高分五号航天高光谱遥感技术在甘肃龙首山铀矿找矿中的应用

冯 博，段培新，程 旭，卢辉雄，李瑞炜，张 恩，汪 冰

(1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002；3.高分辨率对地观测系统河北应用技术支持中心，河北 石家庄 050002；4.河北地质大学 区域地质与成矿作用重点实验室，河北 石家庄 050031；5.河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050031)

0 引 言

高光谱遥感技术具备空间大尺度上精细探测地表矿物成分的能力，利用高光谱成像光谱仪纳米级的光谱分辨率(波段宽度小于10 nm)在可见光—近红外谱段(0.35～2.5 μm)识别矿物种类高达几十种，在热液蚀变带识别、成矿构造和成矿岩性识别方面展现出明显的技术优势[1-9]。根据传感器的搭载方式，高光谱遥感分为航天高光谱和航空高光谱两类，航空高光谱在空间分辨率上具有一定优势[10-13]，航天高光谱数据的获取具便捷、高效、安全性，更具应用和推广价值。目前航天高光谱研究的数据源主要依托国外Hyperion数据，针对国内首颗自主研发的GF-5航天高光谱数据的应用研究尚少。李娜等[14]针对GF-5高光谱数据开展了岩性-构造解译应用，宿虎等[15]利用GF-5高光谱在阿尔金地区开展了找矿初步应用，连琛芹等[16]利用GF-5高光谱数据在广东玉水铜矿开展了蚀变信息提取研究，GF-5航天高光谱的应用前景及效果需进一步研究。

甘肃龙首山成矿带是我国西北地区重要的铀成矿带，带内已发现芨岭矿床、新水井矿床和革命沟矿床等多个热液型铀矿床[17-23]，铀矿找矿前景大。区内铀矿地质研究程度高，在该区投入了大量生产及科研工作，随着近些年铀矿勘查程度的不断提高，单纯依靠传统方法实现找矿突破的成本和难度明显增大。遥感新技术方法的应用成为区内热点研究内容，张元涛利用多光谱数据在龙首山地区开展了断裂构造识别[24]，吴志春等利用TM/ETM影像在龙首山地区开展了蚀变异常提取研究，提取出两条碱交代蚀变岩带[25]，郭帮杰等首次利用高光谱遥感与航磁航放数据融合在该区开展了铀矿控矿构造识别[26]，叶发旺等利用航空高光谱完成区内蚀变矿物的识别[12-13]，龙首山地区尚未开展航天高光谱找矿应用研究。为了深入研究和探讨GF-5航天高光谱遥感技术在地质找矿中的应用效果和潜力，本文利用甘肃龙首山地区GF-5航天高光谱和地面波谱数据，开展GF-5航天高光谱蚀变信息提取、铀矿找矿研究，构建基于GF-5航天高光谱的铀矿找矿定位模型，为区域碱交代型铀矿找矿提供矿化线索，也为国产GF-5航天高光谱遥感找矿应用提供参考。

1 研究区地质矿产特征

甘肃龙首山成矿带位于华北板块阿拉善隆起带的西南缘，南接河西走廊，北邻潮水盆地(图1a)，是早古生代早期祁连板块与华北板块碰撞造山形成的陆缘隆起带[27]，经历了多旋回地质构造演化。

1.第四系；2.新近系；3.中寒武统香山群；4.新元古界震旦系韩母山群；5.中元古界蓟县系墩子沟群；6.古元古界龙首山群塌马子沟组；7.古元古界龙首山群白家咀子组；8.加里东晚期花岗岩、花岗闪长岩；9.加里东晚期肉红色细粒、中细粒花岗岩；10.加里东晚期肉红色中粗粒斑状黑云斜长花岗岩；11.加里东晚期肉红色花岗闪长岩；12.加里东晚期肉红色中粗粒花岗岩；13.加里东晚期灰白色中粗粒斑状斜长花岗岩；14.加里东晚期灰白色中粗粒花岗岩；15.加里东晚期花岗闪长岩、斜长花岗岩；16.加里东晚期中细粒闪长岩及石英闪长岩；17.加里东晚期混染闪长岩；18.花岗岩脉；19.辉绿岩脉；20.石英岩脉；21.钠交代岩；22.硅质角砾岩；23.地质界线；24.断裂；25.热液钠交代型铀矿床；26.热液钠交代型铀矿(化)点；27.热液钠交代型铀钍混合矿(化)点；28.热液钠交代型铀异常点；29.片岩、千枚岩破碎岩型铀矿化点；30.研究区范围。图1 龙首山成矿带构造位置(a)及地质矿产图(b)Fig.1 Geotectonic location (a) and geological mineral map (b) of Longshoushan metallogenic belt

