李冬月,何旭,尹展,張建國(guó)
(有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心,北京 100012)
中非銅鈷礦帶位于剛果(金)與贊比亞的交界處,延伸達(dá)700 km,寬逾150 km,為全球第三大銅礦富集區(qū),占約全球10%的銅礦和70%的鈷礦資源,礦石平均品位分別為Cu 2.9%、Co 0.12%左右,吸引了眾多礦業(yè)公司來(lái)此投資開發(fā)。其中,剛果(金)段即加丹加銅鈷礦帶銅、鈷資源量占中非礦帶的41%和77%,是諸多專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)地區(qū),對(duì)該礦帶的主要礦化類型(李向前等,2009)、地質(zhì)構(gòu)造特征(劉煥然,2010)、銅鈷礦床地質(zhì)特征及分布規(guī)律(杜菊民和趙學(xué)章,2010)、成礦流體特征(沈陽(yáng)等,2014)、地質(zhì)背景及控礦因素(余金杰等,2015)、地質(zhì)特征及成礦前景(陶則熙,2016)、成礦演化及找礦潛力(孫宏偉等,2019),以及堪蘇祁銅鈷礦床(李向前等,2010;王志剛等,2012)、科盧韋齊銅礦床(趙英福,2011;王洪亮,2015)、沙巴拉銅鈷礦床(楊法強(qiáng)等,2011)、卡莫亞銅鈷礦床(繆遠(yuǎn)興等,2014)等典型礦床的地質(zhì)特征、成因類型及找礦方向,開展了較系統(tǒng)而深入的調(diào)查研究。這些成果對(duì)本次研究工作有著很好的參考價(jià)值。
李向前等(2009)研究認(rèn)為:自堪蘇祁斷裂帶沿科盧韋齊—利卡西主干公路往南約9000 km2的區(qū)域內(nèi),是尋找受加丹加造山運(yùn)動(dòng)第2、3 階段變形作用改造的同生沉積-熱液改造銅鈷礦床的理想?yún)^(qū)域,勘查開發(fā)程度相對(duì)較低,找礦潛力較大。利卡西市(Likasi)西南部就位于該區(qū)域內(nèi),地理坐標(biāo)為E 25°30′~27°05′,S 10°55′~11°55′。鑒于區(qū)內(nèi)植被和風(fēng)化殘積層覆蓋較嚴(yán)重,基巖出露較少,交通條件較差,擬從遙感技術(shù)的角度,快速查明其地層展布、構(gòu)造格架和礦化蝕變分布等情況,并結(jié)合野外調(diào)查驗(yàn)證和成礦地質(zhì)條件分析,開展進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)研究,優(yōu)選找礦靶區(qū)。
研究區(qū)地處剛果盆地南部的加丹加高原、米通巴山脈的南段,地勢(shì)較為平緩,總體上東南高、西北低,平均海拔1400 m,相對(duì)高差不大。屬熱帶草原氣候,原始次生林區(qū)植被茂盛,河流及支流發(fā)育,交通條件較差,僅有鄉(xiāng)間小路可以通行。
圖1 利卡西市(Likasi)地質(zhì)礦產(chǎn)簡(jiǎn)圖
區(qū)域地層主要為元古宇加丹加超群羅安群(R)、孔德龍古群(Ku)(圖1),其巖性為白云巖、頁(yè)巖、礫巖、砂巖、石英巖、泥巖、灰?guī)r等。羅安群是主要的含礦地層,上、下羅安組之間夾有1 層以白云巖為主、層位穩(wěn)定、分布較廣的灰?guī)r,為重要的標(biāo)志層。
該區(qū)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的構(gòu)造演化。中元古代末,由于盧菲利造山運(yùn)動(dòng)的影響,形成了以NW 向?yàn)橹黧w的盧菲利安構(gòu)造弧(Lufilian Arc);至新元古代末,孔德龍古碰撞造山運(yùn)動(dòng)使得地層發(fā)生明顯的褶皺和逆沖,褶皺強(qiáng)烈,地層倒轉(zhuǎn),逆沖斷層發(fā)育(李向前等,2009;楊法強(qiáng)等,2011;王志剛等,2012;陶則熙,2016)。
