內蒙古東烏旗遙感構造和蝕變信息提取與找礦預測

錢建平，張 淵，趙小星，趙少杰，李承禮

(桂林理工大學地球科學學院，桂林 541004)

0 引言

近年來，內蒙古東部東烏旗一帶Pb-Zn多金屬找礦在一些點上取得了重要成果。如何實現區域面上找礦的新突破，很多研究者試圖從區域遙感地質找礦研究入手。遙感是一種經濟快捷、實用有效的區域找礦手段。金屬礦床常富集在構造帶附近或斷裂交匯部位，后者以線性體或環形體等結構信息的形式反映在遙感圖像上[1-3]。礦化程度往往與構造和蝕變的復雜程度相關。礦床具有與圍巖不同的礦物組成和化學成分，它們能夠以特殊的波譜特征反映在遙感圖像上[4-5]。遙感技術應用于礦產勘查主要是運用各種圖像處理技術增強和提取與成礦有關的構造信息和蝕變信息，以達到識別礦床的目的[6-7]。另一方面，地球化學異常和遙感蝕變異常在本質上是成礦作用在不同物質層次上的表現形式，兩者具有一定的相關性。因此，遙感、地質、地球化學等多種地學信息綜合分析已成為一種地質找礦的重要手段[8-9]。

前人在本研究區曾做過部分遙感地質工作，但主要局限于遙感線性構造解譯方面[10]，尚未開展過區域遙感蝕變異常信息提取，特別是未開展過多元信息綜合分析和找礦研究工作。本文立足于區域成礦地質背景分析，運用Landsat7 ETM+數據，對研究區線性構造重新進行解譯，并進行分形統計;采用主成分分析和閾值分割方法提取遙感蝕變異常信息;總結線性構造和遙感蝕變信息在區域空間上的分布規律，探討線性構造集中區和遙感蝕變異常與區域巖漿巖、地球化學異常和Pb-Zn-Ag多金屬礦床(點)在空間上的相互聯系，在此基礎上進行區域成礦遠景分析和找礦預測。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區地理地質概況

研究區位于內蒙古自治區中東部、東烏珠穆沁旗額仁高畢蘇木至滿都胡寶格拉蘇木一帶，海拔高度一般在900～1 100 m之間，地形切割較淺，地勢相對平緩，為典型的草原覆蓋區。區內水系極不發育，僅在丘陵低洼處散布有少量面積大小不等的濕地。區域大地構造主要位于內蒙古—興安嶺地槽褶皺系的東烏旗褶皺束內。區域內出露地層主要有古生界和中生界(圖1)，二者為角度不整合接觸。基底地層由奧陶系、志留系、泥盆系和石炭系組成，其上為侏羅系和白堊系不整合覆蓋。其中，中上泥盆統和中石炭統碎屑巖與成礦關系密切。

圖1 內蒙古東烏旗區域地質圖(資料來源:1∶20萬區域地質礦產圖)Fig.1 Regional geological map of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

區域構造線主要呈NE和NW向，少量沿SN和EW向展布，褶皺和斷裂均很發育，形成格狀構造。代表性斷裂有巴潤沙巴爾—朝不楞北大斷裂(F1)、朝不楞西—烏拉蓋斷裂(F2)和白云呼布爾—滿都寶力格大斷裂(F3)。

區內巖漿巖廣泛分布，主要為中酸性、酸性，少量為堿性、基性侵入巖。海西期巖漿巖主要有花崗巖和閃長巖，燕山期巖漿巖主要有花崗巖、花崗斑巖、石英斑巖、正長斑巖、二長斑巖和閃長玢巖。

研究區位于內蒙古—興安嶺晚古生代—中生代Cu，Pb，Zn，Au，Ag，Sn，Cr(Mo)成礦區，錫林浩特—東烏旗多金屬成礦帶的東段。總體來看，區域構造和巖漿活動頻繁，多期次的中酸性巖漿活動為多金屬成礦提供了物質來源，中、上泥盆統和石炭系碎屑巖地層是有利的賦礦地層，NE向斷裂及其與NW向斷裂交匯部位是有利的賦礦部位，區域成礦條件十分優越。區內典型礦床有朝不楞Fe多金屬礦、吉林寶力格Ag礦、阿爾哈達Pb-Zn-Ag礦、達賽脫Pb-Zn-Ag礦和額爾登陶勒蓋Cu礦等礦床。主要圍巖蝕變有矽卡巖化、褐鐵礦化、黃鐵礦化、綠泥石化、絹云母化、高嶺土化、螢石化、硅化、次生石英巖化和碳酸鹽化等(表1)。