龙首山地区出露下元古界龙首山岩群，龙首山岩群白家咀子组(Pt1b)岩性主要为混合岩；龙首山岩群塌马子沟组(Pt1t)岩性主要为二云石英片岩、角闪片岩；中元古界蓟县系墩子沟群(Pt2dz)岩性主要为灰岩夹千枚岩；新元古界震旦系韩母山群(Z2hm)岩性为千枚岩夹灰岩；中寒武统香山群(2xn)岩性为变质砂岩夹板岩、灰岩；新近系(N1)岩性为砖红色砂岩、砂砾岩(图1b)。

龙首山地区侵入岩分布广，主要有古元古代石英闪长岩、白岗岩，新元古代镁铁-超镁铁岩，加里东期闪长岩、似斑状花岗岩、中粗粒花岗岩、碱性岩、钠长岩脉及少量基性岩脉(图1b)。

龙首山地区断裂构造发育(图1b)，受区域上祁连—龙首山构造带作用的影响，断裂构造主要呈NW、NE、近SN及近EW向分布，其中以NW向最为发育，近EW向次之，近SN向活动最晚[21]，早期NW向断裂控制区内岩浆侵入活动。

龙首山地区是我国重要的铀矿及多金属矿产聚集区，目前在龙首山成矿带发现4种不同类型的5个铀矿床，40多个矿点、矿化点和2 000多个放射性异常点，为一条以钠交代型和伟晶状白(花)岗岩型铀矿化为特色的铀成矿带[21-23]，区内钠交代型铀矿围岩蚀变以钠长石化为主，伴有碳酸盐化、绢云母化、绿泥石化、赤铁矿化等[23]。

2 高光谱数据

2.1 GF-5航天高光谱数据

2.1.1 数据源

本次试验研究共选用12景GF-5航天高光谱数据，数据时相为2019年11月，高光谱数据获取相机为AHSI(Advanced Hyperspectral Imager)高光谱相机，具备可见光、近红外和短波红外330个波段(表1)，其中可见光及近红外波段有150个，平均采样间隔为5 nm，短波红外波段有180个，平均采样间隔为10 nm，波段范围为0.4～2.5 μm，空间分辨率为30 m，幅宽为60 km[16]。

表1 AHSI高光谱相机基本物理参数

2.1.2 数据预处理

GF-5航天高光谱数据的预处理包括波段合成及修复、辐射定标和大气校正，波段合成是将可见光及近红外波段和短波热红外波段进行合成，生成包含330个波段的源文件。针对生成的330个波段源文件进行波段修复，采取的方法有：波段剔除，即剔除受水汽影响的波段、NIR波段与SWIR波段重叠波段、信噪比较低波段，最后保留280个波段文件；坏线修复，通过计算坏线相邻像元均值对进行纵向列的替代修复(图2a、b)；去除条带，通过采用“局部平均去条带法”去除传感器给影像数据造成的条纹噪声干扰(图2c、d)。大气校正选用了FLAASH大气校正模型完成GF-5高光谱数据的反射率获取。

a. 坏线修复前；b. 坏线修复后；c. 条纹修复前；d. 条纹修复后。图2 GF-5高光谱数据波段修复效果图Fig.2 Effect of GF-5 hyperspectral data band restoration

2.2 地面波谱数据

2.2.1 数据源

地面波谱数据为岩矿标本的实测数据，测量仪器为FieldSpec Pro FR 地面光谱测量仪(表2)，数据在350～1 000 nm谱段的波谱分辨率为3 nm，1 000～2 500 nm谱段的波谱分辨率为10 nm；标准噪声水平在10～8以下。

地面波谱测试采取室内和野外结合的方法，野外测试采用手臂-探头-测试地物相垂直测试方式，探头离地面1.2 m，视场角5°，视场范围0.96 m2；室内波谱测试光源、探测器与测试样距离40 cm，光源天顶角小于45°，探测器天顶角0°。

2.2.2 数据处理

地面波谱数据采用Pro Version5.6 软件[28-30]进行处理。岩矿标本波谱曲线为20条曲线的均值，岩矿波谱特征采用包络线消除归一化处理方式，提取波谱吸收峰特征参数。

3 高光谱数据蚀变信息提取

根据研究区区域地质矿产资料，该区蚀变类型有赤铁矿化(褐铁矿化)、硅化、碳酸盐化、绿泥石化、钠长石化等。这些蚀变的标志矿物大多都是含有铁染、羟基或碳酸根的矿物，在GF-5遥感数据的波长范围上具有诊断性波谱特征，为开展高光谱蚀变矿物信息的提取提供了理论依据。

