遥感找矿信息提取及靶区预测——以青海祁连县红土沟－川刺沟地区为例

张志军，庄光军，杨涛，王明，刘慧蓝，王利功

（1.武警黄金第六支队，西宁 810000；2.中国国土资源航空物探遥感中心对地观测技术工程实验室，北京 100083；3.河南省地矿局第一地质矿产调查院，河南 洛阳 471023）

0 引 言

北祁连成矿带是青海重要的成矿带之一，带内已发现铜、金、铁、铬、铅、锌等25种矿产，矿点200多处［1］。成矿带内地球化学异常发育，但区内自然环境恶劣、构造及其复杂，多年来地质找矿工作进展缓慢。红土沟－川刺沟地区就位于该带上，通过多年的地质调查工作，发现了多处金矿体，但都不连续、规模不大，透镜状产出，地表工程见矿效果不好。

遥感找矿信息是指通过对图像处理、理解和判识所获取的与成矿地质条件（岩浆岩、地层岩性、构造、矿化蚀变等条件）具相关性的专题信息［2］。遥感技术作为一种经济快捷、实用有效的地质勘查技术之一，具有多尺度、真实直观、快速高效等优势。前人在北祁连曾做过部分遥感相关工作［3］，但都仅限于蚀变信息提取，没有开展多元信息分析、缺乏综合研究。为了实现区域找矿突破，寻找有利靶区，本次研究通过ETM和GeoEye－1遥感影像，采用“SAM去干扰异常主分量阈值门限技术”，结合矿区已有的地质、化探资料，进行成矿预测，圈定靶区。

1 研究区概况

研究区地处北祁连加里东优地槽褶皱带Ⅱ级构造单元的托莱山复向斜北翼，各构造单元及断裂呈北西—南东向平行展布为区域构造线的总体特征［4］。研究区赋矿层为下奥陶统阴沟群，其岩性较为复杂。区内岩浆岩在深大断裂带及次级断裂带中发育，多呈岩脉、岩枝状。加里东期有超基性岩、辉长岩及中酸性岩脉，分布广泛，受后期改造，有不同程度的蚀变，形成石英菱镁岩、滑石菱镁岩，岩体局部片理发育，其展布方向及形态均受区域性构造控制［5］。

地球化学工作，前人在小水沟－玉石沟一带进行了1∶20万水系沉积物测量，圈定Au、As、Sb、Cu、Hg、Ag、Cr等多种元素组合异常；1∶5万水系沉积物测量，将该异常分解为26个异常，以单元素Au异常为主。区内矿化蚀变类型复杂多样，常见类型有黄铁矿化、褐铁矿化、蛇纹石化、绿泥石化、绿帘石化、绢云母化、碳酸盐化等。

2 数据源及预处理

2.1 数据源

本研究使用的遥感影像包括两种：ETM影像和GeoEye－1影像。ETM影像1景，影像获取时间为 2001－07－03；GeoEye－1 影 像 覆 盖 全 区，面 积92km2，影 像 获 取 时 间 为 2013－03－28。 成 图 所 用DEM为GDEM 30m数据。数据无大面积云、雪等干扰因素，质量良好。

图1 红土沟－川刺沟矿区地质图

2.2 预处理

（1）ETM 影像预处理

多光谱影像彩色合成选用最佳指数法（Optimum Index Factor），OIF指数作为衡量合成方案优劣的一个因子，其基本思路是“方差最大，相关性最小”原则［6］。算法如下：

其中，Si为第i波段的亮度值标准差，Ri为波段间的相关系数。标准差反映离散程度，Si越大，说明影像上不同地物的辐射强度越大，相关系数反映波段之间信息的重复度，Ri越小，说明波段合成影像所包含的信息就越丰富。

OIF公式是数理统计意义上的组合公式，其中的相关系数具两面性的作用。波段间相关系数既不能太大，也不能太小，不能简单地以OIF值最高作为选取方案的标准，而应取数个方案去得到最佳合成方案［7］。

由表1可知，541、741、751组合产生的OIF值最大，对应的相关系数和分别为1.00、0.87、0.93。B4与B5、B7的相关系数分别为0.72、0.49；B5、B7的相关系数为0.91，同时B4是含铁氧化物的特征谱带，首先排除751组合。由于B4与B5相关系数为0.72，三波段相关系数和为1.00，且B7波段对岩石、特定矿物敏感。因此，为使岩性信息突出，地质构造清晰，地质可解译性较高，采用741波段的RGB组合。

