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遙感找礦信息提取及靶區(qū)預(yù)測——以青海祁連縣紅土溝-川刺溝地區(qū)為例

2015-10-31 08:15:24張志軍莊光軍楊濤王明劉慧藍(lán)王利功
遙感信息 2015年4期
關(guān)鍵詞:礦化羥基成礦

張志軍,莊光軍,楊濤,王明,劉慧藍(lán),王利功

(1.武警黃金第六支隊,西寧 810000;2.中國國土資源航空物探遙感中心對地觀測技術(shù)工程實驗室,北京 100083;3.河南省地礦局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南 洛陽 471023)

0 引 言

北祁連成礦帶是青海重要的成礦帶之一,帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)銅、金、鐵、鉻、鉛、鋅等25種礦產(chǎn),礦點200多處[1]。成礦帶內(nèi)地球化學(xué)異常發(fā)育,但區(qū)內(nèi)自然環(huán)境惡劣、構(gòu)造及其復(fù)雜,多年來地質(zhì)找礦工作進(jìn)展緩慢。紅土溝-川刺溝地區(qū)就位于該帶上,通過多年的地質(zhì)調(diào)查工作,發(fā)現(xiàn)了多處金礦體,但都不連續(xù)、規(guī)模不大,透鏡狀產(chǎn)出,地表工程見礦效果不好。

遙感找礦信息是指通過對圖像處理、理解和判識所獲取的與成礦地質(zhì)條件(巖漿巖、地層巖性、構(gòu)造、礦化蝕變等條件)具相關(guān)性的專題信息[2]。遙感技術(shù)作為一種經(jīng)濟快捷、實用有效的地質(zhì)勘查技術(shù)之一,具有多尺度、真實直觀、快速高效等優(yōu)勢。前人在北祁連曾做過部分遙感相關(guān)工作[3],但都僅限于蝕變信息提取,沒有開展多元信息分析、缺乏綜合研究。為了實現(xiàn)區(qū)域找礦突破,尋找有利靶區(qū),本次研究通過ETM和GeoEye-1遙感影像,采用“SAM去干擾異常主分量閾值門限技術(shù)”,結(jié)合礦區(qū)已有的地質(zhì)、化探資料,進(jìn)行成礦預(yù)測,圈定靶區(qū)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北祁連加里東優(yōu)地槽褶皺帶Ⅱ級構(gòu)造單元的托萊山復(fù)向斜北翼,各構(gòu)造單元及斷裂呈北西—南東向平行展布為區(qū)域構(gòu)造線的總體特征[4]。研究區(qū)賦礦層為下奧陶統(tǒng)陰溝群,其巖性較為復(fù)雜。區(qū)內(nèi)巖漿巖在深大斷裂帶及次級斷裂帶中發(fā)育,多呈巖脈、巖枝狀。加里東期有超基性巖、輝長巖及中酸性巖脈,分布廣泛,受后期改造,有不同程度的蝕變,形成石英菱鎂巖、滑石菱鎂巖,巖體局部片理發(fā)育,其展布方向及形態(tài)均受區(qū)域性構(gòu)造控制[5]。

地球化學(xué)工作,前人在小水溝-玉石溝一帶進(jìn)行了1∶20萬水系沉積物測量,圈定Au、As、Sb、Cu、Hg、Ag、Cr等多種元素組合異常;1∶5萬水系沉積物測量,將該異常分解為26個異常,以單元素Au異常為主。區(qū)內(nèi)礦化蝕變類型復(fù)雜多樣,常見類型有黃鐵礦化、褐鐵礦化、蛇紋石化、綠泥石化、綠簾石化、絹云母化、碳酸鹽化等。

2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本研究使用的遙感影像包括兩種:ETM影像和GeoEye-1影像。ETM影像1景,影像獲取時間為 2001-07-03;GeoEye-1 影 像 覆 蓋 全 區(qū),面 積92km2,影 像 獲 取 時 間 為 2013-03-28。 成 圖 所 用DEM為GDEM 30m數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)無大面積云、雪等干擾因素,質(zhì)量良好。