巖漿巖不發(fā)育,主要為侵入到基底雜巖中的花崗巖巖基,還有少量的輝長(zhǎng)巖巖床和煌斑巖巖墻等侵位于加丹加超群中(李向前等,2009;余金杰等,2015)。
銅鈷多金屬礦主要賦存于羅安群碎屑巖中,巖性以黑色(雜色)炭質(zhì)砂巖、白云質(zhì)泥巖和少量砂礫巖為主,含銅-鈷硫化物順層產(chǎn)出,呈浸染狀、條帶狀、網(wǎng)脈狀。通常認(rèn)為成因類型為沉積變質(zhì)-多期熱液改造型(李向前等,2009;劉煥然,2010;孫宏偉等,2019)。另外,區(qū)內(nèi)與花崗巖有關(guān)的石英脈型金礦也有大量產(chǎn)出(李向前等,2009)。
本次研究工作主要采用ALOS、ETM 衛(wèi)星數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)級(jí)別為L(zhǎng)evel 2,即經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何校正的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中ALOS 數(shù)據(jù)時(shí)相為2010 年6—9月,多光譜分辨率為10 m,主要用于遙感地質(zhì)解譯;ETM 數(shù)據(jù)時(shí)相為2001 年5 月,多光譜分辨率為30 m,主要用于蝕變信息提取。從彩色合成圖像上看,除東北部有小片云霧遮蓋外,其它地區(qū)影像色彩豐富,層次分明,圖像質(zhì)量良好。
2.2.1 輻射校正
為消除干擾影響,得到真實(shí)的反射率數(shù)據(jù),需對(duì)ALOS、ETM 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正。包括輻射定標(biāo)、大氣校正,均在ENVI 軟件中分別完成。
(1) 輻射定標(biāo):目的是將原始DN 值轉(zhuǎn)換為輻射亮度值。首先輸入影像數(shù)據(jù),再選擇主菜單下的Calibration Utilities 功能,設(shè)置相關(guān)參數(shù)或從頭文件中讀取,然后輸出BIL 格式的數(shù)據(jù)。
(2) 大氣校正:目的是將輻射亮度值轉(zhuǎn)換為地表實(shí)際反射率。選擇主菜單下的FLAASH 功能,首先輸入輻射定標(biāo)的BIL 數(shù)據(jù),再設(shè)置相關(guān)參數(shù),并根據(jù)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間和研究區(qū)經(jīng)緯度選擇相應(yīng)的大氣模型、氣溶膠模型,然后進(jìn)行大氣校正。同時(shí)還需進(jìn)行歸一化處理,將影像值控制在0~1 之間。
2.2.2 圖像配準(zhǔn)
由于ALOS 的AVNIR-2 和PRISM 數(shù)據(jù)屬不同來(lái)源(即傳感器不同),因此需采用控制點(diǎn)變換方法,實(shí)現(xiàn)多光譜波段與全色波段的空間位置配準(zhǔn)。同時(shí)還需進(jìn)行插值、重采樣,將ALOS 多光譜波段轉(zhuǎn)換為2.5 m,ETM 多光譜波段轉(zhuǎn)換為15 m,使其像元空間分辨率上與全色波段相一致(楊自安等,2014)。
2.2.3 圖像融合
