航空高光譜遙感區域成礦背景研究——以甘肅柳園-方山口地區為例1.0

引言

高光譜遙感是當前地質領域應用的前沿和熱點，國內外都在積極進行探索。高光譜遙感在地質領域的應用具有兩大技術優勢：一是通過高光譜礦物填圖，可以快速、大面積地提取蝕變礦物；二是圖譜合一，譜可以識別礦物及其種類，圖可以直觀提取蝕變礦物的位置、范圍、形態、控制要素和分布特征等。航空高光譜遙感技術由于可以獲得高空間分辨率（可達亞米級）的高光譜遙感數據，能夠識別規模小的近礦圍巖蝕變，從而具有直接找礦的效果。遙感找礦必須點面結合，首先要研究區域成礦背景，做到胸有全局，只有掌握了全局，才能從區域的高度，充分發揮找礦模型的作用，準確地確定目標礦物類型和最佳找礦區段。

航空高光譜遙感除具有上述識別蝕變礦物的優勢外，還具有遙感的區域性優勢，借助所填的區域礦物分布圖，可以從新的角度來研究一個地區的區域成礦背景。目前在國內外文獻中尚未查到利用航空高光譜遙感技術研究區域成礦背景的論文。本文試圖綜合航空高光譜遙感圖譜合一、高空間分辨率和高光譜分辨率的優勢，在區域成礦背景研究方面進行探索，以便更充分地發揮高光譜遙感技術的地質找礦優勢和作用，提升高光譜遙感技術的地質應用效果。

研究區地質概況

研究區位于甘肅省北山的柳園—方山口地區（圖1）。實驗區出露的地層主要為震旦系和古生界，其中古生界缺失泥盆系。中生界分布范圍局限，第四系廣泛分布于平坦地帶。震旦系洗腸井群，為一套含有冰磧礫石的片巖、板巖、千枚巖、角巖和大理巖。寒武系由雙鷹山群和西雙鷹山群組成，主要為黑色硅質巖夾結晶灰巖，偶見夾白色石英巖。奧陶系僅見中統和上統，主要由花牛山群的變質砂巖、角巖夾流紋巖、玄武巖和白云山組火山巖組成。志留系包括斜山群、公婆泉群，總體變質程度較高，其中斜山群主要為混合巖、片麻巖、片巖和大理巖；公婆泉群為一套變質的中-酸性火山巖。石炭系紅柳園組，主要為一套中酸性火山巖，自東向西夾有陸源碎屑巖、海相碳酸鹽、流紋巖。二疊系僅出露下統，巖性主要為砂巖。

圖1柳園—方山口地區大地構造位置及地質略圖

實驗區內褶皺構造大多伴隨東西向斷裂帶發育，其形態多屬緊密線狀的單式或復試背斜和向斜、褶皺軸向呈東西或近東西向展布。區內的斷裂構造按照力學性質可分為壓性、張性和扭性3類。張性斷裂多成南北向，如花白山斷裂。扭性斷裂在研究區內分布十分廣泛，大致分為北東和北東東兩組，如花南溝、金溝子和白石嶺斷裂。

實驗區內巖漿活動頻繁，主要有輝橄巖、花崗閃長巖、石英閃長巖、閃長巖、似斑狀花崗巖和花崗巖等。巖體的規模不等，呈大型巖基或長條狀巖體和巖脈產出，產出的時代為海西期和印支期。

區內已知礦產有金、銅、鉛鋅、鎢鉬、鉻鎳、鐵等，為一典型的金屬成礦區。該區雖從地質、物化探和多光譜遙感的角度進行過研究，但大多數圍繞著礦床和區域基礎地質問題，缺少從區域成礦條件、控礦要素、礦床分布規律和找礦方向等方面綜合研究區域成礦背景的研究，更沒有從航空高光譜遙感的角度來研究該區成礦背景的文章。本文利用航空高光譜遙感的技術優勢，首次研究該區的區域成礦背景，并進行地質找礦的應用。

航空高光譜遙感信息源與數據處理及成圖

3.1 信息源

研究使用的數據源是2010年—2011年利用可見光-近紅外，短波紅外，熱紅外航空高光譜成像系統獲取的遙感數據。根據在柳園—方山口地區探測任務的需要，獲取了3000km2高空間分辨率的高光譜遙感數據。

3.2 光譜數據處理

利用高光譜遙感數據直接識別地物的前提條件是光譜信息的準確性。數據預處理、大氣校正、光譜重建是保證光譜信息準確性不可缺少的環節，而重建光譜的質量直接影響到信息提取的能力和可信度。

3.2.1 采集航空高光譜遙感數據預處理

航空高光譜遙感成像系統配備了用于數據預處理（輻射校正、幾何校正和地形校正）的功能模塊，處理過程分為4個步驟：（1）輻射校正；（2）傳感器姿態數據處理；（3）GPS定位數據處理；（4）姿態數據與定位數據時間同步與集成。預處理后數據的幾何誤差小于5個像元，可以滿足下一步數據處理工作的要求。

3.2.2 航空高光譜數據的大氣校正和光譜重建

大氣校正與光譜重建工作主要采用了明暗地物的經驗線性校正方法，并選擇實驗區，進行重建光譜與實測光譜特征的對比，結果表明，重建光譜與實驗光譜曲線吻合良好（圖2），表明了重建光譜的正確性。