表1 東烏旗主要金屬礦床(點)地質特征Tab.1 Geological features of polymetallic ore deposits in Dongwu Banner

續表

區內多金屬元素地球化學異常發育，主要為Cu，Pb，Zn，其次為 Cr。異常區呈點陣式分布，受 NE和NW向斷裂控制。具體異常主要圍繞燕山期巖體分布，與Cu，Pb，Zn礦床關系密切。一般出現 Cu，Pb，Zn多元素綜合異常，異常強度高、規模大者，與成礦關系密切;單元素異常，異常強度小、規模小者，與成礦關系較差。

1.2 數據源

研究區涉及2001年10月24日獲取的1景ETM+圖像及2000年9月24日獲取的1景ETM+圖像。圖像質量好，干擾信息較少，適用于地質構造和蝕變信息提取。

利用ENVI的幾何糾正模塊，選擇圖像對圖像的幾何糾正方法，以區域地質圖為基準，在采集地面控制點基礎上，選用德洛內三角測量(DE los inside triangulation)旋轉、縮放和平移(rotation，scaling and translation，RST)糾正和雙線性內插重采樣方法，對ETM+圖像進行了幾何糾正。為了使彩色合成圖像能最大限度地反映地表信息，通過波段相關性分析，選擇相關性較小的ETM+7(R)，4(G)，2(B)波段組合進行假彩色合成，得到的假彩色合成圖像色彩飽和，地表信息特征明顯(圖2)。

圖2 內蒙古東烏旗ETM+7(R)，4(G)，2(B)假彩色合成圖像Fig.2False color image composed of ETM+7(R)，4(G)，2(B)for Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2 線性構造解譯與分形研究

2.1 線性構造增強處理

對基礎圖像(圖2)進行高通卷積濾波增強，以突出線性影像特征;對ETM+1—5和7波段進行主成分分析，在得到的主成分中，PC1主要表現地形、地貌信息;PC2突出表現構造信息，對PC2進行3像元×3像元的低通卷積濾波，得到PC2′;ETM+4反映了與水有關的地質構造、地貌和土壤、巖石類型等信息;通過 PC1(R)，ETM+4(G)，PC2′(B)假彩色合成，增強線性構造與其兩側影像間的亮度反差，突出主干構造。

2.2 線性構造解譯

從圖2和圖3可看出，研究區內線性構造十分發育。線性構造的展布方位主要為NE和NW向，次為NNW向;NW向線性構造較為密集斷續，NE向線性構造較為稀疏。其中，NE向線性構造為成礦有利構造;已知礦床(點)主要分布于NE向與NW向線性構造交匯部位。

圖3 內蒙古東烏旗線性構造解譯圖Fig.3 Interpretation map of linear structures of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2.3 線性構造分形研究

線性構造分維值的大小反映了線性構造展布結構的復雜程度、構造的發育程度和構造活動的強烈程度。一般認為分維值愈大，構造的空間愈復雜[11]，構造活動性愈強，愈有利于成礦元素的活化和成礦流體的運移和聚集、形成具有較大規模的礦床。

2.3.1 全區線性構造總體分形特征

目前線性構造分維統計的方法很多，本文采用計盒維數法，對研究區全區遙感線性構造進行分形統計，所采用的標度為66～4.125 km。經統計計算，求得本區線性構造的分維值D=1.737 7，相關系數r=0.999 2。當顯著性水平取0.05時，相關系數的臨界值為0.878。研究區的相關系數遠遠大于臨界值，表明研究區線性構造具有分形特征，其分形結構具有很好的統計自相似性。

將研究區的線性構造分維值與其他地區進行對比(表2)可知，研究區線性構造較復雜，活動性較強。

表2 研究區與其他地區線性構造分形特征比較Tab.2 Comparison of fractal characteristics between the study area and other areas

