吳 龍, 方 臣, 陳 曦

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

隨著遙感空間信息處理技術的迅猛發(fā)展,空間遙感與地球物理、地球化學相結合的綜合找礦已經成為了現代找礦技術的主流方法[1-3]。遙感礦化蝕變信息提取技術是遙感技術應用于地質找礦的核心部分,也是成礦預測能否取得成效的關鍵因素,同時遙感礦化蝕變信息提取技術在新時代的找礦領域已顯示出巨大的潛力。遙感蝕變信息提取技術在方法上不斷吸取相鄰學科的新成果,如神經網絡分類方法、分形分維技術等,來實現遙感礦化蝕變信息自動提取過程[4-10]。本文重點討論遙感礦化蝕變信息提取在恩施白果壩地區(qū)的遙感找礦應用,探索研究區(qū)內銅鉛鋅多金屬礦有利成礦區(qū)域。

1 研究區(qū)地質概述

研究區(qū)地處鄂西邊陲,屬云貴高原東北部的延伸部分,大地構造位置位于揚子陸塊揚子碳酸鹽臺地構造區(qū)和川中(鄂西)前陸盆地構造區(qū)。在地史演化過程中主要經歷了沉積蓋層發(fā)展和陸緣活化兩個階段。首先在燕山早期形成了白果壩背斜的基本構造樣式,為區(qū)域構造初步定型階段,其中白果壩背斜南東翼巖層直立,北西翼發(fā)育大量層間寄生褶皺、膝折構造,在褶皺形成過程中,沿白果壩背斜核部形成了以恩施斷裂、茅壩槽斷裂為代表的斷面傾向北西、走向為北東—北北東向逆斷層系。由于斷層的強烈逆沖推覆作用,在背斜核部形成一高陡帶,局部地段地層發(fā)生倒轉。接著燕山晚期應力釋放調整,形成北西向斷裂體系。早期北東—北北東向斷裂構造規(guī)模大,縱貫整個研究區(qū),它受到后來多次構造運動活化及改造,對銅鉛鋅多金屬礦床的形成有著明顯的區(qū)域控制作用,礦化主要表現為熱液充填逆沖斷層中各次級構造、裂隙和開放空間成礦,圍巖蝕變較弱,主要為方解石化、硅化等。

1.1 研究區(qū)地層

區(qū)域地層以寒武系為主,主要有石龍洞組、秦家廟組、婁山關組,其中礦區(qū)銅鉛鋅礦賦存于婁山關組,鉛鋅礦化層位于婁山關組二段上亞段。鉛鋅礦化層巖性主要為灰—深灰色中厚層夾塊狀中細晶白云巖,中細晶結構,中厚層—塊狀,局部白云巖具輕微硅化,含少量硅質團塊,方解石脈非常發(fā)育,裂隙較發(fā)育,受斷裂、褶皺構造作用,巖石破碎強烈,多具角礫巖化。含礦層厚度一般為1～3 m,呈似層狀、透鏡狀沿走向延伸,走向延伸方向品位變化較大。方鉛礦及閃鋅礦主要以脈狀、浸染狀賦存于方解石化白云巖、角礫狀白云巖及裂隙中。含礦層底板為婁山關組二段上亞段灰—深灰色厚層—塊狀中細晶白云巖,偶含少量的方解石團塊,頂板為婁山關組二段上亞段灰白—淺灰色中厚層硅質團塊或硅質條帶白云巖。

1.2 主要控礦構造

該區(qū)以北東向構造占主導地位,主要的褶皺有白果壩背斜,主要的斷裂帶有恩施斷裂帶、茅壩槽斷裂帶(圖1)。礦區(qū)以褶皺為主、斷裂為輔,主體位于白果壩背斜核部,該背斜軸向北東30°～40°,北西翼巖層傾角陡,傾向310°～325°,傾角24°～25°;南東翼巖層產狀平緩,傾向135°～155°,傾角15°～20°,為一不對稱的斜歪背斜。礦點位于白果壩背斜核部偏南東,次級斷裂較發(fā)育,小裂隙發(fā)育,裂隙內充填有大量方解石脈,形成較為有利的容礦構造。

