基于ASTER数据韧性剪切带型金矿蚀变信息提取方法优化

刘建宇， 陈玲， 李伟， 王根厚， 王博

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

北山裂谷位于东天山—北山造山带南部，是中亚造山带的重要组成部分。已有研究成果表明，北山地区在古生代经历了复杂的洋壳俯冲、地块碰撞拼接演化历史，逆冲构造、走滑断层发育，古生代侵入岩广泛分布[1-2]，使得北山地区成为了我国重要的金、铜、钼、铁等多金属成矿带。尤其在磁海Fe-Cu-Au-V-U-P成矿亚带[3]，目前已在该带东段甘肃境内发现白墩子、小西弓和金窝子等金矿[4-7]，在西段新疆境内发现了红十井、大青山和222金矿[8-9]。这些金矿的形成均与该地区近EW向展布的大型韧性剪切带具有密切关系。

特征离子或分子基团引起的矿物和岩石的独特反射或吸收特征，使得利用遥感数据进行矿物填图、蚀变提取和岩性识别成为可能。常见的方法有主成分分析(principal component analysis，PCA)和波段运算等。PCA可以将大量相关的波段信息转换为少量的包含不相关信息的波段，即主成分分量。Loughlin[10]通过对PCA统计结果的研究，总结出了对特定的TM波段组合进行PCA提取铁染和羟基蚀变异常的方法，并将该方法命名为Crosta法。在Loughlin的研究基础上，Crosta等[11]提出了一种适用于具有更多短波红外波段的ASTER数据的改良方法。该方法以典型蚀变矿物(如高岭石、伊利石)的实验室波谱为参考，依次选取吸收、反射较强的波段，并对选择出来的4个波段进行PCA变换，最后根据特征向量统计结果选择特定主成分分量进行蚀变信息提取。波段运算中，一般用目标矿物的反射波段和吸收波段做比值运算，以增强矿物的吸收特征[12-13]。目前，国内外已有大量通过PCA和波段运算处理ASTER数据进行遥感蚀变信息提取与遥感找矿预测的研究[12-19]。然而，许多学者指出，应用遥感数据提取出的相关蚀变信息中包含大量干扰信息，因此提出了多种去除干扰信息的方法。张玉君等[20]提出了利用标准离差对蚀变进行分级； 张楠楠等[21]利用支持向量机(support vector machines，SVM)对PCA结果进行优化，提高蚀变提取结果与已知矿点的吻合率； 张志军等[22]提出“SAM去干扰异常主分量门限技术”有效剔除了干扰异常，提取的蚀变矿物信息与实际情况吻合； 王頔等[17]采用多重分形“广义自相似性”和“局部奇异性”理论与能谱面积法获取的弱异常信息经野外验证具较强的吻合性，实现了弱异常与复杂地质背景的分离； 范素英[23]通过综合分析蚀变信息、线环构造和侵入岩等因素，利用层次分析法建立了冀北地区找矿预测模型，圈定了多个靶区。

由于目前遥感技术在寻找韧性剪切带型金矿方面的应用相对较少，因此选取北山裂谷成矿带西段红十井和磁海南2个研究区，对ASTER可见光-近红外与短波红外波段数据进行PCA和波段运算处理来识别断裂构造、区分地质单元、寻找与韧性剪切带型金矿密切相关的蚀变异常区，并优化提取结果。

1 研究区地质背景

北山造山带自北向南共分布有4条大型蛇绿岩带，分别是： 红石山蛇绿岩带、石板井蛇绿岩带、红柳河蛇绿岩带和柳园蛇绿岩带[2]。4条蛇绿岩带将5个岛弧单元相互隔开，自北向南依次为： 雀儿山岛弧、黑鹰山—旱山岛弧(以白山—碎石黑山—路井断裂为界，北部为黑鹰山岛弧，南部为旱山岛弧)、双鹰山—花牛山岛弧(以黑山—碱泉子—大豁井为界，以北为双鹰山岛弧，以南为花牛山岛弧)和石板山岛弧(位于最南部)，如图1所示。

图1 研究区大地构造位置[2]Fig.1 Sketch regional geological map of the Beishan orogenic belt and the locations of research areas[2]

本文2个研究区均位于双鹰山岛弧内(图1)，西部为红十井研究区，东部为磁海南研究区。2个研究区内主要出露地层为石炭系，包括下石炭统红柳园组(C1h)第一亚组，主要岩性为灰绿色、灰色长英质砂岩、灰岩、安山玢岩和凝灰岩； 上石炭统矛头山组(C2m)第二亚组，主要岩性为灰色、绿色安山岩、安山玢岩、玄武岩、细碧岩、凝灰岩夹凝灰质砂岩及灰岩。红柳园组和矛头山组中的中酸性火山岩为主要的赋矿建造。红十井研究区北侧有石炭纪花岗岩侵入，而磁海南研究区内未见侵入岩[24-25]。

