遙感找礦信息提取及靶區預測——以青海祁連縣紅土溝－川刺溝地區為例

張志軍，莊光軍，楊濤，王明，劉慧藍，王利功

（1.武警黃金第六支隊，西寧 810000；2.中國國土資源航空物探遙感中心對地觀測技術工程實驗室，北京 100083；3.河南省地礦局第一地質礦產調查院，河南 洛陽 471023）

0 引 言

北祁連成礦帶是青海重要的成礦帶之一，帶內已發現銅、金、鐵、鉻、鉛、鋅等25種礦產，礦點200多處［1］。成礦帶內地球化學異常發育，但區內自然環境惡劣、構造及其復雜，多年來地質找礦工作進展緩慢。紅土溝－川刺溝地區就位于該帶上，通過多年的地質調查工作，發現了多處金礦體，但都不連續、規模不大，透鏡狀產出，地表工程見礦效果不好。

遙感找礦信息是指通過對圖像處理、理解和判識所獲取的與成礦地質條件（巖漿巖、地層巖性、構造、礦化蝕變等條件）具相關性的專題信息［2］。遙感技術作為一種經濟快捷、實用有效的地質勘查技術之一，具有多尺度、真實直觀、快速高效等優勢。前人在北祁連曾做過部分遙感相關工作［3］，但都僅限于蝕變信息提取，沒有開展多元信息分析、缺乏綜合研究。為了實現區域找礦突破，尋找有利靶區，本次研究通過ETM和GeoEye－1遙感影像，采用“SAM去干擾異常主分量閾值門限技術”，結合礦區已有的地質、化探資料，進行成礦預測，圈定靶區。

1 研究區概況

研究區地處北祁連加里東優地槽褶皺帶Ⅱ級構造單元的托萊山復向斜北翼，各構造單元及斷裂呈北西—南東向平行展布為區域構造線的總體特征［4］。研究區賦礦層為下奧陶統陰溝群，其巖性較為復雜。區內巖漿巖在深大斷裂帶及次級斷裂帶中發育，多呈巖脈、巖枝狀。加里東期有超基性巖、輝長巖及中酸性巖脈，分布廣泛，受后期改造，有不同程度的蝕變，形成石英菱鎂巖、滑石菱鎂巖，巖體局部片理發育，其展布方向及形態均受區域性構造控制［5］。

地球化學工作，前人在小水溝－玉石溝一帶進行了1∶20萬水系沉積物測量，圈定Au、As、Sb、Cu、Hg、Ag、Cr等多種元素組合異常；1∶5萬水系沉積物測量，將該異常分解為26個異常，以單元素Au異常為主。區內礦化蝕變類型復雜多樣，常見類型有黃鐵礦化、褐鐵礦化、蛇紋石化、綠泥石化、綠簾石化、絹云母化、碳酸鹽化等。

2 數據源及預處理

2.1 數據源

本研究使用的遙感影像包括兩種：ETM影像和GeoEye－1影像。ETM影像1景，影像獲取時間為 2001－07－03；GeoEye－1 影 像 覆 蓋 全 區，面 積92km2，影 像 獲 取 時 間 為 2013－03－28。 成 圖 所 用DEM為GDEM 30m數據。數據無大面積云、雪等干擾因素，質量良好。

圖1 紅土溝－川刺溝礦區地質圖

2.2 預處理

（1）ETM 影像預處理

多光譜影像彩色合成選用最佳指數法（Optimum Index Factor），OIF指數作為衡量合成方案優劣的一個因子，其基本思路是“方差最大，相關性最小”原則［6］。算法如下：

其中，Si為第i波段的亮度值標準差，Ri為波段間的相關系數。標準差反映離散程度，Si越大，說明影像上不同地物的輻射強度越大，相關系數反映波段之間信息的重復度，Ri越小，說明波段合成影像所包含的信息就越豐富。