表1 研究区ETM影像波段组合最佳指数（OIF）

（2）GeoEye－1影像预处理

基于GeoEye－1卫星及其影像数据的特点，采用“先融合后纠正”的基本思路进行处理［8－9］。即先进行全色与多光谱遥感影像融合，然后对融合影像作正射纠正。

3 构造解译

构造解译分为两部分：ETM用来解译一级线、环形构造，GeoEye－1用来解译二级线、环构造。

3.1 ETM影像构造解译

为增强主干构造，采用主成分变换＋空间滤波方法，先对ETM进行主成分变换，第四主成分（PC4）主要包含主干构造信息，对其进行3×3的低通卷积滤波，增强大型构造体，削弱小型线性体［10］。最后采用方向滤波（Directional Filter），增强NW方向构造。如图2所示，区内有两条大型构造带，应是本区的一级构造带，ETM影像上解译标志明显，具明显的条带状特征，延伸远，连续性好，明显控制岩浆活动，对区域地质有很大的影响。

根据OIF结果，ETM 以R（7）G（4）B（1）彩色合成，进行区域构造解译，如图3所示。从线性构造空间展布特征分析，区内构造以NW向为主，其次为NE向、近EW向和近NS向。解译出环形构造5处，其附近线性构造发育，且都与本区的一级构造带相交或相切。线性构造在某些部位相对集中；构造规模大者多为地质体的分界线，两侧挤压现象明显；规模小者多发育于地层内部，或岩体内大型节理带、破碎带。

图2 ETM影像方向滤波增强构造图

图3 ETM影像构造解译图

3.2 GeoEye－1影像构造解译

本研究中Geoeye－1主要用于解译小型构造。如图4所示，由于推覆造山，强烈的挤压作用，线性构造发育，以较为密集的NWW、NW向线性构造为主，不仅规模大，且密度也大，致使区内各系、统或统内的地层大部分呈断条状产出。有规模稍大的断裂，也有同期、后期形成的小断裂。NE向和近EW向断裂，规模小，压扭性，大多切穿NWW、NW向断裂，对前期构造起破坏作用。线性构造空间分布上显示出相互交切，分枝复合的特征。解译出的绝大部分线性构造都分布于图2的一级构造带内。

3.3 野外验证

图4 GeoEye－1线性构造解译图

研究区平均海拔4300m以上，野外验证构造点共计11处。结果显示，遥感解译构造都与实际吻合，ETM可以控制区域地质构造，Geoeye－1对小构造有较好的识别效果，如图5所示，奥陶系阴沟群中基性火山岩组蚀变大理岩与超基性辉橄岩，侵入接触。大理岩蚀变破碎，褐铁矿化强烈；超基性辉橄岩蛇纹石化明显，受挤压力，岩石中矿物呈条纹状、纤维状半定向排列。接触界线产状：220°∠63°。

图5 构造验证实地照片

4 遥感蚀变信息提取

本次蚀变信息提取以ETM为基础，采用“SAM去干扰异常主分量门限技术”［11］分别进行羟基和铁染信息的提取，并通过异常后处理，实现了遥感蚀变异常的分级。按照此方法设计出蚀变信息提取流程（图6）。

4.1 干扰因素去除

去干扰工作是通过谱特征观察，灵活选用不同的数学方法，将非目标图区及非目标地物经处理归入干扰窗，尽可能地减少干扰物（水体、植被、云、阴影等）对异常提取产生的影响。利用不同地物的波谱曲线的特点，通过比值法、高低端切割等方法去除干扰。

图6 蚀变信息提取流程图

表2 干扰地物的去除方法

4.2 铁染异常信息提取

采用B1、B3、B4、B5进行铁染信息提取，特征向量矩阵如表3所示，PC4主要包含B1、B3信息。其中PC4中B1贡献为正，B3贡献为负，因此PC4分量可增强含铁矿物的信息。而实际中B1为强吸收，B3为强反射，所以对PC4求反，求反后铁氧化物在图像上为高值区。

表3 铁染信息提取的主成分特征向量矩阵

为避免异常点分布零乱无序，掩盖了异常分布规律，使异常图失去可读性，采用3×3滤波去除孤立异常，使矿化点处较大的连片异常得到很好的保留。根据中值滤波后的PC4图像直方图的统计特征，确定均值＋1.5倍标准差为异常下限，然后以0.5倍标准差为步长，将异常分为强、中、弱三级。

4.3 羟基异常信息提取

基于羟基波谱特征，选用B1、B4、B5、B7进行羟基异常信息提取，主成分分析后的特征向量矩阵如表4所示，PC4主要包含B5、B7信息。其中PC4中B1、B5贡献为负，ETM 对B4、B7贡献为正，因此PC4分量可以反映羟基和碳酸盐化异常。而实际中B7为强吸收，B5为反射，所以对PC4求反，求反后羟基和碳酸盐化在图像上为高值区。同样的方法制作三级羟基异常图。

