蒙古國扎門烏德地區基于分形的遙感地質特征及成礦預測

王 翔，范海明，茹湘蘭

(1.中國地質調查局發展研究中心 北京 100037；2.中國地質大學(北京)，北京 100083；3.山西省地質調查院，山西 太原 030001)

研究區位于蒙古國東戈壁省南部扎門烏德(Zamyn-Uud)地區，其地理坐標為：北緯43°07′～43°11′，東經110°30′～110°38′。地理上屬戈壁景觀，人煙稀少；地質工作貧瘠，處于蒙古國南部重要的活動大陸邊緣斑巖系列Cu、Mo、Au成礦帶內，該成礦帶內已發現亞洲第一大斑巖Cu-Au礦Oyu Tolgoi及重要的Cu-Mo礦Tsagaan Suvarga、Oyut Ulaan等一批與巖漿成礦作用有關工業礦床。

現代遙感地質找礦主要是采用各種圖像解譯方法，提取與致礦因素相關的各種信息，進行成礦遠景預測。空間上礦體往往產于斷裂交匯或構造帶附近，這些斷裂、構造在遙感影像上主要表現為線性、環形體等信息，并且在礦體附近富集一定的蝕變異常。線-環性構造的形態常往往是不規則的，對其長度、密度和方位等因素的分析僅能揭示了其發育規律的某些方面，不能充分反映其復雜的空間分布特征，而分形幾何學為定量表征線-環構造的時空分布提供了新的手段[1]。蝕變作為一種地質記錄。其分布具有明顯的不均勻性。同時蝕變也是一種異常，而分維與異常又往往具有一定的關系[2]。

在綜合研究該區域的成礦地質條件的基礎上，利用分形幾何學的原理、方法，對成礦構造要素進行定量研究，采用主成分結合灰度-面積分形法準確的提取了蝕變異常信息。探討該區斑巖型礦產遙感成礦地質模型，尋找成礦的可行性。

1 成礦地質背景

研究區位于蒙古國南部的南戈壁Mainor、Byamba構造單元交界附近。從島弧增生、安底斯型俯沖到盆地以及山脈抬升，經歷了古生代、晚生代，臨近中生代，陸塊抬升，并伴隨陸源沉積進入前陸盆地沉積直至晚白堊世末期，形成持續干燥至今，共四個時期。

區域出露地層主要有：志留系礫巖、薄層砂巖、灰巖、頁巖和凝灰巖組成的沉積序列；早泥盆世-石炭紀的沉積巖、玄武沉積巖、英安巖和少量流紋巖與陸源凝灰質砂頁巖互層組成的火山巖沉積；地層中侵入有泥盆紀正長巖、花崗巖脈和石炭紀鈉長巖、花崗巖、花崗鈉長巖巖體。構造復雜，以區域性NE向東蒙古深大斷裂的次級EW和NW方向斷裂為主。

上述地質條件體現了斑巖型多金屬礦床的主要特征(即島弧-陸緣弧環境和碰撞造山環境)。這一區域的斑巖型多金屬礦床與古生代火山巖、古生代構造具有時空一致性，三者在時間上為同地質事件、空間上同位，形成構造-巖漿-礦化“三位一體”的統一體。

斑巖型礦床自巖體向圍巖依次發育分布有：鉀-硅酸鹽化環狀帶→石英-絹云母化環狀帶→青磐巖化環狀帶。偶爾見泥化環狀帶產出，但多數受控于構造，疊加在蝕變帶上；表現為斑巖熱液系統→淺成低溫熱液系統的轉化。

2 遙感地質特征

2.1 遙感數據源

此次研究利用2010年9月5日拍攝的P127R30ETM數據，結合其Pan波段高分辨率，采用HIS[4]法對ETM數據進行融合處理，以提高其空間分辨率，研究區多為戈壁。經反復對比,選擇融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色圖,效果較理想，植物綠色僅在溝谷內呈鮮綠、深綠色；基巖出露的地區，呈現淺土黃色。

2.2 線-環構造特征

2.2.1 線性構造

研究區多為戈壁。經反復對比,選擇融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色圖,效果較理想。解譯區內斷裂構造較為發育,其走向主要為NEE、NE以及EW向三組(圖1)。

