韓海輝，任廣利，張轉(zhuǎn)，高婷，楊敏

(1.國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué)，陜西 西安 710054)

1 引言

利用遙感數(shù)據(jù)提取蝕變礦物的基礎(chǔ)就是熟知不同巖石和礦物的光譜吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化學(xué)環(huán)境下巖石和礦物的光譜變異特征。自20 世紀(jì)70 年代開始，以HUNT 和SALISBURY 為代表的國外學(xué)者對(duì)地球上各大巖石和礦物的光譜特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在可見光-近紅外光譜區(qū)(0.325～2.5μm)，巖石的吸收光譜是由雜質(zhì)、包體、蝕變礦物及替代成分產(chǎn)生的，其中造巖礦物中Si、A1、Mg、O 等主要化學(xué)成分并不產(chǎn)生具有診斷意義的反射譜帶，但次要礦物中所含的Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-等離子或分子基團(tuán)在電子躍遷和分子振動(dòng)作用下會(huì)在反射譜帶中形成特征吸收峰(HUNT G R，1977；HUNT G R et al.，1978；SALISBURY J W et al.，1989；SALISBURY J W et al.，1989) 。

例如，學(xué)者已發(fā)現(xiàn)鐵離子在0.9 μm 處具有吸收特征(ROBERT B S，1981)；絹云母和伊利石礦物中Al-OH 的吸收峰位置與其Al2O3含量呈線性關(guān)系(JAMES L P et al.，1993)；白云母中Al-OH 吸收峰在2 217 nm 處，而黑云母中該峰位則轉(zhuǎn)移到2 199 nm處(DUKE E F et al.，2010)。中國學(xué)者通過對(duì)蒙脫石、明礬石、白云母、高嶺土、綠泥石等蝕變礦物在可見光-近紅外區(qū)間的光譜形態(tài)與譜位特征進(jìn)行量化研究，發(fā)現(xiàn)二價(jià)鐵在1.0 μm 附近吸收譜帶強(qiáng)而寬，在0.43 μm、0.45 μm、0.51 μm和0.55 μm處亦產(chǎn)生吸收特征；三價(jià)鐵在0.70 μm 附近吸收譜帶最強(qiáng)(燕守勛等，2003)；含Al-OH 基團(tuán)的明礬石、絹云母、伊利石等礦物在2.165 μm、2.325 μm 和 2.355 μm處具有較強(qiáng)吸收峰(韓劍，2008)；含Mg-OH 基團(tuán)的綠泥石、綠簾石、蛇紋石等則在2.125 μm、2.315 μm 和 2.365 μm 處具有強(qiáng)吸收(劉漢湖，2008)；含CO32-離子的方解石、白云石等礦物在1.6～2.5 μm 區(qū)間出現(xiàn)5個(gè)特征吸收譜帶(蔣立軍，2011)。

由上可見，利用巖石和礦物的可見光-近紅外光譜分析能夠有效查明蝕變礦物的吸收特征，而這些特征規(guī)律是遙感圖像識(shí)別蝕變礦物的物理基礎(chǔ)，因此十分有必要繼續(xù)開展巖礦光譜特征的深入分析。筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)近年利用ASD 對(duì)從北山地區(qū)采集的不同蝕變巖石標(biāo)本進(jìn)行光譜測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同巖性的樣品中綠泥石、絹云母、碳酸鹽等礦物的特征譜帶吸收位置存在微小位移和差異，如研究成員已通過分析綠泥石樣品的氧化物成分與譜帶位置關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2 250 nm 附近的吸收譜帶隨著FeO+Fe2O3含量的增加而向長波方向偏移(YANG Min et al.，2014)。因此，進(jìn)一步查明這些蝕變礦物吸收譜帶的特征，并分析巖礦實(shí)測(cè)光譜和影像端元光譜之間相似性及匹配度關(guān)系，可以為蝕變礦物的遙感識(shí)別和提取提供光譜依據(jù)。

甘肅北山方山口地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來相繼發(fā)現(xiàn)了方山口、明金溝、新老金廠、拾金坡、花牛山等多個(gè)金、銀、銅、鉛鋅的礦床(點(diǎn))，使該區(qū)域呈現(xiàn)出金礦床(點(diǎn))數(shù)量多、成礦類型多樣、礦化蝕變特征明顯的特點(diǎn)。但該區(qū)域地質(zhì)演化歷史復(fù)雜，地層從太古宇到中生界出露較全，巖性多樣，巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，蝕變類型有硅化、黃鐵礦化(褐鐵礦化)、絹云母化、鐵碳酸鹽巖化和青磐巖化等(李文淵等，2006；田爭(zhēng)亮等，2001)。那么，這種復(fù)雜背景下，不同巖石和礦物的光譜吸收特征有何特點(diǎn)呢？跟遙感影像上對(duì)應(yīng)端元的光譜曲線是否吻合呢？另外，何種采集條件下獲取的地面巖礦光譜最具代表性呢？就上述問題，筆者對(duì)該試驗(yàn)區(qū)內(nèi)典型巖礦的光譜特征展開研究。首先，利用美國ASD便攜式近紅外光譜儀，對(duì)區(qū)內(nèi)分布的不同巖石和礦物進(jìn)行光譜曲線測(cè)量，并對(duì)光譜采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；其次，對(duì)研究區(qū)分布的典型巖礦樣品開展光譜特征分析，包括實(shí)測(cè)光譜特征分析、遙感影像(ASTER和CASI-SASI)光譜特征分析以及兩者的相似性分析。