表4 羟基信息提取的主成分特征向量矩阵

4.4 异常筛选

遥感异常筛选主要采用光谱特征识别、比值法验证、不同类型异常相互验证、光谱角法优选等。本研究选用光谱角优选法，因缺乏矿区典型蚀变岩石的实测波谱数据样本，结合矿区实际，选用ENVI软件中自带的USGS光谱库中典型矿物光谱（褐铁矿，黄钾铁矾；绿泥石，蛇纹石），做光谱角筛选。

将已选定的典型矿物标准曲线重采样到ETM波段上，分别进行含Fe离子矿物和羟基基团矿物的SAM异常填图，两组矿物光谱角填图阈值分别为0.16和0.14。利用波段运算，将同类PCA分类数据与SAM分类数据相乘，以达到对PCA结果的异常筛选［12］，异常筛选前后对比如图7所示。

图7 异常筛选前后对比

4.5 野外验证

实地验证结果显示，ETM提取的异常信息均与实际吻合，特别是铁染异常能较好地指示褐铁矿化、黄钾铁钒等与找矿关系密切的蚀变信息。如图8（a）所示，呈条带状展布的黄褐色岩石为蚀变大理岩，风化面黄褐色、灰白色，新鲜面白色，主要组成矿物为方解石、白云石，由于后期风化作用影响，岩石较破碎，表面褐铁矿化明显，呈碎块散落。此处大理岩处于与辉橄岩接触带部位。

对大水沟铁染异常进行查证时，新发现7号铁矿化带（图8（b）），磁铁矿品位20%～30%左右。蚀变带宽20m～70m，长度大于330m，岩性主要是板岩、蚀变辉长岩、蚀变大理岩。

图8 ETM铁染异常验证实地照片

5 综合分析及预测

5.1 蚀变信息结果分析

依据图9和图10，将两类蚀变信息综合分析如下：①矿化蚀变在全区分布广泛、不均匀。铁染异常相对分散，以中低强度的斑块出现，分布相对孤立分布，强度弱、面积小；羟基异常沿托莱山走向，受断裂构造控制，集中分布，强度大、面积大，羟基异常都出现在超基性岩出露的地方，与超基性岩具有明显的相关性。②蚀变异常具有明显的方向性，主要呈NW向展布。与断裂构造伴生的围岩蚀变发育，主要是碳酸盐化、褐铁矿化、蛇纹石化，在遥感影像上，沿构造带呈褐黄—灰黄色透镜状产出，影像特征明显。两者都紧密夹持于南北两个构造带中。

图9 异常筛选后铁染异常图

图10 异常筛选后羟基异常图

5.2 多元信息综合分析

构造等密度图反映线环构造空间密度分布的结构特征，为多元信息找矿提供线索。一般高密度异常区代表了断裂或褶皱发育部位，低密度异常区可能代表了构造相对稳定的地块或第四系覆盖区［13］。

本研究中线性构造密度分析在ArcGIS中进行，采用Kernel Density空间分析工具，采样半径为1km（图11）。构造密度统计图上两向延长的高值区或具有一定延伸方向的亮值梯度带多为区域构造带的反映，从图11上看，在狭长的研究区南北两侧，靠近南北边界附近，分别有一条构造密度高值延长带，线性构造密集，呈NWW向延展；中间部位，构造密度值低，与前面解译出的一级构造带较吻合。

为直观地显示矿化蚀变信息与构造的空间关系，将构造、蚀变异常、化探、已知矿体进行叠加，如图12所示，矿化蚀变与构造有着密切的空间相关性，矿化蚀变信息主要受NW向构造的控制，其分布与区内的构造格架大体一致，都分布在断裂构造较为发育的地区。南北两个一级构造带上都有较强的蚀变异常分布，推测是推覆造山作用影响，在超基性与中基性火山岩接触部位形成由韧性剪切作用造成的强烈破碎带和糜棱岩化的构造破碎蚀变带，发育黄铁矿化、褐铁矿化、碳酸盐化，因此从遥感蚀变异常较为发育。已圈金矿体、遥感蚀变异常都紧密夹持于北侧一级构造带内，且矿体都分布于环形构造附近，这对于该区找矿具有实际指导意义。沿此一级构造带往南，大水沟环形构造附近，有异常AS2－44和AS2－43，与铁染异常套和较好，是下一步比较有利的工作区。线性构造高密度区，北构造带向东南延伸的次级断裂部位，加里东期超基性岩与奥陶纪阴沟群火山岩组的接触带上是成矿优势区域。