圖1 恩施白果壩地區(qū)構造地質簡圖Fig.1 Structural geological map of Baiguoba area,Enshi1.第四系;2.白堊系地層;3.侏羅系地層;4.巴東組;5.嘉陵江組;6.大冶組;7.二疊系地層;8.泥盆石炭系地層;9.志留系地層;10.奧陶系地層;11.寒武系地層;12.正斷層;13.逆斷層;14.平移斷層;15.性質不明斷層;16.斷層編號;17.地名;18.研究區(qū)。

2 遙感礦化蝕變信息的提取

在遙感數據處理技術的支持下,操作者首先利用遙感解譯手段和遙感數據信息提取技術可以得出研究區(qū)重要找礦標志,利用提取巖性信息、地質構造信息的方法進行綜合地質解譯判斷,提取蝕變異常信息,然后經過遙感數據一系列處理,最終提取與目標礦床相類似的巖性蝕變信息[11-13]。本次研究遙感異常提取技術統(tǒng)一采用比較成熟的克羅斯塔技術,一次性異常提取,一般以“景”為單位。研究區(qū)遙感異常提取對象為羥基(泥化)和鐵染(鐵化)兩種異常。

2.1 異常信息提取方法原理

表1 對巖石礦物反射光譜起主導作用的離子和基團的重要吸收譜帶Table 1 Important absorption bands of ions and groups that play a dominant role in reflection spectra of rocks and minerals

其中,鐵化和泥化是蝕變信息提取的主要目標。一般認為,鐵化(褐鐵礦化)具有獨特的顏色(褐紅色、黃褐色),在波譜曲線上有兩個明顯的吸收帶,第一個吸收帶位于0.4～0.5 μm(相當于TMl波段)處,第二個吸收帶位于0.8～1.0 μm(相當于TM4波段)處,在0.63～0.69 μm(相當于TM3波段)附近反射相對較高,因此含有Fe3+礦物的巖石,可使其在TM4、TMl及TM2圖像上亮度值降低,而使其在TM3圖像上相對呈高值[14]。與熱液作用有關的泥化蝕變如高嶺土化、綠泥石化、綠簾石化、絹云母化、碳酸鹽化等在2.08～2.35 μm(相當于TM7波段)附近有一個較強的光譜吸收帶(1.55～1.75 μm)。

2.2 方法選擇

遙感圖像各波段間存在一定的相關性,為了減少相關性對分類的影響,常使用主分量分析法去相關。主分量分析基于變量之間的相互關系,在信息總量守恒的前提下,利用線性變換的方法來實現去相關性。由于所獲各主分量之間不相關,故各主分量之間信息沒有重復或冗余。主分量分析的這一基本性質在蝕變異常信息提取中被充分利用。TM多波段數據通過PCA所獲每一主分量常常代表一定的地質意義,且互不重復,即各主分量的地質意義有其獨特性[14-16]。

用TMl、TM4、TM5、TM7等4個波段進行PCA,對代表羥基化物主分量的判斷準則是:構成該主分量的本征向量,其TM5系數應與TM7及TM4的系數符號相反,TMl一般與TM5系數符號相同。依據有關地物的波譜特征,羥基信息包含于符合這一判斷準則的主分量內,故此主分量可稱為羥基異常主分量(表2)。

表2 Landsat ETM數據第 1、4、5、7波段主成分分析特征矩陣Table 2 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,4,5 and 7

通過對研究區(qū)羥基主分量進行信息提取(圖2),筆者得出了三個異常區(qū)域(表3),分布于研究區(qū)的中部和西北部,三個異常區(qū)主要為三級羥基異常。其中2號和3號異常區(qū)局部零星二級異常,總體異常分布較零散,異常展布受北東向構造影響較大,出露的地層主要為婁山關組和秦家廟組,成礦條件較好,建議沿茅壩槽斷裂和恩施斷裂安排野外路線驗證,重點安排槽探和采樣工作,1號異常區(qū)出露地層主要為三疊系地層,找礦指導性意義較小,不建議安排野外驗證。

用TMl、TM3、TM4、TM5等4個波段進行PCA,對代表鐵染物主分量的判斷準則是:構成該主分量的本征向量,其TM3系數應與TM1及TM4的系數符號相反,TM3一般與TM5系數相同,同理,可將該主分量稱之為鐵染異常主分量(表4)。

