航空高光譜遙感區(qū)域成礦背景研究

航空高光譜遙感區(qū)域成礦背景研究——以甘肅柳園-方山口地區(qū)為例1.0

引言

高光譜遙感是當(dāng)前地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用的前沿和熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都在積極進(jìn)行探索。高光譜遙感在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用具有兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是通過(guò)高光譜礦物填圖，可以快速、大面積地提取蝕變礦物；二是圖譜合一，譜可以識(shí)別礦物及其種類，圖可以直觀提取蝕變礦物的位置、范圍、形態(tài)、控制要素和分布特征等。航空高光譜遙感技術(shù)由于可以獲得高空間分辨率（可達(dá)亞米級(jí)）的高光譜遙感數(shù)據(jù)，能夠識(shí)別規(guī)模小的近礦圍巖蝕變，從而具有直接找礦的效果。遙感找礦必須點(diǎn)面結(jié)合，首先要研究區(qū)域成礦背景，做到胸有全局，只有掌握了全局，才能從區(qū)域的高度，充分發(fā)揮找礦模型的作用，準(zhǔn)確地確定目標(biāo)礦物類型和最佳找礦區(qū)段。

航空高光譜遙感除具有上述識(shí)別蝕變礦物的優(yōu)勢(shì)外，還具有遙感的區(qū)域性優(yōu)勢(shì)，借助所填的區(qū)域礦物分布圖，可以從新的角度來(lái)研究一個(gè)地區(qū)的區(qū)域成礦背景。目前在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未查到利用航空高光譜遙感技術(shù)研究區(qū)域成礦背景的論文。本文試圖綜合航空高光譜遙感圖譜合一、高空間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢(shì)，在區(qū)域成礦背景研究方面進(jìn)行探索，以便更充分地發(fā)揮高光譜遙感技術(shù)的地質(zhì)找礦優(yōu)勢(shì)和作用，提升高光譜遙感技術(shù)的地質(zhì)應(yīng)用效果。

研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于甘肅省北山的柳園—方山口地區(qū)（圖1）。實(shí)驗(yàn)區(qū)出露的地層主要為震旦系和古生界，其中古生界缺失泥盆系。中生界分布范圍局限，第四系廣泛分布于平坦地帶。震旦系洗腸井群，為一套含有冰磧礫石的片巖、板巖、千枚巖、角巖和大理巖。寒武系由雙鷹山群和西雙鷹山群組成，主要為黑色硅質(zhì)巖夾結(jié)晶灰?guī)r，偶見(jiàn)夾白色石英巖。奧陶系僅見(jiàn)中統(tǒng)和上統(tǒng)，主要由花牛山群的變質(zhì)砂巖、角巖夾流紋巖、玄武巖和白云山組火山巖組成。志留系包括斜山群、公婆泉群，總體變質(zhì)程度較高，其中斜山群主要為混合巖、片麻巖、片巖和大理巖；公婆泉群為一套變質(zhì)的中-酸性火山巖。石炭系紅柳園組，主要為一套中酸性火山巖，自東向西夾有陸源碎屑巖、海相碳酸鹽、流紋巖。二疊系僅出露下統(tǒng)，巖性主要為砂巖。

圖1柳園—方山口地區(qū)大地構(gòu)造位置及地質(zhì)略圖

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造大多伴隨東西向斷裂帶發(fā)育，其形態(tài)多屬緊密線狀的單式或復(fù)試背斜和向斜、褶皺軸向呈東西或近東西向展布。區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造按照力學(xué)性質(zhì)可分為壓性、張性和扭性3類。張性斷裂多成南北向，如花白山斷裂。扭性斷裂在研究區(qū)內(nèi)分布十分廣泛，大致分為北東和北東東兩組，如花南溝、金溝子和白石嶺斷裂。

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，主要有輝橄巖、花崗閃長(zhǎng)巖、石英閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、似斑狀花崗巖和花崗巖等。巖體的規(guī)模不等，呈大型巖基或長(zhǎng)條狀巖體和巖脈產(chǎn)出，產(chǎn)出的時(shí)代為海西期和印支期。

區(qū)內(nèi)已知礦產(chǎn)有金、銅、鉛鋅、鎢鉬、鉻鎳、鐵等，為一典型的金屬成礦區(qū)。該區(qū)雖從地質(zhì)、物化探和多光譜遙感的角度進(jìn)行過(guò)研究，但大多數(shù)圍繞著礦床和區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)問(wèn)題，缺少?gòu)膮^(qū)域成礦條件、控礦要素、礦床分布規(guī)律和找礦方向等方面綜合研究區(qū)域成礦背景的研究，更沒(méi)有從航空高光譜遙感的角度來(lái)研究該區(qū)成礦背景的文章。本文利用航空高光譜遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，首次研究該區(qū)的區(qū)域成礦背景，并進(jìn)行地質(zhì)找礦的應(yīng)用。

