航空高光谱遥感区域成矿背景研究

航空高光谱遥感区域成矿背景研究——以甘肃柳园-方山口地区为例1.0

引言

高光谱遥感是当前地质领域应用的前沿和热点，国内外都在积极进行探索。高光谱遥感在地质领域的应用具有两大技术优势：一是通过高光谱矿物填图，可以快速、大面积地提取蚀变矿物；二是图谱合一，谱可以识别矿物及其种类，图可以直观提取蚀变矿物的位置、范围、形态、控制要素和分布特征等。航空高光谱遥感技术由于可以获得高空间分辨率（可达亚米级）的高光谱遥感数据，能够识别规模小的近矿围岩蚀变，从而具有直接找矿的效果。遥感找矿必须点面结合，首先要研究区域成矿背景，做到胸有全局，只有掌握了全局，才能从区域的高度，充分发挥找矿模型的作用，准确地确定目标矿物类型和最佳找矿区段。

航空高光谱遥感除具有上述识别蚀变矿物的优势外，还具有遥感的区域性优势，借助所填的区域矿物分布图，可以从新的角度来研究一个地区的区域成矿背景。目前在国内外文献中尚未查到利用航空高光谱遥感技术研究区域成矿背景的论文。本文试图综合航空高光谱遥感图谱合一、高空间分辨率和高光谱分辨率的优势，在区域成矿背景研究方面进行探索，以便更充分地发挥高光谱遥感技术的地质找矿优势和作用，提升高光谱遥感技术的地质应用效果。

研究区地质概况

研究区位于甘肃省北山的柳园—方山口地区（图1）。实验区出露的地层主要为震旦系和古生界，其中古生界缺失泥盆系。中生界分布范围局限，第四系广泛分布于平坦地带。震旦系洗肠井群，为一套含有冰碛砾石的片岩、板岩、千枚岩、角岩和大理岩。寒武系由双鹰山群和西双鹰山群组成，主要为黑色硅质岩夹结晶灰岩，偶见夹白色石英岩。奥陶系仅见中统和上统，主要由花牛山群的变质砂岩、角岩夹流纹岩、玄武岩和白云山组火山岩组成。志留系包括斜山群、公婆泉群，总体变质程度较高，其中斜山群主要为混合岩、片麻岩、片岩和大理岩；公婆泉群为一套变质的中-酸性火山岩。石炭系红柳园组，主要为一套中酸性火山岩，自东向西夹有陆源碎屑岩、海相碳酸盐、流纹岩。二叠系仅出露下统，岩性主要为砂岩。

图1柳园—方山口地区大地构造位置及地质略图

实验区内褶皱构造大多伴随东西向断裂带发育，其形态多属紧密线状的单式或复试背斜和向斜、褶皱轴向呈东西或近东西向展布。区内的断裂构造按照力学性质可分为压性、张性和扭性3类。张性断裂多成南北向，如花白山断裂。扭性断裂在研究区内分布十分广泛，大致分为北东和北东东两组，如花南沟、金沟子和白石岭断裂。

实验区内岩浆活动频繁，主要有辉橄岩、花岗闪长岩、石英闪长岩、闪长岩、似斑状花岗岩和花岗岩等。岩体的规模不等，呈大型岩基或长条状岩体和岩脉产出，产出的时代为海西期和印支期。

区内已知矿产有金、铜、铅锌、钨钼、铬镍、铁等，为一典型的金属成矿区。该区虽从地质、物化探和多光谱遥感的角度进行过研究，但大多数围绕着矿床和区域基础地质问题，缺少从区域成矿条件、控矿要素、矿床分布规律和找矿方向等方面综合研究区域成矿背景的研究，更没有从航空高光谱遥感的角度来研究该区成矿背景的文章。本文利用航空高光谱遥感的技术优势，首次研究该区的区域成矿背景，并进行地质找矿的应用。

航空高光谱遥感信息源与数据处理及成图

3.1 信息源

研究使用的数据源是2010年—2011年利用可见光-近红外，短波红外，热红外航空高光谱成像系统获取的遥感数据。根据在柳园—方山口地区探测任务的需要，获取了3000km2高空间分辨率的高光谱遥感数据。

3.2 光谱数据处理

利用高光谱遥感数据直接识别地物的前提条件是光谱信息的准确性。数据预处理、大气校正、光谱重建是保证光谱信息准确性不可缺少的环节，而重建光谱的质量直接影响到信息提取的能力和可信度。

3.2.1 采集航空高光谱遥感数据预处理

航空高光谱遥感成像系统配备了用于数据预处理（辐射校正、几何校正和地形校正）的功能模块，处理过程分为4个步骤：（1）辐射校正；（2）传感器姿态数据处理；（3）GPS定位数据处理；（4）姿态数据与定位数据时间同步与集成。预处理后数据的几何误差小于5个像元，可以满足下一步数据处理工作的要求。

3.2.2 航空高光谱数据的大气校正和光谱重建

大气校正与光谱重建工作主要采用了明暗地物的经验线性校正方法，并选择实验区，进行重建光谱与实测光谱特征的对比，结果表明，重建光谱与实验光谱曲线吻合良好（图2），表明了重建光谱的正确性。

