張川， 葉發(fā)旺， 徐清俊， 劉洪成， 孟樹

(1.核工業(yè)北京地質研究院，遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

新疆白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)航空高光譜礦物填圖及蝕變特征分析

張川1,2， 葉發(fā)旺1， 徐清俊1， 劉洪成1， 孟樹1

(1.核工業(yè)北京地質研究院，遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029；2.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

以新疆白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)為研究區(qū)，通過建立航空高光譜數(shù)據(jù)CASI/SASI礦物填圖處理流程，運用混合調制匹配濾波技術實現(xiàn)了多種蝕變礦物的填圖。填圖結果的野外驗證表明，3種絹云母亞類的準確性高于85%，其他各類礦物的準確性高于90%。疊加研究區(qū)鈾礦點資料，發(fā)現(xiàn)白楊河礦區(qū)赤鐵礦化和高鋁絹云母的空間分布特征與鈾礦點分布高度相關，主要位于楊莊巖體與外圍火山巖的北接觸帶附近，呈明顯分帶性。并且，高、中、低鋁絹云母的空間分布指示礦床北部和南部的熱液活動溫度可能存在差異，區(qū)域上存在多期熱液活動作用。這為礦區(qū)外圍找礦預測和區(qū)域地質成因研究提供了參考和依據(jù)。

高光譜遙感； 蝕變； 白楊河； 鈾礦； 礦物填圖

0 引言

近年來，高光譜遙感在國內地質調查領域取得了許多的進展和成果，并為金、銅、鉛鋅及其他金屬礦產(chǎn)勘查提供了有效的技術支持[1-4]。但在鈾礦地質領域，高光譜遙感的應用相對較少。已有研究表明，熱液活動與蝕變作用對鈾成礦的富集具有一定的作用[5,6]，高光譜蝕變礦物填圖對鈾礦找礦勘查具有十分重要的意義。

高光譜礦物填圖的實質是對高光譜圖像進行監(jiān)督分類。當前國內外高光譜礦物填圖方法可以大致歸為2類： 基于統(tǒng)計特征的方法和基于光譜特征的方法。前者是根據(jù)已知訓練樣本的統(tǒng)計特征，確定判別函數(shù)或判別規(guī)則，從而進行歸類，如最大似然法、馬氏距離法、支持向量機等[7]； 后者是通過比較研究重建光譜和參考光譜之間的相似性來判斷地物的歸屬，如光譜角匹配、光譜相關性匹配、光譜匹配濾波等[8]。有研究表明，在巖礦識別方面，基于光譜特征的分類方法精度優(yōu)于基于統(tǒng)計特征的分類方法[9]。本文以新疆維吾爾自治區(qū)白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)為研究區(qū)，選擇適當?shù)墓庾V匹配方法開展航空高光譜礦物填圖應用研究，結合礦點資料進行蝕變分帶特征分析，為礦區(qū)及外圍資源勘查提供一些參考。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

白楊河地區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準噶爾盆地西北緣雪米斯坦(或稱謝米斯臺)火山巖帶的西段，大地構造上處于哈薩克斯坦-準噶爾板塊西北緣古生代陸緣活動帶內晚古生代成熟島弧之上[10]。白楊河礦床是雪米斯坦火山巖帶西部發(fā)現(xiàn)的具有工業(yè)意義的鈾、鈹共生礦床，區(qū)域構造位置位于兩條近EW向大斷裂的交匯處，在此基礎上，發(fā)育了數(shù)條NE向二級斷裂和其他的次級斷裂，這些斷裂控制了本區(qū)重要的火山機構和巖體的展布。區(qū)內出露地層由老至新為泥盆系、石炭系、新近系及第四系。火山巖厚度大，巖性復雜，巖漿演化系列完全，從基性到酸性的各類火山碎屑巖和熔巖均有發(fā)育，是火山巖型鈾礦化及其他金屬成礦的有利環(huán)境。圖1為白楊河礦床地質圖，是在楊文龍等[11]和修曉茜等[12]研究基礎上修改成圖的。

