遥感线性构造分形统计和蚀变信息提取在桂东地区金铅锌锡多金属成矿预测中的应用

赵少杰，钱建平，陈宏毅

(桂林理工大学地球科学学院，广西桂林541004)

遥感线性构造分形统计和蚀变信息提取在桂东地区金铅锌锡多金属成矿预测中的应用

赵少杰，钱建平，陈宏毅

(桂林理工大学地球科学学院，广西桂林541004)

在桂东地区ETM+遥感影像742波段融合的基础上，进行了线性构造和环形构造解译，运用分形几何学的原理和方法对研究区的遥感线性构造进行定量分析，利用计盒维数法求得研究区的线性构造分维值，得出该区线性构造具有良好的统计自相似性和分形特征，利用Surfer软件求得线性构造分维等值线图，采用主成分分析和比值法组合提取遥感蚀变异常信息。结果表明，本区环形构造、线性构造集中区、铁染羟基异常和地球化学异常区在空间上基本重合，且呈NE、NW向点阵式分布。线性构造分维值(D)介于1.4到1.85的强构造活动带为成矿优势区域。综合分析线性构造分维等值线、遥感蚀变信息异常、区域地质和地球化学等信息、已知矿床(点)信息，确定了三级成矿远景区。其中Ⅰ级远景区3个，Ⅱ级远景区2个，Ⅲ级远景区3个。

遥感影像;线性构造;环形构造;分维;蚀变信息提取;成矿预测

0 引言

已有研究表明，大多数遥感影像上的线性构造反映的是应力作用下的岩石形变带、软弱带或应力集中带(马跃良和徐瑞松，1999)，因而它们常常成为导矿与容矿场所。但是线性构造的发育往往是不规则的，对线性构造的长度、密度和方位等要素的研究仅能揭示其发育规律的某些方面，不能充分反映他们复杂的空间分布特征。自法裔美籍科学家曼德布罗特于20世纪70年代中期创立分形理论以来，分形几何学已经在地球科学领域得到广泛的应用，为我们研究遥感线性构造提供了科学实用的新方法(余勇等，2005)。

围岩蚀变是金属矿床(特别是内生矿床)重要的找矿标志，蚀变岩型矿床的形成主要是不同类型的热液与原岩相互作用的产物(张玉君等，2002)。遥感探测的结果是地表物质的光谱信息，只要有一定面积的蚀变岩石出露，就可以在遥感影像上有所反应。然而蚀变信息的强弱也很重要，这是因为岩石中的次要成分如铁质和蚀变矿物，可形成岩石谱带中的优势地位，在可见光及近红外(VNIR)区，天然矿物和岩石最常见的光谱特征是由各种形式存在的铁质、水、OH－1基团或者基团产生的。上述蚀变矿物(黄铁矿、矽卡岩和硅化、绿泥石、绢云母、碳酸盐等)在短波近红外波段具有诊断性强吸收特征，它们是纯矿物本身固有的特征，不同的矿物组合在一起并不能改变矿物的波谱特征(张建东等，2007)。因此，遥感蚀变信息提取可以有效地发现区域矿化信息(张国荣等，2010;赵玲等，2008)。

本文选择Landsat 7卫星(2000年10月30日，分辨率为28.5m)的ETM+数据，在进行742波段假彩色合成的基础上(图1)，对广西桂东地区进行线性构造解译，线性体分形统计和遥感蚀变信息提取，总结线性构造和遥感蚀变异常在区域空间上的分布规律，探讨线性构造集中区和遥感蚀变异常与区域岩浆岩、地球化学异常和金银锡多金属矿床(点)的空间耦合关系，在此基础上进行区域成矿远景分析和成矿预测。