图3为本次GF-5高光谱数据蚀变信息提取采用的技术流程，包括标准参考光谱库选择、诊断光谱特征研究、光谱降维、端元提取、光谱匹配和矿物信息提取结果精度质量验证等步骤。

3.1 标准参考光谱库和诊断光谱

本文采用了USGS结合NASA波谱库作为标准参考光谱库。通过对常见蚀变矿物信息特征的识别和区分，分别获得区内6种蚀变矿物的诊断光谱特征位置(表3，图4)。

3.2 端元提取和光谱匹配

本文采用最小噪声分离变化(MNF)法对GF-5数据进行去噪和降维处理，采用了像元纯度指数(Pixel Purity Index)进行纯净端元的提取和识别。基于MNF变换与PPI纯净端元提取成果，运用N维可视化工具，绘制各端元的波谱曲线，完成端元提取。运用光谱角技术(SAM)进行蚀变矿物的光谱匹配，其原理是通过计算两个光谱之间的夹角来测量相似度，角度值越小表示像素与参考光谱之间的相似度越高[31]，获得研究区内蚀变矿物分布图(图5)。

表2 FieldSpec Pro FR波谱仪主要技术参数

图3 航天高光谱遥感蚀变矿物信息提取方法研究流程Fig.3 Flow chart of extraction method of altered mineral information from space hyperspectral remote sensing

表3 研究区蚀变矿物信息诊断光谱特征位置

图4 研究区蚀变矿物光谱曲线Fig.4 Spectral curves of altered minerals in the study area

3.3 端元识别结果验证

在研究区选取20处野外验证点(图5)进行端元识别准确度的验证，对实地采集的标本进行波谱曲线测量，对比同一地点的实测波谱曲线、标准光谱曲线、GF-5数据光谱曲线(图6)，计算光谱之间的相关系数，判断光谱匹配的准确度，采用的公式如下：

(1)

图5 研究区诊断性光谱吸收谱带匹配蚀变矿物信息提取成果图Fig.5 Diagnostic spectral absorption band matching altered mineral information extraction results in the study area

在实际验证中，当R>0.6时，证明两种光谱曲线的相关度高，可判别为同一蚀变矿物。统计选取的20处野外验证点，地面波谱、GF-5光谱和标准波谱曲线三者的相关性R>0.6的占比达85%。

a. 钠长石化端元识别结果验证；b. 赤铁矿化端元识别结果验证。图6 研究区蚀变光谱曲线验证对比图Fig.6 Comparison diagram of alteration spectral curve verification in the study area

4 蚀变信息分布特征

图7为龙首山地区高光谱蚀变矿物分布图。从图7中可以看出，龙首山地区蚀变异常呈3种形式展布：①由区域地层、岩体引起的面状异常，主要蚀变类型有硅化、方解石化等；②受区域断裂、脉状岩体或岩体接触带控制的线状异常，主要蚀变类型有赤铁矿化、钠长石化、绿泥石化，蚀变矿物组合好，叠加程度高，已知矿化蚀变带多分布于此类蚀变异常；③团块状、块状异常，与区域构造展布特征一致，蚀变矿物组合发育。

4.1 成矿地质体蚀变信息分布特征

4.1.1 重要控(成)矿地层

新元古界震旦系韩母山群(Z2hm)地层内多发育赤铁矿化，局部发育方解石化，蚀变多呈面状、团块状分布，蚀变规模一般(图7)。

1.第四系；2.新近系；3.中寒武统香山群；4.新元古界震旦系韩母山群；5.中元古界蓟县系墩子沟群；6.古元古界龙首山群塌马子沟组；7.古元古界龙首山群白家咀子组；8.加里东晚期花岗岩、花岗闪长岩；9.加里东晚期肉红色细粒、中细粒花岗岩；10.加里东晚期肉红色中粗粒斑状黑云斜长花岗岩；11.加里东晚期肉红色花岗闪长岩；12.加里东晚期肉红色中粗粒花岗岩；13.加里东晚期灰白色中粗粒斑状斜长花岗岩；14.加里东晚期灰白色中粗粒花岗岩；15.加里东晚期花岗闪长岩、斜长花岗岩；16.加里东晚期中细粒闪长岩及石英闪长岩；17.加里东晚期混染闪长岩；18.花岗岩脉；19.辉绿岩脉；20.石英岩脉；21.钠交代岩；22.硅质角砾岩；23.地质界线；24.断裂；25.硅化；26.方解石化；27.绿泥石化；28.赤铁矿化；29.钠长石化；30.高岭土化。图7 龙首山地区GF-5航天高光谱蚀变矿物分布图Fig.7 Distribution of GF-5 satellite hyperspectral altered minerals in Longshoushan area