2 地面巖礦光譜數(shù)據(jù)測(cè)量與預(yù)處理

本次實(shí)驗(yàn)采用的光譜測(cè)量?jī)x是美國ASD公司生產(chǎn)的的FieldSpec光譜儀，該儀器擁有光譜范圍寬、光譜分辨率高、光譜采樣間隔小等優(yōu)點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。光譜測(cè)量時(shí)為了保證數(shù)據(jù)精確有效，需要對(duì)校正白板、探頭觀測(cè)姿態(tài)、觀測(cè)次數(shù)、測(cè)量對(duì)象規(guī)格、光照情況等方面進(jìn)行嚴(yán)格限制，如測(cè)量時(shí)要求校正白板表面均勻潔凈，探頭垂直向下，同一樣品光譜數(shù)據(jù)測(cè)量曲線不少于10條，樣品規(guī)格一般為 9 cm×6 cm×3 cm的巖礦撿塊樣。為方便后續(xù)處理，測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)均采用ENVI軟件支持的Lib格式存儲(chǔ)。

表1 FieldSpec的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical parameters of FieldSpec

地面光譜測(cè)量布線時(shí)，將主要沿有通行條件且橫切各地質(zhì)體的方向布設(shè)，其中光譜測(cè)量點(diǎn)為路線兩側(cè)的地質(zhì)體，尤其是與成礦相關(guān)的圍巖和蝕變帶，采集樣品并測(cè)量其光譜曲線，同時(shí)對(duì)采樣位置、樣品巖性與蝕變現(xiàn)象、樣品采集環(huán)境做詳細(xì)記錄和拍照。對(duì)于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的典型礦床，則要以設(shè)置剖面的形式進(jìn)行系統(tǒng)采樣和光譜測(cè)量，采集時(shí)剖面布置要垂直于礦體的走向，且剖面要貫穿礦體、圍巖和蝕變礦物，沿剖面線詳細(xì)采集不同地質(zhì)體的光譜曲線；若礦床區(qū)域有探槽揭露的礦體，還需要對(duì)探槽內(nèi)的礦體進(jìn)行光譜測(cè)量，用以分析地面蝕變礦物與下伏礦體之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

測(cè)量好的地面光譜數(shù)據(jù)在分析前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和混合光譜解算。預(yù)處理可通過光譜儀自帶ViewSpecPro軟件完成，主要包括目標(biāo)數(shù)據(jù)選取、反射率轉(zhuǎn)換、噪聲去除。其中，目標(biāo)數(shù)據(jù)選取指將每個(gè)樣品的多條測(cè)量曲線進(jìn)行平均，降低數(shù)據(jù)隨機(jī)誤差，得到樣品平均光譜曲線；反射率轉(zhuǎn)換指利用參考白板的輻照度定標(biāo)參數(shù)，將光譜儀實(shí)測(cè)的目標(biāo)地物的輻照度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光譜反射率；噪聲去除指采用多項(xiàng)式圓滑，拋物線修正等方法，對(duì)反射率曲線進(jìn)行光滑修正處理，消除系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和光照誤差。

混合光譜解算的目的是判定樣品所含的蝕變礦物類型。光譜儀采集的巖石光譜曲線通常是多種礦物光譜曲線綜合的結(jié)果，因此需要進(jìn)行混合光譜解算。筆者利用SpecMin Pro Version 3.1軟件對(duì)樣品的光譜進(jìn)行解算，該軟件可以通過對(duì)比噴氣實(shí)驗(yàn)室(JPL)地物標(biāo)準(zhǔn)光譜庫輔助判斷樣品中所含的蝕變礦物。

3 不同條件下獲取的地面巖礦光譜特征對(duì)比

研究區(qū)內(nèi)雖然地表碎石大多殘留原地，但地表風(fēng)化嚴(yán)重，巖石表層存在不同程度的覆蓋物，巖石樣品也存在塊狀與粉末狀，部分樣品還被沙漠漆包裹，那么這些因素對(duì)巖石中特征離子或分子基團(tuán)的譜帶吸收規(guī)律是否有干擾呢？如何才能使采集的地面巖礦光譜最具代表性呢？為了解決上述問題，筆者對(duì)不同條件下獲取的地面巖礦樣品進(jìn)行了光譜特征對(duì)比研究。

(1)不同出露條件下同類巖石樣品的光譜特征。遙感蝕變礦物提取中面對(duì)的一個(gè)難點(diǎn)就是地表覆蓋物的干擾。那么，在地面巖礦光譜測(cè)量時(shí)，由地表風(fēng)化或者河流與風(fēng)力搬運(yùn)沉積帶來的表層覆蓋物對(duì)巖石和礦物的光譜會(huì)產(chǎn)生何種影響？就此問題，本實(shí)驗(yàn)以采集的5種不同覆蓋環(huán)境下的綠泥石化凝灰質(zhì)火山熔巖為樣本，利用ASD對(duì)各樣品進(jìn)行光譜測(cè)量，對(duì)比分析不同出露環(huán)境下相同巖石的光譜特征。這5種樣品分別為：取塊巖石標(biāo)本樣品、原位露頭巖石樣品、原地碎石樣品、薄土覆蓋巖石樣品(樣品表層土層厚度約1～2 mm)和浮土覆蓋巖石樣品(樣品表層土層厚度超過3 mm)。

