连琛芹等：基于中高分辨率数据的内蒙古红石山地区遥感找矿信息提取及找矿预测

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基于中高分辨率数据的内蒙古红石山地区遥感找矿信息提取及找矿预测

（1.中国科学院 地理科学与资源研究所,北京 100101；2.中国科学院大学,北京 100049；3.中国地质调查局 呼和浩特自然资源综合调查中心,内蒙古 呼和浩特 010010）

摘    要

内蒙古红石山地区位于东天山—兴安成矿带内,具有良好的成矿条件,但其位于荒漠戈壁,自然条件恶劣,基础地质研究程度低,因此利用遥感手段进行多金属找矿勘查具有重要意义。采用OLI数据,选择掩膜+无损线性拉伸+特征向量主成分变换+异常切割+异常滤波的方法,提取铁染、羟基等矿化异常信息;选择假彩色合成及线性拉伸,提取断裂构造信息。综合多元信息进行找矿预测,共圈定2处找矿远景区。本次研究对其中1处区域进行进一步重点勘查。重点勘查区域采用高分辨率PLEIADES数据,选择图像融合、彩色合成、直方图拉伸等方法,进一步圈定巨型石英脉体。在重点勘查区域进行野外查证,发现了多处矿化点。此次研究表明综合使用中分辨率OLI数据和高分辨率PLEIADES数据,可以大大提升地质找矿效率,对未来该地区进一步找矿勘查具有重要的指导意义。

关键词

遥感找矿; 红石山; OLI; PLEIADES; 多金属矿

0 引    言

遥感技术已经广泛应用于地质找矿工作中[1-5]。国内外学者在利用遥感数据进行找矿勘查方面进行了大量而深入的研究,并取得了许多重要的成果[6]。不同的遥感数据都有其自身的优势和特点。Landsat和ASTER卫星数据是地质找矿中应用最广泛的中分辨率数据,适合区域性遥感勘查。QuickBird、WorldView及Spot等高分辨率卫星数据,适合大比例尺地质对象的解译和信息提取。综合使用中高分辨率遥感数据,可以最大限度地提取找矿信息,为矿产勘查提供有力支撑。

内蒙古红石山地区自然条件恶劣,位于大漠戈壁,研究程度低,遥感找矿研究处于空白状态。因此利用遥感手段进行多金属找矿勘查,对本地区具有重要的意义。本文采用OLI数据,选择掩膜+无损线性拉伸+特征向量主成分变换+异常切割+异常滤波的方法,提取铁染、羟基等矿化异常信息;选择假彩色合成及线性拉伸,提取断裂构造信息。综合多元信息进行找矿预测,共圈定了2处找矿远景区,并对其中1处区域进行进一步重点勘查。重点勘查区采用高分辨率PLEIADES数据,选择图像融合、彩色合成、直方图拉伸等方法,进一步圈定巨型石英脉体。在重点勘查区域进行野外查证,发现了多处矿化点。此次研究获得了良好的找矿效果,表明综合使用中高分辨率遥感数据,可以大大提升本地区地质找矿效率,对未来该地区进一步找矿勘查具有重要的指导意义。

1 研究区概况

研究区地理位置位于内蒙古自治区境内,行政区划隶属内蒙古阿拉善盟额济纳旗苏泊淖尔苏木管辖,地处中蒙边界,研究区完全位于大漠戈壁,遥感影像如图1所示。该区大地构造位于阴山—天山东西向复杂构造带中段,处在构造带北侧近边缘部位。研究区内地层出露不全,主要以奥陶系咸水湖组为主,其次为蓟县系—青白口系圆藻山群以及白垩系巴音戈壁组。除白垩系下统不整合覆于下伏地层之上外,其余各岩石地层单位之间皆为构造接触关系。区内地质构造的总体特点是,北西—近东西向断裂构造为本区的主要构造,并伴随有北东向的褶皱构造。区内侵入岩广泛出露且岩石类型较多,从超基性岩到酸性岩均有出露。其中酸性岩分布广泛,出露面积大,岩石类型以二长花岗岩、花岗闪长岩为主,多以岩基、岩株产出。其次为中性岩,主要岩石类型为变质闪长岩、变质石英闪长岩、变质石英二长闪长岩,以岩株和小岩体产出。基性岩出露面积比较小,主要岩石类型有变质橄榄辉长岩、变质辉长岩,以岩株或岩瘤产出。区内的脉岩也较发育。

图1   研究区遥感影像图

1   研究区遥感影像图

2.1 OLI 数据

Landsat 8卫星OLI 数据与Landsat 7卫星数据相比,Landsat 8卫星数据很好地延续了Landsat 系列卫星的一贯特点,同时Landsat 8的波段更多,波段划分更加精细[7]。Landsat 8卫星装载了陆地成像仪(OLI)和热红外传感器(TIRS)。本次使用的是OLI数据,该数据与ETM数据相比,增加了光谱范围和信噪比,具有12位的量化级数,因此OLI传感器展现出了更加良好的性能[8]。