圖1 紅土溝-川刺溝礦區(qū)地質(zhì)圖

2.2 預(yù)處理

(1)ETM 影像預(yù)處理

多光譜影像彩色合成選用最佳指數(shù)法(Optimum Index Factor),OIF指數(shù)作為衡量合成方案優(yōu)劣的一個因子,其基本思路是“方差最大,相關(guān)性最小”原則[6]。算法如下:

其中,Si為第i波段的亮度值標(biāo)準(zhǔn)差,Ri為波段間的相關(guān)系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)差反映離散程度,Si越大,說明影像上不同地物的輻射強度越大,相關(guān)系數(shù)反映波段之間信息的重復(fù)度,Ri越小,說明波段合成影像所包含的信息就越豐富。

OIF公式是數(shù)理統(tǒng)計意義上的組合公式,其中的相關(guān)系數(shù)具兩面性的作用。波段間相關(guān)系數(shù)既不能太大,也不能太小,不能簡單地以O(shè)IF值最高作為選取方案的標(biāo)準(zhǔn),而應(yīng)取數(shù)個方案去得到最佳合成方案[7]。

由表1可知,541、741、751組合產(chǎn)生的OIF值最大,對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)和分別為1.00、0.87、0.93。B4與B5、B7的相關(guān)系數(shù)分別為0.72、0.49;B5、B7的相關(guān)系數(shù)為0.91,同時B4是含鐵氧化物的特征譜帶,首先排除751組合。由于B4與B5相關(guān)系數(shù)為0.72,三波段相關(guān)系數(shù)和為1.00,且B7波段對巖石、特定礦物敏感。因此,為使巖性信息突出,地質(zhì)構(gòu)造清晰,地質(zhì)可解譯性較高,采用741波段的RGB組合。

表1 研究區(qū)ETM影像波段組合最佳指數(shù)(OIF)

(2)GeoEye-1影像預(yù)處理

基于GeoEye-1衛(wèi)星及其影像數(shù)據(jù)的特點,采用“先融合后糾正”的基本思路進(jìn)行處理[8-9]。即先進(jìn)行全色與多光譜遙感影像融合,然后對融合影像作正射糾正。

3 構(gòu)造解譯

構(gòu)造解譯分為兩部分:ETM用來解譯一級線、環(huán)形構(gòu)造,GeoEye-1用來解譯二級線、環(huán)構(gòu)造。

3.1 ETM影像構(gòu)造解譯

為增強主干構(gòu)造,采用主成分變換+空間濾波方法,先對ETM進(jìn)行主成分變換,第四主成分(PC4)主要包含主干構(gòu)造信息,對其進(jìn)行3×3的低通卷積濾波,增強大型構(gòu)造體,削弱小型線性體[10]。最后采用方向濾波(Directional Filter),增強NW方向構(gòu)造。如圖2所示,區(qū)內(nèi)有兩條大型構(gòu)造帶,應(yīng)是本區(qū)的一級構(gòu)造帶,ETM影像上解譯標(biāo)志明顯,具明顯的條帶狀特征,延伸遠(yuǎn),連續(xù)性好,明顯控制巖漿活動,對區(qū)域地質(zhì)有很大的影響。

根據(jù)OIF結(jié)果,ETM 以R(7)G(4)B(1)彩色合成,進(jìn)行區(qū)域構(gòu)造解譯,如圖3所示。從線性構(gòu)造空間展布特征分析,區(qū)內(nèi)構(gòu)造以NW向為主,其次為NE向、近EW向和近NS向。解譯出環(huán)形構(gòu)造5處,其附近線性構(gòu)造發(fā)育,且都與本區(qū)的一級構(gòu)造帶相交或相切。線性構(gòu)造在某些部位相對集中;構(gòu)造規(guī)模大者多為地質(zhì)體的分界線,兩側(cè)擠壓現(xiàn)象明顯;規(guī)模小者多發(fā)育于地層內(nèi)部,或巖體內(nèi)大型節(jié)理帶、破碎帶。

