内蒙古东乌旗遥感构造和蚀变信息提取与找矿预测

钱建平，张 渊，赵小星，赵少杰，李承礼

(桂林理工大学地球科学学院，桂林 541004)

0 引言

近年来，内蒙古东部东乌旗一带Pb-Zn多金属找矿在一些点上取得了重要成果。如何实现区域面上找矿的新突破，很多研究者试图从区域遥感地质找矿研究入手。遥感是一种经济快捷、实用有效的区域找矿手段。金属矿床常富集在构造带附近或断裂交汇部位，后者以线性体或环形体等结构信息的形式反映在遥感图像上[1-3]。矿化程度往往与构造和蚀变的复杂程度相关。矿床具有与围岩不同的矿物组成和化学成分，它们能够以特殊的波谱特征反映在遥感图像上[4-5]。遥感技术应用于矿产勘查主要是运用各种图像处理技术增强和提取与成矿有关的构造信息和蚀变信息，以达到识别矿床的目的[6-7]。另一方面，地球化学异常和遥感蚀变异常在本质上是成矿作用在不同物质层次上的表现形式，两者具有一定的相关性。因此，遥感、地质、地球化学等多种地学信息综合分析已成为一种地质找矿的重要手段[8-9]。

前人在本研究区曾做过部分遥感地质工作，但主要局限于遥感线性构造解译方面[10]，尚未开展过区域遥感蚀变异常信息提取，特别是未开展过多元信息综合分析和找矿研究工作。本文立足于区域成矿地质背景分析，运用Landsat7 ETM+数据，对研究区线性构造重新进行解译，并进行分形统计;采用主成分分析和阈值分割方法提取遥感蚀变异常信息;总结线性构造和遥感蚀变信息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Pb-Zn-Ag多金属矿床(点)在空间上的相互联系，在此基础上进行区域成矿远景分析和找矿预测。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区地理地质概况

研究区位于内蒙古自治区中东部、东乌珠穆沁旗额仁高毕苏木至满都胡宝格拉苏木一带，海拔高度一般在900～1 100 m之间，地形切割较浅，地势相对平缓，为典型的草原覆盖区。区内水系极不发育，仅在丘陵低洼处散布有少量面积大小不等的湿地。区域大地构造主要位于内蒙古—兴安岭地槽褶皱系的东乌旗褶皱束内。区域内出露地层主要有古生界和中生界(图1)，二者为角度不整合接触。基底地层由奥陶系、志留系、泥盆系和石炭系组成，其上为侏罗系和白垩系不整合覆盖。其中，中上泥盆统和中石炭统碎屑岩与成矿关系密切。

图1 内蒙古东乌旗区域地质图(资料来源:1∶20万区域地质矿产图)Fig.1 Regional geological map of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

区域构造线主要呈NE和NW向，少量沿SN和EW向展布，褶皱和断裂均很发育，形成格状构造。代表性断裂有巴润沙巴尔—朝不楞北大断裂(F1)、朝不楞西—乌拉盖断裂(F2)和白云呼布尔—满都宝力格大断裂(F3)。

区内岩浆岩广泛分布，主要为中酸性、酸性，少量为碱性、基性侵入岩。海西期岩浆岩主要有花岗岩和闪长岩，燕山期岩浆岩主要有花岗岩、花岗斑岩、石英斑岩、正长斑岩、二长斑岩和闪长玢岩。

研究区位于内蒙古—兴安岭晚古生代—中生代Cu，Pb，Zn，Au，Ag，Sn，Cr(Mo)成矿区，锡林浩特—东乌旗多金属成矿带的东段。总体来看，区域构造和岩浆活动频繁，多期次的中酸性岩浆活动为多金属成矿提供了物质来源，中、上泥盆统和石炭系碎屑岩地层是有利的赋矿地层，NE向断裂及其与NW向断裂交汇部位是有利的赋矿部位，区域成矿条件十分优越。区内典型矿床有朝不楞Fe多金属矿、吉林宝力格Ag矿、阿尔哈达Pb-Zn-Ag矿、达赛脱Pb-Zn-Ag矿和额尔登陶勒盖Cu矿等矿床。主要围岩蚀变有矽卡岩化、褐铁矿化、黄铁矿化、绿泥石化、绢云母化、高岭土化、萤石化、硅化、次生石英岩化和碳酸盐化等(表1)。

