新疆南天山某金礦蝕變信息提取研究

宮麗明，宋召軍，高 濼，顧畛逵

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點實驗室，山東青島266590;2.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島266590)

傳統(tǒng)找礦手段(地質(zhì)、物探、地球化學等)在找礦中地位至關(guān)重要，而遙感找礦作為最近十幾年來發(fā)展起來的新興手段，可以作為傳統(tǒng)找礦手段有力的補充.遙感蝕變提取具有視域?qū)拸V，信息量豐富，能有效獲取大量超出視覺以外的地學信息，便于進行大區(qū)域宏觀觀察和分析對比.

中亞成礦域、環(huán)太平洋成礦域和地中海成礦域是世界三大成礦域，礦產(chǎn)資源儲量豐富.中亞地區(qū)石油、天然氣、煤炭、鈾礦、鐵、鉻、銅、鉬、鉻、鋁土礦和黃金等礦產(chǎn)資源儲量豐富［1］.而我國新疆地區(qū)和中亞地區(qū)位置相鄰、面積相當，但某些礦產(chǎn)類型發(fā)現(xiàn)的礦床還是比較少，如中亞的斑巖型銅礦和黑色巖系金礦，在中亞地區(qū)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)十幾個大型礦床，而我國僅有零星幾個規(guī)模較小的.新疆南天山成礦帶緊鄰中亞成礦域，成礦潛力巨大.而新疆南天山地區(qū)多為山地丘陵地貌，氣候干旱，降水稀少，多為冰山融水.常年的干旱，風蝕作用明顯，山坡巖石風化的泥土，由于風蝕作用，多堆積在谷底.另外，南天山地區(qū)人口稀少，交通不發(fā)達，很多地區(qū)都人煙罕至，其特殊的自然和人文條件可以充分發(fā)揮遙感的作用，適合開展遙感蝕變提取，發(fā)揮遙感在地質(zhì)勘查中的作用.本文利用新疆南天山地區(qū)的TM遙感多光譜影像數(shù)據(jù)，采用蝕變信息提取的主要技術(shù)進行地層、構(gòu)造和蝕變提取，為新疆南天山地區(qū)進行地質(zhì)找礦提供重要依據(jù).

1 區(qū)域概況和研究方法

1.1 區(qū)域概況

南天山某金礦區(qū)地理坐標為，東經(jīng):74°15'00″～74°20'43″，北緯:40°02'14″～ 40°08'00″，其位于中國新疆境內(nèi)與吉爾吉斯斯坦相鄰.在自然條件上，新疆南天山地區(qū)多為山地丘陵地貌，氣候干旱，降水稀少，多為冰山融水.常年的干旱，風蝕作用明顯，山坡巖石風化的泥土，由于風蝕作用，多堆積在谷底［2］.社會經(jīng)濟方面，南天山地區(qū)人口稀少，交通不發(fā)達，很多地區(qū)都人煙罕至.屬于中亞成礦域南天山成礦帶［3］的一部分，有黑色金腰帶之稱.南天山成礦帶從構(gòu)造上屬于晚古生代的地槽褶皺帶，在新疆境內(nèi)走向為北東走向.北邊是中天山，其分界線是南天山縫合線，南到天山邊緣斷裂線.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)眾多大型金礦，穆龍?zhí)?儲量5000t)、道吉套茲(儲量192t)、庫木托爾(儲量360t)、阿曼泰套(儲量93t)薩瓦雅爾頓等多個大型黑色巖系金礦.其中穆龍?zhí)捉鸬V作為該區(qū)域黑色巖系金礦的代表，金礦賦存在一套淺變質(zhì)的黑色巖系中，礦體厚度達百余米，礦體構(gòu)造斷裂控制富礦位置［4］.從大地構(gòu)造上來看，新疆南天山成礦帶地區(qū)位于伊犁－伊塞克湖微板塊與塔里木活動帶的相交部位.區(qū)域出露地層主要為上志留統(tǒng)、下泥盆統(tǒng)到上石炭統(tǒng).輕變質(zhì)的含碳碎屑巖、變質(zhì)細砂巖、含碳千枚巖、變質(zhì)砂巖和粉砂巖以及生物灰?guī)r等為該地區(qū)地層主要巖性.構(gòu)造上，該區(qū)斷裂和褶皺發(fā)育，斷裂作為本區(qū)重要的控礦構(gòu)造，構(gòu)造線一般呈 NNE走向，可延伸數(shù)十公里，甚至數(shù)百公里.本區(qū)巖漿活動微弱，并沒有大范圍的巖漿侵入，僅在斷裂處局部發(fā)現(xiàn)輝綠巖脈、基性熔巖、超基性巖透鏡體和二長斑巖脈.

