基于ZY-3和Landsat-8影像的内蒙古北山地区地层-构造解译

侯德华,张欢,潘志龙,张金龙,张立国,王硕

(河北省区域地质调查院(河北省地学旅游研究中心),河北 廊坊 065000)

0 引言

遥感技术涉及空间、电子、光学、计算机通信和地球科学等诸多学科,凭借其宏观、准确、动态、综合、丰富等优势,成为区域地质调查中不可或缺的技术手段[1]。岩性填图、蚀变矿物信息提取、岩性-构造解译等系列成果为地质勘查、环境修复等提供了重要的技术支撑[2-4]。2013年以前,大比例尺地质调查所使用的卫星遥感数据主要依赖国外;2013年至今随着国产卫星的崛起以及各省、市级遥感卫星数据应用中心的成立,国产遥感数据逐步取代同等分辨率的国外数据,在自然资源监管和地质调查中发挥重大作用[5-9]。

资源一号02C(ZY-1-02C)、高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)、资源三号(ZY-3)等数据,均适用于开展1∶5万区域地质调查工作。GF-2作为国内首颗亚米级光学遥感卫星,在内部细节刻画等方面具有天然优势;GF-1和ZY-3卫星数据对内部细节的刻画不如GF-2,但能够清晰反映大型地质要素整体轮廓,在基础地质调查中更具优势[10]。但是,仅依靠GF-1和ZY-3单一数据,存在波段较少的问题,在分辨可见光-近红外区间具有相似光谱和纹理特征的不同岩性仍存在较大困难;Landsat-8等更高光谱分辨率数据的加入,便能有效弥补该缺陷[11-12]。随着遥感数据源的增多,利用数据协同技术,充分发挥多源遥感数据优势,是遥感技术在地学领域应用的新课题[13]。

本次以内蒙古北山基东地区为研究区,利用ZY-3和Landsat-8遥感数据,以数据协同理论为基础,有效发挥ZY-3数据空间分辨率对细节的刻画优势和Landsat-8在可见光-近红外区域高光谱分辨率优势,开展研究区岩性-构造解译,力图建立该地区地质体和构造遥感解译标志,以期对地质填图提供帮助。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古高原西北部,行政区划主体隶属内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗管辖。地理坐标范围:E97°45′—98°00＇,N41°20′—42°00＇。该区属低山丘陵和戈壁荒漠区,地表风蚀作用强烈;气候恶劣,同时降水极为稀少,水系不发育;交通不便,人烟稀少,基础地质工作程度偏低。

研究区地处北山造山带东段中部,红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带和明水—石板井—小黄山构造带分别在测区南部和北部通过(图1)。自北向南分为旱山地块、公婆泉岩浆弧带、红山头早古生被动陆缘、咸水沟晚古生代陆内裂谷4个三级构造单元。地层较为发育,从太古界到新生界均有涉及。岩浆活动强烈,共发育加里东期、华力西期、燕山期3个侵入期次,38个填图单位。

图1 研究区大地构造位置图(据文献[14]改编)Fig.1 Tectonic location of the study area1.基性—超基性岩或蛇绿岩带;2.研究区;3.推测断裂;4.断裂;5.结晶基底;6.研究区大地构造位置;7.高压变质带:8.板块缝合线Ⅰ.红石山—百合山—蓬勃山构造带;Ⅱ.芨芨台子—石板井—小黄山构造带;Ⅲ.红柳河—牛圈子—洗肠井蛇绿混杂岩带;Ⅳ.辉铜山—帐房山构造带

研究区出露地层由老到新依次有新太古-古元古界敦煌岩群(Ar3-Pt1D)、古元古界北山岩群(Pt1B)、长城系古硐井群(ChG)、蓟县-青白口系圆藻山群(Jx-QbY)、寒武系-奥陶系西双鹰组(∈2-O3x)、下奥陶统罗雅楚山组(O1l)、中奥陶统横峦山组(O2h),上奥陶统-下志留统公婆泉组(O3-S1g),下石炭统红柳园组(C1hl)、上石炭统芨芨台子组(C2j),侏罗系芨芨沟组(J1j)、龙凤山组(J1l),白垩系赤金堡组(K1c)以及第四系(Qalp、Qpl)。

