敦煌白山地区遥感蚀变信息提取与分析

李浩杰, 常晓珂

(1.兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省有色地质调查院,甘肃 兰州 730000;3.兰州理工大学 经济管理学院,甘肃 兰州 730000)

敦煌白山地区遥感蚀变信息提取与分析

李浩杰1,2, 常晓珂3

(1.兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省有色地质调查院,甘肃 兰州 730000;3.兰州理工大学 经济管理学院,甘肃 兰州 730000)

基于ETM+数据采用主成分分析法在敦煌白山地区进行遥感蚀变信息提取,结合已有资料对其结果评价分析,表明在该研究区运用此方法有着较好的准确性。为今后该区以及北山地区的遥感蚀变信息提取与分析工作提供参考,助力找矿突破。

遥感;蚀变信息提取;ETM+;主成分分析

蚀变岩石遥感信息与金属矿床有非常好的相关性,所提取的遥感信息异常是一种重要的找矿线索,在地质找矿中有着重要的作用。近矿围岩蚀变主要是不同类型的热液与周围岩石相互作用的产物,是成矿物质逐步富集成矿过程中留下的印迹。遥感探测的是地表物质的光谱信息,因此只要有一定面积的蚀变岩石出露,即便是矿体隐伏,只要有蚀变岩出露,遥感卫星都可以探测出来,在遥感图像上有一定的反应。这也是应用遥感技术提取蚀变信息进而指导矿床预测的地质依据。然而,遥感图像蚀变信息是一种弱信息,通常被淹没在主要地物信息或混合信息之中,常规方法难于将异常信息增强并提取出来[1]。为了获取遥感找矿的这种蚀变弱信息,国内外遥感和地质工作者都在不断设计和总结遥感信息提取的技术方法。

在国外,20世纪80年代智利利用航空照片解译矿化蚀变带,发现了玛尔泰和洛博金矿;Loughlin的研究表明,有目的地仅对一定的波段组合进行主成分分析可将特定的信息聚集到单一的主成分中;在国内,刘燕君(1983)采用与矿产信息有关的特征地物亮度比值和色度学原则,在MSS图像上,先后在北京密云水库周围的丘陵区变质铁矿实验区和河北省迁安铁矿区,成功地把矿化点及含矿围岩内强烈铁染部位增强出来;张玉君等(2003)“ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法技术”等[2],都取得了一定的成果。这些信息提取技术主要是基于地物波谱特征,采用波段比值运算,主成分分析和特征定向主成分选择技术,识别和提取铁染和羟基蚀变遥感信息。本次异常提取依据中国地质调查局《我国干旱半干旱地区异常提取的技术方法体系》推荐采用的主成分分析法。

1 研究区地质概况

研究区位于敦煌市西北,由四幅1∶5万标准图幅组成。白山幅、白山南幅地层属北疆—兴安地层大区,红柳园地层分区,印尼喀拉地层小区,大地构造位置位于南天山褶皱带东端与塔里木板块的东端叠加复合区内;小独山幅、双岔沟口幅地层属塔里木—南疆地层大区,中天山—北山地层分区,红柳园地层小区,位于北山陆缘活动带古生代柳园—俞井子裂谷带西段[3]。区内构造以东西向、北东向为主,东西向构造生成发展于前震旦纪,成熟定型于石炭纪;北东向构造生成发展于石炭纪,叠加在东西向构造之上,并受东西向制约,成熟定型于二叠纪。

区内出露地层主要有第四系(Q),侏罗系中统水西沟群(J2s),二叠纪方山口组(Pf)和双堡塘组(P1sp),石炭纪干泉组(C2g)和下石炭红柳园组(C1h),泥盆系中统三个井组(D2sg),前长城系敦煌岩群(ArPtD)等。岩浆活动强烈,侵入岩分布广泛,从基性到酸性岩均有出露。岩体主要为二叠纪花岗岩(Pγ)和闪长岩(Pδ)等,石炭纪黑云母花岗岩(Cγ)和闪长岩等(图1)。区域构造活动的发展演化是区域变质的主要原因,为区域变质提供了应力和热源,岩石受温度、压力及热液流体的影响而发生变质。

