韓海輝，張轉(zhuǎn)，任廣利，易歡，劉拓

(自然資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心/西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054)

巖石和礦物在電磁波譜上具有其獨(dú)特的診斷性波譜，利用這些特征可以區(qū)分其類型(Rowan et al.，1977；Hunt et al.，1978；Chavez et al.，1982；Salisbury et al.，1989，1994；Duke et al.，2010；張良培，2014；Asadzadeh et al.，2016；Bishop et al.，2018)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，如何應(yīng)用成像光譜數(shù)據(jù)直接識(shí)別不同巖礦類型成為遙感地質(zhì)研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)此，荷蘭學(xué)者Van der Meer(2012)根據(jù)遙感數(shù)據(jù)源劃分了3個(gè)研究時(shí)代：Landsat時(shí)代、ASTER時(shí)代、高光譜時(shí)代。在可見光-近紅外光譜區(qū)(0.325～2.5 μm)，礦物中Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-等離子或分子基團(tuán)在反射譜帶可形成特征吸收峰。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)這個(gè)特征，利用主成分分析、比值分析和光譜角填圖等信息增強(qiáng)方法，從多源遙感數(shù)據(jù)中廣泛識(shí)別鐵染、泥化和碳酸鹽化等蝕變帶，為近年全球鐵、銅、金等礦種的資源勘查工作提供了有效幫助(Goetz et al.，1981；Crosta et al.，1989；Loughlin，1991；Zadeh et al.，2014；Gabr et al.，2015；Boissieu et al.，2018；Carrino et al.，2018；Govil et al.，2018)。

但對(duì)于巖漿熔離型礦床(尤其銅鎳礦)來說，賦礦基性-超基性巖體多呈規(guī)模較小的巖株或小透鏡體狀，往往導(dǎo)致蝕變輝長(zhǎng)巖等圍巖中的蛇紋石化、綠泥石化、綠簾石化等低弱礦化遙感蝕變異常往往與復(fù)雜地質(zhì)背景信息疊加(Gabr et al.，2010；別小娟等，2013；陳圣波等，2016；成功等，2016；Liu et al.，2018)。在此情況下，僅利用近紅外波段識(shí)別蝕變礦物類型或圍巖巖性通常會(huì)受到“同物異譜”和“異物同譜”的干擾，造成結(jié)果的不確定性和不可靠性。

理論上來講，所有高于絕對(duì)零度的物體都能夠輻射電磁波，具有反射、吸收、透射和發(fā)射電磁波的能力，這種特征也就是地物的電磁波譜(光譜)特征。常見造巖礦物中Si-O鍵的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱輻射，在8～14 μm的熱紅外波段范圍內(nèi)具有明顯異常值(Salisbury et al.,1992；劉漢湖等，2008；陳圣波等，2016)。ASTER數(shù)據(jù)在熱紅外波譜范圍內(nèi)具有5個(gè)波段，可以間接反映巖石中SiO2的含量，從而為基性-超基性巖體的識(shí)別和填圖提供依據(jù)。因此，前人通過遙感數(shù)據(jù)反演巖石中SiO2含量，從而劃分出酸性、中性、基性地質(zhì)體(楊長(zhǎng)保等，2009；陳圣波等，2016)。但這種方法并未考慮識(shí)別出的基性-超基性巖中可能包括了碳酸鹽巖等地層，因?yàn)樗鼈兺瑯訛榈蚐iO2含量。

針對(duì)上述不足，筆者通過分析基性巖體在熱紅外波譜范圍內(nèi)的發(fā)射譜特征，提出了基于硅化-碳酸鹽化的“基性度遙感指數(shù)法”。采用多光譜ASTER數(shù)據(jù)在基性巖廣泛分布的北山柳園地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，快速識(shí)別該區(qū)域基性-超基性巖；并通過室內(nèi)外驗(yàn)證的方式定量評(píng)價(jià)新方法的有效性，為北山及西北地區(qū)基性-超基性巖體的遙感定量識(shí)別提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