圖1 研究區遙感地質解譯特征

1)NEE、NE線性構造。兩組斷裂共軛成套出現；NEE線性構造自北而南，NE線性構造自西而東；均大致以15km間隔廣布全區。此類線性構造影像上斷續出現，表現為階坎狀、直線凹地、溝谷，明暗色條帶，解譯為壓扭性構造，體現了形成較早、后期復活同時遭受新生斷裂改造的構造特征。NE向構造中部南北延伸較長的斷裂帶影像特征最為清晰,單條斷裂的連續性最好，NEE向構造以中北部影像上水體呈竄珠狀相連最為清晰。NEE、NE向線性構造較均勻的形成菱形構造。

2)NW線性構造。該類型構造在研究區中部較為發育，間隔4～6km，影像解譯特征為較為平直的亮、暗色條帶，短凹地、“V”型溝谷，延伸較長，解譯為扭或壓扭性斷裂。古生代巖體接觸部位或切割了環狀構造的斷裂帶內,常發育熱液型蝕變,對成礦有利。

3)另外研究區內NS向構造較為隱晦，主要分布與研究區中部，影像上呈淺色條帶，受后期構造破壞的基底構造特征。

總體上與成礦地質背景相一致，但從影像解譯結果看，EW次級斷裂并不明顯，NS次級線性構造較為隱晦，但對表現了后期改造的構造特征。

2.2.2 環性構造

該區域共解譯出環狀構造76個,主要呈圓狀,少數呈半圓狀(圖1)，多數環互相嵌套、相切。研究區內環形結構大小基本可以分為三類，一類直徑約15km，二類直徑約10km，三類直徑約8km。整體上小環圍繞大環呈環形分布，相切相連，呈現向“心”性。這種環形出露的形態，表明基底具有一較大的巖漿活動形成的巖體。環形構造形跡明顯，大型環狀構造的內部周邊,發育多處線環構造密集區,由多個套合呈子母環、姊妹環產出的環狀構造及斷裂構造組成，子母環、姐妹環色調差異明顯(圖1)。古生代地層、巖體組成的NEE、NE向線性斷裂構造內發育環狀構造；古生代產出花崗巖類侵入體為小的環形構造，表現為巖株、巖脈狀零星出露于其內部。通過綜合分析,該地區深部發生的熔融形成巖漿房,同時隨斷裂活動孔隙上升、侵入,形成一系列大小、深淺不一的(隱伏-半隱伏)巖體,與地表對應表現為大環及其內部及周邊的一系列的小型環狀構造。這些線-環構造密交錯區，是熱液型金屬礦床成礦的有利部位。

2.2.3 線-環構造數據分形模型和分形求和法

構造分維值(D)的大小反映了其空間展布的復雜程度，構造活動的強烈及發育程度，一般認為分維值越大，說明其空間復雜程度愈高，構造活動性越強，成礦元素越有利于活化以及成礦流體的運移、聚集，形成規模較大的礦床[4]。

傳統的計算線性構造分形特征采用網格法進行，即首先以邊長為L的正方形網格覆蓋在解譯圖上，以此為基礎，分別選取r=L/2，L/4，L/8，L/16，L/32，…的網格，求出相應標度下所含線性構造的網格數N(r)。然后在lg(r)-lgN(r)雙對數坐標系中作圖，計算回歸直線斜率的絕對值即為分維值D。該方法不能反應出線-環構造對周邊的影響，且受一定的網格采樣影響。這里設計一種基于線密度的線密度-面積分形方法，考慮線性構造的影響范圍的同時，其空間上又具有分形特征，直接提取線性構造的分形異常特征。

這里線密度指線-環構造是在單位面積內的長度，經過對比分析制作完成了研究區像元大小為100m的構造密度圖(圖1)。對構造密度圖采用密度-面積多重分形法進行分析。

設有分形模型(式(1))。

Tr=Cr-Dr>0

(1)

式中：r為特征尺度；C>0為比例常數；D>0為分維數；T(r)為尺度≥r的數目或總數。

地質現象具有標度不變性[5]的，可以運用分形進行分形。式(1)兩邊同時取對數，形成一元線性回歸方程(式(2))。

log[Tr]=-Dlogr+logC

(2)

運用最小二乘法原理計算斜率D，得分維數。當散點總體上分布在一條直線上時，采用分段擬合法。為了準確的確定分界點，找出合適的界限點ri0，不斷變化這個界限點使得各區間擬合的直線段，與原始數據間的剩余平方和Ei(i=1，2)，在兩個區間的總和為最小(式(3))。

(3)