红十井—矛头山断裂为一大型韧性断裂，周围发育有与其近平行的次级断裂，呈NE向穿过红十井研究区，在磁海南研究区内与白地洼—淤泥河断裂会合。该断裂带是金矿的主要控矿构造，沿红十井—矛头山断裂发现的金矿有222金矿、八一泉金矿和青山口金矿等； 大青山金矿、大青山东金矿和平梁子金矿等则分布在次级断裂附近[8-9]。与之类似，在甘肃境内发现的金窝子金矿和白墩子金矿同样主要受韧性断裂控制[7, 27- 28]。上述金矿的蚀变类型较为一致，均以硅化、绢云母化和绿泥石化为主[26, 28]。

2 数据源及其预处理

ASTER传感器共有14个波段，其中3个可见光-近红外波段(空间分辨率15 m，第3波段另增设了具后视功能的3B波段)，6个短波红外波段(空间分辨率30 m)，5个热红外波段(空间分辨率90 m)。本文共用到2景ASTER L1T数据，覆盖红十井研究区的数据获取于2002年5月13日，覆盖磁海南研究区的数据获取于2001年8月23日，影像质量都较好，无坏道，无云、雪覆盖。由于ASTER自身原因导致红外通道传感器相互干扰，使得第4波段探测器入射光发生了分散，因此需要进行串扰校正。鉴于L1T级数据已经过辐射校正、几何纠正和地形校正，因此本次预处理只包括串扰校正、重采样、辐射定标及大气校正。通过FLAASH 大气校正前、后变质辉长岩的影像波谱及实测波谱(图2)的对比可以看出，校正后可见光范围的反射率降低，短波红外范围的反射率升高，从而突出了变质辉长岩在B8波段的吸收特征，有利于蚀变信息提取。

(a) 大气校正前影像波谱(b) 大气校正后影像波谱(c) 实测波谱

图2变质辉长岩大气校正前后影像波谱及实测波谱对比

Fig.2ImagespectrumofthemetagabbrobeforeandafterFLAASHatmosphericcorrectionandthespectrummeasuredbyASD

3 研究方法

研究区内与金矿关系密切的蚀变为绢云母化、绿泥石化、绿帘石化、碳酸盐岩化和黄铁矿化。本文在对USGS波谱库中的方解石、白云石(典型碳酸盐矿物)、白云母(矿物成分与绢云母极为相似，典型Al-OH蚀变矿物)、绿泥石、绿帘石(典型Mg-OH蚀变矿物)以及黄铁矿的波谱特征进行分析的基础上，将各典型蚀变矿物重采样至ASTER波段范围的波谱曲线如图3所示。

图3 重采样后的典型蚀变矿物波谱Fig.3 Resampled spectra of the typical altered minerals

选取特定的波段组合进行波段运算，可以实现增强某种矿物或离子的吸收或反射特征，达到在突出有利信息同时抑制干扰信息的目的。波段比值B2/B1和B5/B3+B2/B1一般被用来突出Fe3+和Fe2+的信息[31]，因此本次研究中选取以上2种波段运算提取铁染信息。像元值越大，代表Fe3+或Fe2+蚀变程度越强。

在完成蚀变提取后，对获取的5个波段进行乘法运算以扩大弱蚀变区和强蚀变区的差异，抑制因岩性、风化物和植被等引起的假异常，突出具有多重蚀变的区域。通过与已知矿点进行比对，选择合适的经验阈值，最后对异常提取结果进行分级，完成蚀变异常区筛选。

4 处理结果

4.1 PCA处理结果

以红十井研究区为例，对B1，B3，B8和B9波段进行PCA处理，提取碳酸盐岩化蚀变。PC4分量包含了大量反映方解石、白云石在B8波段强烈吸收，B9波段反射的信息，而且B8波段的特征向量值为负，B9波段为正(表1)，所以方解石、白云石含量较高的像元较亮，反之色调较暗。

表1 ASTER B1，B3，B8和B9波段的PCA特征向量矩阵Tab.1 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B3，B8 and B9

与之类似，对B1，B4，B6和B7波段及B1，B5，B8和B9波段分别进行PCA处理后发现，白云母在B6波段吸收，在B7波段反射和绿泥石、绿帘石在B8波段吸收，在B9波段反射的特征均在PC4分量表现明显； 且吸收波段的特征向量为负，反射波段的特征向量为正。因此亮度高的像元包含更多白云母或绿泥石、绿帘石(表2—3)。

表2 ASTER B1，B4，B6和B7波段的PCA特征向量矩阵Tab.2 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B4，B6 and B7

表3 ASTER B1，B5，B8和B9波段的PCA特征向量矩阵Tab.3 PCA eigenvecter matrix of ASTER B1，B5，B8 and B9

