基于高光谱数据的东天山—北山成矿带矿物填图及地质应用

文| 秦昊洋 李士杰 李志忠 何海洋 刘小玉 王思琪

1.中国地质调查局西安矿产资源调查中心

2.自然资源陕西省卫星技术应用中心

一、引言

矿物是地质体的基本组成单元，也是地质工作中的重要研究对象。不同类型的矿物由于具有特定的化学键及分子基团，往往存在独特的诊断性光谱特征，高光谱遥感卫星能够快速大范围地获取这种光谱特征信息，借助矿物光谱中特有的吸收位置、吸收深度等参数有效识别各种离子类矿物和单矿物，实现对矿物类型、空间分布和蚀变信息的提取工作[1-2]。近年来，随着国产高光谱遥感数据的不断成熟，高光谱遥感技术在地学领域尤其是成矿带尺度的大范围地质调查研究中发挥着越来越重要的作用[3-5]。

东天山—北山成矿带发育有以金、铁、铜、镍为主的各类多金属矿床，矿床类型复杂，矿产种类丰富、储量巨大，是我国重要的矿产资源战略基地，也是新一轮战略找矿突破行动的重点工作区[6-8]。在该地区进行高光谱矿物填图工作能够快速、高效地获取整个成矿带尺度的矿物空间分布规律和蚀变特征信息，为整个东天山成矿带的地质工作提供全新的研究视角和数据来源，对支撑国家新一轮战略找矿突破行动具有重要意义。此前由于缺乏成熟的技术方法体系和相关的软件工具，限制了国产高光谱遥感卫星数据的应用推广，国内地质勘查工作中常用的遥感数据源仍以多光谱、高空间分辨率数据为主，借助高光谱遥感数据的区域性地质研究工作还存在实际困难[9-10]。为解决上述难题，推进国产高光谱卫星数据在地质找矿领域的应用，本文利用高分五号01A、资源一号02D 等国产高光谱卫星数据，在东天山—北山成矿带开展了高光谱矿物填图工作，编制了填图成果图集。填图工作完全基于自主研发的矿物填图技术方法体系和软件工具pymica完成，该工具内置了数百条矿物参考光谱及相应专家识别规则，目前支持识别含羟基矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、含铁矿物等60 余种矿物类型，并充分利用了GPU 并行计算技术，实现了自动化、批量化的高效数据处理。针对野外找矿工作的实际勘查需求，填图成果图集包括了成矿带1∶100 万矿物分布图、白云母铝含量分布图、绿泥石Mg/（Mg+Fe）比值图等数据产品，为成矿带内发掘热液活动痕迹、揭示区域隐伏构造、圈定矿化蚀变带等地质工作提供了可靠依据。

东天山—北山成矿带成果图集目前已在大规模的工程化应用实践中完成了初步验证，为全国成矿带尺度的高光谱遥感矿物填图研究和应用工作提供了应用示范和有力工具，对研究区域性成矿作用和矿床成因类型划分具有重要价值。

二、遥感数据及数据处理

1.高光谱遥感数据源

高光谱遥感数据拥有纳米级的光谱分辨率，具备上百个有效波段，可覆盖400—2500nm 波段范围，能够有效识别矿物化学键在近红外、短波红外所引起的吸收特征，从而在大尺度上精细探测和分析地表岩石矿物成分。本文使用189 景高分五号01A 高光谱影像和145 景资源一号02D 高光谱影像进行填图工作，影像范围基本覆盖东天山—北山成矿带，总面积约27 万平方千米。影像成像时间均为2018—2022 年的3—10 月，影像质量良好，总云量均小于5%。高分五号、资源一号高光谱卫星参数如表1 所示。

表1 高光谱遥感卫星主要参数

2.遥感数据预处理

数据预处理工作能够将卫星传感器存储的DN值数据转换为矿物识别所需的地表反射率数据，并消除大气散射、地形起伏、大气水汽、几何畸变等因素造成的影响[11]。其中大气校正借助辐射传输模型完成，正射校正、几何校正分别采用工作区12.5m分辨率DEM数据和Landsat镶嵌数据集（NASA Landsat GeoCover）作为地理基准参考完成。此外，由于高光谱传感器内每个探测元件具有敏感差异性，其校准标定工作易出现偏差，导致部分波段数据中出现整列分布的条纹噪声，因此需进行去噪处理以提高影像质量。数据预处理均在pymica 平台中完成，其流程如图1 所示。

图1 高光谱数据预处理流程

噪声条纹的出现是由于其定标校准的失效致使DN 值失真引起的，本文采用全局拉伸的方法参照整幅图像DN 值的标准差与均值对真值线性拉伸，该方法对于地形起伏程度较低、地物类型相对均一的影像数据去噪效果良好[12-13]。高光谱数据去噪效果如图2 所示。

