World View-3影像在内蒙古苏莫查干敖包地区铀矿勘查中的应用

张元涛，潘蔚，余长发，田青林

（核工业北京地质研究院，遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京 100029）

1 前言

自遥感技术应用于矿产勘查以来，构造、岩性及蚀变信息就一直都是主要的研究对象。结合遥感技术宏观、高效的优点可快速获取研究区构造、岩性及蚀变等信息，快速圈定找矿靶区，从而在一定程度上缩短矿产勘查周期。如潘蔚等［1］通过多尺度遥感构造解译和蚀变信息提取，对青海祁漫塔格中段进行了铀成矿远景预测；李瀚波等［2］在分析中卫地区铀成矿要素的基础上，利用掩膜去除非成矿有利地层，最后通过蚀变信息提取发现多条铀矿化异常线索；李玉琴等［3］利用ASTER影像及克罗斯塔技术提取了菲律宾吕宋岛蚀变异常信息，并圈定了找矿靶区；赵小星［4］利用ETM影像进行了构造解译和蚀变信息提取，并结合地学信息圈定了成矿远景区。以上研究为中低分辨影像的应用，提取的地质信息受数据空间分辨率、光谱分辨率的限制。而WV-3影像具有更高的空间分辨率、光谱分辨率，利用该影像不仅能识别大尺度的地质信息，而且识别的信息种类也更多［5-8］。

内蒙古苏莫查干敖包地区矿产资源丰富，已有铁、萤石等矿产的开采。其中苏莫查干敖包萤石矿因其丰富的矿产资源，受到了学者的广泛关注［9-11］。然而相对于其他矿产，铀矿地质工作主要集中在工作区西北部的查干哈达地区，且研究区已发现了一些呈小规模展布的铀矿化异常［12］。为此在综合分析研究区地质资料的基础上，利用WV-3高分辨率影像对研究区岩性、构造及蚀变信息进行提取，并进行了部分野外验证，从而有助于该区进一步铀矿勘查研究。

2 研究区地质背景

苏莫查干敖包地区位于内蒙古自治区中北部，二连浩特市西南，行政上隶属内蒙古自治区四子王旗。大地构造位置位于西伯利亚板块和华北地台之间的中亚晚古生代造山带的东段，夹持于索伦山板块缝合线［13］和贺根山深大断裂之间［11］。出露地层主要有青白口系艾勒格庙组区域浅变质岩、二叠系大石寨组火山-沉积岩及白垩系上统砂岩、砂砾岩。区内岩浆岩发育，以早白垩世中粗粒似斑状黑云母花岗岩为主，出露于研究区西北部，局部可见晚白垩世中粗粒黑云母二长花岗岩、中侏罗世中粒碎裂花岗岩。区内断裂构造发育，以北北西向、北东向和近南北向断裂构造为主［12］（图 1）。

图1 研究区地质略图（据核工业二○八大队，2017）Fig.1 Sketch geological map of research area（modified after Nie et al.， 2018）1—白垩系砂岩、砂砾岩；2—二叠系大石寨组三段晶屑凝灰岩夹变质流纹岩；3—二叠系大石寨组三段炭质板岩；4—二叠系大石寨组二段晶屑凝灰岩夹变质流纹岩；5—二叠系大石寨组二段大理岩；6—青白口系艾勒格庙组三段绢云母石英千枚岩、白云母石英片岩夹大理岩；7—青白口系艾勒格庙组二段白云质大理岩夹石英岩；8—晚白垩世中粗粒黑云母二长花岗岩；9—早白垩世中粗粒似斑状黑云母花岗岩；10—中侏罗世中粒碎裂花岗岩；11—花岗细晶岩脉；12—萤石脉；13—闪长岩脉；14—断裂构造。

研究区矿产资源丰富，主要有萤石和铁。其中萤石矿资源尤其丰富，主要有苏莫查干敖包特大型萤石矿和中型敖包吐萤石矿，出露地层为下二叠统大石寨组火山-沉积岩［9，14］。而研究区已发现铀矿化异常主要出露于大石寨组三段下部炭质板岩中，受北东向构造控制明显，出露范围小。矿化异常处伴随强烈的赤铁矿化、褐铁矿化、黏土化及硅化［12］。