4.1.2 重要控矿岩体

加里东期中细粒闪长岩及石英闪长岩内发育赤铁矿化、钠长石化，少量发育绿泥石化、硅化，多呈浸染状、条带状、团块状、星散状分布(图7)。加里东期肉红色中粗粒斑状黑云斜长花岗岩内发育赤铁矿化、钠长石化，少量发育绿泥石化、硅化，呈星散状分布(图7)。岩脉多发育高岭土化、绿泥石化等蚀变，局部发育赤铁矿化、硅化，蚀变多呈条带状、浸染状分布(图7)。

4.2 蚀变信息空间分布特征

基于GF-5航天高光谱提取的部分蚀变矿物与成矿关系密切，对开展蚀变带筛选、分析蚀变矿物组合和蚀变异常、追索热液蚀变中心和圈定找矿靶区有重要意义[23-25]。

5 找矿应用

5.1 找矿定位模型构建思路

根据龙首山地区航天高光谱蚀变异常信息，结合地质背景构建找矿定位模型，选择典型矿床，剖析近矿和外围蚀变矿物信息，结合成矿地质环境和成(控)矿要素，构建典型矿床的找矿定位模型。模型构建的方法包括：典型矿床的选择、所处围岩条件分析、矿床尺度高光谱蚀变矿物精细识别、蚀变异常与成矿地质背景综合分析、定位模型建立和找矿预测等(图8)。

图8 典型矿床找矿定位模型的构建思路Fig.8 Construction of prospecting positioning models

5.2 典型矿床综合异常信息特征

5.2.1 地质特征

龙首山地区典型矿床为芨岭铀矿床，区内断裂十分发育，以NW向马路沟断裂的次级平行断裂以及近SN向断裂为主，矿体位于二者交汇部位，赋矿岩体为钠交代岩(主要为蚀变似斑状花岗岩、蚀变闪长岩和钠长岩脉)，芨岭铀矿床的整体产状向北西侧伏，侧伏角为30°。矿区内赤铁矿化、钠长石化、碳酸盐化、绿泥石化、高岭石化等蚀变发育，芨岭铀矿床具有“钠长石化-绿泥石化-赤铁矿化-碳酸盐化”四位一体的典型蚀变矿物组合[17](图9a)。

a.矿床地质图；b.地面蚀变矿物分带图；c.矿物遥感影像和蚀变矿物综合信息图；d.矿床地质和蚀变矿物综合信息图。1.第四系；2.古元古界龙首山群塌马子沟组；3.加里东晚期肉红色中粗粒斑状黑云斜长花岗岩；4.加里东晚期肉红色中粗粒花岗岩；5.加里东晚期中细粒闪长岩及石英闪长岩；6.钠交代岩；7.断裂；8.地质界线；9.硅化；10.方解石化；11.绿泥石化；12.赤铁矿化；13.钠长石化；14.高岭土化；15.矿体；16.矿化体；17.近矿围岩；18.外围近矿围岩；19.外围正常围岩。图9 龙首山地区典型铀矿床地质图、蚀变剖面图、航空蚀变分布及综合信息图Fig.9 Geological map, alteration profile, distribution and comprehensive information map of typical uranium deposits in Longshoushan area

5.2.2 矿体特征

芨岭铀矿床铀矿体主要产于区域性断裂马路沟断裂和与之呈锐角相交或近于平行的次级断裂带中，成群出现，产状基本和断裂一致，矿体呈透镜状、似透镜状、扁豆状和不规则状，矿石具碎裂、碎斑和破碎角砾状结构，脉状、网脉状、浸染状或不规则团块状构造，矿床类型为钠交代型铀矿床。

5.2.3 地面蚀变分布特征

矿体内的蚀变类型主要为赤铁矿化、绿泥石化、钠长石化、硅化；矿化体的蚀变类型为赤铁矿化、硅化；近矿围岩蚀变类型为赤铁矿化、硅化、方解石化；外围近矿围岩的蚀变类型为高岭土化、方解石化；外围正常围岩的蚀变类型为方解石化、高岭土化。赤铁矿化主要分布在铀矿体、矿化体、近矿围岩和断裂发育地段，绿泥石化主要分布于铀矿体附近地段，钠长石化主要分布在铀矿体和断裂发育的近矿围岩地段，硅化主要分布于矿化体、近矿围岩和断裂发育地段，方解石化主要分布于近矿围岩、外围近矿围岩和外围正常围岩地段，高岭土化主要分布于外围近矿围岩和外围正常围岩地段(图9b)。

