基于短波红外技术的西藏珠勒地区蚀变矿物填图

余 杰,刘 学,王 琳,王洪飞,司永强

(成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610059)

珠勒矿区地处西藏阿里地区革吉县,大地构造位置处于青藏高原冈底斯-腾冲陆块与喜马拉雅陆块的衔接部位,属于冈底斯成矿带的西段。目前,带内已发现斑岩型、矽卡岩型、浅成低温热液型等多种矿床[1-3],开展了水系沉积物地球化学、流体包裹体同位素[4-6]、重磁[7,8]等一系列工作,对带内不同类型矿床的成矿物质来源、成矿流体和成矿年龄进行了研究。珠勒矿区受复杂地貌条件限制,传统地质工作存在一定滞后性,遥感技术为该区域的地质勘查工作带来了新的契机。胡文泰[9]发现珠勒矿区存在明显的羟基、铁染和碳酸盐蚀变;但基于卫星遥感蚀变填图的精度如何?地面实际矿物光谱特征及矿物类型是否与航天遥感解译信息一致?这些问题不得而知。作者基于实地地质勘查工作,以星-地一体化高光谱遥感技术为手段,开展珠勒矿区的光谱勘查,以期解决区内精细化蚀变填图的问题,确定找矿靶区。

Hunt[10]对不同岩石在可见光-近红外谱段的光谱特征进行了研究,发现光谱特征变化由矿物中离子的电子跃迁、基团振动、电荷振动等引起。络阴离子由于弯曲振动,导致阴离子在2000～2500 nm存在诊断特征;阳离子,如Fe2+、Fe3+、Mn2+等,由于发生电子跃迁,在400～1200 nm产生诊断性吸收特征[11]。短波红外光谱(SWIR,1300～2500 nm)具有成本低、识别速度快等优点,对火山、热液成矿系统中的中低温矿物具有特殊的敏感性,针对斑岩成矿系统矿床的研究已呈现出显著的优势[12-16]。针对高硫化浅成低温热液矿床的研究,Zhou et al.[17]总结了明矾石的光谱变化规律,唐敏慧等[18]、郭娜等[19]确定了西藏铁格隆南矿床的高硫化矿体蚀变分带特征。

综上所述,作者基于前人研究成果,以GF-5号蚀变填图为基础,结合Landsat8 OLI多光谱提取的羟基、铁染蚀变信息结果,在充分野外调研和地面光谱测量后,精准验证GF-5蚀变填图结果,开展地面精细化蚀变填图,完成矿区找矿潜力分析。

1 研究区地质背景

珠勒位于西藏阿里地区革吉县东南约60 km处,属革吉镇管辖。研究区属特提斯造山系的东部与阿尔卑斯-喜马拉雅巨型构造带东段,冈底斯-腾冲陆块与喜马拉雅陆块的衔接部位,紧邻雅鲁藏布江结合带西段。

研究区出露地层较为简单,主要分布地层新近系、古近系、白垩系,其次为第四系(见图1)。第四系(Qhpal)岩性主要为冲洪积砂、沙砾石、粉砂质粘土、砾石砂层、粉砂、粉土层;新近系喜山阶(zxηγπN1)主要为浅肉红色 二长花岗斑岩;上白垩系燕山阶存在两种岩性,浅灰色中粒二长花岗岩、灰色-浅灰色中粒-中细粒花岗闪长岩;新近系中新统有布噶寺组(N1b),岩性为粗面岩-玄武岩,嘎扎村组一段(N1g1)岩性为粗安质晶屑熔结凝灰岩、粗安岩,二段(N1g2)岩性为粗安质角砾凝灰岩、安山岩;古近系始新统林子宗群有帕那组(E2p)、典中组(E1-2d),帕那组岩性主要为火山角砾岩、集块岩,典中组岩性主要为安山岩;上白垩统的江巴组(K2jb)岩性主要为流纹岩-流纹质凝灰岩,上则弄群(K1Z)主要为安山岩、玄武岩。典中组与上覆帕那组呈整合接触,与上覆布寺嘎组呈角度不整合,布噶寺组呈角度不整合覆盖于典中组之上。

1-第四系;2-上白垩统竞柱山组;3-新近系二长花岗斑岩;4-上白垩统二长花岗岩;5-上白垩统花岗闪长岩;6-新近系中新统粗面岩-玄武岩;7-新近系中新统粗安质角砾凝灰岩、安山岩;8-古近系始新统火山角砾-集块岩;9-古近系始新统安山岩;10-上白垩统流纹岩-流纹质凝灰岩;11-下白垩统安山岩-玄武岩;12-性质不明断层;13-推测断层;14-整合地质界线;15-不整合地质界线;16-地名图1 西藏珠勒地区地质简图