表1 东乌旗主要金属矿床(点)地质特征Tab.1 Geological features of polymetallic ore deposits in Dongwu Banner

续表

区内多金属元素地球化学异常发育，主要为Cu，Pb，Zn，其次为 Cr。异常区呈点阵式分布，受 NE和NW向断裂控制。具体异常主要围绕燕山期岩体分布，与Cu，Pb，Zn矿床关系密切。一般出现 Cu，Pb，Zn多元素综合异常，异常强度高、规模大者，与成矿关系密切;单元素异常，异常强度小、规模小者，与成矿关系较差。

1.2 数据源

研究区涉及2001年10月24日获取的1景ETM+图像及2000年9月24日获取的1景ETM+图像。图像质量好，干扰信息较少，适用于地质构造和蚀变信息提取。

利用ENVI的几何纠正模块，选择图像对图像的几何纠正方法，以区域地质图为基准，在采集地面控制点基础上，选用德洛内三角测量(DE los inside triangulation)旋转、缩放和平移(rotation，scaling and translation，RST)纠正和双线性内插重采样方法，对ETM+图像进行了几何纠正。为了使彩色合成图像能最大限度地反映地表信息，通过波段相关性分析，选择相关性较小的ETM+7(R)，4(G)，2(B)波段组合进行假彩色合成，得到的假彩色合成图像色彩饱和，地表信息特征明显(图2)。

图2 内蒙古东乌旗ETM+7(R)，4(G)，2(B)假彩色合成图像Fig.2False color image composed of ETM+7(R)，4(G)，2(B)for Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2 线性构造解译与分形研究

2.1 线性构造增强处理

对基础图像(图2)进行高通卷积滤波增强，以突出线性影像特征;对ETM+1—5和7波段进行主成分分析，在得到的主成分中，PC1主要表现地形、地貌信息;PC2突出表现构造信息，对PC2进行3像元×3像元的低通卷积滤波，得到PC2′;ETM+4反映了与水有关的地质构造、地貌和土壤、岩石类型等信息;通过 PC1(R)，ETM+4(G)，PC2′(B)假彩色合成，增强线性构造与其两侧影像间的亮度反差，突出主干构造。

2.2 线性构造解译

从图2和图3可看出，研究区内线性构造十分发育。线性构造的展布方位主要为NE和NW向，次为NNW向;NW向线性构造较为密集断续，NE向线性构造较为稀疏。其中，NE向线性构造为成矿有利构造;已知矿床(点)主要分布于NE向与NW向线性构造交汇部位。

图3 内蒙古东乌旗线性构造解译图Fig.3 Interpretation map of linear structures of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2.3 线性构造分形研究

线性构造分维值的大小反映了线性构造展布结构的复杂程度、构造的发育程度和构造活动的强烈程度。一般认为分维值愈大，构造的空间愈复杂[11]，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和聚集、形成具有较大规模的矿床。

2.3.1 全区线性构造总体分形特征

目前线性构造分维统计的方法很多，本文采用计盒维数法，对研究区全区遥感线性构造进行分形统计，所采用的标度为66～4.125 km。经统计计算，求得本区线性构造的分维值D=1.737 7，相关系数r=0.999 2。当显著性水平取0.05时，相关系数的临界值为0.878。研究区的相关系数远远大于临界值，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。

将研究区的线性构造分维值与其他地区进行对比(表2)可知，研究区线性构造较复杂，活动性较强。

表2 研究区与其他地区线性构造分形特征比较Tab.2 Comparison of fractal characteristics between the study area and other areas