航空高光譜遙感信息源與數(shù)據(jù)處理及成圖

3.1 信息源

研究使用的數(shù)據(jù)源是2010年—2011年利用可見(jiàn)光-近紅外，短波紅外，熱紅外航空高光譜成像系統(tǒng)獲取的遙感數(shù)據(jù)。根據(jù)在柳園—方山口地區(qū)探測(cè)任務(wù)的需要，獲取了3000km2高空間分辨率的高光譜遙感數(shù)據(jù)。

3.2 光譜數(shù)據(jù)處理

利用高光譜遙感數(shù)據(jù)直接識(shí)別地物的前提條件是光譜信息的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)預(yù)處理、大氣校正、光譜重建是保證光譜信息準(zhǔn)確性不可缺少的環(huán)節(jié)，而重建光譜的質(zhì)量直接影響到信息提取的能力和可信度。

3.2.1 采集航空高光譜遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

航空高光譜遙感成像系統(tǒng)配備了用于數(shù)據(jù)預(yù)處理（輻射校正、幾何校正和地形校正）的功能模塊，處理過(guò)程分為4個(gè)步驟：（1）輻射校正；（2）傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)處理；（3）GPS定位數(shù)據(jù)處理；（4）姿態(tài)數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)時(shí)間同步與集成。預(yù)處理后數(shù)據(jù)的幾何誤差小于5個(gè)像元，可以滿足下一步數(shù)據(jù)處理工作的要求。

3.2.2 航空高光譜數(shù)據(jù)的大氣校正和光譜重建

大氣校正與光譜重建工作主要采用了明暗地物的經(jīng)驗(yàn)線性校正方法，并選擇實(shí)驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行重建光譜與實(shí)測(cè)光譜特征的對(duì)比，結(jié)果表明，重建光譜與實(shí)驗(yàn)光譜曲線吻合良好（圖2），表明了重建光譜的正確性。

圖2重建光譜與實(shí)測(cè)光譜對(duì)比圖

3.2.3 航空高光譜礦物填圖法

本次礦物填圖過(guò)程中，首先要求注入地質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)的知識(shí)，把專業(yè)知識(shí)貫穿于礦物填圖的全過(guò)程。不僅要考慮吸收峰的位置和礦物整體譜形，還要考慮本地區(qū)的成礦環(huán)境、可能存在的礦物及其組合等。對(duì)傳統(tǒng)的填圖方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用將礦物光譜相似性填圖與光譜特征參數(shù)填圖相結(jié)合的方法，建立了相應(yīng)的技術(shù)流程 (圖3)。

圖3基于光譜相似性與光譜特征參數(shù)填圖的技術(shù)流程圖

3.3 填圖結(jié)果與野外查證

圖4是利用短波紅外（SASI）數(shù)據(jù)所填的柳園地區(qū)礦物區(qū)域分布圖，提取的蝕變礦物有絹云母、蛇紋石、綠泥石、褐鐵礦、高嶺石、方解石、石膏、黃鉀鐵釩等。圖5是利用短波紅外（SASI）數(shù)據(jù)所填的方山口地區(qū)礦物區(qū)域分布圖，提取出的蝕變礦物有絹云母、蛇紋石、綠泥石、綠簾石、褐鐵礦、方解石、白云母、黃鉀鐵釩、芒硝、菱鐵礦等10余種蝕變礦物。

圖4柳園地區(qū)蝕變礦物區(qū)域分布圖（據(jù)SASI數(shù)據(jù)源）

這些提取的礦物是與成礦作用密切相關(guān)的蝕變礦物，也是地質(zhì)找礦經(jīng)常涉及到的蝕變礦物，具有重要的實(shí)用價(jià)值。核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、核工業(yè)航測(cè)遙感中心、西安地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查中心等3家單位對(duì)航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區(qū)的區(qū)域礦物分布圖分片進(jìn)行了野外查證，檢驗(yàn)礦物提取的準(zhǔn)確性。經(jīng)野外查證和室內(nèi)巖礦鑒定、化學(xué)分析，礦物提取的準(zhǔn)確率達(dá)90%左右，表明這一填圖結(jié)果可以作為詮釋該區(qū)成礦背景的依據(jù)。