图1 桂东地区ETM+742假彩色合成遥感影像图Fig.1 The ETM+742 image of Eastern Guangxi

1 区域地质背景

区内出露地层主要有寒武系和泥盆系。寒武系主要由一套浅变质砂岩等组成，泥盆系主要为一套浅海－陆相碎屑岩和泥岩组成。

区域构造上位于南华准地台桂中－桂东台陷之大瑶山隆起内，桂湘赣褶皱带南缘与华夏褶皱带之过渡地带。区内构造线以北东向为主，北西向次之，其它方向较少(图2)。北东向构造线主要表现为一系列紧闭线状褶皱和纵向断裂且具多期活动性，区内矿床、矿化点主要受其控制。

区内出露岩浆岩主要为花岗岩类，面积大小不等，小的小于15km2，大的大于500km2，主要岩体有花山、姑婆山等。岩体时代主要为燕山期，其次为加里东期。其中加里东期岩浆岩分布范围较局限，而燕山期岩浆岩分布较广泛。

区域矿产(矿种)主要有金、铅锌、锡等。其中金矿化类型主要为石英脉型和硅化破碎带蚀变岩型，围岩蚀变主要有硅化、绿泥石化、绢云母化、黄铁矿化、碳酸盐化等;铅锌矿以蚀变破碎带和石英脉型为主，围岩蚀变主要类型有硅化、黄铁矿化、绢云母化、萤石化等;锡矿主要为云英岩和石英脉型，多产于断裂破碎带内，与断裂构造关系极为密切，围岩蚀变主要是矽卡岩化、硅化、云英岩化和碳酸盐化等。

图2 桂东地区区域地质图Fig.2 Regional geological map of Eastern Guangxi

2 线性构造的基本特征

线性构造由霍布斯提出，泛指航空照片和卫星照片上呈现的线形影像。线性体是指遥感影像上任何天然的线或线性排列，它们大多与构造要素有关、具优选方位且能反映一个地区的基本构造格局(陈建平等，1999)。断裂构造在遥感影像上一般以线性体的形式出现，也有一些断裂带以环形影像特征或其他一些特殊纹理形式出现。

2.1 线性构造的解译标志

线性构造在遥感影像中具有一定的标志性特征。本区线性构造解译标志主要有:

(1)延伸较长、呈直线状的水系与沟谷切割不同的地质体。

(2)横剖面上，平缓的负地形陡升为山地，相对高差大。陡坎、断层三角面或断层崖呈线性排列，是断裂的明显标志，在遥感影像上具有明显的色调异常。

(3)密集隐约可见的线性体组合带。

(4)规模较大的构造带多表现为断续出现，断裂两侧色调有较明显的差异特征。

2.2 线性构造的解译

太阳辐射衰减对宏观断裂/线性构造信息提取的影响可以忽略。以Landsat 7卫星遥感影像资料(7、3、2，RGB合成图)为线性构造解译的基础图像。

根据以上标志，对该区的遥感影像进行了目视解译(图3)。

从遥感影像图及其线性构造解译图(图3)可以看出，区内线性构造十分发育。按线性构造的方位可分为NE、NW、近SN向组。NE、NW向线性构造在遥感影像上密集发育，长短不一，断续相连，二者相互交切成网格状。相应地，在地貌上河流亦多呈NW和NE向。近SN向线性构造发育较少，主要分布在中部，分布稀疏。区内环形构造亦较发育，形态各异，呈圆形、半圆形和弧形等。环形构造与线性构造集中区在空间分布上呈NE、NW向点阵式分布。矿床(点)集中分布区及其周边区域线性构造密集发育，大多伴随环形影像出现。

图3 桂东地区遥感线性构造解译图Fig.3 The interpretation of the ETM+742 image for the linear structures in Eastern Guangxi

3 线性构造的分形特征

线性构造分维值(D)的大小反映了线性构造展布结构的复杂程度，构造活动的强烈及发育的程度。一般认为分维值愈大，说明断裂的空间复杂程度愈高(谭凯旋和谢焱石，2010;谢焱石和谭凯旋，2002)，构造活动性愈强，愈有利于成矿元素的活化和成矿流体的运移聚集(谢焱石等，2010)，形成具有较大规模的矿床。