1.2 研究方法

蝕變信息提取的主要技術(shù)包括基于波段運算的比值法［5］、主成分分析法(K－L 變換)［6］、MPH 技術(shù)［7］和 Gram－Schmidt投影方法［8］.20世紀80年代末Crosta在巴西干旱地區(qū)利用TM影像進行主成分分析蝕變提取.主成分分析方法是一種將多個變量通過線性變換以選出較少個數(shù)重要變量的一種多元統(tǒng)計分析方法，該方法通過選取(TM1、TM3、TM4、TM5)進行主成分分析，在PC4主分量上提取鐵染異常;同樣，對波段(TM1、TM4、TM5、TM7)進行主成分分析，在PC4主分量上提取羥基和含碳酸根的蝕變異常信息［5］.國內(nèi)研究現(xiàn)狀，1995年何國金通過對內(nèi)蒙古撰山子地區(qū)金礦TM影像弱信息進行增強處理，然后進行蝕變信息提取，最終圈定靶區(qū)［9］.2007年，張保平和張玉明將遙感蝕變信息提取方法應用在西天山班禪溝一帶銅、鐵礦找礦工作中［10］.2003年楊建民在東天山戈壁地區(qū)應用蝕變遙感異常提取方法，取得了良好的效果.研究區(qū)內(nèi)已知礦床、礦(化)點122個，礦化點和已知礦床遙感異常吻合率分別為86%和100%，充分說明遙感蝕變信息提取的可靠性［11，12］.

2 地質(zhì)依據(jù)和波譜前提

2.1 地質(zhì)依據(jù)

熱液蝕變礦床主要就是交代原巖形成富礦巖石.絹云母化、硅化、云英巖化、綠泥石化和鐵化都是蝕變過程中常見蝕變類型.這種蝕變的過程是緩慢進行的，熱液在搬運和卸載成礦元素中逐漸富集成礦.在實踐中發(fā)現(xiàn)，這種熱液搬運作用形成的礦床伴隨著圍巖蝕變作用，這種蝕變的范圍要比礦體面積大很多.因此，雖然圍巖蝕變不能絕對證明礦床的存在，但是圍巖蝕變可以作為找礦的重要標志，大大增加找礦的機會.新疆地區(qū)植被不發(fā)育，巖石大面積裸露，有利于遙感監(jiān)測到隱伏礦體.穆龍?zhí)捉鸬V為代表的黑色巖系金礦是低溫熱液作用的黑色巖系金礦，具有明顯的鐵化、絹云母化、綠泥石化、硅化和弱石墨化.這成為該地區(qū)進行鐵染和羥基提取的重要地質(zhì)理論依據(jù)［13］.

2.2 波譜前提

第一波段0.47μm、第二波段0.56μm、第三波段0.66μm、第四波段0.83μm、第五波段1.65μm 和第六波段2.21μm為可見光—近紅外光譜區(qū)中心波長.在反射波譜中，不是每個造巖礦物都有鑒定意義的反射譜帶，具有比較明顯鑒定意義的是 Fe2+、Fe3+、OH－、CO2－3等離子或離子基團，他們在反射光譜中形成明顯的吸收谷.Fe2+的吸收谷分布在1.1～2.4μm 光譜范圍內(nèi)，F(xiàn)e3+在0.85～0.94μm 譜段有較強的吸收，在0.45μm和0.55μm波長處也有吸收.羥基的吸收譜帶主要有 3個:1.4μm、2.2～2.3μm 和 2.3～2.4μm.2.2～2.3μm附近存在強吸收谷，使TM7產(chǎn)生低值，故TM5有相對高值.