表4 龙首山地区钠交代型铀矿床找矿定位模型一览表

1.第四系；2.新近系；3.中寒武统香山群；4.新元古界震旦系韩母山群；5.中元古界蓟县系墩子沟群；6.古元古界龙首山群塌马子沟组；7.古元古界龙首山群白家咀子组；8.加里东晚期花岗岩、花岗闪长岩；9.加里东晚期肉红色细粒、中细粒花岗岩；10.加里东晚期肉红色中粗粒斑状黑云斜长花岗岩；11.加里东晚期肉红色花岗闪长岩；12.加里东晚期肉红色中粗粒花岗岩；13.加里东晚期灰白色中粗粒斑状斜长花岗岩；14.加里东晚期灰白色中粗粒花岗岩；15.加里东晚期花岗闪长岩、斜长花岗岩；16.加里东晚期中细粒闪长岩及石英闪长岩；17.加里东晚期混染闪长岩；18.花岗岩脉；19.辉绿岩脉；20.石英岩脉；21.钠交代岩；22.硅质角砾岩；23.地质界线；24.断裂；25.硅化；26.方解石化；27.绿泥石化；28.赤铁矿化；29.钠长石化；30.高岭土化；31.找矿预测区；32.找矿预测区编号。图10 龙首山地区找矿预测区分布图Fig.10 Distribution of mineral prospecting prediction area in Longshoushan area

5.2.4 航天高光谱蚀变特征

矿区的航天高光谱蚀变矿物组合为赤铁矿化+绿泥石化+钠长石化+硅化+方解石化+高岭土化。矿区外围蚀变矿物组合为硅化+方解石化+高岭土化，主要呈团块状、星散状分布(图9c、d)；矿区近矿蚀变组合为赤铁矿化+绿泥石化+钠长石化，主要呈条带状、斑块状，NW向展布(图9c、d)。

5.3 区域铀矿找矿模型构建

根据龙首山地区航天高光谱蚀变矿物信息特征，结合矿床产出地质背景和区域成矿地质条件及成矿规律，从地质背景、蚀变特征、高光谱蚀变信息特征等方面构建龙首山地区矿床模型。区内钠交代型铀矿床的航天高光谱找矿定位模型为：“标志性蚀变矿物组合(赤铁矿化+绿泥石化+钠长石化)”+赋(控)矿层位(龙首山群塌马子沟组、钠交代岩)+构造(NW向马路沟断裂及其两侧次级断裂交汇部位)，找矿标志主要特征见表4。

5.4 找矿预测及野外查证

依据前文构建的找矿定位模型，利用航天高光谱蚀变矿物分布与区域地质背景圈定3处找矿预测区(图10)。

经过对YC1找矿预测区进行野外查证，发现多处铀矿化线索，矿化赋存于钠长石化花岗岩，采集样品的U、Th、K测试分析结果显示，U含量达105×10-6，蚀变矿化带特征明显，发育赤铁矿化带、钠长石化带和高岭土化带，赤铁矿化带宽1～4 m，长15 m左右，呈NW向展布(图11)。

经过对YC2和YC3找矿预测区进行野外查证，发现多处铀矿化线索，矿化蚀变特征明显，YC2和YC3样品分析结果中U含量最高分别达102×10-6和88.76×10-6，铀矿化均赋存于蚀变花岗岩中，岩石较破碎，构造现象明显。

6 结 论

(1)针对GF-5航天高光谱数据开展高光谱数据蚀变信息提取研究，完成龙首山地区钠长石、方解石、石英、绿泥石、赤铁矿和高岭土蚀变矿物的提取工作，实现了GF-5高光谱数据在蚀变信息提取中的应用。

(2)针对提取的蚀变矿物开展空间定位和准确性验证，采用了地面波谱测试加野外查证的方式，发现基于GF-5航天高光谱的蚀变异常与地质信息一致性好，地面波谱曲线、GF-5光谱曲线和标准波谱曲线吻合度高，提取结果可靠性好。

(3)在综合研究典型铀矿床成矿地质背景的基础上，构建典型矿床找矿定位模型，圈定找矿预测区3处，找矿效果显著，为龙首山地区铀矿找矿提供了方向，也为铀矿及多金属矿产勘查提供了航天高光谱找矿新思路。