2.3.2 不同區段線性體分形特征

以圖3為底圖，將其劃分為64個邊長為16.5 km的正方形區域，對每個正方形區域采用8.25～0.515 625的5個標度進行研究。經統計計算，求得各小正方形區域線性構造的分維值0.831 6≤D≤1.485 1，相關系數 0.951 8≤r≤0.998 4。故每個小正方形區域的相關系數遠遠大于臨界值(0.878)，說明其分形結構具有極好的相似性。利用Surfer軟件繪制出研究區線性構造分維等值線圖(圖4)。

圖4 內蒙古東烏旗線性構造分維等值線圖Fig.4 Counter map of fractal dimension value of linear structures of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

由圖4可知，研究區線性構造分維值與其發育數量緊密相關，各正方形塊子區內的線性構造數量越多、密度越大，分維值也就越大，反之越小。

將已知礦床(點)疊置在圖4上，發現已知礦床(點)均分布在高分維值區或附近。由此可見，線性構造分維值對預測礦點有一定的參考價值。因此，從分形理論的角度來說，研究區中分維值D＞1.25的強構造變形域是成礦的優勢場所。

3 遙感蝕變信息提取

3.1 蝕變礦物反射光譜特征

圖5 幾種常見蝕變巖的反射波譜曲線Fig.5 Several common reflective curves of alteration rocks

研究區內礦化蝕變發育，幾種常見蝕變巖的反射波譜曲線如圖5所示。與金屬礦化有關的中低溫熱液蝕變類型主要有黃鐵礦化、綠簾石化、螢石化、綠泥石化、硅化和粘土礦化等，這些近礦圍巖蝕變礦物分別富含 Fe3+和 Fe2+離子、水(H2O)、羥基(OH-)或碳酸根(CO2-3)等基團。上述結構離子的電子振動過程，會使富含這些離子或基團的礦物產生特征光譜[15]。

3.2 蝕變信息提取方法

提取礦化蝕變信息的過程是對圖像中所有像元信息統計歸類分析的過程。研究區受植被、水系和陰影等諸多因素的影響，所以在蝕變信息提取前先要去除這些干擾因素，以使受干擾的像元不參與統計分析。利用ENVI軟件中的掩模運算(Masking)功能對干擾信息進行掩模處理。

對于上述去除干擾后的圖像，采用主成分分析方法提取蝕變異常信息。提取鐵染信息用ETM+1，3，4，5波段做主成分分析，異常主成分PC4具有的特點是ETM+1和ETM+4的貢獻系數與ETM+3的貢獻系數符號相反(表3)。

表 3 ETM+1，3，4，5 波段的 PCA 統計Tab.3 PCA statistics of ETM+1，3，4，5

從表3可以看出，在PC4中ETM+3與ETM+1，ETM+4具有相反的貢獻值，且ETM+4具有強負載值(表現為正值)，故PC4反映了鐵染信息，即

提取羥基信息用 ETM+1，4，5，7波段做主成分分析，異常主成分PC4具有的特點是ETM+4，ETM+7的貢獻系數與ETM+5的貢獻系數符號相反(表4)。

表 4 ETM+1，4，5，7 波段的 PCA 統計Tab.4 PCA statistics of ETM+1，4，5，7

從表4可以看出，在PC4中ETM+5與ETM+7具有相反的貢獻值，且ETM+5具有強負載值(表現為正值)，故PC4反映了羥基信息，即

根據上述判斷準則，鐵染異常應該包含在ETM+1，3，4，5 主成分分析的 PC4 中，羥基蝕變應該包含在ETM+1，4，5，7主成分分析的PC4中。根據概率密度分布曲線的數學含意，可以把統計均值理解為主成分分析結果的區域背景值，利用Y=X+Kσ來劃分異常等級，其中，Y為異常等級;X為均值;σ為標準離差;K為常數，對于羥基異常K一般取2～3，對于鐵染異常 K 一般取1.5～2.5。據此，對所包含主要信息的主成分進行閾值分割，得到分級異常信息圖像，并圈出7個遙感蝕變異常區(圖6)。

圖6 內蒙古東烏旗遙感蝕變異常信息圖Fig.6 Abnomaly map of remote sensing alteration of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

4 綜合信息找礦預測

4.1 多種地學信息綜合分析

將遙感蝕變異常、化探異常、礦床(點)與巖漿巖分布等多種地學信息疊加(圖7)，可以看出如下規律:

