新疆北山裂谷带铁染蚀变特征及其找矿意义

吴纪宁，胡琳琛

(1.中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西 西安 710119；2.新疆兴宏泰股份有限公司，新疆 阿勒泰 836599)

0 引言

新疆北山裂谷带蕴含丰富的矿产资源，目前已经发现了红十井金矿、坡北铜镍矿等金矿，板山铁矿、红石山铁矿等铁矿[1]。使用遥感技术观察该地区可发现：断裂带韧性变形特征明显，构造活动强烈。该地区的成矿环境好，具有较大的找矿潜力。北山地区的基础地质工作主要包含：20世纪50年代，新疆地质局对北裂谷带开展了1∶100万的区域地质调查和矿产勘查工作，对当地的地层、矿产、岩浆岩等地质基础情况进行调查，为之后的矿产勘查工作奠定基础[1]。刘月高等[2]学者基于含矿岩体(相)和非含矿岩体(相)在构造、围岩条件、化探异常特征等多个方面之间的区别，总结了新疆北山地区铜镍硫化物矿床的综合信息勘查模型的勘查策略。孙乾龙等[3]学者对北山成矿带东盐池地区进行了较为系统的地球化学分析，从成矿元素富集系数、成矿元素变异系数和后期叠加强度等方面分析其含矿性，为该地区找矿工作提供参考。目前新疆北山地区的基础地质工作已基本完成，北山地区的基础地质、矿产情况整体布局的研究已基本成型。

地质科研工作主要包括：刘超等[4]学者详细分析了新疆天山—北山地区的主要金属矿产时空分布特征，并从大地构造演化、岩浆岩等角度对控矿因素进行了探讨。牛辉等[5]学者使用EH4电磁测深方法，对清白山东工区进行测深数据采集和二维反演运算，确定韧性剪切带型金矿的中心及目标矿体位置。杨在峰[6]的团队对新疆北山地区铁矿勘查开发利用现状进行详细总结，研究指出北山地区已查明的铁矿较多，但是学者对铁矿点的含矿层位、矿石品质等地质条件的研究不足。研究将尝试通过提取遥感影像内的该地区铁染蚀变异常信息，构建新疆北裂谷带铁矿的找矿模型，圈定有利找矿靶区，从而对该地区的铁矿开发提供科学合理的指导依据。

1 地质概况

新疆北山裂谷北部山区的整体地形为北高南低，多为低山、丘陵，平均海拔为1200 m，主要的断裂包括红十字井断裂、红柳河断裂和白地洼—淤泥河断裂三条[2]。研究区域的地理范围为东经-91°45′～92°15′、北纬40°40′～40°50′，具体位置见图1。该地区在寒武纪、奥陶纪—志留纪、石炭纪—二叠纪分别经历了不同方向多期次的构造运动，形成了不同方向的复杂断裂系统[7]。本次研究的研究区域正处于白地洼—淤泥河断裂之上，该断裂带由两条互相对冲的断层构成，断裂带内可见强烈的片理化，并且偏离产状近乎直立。图1中元古界北山岩群主要岩性为变粒岩，GF-2影像上呈黄色、褐色色调、山脊圆滑、块状影纹；红柳园组下亚组岩性为砂岩、粉砂岩、板岩；红柳园组上亚组岩性以砂岩、粉砂岩、千枚岩、安山岩为主，黑色、棕色色调，条带纹；石板山组岩性为岩屑砂岩、玄武岩，黑色、棕色色调，条带状影纹；第四系沉积物主要包括全新世河流相冲积物(黄色、白色色调)、洪冲积物(棕色夹浅棕色色调，小型树枝状水系发育)。