图11 线性构造密度统计图

图12 构造与蚀变信息叠合图

5.3 成矿预测

成矿预测的基本理论概括为相似类比理论、“求异”理论、控矿因素组合控矿理论。本研究采用控矿因素组合理论，根据已知矿床（点）反映出的成矿规律、控矿条件及找矿标志等，借助ArcGIS 9.3软件平台，将遥感蚀变信息、构造信息、地球化学信息以及已知矿体、已知矿化信息等综合分析，获得成矿有利空间分布，最后圈出3个预测靶区（图13）。

①大水沟中游预测区（Ⅰ）

如图15（a），该预测区位于研究区一级构造带上，发育NWW向次级断裂构造，与环形构造相交，该带北部已经发现多处金矿体，是一级构造带东南方向的延伸，与已发现的金矿体具有相同的构造条件。预测区位于蛇纹石化辉橄岩和奥陶纪阴沟群火山岩组的接触带上，有金、砷、锑综合异常AS2－44和单金异常AS2－43；发育呈NWW带状展布的强铁染异常和零星羟基异常，二者套和良好。

此次普查工作，在大水沟中游三岔口，蛇纹石化辉橄岩与奥陶纪阴沟群触带上发现一处规模较大，矿化较好的蚀变带（图14），矿化类型主要是磁铁矿化、褐铁矿化，图14中标出的蚀变带对应于图13中所标识的红色图斑。该蚀变带为下一步工作确立新的工作靶区，提供了有利证据。

②大水沟沟脑预测区（Ⅱ）

如图15（b）所示，该预测区位于研究区南侧一级构造带上，与环形构造相切，NWW向次级断裂发育。预测区紧邻托莱山山顶超基性岩体，地层主要为奥陶纪阴沟群碎屑岩组。预测区有两处金、砷、锑综合异常 AS2－3和 AS2－10，一处单金异常AS2－41；有呈NWW带状展布的强铁染异常，南缘有大面积的强羟基异常出现。在后期岩石地化测量工作中，圈出1个 Au、Ag、Pb、Mo、Cu综合异常。

图14 大水沟矿化蚀变带三维立体图（GeoEye－1）

③红土沟西沟预测区（Ⅲ）

如图16所示，该预测区位于研究区北侧一级构造带上，该带已经发现多处金矿体，因此预测区与已发现的金矿体具有相同的构造条件。预测区位于蛇纹石化辉橄岩和奥陶纪阴沟群火山岩组的接触带上，发育NWW向、NW向次级断裂构造，位于两组断裂交汇处。断裂构造部位发育呈带状展布的强羟基异常和零星的铁染异常。预测区有两处金、砷、锑综合异常AS2－5和AS2－6，异常浓集中心明显。在先前的地质工作中，预测区内发现有一处金矿化点，有较好的找矿潜力。

图15 大水沟靶区附近遥感综合信息图

图16 红土沟西沟靶区附近遥感综合信息图

6 结束语

本研究中，ETM数据用来确立区域构造格架，控制大的地块单元，提取遥感蚀变信息；GeoEye－1数据用来解译精细构造，控制地层岩性边界，识别微小地质体。两种遥感数据，不同构造尺度，蚀变与构造信息融合，为最终圈定靶区提供了有利依据。

线性构造密度统计结果显示，已知矿化点都位于一级构造带上。线性构造高密度区，北构造带向东南延伸的次级断裂部位，加里东期超基性岩与奥陶纪阴沟群火山岩组的接触带是成矿优势区域，有发现新矿体的潜力。

从铁染异常分布看，在北部构造带中铁染异常分布广、强度大，有两处铁矿化点。在大水沟一带发现比较有工作价值的铁矿化点。不仅研究区内，邻区及外围，铁矿化点较多，且青海地勘单位在邻区进行铁矿勘查已经取得突破。因此研究区也有找铁的潜力，要引起足够重视，拓展多金属找矿的前景。

通过野外实地工作，在大水沟中游预测区发现了规模较大，矿化较好的蚀变带，矿化类型主要是磁铁矿化、褐铁矿化；在大水沟沟脑预测区圈出1个Au、Ag、Pb、Mo、Cu综合异常。这说明本次提取蚀变矿物信息的结果与实际情况吻合，验证了“SAM去干扰异常主分量门限技术”的有效、可行，预测区圈定准确，利用遥感技术服务于地质找矿工作的科学性和可行性。

研究区目前的找矿工作，缺少对地表工程和化探数据进一步分析升华，缺少成矿综合研究与地质施工统筹。下一步应研究矿体剥蚀程度，厘定成矿构造其次，使找矿行动更有针对性，提高下步工作的准确率。

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