围岩蚀变控制矿化带,矿化带控制矿体,围岩蚀变是成矿直接的控制因素之一。区域岩浆活动显著,出露有大量的热变质岩,其岩石区域变质为低绿片岩相。石英脉型钨矿床主要沿区域性淤泥河大断裂与盐滩南大断裂东部复合部位。典型矿床为小独山石英脉型白钨矿,共圈定矿体23条,其中主矿体13条,分别赋存于南蚀变带的三个矿化带中;金矿点则分布于盐滩南大断裂东端西侧,代表矿点为19号金矿点,该地段岩石蚀变(绿泥石化、绢云母化、硅化、碳酸盐化、黄铁矿化)强烈,石英脉、方解石脉发育;铁矿点处于酸性花岗岩与泥盆纪碳酸盐接触部位,金滩子弧形构造西侧附近,典型矿床为芦草滩接触变质型铁矿点,产于华力西中期二长花岗岩与砂板岩之接触带,岩石破碎,见有硅化、角岩化、绿泥石化、绿帘石化*甘肃省有色地质调查院,甘肃省敦煌市白山―双岔沟口地区矿产地质调查计书(内部资料),2013年。。

图1 研究区1∶5万地质构造简图Fig.1 1∶50 000 geological structure in study area1.第四系;2.侏罗系中统水西沟群;3.二叠系双堡塘组;4.石炭纪干泉组;5.下石炭红柳园组;6.泥盆系中统三个井组;7.前长城系敦煌岩群;8.二叠纪黑云母花岗岩;9.二叠纪花岗岩;10.二叠纪闪长岩;11.石炭纪黑云母花岗岩;12.矿点;13.断层。

2 遥感数据预处理

2.1 遥感数据源

本次采用美国Landsat 7号卫星遥感影像,景号为138/31和138/32,时相为2002年11月7日。所获取的遥感图像云量少,总体影像清晰,不同地物的层次感较强,色调对比度好,纹理细节清晰,波段的设置基本上能满足遥感地质解译和矿化蚀变信息提取的要求。

2.2 遥感影像预处理

2.2.1 辐射定标与大气校正

辐射定标是通过太阳高度角校正和日地距离校正,将不同太阳高度角照射条件下、不同日地距离的图像数据的像元亮度值,标准化到假设太阳天顶时的像元亮度值。对于Landsat ETM+数据,1波段受大气散射影响最大,其次是2、3波段,而7波段受到影响最小。在具体操作中,首先将各波段的遥感图像的灰度值转换为反射率,进行传感器端的辐射校正,再进行大气校正,然后进行地面辐射校正。在ENVI 4.7遥感软件提供大气纠正模型(FLAASH法),直接实现对ETM+等影像的大气校正。

2.2.2 投影变换与初步裁剪

研究区的范围跨138/31和138/32两景图像,需进行影像拼接。原始遥感影像数据的投影类型为UTM,椭球为克拉索夫斯基椭球,为方便数据处理,先进行坐标统一,将原始遥感影像进行投影变换为北京54坐标系和地形图统一。由于该图像为两景拼接而成,其大小远远超出了研究区的范围,干扰处理过程,因此要对遥感图像进行初步裁剪。

2.2.3 几何精校正与子区裁剪

由于遥感原始数据的偏置、几何变形等原因需要进行图像校正,以使图像具有较高的精确度,又能与地形、地质等图件相匹配。因此在图像解译和蚀变信息提取之前需对遥感图像进行几何校正。本次校正采用地面控制对应方法,为了提高校正的精度,在选取控制点时,尽可能选择易于识别定位的点(如水系交叉点、其它线性影像交叉点、独立的标志性地物等),选取的控制点要尽可能多,并且分布均匀,通过控制点的精度分析,剔除其中误差比较大的点,然后进行几何校正。根据研究工作需要,笔者按1∶5万标准分幅地形图的要求,对经过几何精校正的ETM+遥感图像进行了子区裁剪。