式中：D1和D2分別為相應區間的斜率(分維數)。對研究區線-環構造密度采用上述方法進行分形分析。從圖2中可將研究區內線密度分為四個段進行線性擬合，得到四個分維值D1(0.0262)、D2(0.0297)、D3(0.0963)、D4(0.3313)對應于圖2中①、②、③、④斜率。以上方程的相關性R2均大于0.97，說明具有代表性，擬合可靠。這里針對全區進行分形分析，通過分維值可了解構造對成礦范圍的影響，以及構造背景、巖漿熱液的影響，有利于成礦預測[7]。同時通過分形分析(圖3)，可知D1主要表現為該區域的構造背景，研究區線性構造以北東、北西向為主，北東向為主要構造，這與野外踏勘結論完全吻合。

圖2 構造線密度LogN(r)—Logr

圖3 構造線密度分維劃分圖

2.3 遙感蝕變信息提取

區內主要蝕變類型為：綠泥石化、黃鐵礦化、絹云母化、鉀硅酸鹽化、青磐巖化。這些蝕變的總體特征為：含有三價鐵離子(Fe3+)、羥基(OH-)離子，并在ETM/TM 遙感波譜數據上具有診斷性特征[5]，為研究區蝕變遙感信息的提取提供了理論依據。

Crósta技術是一種經典的礦物蝕變信息提取技術[6]，以特征向量矩陣為分析導向。在過去的近20多年內已取得了豐碩的研究成果。它運用TM1、TM3、TM4、TM5波段做主成分分析，提取鐵染蝕變信息[7]，運用TM1、TM4、TM5、TM7波段做掩膜主成分分析，提取羥基異常。國內學者在該方法有一定的發展，包括數據前的掩膜處理與數據后的分級以及比值、差值主成分析法等[8]。利用分形理論的求和法,結合主成分分析法更加準確的提取了鐵染、羥基蝕變信息。

1)鐵染蝕變信息提取。表1為TM1、TM3、TM4、TM5掩膜主成分分析得到的主成分特征向量矩陣。由于鐵的氧化物具有在TM1強吸收，TM3小反射峰的特性，通過PC4可以進行異常提取。

表1 TM1、TM3、TM4、TM5掩膜-主成分的特征向量矩陣

在確定了異常分量以后，從鐵染、羥基所表現的波譜特征可知，所提取的異常信息表現為暗像元(負異常)，對其求反得到亮像元(正異常)表示的異常信息。需要對異常信息進行分級。采用前文提到的式(1)、式(2)來提取異常信息，圖4、圖5的結果可知，①表現為背景；而蝕變異常擬合②的相關性R2均大于0.98，比較準確的提取了研究區的蝕變異常。在MAPGIS6.7中將羥基、鐵染異常信息進行組合，即將兩種共同分布的區域提取出來，得到遙感綜合異常分級的結果(圖3中的綜合異常)。通過綜合異常信息分析，剔除了大量由于地層巖性引起的異常信息，所得結果主要表現為強異常區具有成礦較強的蝕變異常信息，異常信息主要表現中、東北兩個異常區帶及北西部零散分布區。

表2 TM1、TM4、TM5、TM7掩膜-主成分的特征向量矩陣

圖4 鐵染PC4 LogN(r)—Logr圖

圖5 羥基PC4 LogN(r)—Logr圖

1)東北部區帶，異常分布于中部NE向(Honger Hill斷裂)及其上方的NE向兩條主斷裂與伴生的3條NW向次級斷裂內，同時受NNE構造控制，散落在環形構造周邊，層次分明。斷裂給異常提供了通道，底部巖漿作用提供了能量及一定的物源。

2)中部區帶，異常分布于中部NE向(Honger Hill斷裂)及其下方的NE向兩條主斷裂與伴生的多條NW向次級斷裂內，NNE構造對異常分布影響不大；異常主要受環形構造及NW向生斷裂控制。

