張云峰，李領(lǐng)軍，馮 淳

ASTER數(shù)據(jù)在北方鋁土礦預(yù)普查中的應(yīng)用
——以豫西澠池地區(qū)為例

張云峰，李領(lǐng)軍，馮 淳

(西北有色地質(zhì)研究院，西安 710054)

ASTER數(shù)據(jù)的光譜和空間分辨率均具有一定優(yōu)勢，適合于中等比例尺的礦產(chǎn)預(yù)普查。為了探討ASTER數(shù)據(jù)應(yīng)用于鋁土礦預(yù)普查的效果，通過對ASTER圖像彩色合成、地質(zhì)解譯及異常信息提取，對豫西澠池地區(qū)的鋁土礦進行了預(yù)普查試驗。結(jié)果表明，在北方基巖裸露地區(qū)，應(yīng)用ASTER數(shù)據(jù)圈定“賦礦影像單元”和提取鋁土礦遙感找礦信息能獲得較好的效果。

ASTER數(shù)據(jù);豫西;鋁土礦;賦礦影像單元;主成分分析(PCA)

0 引言

在礦產(chǎn)資源勘查節(jié)奏日益變快的今天，礦產(chǎn)預(yù)普查工作也要求更加快速、準確和便捷。遙感地質(zhì)工作因其具有區(qū)域性、快速性和經(jīng)濟性的特點，而在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作中起到越來越重要的作用。張瑞江［1］通過遙感技術(shù)在我國西部地區(qū)開展了控礦要素解譯、成礦帶展布以及礦化蝕變信息提取等方面的應(yīng)用研究，論述了遙感技術(shù)的優(yōu)勢所在，并總結(jié)了一套遙感找礦預(yù)測方法和程序;王恩德等［2］在遼西地區(qū)鉬多金屬礦床遠景區(qū)預(yù)測研究中，通過遙感信息提取技術(shù)，在已知礦集區(qū)的基礎(chǔ)上再次預(yù)測了2個小型遠景區(qū);崔銀亮等［3］應(yīng)用遙感技術(shù)在滇東北地區(qū)開展了鉛鋅銀礦的成礦預(yù)測，圈定了40個找礦遠景區(qū)，等等。這些遙感專題研究及實踐成果為進一步地質(zhì)勘查工作提供了重要參考。

目前，遙感數(shù)據(jù)源越來越多，但就現(xiàn)階段而言，數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜分辨率的提高往往不能兼得，相反有些還出現(xiàn)互相消長的趨勢。近年來，由于ASTER數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率和光譜分辨率特征，因而在地質(zhì)勘查中越來越多地被應(yīng)用。刁海等［4］在內(nèi)蒙古白乃廟地區(qū)使用ASTER數(shù)據(jù)，基于主成分分析技術(shù)提取了矽卡巖化、青磐巖化、綠泥石化及碳酸鹽化等異常信息;張玉君等［5］在新疆東天山及黃山地區(qū)用ASTER數(shù)據(jù)進行不同類型礦床蝕變異常信息提取研究，并對ASTER數(shù)據(jù)應(yīng)用方法進行了總結(jié)。在“我國北方鋁土礦找礦快速評價及遠景區(qū)預(yù)測”項目中，筆者在豫西澠池地區(qū)，結(jié)合鋁土礦的賦存特點，使用ASTER數(shù)據(jù)，通過圖像處理、地質(zhì)解譯及信息提取等工作步驟進行了鋁土礦遠景區(qū)評價，取得了一定的找礦效果，為我國北方地區(qū)的鋁土礦預(yù)普查工作提供了一定的方法依據(jù)。

1 ASTER數(shù)據(jù)及其特點

ASTER是搭載在美國NASA Terra衛(wèi)星上的一種高級光學傳感器，可以采集從可見光到熱紅外共14個光譜通道的遙感數(shù)據(jù)(表1［6］)。