為很好地抑制圖像噪聲,使圖像中的地物輪廓和紋理更加清晰,提高遙感地質(zhì)可解譯程度,采用IHS 變換,進(jìn)行多光譜與全色波段的融合處理。融合后的圖像具有高分辨率空間信息和多光譜彩色信息。
2.2.4 幾何校正
利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RPC 參數(shù),采用UTM 投影模式、Clarke 1880 坐標(biāo)系(即Arc_1950)、控制點(diǎn)-多項(xiàng)式擬合校正法,逐像元地將圖像坐標(biāo)變換到同一坐標(biāo)系統(tǒng)中,RMS 誤差控制在0.5 個(gè)像元之內(nèi)。
以1 ∶5 萬(wàn)ALOS321 波段融合圖像為基礎(chǔ),參考已有的地質(zhì)資料,在建立各類巖石、地層、構(gòu)造等解譯標(biāo)志后,采用目視解譯和人機(jī)交互解譯方法,直接在影像圖上解譯圈定各時(shí)代地層、巖漿巖、斷裂(線性)、褶皺、穹隆、環(huán)形構(gòu)造等地質(zhì)要素,分析各類地質(zhì)體之間的相互關(guān)系,以及成/控礦地質(zhì)條件,編制遙感地質(zhì)解譯圖(圖2)。
3.1.1 巖石地層影像特征
研究區(qū)巖石地層單元主要有5 大類:羅安群(R)、羅安群上覆殘積層(Rel)、孔德龍古群(Ku)、第四系(Q)和花崗巖體(G)。
(1) 羅安群(R)及上覆殘積層(Rel)
大片集中分布于中西部。因受風(fēng)化程度的差異,不同地段的影像特征也不同。羅安群(R)中堅(jiān)硬而抗風(fēng)化的巖石,在影像上呈似凸起狀紋理、淺色條帶,寬度小,延伸長(zhǎng),形態(tài)穩(wěn)定;風(fēng)化較強(qiáng)的地段,僅局部可見似凸起狀紋理斷續(xù)分布,其外圍為翠綠色、灰綠色的平緩坡地,色調(diào)呈漸變過(guò)渡,可能是羅安群上覆殘積層(Rel)(圖3a)。
(2) 孔德龍古群(Ku)
主要分布于Shinkolobwe-Kamongo-Kaliongo 以東地區(qū),為低緩丘陵地貌,影像上呈深綠、墨綠色調(diào),局部夾雜粉紅色調(diào),而洪沖積層則呈淺黃色調(diào)(圖3b)。由于地表植被和風(fēng)化殘積層覆蓋較嚴(yán)重,對(duì)該地層巖性未能進(jìn)一步細(xì)分。
(3) 第四系(Q)
主要分布在河湖周邊及山間寬谷。在影像上,河湖周邊大多呈淺色調(diào)的雜色斑塊,山間寬谷呈以紅色調(diào)為主的斑塊,與其它巖石地層單元極易區(qū)分。
(4) 花崗巖體(G)
本次解譯時(shí),在東南部Lembe-Muya 一帶的孔德龍古群地層區(qū)、樹枝狀水系分水嶺部位,發(fā)現(xiàn)一條南北向展布、不規(guī)則的黃綠色條狀斑塊,麻布狀沖溝密集分布,且與周邊的影像色差顯著,似呈侵入接觸關(guān)系,推測(cè)為花崗巖體(G)(圖3c)。
3.1.2 構(gòu)造形跡影像特征
(1) 褶皺
圖2 利卡西市西南部遙感地質(zhì)解譯圖
在基巖出露地帶,褶皺構(gòu)造較發(fā)育,影像特征明顯,其轉(zhuǎn)折端表現(xiàn)出彎曲的層紋條帶狀,色調(diào)較為復(fù)雜,隨地表地物不同而變化,且背斜轉(zhuǎn)折端較為緊閉狹窄,而向斜轉(zhuǎn)折端則較為開闊寬緩(圖4)。以Tantara-Kamongo-Kapungu 斷裂帶為界,以東的褶皺軸向呈NW 向,以西的褶皺軸向?yàn)榻麰W 向。解譯出的褶皺構(gòu)造主要有:盧菲拉水庫(kù)南緣向斜、盧伊夏(Luishia)背斜、欣科洛布韋(Shinkolobwe)向斜、Mwobesa 向斜、坦塔拉(Tantara)南背斜、Mwanauta東背斜、Dikanza-Kipushi 背斜等。