图2 高光谱数据去噪

完成预处理工作后，将工作区高光谱遥感影像进行裁剪镶嵌，生成东天山—北山成矿带遥感影像图。

3.矿物光谱匹配识别

本文采用自主研发的pymica 填图工具进行矿物光谱匹配识别工作，识别过程主要分为连续统去除和光谱匹配两个步骤。

去除连续统能够有效突出地物光谱的吸收特征，在增强地物光谱特征的同时将反射率进行归一化，以便与其他光谱的吸收特征相比较，进行光谱间匹配分析工作[14-15]。由于影像在大气校正后得到的反射率曲线会残留有部分大气特征及噪声干扰，因此在对光谱曲线吸收特征进行连续统去除时对端点的选择尤为重要。为了压抑噪声及大气特征对去统结果的影响，本文将吸收特征两端预设区间的波长、反射率平均值作为去统端点。

矿物内部化学键振动及电子跃迁能够造成矿物对不同波段的光子散射比例发生变化，反映在光谱曲线中即可形成特征波段内精细的吸收带[16-17]。不同矿物的光谱吸收带特征存在不同程度的差异。提取矿物光谱吸收特征与标准矿物光谱进行对比匹配，即可实现对不同矿物的识别分类。标准光谱数据采用美国地质调查局（USGS）标准波谱库中的实测数据。

本文在pymica 填图工具中使用光谱吸收带拟合面积与吸收位置、深度作为判据与标准光谱数据进行拟合度匹配，拟合度最高的标准矿物即作为分类结果。该方法在保证分类结果有效的同时能够降低噪声对光谱匹配过程产生的干扰，在应用国产高光谱卫星进行矿物填图工作中效果较好。

三、填图应用

1.成矿带构造信息解译

断裂构造在形成时，沿断裂带两侧的岩块会发生显著的错动、位移，并形成充填着大量岩石碎块的破碎带。受构造应力作用的影响，断裂破碎带内通常会形成各种类型的动力变质岩或出现充填不同矿物成分的岩脉，使得断裂带内的矿物类型与两侧岩体存在显著差异，成为地质调查工作中识别断裂构造的基本标识之一。野外地质调查受人员、地理条件等因素限制，在断层追索工作中常存在局限。高光谱矿物填图方法凭借对断裂破碎带内矿物类型的精细识别，能够在可观测尺度下显示出呈线性展布的矿物类别差异，为构造解译提供可靠判据。图3 中展示了一条由白云石、方解石等碳酸盐矿物形成的断裂破碎带，填图结果清晰、连续地揭示出了断裂构造的走向和分布，并与1∶25 万地质图中构造分布进行了对比验证。相比于地质图，矿物填图结果还能够直观清楚地观测到断裂带的宽度、走向形态以及其中充填的矿物类型，为野外地质工作提供更加丰富翔实的资料。

东天山—北山成矿带地处荒漠戈壁区，部分断裂构造信息因为第四系砂土、盐碱地覆盖，导致断裂带与两侧岩体间的差异不明显。在高分二号、Landsat-8 等常用的高分辨率、多光谱卫星中色调不够突出，给遥感构造解译工作带来挑战。高光谱遥感影像具备极高的光谱分辨率，能够在矿物特征信号微弱、丰度较低的情况下对其进行分类识别，借此识别出第四系覆盖区断裂构造带与两侧岩体间矿物组成的差别，从而解译构造。图4 中展示了高光谱矿物填图结果在第四系覆盖区中的应用情况，第四系覆盖区矿物以伊利石、高岭土、蒙脱石为主，其间穿插两条近东西走向的绿泥石、绿帘石矿物带F1 和F2，其线性展布特征清晰地反映出了该位置的断裂构造活动轨迹。相比于矿物填图结果中的显著特征，影像及地质图中均未能解译出两处断裂带。

不同于呈线性展布的断裂构造，褶皱构造由岩层弯曲变形而形成，其在遥感影像上主要表现为转折端的存在，即岩层由褶皱一翼转到另一翼的弯曲部位置，两翼地层产状出现规律性的变化。高光谱矿物填图同样能够揭示褶皱构造的存在（图5），在图中具体表现为褶皱核部主要以绢云母为主，两侧褶皱翼则含有大量绿泥石、方解石、白云石，两侧褶皱翼矿物类型基本一致，且与核部之间差异明显，能够清晰地观察到岩层的弯曲形态。褶皱核部外侧发育的小型断层构造行迹和岩层错断现象也一目了然，清楚地揭示了断层两侧的岩体差异。相比于地质图，矿物填图中观察到的褶皱形态更加直观，包含矿物类型信息更加丰富，解读更加便利。