2 数据来源及预处理

2.1 数据来源

本文使用Landsat8 OLI多光谱数据以及GF-5号AHSI高光谱数据。OLI数据为L1级数据,产品号:LC81440382015269LGN01;GF-5号数据为L1级产品,产品号为GF5_AHSI_E81.40_N31.81_20190613_005833_L10000047709。两种数据含云量均小于5%,满足蚀变弱信息的提取。

a-Al-OH类蚀变矿物的USGS标准光谱曲线;b-Mg-OH类蚀变矿物的USGS标准光谱曲线;c-铁染类蚀变矿物的USGS标准光谱曲线;d-基于OLI重采样的Al-OH蚀变矿物光谱曲线;e-基于OLI重采样的Mg-OH蚀变矿物光谱曲线;f-基于OLI重采样的铁染类蚀变矿物光谱曲线图2 典型蚀变矿物USGS波谱库光谱曲线及基于OLI重采样光谱曲线

Landsat8卫星的陆地成像仪(Operational Land Imager, OLI)传感器的多光谱影像,影像波段参数见表1。OLI多光谱影像共11个波段,其中,可将光-近红外-短波红外范围的波段为band1～band7,光谱分辨率为30 m,常用于提取铁染类、羟基类蚀变矿物[20],全波段(pan)具有较高的空间分辨率,空间分辨率为15 m,热红外波段(TIR)为band10～band11,空间分辨率较低,为100 m。本次主要利用可见光到短波红外光谱范围的波段进行铁染、羟基等蚀变异常的提取,影像数据。

GF-5号可见短波红外高光谱相机(the Advanced Hyperspectral Imager, AHSI)数据是兼顾宽幅宽、宽谱段的高光谱遥感影像,能较好地应用于蚀变填图[21,22]。该数据包含近红外(VNIR)波段和短波红外(SWIR)两个光谱范围的波段,光谱范围为400～2500 nm,空间分辨率皆为30 m,幅宽达60 km。光谱分辨率方面,短波红外的光谱分辨率略低于近红外波段,其中,近红外波段的光谱分辨率为5 nm,短波红外的光谱分辨率为10 nm。本次使用的数据为短波红外光谱范围的波段,数据光谱分布范围为1004～2513 nm,共180个波段。

2.2 预处理

2.2.1 Landsat8 OLI多光谱预处理

本次工作区所使用的Landsat8 OLI数据采用了辐射校正、FLAASH大气校正、归一化、图像裁剪等预处理。FLAASH大气校正可一定程度上减少大气对于影像数据带来的影响,但该模型校正后得到的影像像元值为反射率的10 000倍,因此后续进行了归一化处理得到0～1.0范围的反射率值,为后续蚀变信息的提取打下基础。

2.2.2 GF-5 AHSI高光谱预处理

GF-5 AHSI的L1级的SWIR波段的数据进行辐射定标、波段剔除、FLAASH大气校正、正射校正、图像裁剪等预处理(见图2)。高光谱数据预处理主要在ENVI5.3软件上完成。

辐射定标是利用GF-5 AHSI数据的增益(Gain)和偏移值(Offset),将图像的灰度值转换为绝对辐射率值。波段剔除主要剔除水汽吸收波段和低信噪比波段,以此降低数据处理量,并减少噪音等无效信息对有用信息的干扰。GF-5 AHSI高光谱数据的SWIR光谱范围波段受水汽吸收影响严重,且信噪比低波段对蚀变信息的提取作用不大,以上两种波段将被去除。本次提取的蚀变矿物(明矾石、高岭石)主要吸收特征表现在SWIR的1300～2500 nm波谱范围内,去除波段如表2所示,包含受水汽吸收影响的波段 SWIR43～50以及SWIR96～112,共25个波段,分别对应光谱范围1359～1418 nm、1805～1940 nm;低信噪比波段主要有17个波段,对应波谱范围为135～1443 nm、1948～1956 nm、1999～2015 nm、2445～2513 nm,分布不集中。

表2 珠勒地区GF-5号短波红外波段去除

3 蚀变信息提取

3.1 多光谱羟基、铁染蚀变信息提取

主成分分析法(Crosta方法)提取羟基、铁染等蚀变信息已经较为成熟[23]。研究区影像中包含了第四系、水体、雪等干扰因素,常规处理方法为“掩膜+主成分分析”,但当掩膜面积较大时,蚀变信息也可能被误除,而二次主成分分析可以有效降低干扰信息影响,增强蚀变弱信息[24]。因此,本文对研究区采用二次主成分分析法——使用Crosta方法、波段比值法提取铁染、羟基蚀变信息的基础上进行主成分分析。