1)與區域的格狀構造一致，巖漿巖體、蝕變異常區呈明顯的點陣式排列。

圖7 內蒙古東烏旗找礦預測圖Fig.7 Prediction map of mineral prospection of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2)遙感蝕變異常、化探異常位于巖漿巖體之上或其附近，已知礦床(點)大多位于蝕變異常區內。這表明，作為成礦物質運移通道和驅動力，區域構造和巖漿活動是本區成礦的基本因素。巖體周邊熱能量和物質交換最為活躍，導致遙感蝕變異常、化探異常最為顯著，它們是成礦物質活化—遷移—再分布作用在不同物質層次上的表現形式，因此二者均可作為找礦預測依據。

3)由NE向SW，鐵染異常強度漸減弱，羥基異常漸增強，相應地礦床(點)增加;且蝕變類型與礦床類型具有一定關聯性，即北段分布鐵或鐵多金屬礦床較多，南段分布多金屬礦床較多(例外的是，阿爾哈達多金屬礦床位于北段Ⅱ號預測區，但仔細分析可以看出，事實上它亦位于Ⅱ號預測區局部羥基異常中)。

4.2 找礦預測

根據區內線性構造分維值、遙感蝕變信息、巖體分布特征、區域地球化學異常和已知礦床(點)分布等多種地學信息的綜合分析，探討區域找礦前景，劃分了三級找礦遠景區(圖7)，具體如下:

一級找礦遠景區蝕變強度強或較強，D＞1.25，具有多元素化探異常，區內有已知礦床(點)分布。

二級找礦遠景區蝕變強度較強，線性構造分維值中等，具有多元素化探異常，區內有已知礦床(點)分布。

三級找礦遠景區蝕變強度較強或較弱，線性構造分維值中等或較低，具有多或單元素化探異常，目前未發現礦點。

按上述原則，將研究區劃分為4個一級找礦遠景區(即Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ號找礦遠景區)、1個二級找礦遠景區(即Ⅳ號找礦遠景區)和2個三級找礦遠景區(即Ⅲ，Ⅶ號找礦遠景區)(表5)。

表5 內蒙古東烏旗各找礦預測區特征Tab.5 Characteristics of mineral prediction areas of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

5 結論

1)區域遙感線性構造解譯表明，研究區內線性構造十分發育，按線性構造的方位主要為NE和NW向，其次為SN和EW向，構成格狀構造系統。

2)研究區內線性構造具有分形特征，其分形結構具有良好的統計自相似性，其分維值高于中國大陸許多地區的斷裂構造分維值。線性構造分維值D＞1.25的強構造變形域有利于成礦作用的發生，是成礦優勢區域。

3)研究區內具有顯著的鐵染和羥基遙感蝕變異常，已知礦床(點)大多位于遙感蝕變異常區內。與區域的格狀構造一致，巖漿巖體、遙感蝕變異常區呈明顯的點陣式排列。遙感蝕變異常和化探異常位于巖漿巖體之上或其附近。作為成礦物質運移通道和驅動力，區域構造和巖漿活動是本區成礦的基本因素。

4)研究區內由NE向SW，鐵染異常強度漸減弱，羥基異常漸增強，相應的礦床(點)亦增多;蝕變類型與礦床類型具有一定關聯性，即北段分布鐵或鐵多金屬礦床較多，南段分布多金屬礦床較多。

5)通過遙感信息和已知礦點對比研究，證實了遙感解譯線性構造和遙感蝕變異常信息可以作為找礦預測的標志。綜合分析線性構造、遙感蝕變異常信息、地球化學異常、巖漿巖和礦床(點)分布等多種地學信息，確定了三級找礦遠景區(其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ號為一級遠景區;Ⅳ號為二級遠景區;Ⅲ，Ⅶ號為三級遠景區)，可為研究區的地質找礦工作提供線索。

[1]況 忠，龍勝清，曾禹人，等.黔西南地區遙感構造與金礦的關系及找礦預測[J].國土資源遙感，2012，24(1):160-165.Kuang Z，Long S Q，Zeng Y R，et al.The relationship between remote sensing structures and gold deposits and ore-prospecting prognosis in Southwest Guizhou[J].Remote Sensing for Land and Resources，2012，24(1):160-165.