1—新近系; 2—下石炭統(tǒng)黑山頭組; 3—下石炭統(tǒng)和布克河組; 4—上泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺組上亞組; 5—上泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺組下亞組; 6—輝綠巖; 7—輝石閃長巖; 8—閃長玢巖; 9—花崗斑巖; 10—白崗巖; 11—侵入巖接觸界線; 12—角度不整合界線; 13—向斜軸部; 14—背斜軸部; 15—斷裂及編號; 16—推測斷裂

根據(jù)前人研究，礦床產(chǎn)出于晚石炭世微晶花崗斑巖與上泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺組中酸性火山巖的接觸帶附近，圍巖蝕變發(fā)育種類多樣，主要有水云母化、赤鐵礦化、綠泥石化、碳酸鹽化、螢石化等，礦體旁由熱液蝕變導致形成褪色帶，呈淺綠至白色，在褪色帶之上局部發(fā)育赤鐵礦化[12]。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文采用引自加拿大的CASI/SASI機載成像光譜儀，它可以獲取可見光-短波紅外光譜范圍的圖譜合一的高光譜分辨率影像數(shù)據(jù)，空間分辨率達到亞米級，具體技術參數(shù)指標如表1所示。

表1 CASI/SASI成像光譜儀技術指標

2 高光譜圖像處理

根據(jù)表1中所介紹的系統(tǒng)參數(shù)，CASI/SASI傳感器的探測范圍均在可見光-短波紅外波段，所接收的信號都為地表反射太陽光的輻射能量信息，因此它們的數(shù)據(jù)處理方法是類似的。圖2是CASI/SASI高光譜數(shù)據(jù)處理和礦物填圖技術路線圖。

圖2 CASI/SASI航空高光譜數(shù)據(jù)處理與礦物填圖技術流程

2.1 圖像預處理

高光譜圖像預處理是進行高光譜遙感礦物填圖的基礎。圖像預處理主要包括輻射校正、幾何糾正、大氣校正和光譜重建等幾個步驟。輻射校正的目的是去除儀器系統(tǒng)誤差，將原始圖像DN值轉化為輻射亮度值； 幾何糾正的目的是消除圖像空間幾何變形，使圖像中的地物與實際地理位置相匹配； 大氣校正的目的是去除輻射傳輸過程中的大氣環(huán)境影響，將輻射亮度值轉化為反射率，實現(xiàn)光譜重建。本文采用加拿大ITRES公司提供的系統(tǒng)軟件對CASI/SASI數(shù)據(jù)進行輻射校正和幾何糾正； 幾何糾正時還結合了研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進一步提高了糾正精度。利用飛行同步采集的定標場反射率，采用經(jīng)驗線性法[13]完成了大氣校正和光譜重建。

2.2 礦物信息提取

2.2.1 端元光譜提取

確定端元光譜是礦物填圖之前的關鍵環(huán)節(jié)，在已有研究區(qū)詳細地質資料的情況下，可以根據(jù)要提取的目標礦物，通過光譜測量或調用光譜庫，直接確定礦物端元光譜，也可以稱之為基于已知目的的方法。但是，對于一個全新的區(qū)域來說，未知往往多于已知，即這片區(qū)域很可能存在經(jīng)驗知識中沒有出現(xiàn)的礦物，因此，通過數(shù)學方法從圖像中挖掘提取出礦物端元光譜，有利于新發(fā)現(xiàn)，可以稱之為基于未知探索的方法，這套方法目前已集成到遙感圖像處理軟件ENVI中。具體的方法步驟為： 首先，對光譜重建后的高光譜數(shù)據(jù)進行特征選擇，并采用最小噪聲分離變換(minimum noise fraction rotation，MNF)的方法進行降維和去噪處理，以優(yōu)化數(shù)據(jù)的信息量； 第二，利用純凈像元指數(shù)(pixel purity index，PPI)從高光譜圖像絕大多數(shù)的混合像元中分離出相對“純凈”的像元，以減少在確定端元時所需分析的像元數(shù)，使得端元的提取更加容易； 第三，將“純凈”像元輸入到N維可視化空間中，每個像元為其中的一個點，端元一般位于多個點集群處或集群拐角，對這些點進行人機交互式端元選擇，通過比對美國地質勘探局USGS礦物標準光譜庫來確定最終的礦物端元。