代表性铁染蚀变矿物有褐铁矿、黄钾铁矾;羟基类代表性蚀变矿物有Al-OH类的白云母、伊利石、高岭石、明矾石、蒙脱石以及Mg-OH类的绿泥石、绿帘石等等[25]。利用UGSG波谱库中上述几种典型蚀变矿物的光谱曲线,基于OLI进行波谱重采样,结果如图2所示。

从图2a可以看出,Al-OH的吸收特征位于2.10 μm附近,Mg-OH则表现为2.3 μm附近(图2b),铁染(主要为Fe3+)则表现为0.4 μm和0.9 μm附近(图2c)。

从图2d、e可以看出,羟基类矿物在0.43～0.45 μm(OLI1)、2.11～2.29 μm(OLI7)具有吸收特征,在0.53～0.59 μm(OLI3)、1.57～1.65 μm(OLI6)具有反射特征,且OLI7为强吸收;OLI6为强反射;而在图 2f中,铁染在0.85～0.88 μm(OLI5)与2.11～2.29 μm(OLI7)具有强吸收特征,在0.64～0.67 μm(OLI4)与1.57～1.65 μm(OLI6)具有反射特征,且OLI6相对于OLI5表现为强反射。由此可见,羟基和铁染都在OLI6表现为强反射,在OLI7都表现为强吸收,存在信息重叠。因此,使用PCA(OLI1、OLI3、OLI6、OLI7)提取羟基时混合有铁染信息;使用PCA(OLI4、OLI5、OLI6、OLI7)提取铁染信息则混合有羟基信息。而使用波段比值法OLI6/OLI7(下面表示为V1)可增强羟基蚀变信息;OLI6/OLI5(下面表示为V2)可增强铁染蚀变信息。

根据上述蚀变信息的反射吸收特征,结合表3特征值可知,羟基蚀变信息应该在OLI1与OLI7同号、OLI3和OLI6同号,且OLI6和OLI7异号的主分量中,即PC3(下面表示为V4),且表现为负异常高特征值。同理,铁染蚀变信息则应该在OLI4与OLI6同号、OLI5与OLI7同号,且OLI6与OLI7异号的主分量中,即PC4(下面表示为V3),亦表现为负异常高特征值(见表4)。而波段比值法得到的羟基 、铁染蚀变皆表现为正异常且高特征值。因此,进行二次主成分分析PCA(OLI6/OLI7,OLI6/OLI5,PC4(OLI1,OLI3,OLI6,OLI7),PC3(OLI4,OLI5,OLI6,OLI7))。得到特征向量矩阵如表5所示,PC3与V1和V2呈负相关,与V3和V4呈正相关。因此,PC3主要包含铁染蚀变和羟基蚀变的组合信息。选则二次主成分分析得到的PC3同波段比值法、一次主成分分析得到的主分量进行RGB(PC3,V1,V3)假彩色合成,红色表示“铁染+羟基”混合蚀变信息,在此基础上,圈定了蚀变靶区(见图3)

表3 主成分特征向量矩阵 PCA(OLI1、OLI3、OLI6、OLI7)

表4 主成分特征向量矩阵 PCA(OLI4、OLI5、OLI6、OLI7)

表5 二次主成分分析特征向量矩阵

图3 RGB(PC3,V1,V3)假彩色合成图

3.2 高光谱蚀变矿物填图

使用最小噪音变换MNF、纯净像元指数PPI、N维可视化、光谱分析等提取端元光谱,再使用光谱角填图法SAM进行明矾石和高岭石的蚀变填图(见图4)。波段剔除主要剔除水汽吸收波段和低信噪比波段,以此降低数据处理量,并减少噪音等无效信息对有用信息的干扰。光谱分析使用的波谱库为实测光谱,结合SAM填图法[26],可以使填图结果更准确。

图4 GF-5 AHSI L1级SWIR数据处理流程图

对珠勒地区使用GF-5号AHSI进行明矾石和高岭石的蚀变填图结果如图5a。可见,明矾石化主要分布在研究区西南部,高岭石主要沿NW-SE向分布,北部较为聚集,南部零星分布。对比多光谱提取的“羟基+铁染”蚀变靶区,填图结果较为吻合。

a-GF-5号AHSI高光谱蚀变矿物填图;b-蚀变矿物遥感地质综合图16-明矾石;17-高岭石;18-“羟基+铁染”混合蚀变靶区。其他符号含义同图1图5 珠勒地区明矾石、高岭石蚀变矿物分布

结合以上蚀变填图和地层岩性、构造分析:明矾石主要分布在新近系中新统,噶扎村组(N1g)分布较为集中,而在古近系始新统典中组(E1-2d)零星分布;岩性方面,明矾石主要分布在安山岩中;构造方面,明矾石化蚀变主要沿垂直于NEE向断裂分布,并在断层交界附近集中分布。高岭石分布地层较广,主要集中分布在典中组(E1-2d)和布噶寺组(N1b),零星分布在帕那组(E2p)、则弄群(K1Z);岩性方面主要分布于安山岩、粗面岩、玄武岩等中基性火山岩中,构造方面,在F1断层和次断层的交界处分布集中,并垂直于F1断层的走向,呈线状分布(图5b)。