表1 ASTER數(shù)據(jù)簡介Tab.1 Profile of ASTER data

與ETM數(shù)據(jù)相比，ASTER數(shù)據(jù)的空間和光譜分辨率都有一定程度的提高，單景圖像覆蓋地面大小為60 km×60 km，適宜制作1/5萬～1/10萬比例尺的遙感影像圖;短波紅外(SWIR)圖像的光譜分辨率可以達到40～70 nm。由于空間分辨率的提高，ASTER數(shù)據(jù)在中等比例尺遙感影像圖制作及地質(zhì)解譯方面均具有一定的優(yōu)勢，特別是SWIR波段圖像光譜分辨率的提高，更為精確提取各種含水礦物信息提供了基礎(chǔ)。

2 圖像的彩色合成

ASTER三個VNIR波段(B1，B2，B3)圖像的空間分辨率均為15 m，用其直接進行彩色合成，基本能夠滿足1/5萬比例尺制圖要求。但由于缺少藍色波段，合成圖像的色彩較單一且地物可分辨程度及視覺效果均較差(圖1a)。為提高彩色合成圖像的視覺效果及地物之間可辨程度，本文選擇SWIR波段B4，B8與VNIR波段B2數(shù)據(jù)進行彩色合成(圖1b)，并使用IHS變換的方法將其與B3數(shù)據(jù)進行融合［7］。融合圖像在空間分辨率及色彩豐富程度方面均有提高(圖3c)。

圖1 ASTER圖像3種彩色合成方案效果對比Fig.1 Color composite program comparison of ASTER image

3 地質(zhì)解譯

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準地臺華熊臺緣凹陷的澠池—確山陷褶束的西北部，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，其中北東(NE)向斷裂最為發(fā)育，北西(NW)向次之，也有少量近東西(EW)向斷裂，具有“一穹”、“三向”3 組斷裂交錯的扇形地壘式特點［8］。這些構(gòu)造對含鋁、含煤巖系的展布起著一定的控制作用。區(qū)內(nèi)沉積地層發(fā)育，尤其是石炭系含鋁粘土巖系;火成巖出露面積很小。

區(qū)內(nèi)鋁土礦的賦礦地層為中石炭統(tǒng)本溪組，地層巖性特征明顯，可作為尋找鋁土礦的標志。該組地層直接覆蓋在中奧陶統(tǒng)灰?guī)r剝蝕面上，古侵蝕面經(jīng)歷了一億多年的風化剝蝕，形成了許多大小不等的洼地及溶斗，是鋁土礦堆積的良好場所，而且礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀及厚度均受古地形的控制［9］。

3.2 遙感地質(zhì)解譯

區(qū)域構(gòu)造遙感解譯結(jié)果表明，在澠池—新安一帶的新生代盆地北緣，發(fā)育一組巨大的弧形構(gòu)造帶，其邊緣為一系列同方向展布的構(gòu)造透鏡體，向北逐漸減弱，由南向北擠壓的推覆構(gòu)造特征十分明顯。屬于石銓曾等［10］所確定的澠池—義馬—新安—伊川—臨汝—襄城逆沖推覆構(gòu)造帶的西端部分。

區(qū)內(nèi)鋁土礦床(點)數(shù)量較多，并集中產(chǎn)于弧形構(gòu)造帶北緣的褶皺帶內(nèi)，少量產(chǎn)于澠池—新安一帶的新生代盆地邊緣。

對比豫西澠池地區(qū)ASTER圖像(圖2)及其地質(zhì)解譯圖(圖3)可以看出，裸巖－淺覆蓋區(qū)巖性的可解譯程度相對比較高。地表出露的奧陶－石炭系賦礦地層具有特殊的影像特征，為找礦信息的提取及礦產(chǎn)地特征紋理、色調(diào)的分析提供了依據(jù)。

遙感解譯認為，斷裂構(gòu)造的影像特征比較明顯，表現(xiàn)為直線狀水系、陡坎地形等影像，部分構(gòu)造兩側(cè)色調(diào)差異明顯，其中NE向和NNE向的斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，其走向與解譯的區(qū)域構(gòu)造——弧形構(gòu)造西北緣的構(gòu)造方向一致，NE向斷裂構(gòu)造多處構(gòu)成了不同地質(zhì)單元的界面，反映了后期構(gòu)造對地層單元的改造控制作用。

