰异常主分量门限技术”提取铝羟基、镁羟基和铁染等细微的矿物异常信息，异常提取流程包括预处理、信息提取和后处理三大部分(图4)。

图4 异常提取流程图Fig. 4 Flowchart of exception extractionOHA即HA—羟基异常; FCA即FA—铁染异常OHA, HA—hydroxyl anomaly; FCA, FA—iron stain anomaly

2.3.1预处理

首先对数据进行筛选，选择的数据时相在10月至5月间，为地表植被不发育、无冰雪覆盖等受干扰较小的季节，且选择该空域的云雾雪较少的时段；其次是去边框，将B1～B8波段做“与”运算，得到全边框的掩膜数据，应用掩膜方法，使数据覆盖范围一致；再者是大气校正，采用FLASH模型消除大气和光照等因素对地物反射的影响，反演地物真实反射率；最后是去植被、水体、阴影干扰，结合其波普特征，采用Band3/Band2方法去除植被效果好，采用低端切割可消除水体和阴影的干扰。

2.3.2信息提取

矿致遥感异常信息的提取以克罗斯塔主分量分析为主，比值法为辅。克罗斯塔主分量分析从模式识别(或分类)的角度，进行统计决策，其所获各主分量之间不相关，在各主分量之间信息没有重复或冗余，而比值法可增强热液蚀变典型矿物的光谱响应，能圈定与成矿相关的蚀变矿物的遥感异常(付丽华和张策，2020)。异常提取还需进行门限化分级、滤波去除孤立点。各异常类型的主分量特征矩阵见表2。

表2 ASTER数据Crosta主分量特征矩阵Table 2 Crosta main component feature matrix of ASTER data

铝羟基(Al—OH)异常：白(绢)云母、高岭石、蒙脱石和伊利石等含铝羟基蚀变矿物对应ASTER数据的B5和B6波段，选用B1、B3、B4、B6波段组合进行主成分分析，以3σ做为主分量输出的动态范围，本征向量为B4与B6贡献系数符号相反，B4取正，B6为负，其中PC3效果最佳；镁羟基(Mg—OH)异常：绿泥石、绿帘石、角闪石、蛇纹石等含镁羟基蚀变矿物对应ASTER数据的B8波段，选用B1、B3、B4、B8波段组合进行主成分分析，以3σ做为主分量输出的动态范围，本征向量为B4与B8贡献系数符号相反，B4取正，B8为负，采用PC4提取异常效果较好。铁染异常：含铁蚀变矿物吸收谷与ASTER数据B1和B3波段相对应，选用B1、B2、B3、B4波段组合进行主成分分析，以3σ做为主分量输出的动态范围，本征向量为B1与B2贡献系数符号相反，B1取负，B2为正，采用PC4提取与含Fe3+(褐铁矿、黄钾铁矾等矿物)相关的铁染异常，效果最佳。遥感异常分级和滤波处理：采用均值加3倍标准离差切割进行异常分级，由强至弱划分为一、二、三级，对3个级别异常进行中值滤波处理，去除孤立点，使异常更为集中，一级异常采用“3×3”，二、三级异常均采用“5×5”。

2.3.3后处理

在对多种干扰进行去除时，可能会删除了有价值信息，或保留了残余干扰造成的假异常。对提取的异常进行进一步观察，采取数字手段通过后处理保留矿致异常，排除湖边湿地、干河道、冲积区、薄云等的干扰。

采用SPSS 18.0统计学软件分析数据，计量资料（±s）选择 F 检验，计数资料[n（%）]选择 χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