4 野外验证

4.1 短波红外光谱测试

本次采集并测试岩石样品61件,测量仪器为美国ASD FeildSpec便携式光谱扫描仪。通过光谱地质解译专家(The Spectral Geologist, TSG)进行数据处理与解译,测得研究区蚀变矿物主要有明矾石、铁白云石、黑云母、方解石、绿泥石、水铝石、白云石、绿帘石、角闪石、黄钾铁矾、蒙脱石、绢云母(白云母、钠云母、多硅白云母)、伊利石、菱铁矿、电气石、黝帘石等。

野外采集得到的岩石矿物光谱通常是多种岩石矿物的综合结果,为得到较为纯净的单一矿物光谱,需进行光谱解混。通常情况下,大尺度的光谱混合通常被认为是一种线性组合,小尺度的则被认为是非线性组合[27]。对于岩矿信息提取这一类大尺度的光谱混合,本次采用线性光谱解混的方式对野外采集的实测光谱进行光谱解混。最小二乘法是线性光谱解混中一种常用的方法,精度较高[28],采用此方法进行光谱解混,得到图6两种蚀变矿物的光谱曲线。解混得到的光谱曲线与USGS岩石矿物光谱库中的光谱曲线波形吻合,从光谱角度证明了蚀变矿物识别结果可靠。

图6 珠勒地区地表岩石样品中钾明矾石(a)和高岭石(b)光谱曲线

明矾石是一种在pH极低、中低温环境下生成的蚀变矿物[29]。明矾石的化学成分主要为KAl3(SO4)2(OH)6,因其含有的Al-OH基团,而在2100 nm附近存在诊断性光谱特征[11],而由于K被Na和不同程度替代时,吸收特征波长位置发生飘移[30]。本次研究区所采集的岩石样品中,含有明矾石的样品一共有5件,吸收特征波长在2209 nm附近(图6a),由此可见,珠勒地区的明矾石类型主要为钾明矾石。

高岭石也是在酸性低温环境中生成的,与明矾石常一起出现的蚀变矿物。高岭石由于存在Al-OH,在2205 nm出现强吸收(图6b),这与明矾石区分易发生混淆。但其在2315 nm、2355 nm、2385 nm三处出现连续吸收特征,可区别于明矾石。

4.2 野外路线调查

根据路线地质调查,研究区古近系典中组火山岩分布区为蚀变中心,其地表发育强烈的硅化、绢云母化、泥化、钾化、绿泥石化、黄铁绢英岩化、褐铁矿化。蚀变可分为上下两部分,上部主要为红褐色强硅化褐铁矿化蚀变岩,局部赤铁矿化,新鲜面内多孔洞,泥化类型以明矾石为主,另发育叶腊石、高岭石、石膏等;下部为灰白色、淡黄褐色硅化泥化蚀变岩,风化面多孔洞,新鲜面长石泥化、绢云母化,局部发育黄钾铁矾。围岩蚀变具有明显的分带现象,从中心向外表现为强硅化、明矾石化、绢云母化、泥化、绿泥石化。

4.3 岩相学镜下鉴定

将野外采集的地表岩石样品进行加工,打磨成光片、薄片,在显微镜下,根据岩相学方面的知识,在TK0708采样点找到了明矾石(见图7)。

(a)野外蚀变带分布;(b)明矾石岩石标本;(c)明矾石镜下照片(TK0705)图7 野外照片及镜下鉴定照片

5 结论

(1)短波红外技术能方便快捷地厘定蚀变矿物类型,SWIR光谱分析得出珠勒地区主要存在钾明矾石,吸收特征位于2209 nm附近。钾明矾石和高岭石伴生出现,可成为珠勒地区高硫型浅成低温热液矿床的指示标志。

(2)对比多光谱OLI提取的“羟基+铁染”混合蚀变结果,结合光谱测试分析、野外勘查、镜下鉴定等方法,认为GF-5号高光谱影像能满足蚀变矿物精细填图,为下一步的研究起到指导作用。

(3)本文基于ASD实测光谱,采用GF-5号AHSI高光谱地SWIR波段影像,提取了明矾石和高岭石的蚀变信息,结合地层、岩性、构造分析得出,明矾石在新近系嘎扎村组的安山岩中,在断层交接处附近集中分布,高岭石则在古近系典中组的安山岩和新近系布噶寺组粗面岩-玄武岩中集中分布,且都在断层的交界处。认为断层构造对此次蚀变有着很大影响。基于短波红外技术提取的蚀变集中分布之处,推测该处具有较大的成矿潜力。