研究区中北部岩浆活动强烈,侵入体呈巨大的复式岩基带状产出;南部岩浆活动稍弱,侵入体呈岩株状产出。加里东期侵入岩中北部发育透入性变形特征的石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩-二长花岗岩组合,南部早-中志留世发育变形特征不明显的辉长岩-二长花岗岩-正长花岗岩组合;华力西期侵入岩包括辉长岩-石英闪长岩-英云闪长岩-花岗闪长岩等;燕山期仅发育斑状二长花岗岩。

2 遥感数据源及预处理

2.1 数据源

本次研究以ZY-3多光谱及全色波段影像为主要数据源,Landsat-8 OLI多光谱及全色波段影像为辅助数据,开展研究区岩性-构造解译。ZY-3卫星正视多光谱相机分辨率为5.8 m,包括4个波段,分别为蓝色波段450～520 nm,绿色波段520～590 nm,红色波段630～690 nm,近红外波段770～890 nm;正视全色相机分辨率为2.1 m,波段范围为450～800 nm。Landsat 8 OLI数据共有7个多光谱波段,包括1个海岸波段,3个可见光波段,1个近红外波段,2个短波红外波段,分辨率为30 m;1个全色波段,分辨率为15 m。

ZY-3数据获取时间为2012年9月2日和2012年9月7日,Landsat-8 OLI获取时间为2020年9月20日。研究区植被不发育,两种遥感数据的获取均在夏季,避免积雪覆盖,且无云覆盖,影像清晰,成像质量高,能够满足解译精度。

2.2 遥感数据处理

遥感数据处理在ENVI5.3平台下进行,分为影像预处理和图像增强等,遥感影像预处理包括辐射校正、正射校正、几何校正、影像镶嵌;图像增强包括图像融合、彩色合成、主成分分析(PCA)、空间滤波等。

(1)影像预处理

辐射校正包括辐射定标和大气校正,先对原始遥感数据进行辐射定标,将原始影像像元的亮度值转换为地物辐射强度,然后利用ENVI自带的FLAASH模块对辐射定标数据进行大气校正[15]。正射校正使用有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficient, RPC)模型,以RPC文件和DEM为辅助,消除地形偏差。几何校正以1∶5万地形图为基准数据,采用3次卷积内插法进行几何校正,校正精度控制在一个像元内。对完成几何校正的ZY-3影像需要进行镶嵌拼合,采用直方图匹配、亮度匹配等方法,完成无缝拼接,并尽量使所有影像的色调趋于一致。

(2)图像增强

分别将Landsat-8 OLI和ZY-3号数据多光谱和全色波段采用高保真GS(Gram-Schmidt spectral sharpening)融合,获得的影像兼具较高的空间分辨率和彩色多光谱优势,融合的ZY-3 3(R)2(G)1(B)真彩色影像和Landsat-8 OLI 7(R)5(G)2(B)图像见图2a、图2b。为充分发挥数据协同优势,将ZY-3全色波段与Landsat 8 OLI多光谱波段进行融合,相对于图2a和图2b,既具备Landsat-8 OLI多光谱丰富色彩的特点,又保证ZY-3高空间分辨率、细节突出的优势[13](图2c)。利用主成分分析,可以有效剔除不同波段之间的冗余信息,并达到突出信息、抑制噪声、图像增强的效果(图2d)。

图2 遥感影像增强处理Fig.2 Remote sensing data enhancement processing a.Landsat-8 7(R)5(G)2(B)假彩色影像;b.ZY-3 3(R)1(G)1(B)真彩色影像;c.Landsat-8 OLI和ZY-3协同数据7(R)5(G)2(B)假彩色影像;d.协同数据PCA 3(R)4(G)5(B)影像