3 WV-3数据特征及预处理

WV-3传感器包含8个空间分辨率为1.24 m的可见光—近红外波段，8个空间分辨率为3.7 m的短波红外波段及1个空间分辨率为0.31 m的全色波段（表1）。如此高的空间分辨率和光谱分辨为精细的地质信息提取提供了可能。本次所用影像数据为L2A级，获取于2018年5月28日，影像无云、雪覆盖，由于受美国国家海洋和大气管理局的许可限制，本次所用数据的短波红外波段空间分辨率为7.5 m［6］。L2A级的数据已基于WGS-84椭球体投影到了UTM北投影49带。对该类数据的预处理主要包括辐射定标、大气校正、几何校正。整个处理过程在ENVI软件的5.3版本下进行。即利用Radiometric Clibration模块进行辐射定标，将传感器记录的电压或数字量化值（DN）转化为大气顶层光谱辐射 度 值［6，8］。再利用FLAASH （Fast Line-of-sight Atmosphere Analysis of Hypercubes）模块进行大气校正，消除由于大气吸收、散射等影响所产生的误差。

表1 WV-3影像波段特征及光谱范围（据 Digital Globe）Table 1 Band wavelength and spatial resolution of WV-3 image （source:Digital Globe）

4 研究区铀矿地质信息提取

在综合分析基础地质资料的基础上，以ENVI、ArcGIS为软件平台，结合主成分分析（PCA）、假彩色合成及目视解译识别研究区岩性、断裂构造，同时利用主成分分析法和光谱角匹配（SAM）分别识别研究区铁染类、黏土类蚀变矿物异常信息。

4.1 岩性信息提取

研究区已发现铀矿化异常点多分布于大石寨三段下部的炭质板岩中，因而精确圈定该类岩石的空间分布范围对铀矿勘查具有重要的意义。利用遥感技术识别岩性信息，其原理主要是依据不同岩性的岩石由于矿物成分、结构构造、覆盖物成分、含水性、地域环境上的差异而导致其在遥感影像上表现为不同的波谱特征和空间特征。然而地质环境复杂多样，直接识别研究区岩性信息往往存在一定的困难。利用图像处理技术能对弱地质信息进行增强，使得不同属性地质信息容易区分。其中波段代数、假彩色合成、主成分分析法及它们的组合常常用于岩性信息增强。如通过WorldView-2数据band 8，band 4/band 1，band 5/band 3的组合，可识别闪长岩、大理岩、片岩等多套岩性，突出岩性之间的界线［15］。

经过标准假彩色合成及目视解译，岩性边界定位更精确，岩性划分更全面。利用NIR1、Red、Green 3个波段合成标准假彩色解译底图，图中各岩性地层色调、纹理差异明显。在研究区主要地层岩性信息图中，早白垩世中粗粒似斑状黑云母花岗岩主要出露于研究区西北部（卫境岩体），出露范围广，在假彩色合成图像上，色调较亮，主要呈橘黄色、黄色等，局部夹黄褐色色斑，影纹清晰，多呈条块状、团块状。该岩浆岩中水系、冲沟发育，总体呈北西向展布。大石寨组三段上部晶屑凝灰岩夹变质流纹岩主要出露于卫境岩体外侧，与花岗岩呈侵入接触。在假彩色合成图像上，其色调较北西侧花岗岩深，主要呈灰白色、青灰色等，局部夹橙黄色、黄色，影纹多由北东向展布的片理构成，较粗糙。在地貌上，该岩层海拔明显高于两侧的花岗岩与板岩，反映该岩层岩石相对前者不易风化。大石寨组三段下部炭质板岩主要呈北东向条带状展布，色调较深，主要呈深蓝色、浅蓝色，局部夹橘黄色、浅粉色，纹理多由北东向展布的片理构成，影纹不均，局部较细腻。大石寨组二段分布于研究区中下部，色调较北西侧炭质板岩浅，主要呈灰黑色、灰白色、蓝黑色，局部夹橙红色、黄色。纹理清晰，总体粗糙，主要由北东向的片理构成。在地貌上，该岩层凸起，明显高于两侧的板岩与白垩系沉积岩（图2）。

图2 WV-3图像（RGNIRI合成）和主要地层岩性解译Fig.2 Interpretation of major lithology unit and strata1—白垩系上统沉积岩；2—二叠系下统大石寨组三段晶屑凝灰岩夹变质流纹岩、炭质板岩；3—二叠系下统大石寨组二段晶屑凝灰岩夹变质流纹岩；4—早白垩世花岗岩。

岩墙是岩浆沿岩层裂隙运动并切断岩层的板状侵入体，是地壳伸展体制下深源岩浆浅部就位的产物［16］。获取岩墙及岩墙群的发育状况和空间展布，可以定量反映中上部地壳变形。尤其是镁铁质岩墙，其几何、时间、空间分布和侵位机制与局部和区域构造应力场及地壳演化关系密切［17］。研究区岩墙信息丰富，规模不等。对WV-3可见光—近红外8个波段进行主成分变换，选取PCA3、PCA2及PCA1进行RGB假彩色合成。其中北东向展布的侵入体与花岗岩界线明显，总体呈浅蓝色、蓝白色 （背景蓝紫色）（图3）。在地貌上，该侵入体相较于花岗岩岩体抗风化能力强，表现为正地形。地质资料显示该侵入体为闪长岩脉。同时可看到该脉体并不连续，受北西西向构造控制，发生类似于错断的地质现象。