OIF公式是數理統計意義上的組合公式，其中的相關系數具兩面性的作用。波段間相關系數既不能太大，也不能太小，不能簡單地以OIF值最高作為選取方案的標準，而應取數個方案去得到最佳合成方案［7］。

由表1可知，541、741、751組合產生的OIF值最大，對應的相關系數和分別為1.00、0.87、0.93。B4與B5、B7的相關系數分別為0.72、0.49；B5、B7的相關系數為0.91，同時B4是含鐵氧化物的特征譜帶，首先排除751組合。由于B4與B5相關系數為0.72，三波段相關系數和為1.00，且B7波段對巖石、特定礦物敏感。因此，為使巖性信息突出，地質構造清晰，地質可解譯性較高，采用741波段的RGB組合。

表1 研究區ETM影像波段組合最佳指數（OIF）

（2）GeoEye－1影像預處理

基于GeoEye－1衛星及其影像數據的特點，采用“先融合后糾正”的基本思路進行處理［8－9］。即先進行全色與多光譜遙感影像融合，然后對融合影像作正射糾正。

3 構造解譯

構造解譯分為兩部分：ETM用來解譯一級線、環形構造，GeoEye－1用來解譯二級線、環構造。

3.1 ETM影像構造解譯

為增強主干構造，采用主成分變換＋空間濾波方法，先對ETM進行主成分變換，第四主成分（PC4）主要包含主干構造信息，對其進行3×3的低通卷積濾波，增強大型構造體，削弱小型線性體［10］。最后采用方向濾波（Directional Filter），增強NW方向構造。如圖2所示，區內有兩條大型構造帶，應是本區的一級構造帶，ETM影像上解譯標志明顯，具明顯的條帶狀特征，延伸遠，連續性好，明顯控制巖漿活動，對區域地質有很大的影響。

根據OIF結果，ETM 以R（7）G（4）B（1）彩色合成，進行區域構造解譯，如圖3所示。從線性構造空間展布特征分析，區內構造以NW向為主，其次為NE向、近EW向和近NS向。解譯出環形構造5處，其附近線性構造發育，且都與本區的一級構造帶相交或相切。線性構造在某些部位相對集中；構造規模大者多為地質體的分界線，兩側擠壓現象明顯；規模小者多發育于地層內部，或巖體內大型節理帶、破碎帶。

圖2 ETM影像方向濾波增強構造圖

圖3 ETM影像構造解譯圖

3.2 GeoEye－1影像構造解譯

本研究中Geoeye－1主要用于解譯小型構造。如圖4所示，由于推覆造山，強烈的擠壓作用，線性構造發育，以較為密集的NWW、NW向線性構造為主，不僅規模大，且密度也大，致使區內各系、統或統內的地層大部分呈斷條狀產出。有規模稍大的斷裂，也有同期、后期形成的小斷裂。NE向和近EW向斷裂，規模小，壓扭性，大多切穿NWW、NW向斷裂，對前期構造起破壞作用。線性構造空間分布上顯示出相互交切，分枝復合的特征。解譯出的絕大部分線性構造都分布于圖2的一級構造帶內。

3.3 野外驗證

圖4 GeoEye－1線性構造解譯圖

研究區平均海拔4300m以上，野外驗證構造點共計11處。結果顯示，遙感解譯構造都與實際吻合，ETM可以控制區域地質構造，Geoeye－1對小構造有較好的識別效果，如圖5所示，奧陶系陰溝群中基性火山巖組蝕變大理巖與超基性輝橄巖，侵入接觸。大理巖蝕變破碎，褐鐵礦化強烈；超基性輝橄巖蛇紋石化明顯，受擠壓力，巖石中礦物呈條紋狀、纖維狀半定向排列。接觸界線產狀：220°∠63°。

圖5 構造驗證實地照片

4 遙感蝕變信息提取

本次蝕變信息提取以ETM為基礎，采用“SAM去干擾異常主分量門限技術”［11］分別進行羥基和鐵染信息的提取，并通過異常后處理，實現了遙感蝕變異常的分級。按照此方法設計出蝕變信息提取流程（圖6）。

