内蒙古撰山子地区遥感信息提取及找矿预测

李 伟,毛启贵,邹 滔,管育春,杨 星

(1.北京矿产地质研究院有限责任公司;2.中国科学院新疆生态与地理研究所新疆矿产资源研究中心; 3.中色紫金地质勘查(北京)有限责任公司)

引 言

由于遥感影像可以全面、客观记录地表景观的几何特征,因此可以利用解译的线性构造、环形构造提取控矿信息[1]。从遥感图像上识别并分析蚀变岩的分布规律,是遥感找矿工作的主要研究内容之一[2]。目前,ETM+、ASTER、Hyperion和Landsat 8 OLI等遥感数据,在遥感蚀变信息提取和构造解译方面应用广泛[3-10]。前人研究“强铁染异常+弱羟基异常”与金矿化、羟基蚀变信息强烈区与构造破碎带存在密切的对应关系[11-13],以及环形影像与成矿构造吻合区域是金成矿的有利地段[14]。

撰山子金矿床位于华北克拉通北缘赤峰—朝阳金成矿带,也是赤峰—朝阳金成矿带内构造影响最为明显的金矿床,具有独特的地质构造环境。撰山子金矿床受隐伏的建平环形构造及伴生的断裂、韧性剪切带控制[15-16]。前人曾利用在TM图像中提取的金矿化蚀变信息为撰山子金矿区和其外围找矿提供了丰富准确的指示性信息[17],而Landsat 8 OLI数据辐射分辨率和波谱分辨率较ETM+数据的大幅提升,为铁染类、羟基类等蚀变矿物信息的提取研究提供了新的数据来源[3,7,18],且利用Landsat 8 OLI数据对断裂等大型构造的解译具有很大作用[6,8,19]。因此,以撰山子地区为例,采用Landsat 8 OLI数据进行遥感异常信息提取及构造解译,在遥感异常信息提取方面选用主成分分析法进行蚀变异常提取,综合地质特征、构造解译及蚀变异常信息建立撰山子地区金找矿标志,以选取最有利地区圈定找矿预测远景区,并进行野外实地调查及采样来验证基于OLI遥感影像找矿技术在金找矿预测方面的辅助作用。

1 数据、研究区及典型矿床

1.1 数据选取

撰山子地区遥感数据收集了2017年6月1日的Landsat 8 OLI数据,景号122/31,该数据在撰山子地区内无积雪,无云盖,且地质体出露明显。

1.2 研究区地质特征

撰山子地区位于赤峰—开源深大断裂以北,华北克拉通与兴蒙造山带结合部位[20-21]。出露的地层由老到新依次为古元古界、奥陶系—志留系、二叠系、侏罗系、白垩系及第四系,如图1所示。断裂主要有东西向断裂、北东向断裂、北西向断裂及近南北向断裂[22]。岩浆活动频繁,以花岗质岩浆活动最为强烈。其中,燕山期花岗岩体与金矿化具有密切的关系[23],含矿岩体侵入中生代海相-陆相沉积岩系,形成了撰山子、金厂沟梁、安家营子等多个大中型金矿床。

1.3 典型矿床地质特征

研究区内典型矿床为撰山子金矿床,矿区内出露地层为二叠系、侏罗系及第四系,如图2所示。矿区以发育北西向断裂、北东向断裂、近东西向断裂为主,其中北西向断裂是主要的控矿断裂[23]。矿区内岩浆岩具有多期次侵入特征,包括白垩纪细粒花岗岩、花岗斑岩,二叠纪—三叠纪闪长岩。

1—第四系 2—白垩系 3—侏罗系 4—二叠系 5—奥陶系—志留系 6—古元古界 7—早中生代斑状二长花岗岩 8—中粗粒二长花岗岩 9—细粒二长花岗岩 10—晚中生代花岗岩 11—晚古生代花岗斑岩 12—古生代花岗岩 13—古生代闪长岩 14—酸性岩脉 15—石英脉 16—煌斑岩脉 17—基性岩脉 18—断裂 19—推测断裂 20—构造破碎带 21—地质界线 22—金矿床(点)图1 撰山子地区地质简图(据文献[23-24]修改)

1—第四系 2—侏罗系 3—二叠系 4—白垩纪细粒花岗岩 5—白垩纪花岗斑岩 6—二叠纪—三叠纪闪长岩 7—霏细岩 8—矿体 9—地质界线 10—推测断裂 11—断裂图2 撰山子金矿地质简图(据文献[21,25]修改)

2 处理方法及蚀变提取

2.1 数据处理

为提高图像精度及反映构造地貌特征,需对获取的影像数据进行预处理,如校正、融合、裁剪、波段选取等,采用GS(Gram-Schmidt)法融合处理,GS法对Landsat 8 OLI遥感具有最好的光谱保真度[28]。本研究根据Landsat 8 OLI数据的波段特征和前人应用经验及地质解译目的,结合该区的影像特征,经最佳波段分析后选取B7B5B3波段融合以增强区域构造信息。