3)北西部零散分布區，分布零散，沒有具體規律；從地層及巖性分布可知，應是粘土物質引起異常反映，對多金屬礦產沒有明確的指示意義。

3 成礦預測分析

通過分析，運用MAPGIS平臺，區內共解譯分析出4個多金屬找礦遠景區(圖6)。根據上述研究成果，經野外實地驗證所取得的結果表明(圖7)，預測區內石英長石斑巖巖枝內，可以看見強烈的鉀硅酸鹽交代和硅化現象；石英絹云母化帶，蝕變礦物組合為絹云母+石英+鉀長石±綠泥石[10-13]，其中鉀長石、斜長石被絹云母和石英不同程度地交代。主要蝕變礦物為絹云母、石英，少數綠泥石；在含礦斑巖邊緣及其與圍巖的接觸帶上主要產出，常見于環繞鉀硅酸鹽化帶，同時與鉀硅酸鹽化帶呈漸變過渡關系，部分產于鉀硅酸鹽化帶內。泥化帶：蝕變礦物為粘土礦物+黃鐵礦+石英±絹云。青磐巖化帶：蝕變礦物為綠簾石、綠泥石、黃鐵礦以及碳酸鹽礦物，礦化微弱，分布于前述蝕變帶外圍的火山巖圍巖中。而從線-環線性構造分維特征以及蝕變綜合異常結果可知：構造分維值D3、D4區域主要表現為巖體內部活動，成礦可能較小；而蝕變異常主要分布在D2(0.0297)區域，這與含礦斑巖邊緣及其與圍巖的接觸帶分布綠泥石化相吻合。那么將該區域線-環構造分維區域D2與綜合蝕變異常相結合，能很好的進行找礦預測。

圖6 蒙古國扎門烏德地區遙感多金屬成礦預測圖

圖7 典型勘查點蝕變特征

野外驗證踏查16個采樣點(圖7)化驗結果(表3)表明，Cu元素百分比在0.2以上的有7個，占總樣品數的43.75%；Zn元素百分比在0.1以上的有4個，占總樣品數的25.00%，這兩種元素在樣品化驗中總體含量都較高，說明采樣點處，礦物元素富集較高，成礦可能性較大；進一步證明了本文所采用的找礦思路的可靠性，以及成果的可利用性。

表3 野外踏查采樣成果表

通過上述分析研究區已構成完整的斑巖型礦床巖漿、構造、熱液蝕變系統，是尋找斑巖型Cu-Au、Cu-Mo工業礦床的有利靶位，建立研究區以構造為主導方向，環形構造為限制區域，蝕變異常為具體示礦定位的多金屬找礦的思路。

4 結論與探討

1)多金屬礦產主要沿中部NE向主斷裂(Honger Hill斷裂)兩側伴生NW向斷裂分布，斷裂為成礦提供通道等有利作用。

2)底部巖體或火山巖等引起的環形構造周邊，是找礦的有利部位。

3)線-環構造線密度分維值在D2(0.0297)區域為有利部位。

4)蝕變異常為礦產在地表的表現提供了良好的指示作用。

遙感影像以其色調、色彩、形態、影紋、大小等及其間相互組合關系顯示影像特征，反映了與之對應的地面地物特征。影像中的線形體和環形體及其在空間上的展布形式與地面地物特征相對應。地殼地質元素、地質景觀是地面地物特征的主導因素，不同的線環組合形式的地質解釋，有助于開展遙感地質成礦預測。遙感蝕變信息提取作為找礦方法之一，近年來取得了很多成績，能反映具體地礦化體的展布情況，結合遙感解譯線-環地質找礦特征分析，有針對性地去發現礦化體，克服以往野外工作中有盲目性。而單純的提取羥基、鐵染遙感蝕變信息具有一定的局限性，將二者有機的結合，形成組合異常信息，更加有利于成礦預測分析。

研究區主體位于區域性NE向東蒙古深大斷裂的次級EW和NW方向斷裂內，地質構造復雜，成礦地質條件優越。但由于地理、氣候、政治等原因，地質工作程度很低，采用遙感技術手段進行前期的找礦工作意義深遠。由于斑巖型多金屬礦床的蝕變分帶特征及其與構造緊密相關性，采用遙感手段進行預測具有其特定的優勢。研究區以遙感解譯為主，兼顧地質特征結合蝕變信息分析；建立了以線性構造為主體，環形構造為限制區。構建了線-環構造線密度分形統計分析，解決了線-環構造統一利用，在空間上的控礦關系；在分維值較高的區域往往表現為環形構造特征，即巖體的內活動，不成礦；而在其邊部分維值較低的區域，則主要表現出了導、控礦構造的特征，與巖漿地質成礦模式統一。求和分形法準確的提取了蝕變異常，并為準確的指導快速預測多金屬礦產，最終圈定了四個多金屬成礦遠景區。經過野外驗證，這幾個遠景區內均見有各類型的金屬礦化信息，取得了良好的效果，為快速找礦提供了線索；研究解譯的四個找礦遠景區可作為進一步地質工作的依據。今后可以利用高分辨率、高光譜數據進行進一步分析，結合地質、地球物理、地球化學等數據對這一類型區域提供更加有利的找礦證據，為找礦空白區提供快捷、高效的第一手資料。

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