ASTER傳感器搭載的Terra衛(wèi)星發(fā)射于1999年12月，該數(shù)據(jù)具有3個(gè)空間分辨率為15 m的可見光和近紅外波段(VNIR，0.52～0.86 μm)，6個(gè)空間分辨率為30 m的短波紅外波段(SWIR，1.6～2.43 μm)、5個(gè)空間分辨率為90 m的熱紅外波段(TIR，8.125～11.65 μm)。國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究均表明，該數(shù)據(jù)非常適合于提取與成礦有關(guān)的各類蝕變礦物和圍巖(Ninomiya，2002；Kalinowski et al.，2004；Pour et al.，2012；Son et al.，2014；韓海輝等，2016)。

本次實(shí)驗(yàn)使用了六景ASTER數(shù)據(jù)，獲取時(shí)間分別為2001年6月6日(2景)、2001年10月28日(1景)、2002年8月12日(1景)和2004年9月27日(2景)，數(shù)據(jù)級(jí)別均為L(zhǎng)1B。原始數(shù)據(jù)已經(jīng)過了輻射校正和幾何初校正，圖像質(zhì)量較好，無云及陰影遮蓋。由于ASTER短波紅外波段存在因傳感器設(shè)計(jì)引起的串?dāng)_(Crosstalk)現(xiàn)象(Kalinowski et al.，2004；袁金國(guó)等，2009)。因此，首先使用日本地球遙感數(shù)據(jù)分析中心(ERSDAC)開發(fā)的CrossTalk 3.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串?dāng)_校正。

為消除大氣對(duì)反射率的影響，本次實(shí)驗(yàn)利用ENVI軟件提供的FLAASH模塊對(duì)ASTER1～9波段進(jìn)行大氣校正，同時(shí)利用ENVI軟件提供的Thermal Atm Correction模塊對(duì)ASTER10～14波段數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。為了獲取熱紅外發(fā)射率值，本次研究采用ENVI平臺(tái)的發(fā)射率歸一化法獲得ASTER影像發(fā)射率圖像。

為確保ASTER數(shù)據(jù)的幾何精度，本次實(shí)驗(yàn)以野外手持式GPS采集的控制點(diǎn)和研究區(qū)1∶10萬DEM為控制資料；首先，利用ENVI軟件提供的Orthorectification模塊分別對(duì)ASTER數(shù)據(jù)1～9波段和10～14波段進(jìn)行幾何精校正；其次，用圖像重采樣方法均選擇雙線性插值法，各波段輸出像元大小統(tǒng)一為30 m，通過與標(biāo)志地物對(duì)比，發(fā)現(xiàn)校正后多光譜ASTER圖像的實(shí)際定位誤差約為1～3個(gè)像元，可以滿足蝕變礦物提取的精度要求；最后，將可見光波段(1～3波段)、短波紅外波段(4～9波段)和熱紅外波段(10～14波段)進(jìn)行波段合并處理。對(duì)于遙感圖像中的植被等干擾信息，筆者在可見光和短波紅外波段采用波段比值技術(shù)進(jìn)行去除。