圖2 ETM影像方向濾波增強構(gòu)造圖

圖3 ETM影像構(gòu)造解譯圖

3.2 GeoEye-1影像構(gòu)造解譯

本研究中Geoeye-1主要用于解譯小型構(gòu)造。如圖4所示,由于推覆造山,強烈的擠壓作用,線性構(gòu)造發(fā)育,以較為密集的NWW、NW向線性構(gòu)造為主,不僅規(guī)模大,且密度也大,致使區(qū)內(nèi)各系、統(tǒng)或統(tǒng)內(nèi)的地層大部分呈斷條狀產(chǎn)出。有規(guī)模稍大的斷裂,也有同期、后期形成的小斷裂。NE向和近EW向斷裂,規(guī)模小,壓扭性,大多切穿NWW、NW向斷裂,對前期構(gòu)造起破壞作用。線性構(gòu)造空間分布上顯示出相互交切,分枝復(fù)合的特征。解譯出的絕大部分線性構(gòu)造都分布于圖2的一級構(gòu)造帶內(nèi)。

3.3 野外驗證

圖4 GeoEye-1線性構(gòu)造解譯圖

研究區(qū)平均海拔4300m以上,野外驗證構(gòu)造點共計11處。結(jié)果顯示,遙感解譯構(gòu)造都與實際吻合,ETM可以控制區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,Geoeye-1對小構(gòu)造有較好的識別效果,如圖5所示,奧陶系陰溝群中基性火山巖組蝕變大理巖與超基性輝橄巖,侵入接觸。大理巖蝕變破碎,褐鐵礦化強烈;超基性輝橄巖蛇紋石化明顯,受擠壓力,巖石中礦物呈條紋狀、纖維狀半定向排列。接觸界線產(chǎn)狀:220°∠63°。

圖5 構(gòu)造驗證實地照片

4 遙感蝕變信息提取

本次蝕變信息提取以ETM為基礎(chǔ),采用“SAM去干擾異常主分量門限技術(shù)”[11]分別進(jìn)行羥基和鐵染信息的提取,并通過異常后處理,實現(xiàn)了遙感蝕變異常的分級。按照此方法設(shè)計出蝕變信息提取流程(圖6)。

4.1 干擾因素去除

去干擾工作是通過譜特征觀察,靈活選用不同的數(shù)學(xué)方法,將非目標(biāo)圖區(qū)及非目標(biāo)地物經(jīng)處理歸入干擾窗,盡可能地減少干擾物(水體、植被、云、陰影等)對異常提取產(chǎn)生的影響。利用不同地物的波譜曲線的特點,通過比值法、高低端切割等方法去除干擾。

圖6 蝕變信息提取流程圖

表2 干擾地物的去除方法

4.2 鐵染異常信息提取

采用B1、B3、B4、B5進(jìn)行鐵染信息提取,特征向量矩陣如表3所示,PC4主要包含B1、B3信息。其中PC4中B1貢獻(xiàn)為正,B3貢獻(xiàn)為負(fù),因此PC4分量可增強含鐵礦物的信息。而實際中B1為強吸收,B3為強反射,所以對PC4求反,求反后鐵氧化物在圖像上為高值區(qū)。

表3 鐵染信息提取的主成分特征向量矩陣

為避免異常點分布零亂無序,掩蓋了異常分布規(guī)律,使異常圖失去可讀性,采用3×3濾波去除孤立異常,使礦化點處較大的連片異常得到很好的保留。根據(jù)中值濾波后的PC4圖像直方圖的統(tǒng)計特征,確定均值+1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常下限,然后以0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差為步長,將異常分為強、中、弱三級。

4.3 羥基異常信息提取

基于羥基波譜特征,選用B1、B4、B5、B7進(jìn)行羥基異常信息提取,主成分分析后的特征向量矩陣如表4所示,PC4主要包含B5、B7信息。其中PC4中B1、B5貢獻(xiàn)為負(fù),ETM 對B4、B7貢獻(xiàn)為正,因此PC4分量可以反映羥基和碳酸鹽化異常。而實際中B7為強吸收,B5為反射,所以對PC4求反,求反后羥基和碳酸鹽化在圖像上為高值區(qū)。同樣的方法制作三級羥基異常圖。