空间滤波可以突出边缘和纹理信息,通过采用空间域中邻域的处理方法,可以增强图像的空间信息。定向滤波可以选择性地增强特定方向的边缘和线性特征,使本具有线性特征的地质体更加易于识别,是遥感地质解译中提取线性构造的常用手段[16]。本次研究中对融合数据主成分分析PC1影像进行定向滤波,考虑到研究区线性构造以NW向和NE向为主,卷积滤波器方向为NW-SE和NE-SW向,采用3×3的滤波矩阵。图3a为研究区局部PC1原始影像,图3b和图3c分别为NW-SE和NE-SW定向滤波后的影像,线性形迹明暗相间,增强效果明显。

图3 定向滤波示意图Fig.3 Schematic diagram of directional filtering a.PC1原始影像;b.NW-SE滤波后影像;c.NE-SW滤波后影像

3 遥感地质解译结果

高空间分辨率的遥感影像能够清晰反映地物的大小、形态、阴影、纹理、展布特征及与其他地物的关系等精细空间特征[17]。遥感地质解译则需根据岩石反射光谱形成的色调、形态、结构、纹理影像特征划分不同的岩石类型或岩石组合,并进一步对地层、岩体、构造等地质要素的几何形态、纹理特征及各地质体的叠置关系进行分析[9],建立各地质体的直接遥感解译标志。但由于“异物同谱、同物异谱”的存在,以及地质填图工作的复杂性,虽然间接解译标志具有一定的主观性,也往往适用于遥感地质解译工作。根据研究区线性构造和各地质体遥感解译标志,编制遥感解译图。

本次遥感地质解译使用ZY-3全色波段与Landsat-8 OLI多光谱波段融合数据,与融合数据主成分分析结果配合使用,建立多重地质单元解译标志,采用人机交互解译方法完成了研究区遥感地质解译。

3.1 地质体遥感解译标志

新太古界-古元古界敦煌岩群(Ar3-Pt1D)。系区内最古老的地层单元,为一套中深变质岩系,岩性为片麻岩、变粒岩、石英岩、大理岩等。在遥感影像上,主体色调呈紫褐色;影像结构整体较为粗糙,局部呈疙瘩状;影纹呈细小的斑点状不均匀镶嵌其中,地貌低缓,山脊浑圆,阴影较少;水系不发育,少量树枝状水系。该岩群内部遥感影像可分性差。该岩群岩石构造变形强烈,在影像上可见早期微弱的NW-SE向片麻理和明显的NNE-SSW向片麻理发育(图4a)。

图4 部分地层影像特征Fig.4 Partial stratigraphic image features a.敦煌岩群;b.北山岩群北部;c.北山岩群南部;d.圆藻山群

古元古界北山岩群(Pt1B)。岩石类型丰富,主要有石英片岩类、石英岩类、钙硅酸盐岩类及大理岩类,经多期次变质、变形改造,原生组构多遭破坏,是一套成层无序的变质地体。该岩群在北部色调丰富,表现为墨绿色夹褐色的斑杂状特征,影像表面粗糙,近东西展布条纹状影纹发育(图4b),并可见褐色影纹发生褶曲;在南部成层性良好,在影像上成灰色,影像表面粗糙,NE-SW向条纹状平直影纹发育,并可见岩层三角面,发育稀疏的树枝状水系(图4c)。

长城系古硐井群(ChG)。该群为一套浅变质的海相陆源碎屑岩,岩性为中厚层状变质砂岩夹纹层状大理岩。在遥感影像中该群棕红色色调,影纹结构粗糙,局部呈疙瘩状,山脊浑圆,阴影较少,具有微弱的定向影纹特征,发育稀疏的树枝状水系,其内可见透镜状的变质灰岩。

蓟县-青白口系圆藻山群(Jx-QbY)。为一套碳酸盐岩,岩性为灰色厚层状白云岩、灰质白云岩。该套岩石在地貌上易于识别,多呈棕黄色的高山。在遥感影像上,成黄褐色,形成截然的陡峻山峰,岩层走向与山脊方向一致,岩层面出露一侧可见带状影纹发育,北西侧阴影较多,由于覆盖等原因,影纹相对光滑(图4d)。

寒武系-奥陶系西双鹰组(∈2-O3x)。由灰绿色长石岩屑砂岩、粉砂岩、中薄层状硅质岩组成,韵律性层序发育。在遥感影像上,该组成紫褐色,发育明显的条带状影纹,地层产状较陡,山脊浑圆-半尖棱,南部可见岩层三角面发育(图5a)。