图3 侵入脉体影像特征（PCA 3、2、1假彩色合成图像）Fig.3 Pseudo-color image （PCA 3， 2， 1） of intrusive veins in granite

4.2 断裂构造信息提取

断裂构造识别在矿产资源勘查中是重要的研究内容。这是由于构造的存在使得原本完整的地质体产生了破碎空间，从而为热液的运移与富集成矿提供了有利场所。而成矿期后的构造，当其切过矿体时，往往对矿体造成破坏使得矿体的展布特征发生变化。断裂构造在形成过程中，往往会在地质体中留下蛛丝马迹，如断层陡坎、断层三角面、断层崖及水系位错等。这些特征可以从遥感图像上反映出来，因而可依据这些特征运用直接判断法、对比分析法、追索法和推理法将其识别。

研究区构造发育，主要为北东向和北西向，这些断裂在WV-3影像上特征明显，直线型影像清晰可辨，展示出了很好的线性形迹。北西向展布的断裂构造，地质资料显示为张性，除断层陡坎等构造地貌外，影像上还可见断裂两侧存在的明显纹理差异，其中西南侧地层可见一类似褶皱的岩层弯曲，而北东侧纹理主要由变质流纹质晶屑流纹岩呈北东向展布的片理所形成（图4a）。通过WV-3影像数据所反映的微构造信息，即图中显示出的牵引褶皱，可推断该张性断裂还具有右行扭动的特征。北北东向展布的断裂构造，影像上显示为深切地表的平直沟谷 （图4b）。沟谷两侧的纹理、色调均存在显著差异。从大尺度的WV-3遥感影像来看，呈北东东向展布的岩脉在经过该沟谷时发生了位错，局部断距约96 m，表明该断裂具有右行扭动的特征。

图4 断裂构造影像特征Fig.4 Image characteristics of faults in study area a—北西向断裂构造；b—北北东向断裂构造。

这些构造的识别，特别是研究区内呈小范围展布的构造在铀矿勘查中起着重要的作用。铀矿化异常点呈北东向展布约700 m，靠近最北端局部异常铀含量可达千分之一，然而延伸如此连续的异常带却终止了（图5）。在北端终止处可见一近似线性展布的色调异常，两侧炭质板岩在纹理、色调等方面都存在一定差异。其中东侧纹理粗糙颜色较深，西侧纹理细腻颜色较浅。异常色调出露处表现为线性负地形，可推测该处可能存在一近南北向断裂。同时，两侧类似对应层的错动可反映该断裂发生左行扭动。因此可推测连续的铀矿化异常带北端终止的原因可能是受该近南北向左行平移断裂破坏所致。通过筛选总道值大于30×10-6的能谱点，在该断裂东侧发现了两个异常点，两者连线也呈北东向，但与原铀矿化异常带存在一定位错，近一步证实了该南北向构造很可能破坏了原始铀矿异常带的空间展布，导致其延伸中断。

图5 铀矿化异常点空间分布及其与构造关系Fig.5 The spatial relationship of uranium anomalies and structure

4.3 蚀变信息提取

利用遥感影像进行蚀变异常信息提取包括多种方法，其中常用的为主成分分析、波段代数法和形状匹配3种［18］。考虑WV-3数据的特点，由于铁染类蚀变矿物的诊断性吸收特征主要出现在可见光—近红外波段，而黏土类、碳酸岩类蚀变的诊断性吸收特征主要集中在短波红外波段，因此利用WV-3的可见光近红外波段及主成分分析法提取研究区铁染蚀变信息，利用短波红外波段和光谱角匹配提取黏土、碳酸岩类蚀变矿物信息。4.3.1 铁染蚀变信息提取

铁氧化及氢氧化矿物，如赤铁矿、针铁矿、黄钾铁钒和褐铁矿，在0.4～1.1μm的可见光—近红外波段具有光谱吸收特征［19］。WV-3遥感影像数据在可见光—近红外波段具有丰富的光谱信息，其波段设置与WorldView-2的可见光—近红外波段的波段设置相同，只是空间分辨率较后者更高。因此，本文依据前人研究成果［15，20］， 采用 WV-3 影像的 Band 1、Band 4、Band 6、Band 8 4个波段结合主成分分析法提取铁染蚀变信息。

主成分析法是多光谱影像数据中蚀变信息提取广泛使用的方法。利用该方法能在保证数据总信息量不变的前提下，去除各波段相关性，得到一系列线性不相关的变量［21］。经过主成分变换，包含铁染蚀变信息的主分量选取原则为：在特征向量矩阵中，B4的贡献系数符号应与B1、B8的贡献系数符号相反， 一般和 B6 的贡献系数符号相同［15，20］。