3 礦區(qū)鐵染和羥基蝕變信息提取

3.1 遙感數(shù)據(jù)預處理

選取 Landsat5衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，行列號為 PATH151、ROW32，獲取時間為2010年7月.對TM影像進行幾何校正、輻射定標和大氣校正.其中，由于影像進行了初步處理，無法利用頭文件進行輻射定標，通過波段計算，對每一波段進行輻射定標后進行波段疊加，進而進行大氣校正.從而有效消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差，提高了圖像質(zhì)量.

3.2 圖像裁剪和掩膜處理

輸入具體坐標對TM影像進行感興趣區(qū)域裁剪，裁剪出所需要的礦區(qū)范圍.同時，遙感TM影像中存在水體、陰影、植被和雪的干擾，為了去除這些干擾因素對蝕變信息提取的影響，對這些信息進行掩膜處理［14］.裁剪區(qū)域主要存在植被、陰影、植被和雪的干擾.

植被掩膜處理，利用ENVI提供的歸一化植被指數(shù)(NDVI)提取植被信息，方法增強對植被的響應能力，可以消除大部分與儀器定標、太陽角、地形、云、陰影和大氣條件等有關(guān)的輻射度的變化，是較為常用的一種監(jiān)測植被的遙感指數(shù)NDVI=(ETM4－ETM3)/(ETM4+ETM3)［15］.

雪的掩膜處理，利用高端切割的方法去掉雪的干擾，原先存在雪的地區(qū)，通過掩膜處理以后value值變?yōu)?，降低了對主成分分析的干擾.如圖1所示.

圖1 未經(jīng)處理的TM影像和經(jīng)過掩膜處理的對比圖

3.3 主成分分析和密度分割

鐵染和羥基蝕變提取應用的方法為主成分分析又稱K－L變換，這種方法是對遙感影像信息的壓縮和集中，使影像波段信息集中在較少的幾個波段中，使各波段信息不具有相關(guān)性，也就是說用綜合性波段代表原圖像.Crosta(克羅斯塔)法就是一種經(jīng)典主成分分析方法，這種方法通過(TM1、TM3、TM4、TM5)進行主成分分析，在第四主分量上提取鐵染異常;通過(TM1、TM4、TM5、TM7)主成分分析，在第四主分量上提取羥基和含碳酸根的蝕變異常信息.這種經(jīng)典的蝕變礦物提取方法，既能夠去除波段之間的相關(guān)性，又能突出蝕變信息;然而，仍然存在一些偽異常點［16］.

選取TM影像波段1、3、4、5進行主成分分析，進行鐵染蝕變提取.主成成分分析特征值計算結(jié)果如表1所示，可知，在波段5的一排中，波段3的符號與波段1及4的特征值符號相異，與波段5的相同.因此判斷鐵染蝕變異常信息在波段5中，即主成分分析的第4分量.

表1 TM影像主成分分析后1、3、4、5特征值分布表

圖2 鐵染蝕變提取結(jié)果圖

圖3 羥基蝕變提取結(jié)果圖

利用ENVI的密度分割功能對鐵染異常地區(qū)蝕變進行分級，利用σ(標準差)的倍數(shù)作為等級劃分的閥值.3σ、2.5σ和2σ為別作為劃分一級、二級和三級蝕變異常的閥值.同時為了突出異常點進行3×3、5×5、5×5窗口濾波處理.經(jīng)計算，第四主分量的標準差是 0.004334，其倍數(shù)分別為0.013002、0.010835和0.008668，作為劃分三級異常區(qū)的閥值，并且分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ來表示.如圖2所示.羥基蝕變提取采用的是TM1、4、5、7四個波段進行主成分分析，對代表羥基和碳酸根離子主成分的判斷準則是:TM5系數(shù)應與TM7、TM4的特征值符號相反，與TM1系數(shù)符號相同.以此原則判斷，羥基和碳酸根離子信息包含于波段7第四主成分內(nèi).鐵染蝕變和羥基蝕變存在于絕大多數(shù)成礦巖體中，提取這兩種蝕變信息基本可以確定研究區(qū)成礦巖石的分布情況.同樣用標準差σ作為劃分的閥值，進行密度分割渲染，劃分出三級羥基異常如圖3所示.