图5 部分地层影像特征Fig.5 Partial stratigraphic image features a.西双鹰组;b.罗雅楚山组和横峦山组;c.公婆泉组;d.红柳园组

下奥陶统罗雅楚山组(O1l)。为一套陆源碎屑岩夹硅质岩,岩性为砂岩、砾岩、泥岩夹硅质岩。该组在遥感影像上呈深灰色调,成层性特征不明显,条带状影纹不发育,山脊尖棱,水系稀疏(图5b)。

中奥陶统横峦山组(O2h)。为海相火山沉积,岩性为灰绿色安山质晶屑岩屑凝灰岩夹少量硅质岩。该组在遥感影像上呈紫色,东侧发育近东西向条带状影纹,地形相对平缓,山脊浑圆,水系稀疏(图5b)。

上奥陶统-下志留统公婆泉组(O3-S1g)。岩性为变粒岩、片岩夹变质玄武岩、变质砂岩及大理岩。在遥感影像上,该组呈灰色夹棕红间色调,条带状影纹发育,树枝状水系,地形起伏不大(图5c)。

下石炭统红柳园组(C1hl)。岩性为灰绿—墨绿色细碧岩、玄武岩夹少量流纹岩、岩屑长石砂岩。该组在遥感影像上呈紫色、紫褐色,表面粗糙,疙瘩状,呈团块状影纹特征,成层性不佳(图5d)。

上石炭统芨芨台子组(C2j)。宏观呈NW向展布,呈孤立的飞来峰地貌构造就位于中侏罗世龙凤山组之上,岩石以生物碎屑灰岩为主。在遥感影像上该组呈黄绿色、黄色色调,形成典型的脊状突起,表面粗糙,水系几乎不发育。

侏罗系芨芨沟组(J1j)。岩性主要为灰紫色细砾岩、含砾粗砂岩、粗粒岩屑砂岩夹粉砂岩等。该组在影像上呈绿灰色、墨绿色,相对负地形产出,影纹较为光滑,强硬层与软弱层相间分布,形成明显的带状影纹特征,并可见岩层发生了褶曲(图6a)。

图6 部分地层影像特征Fig.6 Partial stratigraphic image features a.芨芨沟组;b.赤金堡组

白垩系赤金堡组(K1c)。岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩夹细砾岩。该组出露极差、产状平缓,且后期受风化剥蚀等作用改造严重,多呈残丘状出现,基岩出露良好的区域条带状影纹发育,岩层发生褶曲(图6b)。

第四系(Q)。主要为冲积物和冲洪积物,广泛分布在区内间歇性河流及其支流的河床两侧,大致呈对称的不规则条带状分布,与暂时性水流的流线一致。在遥感影像上易于区分,呈明显的浅色调,影纹光滑,并可见清晰的流水痕迹。

研究区展布大量中酸性侵入岩,其中以华力西期晚泥盆世最为广泛。岩性、结构构造特征相似的同一期侵入岩多呈相变接触,影像特征类似,难以区分;反之,结构构造差异较大或不同期的侵入岩往往影像特征差异明显,易于区分。晚泥盆世细粒花岗闪长岩(xγδD3)在影像上呈灰白色夹褐色,影纹结构粗糙,形成正地形,发育稀疏的近平行状水系,NW-SE向和NE-SW向两期明显区域性节理发育,将基岩切割成斑块状(图7a)。晚泥盆世中粗粒二长花岗岩(zcηγD3)在影像上呈浅灰白色,平面近似椭圆状,与围岩具有明显的色调差异,相对负地形产出,影纹相对光滑,基岩破裂严重,基岩出露区域形成团块状、姜块状影纹(图7b)。而中基性岩体在影像中一般具有明显的深色调,如晚泥盆世细粒辉长岩(xνD3)在影像中呈灰色、灰黑色、灰绿色,与围岩存在明显色调异常,其北东侧和南西侧边界明显受断裂控制,影纹结构粗糙,岩体发育透入性的变形构造,条带状影纹发育(图7c)。