本研究將以上方法相結合，一方面通過對研究區(qū)資料的調研，了解研究區(qū)已知存在的蝕變礦物類型，同時獲取鉆孔巖心蝕變樣品進行實驗室光譜測量，并與美國USGS礦物標準光譜庫進行綜合比對和光譜分析，確定各類蝕變礦物的診斷性光譜特征波長位置和波長區(qū)間。另一方面，通過“特征選擇→MNF變換→PPI計算→N維可視化分析→專家光譜解譯”從高光譜數(shù)據(jù)中識別并提取礦物端元光譜，其中SASI數(shù)據(jù)選擇波長2 000 nm之后的波段進行上述處理。這樣能夠最大程度地避免漏提和錯提的現(xiàn)象，提高礦物填圖的精度。如圖3所示，從CASI數(shù)據(jù)中識別并提取了赤鐵礦。如圖4所示，從SASI數(shù)據(jù)中識別并提取出的礦物種類主要包括： 高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母、蒙脫石、高嶺石、綠簾石、碳酸鹽礦物等。前人研究表明，絹云母的鋁羥基(Al-OH)吸收位置隨云母中六次配位鋁(AlⅥ)含量的增加向短波方向漂移[14,15]。因此，根據(jù)SASI數(shù)據(jù)識別Al-OH在2 200 nm附近的吸收波長位置，分別位于2 195 nm，2 210 nm和2 225 nm，本文將絹云母端元進一步細分出了高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母3類。

圖3 CASI端元光譜曲線

圖4 SASI端元光譜曲線

2.2.2 礦物填圖

高光譜礦物填圖是根據(jù)礦物端元光譜，將這些礦物從圖像上提取并表達出來的過程。礦物填圖的光譜匹配方法分為基于局部光譜和基于整體光譜的方法，前者僅利用光譜曲線診斷性吸收峰的深度、寬度、對稱度等參量進行相似性匹配識別； 后者以全部光譜區(qū)間或某一段光譜區(qū)間的整體光譜為基礎進行相似性匹配識別。因此，后者可以在一定程度上改善單個波形的不確定性影響，從而提高識別精度[16]。此外，由于高光譜圖像普遍存在的混合像元效應，多采用線性解混的方法，對光譜重建后的高光譜圖像進行亞像元分解，得到每種端元礦物在像元中的比例。筆者認為，結合了地物實際波譜特征并考慮了混合像元問題的方法，是高光譜礦物填圖相對更為理想的方法。因此，本文選擇混合調制匹配濾波(mixture tuned matched filtering,MTMF)方法進行礦物填圖。MTMF的思想是對像元進行解混并估計每個像元端元的豐度，是將線性混合分解與匹配濾波相結合的方法，它綜合了匹配濾波不需要其他背景端元光譜參與，以及不受線性混合分解的像元中各端元含量為正且總和為1的條件約束等優(yōu)點，因而降低了礦物的檢出限，能探測出其他方法不能檢測出的巖石中微量礦物成分[17]。每個端元在MTMF的結果中輸出一幅匹配濾波圖像和一幅不可行性圖像，同時具有一個大于背景分布值的較高的匹配濾波值和一個較低的不可行性值的像元即為此端元的最優(yōu)匹配像元，最后，采用二維散點圖結合閾值分割法可得到每種礦物對應的分布范圍。

3 礦物填圖結果及分析

3.1 礦物填圖結果與野外驗證

圖5和圖6分別為利用CASI和SASI高光譜數(shù)據(jù)提取的白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)礦物提取分布圖，并與已知的鈾礦化點分布位置進行了疊加。從各種礦物的空間分布特征來看，赤鐵礦化主要分布于楊莊巖體的北緣、西部以及南緣的中部； 高鋁絹云母主要分布在楊莊巖體的北緣、東緣和西南緣； 中鋁、低鋁絹云母及少量的蒙脫石發(fā)育在楊莊巖體西南部的外圍火山巖中。此外巖體西北部褶皺構造帶內發(fā)育了大量蝕變，包括各類絹云母、綠簾石、碳酸鹽、高嶺石及蒙脫石等?？傮w上看，各種蝕變主要發(fā)育在楊莊巖體與外圍火山巖的接觸帶邊緣附近以及外部，而巖體的內部蝕變相對較弱。