表4 羥基信息提取的主成分特征向量矩陣

4.4 異常篩選

遙感異常篩選主要采用光譜特征識別、比值法驗證、不同類型異常相互驗證、光譜角法優(yōu)選等。本研究選用光譜角優(yōu)選法,因缺乏礦區(qū)典型蝕變巖石的實測波譜數(shù)據(jù)樣本,結(jié)合礦區(qū)實際,選用ENVI軟件中自帶的USGS光譜庫中典型礦物光譜(褐鐵礦,黃鉀鐵礬;綠泥石,蛇紋石),做光譜角篩選。

將已選定的典型礦物標(biāo)準(zhǔn)曲線重采樣到ETM波段上,分別進(jìn)行含F(xiàn)e離子礦物和羥基基團礦物的SAM異常填圖,兩組礦物光譜角填圖閾值分別為0.16和0.14。利用波段運算,將同類PCA分類數(shù)據(jù)與SAM分類數(shù)據(jù)相乘,以達(dá)到對PCA結(jié)果的異常篩選[12],異常篩選前后對比如圖7所示。

圖7 異常篩選前后對比

4.5 野外驗證

實地驗證結(jié)果顯示,ETM提取的異常信息均與實際吻合,特別是鐵染異常能較好地指示褐鐵礦化、黃鉀鐵釩等與找礦關(guān)系密切的蝕變信息。如圖8(a)所示,呈條帶狀展布的黃褐色巖石為蝕變大理巖,風(fēng)化面黃褐色、灰白色,新鮮面白色,主要組成礦物為方解石、白云石,由于后期風(fēng)化作用影響,巖石較破碎,表面褐鐵礦化明顯,呈碎塊散落。此處大理巖處于與輝橄巖接觸帶部位。

對大水溝鐵染異常進(jìn)行查證時,新發(fā)現(xiàn)7號鐵礦化帶(圖8(b)),磁鐵礦品位20%~30%左右。蝕變帶寬20m~70m,長度大于330m,巖性主要是板巖、蝕變輝長巖、蝕變大理巖。

圖8 ETM鐵染異常驗證實地照片

5 綜合分析及預(yù)測

5.1 蝕變信息結(jié)果分析

依據(jù)圖9和圖10,將兩類蝕變信息綜合分析如下:①礦化蝕變在全區(qū)分布廣泛、不均勻。鐵染異常相對分散,以中低強度的斑塊出現(xiàn),分布相對孤立分布,強度弱、面積?。涣u基異常沿托萊山走向,受斷裂構(gòu)造控制,集中分布,強度大、面積大,羥基異常都出現(xiàn)在超基性巖出露的地方,與超基性巖具有明顯的相關(guān)性。②蝕變異常具有明顯的方向性,主要呈NW向展布。與斷裂構(gòu)造伴生的圍巖蝕變發(fā)育,主要是碳酸鹽化、褐鐵礦化、蛇紋石化,在遙感影像上,沿構(gòu)造帶呈褐黃—灰黃色透鏡狀產(chǎn)出,影像特征明顯。兩者都緊密夾持于南北兩個構(gòu)造帶中。

圖9 異常篩選后鐵染異常圖

圖10 異常篩選后羥基異常圖

5.2 多元信息綜合分析

構(gòu)造等密度圖反映線環(huán)構(gòu)造空間密度分布的結(jié)構(gòu)特征,為多元信息找礦提供線索。一般高密度異常區(qū)代表了斷裂或褶皺發(fā)育部位,低密度異常區(qū)可能代表了構(gòu)造相對穩(wěn)定的地塊或第四系覆蓋區(qū)[13]。

本研究中線性構(gòu)造密度分析在ArcGIS中進(jìn)行,采用Kernel Density空間分析工具,采樣半徑為1km(圖11)。構(gòu)造密度統(tǒng)計圖上兩向延長的高值區(qū)或具有一定延伸方向的亮值梯度帶多為區(qū)域構(gòu)造帶的反映,從圖11上看,在狹長的研究區(qū)南北兩側(cè),靠近南北邊界附近,分別有一條構(gòu)造密度高值延長帶,線性構(gòu)造密集,呈NWW向延展;中間部位,構(gòu)造密度值低,與前面解譯出的一級構(gòu)造帶較吻合。