2 “基性度遙感指數(shù)法”的提出

前人通過分析石英及其他典型硅酸鹽類礦物的發(fā)射率光譜特征，建立了SiO2含量與遙感熱紅外波段歸一化發(fā)射率值之間的數(shù)量關(guān)系，為利用ASTER熱紅外圖像識(shí)別酸性、中性、基性地質(zhì)體提供了依據(jù)(楊長(zhǎng)保等，2009)。但這種方法在識(shí)別基性巖體時(shí)存在一定弊端，因?yàn)樗⑽纯紤]到碳酸鹽巖區(qū)域同樣表現(xiàn)出低SiO2含量的特征。中國(guó)西北地區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜，碳酸鹽巖地層廣泛發(fā)育。近年在北山、阿爾金、東昆侖等地區(qū)開展的遙感地質(zhì)調(diào)查研究項(xiàng)目中，筆者團(tuán)隊(duì)均發(fā)現(xiàn)不排除這種干擾因素很容易產(chǎn)生“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象，會(huì)造成識(shí)別結(jié)果存在較大不確定性(任廣利等，2013，2018；Yang et al.，2014；韓海輝等，2016，2018)。因此，如何進(jìn)一步改進(jìn)識(shí)別方法以降低干擾因素的影響值得分析?；谏鲜隹紤]，筆者通過光譜分析提出了基于硅化-碳酸鹽化的“基性度遙感指數(shù)法”，即在反演SiO2含量的過程中加入碳酸鹽含量這個(gè)限定因子，從而最大可能地降低碳酸鹽巖等低SiO2含量地層在基性-超基性巖體遙感識(shí)別中的干擾。

通過研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況下波譜數(shù)據(jù)的紅外部分可利用基爾霍夫定律(E=1-R)計(jì)算地物發(fā)射率，其可行性已在前人實(shí)驗(yàn)和野外測(cè)量中得到驗(yàn)證(張瑩彤等，2017)。本次研究利用JHU波譜庫(kù)中石英和碳酸鹽(方解石)的波譜數(shù)據(jù)計(jì)算了兩者的發(fā)射率曲線，并采集到ASTER熱紅外波譜范圍(圖1)。可以發(fā)現(xiàn)石英在8～12 μm波段范圍內(nèi)的歸一化發(fā)射率曲線呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的“V”字形振動(dòng)特征峰?？傮w來看，在ASTER13和14波段為高發(fā)射率，在ASTER12波段附近為低發(fā)射率；而碳酸鹽在8～12 μm波段范圍內(nèi)也呈現(xiàn)3個(gè)較明顯的“V”字形振動(dòng)特征峰，尤其在11～12 μm波譜范圍的振動(dòng)幅度最大，對(duì)應(yīng)為ASTER13和14波段，即在ASTER13波段為高發(fā)射率，在ASTER14波段附近為低發(fā)射率。因此，根據(jù)這些顯著特點(diǎn)，可以利用熱紅外數(shù)據(jù)近似反演巖體中的SiO2含量和碳酸鹽含量。

a.石英；b.方解石

具體來說，根據(jù)石英在ASTER熱紅外的13波段發(fā)射率相對(duì)強(qiáng)于12波段的特征，可用Band13/Band12計(jì)算硅化指數(shù)；利用碳酸鹽在ASTER熱紅外的13波段發(fā)射率相對(duì)強(qiáng)于14波段的特征，可用Band13/Band14計(jì)算碳酸鹽指數(shù)。在此基礎(chǔ)上，筆者提出“基性度遙感指數(shù)”，即在計(jì)算過程中排除碳酸鹽干擾，公式定義如下。

(1)

式中BDI數(shù)值越高代表巖石的基性度指數(shù)越高，即巖石為基性-超基性巖的幾率越大。

3 “基性度遙感指數(shù)法”的測(cè)試

3.1 測(cè)試區(qū)地質(zhì)概況

測(cè)試區(qū)位于甘肅、新疆交界部位的柳園鎮(zhèn)區(qū)域，大地構(gòu)造位置介于西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊與塔里木板塊三者之間，屬中元古—早古生代多旋回北山裂谷帶，是在前寒武紀(jì)穩(wěn)定陸塊上發(fā)育的多階段構(gòu)造-巖漿巖帶。該區(qū)域大地構(gòu)造位置屬北山裂谷帶，南北橫跨星星峽-旱山微板塊、敦煌微板塊2個(gè)二級(jí)單元(楊建國(guó)等，2012)。銅鎳礦化基性-超基性巖體集中產(chǎn)于布特-平頭山微地塊中及其兩側(cè)2條區(qū)域性深大斷裂帶(大山頭-崗流腦子和方山口-廟廟井-雙鷹山)附近；區(qū)內(nèi)地層出露較全，從中—新元古界、古生界及新生界均有出露。區(qū)域上產(chǎn)出眾多鎂鐵-超鎂鐵質(zhì)巖體，已發(fā)現(xiàn)鐵、銅、鎳、金、鎢、鉛鋅等礦產(chǎn)地幾十余處，是北山成礦帶中一個(gè)重要資源勘查區(qū)(胡鵬，2007；王立社等，2008；楊建國(guó)等，2012)。