图1 北山地区构造简图

2 遥感数据处理

研究使用从Terra卫星上获取的ASTER LIB数据提取铁染蚀变信息，使用从高分二号卫星(GF-2)上获取的数据解译遥感地质信息。由于遥感成像质量容易受到卫星运行速度、随机噪声、光照强度等因素的影响，因此在提取遥感影像有效信息前，首先要消除或减弱外界干扰因素对遥感影像造成的影响[8-9]。针对研究数据源、数据等级情况，研究对遥感影像预处理的过程包括：波段合成、去边框处理、头文件重定义、辐射定标、大气校正共6个步骤。去边框处理的目的是去除波段合成过程中VNIR波段成像和SWIR波段成像之间的差异；大气校正步骤使用辐射传输模型中的标准MODTRAN大气模型。图2为新疆北山裂谷带经过亚极地夏季热带大气校正后的效果图，可以看出经过处理之后的遥感影像，消除了光照、大气因子等因素对地物反射的影响。清晰显示了辐射率、地表岩石反射率、地表温度等物理模型。

图2 遥感影像预处理结果

GF-2数据预处理的主要步骤：正射校正、波段融合、图像镶嵌、图像裁剪、增强处理。经过融合处理之后的影像分辨率可明显提高，该步骤将提升遥感地质解译的精细程度。增强处理步骤包括拉伸处理和色彩合成，该步骤能增大地层、岩体和岩脉等地质体的颜色差异，提高目视可译程度。

3 铁蚀变信息提取

不同矿物、岩石的物质成分、内部结构不同，展现出来的光谱特性也有所不同。矿床周围的岩石通常存在蚀变现象，不同蚀变现象均有其对应的光谱异常表现[10-12]。利用这一现象，可实现对遥感找矿靶区的圈定。参考USGS典型蚀变矿物波谱库，研究选取针铁矿、赤铁矿、黄钾铁矾框、褐铁矿四种典型的铁染蚀变矿物作为研究对象。将波谱库内的矿物波谱曲线重采样到可见光—近红外波段的曲线上，结果见图3。

图3 典型铁矿物反射波谱曲线

研究使用主成分分析法(Principal Component Analysis，PCA)和波段比值法(Ratio Method，RM)提取蚀变信息。PCA法可以将相关性高的波段信息集中在少数几个波段之中，从而用少数综合波代表所有波段信息，有效减少需要处理的数据量。RM法利用代数运算原理，通过对反射波段和吸收波段做比值处理，增强不同岩性的波谱差异特征。两种方法结合下提取铁染蚀变信息的工作流程见图4。

图4 铁染蚀变异常信息提取流程

主成分分析法提取蚀变信息的原理：针对矿物波谱的1、2、3、4波段做掩膜主分量分析，提取铁染矿物中与三价铁离子相关的异常主分量。PCA法提取铁染蚀变异常信息的主要步骤：滤波处理、选取提取主分量、计算波段信息和色彩分割。滤波处理可消除特定的空间频率，如遥感影像中的斑点和噪声。研究使用中值滤波进行影像处理，该滤波方法可更好的过滤掉孤立噪声点，对遥感影像中地物的凸显作用最为明显[13]。选取滤波处理后图像的主分量，选取依据为Band 2、Band 4的贡献系数符号选取应与Band 3相反。计算4个波段的基本信息，并以2.0、2.5、3.0倍标准差将铁染蚀变异常由低至高分割为1级、2级和3级。等级越高，铁染蚀变现象越强烈。

以图4c所示的经过处理的新疆北山裂谷带遥感影像的铁染蚀变信息处理为例，选取第四主分量为铁矿异常信息提取的主分量，PC 4的Band1、Band 2、Band 3、Band 4的特征向量系数为0.242414、-0.773852、0.580741、-0.071103。通过对遥感影像的特征向量矩阵表进行主成分分析，4个波段的标准差数值分别为2628.684 260、152.455 423、20.295 994、16.531 049色彩分割处理后显示在数据直方图上的一级异常的数据值范围为33.142 772～41.428 465，二级异常的数据值范围为41.428 465～49.714 158，三级异常的数据值范围为49.714 158～57.999 851。按照上述步骤对图4c进行初步异常提取的结果见图5。

图5 PCA法初步处理结果

将初步获取的信息分布图进一步通过RM法处理，获取特征明显的特征图像。参考图2中针铁矿等蚀变矿物的光谱特征曲线，研究选用Band/Band1对含三价铁离子矿物蚀变信息进行提取，选用(Band5/Band3)+(Band2/Band1)对含二价铁离子矿物蚀变信息进行提取。提取结果见图6，图6a是三价铁离子信息提取结果，绿色代表三价铁离子异常。图6b为二价铁离子信息提取结果，红色代表二价铁离子异常。受到第四系和镁铁—超镁铁岩体等因素的影响，图像西南方位的特征提取受到一定干扰。