3 矿化蚀变信息提取

遥感蚀变异常信息提取的方法有多种,其中主成分分析法提取蚀变信息是相对最为广泛的。主成分分析(PCA:Principal Component Analysis)是基于信号二阶统计特性的分析方法,由于所获各主成分之间不相关,主成分之间信息没有重复或冗余。 多光谱遥感数据通过PCA所获每一主成分常常代表一定的地质意义,且互不重复,即各主成分的地质意义有其独特性。但是由于蚀变矿物形成的影像特征在遥感图像上往往表现得很微弱或不明显,甚至 “淹没” 在主体色调中。铁染蚀变和羟基蚀变存在于绝大多数成矿岩体中,提取这两种蚀变信息基本可以确定研究区成矿岩石的分布情况[4]。

由于研究区位于中国西北极干旱无人地区,植被极不发育,地表无水体发育,且所选图像成像时间为冬季无降雪,进行掩膜处理后对比发现,此次异常提取,几乎无干扰信息,提取的遥感蚀变信息较为可靠。本次研究主要使用ENVI 4.7遥感软件进行遥感影像处理和蚀变信息提取,使用MapGIS 6.7软件进行信息叠加与分析。

3.1 铁染蚀变异常信息提取

铁氧化物的特征光谱信息集中在ETM+1～4波段,在ETM+1、ETM+4为特征吸收带,在ETM+3波段相对高反射。主成分分析中ETM+1、ETM+3波段组合的同时出现将有利于显示铁离子蚀变矿物信息的异常。为了避免含羟基和碳酸根矿物的干扰,舍弃ETM+7波段,对进行过掩膜处理后的ETM+1、3、4、5组合进行主成分分析,其特征向量及特征值见表1。

表1 ETM+1、3、4、5主成分分析特征向量与特征值

根据有关地物的波谱特征,对代表铁染蚀变主分量图像的判定准则为:构成该主分量的特征向量,其ETM+3系数应与ETM+1及ETM+4的系数符号相反,与ETM+5系数符号相同。经过比较分析,PC4满足这一标准,且其ETM+1为减信息,ETM+3为加信息,这与铁染蚀变存在ETM+1强吸收和ETM+3强反射相符,PC4图像上较亮的部分应为铁染蚀变信息。根据标准差的倍数,对PC4进行等级划分,用不同的颜色表示不同的铁染强度。对PC4进行等级划分,即密度渲染,用不同的颜色表示不同的铁染强度,根据标准差的倍数进行等级划分(表2)。

表2 铁染强度等级划分标准

表3 铁染蚀变遥感异常分级简表

计算统计后,第4主分量的标准差σ=3.384 509,所以等级划分取值k=2,2.5,3。依据该值设置等级进行密度分割,来提取铁化蚀变信息,并分级圈定遥感异常,异常分级见表3。

3.2 羟基蚀变异常信息提取

根据对含羟基矿物的特征曲线分析可知,粘土矿物在ETM+7波段为特征吸收带,在ETM+5波段具有较高的反射率。主成分分析中ETM+5和ETM+7组合的同时出现将有利于含羟基蚀变矿物的提取。由于可见光波段对铁氧化物比较敏感,为了排除铁氧化物的干扰,只选择一个可见光波段。对进行过掩膜处理以后的ETM+1、4、5、7组合进行主成分分析,其特征向量及特征值见表4。

表4 ETM+1、3、4、5主成分分析特征向量与特征值

在PC4中,因羟基蚀变矿物吸收特征而使蚀变信息在图像中为暗色调,为突出其在影像上的显示效果,对PC4求反,图像上最亮的部分应为羟基蚀变信息。结合羟基的典型波谱分析,用ETM+1、4、5、7波段组合进行主成分分析对代表羟基蚀变信息主分量图像的判定准则是:构成该主分量的特征向量,其ETM+5系数应与ETM+7及ETM+4的系数符号相反,ETM+1的系数一般与ETM+5符号相同。对PC4进行等级划分,即密度渲染,用不同的颜色表示不同的羟基蚀变强度,根据标准差的倍数进行等级划分(表5)。