根據(jù)已知地質(zhì)調(diào)查圖件修編的基性-超基性巖體分布圖(圖2)，可以看出測(cè)試區(qū)內(nèi)基性-超基性巖體主要分布于明舒井—紅柳溝—北大泉、輝銅山和三個(gè)井—羅雅楚山—怪石山一帶，其他區(qū)域呈零星出露狀況。前人研究表明，該區(qū)域礦化巖體均為強(qiáng)烈分異或多期次侵位的小巖體，部分含礦巖體圍巖蝕變強(qiáng)烈，以蛇紋石化、綠泥石化和滑石化為主(楊建國(guó)等，2012；謝燮等，2015)。

圖2 測(cè)試區(qū)基性-超基性巖分布圖(據(jù)1∶100萬地質(zhì)圖和1∶10萬地質(zhì)圖修改)

3.2 “基性度遙感指數(shù)法”的識(shí)別結(jié)果

基于實(shí)驗(yàn)中采用的六景ASTER熱紅外數(shù)據(jù)，筆者利用“基性度遙感指數(shù)法”獲取了測(cè)試區(qū)巖體基性度指數(shù)圖(圖3)，這為分析和判斷基性-超基性巖體的分布及特征提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖3中，深棕色區(qū)域是基性度指數(shù)的高值區(qū)，代表這些區(qū)域?yàn)榛?超基性巖體的概率較大；形態(tài)來看，高值區(qū)主要呈現(xiàn)斑塊狀或條帶狀，較明顯的高值分布區(qū)位于輝銅山、紅柳溝—北大泉、老金廠—紅柳園、照壁山、天湖—星星峽一帶及墩墩山附近。

為有效評(píng)估識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者綜合利用已知地質(zhì)資料(1∶100萬地質(zhì)圖、1∶250萬地質(zhì)圖、營(yíng)毛沱-玉石山地區(qū)1∶10萬成礦預(yù)測(cè)圖)和野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對(duì)基性度指數(shù)值高的區(qū)域選取驗(yàn)證點(diǎn)，核查對(duì)應(yīng)的巖性。實(shí)驗(yàn)中共選取65個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)(圖3)，基本覆蓋了所有高值區(qū)域，然后將對(duì)比結(jié)果以混淆矩陣的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 驗(yàn)證點(diǎn)巖性的混淆矩陣表

結(jié)果表明，雖然仍有部分地層和中酸性巖體被誤識(shí)別為基性-超基性巖，但總體來說“基性度遙感指數(shù)法”識(shí)別效果較好，準(zhǔn)確率可達(dá)70%左右，而且通過新方法識(shí)別的基性-超基性巖體斑塊邊界比以往地質(zhì)圖中填繪的邊界更為精細(xì)和準(zhǔn)確。另外，通過對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)一般線狀或條帶狀分布的高值區(qū)域基本為地層，可分3類：①由玄武巖、安山凝灰?guī)r、流紋巖等組成的中基性火山巖。例如，金塔組和墩墩山組。②由各種變質(zhì)巖組成的敦煌雜巖。③含白云質(zhì)灰?guī)r的碳酸鹽巖。例如，平頭山組。而基性-超基性巖體多呈現(xiàn)為斑塊狀。圖3中還有個(gè)別高基性度值的小斑塊在已知地質(zhì)圖上未被單獨(dú)標(biāo)識(shí)或標(biāo)識(shí)為中酸性巖體(閃長(zhǎng)巖)，因野外未能逐一核查，故無法判斷是否為遺漏或錯(cuò)標(biāo)的基性-超基性小巖體，這些疑似斑塊一定程度上也影響著本次評(píng)估的精度(評(píng)估中按非基性-超基性巖統(tǒng)計(jì))。