图6 RM法铁染蚀变提取结果

4 找矿模型构建及靶区圈定

4.1 找矿模型构建

研究利用经过预处理之后的GF-2图像对研究区域进行较大比例尺度的地质解译，结果见图7。解译内容主要包括地层、构造和岩体。研究区域内的出露地层主要为石炭系。元古界出露地层主要为北山岩群(Pt1B.)。古生界出露地层包括红柳园下亚组(C1ha)、红柳园上亚组(C1hb)、石板山组(C2sh)。新生界的出露地层主要为全新世河流相冲积物(Qhal)、冲洪积物(Qhalp)。研究地区的断裂构造包括1条区域性大断裂、31条局部性断裂两层和1条推测断裂。区域内还包含5处褶皱转折端。该地区岩浆层较为发育，主要有火山岩、中酸性侵入岩和基性—超基性侵入岩。

图7 遥感地质解译图

通过上述信息，研究构建的关于控矿地质条件和蚀变异常信息的找矿模型。蚀变异常信息显示铁染蚀变异常沿断裂带分布，异常强度不大。控矿地质条件包括地层、岩性、岩浆岩、构造、顶底板岩性和蚀变现象六部分。①地层：红柳园组的主要岩性为粉砂岩、千枚岩、片岩、砂岩等。遥感影像特征为黄色、土黄色色调，色调较亮，并且影纹光滑，地表无植被覆盖。②岩性：磁铁矿受后期断裂影响较弱。遥感影像特征为白色、黄色浅色色调。③岩浆岩：南部主要为花岗岩。遥感影像特征为褐色、黄褐色色调，U型沟谷地貌，水系发育，地表无植被覆盖。④构造：矿点沿白地洼—淤泥河断裂带分布。遥感影像显示其北侧地层为白色色调，南侧岩体为黄褐色色调。水系经过断层时出现弯曲。⑤顶底板岩性：顶板主要为云母片岩、千枚岩、石英片岩。底板岩性为绿泥石化角岩和角闪岩。⑥蚀变现象：主要为孔雀石化和褐铁矿化。

4.2 靶区圈定

经过处理之后的遥感影像，由于存在水系、第四系覆盖等因素的影响，存在铁染蚀变信息假异常现象。筛除第四系假异常之后，研究确定有利找矿靶区，由图8可见。根据遥感影像显示的铁染蚀变异常信息，研究确定了3个有利找矿靶区。铁染蚀变信息分布具有如下特点：①大多位于白地洼—淤泥河断裂带上，且在上中下部位均有分布。②沿石炭系红柳园组地层分布。这些特点符合研究构建的找矿模型特点和该地区的成矿规律。研究确定的3个有利找矿靶区中，3号靶区已经确定存在铁矿点，其他两处靶区是否存在铁矿及其规模还有待考证。

图8 有利找矿靶区圈定

5 结论

考虑到新疆北山裂谷带气候恶劣、地形复杂，研究基于北山地区的ASTER遥感数据，使用主成分分析法和波段比值法提取该地区铁染蚀变异常信息。ASTER光谱的空间分辨率较低，GF-2数据空间分辨率高，但仅包含4个波段。两种影像的融合分析能够确保空间分辨率的基础上，有效缩小提取蚀变信息，获得的矿产靶区圈定结果更加精确。研究构建的结合遥感影像解译结果和铁染蚀变异常信息的铁矿找矿模型最终圈定了3处有利找矿靶区。研究的主要成果包括：

1)确定白地洼地区铁染蚀变异常信息分布规律及分布点。

2)解译了北山地区地层、构造、岩体等基础地质信息，同时进行矿化蚀变信息提取。

3)构建了控矿地质条件和蚀变异常信息的找矿模型，并利用该模型圈定了白地洼地区的3处找矿有利区。