福建平和植被覆盖区遥感地质构造异常信息提取及找矿预测

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(1.水利部长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011； 2.中国地质大学(武汉)资源学院，湖北 武汉 430074)

0 引 言

遥感线环构造解译是遥感地质研究的基本内容，被广泛应用于地质找矿研究中。20世纪70年代，美国陆地卫星的成功发射，为遥感地物的识别、分析提供了较好的数据基础，使地质填图、地质背景分析的工作变得更快捷、有效，因而对遥感线环构造的研究越来越多，并同时将其应用于找矿研究中(Sabins,1999；Onyedim et al,2004；Schmieder et al,2009；Ivanov et al,2011；Cooper et al,2012)。如Kogbe(1983)利用1∶50万MSS卫星影像对尼日利亚中部地区进行了地质解译。Eevertt等利用MSS影像进行线环构造地质解译对美国田纳西州和肯塔基州的铅钵矿区进行了研究(祝爱明,2009)。

20世纪80年代初，我国也出现了众多遥感线环构造在找矿方面的研究和应用。杨武年(1983)通过图像增强技术识别MSS卫片上的环形异常，并得出环形异常与蚀变异常、矿点的分布比较吻合，深入探讨了遥感环形构造与矿产分布的关系。赵不亿等(1988)从遥感线环构造的定量统计方面详细探讨了在找矿方面的应用，对于遥感地质的定量分析方法研究较深入、全面。

刘吉平等(1997)通过地质结构的定量方法对鲁西地区遥感地质解译图的地质结构异常进行了研究，并利用距离值制作等值线图以揭示区域地质结构异常与矿床的关系。遥感地质统计方法使遥感线环构造的研究不仅限于定性描述，而是更加精确的定量分析，使其在找矿应用上能发挥更好的作用，包括线环构造的密度分析、交点密度分析等，这些定量方法均基于数理统计的常规方法，但发挥了良好的作用。如在澳大利亚奥林匹克坝大型金矿的发现中，遥感线性构造密度分析发挥了极大的作用。Abalos等(1989)对伊比利亚南部的卫星影像进行线性构造解译，并进行了线性体密度分析及其分布位置等定量分析，探讨其地质背景与成因，其结果与布格重力异常和已知地质资料比较相符。

1 三维遥感线环构造解译

1.1 线性构造解译标志建立及遥感影像解译

1.1.1 线性构造与成矿的关系 线性构造是指在遥感图像上，通过阴影、色调、纹理特征等表现出的被认为与地质作用相关联的直线、弧线、折线状等的线状影像特征。主要强调线状构造成因与地质作用存在的关联，并不是专指构造。

绝大多数遥感影像线性构造主要是表现构造应力作用下形成的岩石形变带、应力集中带，这些部位是重要的导矿与容矿通道。线性构造的级别对成矿具有不同的影响，多数情况下，深大断裂构造及巨型断裂带主要是控制成矿方向及矿田和成矿带位置，大型矿床等有工业开采价值的矿床主要分布于主干断裂斜交或平行的次级断裂或节理中。除线性构造级别对成矿有影响外，构造活动周期对成矿也有重要影响，如果发育在成矿前的线性构造可以作为导矿与容矿通道，发生在成矿后的构造活动形成的线性构造会破坏已形成的矿床。热液矿床主要是岩浆作用形成的，而岩浆主要是沿大型剪切带侵入到剪切应力场的拉张区，并伴随有矿化作用，形成矿床。

1.1.2 典型线性构造三维遥感影像解译标志建立及解译 (1) 芦溪—霞寨断裂(北西向)。该断裂在研究区内规模较大，主要位于区内海拔较高、地形较为复杂的西北方向，高程多在800 m以上，主要由大面积的刚性岩浆岩构成，该断裂对研究区的影响较大，规模较大，主要向北西延伸。