图2重建光谱与实测光谱对比图

3.2.3 航空高光谱矿物填图法

本次矿物填图过程中，首先要求注入地质学和矿物学的知识，把专业知识贯穿于矿物填图的全过程。不仅要考虑吸收峰的位置和矿物整体谱形，还要考虑本地区的成矿环境、可能存在的矿物及其组合等。对传统的填图方法进行了改进，采用将矿物光谱相似性填图与光谱特征参数填图相结合的方法，建立了相应的技术流程 (图3)。

图3基于光谱相似性与光谱特征参数填图的技术流程图

3.3 填图结果与野外查证

图4是利用短波红外（SASI）数据所填的柳园地区矿物区域分布图，提取的蚀变矿物有绢云母、蛇纹石、绿泥石、褐铁矿、高岭石、方解石、石膏、黄钾铁钒等。图5是利用短波红外（SASI）数据所填的方山口地区矿物区域分布图，提取出的蚀变矿物有绢云母、蛇纹石、绿泥石、绿帘石、褐铁矿、方解石、白云母、黄钾铁钒、芒硝、菱铁矿等10余种蚀变矿物。

图4柳园地区蚀变矿物区域分布图（据SASI数据源）

这些提取的矿物是与成矿作用密切相关的蚀变矿物，也是地质找矿经常涉及到的蚀变矿物，具有重要的实用价值。核工业北京地质研究院、核工业航测遥感中心、西安地质矿产调查中心等3家单位对航空高光谱遥感所填的柳园—方山口地区的区域矿物分布图分片进行了野外查证，检验矿物提取的准确性。经野外查证和室内岩矿鉴定、化学分析，矿物提取的准确率达90%左右，表明这一填图结果可以作为诠释该区成矿背景的依据。

航空高光谱遥感矿物填图结果的地质诠释

应用航空高光谱遥感所填的柳园—方山口地区的矿物区域分布图，围绕该区的区域成矿背景问题进行了地质诠释。所谓区域成矿背景，主要是指区域成矿条件、区域控矿要素、区域矿产的空间分布规律、区域找矿方向和最佳找矿地段。本次章节我们先来探讨其成矿条件：

4.1 基于航空高光谱矿物分布图识别的成矿条件

从航空高光谱遥感所填的柳园—方山口地区矿物分布图上（图4和图5），不仅可以看出蚀变矿物的种类、组合、发育程度和空间分布特征，而且可以分析出哪些岩体、哪些地层、哪些构造发生了蚀变。

图5方山口地区蚀变矿物区域分布图（据SASI数据源）

（1）蚀变岩体的识别。如前所述，柳园地区海西期和印支期中酸性岩体极为发育，有受褶皱构造控制的大型岩基，也有受大断裂带控制的长条状岩体。填图结果表明，该区发生蚀变作用的岩体主要是海西-印支期沿大断裂同方向展布的长条状花岗岩类岩体（图6），而大型的花岗岩基仅局部有蚀变现象。岩体的蚀变主要表现为褐铁矿化、赤铁矿化和绢云母化。

图6柳园地区长条状蚀变花岗岩体和花岗岩基分布图

（2）蚀变地层的识别。从柳园地区蚀变矿物分布图上可以看出该区哪些地层发生了蚀变，哪些地层未发生蚀变。对发生蚀变的地层进一步分析还可以看出，哪些地层发生的蚀变属区域变质作用造成的蚀变，哪些地层的蚀变可能是与热液有关的蚀变，对沉积型矿产来说，热液的叠加改造作用更有利于形成富矿、大矿。识别地层区域变质作用的主要标志是：蚀变矿物分布面积大，呈带状，与地层的展布相吻合（图7）；识别地层热液蚀变的主要标志是，蚀变面积小，产出位置与断裂构造及其特殊部位有关，如，处于断裂的交叉部位、弧形拐弯部位和入字型断裂夹角部位（图8）等。

图7与区域变质作用有关的地层蚀变图

图8处于入字型断裂夹角部位的热液蚀变图

（3）蚀变构造的识别。进一步分析航空高光谱遥感矿物分布图还可以看出，有的断裂有明显的蚀变现象，通常发育硅化、绢云母化、褐铁矿化（黄铁矿化）、碳酸盐化、蛇纹石化等的一种或几种；有的断裂却没有蚀变矿物沿其分布的现象。有蚀变发育的断裂，反映其曾经历过热液作用，蚀变矿物的发育是热液作用留下的痕迹，这类断裂有可能与成矿作用有关，可以视为成矿构造。一般情况下，没有蚀变的断裂，可视为非成矿构造（图9）。由于金属矿的成矿均与蚀变现象密切相关，如果开展区域找矿，首先需要知道工作区的蚀变矿物的种类、组合、发育程度和空间分布特征，这对评价该区找矿前景，进行战略选区和确定找矿的目标类型至关重要。如果再知道哪些岩体、哪些地层和哪些构造发生了蚀变，将会大大缩小找矿对象，更好地优选找矿的有利地区，本研究充分表明了航空高光谱遥感数据的适用性和优势。

图9方山口地区成矿构造解译图

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审核编辑 黄宇