圖1展示了各樣品的光譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)光譜反射率自浮土覆蓋樣→薄土覆蓋樣→原位露頭樣→標(biāo)本樣→碎石樣依次降低。其中浮土覆蓋樣品反射率與其他幾種有明顯的區(qū)別，且羥基吸收峰不明顯；薄土覆蓋的巖石樣品出現(xiàn)很弱的鋁羥基(2.170～2.210 μm)和鎂羥基吸收峰(2.300～2.400 μm)；原巖露頭樣的光譜曲線和標(biāo)樣的光譜曲線在吸收位置和吸收深度上基本一致，鋁羥基(2.170～2.210 μm，2.250～2.260 μm)和鎂羥基(2.340～2.350 μm)吸收峰表現(xiàn)均明顯，反映出清晰的綠簾石蝕變特征和綠泥石雙峰蝕變特征；碎石樣品的反射率最低，但鋁羥基、鎂羥基吸收峰表現(xiàn)要好于薄土覆蓋樣，綠簾石和綠泥石蝕變的吸收位置較易識(shí)別，吸收深度也與標(biāo)本樣品的光譜曲線接近。另外，受測(cè)量過程中大氣水汽的干擾，樣品光譜曲線在1.400 μm和1.900 μm附近出現(xiàn)劇烈跳躍現(xiàn)象。

圖1 不同覆蓋條件下的綠泥石化凝灰質(zhì)火山熔巖 光譜曲線圖Fig.1 Spectral curves of the chlorited-tufflava in different coverage conditions

由上可見，原位露頭巖石樣品和原地碎石樣品的光譜吸收峰位置與吸收深度與取塊巖石標(biāo)本樣品的光譜特征最為接近，較易于識(shí)別所含的蝕變礦物；薄土覆蓋巖石樣品在一定程度上也能反應(yīng)出蝕變礦物的光譜特征，但吸收峰表現(xiàn)較弱；而浮土覆蓋巖石樣品基本不能反映標(biāo)本樣品的光譜特征。因此，面對(duì)研究區(qū)這種巖石風(fēng)化作用強(qiáng)和巖石露頭易被風(fēng)沙覆蓋的情況，樣品采集與光譜測(cè)量時(shí)需要選擇能有效反映蝕變礦物特征的的巖石樣品開展工作。

(2)同一樣品在塊狀與粉末狀形態(tài)下的光譜特征。同一礦物在不同出露條件下的樣品光譜存在較大差異，那么同一巖石樣品在塊狀與粉末狀形態(tài)下的光譜又有何不同呢？筆者通過巖石破碎作用改變了多個(gè)巖石樣品的粒徑大小，但未改變礦物成分，然后對(duì)比不同破碎狀態(tài)下相同樣品的光譜曲線，發(fā)現(xiàn)塊狀巖石和粉末狀巖石樣品的吸收峰分布特征基本一致(圖2)，僅在反射率上略有差別，即粉末樣的整體反射率要高于塊狀樣。這個(gè)測(cè)試結(jié)果表明，巖礦的可見光-近紅外光譜主要取決于礦物的成分和分子結(jié)構(gòu)，巖石的物理破壞作用不會(huì)導(dǎo)致特征譜帶的變化。因此，研究區(qū)干旱環(huán)境下存在的殘積原巖碎屑的光譜特征可以代表其下伏原巖的光譜特征。

(3)同一樣品新鮮面與沙漠漆面的光譜特征。北山地區(qū)地表處露的巖石多發(fā)育沙漠漆。所謂沙漠漆，就是戈壁基巖裸露的荒漠區(qū)，由于地下水上升，蒸發(fā)后常在巖石表面沉淀了一層紅棕色氧化鐵和黑色氧化錳薄膜，像涂抹了一層油漆，故名沙漠漆，在次生氧化作用下多變成紅色。

為了探究沙漠漆對(duì)巖石光譜特征的影響，筆者采集了被沙漠漆包裹的石英和次火山巖樣品，測(cè)量其新鮮面和沙漠漆面的光譜曲線，對(duì)比結(jié)果(圖3)顯示新鮮面的光譜反射率比沙漠漆面的反射率整體要高，沙漠漆面的光譜曲線在0.400～0.600 μm譜段內(nèi)表現(xiàn)出鐵離子吸收峰，但在其他譜段內(nèi)兩者的光譜吸收峰位置與深度基本一致。這個(gè)結(jié)果表明盡管采集樣品表明被沙漠漆包裹，但樣品還是保留了大部分原巖的光譜特征。

(4)礦體和圍巖區(qū)域相同蝕變巖石的光譜特征。試驗(yàn)區(qū)存在多個(gè)典型的金礦床，那么同一礦床區(qū)域內(nèi)，礦體蝕變圍巖和礦體外圍相同蝕變巖體的光譜特征是否一致呢？本研究從新井金礦床與明水河金礦床分別采集了各自礦體圍巖區(qū)的蝕變閃長巖和礦體外圍區(qū)域的蝕變閃長巖，對(duì)比其光譜曲線特征。

新井金礦床外圍蝕變閃長巖(BSY-010)巖性為灰黑色中-粗粒石英閃長巖，沿巖體節(jié)理，裂隙發(fā)育鉀長石化、綠泥石化和黏土化，地表可見有方解石細(xì)脈。其光譜測(cè)量結(jié)果(圖4)顯示該樣品在2.200 μm附近有Al-OH吸收峰，深度淺、峰形?。?.250 μm處存在一個(gè)不明顯的Fe-OH吸收峰；2.310～2.360 μm附近為Mg-OH吸收峰，深度不大，峰形較差。根據(jù)礦物的吸收特征可以判斷，2.200 μm附近的Al-OH吸收峰表現(xiàn)巖體發(fā)育黏土化或絹云母化，2.250 μm和2.310～2.360 μm兩個(gè)吸收峰表現(xiàn)巖體發(fā)育綠泥石化，經(jīng)Specmin軟件進(jìn)行光譜解混計(jì)算得出其蝕變礦物主要有綠泥石、伊利石、高嶺土等。新井金礦的礦體北側(cè)圍巖為鉀化和綠簾石化的石英閃長巖(BSY-011-2)，光譜結(jié)果顯示0.8～1.2 μm 處存在Fe2+離子吸收峰，2.250 μm附近有微弱的Fe-OH吸收峰，2.360 μm附近的吸收峰深度較大，峰形左寬右窄，可能與綠泥石、方解石的混合有關(guān)，經(jīng)Specmin軟件計(jì)算得出其蝕變礦物主要有綠泥石、黝簾石和方解石。相比而言，礦體圍巖區(qū)的蝕變閃長巖光譜曲線比較光滑，而外圍蝕變閃長巖數(shù)據(jù)曲線比較粗糙；圍巖蝕變區(qū)的樣品表現(xiàn)為更強(qiáng)烈的褐鐵礦化蝕變。