圖5 白楊河礦區(qū)CASI數(shù)據(jù)礦物提取分布圖

圖6 白楊河礦區(qū)SASI數(shù)據(jù)礦物提取分布圖

野外實地考察時對研究區(qū)進行了地面光譜測量，以驗證礦物填圖的準確性。野外光譜測量采用美國ASD(Analytica Spectra Devices., Inc)公司生產(chǎn)的Field Spec便攜式可見光-短波紅外地物光譜儀，其光譜范圍覆蓋350～2 500 nm，光譜分辨率在350～1 050 nm之間為3 nm，1 050～2 500 nm之間為10 nm。在實際測量中，選擇晴朗無云的天氣，每個驗證點依據(jù)填圖礦物濃集區(qū)在圖像中的坐標位置定位到野外實地的蝕變發(fā)育地段，在坐標中心點及其附近測量10～20組光譜曲線，對測量后的光譜曲線進行光譜識別，若80%以上的光譜曲線特征與填圖礦物類型相吻合，說明該填圖礦物在實地的混合礦物比例中占據(jù)主導地位，即認為此驗證點上的礦物填圖是準確的。光譜曲線識別依據(jù)礦物診斷性光譜特征的吸收峰波長位置、吸收峰組合、吸收峰深度以及光譜曲線整體形態(tài)等進行判斷。由于野外測量的露頭光譜多為混合光譜，每種礦物的判斷需要滿足其特征吸收峰必須存在，并且吸收峰深度相對較強的原則。以絹云母為例，特征吸收峰有2個分別位于2 200 nm和2 350 nm附近，吸收峰波長位置區(qū)間分別在2 190～2 202 nm和2 345～2 355 nm的為高鋁絹云母； 吸收峰波長位置區(qū)間分別在2 202～2 212 nm和2 345～2 355 nm的為中鋁絹云母； 吸收峰波長位置分別在2 212～2 225 nm和2 345～2 355 nm的為低鋁絹云母。利用ASD對填圖的各種礦物進行光譜測量，重點對高、中、低鋁絹云母進行了驗證測量，對測量之后的光譜曲線進行逐條的識別、分析和判斷。結果表明高嶺石、碳酸鹽、綠簾石的礦物填圖準確率達到100%，赤鐵礦的準確率在90%以上； 而高、中、低鋁絹云母和蒙脫石的填圖準確率略低，但也達到了85%以上，這是因為這幾種礦物的光譜特征較為相似?？傮w上看，利用CASI/SASI進行精細礦物填圖的準確性很高，對區(qū)域蝕變的研究十分有利。圖7為野外實地驗證的照片和部分光譜測量結果。

(a) 赤鐵礦化野外照片 (b) 赤鐵礦化光譜測量曲線

(c) 高鋁絹云母野外照片(d) 高鋁絹云母光譜測量曲線

(e) 低鋁絹云母野外照片(f) 低鋁絹云母光譜測量曲線

3.2 蝕變特征分析及探討

根據(jù)CASI和SASI礦物填圖結果分析發(fā)現(xiàn)，白楊河礦區(qū)楊莊巖體北接觸帶的蝕變組合和空間分布具有明顯的分帶性，高鋁絹云母主要分布于巖體與外圍火山巖接觸帶的外帶，赤鐵礦化主要分布在接觸帶的內帶和巖體內部。將它們與已知鈾礦化點的空間位置疊加后分析，發(fā)現(xiàn)赤鐵礦化和高鋁絹云母的分布與本區(qū)鈾礦化的分布規(guī)律十分相似，空間相關性較高。這一點與鈾礦地質研究上普遍認為的鈾礦化與赤鐵礦化關系密切的認識相一致； 而高鋁絹云母與鈾礦化是否有關仍需要進一步的研究。

絹云母中的AlⅥ含量變化常常是由于地質學上組分相互替代造成的，組分替代過程常與溫度、壓力以及流體PH值密切相關，因此，絹云母Al-OH吸收峰位置可以用來討論流體成礦條件，對礦產(chǎn)勘查地質成因分析有重要的指導作用。前人的一些研究發(fā)現(xiàn)，對于許多熱液礦床來說，越靠近礦體和強蝕變巖處，絹云母的Al-OH吸收峰波長位置越小，遠離則波長位置越大[18-20]，因此高鋁絹云母反映了相對高溫的流體環(huán)境，而低鋁絹云母則反映相對低溫的流體環(huán)境。根據(jù)這些研究成果，本文認為在楊莊巖體北部發(fā)育以高鋁絹云母為主的蝕變，而南側主要發(fā)育低鋁、中鋁絹云母蝕變，反映了北部的熱液活動溫度相對較高，并且區(qū)域上可能存在過多期熱液活動作用。