2.2 PLEIADES数据

Pleiades 1和Pleiades 2相同的两颗卫星组成Pleiades高分辨率卫星星座。两颗卫星分别于2011年和2012年先后发射,并开始获取遥感数据。Pleiades卫星属于军民两用光学成像卫星,其最高空间分辨率已达0.5 m。双星配合每日可实现全球的重访,可以满足不同客户的要求。该数据包含4个多光谱波段和1个全色波段,空间分辨率分别为2 m和0.5 m,幅宽为20 km。PLEIADES遥感数据凭借其高分辨率的优势,在地球科学领域的应用潜力十分巨大,但PLEIADES数据在地质找矿领域的应用鲜有报道。本文充分发挥PLEIADES数据的独特优势,服务于地质找矿工作。

3 矿化蚀变信息提取

3.1 波谱特征分析

通常情况下,在遥感获得的地表信息中,只要有一定强度的蚀变岩石出露,就可以在遥感影像上有所反映[6]。根据研究区所提供的地质矿产资料,与成矿有关的围岩蚀变主要为硅化、绿泥石化、绿帘石化、绢云母化,次为褐铁矿化、黄钾铁矾化等。这些蚀变矿物多为含有羟基和铁离子的矿物,在Landsat 8 OLI的波段上具有诊断性波谱特征,为遥感蚀变信息的提取提供了理论支撑。

特定的波段形成了识别特定矿物的特征波谱,蚀变矿物的特征波谱是遥感蚀变信息提取的波谱前提[9]。在本次蚀变矿物信息提取研究中,将USGS波谱库中的蚀变矿物波谱以OLI遥感数据为标准进行了波谱重采样(图2)。根据含铁离子的蚀变矿物的波谱曲线在OLI影像数据的各通道对应关系可知,在 OLI数据的2波段反射率很低,具有强吸收特征,在4波段的反射率相对 2波段高,在第5波段具有吸收谷,第6波段具有强反射峰的诊断性波谱特征。根据含羟基的蚀变矿物的波谱曲线在OLI影像数据的各通道对应关系可知,在 OLI数据的第5波段形成吸收谷,在第6波段具有反射峰,第7波段具有吸收谷的诊断性波谱特征。

图2   蚀变矿物波谱曲线

3.2 矿化蚀变信息提取

一般常见的遥感蚀变信息提取的技术方法有比值变换、主成分变换、光谱角、混合像元分解和MPH法等,其中主成分变换技术是应用最为广泛,具有对影像大气校正质量要求不高、实现简单、提取效果好、效果稳健等优点,在地质找矿实践过程中,广受地质工作者的青睐[10-11]。主成分变换又称K-L变换,此方法变换前后遵循能量守恒定律,即运算前和运算后的信息总量保持不变,其对影像进行集中和压缩,将各通道的高度相关的信息集中在少数几个波段中,使变换后的各主分量相互独立,互不相关。

OLI遥感影像在进行蚀变信息提取前的预处理主要包括研究区裁剪和干扰地物剔除等。植被、云雪、水体、阴影等干扰,对异常的提取有重要影响,会引起大量的假异常,因此对干扰地物的去除十分重要。在本次研究中,我们选择了干扰地物很少的遥感数据,只有少量的阴影,采取掩膜的方法将其剔除。

根据与研究区多金属成矿有关的蚀变矿物的光谱诊断特征,选择Landsat 8 OLI数据的2、4、5、6波段进行主成分分析,提取研究区与铁染有关的遥感蚀变信息。根据含铁矿物的光谱特征,可知构成铁染主分量的波段2、波段4的系数符号通常是相反的,且波段2的值为负值。表1列出了主成分分析之后的铁染各主分量的物理参数。根据表中铁染的4个波段的主成分分析后的各自的特征向量矩阵可知,遥感蚀变信息位于PC4中。

表1   OLI数据主成分分析特征向量矩阵表

选择Landsat 8 OLI数据的2、5、6、7波段进行主成分分析,提取研究区与羟基有关的遥感蚀变信息。根据表1中含羟基矿物的各主分量的判断标准和提取蚀变信息的主分量的物理参数可知, PC4 为羟基信息的主分量。根据含羟基矿物的光谱特征,构成羟基主分量的波段2、波段6的系数符号是相同的,且均为正值。因此需将PC4 乘以(-1)处理,使得波段6的值为正值。

3.3 蚀变信息成图

研究区的遥感蚀变信息需进行异常切割,通过对“均值+n×标准差”中n值的调整,进行蚀变信息的量化分级。在本次遥感铁染蚀变信息级别的划分过程中,n值取1.3、1.5、1.7,分别对应一、二、三级蚀变异常。在本次遥感羟基蚀变信息级别的划分过程中,n值取1.4、1.7、2.0,分别对应一、二、三级蚀变异常。对异常切割后的图像进行滤波以消除因噪声引起的孤立的“伪”异常。最后将铁染和羟基信息的不同等级赋予不同的颜色,得到研究区遥感矿化蚀变信息图(图3)。