(2) 斷裂(線性)構(gòu)造
經(jīng)解譯,該區(qū)的斷裂(線性)構(gòu)造主要分為NW、NE、EW、SN 向4 組。
①北西向斷裂:多見于東南部,線性影像平直,兩側(cè)色調(diào)差異明顯。在基巖分布區(qū),NW 向斷裂切割地層、向斜轉(zhuǎn)折端,形成線性溝谷和陡坎(圖5a)。
②北東向斷裂:所見不多,分布零散,規(guī)模較小,影像特征較明顯的是Swana-Mume 南東側(cè)的一條NE 向斷裂(圖5b)。
③近東西向斷裂:主要分布于Tantara-Kamongo 西北部。在Mwanauta 以東基巖分布區(qū),影像為近EW 向溝谷、陡坎,平行排列(圖5c);在羅安群出露地帶,沿露頭走向與殘積層之間以暗色線性影像截然分界(圖5d)。
④近南北向斷裂:影像特征最為明顯的是經(jīng)Tantara-Kamongo 向南延伸的大斷裂,其走向?yàn)镹NE-SN 向,縱貫全區(qū),長(zhǎng)度>60 km,東西兩側(cè)影像特征截然不同(圖6a)。該斷裂帶以東的褶皺軸向以NW 向?yàn)橹?,以西為EW 向,可能具有構(gòu)造格架劃分作用。
圖3 利卡西市西南部巖石地層影像
圖4 利卡西市西南部褶皺構(gòu)造影像
圖5 利卡西市西南部斷裂構(gòu)造影像
再往東大約30 km,從Kasawenda 向南、經(jīng)Tenke-Patapata 一線,推測(cè)可能還存在另一條規(guī)模較大的近SN 向斷裂,線性影像斷續(xù)可見,兩側(cè)的紋理和色調(diào)等差異明顯,東側(cè)為孔德龍古群,西側(cè)出露羅安群(圖6b)。該斷裂往南延伸至花崗巖體。
圖6 利卡西市西南部近南北向斷裂構(gòu)造影像
蝕變巖石及其地表氧化物因含大量OH-、、Fe2+、Fe3+離子基團(tuán)或離子,故在ETM 圖像反射光譜曲線上形成特征的吸收譜帶。Fe3+在0.45~0.55 μm、0.85~0.94 μm 波長(zhǎng)處有較強(qiáng)吸收帶,使其在ETM1、ETM2、ETM4 圖像上亮度值降低,在ETM3圖像上相對(duì)呈高值;OH-在2.2~2.3 μm 存在強(qiáng)吸收谷,使ETM7 產(chǎn)生低值,ETM5 有相對(duì)高值;在2.35 μm 波長(zhǎng)處吸收最強(qiáng),也具有在ETM7 降低,而在ETM5 相對(duì)呈高值的特征。這是提取蝕變巖石遙感信息的基礎(chǔ)前提(張玉君等,2002)。
多光譜遙感蝕變信息提取的方法有多種,其中主成分分析法應(yīng)用最為廣泛,由于主成分分析所獲得的各主分量之間不相關(guān)、信息沒有冗余,故每一主分量往往代表著一定的地質(zhì)意義,即具有獨(dú)特性。鑒于研究區(qū)植被較發(fā)育,為很好抑制植被信息的影響,采用“比值+主成分分析”的方法,即用ETM3/ETM1 代替ETM3 以突出鐵氧化物,用ETM5/ETM7代替ETM5 以突出羥基礦物,用ETM4/ETM3 代替ETM4 作為植被圖像,再進(jìn)行主成分分析,分別提取鐵染、羥基蝕變信息(張滿郎,1996;費(fèi)一清和李永慶,2011)。
3.2.1 鐵染蝕變信息提取
圖7 利卡西市西南部鐵染蝕變異常示意圖
首先對(duì)ETM1、3/1、4/3、5 波段進(jìn)行主成分分析,得到特征向量表(表1)。從表中可知,在第4 主分量(PC4)中,ETM3/1 波段的特征向量符號(hào)與ETM1、ETM4/3 相反,反映了含鐵離子類礦物的光譜特征;再對(duì)第4 主分量圖像進(jìn)行直方圖拉伸增強(qiáng)、5×5 均值濾波;然后采用最優(yōu)密度分割法,分別賦以紅、黃、綠色,形成鐵染蝕變異常圖(圖7)。