為直觀地顯示礦化蝕變信息與構(gòu)造的空間關(guān)系,將構(gòu)造、蝕變異常、化探、已知礦體進(jìn)行疊加,如圖12所示,礦化蝕變與構(gòu)造有著密切的空間相關(guān)性,礦化蝕變信息主要受NW向構(gòu)造的控制,其分布與區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格架大體一致,都分布在斷裂構(gòu)造較為發(fā)育的地區(qū)。南北兩個一級構(gòu)造帶上都有較強的蝕變異常分布,推測是推覆造山作用影響,在超基性與中基性火山巖接觸部位形成由韌性剪切作用造成的強烈破碎帶和糜棱巖化的構(gòu)造破碎蝕變帶,發(fā)育黃鐵礦化、褐鐵礦化、碳酸鹽化,因此從遙感蝕變異常較為發(fā)育。已圈金礦體、遙感蝕變異常都緊密夾持于北側(cè)一級構(gòu)造帶內(nèi),且礦體都分布于環(huán)形構(gòu)造附近,這對于該區(qū)找礦具有實際指導(dǎo)意義。沿此一級構(gòu)造帶往南,大水溝環(huán)形構(gòu)造附近,有異常AS2-44和AS2-43,與鐵染異常套和較好,是下一步比較有利的工作區(qū)。線性構(gòu)造高密度區(qū),北構(gòu)造帶向東南延伸的次級斷裂部位,加里東期超基性巖與奧陶紀(jì)陰溝群火山巖組的接觸帶上是成礦優(yōu)勢區(qū)域。

圖11 線性構(gòu)造密度統(tǒng)計圖

圖12 構(gòu)造與蝕變信息疊合圖

5.3 成礦預(yù)測

成礦預(yù)測的基本理論概括為相似類比理論、“求異”理論、控礦因素組合控礦理論。本研究采用控礦因素組合理論,根據(jù)已知礦床(點)反映出的成礦規(guī)律、控礦條件及找礦標(biāo)志等,借助ArcGIS 9.3軟件平臺,將遙感蝕變信息、構(gòu)造信息、地球化學(xué)信息以及已知礦體、已知礦化信息等綜合分析,獲得成礦有利空間分布,最后圈出3個預(yù)測靶區(qū)(圖13)。

①大水溝中游預(yù)測區(qū)(Ⅰ)

如圖15(a),該預(yù)測區(qū)位于研究區(qū)一級構(gòu)造帶上,發(fā)育NWW向次級斷裂構(gòu)造,與環(huán)形構(gòu)造相交,該帶北部已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多處金礦體,是一級構(gòu)造帶東南方向的延伸,與已發(fā)現(xiàn)的金礦體具有相同的構(gòu)造條件。預(yù)測區(qū)位于蛇紋石化輝橄巖和奧陶紀(jì)陰溝群火山巖組的接觸帶上,有金、砷、銻綜合異常AS2-44和單金異常AS2-43;發(fā)育呈NWW帶狀展布的強鐵染異常和零星羥基異常,二者套和良好。

此次普查工作,在大水溝中游三岔口,蛇紋石化輝橄巖與奧陶紀(jì)陰溝群觸帶上發(fā)現(xiàn)一處規(guī)模較大,礦化較好的蝕變帶(圖14),礦化類型主要是磁鐵礦化、褐鐵礦化,圖14中標(biāo)出的蝕變帶對應(yīng)于圖13中所標(biāo)識的紅色圖斑。該蝕變帶為下一步工作確立新的工作靶區(qū),提供了有利證據(jù)。

②大水溝溝腦預(yù)測區(qū)(Ⅱ)