圖2 塊狀樣和粉末樣的光譜曲線Fig.2 Spectral curves of the of block samples and the powder samples

圖3 樣品沙漠漆面與新鮮面的光譜曲線Fig.3 Spectral curves of the of the desert varnish surface and the fresh surface

圖4 新井金礦外圍蝕變閃長巖和礦體蝕變閃長巖光譜曲線Fig.4 Spectral curves of diorite in ore zone and diorite in periphery of Xinjin gold mine

明水河金礦礦體圍巖區(qū)蝕變閃長巖(WBS010-3)主要有7處吸收峰(圖5)：0.600～-0.800 μm和0.800～1.000 μm為鐵離子吸收峰，峰形非常平緩，反應(yīng)出褐鐵礦化蝕變；1.429～1.583 μm和1.948 μm附近為水汽的吸收峰；2.212 μm附近有一吸收峰，峰形較弱、深度小，為Al-OH吸收峰；2.250 μm和2.345 μm附近2處吸收峰主要由綠泥石引起。經(jīng)Specmin軟件計(jì)算得出其蝕變礦物主要有綠泥石、蒙脫石、黃鉀鐵礬、絹云母。而外圍閃長巖體(WBS010-1，WBS010-4)反射率相對(duì)較低，鐵離子吸收峰不明顯，Al-OH吸收峰較深，經(jīng)Specmin軟件計(jì)算得出其蝕變礦物有綠泥石、蒙脫石和白云母。通過比較發(fā)現(xiàn)，礦體圍巖蝕變區(qū)的樣品更富含褐鐵礦和黃鉀鐵礬化蝕變特征。

圖5 明水河金礦蝕變圍巖光譜曲線圖Fig.5 Spectral curves of the of Mingshuihe gold mine

4 典型蝕變巖礦的光譜特征分析

4.1 典型蝕變巖礦的實(shí)測(cè)光譜特征分析

本次研究針對(duì)典型蝕變帶、礦化帶以及與成礦地質(zhì)體相關(guān)的蝕變圍巖，采集了大量巖礦樣品，并利用ASD光譜儀得到了各巖礦標(biāo)本從0.350～2.500 μm的連續(xù)光譜曲線。為了進(jìn)一步掌握研究區(qū)出露的主要蝕變巖礦樣品的光譜特征，筆者挑選出7類典型標(biāo)本，對(duì)其光譜特征進(jìn)行詳細(xì)分析。圖6為上述7種主要蝕變樣品的光譜測(cè)量曲線，反映出的光譜特征如下。

蝕變花崗巖光譜曲線(圖6A)表現(xiàn)出4個(gè)強(qiáng)弱不同的特征吸收譜帶。0.6～0.8 μm處的吸收譜帶表現(xiàn)出Fe3+離子的特征吸收峰位，中心位置在0.7 μm左右，峰形較淺；0.9～1.1 μm處的吸收譜帶表現(xiàn)出較強(qiáng)的Fe2+離子的特征吸收峰位，尤其在1.0 μm 附近產(chǎn)生了強(qiáng)而寬的典型光譜吸收特征。此外，該光譜曲線表現(xiàn)出明顯2.2μm處峰形較深的Al-OH強(qiáng)吸收峰和2.355 μm處峰形較淺的Al-OH弱吸收峰。研究區(qū)花崗巖為后期印支期侵入體，野外檢查中發(fā)現(xiàn)花崗巖蝕變處地表見有褐鐵礦、絹云母礦物。將實(shí)測(cè)蝕變花崗巖光譜曲線與USGS光譜庫中白云母及褐鐵礦光譜曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在0.4～1.4 μm內(nèi)蝕變花崗巖光譜曲線與褐鐵礦光譜曲線表現(xiàn)出極高的相似性；在2.1～2.4 μm范圍內(nèi)蝕變花崗巖光譜曲線與白云母光譜曲線表現(xiàn)出極高的相似性，對(duì)比結(jié)果顯示蝕變花崗巖光譜曲線表現(xiàn)出的吸收譜帶特征能夠與野外檢查發(fā)現(xiàn)的蝕變礦物相吻合。

蝕變閃長巖光譜曲線上(圖6B)，F(xiàn)e3+離子與Fe2+離子的吸收特征表現(xiàn)較弱，吸收峰不明顯，但2.204 μm處存在明顯的Al-OH強(qiáng)吸收峰，而2.3～2.4 μm處Mg-OH的吸收峰也很明顯(中心位置在2.342 μm處)。另外在2.254 μm處存在一個(gè)峰形較淺的Fe-OH吸收峰。野外檢查發(fā)現(xiàn)閃長巖受后期熱液活動(dòng)影響，在其邊部及接觸帶部位綠泥石化與綠簾石化發(fā)育，蝕變區(qū)域地表亦可見褐鐵礦化、絹云母化。將實(shí)測(cè)蝕變閃長巖光譜曲線與USGS光譜庫中白云母、褐鐵礦、綠簾石、綠泥石光譜曲線進(jìn)行對(duì)比，可明顯看出蝕變閃長巖光譜曲線上表現(xiàn)出的Fe-OH吸收峰和Mg-OH的吸收峰位與綠簾石光譜曲線中特征吸收峰位一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了綠簾石化蝕變的存在。