圖3 測(cè)試區(qū)基性度遙感指數(shù)圖

3.3 典型礦區(qū)識(shí)別結(jié)果的應(yīng)用分析

在測(cè)試區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與基性-超基性巖體有關(guān)的礦(化)點(diǎn)。其中，紅柳溝銅鎳礦點(diǎn)和三個(gè)井銅鎳礦點(diǎn)是較為典型的巖漿熔離型礦點(diǎn)。筆者對(duì)這2個(gè)礦點(diǎn)區(qū)的遙感地質(zhì)特征進(jìn)行了綜合分析。

從成礦地質(zhì)背景來看，紅柳溝銅鎳礦點(diǎn)與三個(gè)井銅鎳礦點(diǎn)同處于北山裂谷帶中。其中，紅柳溝銅鎳礦點(diǎn)位于三個(gè)井銅鎳礦點(diǎn)北側(cè)，區(qū)內(nèi)發(fā)育的紅柳溝基性-超基性巖體位于塔里木板塊北緣北山裂谷帶，巖體兩側(cè)分別為大山頭-崗流腦子、方山口-廟廟井-雙鷹山2條區(qū)域性深大斷裂帶；巖石主要由輝長(zhǎng)巖、橄欖輝長(zhǎng)巖、輝石巖等組成，巖石具有多期侵位且?guī)r相分異性好的特點(diǎn)(楊建國(guó)等，2012；謝燮等，2015)。

區(qū)內(nèi)主要出露地層為晚太古—早元古代敦煌巖群深變質(zhì)巖建造、薊縣系平頭山組富鎂碳酸鹽巖及少量火山巖建造、奧陶系羅雅楚山組淺海半深水相硅質(zhì)巖、濁積巖沉積；基性-酸性巖漿巖均有出露，主要為基性巖體，變質(zhì)巖為花崗閃長(zhǎng)質(zhì)片麻巖(圖4a)(楊建國(guó)等，2012)。

從圖4b可以看出，紅柳溝大巖體的基性度指數(shù)表現(xiàn)為高值，呈北東向斷續(xù)延伸的條帶狀或斑塊狀分布，這與前人1∶10萬地質(zhì)礦產(chǎn)圖(楊建國(guó)等，2012)(圖4a)中基性巖體的分布區(qū)域基本吻合。理論上來說，本次遙感分析結(jié)果展示的基性巖體邊界和形態(tài)更為準(zhǔn)確。另外，也發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在多個(gè)地磁異常和化探異常，這些異常勾畫區(qū)與基性度遙感指數(shù)高值區(qū)重合較好。以上結(jié)果也印證了利用本文這種遙感方法快速識(shí)別出的基性巖體具有較高的可對(duì)比性。

a.已知地質(zhì)礦產(chǎn)圖；b.基性度遙感指數(shù)圖

遙感圖像上，不管是在中空間分辨率的Landsat-7，還是高空間分辨率的WorldView-2中，紅柳溝基性大巖體也是清晰可辨易區(qū)分。主要表現(xiàn)為正地形、暗色、表面較平緩、影像紋理呈現(xiàn)刀砍狀。其中，Landsat-7的741波段假彩色影像上呈紅棕色-褐色，而WorldView-2的841波段假彩色影像上呈灰褐色-深褐色。另外，該基性巖體中新解譯出多組近東西向次級(jí)斷裂與北西向次級(jí)斷裂，呈現(xiàn)縱橫交錯(cuò)的分布局面(圖5)。