4.1 干擾因素去除

去干擾工作是通過譜特征觀察，靈活選用不同的數學方法，將非目標圖區及非目標地物經處理歸入干擾窗，盡可能地減少干擾物（水體、植被、云、陰影等）對異常提取產生的影響。利用不同地物的波譜曲線的特點，通過比值法、高低端切割等方法去除干擾。

圖6 蝕變信息提取流程圖

表2 干擾地物的去除方法

4.2 鐵染異常信息提取

采用B1、B3、B4、B5進行鐵染信息提取，特征向量矩陣如表3所示，PC4主要包含B1、B3信息。其中PC4中B1貢獻為正，B3貢獻為負，因此PC4分量可增強含鐵礦物的信息。而實際中B1為強吸收，B3為強反射，所以對PC4求反，求反后鐵氧化物在圖像上為高值區。

表3 鐵染信息提取的主成分特征向量矩陣

為避免異常點分布零亂無序，掩蓋了異常分布規律，使異常圖失去可讀性，采用3×3濾波去除孤立異常，使礦化點處較大的連片異常得到很好的保留。根據中值濾波后的PC4圖像直方圖的統計特征，確定均值＋1.5倍標準差為異常下限，然后以0.5倍標準差為步長，將異常分為強、中、弱三級。

4.3 羥基異常信息提取

基于羥基波譜特征，選用B1、B4、B5、B7進行羥基異常信息提取，主成分分析后的特征向量矩陣如表4所示，PC4主要包含B5、B7信息。其中PC4中B1、B5貢獻為負，ETM 對B4、B7貢獻為正，因此PC4分量可以反映羥基和碳酸鹽化異常。而實際中B7為強吸收，B5為反射，所以對PC4求反，求反后羥基和碳酸鹽化在圖像上為高值區。同樣的方法制作三級羥基異常圖。

表4 羥基信息提取的主成分特征向量矩陣

4.4 異常篩選

遙感異常篩選主要采用光譜特征識別、比值法驗證、不同類型異常相互驗證、光譜角法優選等。本研究選用光譜角優選法，因缺乏礦區典型蝕變巖石的實測波譜數據樣本，結合礦區實際，選用ENVI軟件中自帶的USGS光譜庫中典型礦物光譜（褐鐵礦，黃鉀鐵礬；綠泥石，蛇紋石），做光譜角篩選。

將已選定的典型礦物標準曲線重采樣到ETM波段上，分別進行含Fe離子礦物和羥基基團礦物的SAM異常填圖，兩組礦物光譜角填圖閾值分別為0.16和0.14。利用波段運算，將同類PCA分類數據與SAM分類數據相乘，以達到對PCA結果的異常篩選［12］，異常篩選前后對比如圖7所示。

圖7 異常篩選前后對比

4.5 野外驗證

實地驗證結果顯示，ETM提取的異常信息均與實際吻合，特別是鐵染異常能較好地指示褐鐵礦化、黃鉀鐵釩等與找礦關系密切的蝕變信息。如圖8（a）所示，呈條帶狀展布的黃褐色巖石為蝕變大理巖，風化面黃褐色、灰白色，新鮮面白色，主要組成礦物為方解石、白云石，由于后期風化作用影響，巖石較破碎，表面褐鐵礦化明顯，呈碎塊散落。此處大理巖處于與輝橄巖接觸帶部位。

對大水溝鐵染異常進行查證時，新發現7號鐵礦化帶（圖8（b）），磁鐵礦品位20%～30%左右。蝕變帶寬20m～70m，長度大于330m，巖性主要是板巖、蝕變輝長巖、蝕變大理巖。