蝕變輝長巖光譜曲線上(圖6C)， Fe3+離子與Fe2+離子的吸收譜帶都不是很明顯，但可模糊識(shí)別。而在2.254 μm處Fe-OH吸收峰與2.3～2.4 μm處Mg-OH的吸收峰很明顯，峰形都較深。此外，2.204 μm處可識(shí)別Al-OH吸收峰，但峰形短而淺。野外檢查發(fā)現(xiàn)輝長巖基本呈巖株或巖脈狀產(chǎn)出，在地表接觸帶主要發(fā)育綠泥石與綠簾石化。將蝕變輝長巖光譜曲線與USGS光譜庫中已知礦物的光譜曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)蝕變輝長巖光譜曲線上表現(xiàn)出的吸收峰位與綠簾石光譜曲線中Mg-OH特征吸收峰位大體一致。

蝕變砂巖光譜曲線(圖6D)表現(xiàn)出明顯的Fe3+離子與Fe2+離子的特征吸收譜帶。0.6～0.8 μm處的吸收譜帶為Fe3+離子的特征吸收峰位，峰形較淺；0.9～1.1 μm處的吸收譜強(qiáng)而寬，為典型的Fe2+離子的特征吸收峰位，其中心位置在1.0 μm 附近。野外檢查發(fā)現(xiàn)砂巖與地表接觸帶主要發(fā)育褐鐵礦化，將其蝕變巖體的光譜曲線與USGS光譜庫中褐鐵礦的光譜曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者高度相似，進(jìn)一步驗(yàn)證了蝕變礦物為褐鐵礦。

A.蝕變花崗巖光譜:a.白云母;b.蝕變花崗巖;c.褐鐵礦;B.蝕變閃長巖光譜:a.白云母;b.綠簾石;c.蝕變閃長巖;d.綠泥石;e.褐鐵礦;C.蝕變輝長巖光譜:a.綠簾石;b.綠泥石;c.蝕變輝長巖;d.褐鐵礦;D.蝕變大理巖和蝕變砂巖光譜:a.方解石;b.蝕變大理巖;c.蝕變砂巖;d.褐鐵礦；E.褐鐵礦化石英脈和蝕變破碎帶光譜:a.白云母;b.褐鐵 礦化石英脈;c.綠泥石;d.蝕變破碎帶;e.褐鐵礦圖6 不同蝕變巖石的光譜曲線Fig.6 Spectral curves of different altered rocks

蝕變大理巖曲線(圖6D)表現(xiàn)出3個(gè)明顯的特征吸收譜帶，分別位于2.00 μm附近、2.16 μm附近和2.34 μm附近。其中，2.34 μm處的吸收峰最為明顯。將蝕變大理巖巖體的光譜曲線與USGS光譜庫中方解石的光譜曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上述3個(gè)特征吸收峰位均能與方解石的吸收峰位很好的對(duì)應(yīng)。

野外發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)石英脈分2類：一類呈寬脈(脈寬>50 cm)產(chǎn)出，延伸遠(yuǎn)，但蝕變不發(fā)育；另一類呈細(xì)脈產(chǎn)出(脈寬多<50 cm)，延伸短，產(chǎn)于中酸性巖體中斷裂內(nèi)，兩側(cè)圍巖蝕變較發(fā)育，形成褐鐵礦化、孔雀石化、綠泥石化。對(duì)褐鐵礦化石英脈進(jìn)行光譜測(cè)量(圖6E)，顯示出弱的0.6～0.8 μm的Fe3+吸收譜帶和0.9～1.1 μm的強(qiáng)而寬的Fe2+吸收譜帶。此外，經(jīng)過與USGS光譜庫中白云母與綠泥石的光譜曲線對(duì)比，判定褐鐵礦化石英脈光譜曲線上還存在2個(gè)Al-OH吸收峰和一個(gè)Mg-OH吸收峰，說明了絹云母、綠泥石、綠簾石等蝕變礦物的存在。

蝕變破碎帶光譜測(cè)量(圖6E)顯示其與褐鐵礦化石英脈具有相近的光譜特征，均表現(xiàn)有Fe3+、Fe2+吸收譜帶及強(qiáng)Al-OH和弱Mg-OH吸收峰，野外觀測(cè)的蝕變礦物為伊利石、綠泥石、方解石、赤鐵礦等。

4.2 典型蝕變巖礦的遙感光譜特征分析

為了與遙感影像上的光譜特征進(jìn)行對(duì)比，上述7種蝕變地質(zhì)體的實(shí)測(cè)光譜被分別重采樣到ASTER數(shù)據(jù)和CASI-SASI數(shù)據(jù)的波譜范圍，光譜重采樣采用距離加權(quán)算法(林紅磊等，2016)。同時(shí)，從經(jīng)過大氣校正的Aster和CASI-SASI兩種遙感影像上也分別采集了7個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)端元上蝕變巖石的光譜曲線。