2.3.2 不同区段线性体分形特征

以图3为底图，将其划分为64个边长为16.5 km的正方形区域，对每个正方形区域采用8.25～0.515 625的5个标度进行研究。经统计计算，求得各小正方形区域线性构造的分维值0.831 6≤D≤1.485 1，相关系数 0.951 8≤r≤0.998 4。故每个小正方形区域的相关系数远远大于临界值(0.878)，说明其分形结构具有极好的相似性。利用Surfer软件绘制出研究区线性构造分维等值线图(图4)。

图4 内蒙古东乌旗线性构造分维等值线图Fig.4 Counter map of fractal dimension value of linear structures of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

由图4可知，研究区线性构造分维值与其发育数量紧密相关，各正方形块子区内的线性构造数量越多、密度越大，分维值也就越大，反之越小。

将已知矿床(点)叠置在图4上，发现已知矿床(点)均分布在高分维值区或附近。由此可见，线性构造分维值对预测矿点有一定的参考价值。因此，从分形理论的角度来说，研究区中分维值D＞1.25的强构造变形域是成矿的优势场所。

3 遥感蚀变信息提取

3.1 蚀变矿物反射光谱特征

图5 几种常见蚀变岩的反射波谱曲线Fig.5 Several common reflective curves of alteration rocks

研究区内矿化蚀变发育，几种常见蚀变岩的反射波谱曲线如图5所示。与金属矿化有关的中低温热液蚀变类型主要有黄铁矿化、绿帘石化、萤石化、绿泥石化、硅化和粘土矿化等，这些近矿围岩蚀变矿物分别富含 Fe3+和 Fe2+离子、水(H2O)、羟基(OH-)或碳酸根(CO2-3)等基团。上述结构离子的电子振动过程，会使富含这些离子或基团的矿物产生特征光谱[15]。

3.2 蚀变信息提取方法

提取矿化蚀变信息的过程是对图像中所有像元信息统计归类分析的过程。研究区受植被、水系和阴影等诸多因素的影响，所以在蚀变信息提取前先要去除这些干扰因素，以使受干扰的像元不参与统计分析。利用ENVI软件中的掩模运算(Masking)功能对干扰信息进行掩模处理。

对于上述去除干扰后的图像，采用主成分分析方法提取蚀变异常信息。提取铁染信息用ETM+1，3，4，5波段做主成分分析，异常主成分PC4具有的特点是ETM+1和ETM+4的贡献系数与ETM+3的贡献系数符号相反(表3)。

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

从表3可以看出，在PC4中ETM+3与ETM+1，ETM+4具有相反的贡献值，且ETM+4具有强负载值(表现为正值)，故PC4反映了铁染信息，即

提取羟基信息用 ETM+1，4，5，7波段做主成分分析，异常主成分PC4具有的特点是ETM+4，ETM+7的贡献系数与ETM+5的贡献系数符号相反(表4)。

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

从表4可以看出，在PC4中ETM+5与ETM+7具有相反的贡献值，且ETM+5具有强负载值(表现为正值)，故PC4反映了羟基信息，即

根据上述判断准则，铁染异常应该包含在ETM+1，3，4，5 主成分分析的 PC4 中，羟基蚀变应该包含在ETM+1，4，5，7主成分分析的PC4中。根据概率密度分布曲线的数学含意，可以把统计均值理解为主成分分析结果的区域背景值，利用Y=X+Kσ来划分异常等级，其中，Y为异常等级;X为均值;σ为标准离差;K为常数，对于羟基异常K一般取2～3，对于铁染异常 K 一般取1.5～2.5。据此，对所包含主要信息的主成分进行阈值分割，得到分级异常信息图像，并圈出7个遥感蚀变异常区(图6)。

图6 内蒙古东乌旗遥感蚀变异常信息图Fig.6 Abnomaly map of remote sensing alteration of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