從圖7 中可看出,鐵染蝕變異常主要集中分布于東北部的Kambove(坎博韋)-Likasi-Luishia、中北部的 Tantara -Swambo -Lukanga,在中南部的Mubombe-Lombe(隆貝)-Kamiaba、東南部的Dikanza-Muale-Kaseke 等地區(qū)可見小面積的零散分布,這些蝕變異常絕大部分都出現(xiàn)在羅安群中,且與已知的銅鈷礦床(點(diǎn))吻合度較高。
表1 ETM1、3/1、4/3、5 波段主成分分析特征向量
3.2.2 羥基蝕變信息提取
首先對(duì)ETM1、4/3、5/7、7 波段進(jìn)行主成分分析,得到特征向量表(表2),從表中可知,在第4 主分量(PC4)中,ETM5/7 波段的特征向量符號(hào)與ETM4/3、ETM7 相反,與ETM1 相同,反映了含羥基、碳酸根和粘土類礦物的光譜特征;再對(duì)第4 主分量圖像進(jìn)行直方圖拉伸增強(qiáng)、5×5 均值濾波;然后采用最優(yōu)密度分割法,分別賦以紅、黃、綠色,形成羥基蝕變異常圖(圖8)。
表2 ETM1、4/3、5/7、7 波段主成分分析特征向量
圖8 利卡西市西南部羥基蝕變異常示意圖
從圖8 中可看出,羥基蝕變異常除在中北部的Tantara-Swambo-Mindigi 有大面積的集中分布外,東北部的Kakontwe-Likasi、西北部的Kasompi-Kafunga、中南部的Tanganika-Mulomba,以及東南部的Kaseke-Kisonga 等地區(qū)均呈零散分布,且面積較小。大部分銅鈷礦床(點(diǎn))及外圍可見有羥基蝕變異常分布。
4.1.1 找礦影像標(biāo)志
加丹加成礦帶的主要控礦因素為地層(羅安群)和構(gòu)造(褶皺、斷裂和逆沖推覆構(gòu)造),目前已發(fā)現(xiàn)的礦床主要集中在其周圍。與羅安群有關(guān)的層控型礦床,是研究區(qū)內(nèi)的主要礦化類型,主要賦存于羅安群下部巖層中;其次為次生富集型和熱液脈型礦床,多見于羅安群含礦層位及其以上地層中褶皺與斷裂的交匯部位(杜菊民和趙學(xué)章,2010;余金杰等,2015)。
(1) 羅安群含礦層位的影像標(biāo)志
①含礦巖層呈似凸起狀、淺色調(diào)的條塊,地表出現(xiàn)這種露頭是最為直接的標(biāo)志。
②對(duì)比分析已知礦區(qū)的影像特征,在暗紅、醬紅色塊內(nèi)出現(xiàn)的羅安群條帶狀露頭。
(2) 控礦構(gòu)造的影像標(biāo)志
①斷裂對(duì)次生富集型和熱液脈型礦化具有控制作用,線性構(gòu)造與羅安群的交切部位,或順層理發(fā)育的線性構(gòu)造可作為影像標(biāo)志。Tantara 次生富集型銅礦就產(chǎn)出于斷裂構(gòu)造與羅安群的交切部位。
②褶皺構(gòu)造對(duì)礦體的產(chǎn)出也有一定的控制作用,在背斜和向斜發(fā)育地段,可順層追索到背斜翼部、向斜核部的羅安群含礦層位。
4.1.2 找礦靶區(qū)圈定
圖9 利卡西市西南部遙感找礦預(yù)測(cè)圖
根據(jù)研究區(qū)已知礦床(點(diǎn))分布資料分析,該區(qū)以層控型銅鈷(鈾)礦為主,次生富集型和熱液脈型銅(金)礦也有較好的找礦遠(yuǎn)景。在遙感地質(zhì)解譯、蝕變信息提取、找礦標(biāo)志確立的基礎(chǔ)上,依據(jù)成礦地質(zhì)條件與找礦條件(張瑞江,2010),初步圈定找礦靶區(qū)18 處,其中,層控型(A 類)找礦靶區(qū)Ⅰ級(jí)5 個(gè)、Ⅱ級(jí)5 個(gè);次生富集型和熱液脈型(B 類)找礦靶區(qū)Ⅰ級(jí)1 個(gè)、Ⅱ級(jí)7 個(gè)(圖9、表3)。