(c) 红十井Al-OH异常(d) 磁海南Al-OH异常

(e) 红十井Mg-OH异常(f) 磁海南Mg-OH异常

图42个研究区ASTER数据异常信息提取结果

Fig.4ExtractionresultsofalterationinformationbyASTERintwostudyareas

4.2 波段运算结果

利用波段运算所得到的2个研究区的Fe2+和Fe3+异常结果如图5所示，在空间上异常的分布具有一定规律性。

(a) 红十井Fe2+异常分布(b) 磁海南Fe2+异常分布

(c) 红十井Fe3+异常分布(d) 磁海南Fe3+异常分布

图52个研究区铁染异常处理结果

Fig.5Resultsofferricalterationanomalyintwostudyareas

从图5可以看出，红十井研究区的2种结果虽然均沿NE向展布，但是分布区域差别较大，研究区中部和西南部Fe2+异常较弱，大青山金矿周围未见异常，而在Fe2+异常强度较高的北部地区则未见已知金矿。Fe3+异常与已知金矿分布较为一致，尤其在红十井金矿—红西金矿一带，但在中部、北部未见已知金矿地区却出现了大面积异常。磁海南研究区的Fe2+异常分布较广，而Fe3+异常则集中分布于研究区北部和南部，中部较少。

4.3 异常筛选

从PCA和波段运算的结果可以看出，红十井研究区内的已知矿点虽然均位于所提取出的异常内，但是没有一种异常信息与已知矿点吻合程度较高。而且，每种方法均提取出了较多的干扰信息。对照地质资料发现，这些干扰信息明显更多地反映了地层的信息。这些信息的存在大大降低了蚀变异常提取的精度。通过总结金矿与蚀变异常的关系发现，金矿一般位于多种蚀变均较强的区域，一种蚀变异常的强弱对于寻找金矿的指示意义较弱。为了筛选出具有多种蚀变异常的地区，本文将以上5个处理结果做乘法运算，以增大具有多种异常的像元亮度值与仅有一种或蚀变较弱的像元亮度值之间的差异，使得异常重叠区具有更高的亮度值。再通过阈值分级，精确选取出更具指示意义的复合异常区(图6)。

(a) 红十井异常筛选结果及已知矿点(b) 磁海南异常筛选结果及野外验证区

图6筛选后的复合异常区及野外验证区

Fig.6Resultsofselectedanomalies

5 结果验证

由于红十井研究区地质资料较丰富，磁海南研究区资料较少，且交通相对便利，因此对2个研究区内筛选出的异常结果采用不同的方式进行验证。对红十井研究区采用与已知矿点对比进行验证，在磁海南研究区进行野外实地验证。样品的薄片鉴定由河北省区域地质调查院实验室完成，波谱测试利用美国ASD波谱分析仪完成。

5.1 对比验证

将红十井研究区筛选后的异常结果同已知矿点对比后发现，所有已知矿点均位于异常区内(图6)。虽然在研究区的北部及东部无矿点地区仍有少量异常分布，但筛选后的结果范围大大减小，且与已知矿点吻合度较高，相对于传统的PCA提取异常的方法有了明显进步。

5.2 野外验证

磁海南研究区内的异常主要分布在北部地区，受库木塔格沙垄阻隔，研究区西北部地区难以到达，且异常较少，因此本次野外验证主要在东北部地区开展。

(a) 红柳园组大理岩化灰岩(b) 矛头山组角闪片岩(c) 变质花岗斑岩内绢云母(薄片)

图7-1研究区野外照片、样品薄片及波谱分析结果

Fig.7-1PhotosofthefieldworkinsouthofCihairegionandphotomicrographofthemeta-graniteandspectraofthesamplesmeasuredbyASD

(d) 样品实测波谱(e) 野外矿点(f) 探槽内褐铁矿化

图7-2研究区野外照片、样品薄片及波谱分析结果

Fig.7-2PhotosofthefieldworkinsouthofCihairegionandphotomicrographofthemeta-graniteandspectraofthesamplesmeasuredbyASD

6 讨论

一般斑岩型铜矿具有硅化、钾化的核，在核的外围分布有泥化、绢英岩化和青磐岩化蚀变带。不同蚀变的形成与温度有密切关系，因此这些蚀变带具有围绕岩体分布的特征[33]。泥化带的代表变质矿物为在2.20 μm处有吸收特征的高岭石和黄钾铁矾，绢英岩化带的变质矿物为在2.17 μm处有吸收特征的伊利石和绢云母，青磐岩化带的代表矿物为绿泥石、绿帘石和方解石，吸收谷位于2.35 μm处。目前已有不少学者基于以上规律，利用多光谱数据进行蚀变带的划分并进行矿产预测[15, 31-32]。韧性变形构成中产生的构造分异作用会导致韧性剪切带内的矿物组成与化学成分变化，形成含金热液[26]。成矿温度在115～381℃，变化较大。因此，在这种背景下，韧性剪切带型金矿的蚀变并不像斑岩型铜矿那样具有较强的规律性。而且韧性剪切带两侧地层受构造产生的区域变质作用影响，形成绢云母等变质矿物，因此造成蚀变异常沿韧性断裂分布较广。所以，很难靠一种方法，或者提取一种蚀变信息而准确找到成矿有利带。

7 结论

1)受区域变质作用的影响，在北山地区用传统PCA方法提取的蚀变异常中具有大量反映地层信息的假异常。

3)该方法具有高效、快速的特点，对于在北山裂谷寻找韧性剪切带型金矿具有先行指导意义。

4)本次研究中未能对红十井研究区东部和北部的异常区进行验证，在以后工作中需要开展大量野外工作，对该方法的有效性和普适性做进一步验证。