3.1 全区线性构造的分形特征

目前线性构造分维统计的方法很多，常用的有长度－频度统计法、圆覆盖法以及盒计维数法等。本文用第三种方法，具体做法是:

首先，用边长为L的正方形初始网格覆盖在遥感资料解图上，在此基础上，分别选取r=L/2，L/4，L/8，L/16，L/32的网格，求出相应标度下含有线性构造的网格数N(r)。其次，在lg(r)-lgN(r)坐标系中作图，在计算机中用回归求解方法求得最后回归直线斜率的绝对值即为分维值D，同时求得相关系数平方R2。

对研究区遥感线性构造进行分形统计，所采用的标度为59～3.6875km。经过统计计算(表1)，最后求得本区的分维值D=1.872，R2=0.998，针对本区线性构造的分形特征，选择了5个标度进行研究。当显著性水平取0.01时，相关系数的临界值为0.874;研究区的相关系数远远大于临界值，说明lg(r)和lgN(r)具有极好的相似性，表明研究区线性构造具有分形特征，其分形结构具有很好的统计自相似性。

将研究区的分维值与其它地区进行对比(表2)可知，研究区的分维值明显高于中国东部地区分维值，也高于中国大陆断裂分维值、日本岛弧线性构造的分维值，说明本研究区线性构造较复杂，活动性较强。

3.2 不同区段线性体的分形特征

由于不同区段构造变形程度具有一定的差异性，进而影响后期的热液成矿作用的发育，因此需要研究不同区段线性构造的分形分维特征。以研究区遥感线性构造解译图(图3)为底图，将其划分为64个边长(L1)为14.75km的正方形区域，在每个正方形区域内，以边长为r0=L1的正方形网格进行覆盖，记录有线性构造穿过的正方形网格数N(r0)，然后改变网格边长，使r=r0/2、r0/4、r0/8，得到每一级别有断层穿过的正方形网格数N(r)，把每组投放到双对数坐标系中，经拟合发现每个正方形区域中4个点均呈直线关系，相关系数在0.894～0.999之间，上述结果表明:在r=14.75～1.8475km 标度范围内，研究区内线性构造具有自相似性，即具有分形特征。所得直线的斜率的绝对值即为该块的分维值D，然后把各正方形块的分维值赋予各块体的中心，并读出所有中心点的横坐标和纵坐标，利用Surfer软件绘制出研究区线性构造分维等值线图(图4)。

表1 分形统计结果Table 1 Fractal statistical results

表2 研究区与其它地区线性构造分形特征比较Table 2 Comparison of fractal characteristics between the studying area and other areas

由图4可知，研究区线性构造分维与其发育数量紧密相关，各个子区的线性体数量越多，密度越大，分维值也就越大，反之越小。

将已知矿点叠加在线性构造分维等值线图(图4)上，发现已知矿点分布在高分维值区或附近，低分维值或其附近没有矿点分布。由此可见，线性构造分维值对预测矿点有一定的参考价值。而空间上的复杂程度是因地球动力过程引起的断裂几何学上的变化。因此从分形理论的角度来说，研究区中D＞1.4的强构造带是成矿优势的场所。

3.3 不同方向线性体的分形特征

本区主要构造线为NE和NW向，为更好地研究不同走向构造线性体分形分维特征与成矿之间的关系，首先对研究区NE、NW向线性构造的分形分维进行了研究。研究表明NE向线性构造的分维值D为1.666，相关系数为0.991，大于相关系数的临界值，具有较好的相关性;NW向线性构造分维值D为1.381，相关系数为0.979，大于相关系数的临界值，也具有较好的相关性，NE和NW向线性构造均具有较好的分形特征，但NE向的线性构造分维值高于NW向，说明NE向线性构造活动较NW向强烈、复杂，发育较好。