Landsat 8 OLI数据在获取过程中会受到如搭载平台、传感器误差、太阳高度角、地形及植被覆盖、大气分子和气溶胶散射等因素影响,导致测量值与地物本身的光谱反射率存在误差。为消除或修正辐射畸变,得到真实的地物反射率,需对原始影像数据进行校正,通常包括传感器校正和大气校正2类[7]。上述处理使用ENVI 5.1软件的辐射定标和FLAASH大气校正模块。

经上述处理后的图像上仍含有植被、水体、道路等非地质因素,这些因素会对蚀变信息的提取产生干扰,用植被提取及水体提取相应信息并采用掩膜遮罩来避免此类因素的干扰。

1)植被提取方法:利用归一化植被指数(NDVI),提取植被信息,并建立掩膜。其计算方法见式(1):

NDVI=(Band5-Band4 )/(Band5+Band4)

(1)

式中:Band5、Band4为第5、第4波段反射率。

采用NDVI>N作为判据消除植被干扰,N取值0.225左右。

在传统印象中，校园内交通空间只用来连接上下层或各单元，常常以封闭型的交通空间形式呈现，典型表现为走廊和封闭楼梯间组成水平交通与垂直交通。但在密集的城市环境中，校园交通空间汲取了城市动态发展与多功能集聚的倾向，渐渐被赋予更多的功能。尤其是在用地面积有限的校园空间中，多种功能空间是与交通空间相互兼容并有机结合，使交通空间不仅仅只是连接区域，而是逐渐形成了多层次、多要素的动态开放系统。因此教育建筑内交通空间的交往性设计、教学性设计越来越受到关注[12]。

2)水体提取方法:利用归一化水体指数(NDWI),提取水体,并建立掩膜。其计算方法见式(2):

NDWI=(Band3-Band5)/(Band3+Band5)

(2)

式中:Band3、Band5为第3、第5波段反射率。

采用NDWI>N作为判据消除水体干扰,N取值0.3左右。

2.2 遥感蚀变异常提取

遥感蚀变异常提取众多方法中的主成分分析法(PCA,Principal Component Analysis)是运用最为广泛的一种。

主成分分析法使主成分之间的信息没有重复或冗余[29],达到去除相关、进行特征提取、数据压缩和图像增强的目的。铁染和羟基异常对矿化蚀变信息及遥感找矿具有重要指导意义[30],利用主成分分析法提取铁染和羟基异常。

2.2.1 铁染主成分分析

选取Landsat 8 OLI数据的Band2、Band4、Band5、Band6 4个波段作为组合波段进行主成分分析,是因为铁氧化物的特征光谱信息集中在Band2、Band5,Band2(0.4～0.5 μm)和Band5 (0.8～1.0 μm)为吸收峰,Band4(0.63～0.69 μm)无特征吸收从而呈高反射。

对Band2、Band4、Band5、Band6进行主成分分析,结果如表1所示。

表1 PCA(Band 2、Band 4、Band 5、Band 6)主成分特征向量矩阵

从表1可以看出,主成分PC1主要反映了Band5和Band6;主成分PC2主要反映了Band4和Band5;主成分PC3反映Band6;主成分PC4反映了Band2和Band4。根据铁染蚀变矿物的波谱特征,主成分PC4符合铁染类矿物的波谱特征,因此主成分PC4可作为铁染异常主分量[28]。

2.2.2 羟基主成分分析

对Band2、Band5、Band6、Band7进行主成分分析,结果如表2所示。

表2 PCA(Band 2、Band 5、Band 6、Band 7)主成分特征向量矩阵

2.2.3 遥感异常优化及分级

遥感异常优化使用了3×3中值滤波,中值滤波可以去除异常图中的孤立异常。

遥感异常等级划分是根据标准差的倍数,划分为一、二、三级异常。

3 结果与分析

3.1 遥感构造解译

遥感构造解译方法包含直接解译法、间接解译法[19]、环型构造解译法等。依据上述构造的遥感解译方法,区内遥感构造解译如图3所示。

1—断裂 2—解译区域性断裂 3—解译环形构造 4—解译断裂 5—金矿床(点)图3 撰山子地区遥感构造解译图

撰山子地区遥感影像解译表现为由北西向区域性大断裂所夹持的北东向断裂、近东西向断裂构成基本构造格架。在北西向断裂形成后,由于后期的多期次构造活动和岩浆活动形成了次级断裂,组成不规则的网格状构造,经岩浆热液活动,尤其是岩体及岩脉的侵入,在北东向断裂、东西向断裂上形成了环形构造。撰山子金矿床矿体分布于环形构造边缘。

3.2 遥感蚀变异常解译

经遥感蚀变异常提取,显示撰山子地区羟基蚀变信息强烈区主要在北西向断裂与北东向断裂的交会部位,呈条状—串珠状分布,在金矿(点)床周边羟基蚀变信息较为丰富。铁染蚀变信息强烈区主要沿环形构造呈星散状分布及沿北西向断裂带呈条带状分布,在金矿(点)床附近铁染蚀变信息较为丰富,如图4所示。总体而言,羟基蚀变与铁染蚀变的空间关系不显著[31],但羟基蚀变、铁染蚀变与金矿床(点)分布吻合度较高,且金矿床(点)均位于二者的叠加部位。