4 結論

基于新疆白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)的CASI/SASI航空高光譜數(shù)據(jù)，利用混合調制匹配濾波技術實現(xiàn)了多種蝕變礦物的提取和填圖，得出以下結論：

1)航空高光譜礦物填圖的野外驗證結果表明，高光譜遙感可以為區(qū)域地質調查和找礦勘查預測提供準確而可靠的信息。

2)根據(jù)研究區(qū)鈾礦點和礦物填圖的空間疊加結果，赤鐵礦化和高鋁絹云母與礦區(qū)鈾礦點的分布高度相關，發(fā)育在楊莊巖體與外圍火山巖接觸帶附近，并具有明顯的空間分帶性，這為研究區(qū)外圍的找礦預測提供了參考。

3)根據(jù)三類絹云母的空間分布特征，反映了楊莊巖體的北部熱液活動溫度相對較高，南部溫度相對較低，并且區(qū)域上可能存在過多期熱液活動。這為該地區(qū)的地質成因研究提供了依據(jù)。

志謝： 感謝核工業(yè)二一六大隊在野外調查工作中提供的幫助。

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(責任編輯： 李瑜)

Mineral mapping and analysis of alteration characteristics using airborne hyperspectral remote sensing data in the Baiyanghe uranium and beryllium ore district，Xinjiang

ZHANG Chuan1,2， YE Fawang1， XU Qingjun1， LIU Hongcheng1， MENG Shu1

(1.NationalKeyLaboratoryofRemoteSensingInformationandImageAnalysisTechnology,BeijingResearchInstituteofUraniumGeology,Beijing100029,China; 2.FacultyofGeosciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

The technology of hyperspectral remote sensing has the special advantages in regional alteration information extraction. Hyperspectral mineral mapping has important reference value for hydrothermal uranium exploration. In this paper, the data processing flow of CASI/SASI airborne hyperspectral remote sensing data was established and mixture tuned matched filtering was applied to realize minerals mapping in the Baiyanghe uranium and beryllium ore district, Xinjiang. The results of mineral mapping were evaluated by the field verification and the results show that the accuracy of three kinds of sericite’s mapping is higher than 85% and the accuracy of other minerals’ mapping is larger than 90%. The overlay analysis of uranium ore spots and the results of mineral mapping show that there is a significantly correlation of the characterization of spatial distribution between uranium ore spots and the alteration of hematite and Al-rich sericite. The alterations of hematite and Al-rich sericite are near the contact zone between Yangzhuang rock body and peripheral volcanic rocks and exhibit distinct characteristics of zoning. Furthermore, there may be some differences in the temperature of hydrothermal activity between the north and the south of the deposit according to the spatial distribution characteristics of three kinds of sericite, which indicates the existence of multiple hydrothermal activities in the region. The results obtained by the authors can provide references for prospecting prediction of the periphery of the ore district and regional geological genesis research.

hyperspectral； alteration; Baiyanghe； uranium deposit； mineral mapping

10.6046/gtzyyg.2017.02.23

張川，葉發(fā)旺，徐清俊,等.新疆白楊河鈾鈹?shù)V區(qū)航空高光譜礦物填圖及蝕變特征分析[J].國土資源遙感,2017,29(2):160-166.(Zhang C，Ye F W，Xu Q J,et al.Mineral mapping and analysis of alteration characteristics using airborne hyperspectral remote sensing data in the Baiyanghe uranium and beryllium ore district，Xinjiang[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2):160-166.)

2015-12-11；

2016-06-22

中核集團優(yōu)先發(fā)展技術項目“鈾及伴生元素礦產(chǎn)勘查高分辨率遙感評價技術研究”(編號： 中核科發(fā)[2010]269號)資助。

張川(1985-)，男，工程師，博士研究生。主要從事高光譜遙感信息提取、遙感地質研究。Email: chuanzi521@163.com。

TP 79

A

1001-070X(2017)02-0160-07