图3   蚀变异常信息图

从遥感矿化蚀变信息分布图发现,提取的遥感蚀变信息中,羟基异常信息占主导地位,铁染异常信息较少,与已知地质矿产资料吻合,同时,其主要呈北西向和近东西向展布,且部分呈大面积块状或条带状分布,可能与构造活动有关,这些地方可能具有一定的找矿意义。

4 遥感构造信息提取

地质构造的解译是根据各类地物波谱特征,以及所表现的颜色和纹理特征,通过增强图像中的地物信息的差异,突出感兴趣区的地物信息,进行地质构造解译[12-13]。本次研究通过ENVI软件对OLI数据进行假彩色合成及图像线性拉伸等图像增强处理,增大不同地质体之间的差异,从而更加容易进行地质构造的解译工作(图4)。

图4   构造解译图

构造活动有利于成矿元素的活化和成矿流体的运移聚集,对矿床形成具有重要作用。构造密集和交汇部位是成矿作用的有利部位,可为找矿勘查提供构造基础。从解译出的构造可以发现,研究区以北西向构造为主,近东西向、北东向构造为辅,且在其中部发现大型北西向构造与遥感蚀变带吻合好,说明该区域的构造和蚀变信息具有高度相关性,进一步印证蚀变信息和构造信息提取的有效性,为后续找矿远景区圈定奠定基础。

5 多元信息综合分析及找矿远景区优选

矿产勘查就是找矿信息逐渐获取和找矿风险逐渐减小的过程,在地质找矿过程中,各类信息都有其独特优势,应充分发挥各类信息针对性的作用[14]。本次研究将多元信息叠合于GIS平台,进行分析验证。

在GIS平台上,综合遥感、地质和地球化学等多元信息,进行找矿远景区优选,共圈定2处找矿远景区(图5)。其中,1号找矿远景区位于工作区的西北部,北西向构造发育,化探数据显示该区位于综合化探异常区,遥感蚀变信息以羟基信息为主,呈北西向条带状沿构造展布,各类找矿信息吻合度高。2号找矿远景区位于工作区西南部,北东向及近东西向构造发育,化探数据显示其位于综合化探异常区附近,遥感蚀变信息为羟基信息,呈带状和团块状展布于构造附近,遥感蚀变信息受构造控制明显。两处找矿远景区均位于遥感蚀变信息和构造信息的周围,同时与综合化探异常吻合较好,具有一定的找矿意义。

图5   多元信息叠加图

6 重点区域找矿勘查及野外查证

本次研究对其中的2号远景区进行进一步勘查,使用了该区域的高分辨率PLEIADES数据。本次研究为了充分利用高分辨率数据的优势,将全色和多光谱波段进行融合处理,得到可见光和近红外波段的0.5 m分辨率的遥感数据。采用彩色合成和直方图拉伸等方法进行图像增强,以解译石英脉体。本次研究在重点勘查区进行野外查证,发现了多处矿化点,它们具有不同强度的硅化、绿泥石化、绿帘石化、绢云母化、褐铁矿化等特征。图6a是重点勘查区的1处巨型石英脉体露头,其位于蚀变信息图中北西向和近东西向的蚀变带中。在整个重点勘查区中,展布了许多大小不一的巨型石英脉体。图6b是蚀变样品,可以看见褐铁矿化和绿泥石化等现象。野外验证工作进一步表明本次研究是有效的,对未来该区及其附近区域的找矿勘查具有重要的指导意义。

图6   巨型石英脉体与蚀变样品

7 结 语

本文在内蒙古红石山地区,利用中分辨率Landsat 8 OLI数据和高分辨率PLEIADES数据、各类影像处理方法、地学数据综合分析,进行遥感综合找矿工作,得到以下结论:

(1)选择Landsat 8 OLI数据,采用掩膜+无损线性拉伸+特征向量主成分变换+异常切割+异常滤波的方法,成功提取了内蒙古红石山地区的铁染和羟基遥感蚀变信息。提取的遥感矿化蚀变信息以羟基蚀变信息为主导,铁染为辅。

(2)选择Landsat 8 OLI数据,进行假彩色合成及线性拉伸,有效地解译了区内北西向大型主断裂和北西向及北东向次级断裂,确定了区内构造格架,对构造与矿化关系研究具有重要意义。

(3)综合分析遥感找矿信息,发现呈北西向和近东西向的羟基信息展布于大型断裂构造周围,说明该异常信息的展布明显受控于区内断裂构造,同时与综合化探异常吻合较好。各类信息相互吻合度高,更进一步说明本次提取的各类信息的有效性。

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