3 控矿信息解析

3.1 控矿构造遥感解译

本次在研究区共解译断裂929条，大体可以分为4组：北东向、北北东向、北西向和近东西向,已知金矿床多与北北东向断裂密切相关(图5)。解译环形构造89个，最大的环形构造直径约14.6 km，小者约1.5 km，一般为3～5 km。从空间分布看，区内环形构造多分布在断裂附近或断裂交汇处，具有成群分布特点。环形构造形态呈椭圆形、近圆形，主要分布在双山屯—宋家沟和西直格庄—唐家沟一带，发育于早白垩世二长花岗岩、晚侏罗世二长花岗岩中，环间关系有单环、同心环、复合环，已发现金矿床多位于环形构造内部及边缘，位于环心以金牛山、邓格庄、双山屯和金青顶等大中型金矿床为代表，下潘格庄、磨山、福禄地等金矿床分布于环形边缘。解译韧性剪切带15条，分布在观水—崖子一带，呈北东向、北西向展布，最长6.0 km，最宽3.4 km。经调查，地表出露岩性为眼球状花岗质糜棱岩和糜棱岩化黑云母二长花岗岩，主界面近于水平，运动方向由西向东，面理、线理均发育形成以糜棱岩为主的S型构造岩。韧性剪切带边缘与北东向断裂的交汇部位是金矿床产出的有利部位，以宋家沟金矿、蓬家夼金矿为代表。

图5 胶东水道地区构造遥感解译图Fig. 5 Remote sensing interpretation in Shuidao area of Jiaodong

3.2 遥感蚀变异常信息分析

研究区构造—岩浆活动强烈，岩浆热液与围岩发生交代的过程中产生了大量的蚀变矿物，影响着成矿作用方式、矿体产状、规模及矿种。区内遥感蚀变异常多呈北东向、北北东向展布，与断裂带方向一致，且一、二、三级均有分布。对提取的羟基、铁染异常信息开展叠加分析，把成矿地质背景一致或同一类型、空间上紧密相连的遥感蚀变异常圈定为遥感异常浓集区。全区共圈定各类异常浓集区36处(图6)，其中铁染异常浓集区10处，羟基异常浓集区26处。浓集区的展布与断裂带和金矿床分布基本吻合，而浓集区以外的异常分布较分散，局部呈断续线状或点状展布，以镁羟基蚀变为主，铝羟基和铁染异常次之。

图6 胶东水道地区遥感羟基、铁染异常分布图Fig. 6 Remote sensing hydroxyl and iron-stained anomaly distrbution map in Shuidao area of Jiaodong Peninsula

铁染异常主要发育于研究区南部和北部，规模较大，强度以三级为主，其内金矿床分布较少。野外现场调查可见大面积古元古代荆山群浅海相变质碎屑沉积岩、碳酸盐岩和中生代莱阳群碎屑沉积岩出露，示矿性不明。铝、镁羟基异常主要分布在研究区中部，与断裂构造、环形构造产出位置相关，呈条带状和弧带状展布，推测为断裂带内蚀变矿物引起，该异常分布区可见多处金矿床产出；块状或点状分布的遥感异常推测由岩体引起。

选择两个具有代表性的遥感解译断裂和蚀变信息的区域开展实地调查。唐家沟地区，位处18号异常浓集区，内有中型金矿床1处，遥感解译的北东向与北北东向断裂与实地相符，其控矿断裂(唐家沟断裂)西侧的古元古界变质地层与铁染异常对应，断裂带内岩石发育高岭土化、绢云母化和褐铁矿化与带状展布铝、镁羟基位置对应(图7a)。英格庄地区，位处29号异常浓集区，内有中型金矿床1处，其控矿断裂(金牛山断裂)地表特征明显，与遥感解译断裂位置一致，断裂带内岩石主要发育褐铁矿化、硅化、绢云母化、高岭土化等蚀变，遥感解译该区主要发育铝、镁羟基异常，且一、二、三级皆有分布，也是沿断裂呈带状展布。总体来看，矿化蚀变位置与铝、镁羟基异常区具有良好的对应关系(图7b)。

图7 遥感异常提取及实地特征: (a) 唐家沟地区；(b) 英格庄地区Fig. 7 Remote sensing anomaly extraction and field characteristics: (a) Tangjiagou area; (b) Yinggezhuang area

表3 胶东水道地区金成矿远景区一览表Table 3 The table of Au metallogenic prospective areas in Shuidao area of Jiaodong Peninsula