1—铁染一级异常 2—铁染二级异常 3—铁染三级异常 4—羟基二级异常 5—羟基三级异常图4 撰山子地区遥感蚀变异常图

4 讨 论

4.1 找矿标志

撰山子金矿床位于东西向断裂与北北东向断裂交会处,矿体产出于花岗岩体与二叠系地层接触部位,受控于北西向断裂。矿区周围存在Au-Ag-Cu-As-Sb-Pb-Zn组成的综合异常。根据遥感构造解译图及遥感蚀变异常图可以发现下列特征:①金矿床(点)主要分布于环形构造边缘;②金矿床(点)附近往往有线性构造存在,线性构造平行分布或位于环形构造边缘;③附近侵入岩体的存在是成矿的有利条件;④撰山子金矿床位于北东向线性构造和环形构造交会部位,并伴有强铁染和羟基蚀变。综上,撰山子地区金找矿标志特征如表3所示。

4.2 找矿预测

撰山子地区处于华北地台北缘兴蒙造山带的造山环境中,自太古代以来,这一地区是一个长期的活动带,经历裂解、碰撞和活动大陆边缘的增生造山作用,矿床均分布于这些复杂的大型地质构造带中,经过岩性、应力、变质等方面的多期作用和变化,形成金等成矿物质的富集区,由于各种作用所产生的热流体长期作用,使金富集成矿。根据表3建立的找矿标志,对撰山子地区进行找矿预测,圈定3处找矿预测远景区,如图5所示。

表3 撰山子地区金找矿标志特征

1—断裂 2—解译区域性断裂 3—解译环形构造 4—解译断裂 5—找矿预测远景区及编号 6—实地验证位置 7—铁染一级异常 8—铁染二级异常 9—铁染三级异常 10—羟基二级异常 11—羟基三级异常 12—金矿床(点)图5 撰山子地区遥感找矿预测区图

Ⅰ找矿预测远景区位于撰山子南,出露中粗粒二长花岗岩,在烧锅营子岩体的控制作用下,金矿床分布于岩体周边特定的空间位置[24],遥感解译显示该找矿预测远景区位于环形构造内,具明显北东向线性构造,且环形构造边缘与线性构造重叠位置的铁染、羟基蚀变异常强烈;在该找矿预测远景区通过野外调查发现羟基蚀变异常区发育强绿帘石化、硅化蚀变带,存在弱褐铁矿化,如图6-a所示。依据找矿标志,除存在岩体和构造条件外,还发现围岩对应蚀变,说明该找矿预测远景区附近有金成矿富集的条件,因此具有一定的找矿前景。

图6 撰山子南绿帘石化、硅化蚀变带(a)和房身沟褐铁矿化石英脉(b)及民采坑(c)

Ⅱ找矿预测远景区位于房身沟,出露中粗粒二长花岗岩及二叠系地层,遥感解译显示该找矿预测远景区位于环形构造内,且环形构造边缘与线性构造重叠位置的铁染、羟基蚀变强烈,断裂明显,前人在环形构造东侧发现梨树沟金矿点,野外调查中在铁染、羟基蚀变及环形构造叠加区发现有褐铁矿化石英脉出露(如图6-b所示),并见有民采坑(如图6-c所示)。因此该找矿预测远景区具有较好的找矿前景。

Ⅲ找矿预测远景区位于大洼,出露中粗粒二长花岗岩、细粒二长花岗岩、奥陶系—志留系、二叠系及石英脉等,遥感解译显示该找矿预测远景区位于环形构造及其边缘,具明显北东向线性构造,且环形构造边缘与线性构造重叠位置的铁染、羟基蚀变强烈;该区野外调查中选取铁染、羟基蚀变强裂与环形构造及线性构造叠加区,以及脉岩发育地区,见一北西向构造破碎带,其中韧性剪切带发育,发育强褐铁矿蚀变,如图7所示。依据区内找矿标志,大洼具有良好成矿条件,且存在地表直接矿化现象,故该远景区内具有较好的找矿前景。

图7 大洼构造破碎带

5 结 论

1)选取Landsat 8 OLI影像,利用主成分分析法,提取了撰山子地区的羟基、铁染蚀变信息。结果显示,撰山子地区羟基、铁染蚀变强烈,主要沿北西向断裂和北东向断裂交会部位及环形构造附近分布,与区内已有金矿(点)床分布一致;铁染蚀变信息与羟基蚀变信息空间关系不明显,但金矿化均位于二者叠加部位。

2)综合构造解译、遥感蚀变信息及区域与撰山子地区地质特征,建立撰山子地区金找矿标志,依此圈定3处找矿预测远景区。经实地调查,撰山子地区具有较好的找矿潜力,基于Landsat 8 OLI影像提取的信息均有地表构造及蚀变的验证。

3)在撰山子地区通过遥感信息提取及解译建立的找矿标志是可信的,依此圈定的找矿预测远景区仍需要结合地物化综合信息及实地情况进行进一步验证。