圖2 研究區(qū)羥基異常提取圖Fig.2 Extraction map of hydroxyl anomaly in study area

圖3 研究區(qū)鐵染異常提取圖Fig.3 Extraction of iron staining anomaly in the study area

異常編號異常特征找礦意義1主要為三級羥基異常,分布較為分散。1號異常區(qū)地層主要為三疊系地層,構造不發(fā)育,找礦指導性意義不大,不建議安排野外驗證。2主要為三級羥基異常,異常較零散,異常展布受北東向構造影響較大。2號異常區(qū)成礦條件相對較好,沿茅壩槽斷裂北東向展布,且出露地層為婁山關組和覃家廟組,有一定找礦意義,建議安排野外路線驗證,重點安排槽探和采樣工作。3主要為三級羥基異常,局部零星二級異常,異常分布較零散,異常展布受北東向構造影響較大。3號異常區(qū)成礦條件較好,沿茅壩槽斷裂北東向展布,且出露地層為婁山關組,建議安排野外驗證,重點安排槽探和采樣工作。

表4 Landsat ETM數據第 1、3、4、5波段主成分分析特征矩陣Table 4 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,3,4 and 5

表5 鐵染異常蝕變信息提取異常檢查推薦表Table 5 Recommendation table for extracting abnormal alteration information of iron dyeing

通過對研究的鐵染主分量進行信息提取(圖3),筆者得出了四個異常區(qū)域(表5),主要分布于研究區(qū)的東北和西北部。其中2號和4號異常區(qū)為二級鐵染異常,出露的地層主要為婁山關組和秦家廟組,異常分布面積小且零散,呈北北東—北東帶狀分布,與茅壩槽斷裂和恩施斷裂一致,成礦條件較好,建議重點安排槽探和采樣工作。1號和3號異常區(qū)為三級鐵染異常,其中1號異常區(qū)出露地層主要為三疊系地層,3號異常區(qū)為人類活動區(qū)域,不建議安排野外驗證工作。

3 野外驗證及分析討論

2016年項目組分別對沿構造破碎帶發(fā)育的遙感礦化蝕變信息異常區(qū)實施了野外實地考查,對異常進行了查證,同時分析了遙感提取蝕變異常信息和研究區(qū)內已知礦點之間的關系,最終成果表明:與羥基蝕變信息有關的礦點有7個,與鐵染蝕變信息有關的礦點有4個。結合野外考查驗證總體來講,研究區(qū)內硅化蝕變異常和羥基蝕變異常是找礦的有利標志。

圖4 恩施白果壩地區(qū)銅鉛鋅多金屬礦野外驗證照片Fig.4 Field verification photos of copper,lead and zinc polymetallic mines in Baiguoba area,EnshiA.鉛鋅礦;B.鉛鋅礦;C.硅質團塊;D.礦洞;E.斷層帶。

白果壩銅鉛鋅礦化主要分布于北東向、北北東向斷裂的周圍,整個區(qū)域鐵染蝕變異常發(fā)育規(guī)模較小,主要出現在白果壩背斜核部,表現為鐵染三級蝕變異常,局部見二級異常,其他區(qū)域基本沒有發(fā)育。羥基蝕變異常發(fā)育規(guī)模相對大一些,分別集中在白果壩背斜核部及西南翼,整個白果壩地區(qū)銅鉛鋅礦區(qū)表現出羥基蝕變異常和鐵染蝕變異常套合較好。結合野外驗證,鉛鋅含礦層位主要位于婁山關組二段上部細晶白云巖中,巖石常具硅化,含少量硅質團塊(圖4),方解石脈非常發(fā)育,裂隙較發(fā)育,并充填有大量方解石脈。鉛鋅等硫化物礦石常充填于巖石裂隙、節(jié)理中。在北東向斷裂發(fā)育部位,鉛鋅礦常順斷裂裂隙及斷裂角礫巖充填形成。

總體來講,白果壩銅鉛鋅多金屬礦的產出與硅化,以及羥基蝕變異常套合區(qū)的邊緣上伴隨有鐵染蝕變異常的出現,筆者推測硅化、羥基和鐵染異常的疊合是指示研究區(qū)內銅鉛鋅多金屬礦化的主要標志。本次工作取得如下成果:一是采用選擇基礎圖像→主成分分析→統(tǒng)計分析→異常提取的方法和流程與野外實際驗證取得了良好效果;二是在交通不便、自然地理條件惡劣的地區(qū),利用遙感找礦方法可以迅速高效地圈定蝕變異常分布范圍,預測有利成礦區(qū),為常規(guī)地質找礦指明方向,可以縮小工區(qū)范圍,提高找礦工作效率。