4 遥感金成矿远景区圈定及验证

4.1 金成矿远景区圈定

在成矿地质背景的辅助下，将遥感构造解译与遥感异常浓集区叠加并进行综合分析是优选遥感成矿远景区、圈定找矿靶区的重要依据。找矿靶区圈定以后，还需要详细野外验证，并根据实际情况对成矿远景区做进一步的完善。本次以牟平—乳山地区金矿成矿地质背景、控矿构造及成矿作用等条件为基础，将遥感解译的断裂、环形构造、韧性剪切带和蚀变异常信息与已知金矿床作套合分析(图8)，总体表明在晚侏罗世二长花岗岩分布区，环形构造和北北东向断裂发育地段，以及铝、镁羟基异常浓集区三者叠合部位，是金矿床产出的有利位置。区内已知有37处金矿床(点)，其中32处产于北北东向及其次级断裂带上，3处产于近东西向与北北东向断裂交汇处，还有2处产于位于北东东向盆缘断裂中(韧性剪切带边部)，皆与环形构造密切相关。区内产出的唐家沟、金牛山、英格庄等大中型金矿床，其蚀变带出露地表规模越大，对应的铝、镁羟基异常的强度和规模越大；但也有特殊情况，如双山屯、下潘格庄、金青顶中大型金矿床，因矿体多隐伏于地下，地表出露蚀变带规模较小，仅见零星铝、镁羟基异常分布。故在该区域寻找金矿床(点)，重点关注环形构造(尤其是同心环)且还有北北东向断裂或北东向与近东西向断裂交汇处或韧性剪切带边部区域，其次考虑一、二级铝、镁羟基异常浓集区及浓集中心的分布。另外，对遥感蚀变异常浓集区以外的二和三级羟基异常发育区、带状断续展布的异常区也应注意，如在水道镇东北部地区，环形构造和北北东向断裂发育地段，可见二、三级铝、镁羟基异常呈点状和带状分布，见有5处金矿点分布。

图8 胶东水道地区金成矿远景区分布图Fig. 8 Distribution map of gold metallogenic prospective areas in Shuidao area of Jiaodong Peninsula

根据研究区遥感解译的断裂、环形构造和韧性剪切带的分布特征、规模大小以及遥感异常浓集区的分布特征、规模、强度等信息，结合已知金矿床的控矿地质条件及成矿地质特征，划分了12处金成矿远景区(表3)。在晚侏罗世二长花岗岩分布区，以环形构造和北北东向断裂或韧性剪切带发育为构造特征，以发育羟基异常浓集区并形成浓集中心为遥感异常特征，是热液矿床发生围岩蚀变、含矿热液运移、富集的有利区域，金矿床(点)多分布于此。

4.2 野外验证

在遥感解译圈定的远景区内，开展了实地异常查证。在Ⅱ号和Ⅲ号远景区内，已知矿权的外围，发育环形构造和羟基异常地段新发现金矿点各1个。

Ⅱ号远景区内，在虎龙头村西1.0km处，在近东西向和北东向断裂交汇部位、环形构造中心以及二级铝羟基、三级镁羟基和一级铁染异常发育地段，新发现金矿化带1条，蚀变带呈透镜状产出，地表出露宽度约2.0～5.0 m，断续延伸超过300 m，其内圈定金矿体1个，宽3.90 m，产状32°∠62°，金品位3.11×10-6，黄铁矿化硅化碎裂岩为赋矿岩石。风化呈褐红色，新鲜面呈灰白—灰黑色，发育绢英岩化、黄铁矿化蚀变，黄铁矿较发育呈浸染状、团块状分布(图9a)。Ⅲ号远景区内，磨山村南西800 m处，在北北东向断裂、环形构造边缘以及一级铝羟基、二级镁羟基和一级铁染异常发育地段，新发现金矿化带1条，蚀变带呈脉状产出，出露长度大于500 m，宽1.10～5.50 m，产状310°∠68°，其内圈定金矿体1个，宽0.30 m，金品位3.38×10-6，赋矿岩石为褐铁矿化石英脉，发育褐铁矿化、绢英岩化蚀变，破碎带见煌斑岩脉充填(图9b)。

图9 遥感金成矿远景区内新发现金矿点: (a) 虎龙头地区；(b) 磨山地区 Fig. 9 New discovery gold occurrances in gold metallogenic prospective area of remote sensing: (a) Hulongtou area; (b) Moshan area