航空高光譜遙感礦物填圖結(jié)果的地質(zhì)詮釋

應(yīng)用航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區(qū)的礦物區(qū)域分布圖，圍繞該區(qū)的區(qū)域成礦背景問(wèn)題進(jìn)行了地質(zhì)詮釋。所謂區(qū)域成礦背景，主要是指區(qū)域成礦條件、區(qū)域控礦要素、區(qū)域礦產(chǎn)的空間分布規(guī)律、區(qū)域找礦方向和最佳找礦地段。本次章節(jié)我們先來(lái)探討其成礦條件：

4.1 基于航空高光譜礦物分布圖識(shí)別的成礦條件

從航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區(qū)礦物分布圖上（圖4和圖5），不僅可以看出蝕變礦物的種類、組合、發(fā)育程度和空間分布特征，而且可以分析出哪些巖體、哪些地層、哪些構(gòu)造發(fā)生了蝕變。

圖5方山口地區(qū)蝕變礦物區(qū)域分布圖（據(jù)SASI數(shù)據(jù)源）

（1）蝕變巖體的識(shí)別。如前所述，柳園地區(qū)海西期和印支期中酸性巖體極為發(fā)育，有受褶皺構(gòu)造控制的大型巖基，也有受大斷裂帶控制的長(zhǎng)條狀巖體。填圖結(jié)果表明，該區(qū)發(fā)生蝕變作用的巖體主要是海西-印支期沿大斷裂同方向展布的長(zhǎng)條狀花崗巖類巖體（圖6），而大型的花崗巖基僅局部有蝕變現(xiàn)象。巖體的蝕變主要表現(xiàn)為褐鐵礦化、赤鐵礦化和絹云母化。

圖6柳園地區(qū)長(zhǎng)條狀蝕變花崗巖體和花崗巖基分布圖

（2）蝕變地層的識(shí)別。從柳園地區(qū)蝕變礦物分布圖上可以看出該區(qū)哪些地層發(fā)生了蝕變，哪些地層未發(fā)生蝕變。對(duì)發(fā)生蝕變的地層進(jìn)一步分析還可以看出，哪些地層發(fā)生的蝕變屬區(qū)域變質(zhì)作用造成的蝕變，哪些地層的蝕變可能是與熱液有關(guān)的蝕變，對(duì)沉積型礦產(chǎn)來(lái)說(shuō)，熱液的疊加改造作用更有利于形成富礦、大礦。識(shí)別地層區(qū)域變質(zhì)作用的主要標(biāo)志是：蝕變礦物分布面積大，呈帶狀，與地層的展布相吻合（圖7）；識(shí)別地層熱液蝕變的主要標(biāo)志是，蝕變面積小，產(chǎn)出位置與斷裂構(gòu)造及其特殊部位有關(guān)，如，處于斷裂的交叉部位、弧形拐彎部位和入字型斷裂夾角部位（圖8）等。

圖7與區(qū)域變質(zhì)作用有關(guān)的地層蝕變圖

圖8處于入字型斷裂夾角部位的熱液蝕變圖

（3）蝕變構(gòu)造的識(shí)別。進(jìn)一步分析航空高光譜遙感礦物分布圖還可以看出，有的斷裂有明顯的蝕變現(xiàn)象，通常發(fā)育硅化、絹云母化、褐鐵礦化（黃鐵礦化）、碳酸鹽化、蛇紋石化等的一種或幾種；有的斷裂卻沒(méi)有蝕變礦物沿其分布的現(xiàn)象。有蝕變發(fā)育的斷裂，反映其曾經(jīng)歷過(guò)熱液作用，蝕變礦物的發(fā)育是熱液作用留下的痕跡，這類斷裂有可能與成礦作用有關(guān)，可以視為成礦構(gòu)造。一般情況下，沒(méi)有蝕變的斷裂，可視為非成礦構(gòu)造（圖9）。由于金屬礦的成礦均與蝕變現(xiàn)象密切相關(guān)，如果開(kāi)展區(qū)域找礦，首先需要知道工作區(qū)的蝕變礦物的種類、組合、發(fā)育程度和空間分布特征，這對(duì)評(píng)價(jià)該區(qū)找礦前景，進(jìn)行戰(zhàn)略選區(qū)和確定找礦的目標(biāo)類型至關(guān)重要。如果再知道哪些巖體、哪些地層和哪些構(gòu)造發(fā)生了蝕變，將會(huì)大大縮小找礦對(duì)象，更好地優(yōu)選找礦的有利地區(qū)，本研究充分表明了航空高光譜遙感數(shù)據(jù)的適用性和優(yōu)勢(shì)。

圖9方山口地區(qū)成礦構(gòu)造解譯圖

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審核編輯 黃宇