PC 3反映了研究区铁染蚀变异常信息（表2）。对PC 3取反后，分别进行高斯低通滤波和数据拉伸，最后按 “均值+2倍标准差”来确定异常下限圈定铁染蚀变异常。局部蚀变异常在影像中呈团块状分布于山丘上，且断续呈近似北东向展布（图6）。经野外查证发现，该处为大石寨组三段下部板岩内呈北东向展布的蚀变带，见强烈赤铁矿化、褐铁矿化。对多处类似铁染蚀变进行测量发现，尤其是出露于大石寨组三段炭质板岩中的铁染蚀变，蚀变出露处铀含量普遍较高。

表2 主成分分析特征向量矩阵Table 2 PCA eigenvector matrix

图6 铁染蚀变异常Fig.6 Abnormities of iron stain alteration and field photo

4.3.2 黏土类及碳酸岩类蚀变信息提取

黏土类及碳酸岩类蚀变矿物，如高岭石、绿泥石、伊利石、蒙脱石、白云母、方解石及白云石等，其光谱吸收特征主要出现在短波红外波段 （2.1～2.4μm），因而利用WV-3的8个短波红外波段及光谱角匹配方法可提取该类蚀变矿物。光谱角匹配法是形状匹配中的一种，是以待定光谱与参考光谱之间光谱角大小为分类标准的方法，当夹角小于阈值时则将待定光谱划分为参考光谱。尽管该方法及其他形状匹配法，如匹配滤波、混合调制匹配滤波，多应用于高光谱影像处理，但也可以应用于多光谱影像［22-23］。整个提取流程包括：利用最小噪声分离进行光谱压缩，噪声抑制及降维；利用像元纯净指数从绝大多数的混合像元中分离出相对 “纯净”的像元，以减少在确定端元时所需分析的像元数；利用N维可视化提取端元光谱；通过目视观察、自动识别及光谱库比对的方法识别端元波谱，并结合光谱角匹配法进行矿物填图。

图7 研究区主要黏土矿物端元波谱Fig.7 Themajor end member spectrumof clay mineral in study area

图8 黏土类蚀变矿物异常及野外照片Fig.8 Anomalies of clay minerals and field photoa—黏土类蚀变矿物空间分布；b—野外照片。

ENVI中的光谱沙漏工具集成了上述功能。利用上述工具提取了研究区主要端元波谱，端元波谱主要在2.2μm处存在明显吸收特征，对应WV-3中的SWIR-6波段，反映该端元波谱包含黏土类矿物蚀变信息（图7）。结合SAM法对该端元波谱进行矿物填图，光谱角阈值设置为0.07，最后获取研究区黏土矿物空间分布特征。部分野外验证发现提取结果准确，大量绢云母产于岩石片理面（图8）。而在花岗岩体中，见—黏土类蚀变矿物异常条带呈近似直线状断续展布，出露范围小（图9）。且在该处多条北西向沟谷转向、汇聚。刘德长等［24］认为沿断裂发育有蚀变的构造反映沿断裂曾有过热液活动，其蚀变是热液活动的痕迹，很可能与成矿有关。与此同时，从研究区黏土类蚀变矿物的空间分布来看，该类蚀变多分布在卫境岩体外部围岩中，而在广阔的岩体内部仅仅在该处有出露。综上可知该处存在的蚀变异常很可能与成矿关系密切。

图9 黏土类蚀变矿物空间展布Fig.9 Spatial distribution of clay minerals in the WV-3 image

5 结论

在综合分析研究区基础地质资料的基础上，利用高分辨率WV-3遥感影像开展了岩性、构造解译及蚀变信息提取，并对部分区域进行了野外查证，发现：

1）WV-3影像数据对于地质构造及地层岩性信息解译效果良好，高空间分辨率、光谱分辨率有助于精细解译研究，可较好地定位岩性地层边界，圈定成矿有利地层及识别微构造（如牵引褶皱、片理等）；

2）利用主成分分析法及光谱角匹配分别对WV-3影像的可见光—近红外和短波红外进行蚀变信息提取，结果表明两种方法都能很好提取研究区蚀变异常信息，尤其是研究区呈小规模展布的蚀变异常信息；

3）研究区铀矿化异常有利区主要分布在大石寨组三段下部的炭质板岩中，受北东向构造控制，而有利区内其他小规模展布的后期构造可能破坏铀矿化的延续性；大石寨组三段下部炭质板岩中的铁染蚀变异常处，铀含量较背景值高，铁染蚀变与该区铀矿化关系密切；广阔的卫境岩体内部仅在一处出现的呈北东向沿构造展布的黏土类蚀变矿物异常很可能与成矿关系密切。