圖8 ETM鐵染異常驗證實地照片

5 綜合分析及預測

5.1 蝕變信息結果分析

依據圖9和圖10，將兩類蝕變信息綜合分析如下：①礦化蝕變在全區分布廣泛、不均勻。鐵染異常相對分散，以中低強度的斑塊出現，分布相對孤立分布，強度弱、面積小；羥基異常沿托萊山走向，受斷裂構造控制，集中分布，強度大、面積大，羥基異常都出現在超基性巖出露的地方，與超基性巖具有明顯的相關性。②蝕變異常具有明顯的方向性，主要呈NW向展布。與斷裂構造伴生的圍巖蝕變發育，主要是碳酸鹽化、褐鐵礦化、蛇紋石化，在遙感影像上，沿構造帶呈褐黃—灰黃色透鏡狀產出，影像特征明顯。兩者都緊密夾持于南北兩個構造帶中。

圖9 異常篩選后鐵染異常圖

圖10 異常篩選后羥基異常圖

5.2 多元信息綜合分析

構造等密度圖反映線環構造空間密度分布的結構特征，為多元信息找礦提供線索。一般高密度異常區代表了斷裂或褶皺發育部位，低密度異常區可能代表了構造相對穩定的地塊或第四系覆蓋區［13］。

本研究中線性構造密度分析在ArcGIS中進行，采用Kernel Density空間分析工具，采樣半徑為1km（圖11）。構造密度統計圖上兩向延長的高值區或具有一定延伸方向的亮值梯度帶多為區域構造帶的反映，從圖11上看，在狹長的研究區南北兩側，靠近南北邊界附近，分別有一條構造密度高值延長帶，線性構造密集，呈NWW向延展；中間部位，構造密度值低，與前面解譯出的一級構造帶較吻合。

為直觀地顯示礦化蝕變信息與構造的空間關系，將構造、蝕變異常、化探、已知礦體進行疊加，如圖12所示，礦化蝕變與構造有著密切的空間相關性，礦化蝕變信息主要受NW向構造的控制，其分布與區內的構造格架大體一致，都分布在斷裂構造較為發育的地區。南北兩個一級構造帶上都有較強的蝕變異常分布，推測是推覆造山作用影響，在超基性與中基性火山巖接觸部位形成由韌性剪切作用造成的強烈破碎帶和糜棱巖化的構造破碎蝕變帶，發育黃鐵礦化、褐鐵礦化、碳酸鹽化，因此從遙感蝕變異常較為發育。已圈金礦體、遙感蝕變異常都緊密夾持于北側一級構造帶內，且礦體都分布于環形構造附近，這對于該區找礦具有實際指導意義。沿此一級構造帶往南，大水溝環形構造附近，有異常AS2－44和AS2－43，與鐵染異常套和較好，是下一步比較有利的工作區。線性構造高密度區，北構造帶向東南延伸的次級斷裂部位，加里東期超基性巖與奧陶紀陰溝群火山巖組的接觸帶上是成礦優勢區域。

圖11 線性構造密度統計圖

圖12 構造與蝕變信息疊合圖

5.3 成礦預測

成礦預測的基本理論概括為相似類比理論、“求異”理論、控礦因素組合控礦理論。本研究采用控礦因素組合理論，根據已知礦床（點）反映出的成礦規律、控礦條件及找礦標志等，借助ArcGIS 9.3軟件平臺，將遙感蝕變信息、構造信息、地球化學信息以及已知礦體、已知礦化信息等綜合分析，獲得成礦有利空間分布，最后圈出3個預測靶區（圖13）。

①大水溝中游預測區（Ⅰ）

如圖15（a），該預測區位于研究區一級構造帶上，發育NWW向次級斷裂構造，與環形構造相交，該帶北部已經發現多處金礦體，是一級構造帶東南方向的延伸，與已發現的金礦體具有相同的構造條件。預測區位于蛇紋石化輝橄巖和奧陶紀陰溝群火山巖組的接觸帶上，有金、砷、銻綜合異常AS2－44和單金異常AS2－43；發育呈NWW帶狀展布的強鐵染異常和零星羥基異常，二者套和良好。