如圖15(b)所示,該預(yù)測區(qū)位于研究區(qū)南側(cè)一級構(gòu)造帶上,與環(huán)形構(gòu)造相切,NWW向次級斷裂發(fā)育。預(yù)測區(qū)緊鄰?fù)腥R山山頂超基性巖體,地層主要為奧陶紀(jì)陰溝群碎屑巖組。預(yù)測區(qū)有兩處金、砷、銻綜合異常 AS2-3和 AS2-10,一處單金異常AS2-41;有呈NWW帶狀展布的強鐵染異常,南緣有大面積的強羥基異常出現(xiàn)。在后期巖石地化測量工作中,圈出1個 Au、Ag、Pb、Mo、Cu綜合異常。

圖14 大水溝礦化蝕變帶三維立體圖(GeoEye-1)

③紅土溝西溝預(yù)測區(qū)(Ⅲ)

如圖16所示,該預(yù)測區(qū)位于研究區(qū)北側(cè)一級構(gòu)造帶上,該帶已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多處金礦體,因此預(yù)測區(qū)與已發(fā)現(xiàn)的金礦體具有相同的構(gòu)造條件。預(yù)測區(qū)位于蛇紋石化輝橄巖和奧陶紀(jì)陰溝群火山巖組的接觸帶上,發(fā)育NWW向、NW向次級斷裂構(gòu)造,位于兩組斷裂交匯處。斷裂構(gòu)造部位發(fā)育呈帶狀展布的強羥基異常和零星的鐵染異常。預(yù)測區(qū)有兩處金、砷、銻綜合異常AS2-5和AS2-6,異常濃集中心明顯。在先前的地質(zhì)工作中,預(yù)測區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有一處金礦化點,有較好的找礦潛力。

圖15 大水溝靶區(qū)附近遙感綜合信息圖

圖16 紅土溝西溝靶區(qū)附近遙感綜合信息圖

6 結(jié)束語

本研究中,ETM數(shù)據(jù)用來確立區(qū)域構(gòu)造格架,控制大的地塊單元,提取遙感蝕變信息;GeoEye-1數(shù)據(jù)用來解譯精細(xì)構(gòu)造,控制地層巖性邊界,識別微小地質(zhì)體。兩種遙感數(shù)據(jù),不同構(gòu)造尺度,蝕變與構(gòu)造信息融合,為最終圈定靶區(qū)提供了有利依據(jù)。

線性構(gòu)造密度統(tǒng)計結(jié)果顯示,已知礦化點都位于一級構(gòu)造帶上。線性構(gòu)造高密度區(qū),北構(gòu)造帶向東南延伸的次級斷裂部位,加里東期超基性巖與奧陶紀(jì)陰溝群火山巖組的接觸帶是成礦優(yōu)勢區(qū)域,有發(fā)現(xiàn)新礦體的潛力。

從鐵染異常分布看,在北部構(gòu)造帶中鐵染異常分布廣、強度大,有兩處鐵礦化點。在大水溝一帶發(fā)現(xiàn)比較有工作價值的鐵礦化點。不僅研究區(qū)內(nèi),鄰區(qū)及外圍,鐵礦化點較多,且青海地勘單位在鄰區(qū)進(jìn)行鐵礦勘查已經(jīng)取得突破。因此研究區(qū)也有找鐵的潛力,要引起足夠重視,拓展多金屬找礦的前景。

通過野外實地工作,在大水溝中游預(yù)測區(qū)發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較大,礦化較好的蝕變帶,礦化類型主要是磁鐵礦化、褐鐵礦化;在大水溝溝腦預(yù)測區(qū)圈出1個Au、Ag、Pb、Mo、Cu綜合異常。這說明本次提取蝕變礦物信息的結(jié)果與實際情況吻合,驗證了“SAM去干擾異常主分量門限技術(shù)”的有效、可行,預(yù)測區(qū)圈定準(zhǔn)確,利用遙感技術(shù)服務(wù)于地質(zhì)找礦工作的科學(xué)性和可行性。

研究區(qū)目前的找礦工作,缺少對地表工程和化探數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析升華,缺少成礦綜合研究與地質(zhì)施工統(tǒng)籌。下一步應(yīng)研究礦體剝蝕程度,厘定成礦構(gòu)造其次,使找礦行動更有針對性,提高下步工作的準(zhǔn)確率。

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