三维遥感解译标志：① 三维影像色调标志。色调差异明显，在三维影像上主要呈线型展布，且形迹清晰，该线性色调主要为红色或品红色，该类色调主要反映为人类活动及聚居区，在色调上显示线条延伸较为平直，且稳定连续，延伸十几千米(图1A)。② 三维影像水系标志。三维影像上可以看出其为水系，是一个河谷地形，且红色或品红色的人类聚居区主要沿河谷地形呈线性分布，在三维影像上显示河流较为平直(图1A)，表明断裂穿越河谷，该河谷的形成也主要受断裂控制。相对于平面遥感解译，三维遥感解译能明显地显示河谷地形，可以较为准确地判断该河流是否受断裂控制。③ 三维地貌标志。从三维影像上可以看到河谷较为狭长且较深，河谷两侧可见连续排列的断层三角面(图1 B、C)，芦溪水系在下圩处可见流向发生了变化，出现了直角转弯(图1D)。

芦溪—霞寨断裂规模较大，且在该处存在多条北西向的大断裂，呈雁列式组合，控制了区内西北部的火山活动及岩浆地层的分布。

图1 芦溪—霞寨断裂解译标志

(2) 坪水断裂(北西向断裂)。该断裂位于欧寮岩体附近，欧寮为大片的花岗岩地貌，侵蚀较为严重，沟壑纵横主要呈北西向延伸，一直延伸到邦寮山，延伸距离也较远，达11 km。

三维遥感解译标志：① 三维遥感影像水系标志。三维影像上可见明显的水系标志，主要呈线性延伸，延伸稳定连续，在该断裂上发育有断陷湖，该湖泊位于山谷中。从影像上看，该岩体沟壑纵横，切割严重，存在众多线性影纹(图2)。② 三维地貌标志。该地区主要为花岗岩地貌，受构造活动影响，形成出露山体，切割较为明显，山体多成块体状，三维影像上沟谷较为发育。欧寮火山组合体受燕山晚期构造活动影响，发生多期次岩浆活动，形成多期次花岗岩侵入体。该断裂及周边断裂对欧寮岩体改造强烈，形成棋盘状线性影纹。

图2 坪水断裂解译标志

1.2 环状构造解译标志建立及遥感影像解译

1.2.1 环状构造与成矿的关系 环形构造边缘区域、不同环构造相交部位、线环构造相交部位，也是成矿有利部位。研究表明，环状构造不仅起着控矿和容矿作用，而且其分布处具有比背景区更为普遍的矿化现象。

1.2.2 典型环形构造三维遥感影像解译标志建立及解译 破火山口指1个或数个火山多次喷发，造成岩浆房萎缩，并使火山喷发中心部位沿环状断裂发生塌陷形成的破火山口凹地。钟腾破火山口是研究区内最大的一个环状构造，在影像上有明显的环块状色调异常，基本形状呈现为椭圆形。

三维遥感解译标志：① 三维地貌标志。三维影像显示其为典型的中间较低，周边高山环绕的负地形，为典型的火山口地貌(图3 A、B)。② 三维影像上水系标志。从影像上可见其环状边缘寄生有许多由环状水系、环形山及异常色带形成的小型环状构造(图3 D、E、G、H)。③ 三维地貌标志。从三维地貌上，可明显发现其平均海拔较高，且环状水系主要受北东及北西向的构造控制，呈现为明显的格状。通过立体显示发现环外存在放射状水系，并发育放射状深切山谷(图3C)。

图3 钟腾破火山机构解译标志

依据线性构造的走向与区域内主要断裂的走向，以及线性构造与环形构造的规模对线环构造进行等级划分，主要将线性构造和环形构造各划分为3个等级，结果如图4所示。

2 遥感地质线环构造定量分析

2.1 线性体构造密度定量分析

2.1.1 线性体密度分析方法 大量研究表明(王润生等，1992；张旺生等，1997；刘婷婷等，2012)，与线性构造相关的定量统计分析中，线性体构造的密度与矿产关系密切，多数情况下，与断裂构造相关的矿床主要位于遥感影像线性体构造密度的相对高密区的周边及边缘区域。线性体构造密度是在特定网格单元内线性体的累计长度，是线性构造分布的定量解释和表示，可以通过线性体密度图来反映线性构造在空间内密度分布的数字和结构特征(朱亮璞,1993；陈建平等，1998)。由于不同级别的构造具有不同的影响力和影响范围，为了符合实际情况，在密度分析时，将与成矿有关的构造赋予高权重，与控岩有关的构造赋予低权重，其公式为：