其中，ASTER數(shù)據(jù)波譜范圍包括了9個(gè)波段(1～9波段)，CASI-SASI數(shù)據(jù)波譜范圍包括了116個(gè)波段。CASI/SASI數(shù)據(jù)在0.950～1.050 μm處為重疊波段，由于 SWIR 噪聲大于 VNIR，因此通常使用 CASI 數(shù)據(jù)替代 SASI 數(shù)據(jù)重疊部分。波段數(shù)據(jù)替代中會(huì)同時(shí)去除受到水氣吸收(1.400 μm和1.900 μm附近)影響和航拍中低性噪比情況下形成的壞波段。筆者使用的CASI/SASI經(jīng)處理后最終剩余116個(gè)波段(CASI：35個(gè)波段；SASI：81個(gè)波段)，光譜范圍為404～2435 nm。

(1)Aster波譜范圍上蝕變巖石的光譜特征。上述7種蝕變地質(zhì)體的ASD實(shí)測(cè)光譜特征分析結(jié)果表明，研究區(qū)存在的蝕變主要與鐵氧化物、含Al-OH礦物、含Mg-OH礦物和含CO32-礦物有關(guān)，如野外觀測(cè)到的褐鐵礦、絹云母、綠泥石、綠簾石、方解石等。圖7A、圖7B圖為將7種蝕變巖石的實(shí)測(cè)光譜重采樣至ASTERR波譜范圍后的光譜曲線，可以看出各蝕變巖石的光譜特征仍較為明顯：蝕變大理巖在ASTER 5，8波段處吸收，在ASTER4，6，7波段處反射，對(duì)應(yīng)為含CO32-礦物的光譜吸收特征。蝕變花崗巖在ASTER 3波段處吸收，在ASTER 2，4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 6波段處強(qiáng)吸收對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物的吸收峰位，而8波段的弱吸收峰對(duì)應(yīng)為含Mg-OH礦物。蝕變閃長巖在ASTER 3波段處吸收，在ASTER 2，4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 6，8波段處吸收分別對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物和含Mg-OH礦物。褐鐵礦化石英脈在ASTER 3波段處吸收，在ASTER 4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 6，8波段吸收，分別對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物和含Mg-OH礦物的吸收峰位。蝕變破碎帶在ASTER 3波段處強(qiáng)吸收，在ASTER 4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 6波段強(qiáng)吸收，ASTER 8波段弱吸收，分別對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物和含Mg-OH礦物的吸收峰位。蝕變輝長巖在ASTER 3波段處吸收，在ASTER 4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 6波段處弱吸收，對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物的吸收峰位；在ASTER 8波段處吸收，ASTER 5波段處反射，對(duì)應(yīng)為含Mg-OH礦物的光譜特征。蝕變砂巖在ASTER 3波段處吸收，在ASTER 4波段處反射，對(duì)應(yīng)為鐵氧化物的光譜吸收特征；在ASTER 5，6波段處吸收，對(duì)應(yīng)為含Al-OH礦物的光譜特征；在ASTER 8波段處弱吸收，對(duì)應(yīng)為含Mg-OH礦物的光譜特征。但不足的是，由于ASTER單一波段波譜范圍較窄，某些蝕變礦物的吸收譜帶未在這些波段范圍內(nèi)，因此這些吸收特征無法反應(yīng)出來。

圖7C、圖7D圖為在ASTER遙感數(shù)據(jù)上采集的7種蝕變巖石的光譜曲線，可以看出樣品影像端元光譜曲線與樣品實(shí)測(cè)光譜曲線(ASTER波譜范圍)所反映的總體規(guī)律基本一致，即主要特征峰的吸收位置大致相同，但吸收深度方面兩者還是存在一定差異。分析認(rèn)為一方面影像是在距地幾百千米的空中成像，盡管進(jìn)行了大氣校正，但地物光譜曲線仍然會(huì)受到大氣、水汽、雜質(zhì)等各種因素的干擾；另一方面由于影像一個(gè)像元范圍內(nèi)(15 m×15 m)不可避免的會(huì)混入其他物質(zhì)，其光譜特征也會(huì)發(fā)生一定變化，但總體來看ASTER遙感影像上某樣品的端元光譜曲線還是能夠反應(yīng)出該樣品主要的光譜吸收特征，所以試驗(yàn)區(qū)內(nèi)利用ASTER遙感影像提取地面蝕變礦物是可行的。

a.蝕變大理巖；b.蝕變花崗巖；c.蝕變閃長巖；d.褐鐵礦化石英 脈；e.蝕變破碎帶；f.蝕變輝長巖；g.蝕變砂巖圖7 ASTER影像上蝕變巖石的光譜曲線特征Fig.7 Spectral curves in ASTER of different altered rocks

(2)CASI-SASI波譜范圍上蝕變巖石的光譜特征。分析表明7種蝕變巖石的光譜吸收特征在ASTER波譜范圍上較為明顯，那么高光譜CSAI-SASI數(shù)據(jù)波譜范圍內(nèi)這些特征是否能表現(xiàn)地更精確呢？為此，筆者將7種樣品的實(shí)測(cè)光譜重采樣至CSAI-SASI數(shù)據(jù)波譜范圍，另外同樣從經(jīng)過大氣校正的CSAI-SASI影像上采集了7種樣品的光譜曲線，然后進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8A、圖8B圖展示了7種樣品實(shí)測(cè)光譜重采樣至CSAI-SASI波譜范圍后的光譜曲線，與采樣至ASTERR波譜范圍的樣品光譜曲線相比，前者所反映的波形連續(xù)性更強(qiáng)、細(xì)節(jié)信息更豐富，更重要的是蝕變礦物具有的多個(gè)吸收特征譜帶有更好的顯示；另外，由于CSAI-SASI光譜分辨率高，因此重采樣至CSAI-SASI波譜范圍的樣品光譜曲線與樣品實(shí)測(cè)光譜曲線很接近，這也最大程度地保留了原始曲線的光譜特征。