表5 羟基蚀变强度等级划分标准

计算统计后,第4主分量的标准差是σ=6.79,所以等级划分取值k=2.3,2.8,3.3。依据该值设置等级进行密度分割,来提取羟基蚀变信息,并分级圈定遥感异常,异常分级见表6。根据标准差的倍数,对PC4进行等级划分,用不同的颜色表示不同的羟基蚀变强度。将两种蚀变信息叠加到遥感图像(图2)。

表6 羟基蚀变遥感异常分级简表

图2 研究区1∶5万遥感异常分布图Fig.2 Distribution map of 1∶50 000 remote sensing anomaly in study area1.遥感影像;2.铁染低级异常;3.铁染中级异常;4.铁染高级异常;5.羟基低级异常;6.羟基中级异常;7.羟基高级异常;8.断层;9.环形构造。

4 蚀变信息分析

在研究区范围内,提取出的铁染蚀变异常有11个异常点群,羟基蚀变异常有14个异常点群。本区几个已知矿点及其周边均出现不同程度的“矿化型异常”,这类异常一般值级较高,分布较连续,并具有一定规模,而且铁染蚀变异常和羟基蚀变异常有一定的重合性。这类异常是反映矿化区的铁染蚀变异常、羟基蚀变异常的富集地段,是找矿的重要标志。

为了直观地反映矿化蚀变信息与构造的空间关系,将矿化蚀变信息与线性构造进行叠加,结果显示铁染蚀变信息与构造信息有着密切的空间相关性,铁染蚀变信息主要受北东向和东西向构造的控制,且在线性构造集中的区域蚀变信息分布相对较为集中。将环形构造分布图与蚀变信息叠加分析,可见环形构造的空间位置与羟基蚀变信息高度吻合。由此可见由于火山和侵入作用形成的环形构造地区热液蚀变现象较为发育,是与羟基蚀变相关的矿床形成的有利区域。

5 结语

(1) 在敦煌白山地区利用ETM+数据采用主成分分析法提取铁染与羟基蚀变异常信息是可行的。

(2) 在该研究区域已知矿点及其周边均出现不同程度的蚀变现象。

(3) 在该区铁染蚀变信息与线形构造有着密切的空间相关性,羟基蚀变异常与环形构造具有空间相关性。

[1] 张玉君,杨建民,陈薇.ETM+(TM)蚀变遥感异常提取方法研究与应用——地质依据和波谱前提[J].国土资源遥感,2002,54(4):30-36.

[2] 王润生,熊盛青,聂洪峰,等.遥感地质勘查技术与应用研究[J].地质学报,2011,85(11):1699-1743.

[3] 甘肃省地质矿产局.甘肃省岩石地层[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.

[4] 张廷斌.西藏谢通门县铜金矿带遥感图像蚀变信息提取及多源数据融合在成矿预测中的应用[D].成都:成都理工大学,2006.

(责任编辑：陈文宝)

Extraction and Analysis of Information of Remote Sensing Alterationof Dunhuang Baishan Area

LI Haojie1,2, CHANG Xiaoke3

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou,Gansu730000; 2.GansuNonferrousGeologicalSurveyInstitute,Lanzhou,Gansu730000;3.SchoolofEconomicsandManagement,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730000)

In this paper,extract alteration information of remote sensing using principal component analysis method based on ETM+data in Dunhuang Baishan region,combined with the known data analysis show that there is good accuracy in the study area by using this method. It provides reference for extraction alteration information of remote sensing and analysis work in this area and Beishan.

remote sensing; alteration information extraction; ETM+; principal component analysis

2015-03-30;改回日期:2015-05-11

中国地质调查局计划项目,甘肃省敦煌市白山—双岔沟口地区矿产地质调查(12120113046800)。

李浩杰(1986-),男,助理工程师,在读硕士,地质工程专业,从事遥感地质工作。E-mail:lihaojiehao@qq.com

P627; TP75

A

1671-1211(2016)01-0114-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601021

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.1333.034.html 数字出版日期:2015-12-17 13:33