[2]趙少杰，錢建平，陳宏毅.遙感線性構造分形統計和蝕變信息提取在桂東地區金鉛鋅錫多金屬成礦預測中的應用[J].大地構造與成礦學，2011，35(3):364-371.Zhao S J，Qian J P，Chen H Y.Application of fractal statistics of linear structure and alteration information extraction of remote sensing on the Au，Pb，Zn，Sn polymetallic minerogenetic prognosis in eastern Guangxi[J].Geotectonica et Metallogenia，2011，35(3):364-371.

[3]余 勇，錢建平，袁愛平.高龍金礦區高分辨率遙感線性構造分形特征及綜合成礦預測[J].礦產與地質，2005，19(2):209-211.Yu Y，Qian J P，Yuan A P.Fractal characteristics of high resolution remote sensing lineations in Gaolong gold deposit and integrated ore deposit prediction[J].Mineral Resources and Geology，2005，19(2):209-211.

[4]Loughlin W P.Principal component analysis for alteration mapping[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1991，57(9):163-1169.

[5]鄭桂香，池天河，藺啟忠.分形在巖性分類及蝕變信息提取中的應用[J].國土資源遙感，2012，24(2):110-115.Zheng G X，Chi T H，Lin Q Z.Fractal application in lithological classification and alteration extraction[J].Remote Sensing for Land and Resources，2012，24(2):110-115.

[6]Rajesh H M.Mapping proterozoic unconformity-related uranium deposits in the Rockhole area，northern Territory，Australia using Landsat ETM+[J].Ore Geology Reviews，2008，33(3/4):382-396.

[7]鄧吉秋，謝 楊，張寶一，等.ETM+圖像錳礦化蝕變信息提取與找礦預測[J].國土資源遙感，2011，23(1):102-105.Deng J Q，Xie Y，Zhang B Y，et al.The extraction of the manganese mineralization alteration information from the ETM+image and ore prognosis[J].Remote Sensing for Land and Resources，2011，23(1):102-105.

[8]劉文蘭，張 微.遙感構造蝕變異常信息提取及找礦預測——以老撾為例[J].國土資源遙感，2012，24(2):68-74.Liu W L，Zhang W.Remote sensing structural alteration information extraction and ore prognosis:A case study of Laos[J].Remote Sensing for Land and Resources，2012，24(2):68-74.

[9]錢建平，伍貴華，陳宏毅.現代遙感技術在地質找礦中的應用[J].地質找礦論叢，2012，27(3):355-360.Qian J P，Wu G H，Chen H Y.The application of modern remote sensing technology to geology and ore exploration[J].Contributions to Geology and Mineral Resources Research，2012，27(3):335-360.

[10]李繼宏，張萬昌.內蒙古東烏旗草原覆蓋區遙感構造信息提取[J].地質找礦論叢，2005，20(2):137-141.Li J H，Zhang W C.Tectonic information extract in the Dong Ujimqin county grassland district of Inner Mongolia[J].Contributions to Geology and Mineral Resources Research，2005，20(2):137-141.

[11]陳建平，胡明銘，李巨初.康滇地軸中南段區域構造格架的遙感地質統計分析[J].成都理工學院學報:自然科學版，1999，26(1):78-81.Chen J P，Hu M M，Li J C.Statistical analysis for regional structure by remote sensing geology in Kang-Dian Axis of the Earth[J].Journal of Chengdu University of Technology:Science and Technology Edition，1999，26(1):78-81.

[12]朱曉華.中國主要地貌與地質災害的空間分維及其關系研究[D].南京:南京師范大學，2002.Zhu X H.The study on the relationship between landform or geological hazard and spatial fractal dimension of China[D].Nanjing:Nanjing Normal University，2002.

[13]Hirata T.Fractal dimension of fault systems in Japan，Fractal structure in rock fracture geometry at various scales[J].Pure and Applied Geophysics，1989，131(12):157-170.

[14]孔凡臣，丁國瑜.線性構造分維值的含義[J].地震，1991(5):33-37.Kong F C，Ding G Y.The implications of the fractal dimension values of lineaments[J].Earthquake，1991(5):33-37.

[15]張玉君，楊建民，陳 薇.ETM+(TM)蝕變遙感異常提取方法研究與應用——地質依據和波譜前提[J].國土資源遙感，2002，14(4):30-36.Zhang Y J，Yang J M，Chen W.A study of the method for extraction of alteration anomalies from the ETM+(TM)data and its application:Geologic basis and spectral precondition[J].Remote Sensing for Land and Resources，2002，14(4):30-36.