图4 桂东地区遥感线性构造分维等值线图Fig.4 The contour map of the fractal dimension values of the linear structures in Eastern Guangxi

在线性特征研究的基础上，分别做NE向和NW向线性构造分维值等值线图(图5)，由图5可知，NE和NW向线性构造分维值高值区基本一致，表明NE和NW向线性构造密集区也基本一致，进一步说明了NE和NW向线性构造交汇部位对成矿有利。

4 遥感蚀变信息提取

遥感蚀变异常信息主要有两种:羟基和铁染。羟基异常(OHA)是OH－1和等基团振动产生的蚀变遥感异常。铁染异常(FCA)是Fe3+等阳离子电子过程产生的蚀变遥感异常。研究区内发育的矿床(点)与金属矿化有关的围岩蚀变主要有硅化、黄铁矿化、矽卡岩化、绿泥石化、绢云母化、云英岩化以及碳酸盐化等，这些近矿围岩蚀变矿物可以大致分为含 Fe3+和 Fe2+离子，含羟基类矿物富含水(H2O)、羟基(OH－1)或碳酸根()等基团。

蚀变信息相对于遥感图像丰富的信息而言是一种弱信息，研究区植被覆盖较好，水系比较多，因此对蚀变信息提取有很大的影响，所以在蚀变信息提取前先要对水体和植被进行去干扰。水体反射的光谱特征表现为B2＞B5，对水体用比值(B2/B5)做掩膜去除水体，利用ENVI自带的植被抑制功能消除植被影响。

图5 桂东地区NE(左)、NW(右)向线性构造分维等值线图Fig.5 The contour map of fractal dimension values of the linear structures of NE(left)and NW(right)in Eastern Guangxi

遥感蚀变信息的提取以主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)为主，辅以比值法。提取铁染信息用B1、B3、B4、B5波段做主成分分析，异常主分量应具有的特点是:B1和B4的贡献系数与B3的贡献系数符号相反，再用波段比值(B3/B1)方法提取异常信息，用阈值分割方法增强蚀变信息。从表3中可以看出，在PC4中B3和B1、B4具有相反的贡献值，且B3具有强负载值(表现为正值)，故PC4反映了铁染信息，用B3/B1提取铁染;提取羟基信息用B1、4、5、7波段做主成分分析，异常主分量应具有的特点是:B4和B7的贡献系数与B5的贡献系数符号相反，再用波段比值(B5/B7)方法提取异常信息，用阈值分割方法增强蚀变信息。从表4中可以看出，在PC4中B5、B7具有相反的贡献值，且B5具有强负载值(表现为正值)，故PC4反映了羟基信息，用B5/B7提取羟基。最后得出铁染(红色)和羟基(黄色)蚀变信息图(图6)。

根据铁染和羟基异常，并结合线性构造分维值和环形构造分布等方面信息，可将本区划分为8个遥感线性构造－蚀变信息异常区(图6)，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅷ异常区为强铁染弱羟基组合;Ⅰ、Ⅶ异常区为强羟基弱铁染组合;Ⅴ、Ⅵ异常区为一般铁染和羟基组合。遥感蚀变信息异常具有一定的空间分带性，北边以铁染为主，羟基较少，主要矿种为锡矿;中部为羟基和铁染都较好，主要矿种为锡和铅锌;南部以羟基为主，铁染较少，主要矿种为金矿。

5 地球化学异常信息

由1∶20万区域化探图 (图7)可见，地球化学异常区主要呈NE、NW向展布;地球化学异常区与线性构造高分维值分布区比较吻合，且与遥感蚀变异常分布区基本一致，在空间上亦呈点阵式分布。地球化学异常主要位于燕山期和加里东期的岩体及其周围。其中Cu、Pb、Zn异常区主要分布在南部，Sn和Sb异常主要分布在北部，具有明显的分带性。