4 综合信息找矿预测

4.1 多种地学信息综合分析

将遥感蚀变异常、化探异常、矿床(点)与岩浆岩分布等多种地学信息叠加(图7)，可以看出如下规律:

1)与区域的格状构造一致，岩浆岩体、蚀变异常区呈明显的点阵式排列。

图7 内蒙古东乌旗找矿预测图Fig.7 Prediction map of mineral prospection of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

2)遥感蚀变异常、化探异常位于岩浆岩体之上或其附近，已知矿床(点)大多位于蚀变异常区内。这表明，作为成矿物质运移通道和驱动力，区域构造和岩浆活动是本区成矿的基本因素。岩体周边热能量和物质交换最为活跃，导致遥感蚀变异常、化探异常最为显著，它们是成矿物质活化—迁移—再分布作用在不同物质层次上的表现形式，因此二者均可作为找矿预测依据。

3)由NE向SW，铁染异常强度渐减弱，羟基异常渐增强，相应地矿床(点)增加;且蚀变类型与矿床类型具有一定关联性，即北段分布铁或铁多金属矿床较多，南段分布多金属矿床较多(例外的是，阿尔哈达多金属矿床位于北段Ⅱ号预测区，但仔细分析可以看出，事实上它亦位于Ⅱ号预测区局部羟基异常中)。

4.2 找矿预测

根据区内线性构造分维值、遥感蚀变信息、岩体分布特征、区域地球化学异常和已知矿床(点)分布等多种地学信息的综合分析，探讨区域找矿前景，划分了三级找矿远景区(图7)，具体如下:

一级找矿远景区蚀变强度强或较强，D＞1.25，具有多元素化探异常，区内有已知矿床(点)分布。

二级找矿远景区蚀变强度较强，线性构造分维值中等，具有多元素化探异常，区内有已知矿床(点)分布。

三级找矿远景区蚀变强度较强或较弱，线性构造分维值中等或较低，具有多或单元素化探异常，目前未发现矿点。

按上述原则，将研究区划分为4个一级找矿远景区(即Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ号找矿远景区)、1个二级找矿远景区(即Ⅳ号找矿远景区)和2个三级找矿远景区(即Ⅲ，Ⅶ号找矿远景区)(表5)。

表5 内蒙古东乌旗各找矿预测区特征Tab.5 Characteristics of mineral prediction areas of Dongwu Banner，Inner Mongolia Autonomous Region

5 结论

1)区域遥感线性构造解译表明，研究区内线性构造十分发育，按线性构造的方位主要为NE和NW向，其次为SN和EW向，构成格状构造系统。

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，其分维值高于中国大陆许多地区的断裂构造分维值。线性构造分维值D＞1.25的强构造变形域有利于成矿作用的发生，是成矿优势区域。

3)研究区内具有显著的铁染和羟基遥感蚀变异常，已知矿床(点)大多位于遥感蚀变异常区内。与区域的格状构造一致，岩浆岩体、遥感蚀变异常区呈明显的点阵式排列。遥感蚀变异常和化探异常位于岩浆岩体之上或其附近。作为成矿物质运移通道和驱动力，区域构造和岩浆活动是本区成矿的基本因素。

4)研究区内由NE向SW，铁染异常强度渐减弱，羟基异常渐增强，相应的矿床(点)亦增多;蚀变类型与矿床类型具有一定关联性，即北段分布铁或铁多金属矿床较多，南段分布多金属矿床较多。

5)通过遥感信息和已知矿点对比研究，证实了遥感解译线性构造和遥感蚀变异常信息可以作为找矿预测的标志。综合分析线性构造、遥感蚀变异常信息、地球化学异常、岩浆岩和矿床(点)分布等多种地学信息，确定了三级找矿远景区(其中Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ，Ⅵ号为一级远景区;Ⅳ号为二级远景区;Ⅲ，Ⅶ号为三级远景区)，可为研究区的地质找矿工作提供线索。

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