此次普查工作，在大水溝中游三岔口，蛇紋石化輝橄巖與奧陶紀陰溝群觸帶上發現一處規模較大，礦化較好的蝕變帶（圖14），礦化類型主要是磁鐵礦化、褐鐵礦化，圖14中標出的蝕變帶對應于圖13中所標識的紅色圖斑。該蝕變帶為下一步工作確立新的工作靶區，提供了有利證據。

②大水溝溝腦預測區（Ⅱ）

如圖15（b）所示，該預測區位于研究區南側一級構造帶上，與環形構造相切，NWW向次級斷裂發育。預測區緊鄰托萊山山頂超基性巖體，地層主要為奧陶紀陰溝群碎屑巖組。預測區有兩處金、砷、銻綜合異常 AS2－3和 AS2－10，一處單金異常AS2－41；有呈NWW帶狀展布的強鐵染異常，南緣有大面積的強羥基異常出現。在后期巖石地化測量工作中，圈出1個 Au、Ag、Pb、Mo、Cu綜合異常。

圖14 大水溝礦化蝕變帶三維立體圖（GeoEye－1）

③紅土溝西溝預測區（Ⅲ）

如圖16所示，該預測區位于研究區北側一級構造帶上，該帶已經發現多處金礦體，因此預測區與已發現的金礦體具有相同的構造條件。預測區位于蛇紋石化輝橄巖和奧陶紀陰溝群火山巖組的接觸帶上，發育NWW向、NW向次級斷裂構造，位于兩組斷裂交匯處。斷裂構造部位發育呈帶狀展布的強羥基異常和零星的鐵染異常。預測區有兩處金、砷、銻綜合異常AS2－5和AS2－6，異常濃集中心明顯。在先前的地質工作中，預測區內發現有一處金礦化點，有較好的找礦潛力。

圖15 大水溝靶區附近遙感綜合信息圖

圖16 紅土溝西溝靶區附近遙感綜合信息圖

6 結束語

本研究中，ETM數據用來確立區域構造格架，控制大的地塊單元，提取遙感蝕變信息；GeoEye－1數據用來解譯精細構造，控制地層巖性邊界，識別微小地質體。兩種遙感數據，不同構造尺度，蝕變與構造信息融合，為最終圈定靶區提供了有利依據。

線性構造密度統計結果顯示，已知礦化點都位于一級構造帶上。線性構造高密度區，北構造帶向東南延伸的次級斷裂部位，加里東期超基性巖與奧陶紀陰溝群火山巖組的接觸帶是成礦優勢區域，有發現新礦體的潛力。

從鐵染異常分布看，在北部構造帶中鐵染異常分布廣、強度大，有兩處鐵礦化點。在大水溝一帶發現比較有工作價值的鐵礦化點。不僅研究區內，鄰區及外圍，鐵礦化點較多，且青海地勘單位在鄰區進行鐵礦勘查已經取得突破。因此研究區也有找鐵的潛力，要引起足夠重視，拓展多金屬找礦的前景。

通過野外實地工作，在大水溝中游預測區發現了規模較大，礦化較好的蝕變帶，礦化類型主要是磁鐵礦化、褐鐵礦化；在大水溝溝腦預測區圈出1個Au、Ag、Pb、Mo、Cu綜合異常。這說明本次提取蝕變礦物信息的結果與實際情況吻合，驗證了“SAM去干擾異常主分量門限技術”的有效、可行，預測區圈定準確，利用遙感技術服務于地質找礦工作的科學性和可行性。

研究區目前的找礦工作，缺少對地表工程和化探數據進一步分析升華，缺少成礦綜合研究與地質施工統籌。下一步應研究礦體剝蝕程度，厘定成礦構造其次，使找礦行動更有針對性，提高下步工作的準確率。

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