a.Landsat-7 741波段影像圖；b.WorldView-2 841波段影像圖

野外地質(zhì)調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)紅柳溝基性巖體以輝長(zhǎng)巖為主，基本呈巖株或巖脈狀產(chǎn)出，露頭??；發(fā)育在斷裂破碎帶附近的輝長(zhǎng)巖蝕變現(xiàn)象強(qiáng)烈，取樣可見較明顯的褐鐵礦化、綠泥石化、綠簾石化等，局部可見孔雀石化(圖6)。對(duì)礦區(qū)內(nèi)銅鎳礦化的蝕變輝長(zhǎng)巖樣品(編號(hào)29)進(jìn)行光譜測(cè)量(利用ASD光譜儀)，發(fā)現(xiàn)其光譜曲線表現(xiàn)出0.6～0.8 μm，0.8～1.2 μm處的Fe3+離子與Fe2+離子的吸收譜帶，并在2.250 μm處和2.345 μm處具有Fe-OH和Mg-OH吸收峰，峰形都較深，表現(xiàn)出明顯的綠泥石化蝕變特征；經(jīng)Specmin軟件進(jìn)行光譜解混計(jì)算，得出其蝕變礦物主要有綠泥石、綠簾石、蛇紋石等；將蝕變輝長(zhǎng)巖光譜曲線與USGS光譜庫(kù)中已知礦物的光譜曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)蝕變輝長(zhǎng)巖光譜曲線上表現(xiàn)出的Mg-OH吸收峰位與綠泥石光譜曲線中Mg-OH特征吸收峰位大體一致(圖7)。

圖6 紅柳溝地區(qū)蝕變輝長(zhǎng)巖照片

a.綠簾石(USGS光譜率)；b.綠泥石(USGS光譜率)；c.蝕變輝長(zhǎng)巖(ASD光譜率)；d.褐鐵礦(USGS光譜率)

通過以上對(duì)典型礦區(qū)的綜合分析，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了利用基性度遙感指數(shù)結(jié)果判別基性-超基性巖體的可行性和有效性。因此，筆者重新厘定測(cè)試區(qū)基性-超基性巖體后新識(shí)別的疑似小斑塊很可能就是尚未發(fā)現(xiàn)的基性-超基性巖體，這為該區(qū)域今后尋找?guī)r漿熔離型礦床(點(diǎn))提供了新線索，也為在北山乃至西北其他區(qū)域開展同類研究提供了新參考。

4 結(jié)論

(1)石英和方解石在8～12 μm波段范圍內(nèi)歸一化發(fā)射率曲線分別呈現(xiàn)出2個(gè)和3個(gè)較明顯的“V”字形振動(dòng)特征峰，據(jù)此提出了一種基于硅化-碳酸鹽化的“基性度遙感指數(shù)法”。

(2)“基性度遙感指數(shù)法”對(duì)基性-超基性巖體的總體識(shí)別精度可達(dá)70%左右，且識(shí)別的巖體邊界比以往地質(zhì)圖中填繪邊界更為精細(xì)，較好地實(shí)現(xiàn)了快速識(shí)別基性-超基性巖體的目的。

(3)“基性度遙感指數(shù)法”識(shí)別基性巖體的分布特征與實(shí)際地質(zhì)狀況吻合，基性度遙感指數(shù)高值區(qū)與已知地磁異常和化探異常也有較好重疊，這為利用多種方法快速鎖定基性-超基性巖體提供了新思路，尤其是新發(fā)現(xiàn)高基性度值疑似的斑塊值得核查。

(4)“基性度遙感指數(shù)法”對(duì)部分地層和中酸性巖體仍然有誤識(shí)別現(xiàn)象，下一步將結(jié)合更多實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)和人工智能識(shí)別技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)算法，提高其可靠性和精確性。