6 综合成矿预测

将桂东地区线性构造和环形构造信息、线性构造分维值、遥感蚀变信息、燕山期和加里东期花岗岩分布、区域地球化学异常和已知矿床(点)分布资料综合分析，对区域成矿前景进行分析，划分了三级成矿远景区。

表3 B1、B3、B4、B5 波段的主成分分析Table 3 Principal component analysis of band B1，B3，B4，B5

表4 B1、B4、B5、B7 波段的主成分分析Table 4 Principal component analysis of band B1，B4，B5，B7

图6 桂东地区遥感异常蚀变信息图Fig.6 Alteration anomaly information map of remote sensing in Eastern Guangxi

6.1 Ⅰ级成矿远景区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ号成矿远景区)

Ⅰ号预测区:NE向线性构造发育，线性构造分维值1.75～1.85。遥感蚀变类型为强羟基弱铁染组合。区内分布Cu、Pb、Zn金属量异常和Au重砂异常，并有加里东期花岗岩出露。可见一系列金矿点分布，代表性矿床为桃花中型和古袍小型等金矿。

图7 桂东地区地球化学异常图Fig.7 Geochemical anomaly map of Eastern Guangxi

Ⅱ号预测区:NE和NW向线性构造密集分布，交错出现，线性构造分维值1.8～1.85。遥感蚀变类型为铁染和羟基组合。区内分布Cu、Pb、Zn金属量异常，并有燕山期花岗岩出露。可见一系列金矿点分布，代表性矿床为暂船小型金矿。

Ⅴ号预测区:NE和NW向线性构造密集分布，交错出现，线性构造分维值1.75～1.85。预测区位于姑婆山岩体及其周围，主要是燕山期花岗岩。遥感蚀变类型为铁染和羟基组合。区内分布Sn、Sb金属量异常和Sn重砂异常。可见一些列锡矿点分布，代表性矿床有新路中型、可达小型等锡矿。

Ⅰ级成矿远景区均有成型矿床出现，且具有一定规模，其线性构造分维值高，羟基铁染异常较强，区内尚有不同时期的岩浆岩体出露，下一步工作重点应是立足于矿床深部和外围地区找矿。发现新的矿床类型。

6.2 Ⅱ级成矿远景区(Ⅲ、Ⅵ号成矿远景区)

Ⅲ号预测区:NE和NW向线性构造密集分布，交错发育，线性构造分维值1.7～1.85，位于环形构造周围。遥感蚀变类型为强铁染弱羟基组合。区内分布有Cu、Pb、Zn金属量异常。并有燕山期的花岗斑岩和英安斑岩小岩体出露。代表性矿点有福安铅锌矿等。

Ⅵ号预测区:NE和NW向线性构造较发育，交错发育，线性构造分维值1.65～1.75，位于燕山期花山花岗岩体及其周围。遥感蚀变类型为铁染和羟基组合。区内分布Sn金属量异常。区内有一系列锡矿点。

Ⅱ级成矿远景区亦有小型矿床(点)出现，其线性构造分维值高，羟基铁染异常较强，区内已发现燕山期岩浆岩体出露，下一步工作重点应是扩大已知矿床(点)规模和外围地区找矿。

6.3 Ⅲ级成矿远景区(Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ号成矿远景区)

Ⅳ号预测区:NE和NW向线性构造较发育，线性构造分维值1.6～1.7。遥感蚀变类型为铁染和羟基组合。区内分布Cu金属量异常和Au重砂异常。区内未发现已知矿床(点)。

Ⅶ号预测区:NE和NW向线性构造不甚发育，线性构造分维值1.4～1.6，位于环形构造及其周围。遥感蚀变类型为强羟基弱铁染组合，区内分布Sn金属量异常。区内未发现已知矿床(点)。