采用路線地質(zhì)剖面調(diào)查和重點(diǎn)地段采樣觀察分析,重點(diǎn)對(duì)遙感解譯發(fā)現(xiàn)的Tantara-Kamongo 近南北向大斷裂、Lembe-Muya 一帶的花崗巖體(G)、東部Lunsona 遙感蝕變異常區(qū)、A2-1 找礦靶區(qū)、Lombe古采坑、Kibolwe 礦區(qū)、卡莫亞南Ⅱ號(hào)露天采坑等進(jìn)行了野外調(diào)查與驗(yàn)證,取得如下認(rèn)識(shí)及建議。
(1) 由于地表植被發(fā)育,Tantara-Kamongo 斷裂帶附近基巖露頭少見,無(wú)法觀察到斷裂活動(dòng)形跡及特征,但在其上盤(即東側(cè))北、中、南段均發(fā)現(xiàn)有巖石破碎帶、斷層角礫巖和硅化石英脈,褐鐵礦化發(fā)育,基本上可以確定該斷裂的存在。對(duì)區(qū)內(nèi)銅礦成礦具有重要的控制作用。
(2) Lembe-Muya 推測(cè)花崗巖體區(qū)內(nèi),地表植被和風(fēng)化殘坡積層覆蓋較厚,很少見有基巖露頭,但在風(fēng)化殘坡積層的粉砂質(zhì)亞粘土中可見粒徑>10 mm 的斜長(zhǎng)石晶體和云母片,以及偉晶巖轉(zhuǎn)石。在基巖出露處多見風(fēng)化殼鐵帽、含磁鐵礦石英脈,不遠(yuǎn)處為L(zhǎng)ombe 銅礦古采坑。綜合分析認(rèn)為,殘坡積層之下即為隱伏的花崗巖體,對(duì)成礦具有一定的控制作用,也對(duì)尋找類似Lombe 熱液脈型礦床具有良好的指示意義。
表3 利卡西市西南部找礦靶區(qū)特征
(3) 東部Lunsona 遙感蝕變異常區(qū)內(nèi),近南北向斷裂與北西向斷裂交匯,地表可見多條探槽,孔雀石與鏡鐵礦共生,鈷華發(fā)育,多處見“銅禿”地貌現(xiàn)象,地表生長(zhǎng)鈷草。該區(qū)成/控礦條件良好,具有較好的找礦潛力。
(4) 從Kibolwe 礦區(qū)往西,對(duì)A2-1 找礦靶區(qū)進(jìn)行了調(diào)查驗(yàn)證。區(qū)內(nèi)多見羅安群出露,未發(fā)現(xiàn)孔雀石化,但磁鐵礦分布廣泛。經(jīng)采樣分析,鈷3.22×10-6、TFe 24.91%。建議下一步對(duì)重點(diǎn)異常區(qū)進(jìn)行大比例尺地質(zhì)填圖及物探工作。
該文利用ALOS、ETM 數(shù)據(jù),在利卡西西南部開展遙感找礦預(yù)測(cè)研究,取得了如下成果與認(rèn)識(shí)。
(1) 通過(guò)遙感地質(zhì)解譯,基本查明了研究區(qū)的地層分布、構(gòu)造格架等情況,新發(fā)現(xiàn)了Tantara-Kamongo、Tenke-Patapata 近南北向大斷裂、Lembe-Muya 一帶的花崗巖體(G),并經(jīng)野外調(diào)查證實(shí)了其存在。
(2) 針對(duì)區(qū)內(nèi)植被和殘坡積層較發(fā)育,采用“比值+主成分分析”方法進(jìn)行蝕變信息提取,較好地抑制了干擾因素的影響,并在多處異常區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了銅鈷礦化、鏡鐵礦和磁鐵礦等。
(3) 通過(guò)找礦預(yù)測(cè)研究,圈定銅鈷多金屬找礦靶區(qū)18 處,其中層控型(A 類)找礦靶區(qū)10 處、次生富集型和熱液脈型(B 類)找礦靶區(qū)8 處。
(4) 由于研究區(qū)植被和殘坡積層發(fā)育,基巖露頭較少,遙感可解譯程度較低,部分地層巖性未能進(jìn)一步細(xì)分。