图5 高光谱矿物填图揭示褶皱构造

2.成矿带岩性解译

地层岩性信息能够为理解整个成矿带区域物质循环演化、金属矿产分布、岩浆热液活动等提供信息，对地质勘查工作具有重要意义。不同的岩性因其矿物成分、内部结构及外部条件不同，在遥感影像上表现出明显的多样性，因此与其他地物信息提取或遥感解译相比，遥感岩性解译更加困难。本文利用高光谱矿物填图成果，从矿物构成的尺度进行岩性划分识别，分类结果更加精细（图6）。相比于地质图，填图结果清晰准确地识别出了以方解石、白云石为主要矿物的白云质大理岩体；以白云母、绿泥石为主要矿物的二长花岗岩体，以及一处环形构造。除岩性信息外，矿物尺度的精细分布特征同样能够提供更丰富的地质涵义，例如大理岩体中白云石与方解石的组分差异能够反映出镁含量分布的不同；花岗岩体中绿泥石通常是由辉石风化形成，绿泥石的分布和丰度同样能够揭示花岗岩体的风化蚀变程度。

图6 高光谱矿物填图揭示岩性/环形构造

东天山—北山成矿带的基性岩体通常与金、铜、镍等金属矿床密切相关[18]。应用矿物填图绿泥石镁含量专题信息图，能够清晰直接地反映出成矿带内辉绿岩为主的基性岩分布（图7）。由图中可见，辉绿岩岩体中绿泥石吸收特征倾向于向短波方向移动，这意味着辉绿岩体中的绿泥石镁含量相比于其他绿泥石普遍偏高，依据这一特征，可以在绿泥石专题信息图中解读辉绿岩分布。

图7 高光谱矿物填图揭示基性岩体

3.矿化蚀变带提取

蚀变带信息提取是浅成低温热液型金属矿床找矿工作的主要内容和重要技术手段，与热液活动相关的各类蚀变矿物均能够为找矿工作提供理论依据[19-20]。例如以绿泥石、白云石、绢云母、石膏为主要矿物组合的青磐岩化；以绢云母、石英为主的绢英岩化；以高岭石、伊利石、红柱石、明矾石为主的高级泥化等均能够反映热液蚀变过程中的交代变质作用，按照不同蚀变类型进行蚀变带的划分能够为找矿工作提供重要信息。高光谱矿物填图结果中能够清晰展现出蚀变分带相关的矿物组合特征：处于蚀变区域外围的绿泥石、白云石、绢云母；位于内层过渡带的高岭土、伊利石；位于蚀变中心的明矾石、叶蜡石（图8）。矿物组成和空间分布关系清晰展现出了外侧青磐岩化带+泥化过渡带+高级泥化中心带的蚀变分带特征，为该地区斑岩型铜矿的找矿工作提供了有力依据。在野外验证工作中，现场采样取得了高岭土、明矾石、石膏样品，充分证明了填图结果的准确性和有效性。

图8 高光谱矿物填图矿化蚀变带提取

四、结语

目前的工作成果图集主要基于高分五号01A 和资源一号02D 两种国产高光谱遥感卫星完成，由于不同遥感卫星具体参数不同，因此填图结果在镶嵌成图时会在接边处存在少量分类不一致的情况。随着高分五号02 星以及资源一号02E 的发射升空，国产高光谱卫星数据覆盖和信噪比不断提高，未来可以采用更高质量的影像数据进行填图工作。东天山—北山成矿带的地质应用目前已得到工程化项目的实践验证，这标志着成矿带尺度的矿物填图技术及数据产品已经成熟，未来在例如阿勒泰成矿带、阿尔金成矿带、怒江成矿带等均可开展矿物填图工作，为上述地区的新一轮找矿突破行动提供全新的地质信息。

此外，高光谱遥感数据30m 空间分辨率适用于1∶25 万及以下比例尺的地质填图工作，目前已完成了东天山—北山成矿带内1∶25 万标准图幅的分幅填图工作。但这与部分大比例尺地质找矿项目所需的1∶2.5 万详查区、1∶1 万重点调查区等精细勘查仍有距离。针对大比例尺勘查工作的需要，可在重点区开展无人机高光谱填图试点研究及应用，为新一轮找矿战略突破行动提供助力。无人机搭载高光谱成像传感器可以在保证数据光谱分辨率的同时，极大地提升其成像空间分辨率，视飞行高度可达亚米级。因此，采用无人机高光谱与星载高光谱数据结合的方式开展工作，可为找矿工作提供更加丰富精细的数据支撑。