Ⅷ号预测区:NE和NW向线性构造较密集，交错发育，线性构造分维值1.65～1.75。遥感蚀变类型为强铁染弱羟基组合，区内分布Sn金属量异常。区内未发现已知矿床(点)。

Ⅲ级成矿远景区虽未见及矿床(点)，但均具有较高的线性构造分维值和铁染羟基异常出现，值得下一步找矿工作重视。

7 结论和认识

(1)桂东地区的遥感影像解译表明，研究区内线性构造和环形构造发育。NE向线性构造和NW向线性构造密集发育，相互交切构成网格状。NE向线性构造为本区主要控矿构造;NW向线性构造为本区主要的切矿或限矿构造。环形构造和岩体吻合较好。环形构造、线性构造集中区在空间上呈NE、NW向点阵式分布。

(2)研究区内线性构造具有分形特征，其分形结构具有良好的统计自相似性，分维值高于中国大陆其他地区的断裂构造分维值。NE和NW向线性构造分维值高值区基本一致，呈点阵式分布。线性构造分维值(D)介于1.4到1.85的强构造活动带是成矿优势区域。已知矿床(点)均分布于线性构造高分维值区。

(3)研究区内具有显著的铁染羟基异常，铁染羟基异常区与分维值较高的地区和化探异常区基本一致，区域上亦呈点阵式分布。构造变形为成矿热液运移和沉淀提供了导矿通道和容矿空间，并引起周边围岩的蚀变和矿化作用。

(4)遥感蚀变信息异常具有一定的空间分带性，北边以铁染为主，羟基较少，主要矿种为锡矿;中部为羟基和铁染较好，主要矿种为锡和铅锌矿;南部以羟基为主，铁染较少，主要矿种为金矿。

(5)通过遥感信息和已知矿点对比研究，证实了线性构造与环形构造信息、线性分维高值区和遥感蚀变异常信息可以作为成矿预测的标志。综合线性构造和环形构造信息、分形分维统计、遥感蚀变异常信息、地球化学异常、岩浆岩和矿床(点)的分布，确定了三级成矿远景区。其中Ⅰ级远景区3个，Ⅱ级远景区2个，Ⅲ级远景区3个。

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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

ZHAO Shaojie，QIAN Jianping and CHEN Hongyi
(College of Earth Science，Guilin University of Technology，Guilin541004，Guangxi，China)

Based on the fusion of band 742 of ETM+remote sensing image in Eastern Guangxi，the linear and circular structures were interpreted.The linear structures were analyzed quantitatively using the principle and method of fractal geometry.The fractal dimension values of linear structure were calculated by the box-counting dimension，and the linear structures showed good statistical self-similarity and fractal characteristics in this area.The contour map of the fractal dimension values was done by Surfer software.The anomaly of alteration information of remote sensing was extracted by the main component analysis and ratio method.These results show that the circular structure and linear structure concentration areas are basically coincide with iron and hydroxyl alteration and geochemical anomalies spatially，and have the characteristic of lattice distribution in NE and NW.The strong structural deformation belt with fractal dimension values(1.4～1.85)of linear structure is favorable metallogenic region.Based on comprehensive analysis for the fractal dimension values，anomalies of alteration information，regional geological and geochemical information，and the known ore occurrences(deposits)，three orders of metallogenetic prospective areas are proposed，which include three first，two secondary，and three tertiary order metallogenic prospect areas.

remote sensing image;linear structure;circular structure;fractal dimension;alteration information extracting;metallogenic prognosis

P627;P612

A

1001-1552(2011)03-0364-008

2010－12－03;改回日期:2011－02－25

项目资助:有色及贵金属隐伏矿床勘查教育部工程研究中心和广西地质工程中心重点实验室基金、中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室开放基金(200913)资助。

赵少杰(1985－)，男，硕士研究生，构造地质学方向。Email:365589085@qq.com

钱建平(1953－)，男，教授，成矿构造和构造地球化学方向。Email:jpqian@163.com