地層巖性的影像解譯標志不明顯，元古界汝陽群石英砂巖主要分布于東北韶山及南部阮坪一帶，呈淺粉色調(diào)，該巖石分布區(qū)水系沖溝較為粗大，呈正地形顯示;寒武系白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖等主要分布在工作區(qū)中部，東部地區(qū)也有零星分布，圖像上呈以金黃色為主的色調(diào)，邊界比較明顯;奧陶－二疊系灰?guī)r、頁巖、砂巖等主要分布于工作區(qū)中部，從圖像上難以細分，總體色調(diào)較淺，影紋較細碎，局部可見層理影紋。解譯時，對該單元中的特殊圖斑進行了圈定。該類圖斑形態(tài)呈不規(guī)則狀或透鏡狀，長軸方向與斷裂構(gòu)造方向基本一致，色調(diào)較淺，表面比較平滑。經(jīng)與地質(zhì)圖對比，該類影像主要出現(xiàn)在奧陶系與石炭系接觸帶附近，與本溪組下段賦礦層位基本一致，區(qū)內(nèi)已知鋁土礦床(點)均分布在該影像單元的內(nèi)部或邊部。為此，筆者特將此類指示工作區(qū)鋁土礦賦存層位的重要圖斑稱為“賦礦影像單元”。第三系礫巖及第四系洪－沖積物在區(qū)內(nèi)分布較為廣泛，影像特征也較明顯。

圖2 豫西澠池地區(qū)ASTER數(shù)據(jù)B4，B8，B2與B3融合圖像Fig.2 ASTER fusion image of B4，B8，B2 with B3 in Mianchi，Western Henan

圖3 豫西澠池地區(qū)遙感地質(zhì)解譯圖Fig.3 The map of remote sensing geological interpretation in Mianchi，Western Henan

4 異常信息提取

4.1 地質(zhì)理論依據(jù)

中石炭世，豫西地區(qū)隨華北板塊一同下沉，海水侵入，在中奧陶統(tǒng)或上寒武統(tǒng)碳酸鹽巖的風化剝蝕面上，沉積了一套鐵－鋁－粘土巖－煤巖系地層，鋁土礦分布于中石炭統(tǒng)本溪組中上部［9］，在后期構(gòu)造運動作用下抬升，局部出露地表。因此可以根據(jù)遙感波譜特征提取有關(guān)鋁土礦的礦石信息。

就研究區(qū)鋁土礦的礦石組分而言，其主要礦物為一水硬鋁石，占45.6% ～95%，次要礦物為伊利石、高嶺石、水云母、葉蠟石及褐鐵礦等［8，11］。由于一水硬鋁石在可見光—近紅外波段無明顯的特征吸收譜帶，無法從該波段遙感數(shù)據(jù)中直接提取其信息，但可以通過提取鋁土礦中的次要礦物，即伊利石、高嶺石和水云母等含Al—OH的礦物信息來間接圈定鋁土礦的分布范圍。

4.2 礦物波譜特征

PCI Geomatica軟件中提供了美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)大量的巖石礦物光譜數(shù)據(jù)。從圖4可以看出，伊利石、高嶺石等含 Al—OH礦物在1.451 μm，2.204 μm 等波長處具有吸收特征，在 1.5 ～1.7 μm，2.26 μm 等波長處附近具有反射特征。

圖4 幾種礦物光譜曲線Fig.4 Spectral curves of several mineracs

可以看出，伊利石、高嶺石等含Al—OH的礦物在ASTER數(shù)據(jù)B6波段(中心波長2.205 μm)具有較強的吸收谷，在B4波段(中心波長1.656 μm)具有反射峰，異常信息提取的過程中主要依據(jù)特征礦物在B4和B6兩個波段上的吸收與反射差異［5，12］。