(1)

式(1) 中，D为密度值；li、wi分别为第i条线形体的长度和权重；n为第i单元中的总线形体数。其中对线性构造划分后进行权系数设定，权重值依次为0.8，0.6，0.4；同时对线性体长度进行标准化变换。采样网格间距为1 km，共将研究区划分为40×55个网格。

2.1.2 线性体密度结果分析 分析矿点与线性体密度等值图(图5)的叠加结果，得出如下结论。

图5 平和矾山遥感线性密度图

(1) 线性体构造密度主要用来反映线性构造的复杂程度及发育密度。研究区位于濒太平洋大陆边缘地带，经历多期次大陆板块运动影响，形成了多次断块构造活动，因此区内线性体构造断裂极为发育，在线性体密度上的反映即是高值区分布广泛，高密区主要呈团块状，与区域内控制构造格架的大断裂延伸方向一致，主要为北西向和北东向延伸。

(2) 通过权重值划分构造对成矿的有利度，依据权重值实现研究区线性体等密度图绘制。通过将区域内铜钼矿等金属矿点与线性体密度图进行叠加分析，发现矿点主要分布于高密度值周边区域。依据方差将线性构造密度值分为5段，其均值为0.24，标准差为0.29。密度过高区主要是断裂构造发育太过强烈的地区，并不利于构造成矿和容矿，而相对高值区及其周边区域为矿质的沉淀提供了相对稳定有利的容矿环境，如钟腾、大矾山、小矾山、泮池等矿点均为当地已知矿点，均位于高值区边缘地带，而高密度值区没有矿点分布。从图5可以看出，矿点主要分布于相对高值区及其周边区域，即分布于高值区中心边缘。

2.2 线环构造交点密度定量分析

2.2.1 基于核密度估计的交点密度分析方法 区域上多组线性构造交汇的部位常会发生火山喷发、岩浆侵入、火山-次火山热液活动等(肖克炎等,2010)，区内矿点与岩浆活动和火山作用联系紧密，同时，环形体的存在常与区域地质状况有极为密切的内在联系，并与矿产的发生紧密相关。根据上述矿点与线环构造组合的空间分布关系的分析可以发现：不仅在线性构造的交点处容易成矿，线环交切点、环环交切点均易成矿，且交点高密区的周边及边缘区域易于成矿。因此，此次交点分析在ArcMap中提取线环构造的交点，包括线线交点、线环交点、环环交点，并剔除自相交点，再对该交点数据进行密度分析。基于ArcGIS平台的核密度函数分析(刘锐等,2011)，得出交点密度等值图。主要借助滑动窗口进行点密度计算。设x1,...，xn是从分布密度函数f总体中抽取独立同分布样本，求算f在某点x处的值，通常选择Rosenblatt-Parzen核函数。算法如下：

(2)

式(2)中，h>0为带宽，其主要作用为控制核密度函数估计的平滑度，选择规则是使均方差最小；N为样本个数值；K(...)为核密度函数；x-Xi为估计点到样本Xi处的距离。

具体方法：(1) 定义固定的核函数带宽，通过滑动窗口统计区域内的点个数；(2) 通过核函数计算出每个点对窗口内各栅格的密度贡献值，其中主要通过设定的属性值及点个数进行密度贡献值计算。