圖2重建光譜與實測光譜對比圖

3.2.3 航空高光譜礦物填圖法

本次礦物填圖過程中，首先要求注入地質學和礦物學的知識，把專業知識貫穿于礦物填圖的全過程。不僅要考慮吸收峰的位置和礦物整體譜形，還要考慮本地區的成礦環境、可能存在的礦物及其組合等。對傳統的填圖方法進行了改進，采用將礦物光譜相似性填圖與光譜特征參數填圖相結合的方法，建立了相應的技術流程 (圖3)。

圖3基于光譜相似性與光譜特征參數填圖的技術流程圖

3.3 填圖結果與野外查證

圖4是利用短波紅外（SASI）數據所填的柳園地區礦物區域分布圖，提取的蝕變礦物有絹云母、蛇紋石、綠泥石、褐鐵礦、高嶺石、方解石、石膏、黃鉀鐵釩等。圖5是利用短波紅外（SASI）數據所填的方山口地區礦物區域分布圖，提取出的蝕變礦物有絹云母、蛇紋石、綠泥石、綠簾石、褐鐵礦、方解石、白云母、黃鉀鐵釩、芒硝、菱鐵礦等10余種蝕變礦物。

圖4柳園地區蝕變礦物區域分布圖（據SASI數據源）

這些提取的礦物是與成礦作用密切相關的蝕變礦物，也是地質找礦經常涉及到的蝕變礦物，具有重要的實用價值。核工業北京地質研究院、核工業航測遙感中心、西安地質礦產調查中心等3家單位對航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區的區域礦物分布圖分片進行了野外查證，檢驗礦物提取的準確性。經野外查證和室內巖礦鑒定、化學分析，礦物提取的準確率達90%左右，表明這一填圖結果可以作為詮釋該區成礦背景的依據。

航空高光譜遙感礦物填圖結果的地質詮釋

應用航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區的礦物區域分布圖，圍繞該區的區域成礦背景問題進行了地質詮釋。所謂區域成礦背景，主要是指區域成礦條件、區域控礦要素、區域礦產的空間分布規律、區域找礦方向和最佳找礦地段。本次章節我們先來探討其成礦條件：

4.1 基于航空高光譜礦物分布圖識別的成礦條件

從航空高光譜遙感所填的柳園—方山口地區礦物分布圖上（圖4和圖5），不僅可以看出蝕變礦物的種類、組合、發育程度和空間分布特征，而且可以分析出哪些巖體、哪些地層、哪些構造發生了蝕變。

圖5方山口地區蝕變礦物區域分布圖（據SASI數據源）

（1）蝕變巖體的識別。如前所述，柳園地區海西期和印支期中酸性巖體極為發育，有受褶皺構造控制的大型巖基，也有受大斷裂帶控制的長條狀巖體。填圖結果表明，該區發生蝕變作用的巖體主要是海西-印支期沿大斷裂同方向展布的長條狀花崗巖類巖體（圖6），而大型的花崗巖基僅局部有蝕變現象。巖體的蝕變主要表現為褐鐵礦化、赤鐵礦化和絹云母化。

圖6柳園地區長條狀蝕變花崗巖體和花崗巖基分布圖

（2）蝕變地層的識別。從柳園地區蝕變礦物分布圖上可以看出該區哪些地層發生了蝕變，哪些地層未發生蝕變。對發生蝕變的地層進一步分析還可以看出，哪些地層發生的蝕變屬區域變質作用造成的蝕變，哪些地層的蝕變可能是與熱液有關的蝕變，對沉積型礦產來說，熱液的疊加改造作用更有利于形成富礦、大礦。識別地層區域變質作用的主要標志是：蝕變礦物分布面積大，呈帶狀，與地層的展布相吻合（圖7）；識別地層熱液蝕變的主要標志是，蝕變面積小，產出位置與斷裂構造及其特殊部位有關，如，處于斷裂的交叉部位、弧形拐彎部位和入字型斷裂夾角部位（圖8）等。

圖7與區域變質作用有關的地層蝕變圖

圖8處于入字型斷裂夾角部位的熱液蝕變圖

（3）蝕變構造的識別。進一步分析航空高光譜遙感礦物分布圖還可以看出，有的斷裂有明顯的蝕變現象，通常發育硅化、絹云母化、褐鐵礦化（黃鐵礦化）、碳酸鹽化、蛇紋石化等的一種或幾種；有的斷裂卻沒有蝕變礦物沿其分布的現象。有蝕變發育的斷裂，反映其曾經歷過熱液作用，蝕變礦物的發育是熱液作用留下的痕跡，這類斷裂有可能與成礦作用有關，可以視為成礦構造。一般情況下，沒有蝕變的斷裂，可視為非成礦構造（圖9）。由于金屬礦的成礦均與蝕變現象密切相關，如果開展區域找礦，首先需要知道工作區的蝕變礦物的種類、組合、發育程度和空間分布特征，這對評價該區找礦前景，進行戰略選區和確定找礦的目標類型至關重要。如果再知道哪些巖體、哪些地層和哪些構造發生了蝕變，將會大大縮小找礦對象，更好地優選找礦的有利地區，本研究充分表明了航空高光譜遙感數據的適用性和優勢。

圖9方山口地區成礦構造解譯圖

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審核編輯 黃宇