(圖例說明同圖7)圖8 CASI-SASI影像上蝕變巖石的光譜曲線特征Fig.8 Spectral curves in CASI-SASI of different altered rocks

圖8C、圖8D圖為從CSAI-SASI遙感數(shù)據(jù)上采集的7種蝕變巖石的光譜曲線，相比樣品實(shí)測(cè)光譜曲線(CSAI-SASI波譜范圍)，樣品影像端元光譜曲線的圓滑性和連貫性要差一些，噪聲也更多，個(gè)別波形受干擾也發(fā)生了局部變形，分析認(rèn)為造成大量噪聲的主要原因還在于成像儀器在成像過程中受到了大氣中水汽和雜質(zhì)的干擾，后續(xù)的定標(biāo)和大氣校正處理只能減少而不能完全消除這種干擾帶來的影響。但對(duì)樣品實(shí)測(cè)光譜曲線和影像光譜曲線進(jìn)行包絡(luò)線消除處理后發(fā)現(xiàn)，各樣品兩種曲線的總體變化規(guī)律基本一致，且樣品中所含蝕變礦物的吸收譜帶位置和吸收深度在兩種曲線上的特征表現(xiàn)幾乎吻合，表明本次使用的CSAI-SASI遙感數(shù)據(jù)能夠有效反應(yīng)地物原始光譜曲線的變化特征，這為利用光譜匹配等方法從高光譜影像上識(shí)別和判斷蝕變礦物提供了客觀依據(jù)。

4.3 典型蝕變巖礦的光譜相似性分析

光譜相似性測(cè)度描述了兩光譜曲線間的相似性。常見的相似性測(cè)度方法有距離測(cè)度、相似性函數(shù)和峰匹配，一般向量的相似性函數(shù)較距離測(cè)度應(yīng)用更為廣泛，如相關(guān)系數(shù)法(SCM)。相似性函數(shù)應(yīng)滿足下面的性質(zhì)：0 < sim(x,y) ≤ 1，當(dāng)且僅當(dāng)x=y時(shí)，等號(hào)成立；sim(x,y)=sim(y,x)。

相關(guān)系數(shù)是多元統(tǒng)計(jì)學(xué)中用來衡量?jī)山M變量之間線性密切程度的無量綱指標(biāo)，取值范圍為[-1，1]，分為正相關(guān)、不相關(guān)和負(fù)相關(guān)3 類情況。通常將負(fù)相關(guān)與正相關(guān)合并到一起，這時(shí)取值范圍為[0，1]，值越大相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)值為1 時(shí)，兩向量完全相同。相關(guān)系數(shù)是中心化的夾角余弦，性質(zhì)與夾角余弦相似，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式(史永剛等，2011)如下所示。

筆者采用相關(guān)系數(shù)法對(duì)7種樣品的ASD實(shí)測(cè)光譜曲線、ASTER數(shù)據(jù)遙感光譜曲線以及CASI-SASI數(shù)據(jù)遙感光譜曲線進(jìn)行相似性計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。表2為7種蝕變巖石的ASD實(shí)測(cè)光譜曲線相似性特征矩陣，特征如下。

蝕變大理巖與蝕變輝長巖兩者實(shí)測(cè)光譜曲線的相似性系數(shù)不到0.1，表明2個(gè)曲線差異很大，呈現(xiàn)不相關(guān)；蝕變大理巖與和蝕變破碎帶的曲線相似性系數(shù)均未超過0.5，表明蝕變大理巖與后兩者蝕變巖石在光譜曲線上也較易區(qū)分，呈弱正相關(guān)；蝕變大理巖與蝕變花崗巖和蝕變砂巖的光譜曲線相似性系數(shù)均為0.64左右，呈正相關(guān)；而蝕變大理巖和蝕變閃長巖的光譜曲線相似性系數(shù)接近0.8，表明2種曲線形態(tài)高度相似。

蝕變花崗巖與蝕變閃長巖、蝕變破碎帶及蝕變砂巖的光譜曲線都呈現(xiàn)出高度正相關(guān)，曲線相似性系數(shù)均在0.9左右，因此很難直接從光譜曲線上區(qū)分這幾種蝕變巖石類型，而蝕變花崗巖與蝕變輝長巖的曲線相似性系數(shù)約為0.6，表現(xiàn)為弱的正相關(guān)。

蝕變閃長巖除了與蝕變輝長巖表現(xiàn)為弱的正相關(guān)外(相似性系數(shù)約0.5)，與其他蝕變巖石都呈現(xiàn)出高度正相關(guān)(相似性系數(shù)超過0.8)；和蝕變破碎帶除了與蝕變大理巖表現(xiàn)為弱的正相關(guān)外(相似性系數(shù)約0.4)，與其他蝕變巖石也都呈現(xiàn)高度正相關(guān)(相似性系數(shù)超過0.8)。此外，蝕變輝長巖與和蝕變破碎帶高度正相關(guān)(相似性系數(shù)超過0.8)，與其他蝕變巖石呈現(xiàn)弱相關(guān)(相似性系數(shù)未超過0.6)。以上相似性分析結(jié)果表明，若要直接通過實(shí)測(cè)的光譜曲線判斷蝕變巖石的類型存在很大困難。

表3為7種蝕變巖石的ASTER光譜曲線相似性特征矩陣，可以看出蝕變大理巖與其他6類蝕變巖石的光譜曲線相似性系數(shù)較低，表現(xiàn)為弱正相關(guān)，曲線較易區(qū)分；而對(duì)于其他蝕變巖石來說，相互之間的光譜曲線相似性系數(shù)都超過了0.9，表現(xiàn)為高度正相關(guān)。分析認(rèn)為這是由于ASTER數(shù)據(jù)的光譜分辨率太低，導(dǎo)致這些蝕變巖石在ASTER數(shù)據(jù)上的光譜曲線十分接近，因此很難直接通過這些曲線進(jìn)行巖性識(shí)別和分類。