表2 TM影像主成分分析后1、4、5、7特征值分布表

4 結(jié)論

本文是在總結(jié)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，在南天山成礦地帶某金礦區(qū)進行蝕變提取.最近幾年來，利用遙感TM數(shù)據(jù)進行的蝕變信息提取技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在找礦中，并且取得了良好的效果［17］.本文通過遙感影像的大氣校正、幾何校正的預處理，利用主成分分析和密度分割的方法進行鐵染和羥基蝕變提取，并進行三級異常分級.遙感蝕變提取只能是找礦的第一步，為野外地質(zhì)探勘提供一個詳盡的靶區(qū)，這仍然需要地質(zhì)工作者野外詳細的地質(zhì)地圖，最終選擇出最優(yōu)的成礦靶區(qū).綜合利用各種探礦手段，高效地找到礦藏儲量大、品質(zhì)高的礦藏.

［1］孫莉，周可法，張楠楠.中亞五國礦產(chǎn)資源分布與現(xiàn)狀分析［J］.新疆地質(zhì)，2007，(1):71－77.

［2］程維明，柴慧霞，周成虎，等.新疆地貌空間分布格局分析［J］.地理研究，2009，(5):1157－1168.

［3］涂光熾.初議中亞成礦域［J］.Sienti Ageologica Sinia，1999，(4):397－404.

［4］劉春涌，王永江.初論中亞黑色巖系型金礦床的基本特征——兼論新疆黑色巖系型金礦找礦方向［J］.新疆地質(zhì)，2007，(1):34－39.

［5］Kan M，Tian Q，Zhang Z.The extraction of hymap hyperspectral remote sensing information from three typical altered minerals in Hami Area，Xinjiang［J］.Remote Sensing for Land and Resources，2005，(1):37－40.

［6］Grosta A，Moore J McM.Enhancement of landsat thematic mapper imagery for residual soil mapping in SW Minais Gerais State Brazil:A prospecting case history in Greenstone Belt Terrain［A］.Proceeding of the 7th ERIM Thematic Conference:Remote Sensing for Exploration Geology［C］.1989:1173－1187.

［7］劉素紅，馬建文，藺啟忠.通過 Gram—Schmidt投影方法在高山區(qū)提取TM數(shù)據(jù)中含礦蝕變帶信息［J］.地質(zhì)與勘探，2000，(5):62－65.

［8］張維宸.基于ETM的遙感礦化蝕變信息提取研究綜述［J］.河北遙感，2008，(4):19－22.

［9］何國金，胡德永.從TM圖像中直接提取金礦化信息［J］.遙感技術(shù)與應用，1995，(3):51－54.

［10］Zhang B，Zhang Y.Application of remote sentsing alteration information extraction to copper and iron deposit exploration in Banchangou region，western Tianshan［J］.Mineral Resources and Geology，2007，(1):90－93.

［11］楊建民，張玉君，陳薇.ETM+(TM)蝕變遙感異常技術(shù)方法在東天山戈壁地區(qū)的應用［J］.礦床地質(zhì)，2003，(3):276－284.

［12］張玉君，曾朝銘，陳薇.TM+(TM)蝕變遙感異常提取方法研究與應用［J］.國土資源遙感，2003，(56):30－35.

［13］譚娟娟，朱永峰.穆龍?zhí)捉鸬V地質(zhì)和地球化學［J］.礦物巖石地球化學通報，2008，(4):391－398.

［14］王祖洪，韓先菊，劉蔭椿，等.利用TM數(shù)據(jù)進行金礦化蝕變信息提取方法探討［J］.黃金地質(zhì)，1996，(3):46－55.

［15］陳勇敢，劉桂閣，王美娟.甘肅陽山金礦區(qū)遙感地質(zhì)特征及成礦預測［J］.黃金科學技術(shù)，2009，(1):1－5.

［16］陳濤.基于TM數(shù)據(jù)的某礦區(qū)遙感礦化蝕變信息提取研究［J］.皖西學院學報，2012，(2):124－128.

［17］周強，甘甫平，陳建平，等.哈密土墩礦區(qū)高光譜影像蝕變礦物識別初步研究［J］.礦床地質(zhì)，2006，(3):329－336.