图7 侵入岩影像特征Fig.7 Image characteristics of intrusive rocks a.晚泥盆世细粒花岗闪长岩;b.晚泥盆世中粗粒二长花岗岩;c.晚泥盆世细粒辉长岩; d.辉绿岩脉和花岗岩脉

此外,研究区脉岩较发育,分布广泛,规模较大,主要为辉绿岩脉和花岗岩脉。脉岩以其线状产出形态相对易于区分,部分脉岩在围岩两侧或一侧发育烘烤边,在影像上具有明显的色调异常面。辉绿岩脉(ν)多呈灰色、深灰色调;而花岗岩脉(γ)多呈灰白色、浅灰白色,以浅色调为主(图7d),地貌上脉岩均形成线性的脊状突起。

3.2 构造解译

研究区经历了多期构造运动,不同规模、不同性质的断裂构造极为发育,包括区域性深大断裂、走滑断层、逆冲推覆构造、韧性剪切带等。这些断层以NW向及NWW向为主,尚有NE向和EW向,它们彼此交切、错断,共同构成了测区复杂的构造格局。

研究区内断裂构造解译标志有:(1)地质体的突然截止,出现明显的色调异常面(图8a);(2)可识别的构造破碎带,影像上表现为异常密集的带状影纹(图8b);(3)标志性地质体明显的错动(图8c);(4)两种地貌单元的直线状相接(图8d);(5)地质体出现笔直的线性边界(图8e);(6)直线排列的山前冲洪积扇(图8f);(7)断层三角面的直线状延伸(图8g);(8)平直、线性延伸的沟谷(图8h);(9)弧形的线状山脊(图8i)等。

图8 断裂影像特征Fig.8 Fracture image features a.地质体的突然截止;b.构造破碎带;c.地质体错动;d.两种地貌单元的直线状相接;e.笔直的地质体线性边界;f.直线排列的山前冲洪积扇;g.断层三角面;h.线状沟谷;i.弧形的线状山脊

在单个构造解译标志的基础上,本次在研究区识别3条大型构造带,分别为基东构造带、尖山构造带、三道明水构造带。以基东构造带为例,呈NWW-SEE向展布,区内延伸约16 km,由5条彼此近于平行的大型脆性断层(F58—F62)及韧性剪切带构成,宽约4 km。这些断层整体上近于平行展布,局部存在彼此分支复合,该断层系走向与韧性变形带走向保持高度一致。韧性剪切带按照空间展布特征可见变形划分为2条次级韧性剪切带,即北带和南带。北带延伸入测区,向北西西295°延伸至F58中部尖灭,呈NWW楔状展布,最大宽度约1.1 km,区内延伸9 km左右。南带呈NWW向带状展布,规模较北带大,其最宽可达2.6 km,区内延伸16 km左右,其北边界均被脆性断层(F60)破坏,南边界被晚期脆性断层(F62)破坏(图9)。

图9 基东构造带Fig.9 Jidong structural belt1.右行走滑断层;2.逆冲走滑断层及编号;3.韧性剪切带

4 结语

本次研究利用ZY-3和Landsat-8 OLI数据,以数据协同理论为基础,综合运用多种数字图像增强技术,在内蒙古北山地区展开地层-构造解译,得出以下认识:

(1)运用图像融合、彩色合成、主成分分析、定向滤波等技术方法对ZY-3和Landsat-8 OLI协同数据进行处理,得到层次分明、信息丰富的遥感影像。

(2)建立研究区地质单元-构造解译标志,经野外验证,绝大多数遥感解译标志准确有效,解译地质界线和构造信息与野外实际情况吻合度较高,极大地提高了填图工作效率。尤其是构造解译,本次研究共识别断裂81条、韧性剪切带4条、构造带3条,为研究区构造格架的确立提供了丰富的原始资料。

(3)研究区位于我国西北部,属于典型的戈壁荒漠区,植被不发育,基岩裸露,地质构造复杂,自然资源丰富,遥感技术在该地区地质调查中发挥举足轻重的作用,具有广阔的应用前景。