表4為7種蝕變巖石的CASI-SASI光譜曲線相似性特征矩陣，可以發(fā)現(xiàn)該結(jié)果與ASD實(shí)測(cè)光譜曲線相似性計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)基本一致，即蝕變大理巖的曲線較易區(qū)分，其他蝕變巖石的曲線高度相似。

表5為7種蝕變巖石的ASD光譜曲線(采樣至ASTER波譜范圍)和ASTER光譜曲線相似性特征矩陣，表6為7種蝕變巖石的ASD光譜曲線(采樣至CASI-SASI波譜范圍)和CASI-SASI光譜曲線相似性特征矩陣。從表5中對(duì)角線數(shù)值可以看出蝕變大理巖、蝕變花崗巖、蝕變破碎帶、蝕變砂巖各自的ASD光譜曲線和ASTER光譜曲線呈現(xiàn)高度正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)都超過0.76)，蝕變閃長巖和蝕變輝長巖的ASD光譜曲線(采樣至ASTER波譜范圍)和ASTER光譜曲線的相關(guān)性相對(duì)較弱，但也表現(xiàn)為正相關(guān)；而表6中對(duì)角線數(shù)值都超過了0.7，表現(xiàn)7種蝕變巖石的ASD光譜曲線和CASI-SASI光譜曲線高度相似。理論上，上述情況下若以ASD實(shí)測(cè)光譜作為參考數(shù)據(jù)庫，采用光譜相似性區(qū)分方法可以識(shí)別影像上這7種蝕變巖石，但是從2個(gè)表格中其他數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，某些蝕變巖石的影像光譜與其他巖石的實(shí)測(cè)光譜相似度也很高，如蝕變花崗巖的ASTER光譜曲線與和蝕變破碎帶的ASD光譜曲線相關(guān)性非常高，同樣其CASI-SASI光譜曲線也存在這種問題。這種情況下，如果利用遙感影像直接識(shí)別和區(qū)分蝕變巖石，結(jié)果會(huì)存在很大誤差，而前一小節(jié)分析表明不同蝕變礦物在遙感影像上的光譜特征更易區(qū)分，因此筆者后續(xù)重點(diǎn)研究蝕變礦物的識(shí)別和提取，以此輔助判斷研究區(qū)存在的蝕變巖石類型。

表2 主要蝕變巖石的ASD實(shí)測(cè)光譜曲線相似性特征矩陣Tab.2 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD spectral

注：63.蝕變大理巖 ；112.蝕變花崗巖；222.蝕變閃長巖；226-2.褐鐵礦化石英脈；227.蝕變破碎帶；231.蝕變輝長巖；272.蝕變砂巖。

表3 主要蝕變巖石的ASTER光譜曲線相似性特征矩陣Tab.3 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASTER spectral

注：項(xiàng)目編號(hào)同表2。

表4 主要蝕變巖石的CASI-SASI實(shí)測(cè)光譜曲線相似性特征矩陣Tab.4 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from CASI-SASI spectral

注：項(xiàng)目編號(hào)同表2。

表5 主要蝕變巖石的ASD和ASTER光譜曲線相似性特征矩陣Tab.5 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD and ASTER spectral

注：項(xiàng)目編號(hào)同表2。

表6 主要蝕變巖石的ASD和CASI-SASI實(shí)測(cè)光譜曲線相似性特征矩陣Tab.6 Similarity characteristic matrix of the different altered rocks from ASD and CASI-SASI spectral

注：項(xiàng)目編號(hào)同表2。

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)區(qū)不同采集環(huán)境和樣品形態(tài)下巖礦的光譜特征存在一定差異，原位露頭巖石樣品和原地碎石樣品與巖石標(biāo)樣在光譜曲線特征上最為接近，而干旱環(huán)境下存在的殘積原巖碎屑的光譜特征可以代表其下伏原巖的光譜特征，而巖礦的可見光-近紅外光譜主要取決于礦物的成分和分子結(jié)構(gòu)，巖石的物理破壞作用不會(huì)導(dǎo)致特征譜帶的變化。另外光譜分析結(jié)果顯示礦體圍巖蝕變區(qū)樣品比礦區(qū)外圍同類型蝕變樣品要更富集方解石、綠泥石、伊利石、赤鐵礦等礦物，這為在北山成礦帶及西北其他地區(qū)開展巖礦光譜測(cè)量提供了理論依據(jù)。

(2)通過分析ASD光譜儀獲取的試驗(yàn)區(qū)地面巖礦光譜測(cè)量數(shù)據(jù)，快速確定出試驗(yàn)區(qū)蝕變巖石中存在含F(xiàn)e2+、Fe3+、OH-、CO32-離子或離子基團(tuán)的蝕變礦物，并有效分析了巖石光譜與巖性的關(guān)系，這對(duì)遙感蝕變礦物信息的提取起到了指導(dǎo)作用。

(3)光譜分析還發(fā)現(xiàn)各蝕變巖石影像端元光譜曲線與其實(shí)測(cè)光譜曲線所反映的曲線形態(tài)和吸收峰位置基本一致，但不同蝕變巖石的光譜曲線相似性很高，因此僅利用遙感影像難以準(zhǔn)確識(shí)別出蝕變巖石的類別，但利用遙感圖像提取含F(xiàn)e2+、Fe3+、OH-、CO32-離子或離子基團(tuán)的蝕變礦物具有較好的可行性。