2.2.2 交点密度结果分析 分析矿点与交点密度等值图(图6)的叠加结果，得出以下结论。

图6 平和矾山遥感线环交点密度图

(1) 研究区内交点密度高值区形状主要呈团块状、环状，尤其在钟腾、矾山、泮池一带，密度值较高，多呈半环体、弧体状，上述3个地区线环构造交点甚多，且是矿点较密集地区，但从解译结果看，其线性构造的发育并不突出，而环形构造却比较发育。因此，在交点分析时，将环形构造纳入其中显得非常重要。

(2) 高值区整体呈北西向分布，其次为北东向，与区域构造格架相符，这些部位同时也代表了成矿的构造优势区域。其交点密度标准差值为0.4，铜钼等金属矿点分布大多分布于高值中心周边区域，与线性体密度相似，定量揭示了成矿有利部位。

3 遥感地质构造异常信息提取及找矿预测

3.1 地质构造异常信息提取

遥感信息定量信息找矿预测是以综合信息成矿预测体系为指导，通过对遥感地质解译的结果进行定量分析，提取有利成矿的异常结果，将各类异常赋值进行叠加，同时结合有利成矿地层数据，得出异常综合图，进行找矿预测(赵鹏大等,1999；陈永清等,2008)。本次研究中异常变量包括线性体构造密度、线环交点密度，将2类结果进行综合统计分析，并依据统计结果的均值和方差进行密度分割，最终得出研究区遥感找矿的定量预测图(图7)。

图7 平和矾山植被覆盖区遥感定量找矿信息提取结果图

3.2 找矿预测

图7中综合了遥感线环构造定量分析结果，依据均值加方差的统计参数进行背景值及预测区的划分以及两级预测区的划分。从图7中可以看出，一级高值区分布范围较小，主要位于钟腾、矾山、泮池等区域附近，高值区边缘也分布多个矿点，这些矿点也是研究区内正在开采的矿区；二级高值区分布范围与一级类似，但范围较大一些，主要矿点也主要分布于其中，大多数矿点及工业矿床也位于二级预测区及其边缘区。

大量研究已经表明线性构造密度分析及交点密度分析结果在一定程度上可以反映成矿规律，其中线性体构造密度及交点密度与矿产关系密切。矿产主要发育和分布于线性体构造密度及交点密度的相对高值区，而不是最高值区；矿产主要分布于大断裂周边的小构造之中，所以定量分析结果的高值区，即一级预测区的中心区往往是不利于成矿的，这与图7结果较为一致，大多数矿点基本分布于二级预测区边缘地带或二级预测区到一级预测区之间的区域。因此，利用遥感线环构造定量综合分析，可较好地反映区域成矿的大致规律，实现线环构造解译的遥感找矿信息提取，也能提高找矿信息提取的可靠性。结合已知矿点能很好地验证遥感线环构造定量分析提取的信息，也说明金属矿点与线环构造的关联性较大，通过定量分析线环密度及其交点密度可以有效指示金属矿床。

4 结 论

研究区位于上杭—云霄成矿带上，具有很好的成矿地质背景，为典型的中等切割高植被覆盖区，受植被覆盖影响，很难开展野外勘查工作。研究区地形地貌严格地受构造控制，以此为出发点，建立研究区三维可视化遥感影像，在三维可视化遥感影像的基础上建立遥感线环解译标志，完成研究区内线环构造解译。依据三维可视化遥感进行线环构造解译可以很容易区分山谷、河谷以及山地等传统解译无法直观判断的地形，在此基础上可以轻松识别线环构造解译识别标志，提升遥感线环构造解译的效率，也提高了遥感解译线环构造的精度，为后续的定量分析提供良好的数据，提高定量分析的可靠性。

针对研究区线环解译结果，结合定量分析方法进行定量分析，包括线性体密度分析以及交点密度分析，统计结果定量表征了研究区构造分布形态，并综合定量结果和矿点空间分布，在一定程度上反映了隐伏信息，进而实现遥感地质定量找矿信息的提取及找矿预测。

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