由B4，B6的二維散點圖(圖5)可以看出，含Al—OH的礦物異常信息分布于背景信息之外，通過一定的異常信息提取方法就可以將背景與含Al—OH的礦物信息分離出來。

圖5 ASTER數(shù)據(jù)B4，B6二維散點圖Fig.5 Two － dimensional scatter plot of B4 and B6 of ASTER data

4.3 提取方法及結(jié)果

主成分分析是一種常用的統(tǒng)計分析方法，將這種方法引入到對遙感數(shù)據(jù)處理，特別是異常信息的提取中，有利于突出目標地物信息。鑒于含羥基和含水礦物在2.2～2.3 μm 附近存在強吸收谷，因此研究中主要使用 ASTER數(shù)據(jù) B1，B3，B4，B6進行主成分分析［6］。從分析結(jié)果(表2)可以看出，在

表2 主成分分析特征向量矩陣Tab.2 Eigenvector matrix in PCA

PC4中，B4及B6具有強的載荷，且符號相反，主要反映了含Al—OH的礦物信息。PC4與B1，B3，B4，B6關(guān)系為

為有效表達含Al—OH的礦物異常信息分布趨勢及分級狀況，對PC4進行了濾波及異常分級處理，形成了研究區(qū)含Al—OH礦物信息圖像(圖6)。

圖6 研究區(qū)提取的含Al—OH礦物信息圖像Fig.6 ASTER image with Al—OH mineral information in Mianchi，Western Henan

這里采用均值濾波方法，窗口大小為5像元×5像元，濾波次數(shù)為3次。濾波結(jié)果表明，孤立的散點信息被去除，同時，部分散布的信息圖斑被連成片狀或帶狀，有助于異常信息分布規(guī)律的分析。

在異常信息的分級中，采用X+kσ進行閾值的選擇，其中X=128為圖像的均值，σ=24.7為標準離差，k 的取值分別為 1.5，2.0 和 2.5［13］，依次計算出一、二、三級異常的分割閾值分別為165，177和190。

5 結(jié)果評價

由圖6可以看出，含Al—OH的礦物遙感異常信息主要分布于工作區(qū)的中部，多呈不規(guī)則的條帶狀，而且有NE向展布的趨勢，與區(qū)域地層的展布方向基本一致。由異常分布情況與已知地質(zhì)圖件的對應(yīng)分析表明，異常主要分布于古生界地層單元，其中在奧陶－石炭系地層的接觸帶及其附近(石炭系本溪組含礦層位)往往呈現(xiàn)串珠狀異常帶。東部及其他地區(qū)的部分異常分布于寒武系地層中，或與白云巖、灰?guī)r等有一定關(guān)系。

從遙感異常信息與區(qū)內(nèi)已知18處礦床(點)的疊加分析可以看出，區(qū)內(nèi)大多數(shù)礦床(點)均分布于含Al—OH的礦物信息異常之上或緊鄰異常旁側(cè)分布。對部分異常點的野外調(diào)研表明，提取的含Al—OH的礦物信息在地表對應(yīng)性較好。初步分析認為，在我國北方的基巖裸露區(qū)，該類信息具有找礦指示意義。

6 結(jié)論

1)通過遙感地質(zhì)解譯研究認為，豫西地區(qū)鋁土礦的分布主要受弧形構(gòu)造帶北緣的褶皺帶控制，已知礦床(點)與地質(zhì)解譯圈定的“賦礦影像單元”及提取的含Al—OH礦物遙感異常信息有較為密切的關(guān)系，在基巖裸露區(qū)域，使用該方法可以對鋁土礦進行較有效的圈定及預(yù)測。

2)ASTER數(shù)據(jù)適用于礦產(chǎn)預(yù)普查中的1∶5萬～1∶10萬比例尺層次的遙感影像圖制作及地質(zhì)解譯。

3)選擇性的波段彩色合成及融合方法可以提高數(shù)據(jù)的使用效果。

4)使用ASTER遙感數(shù)據(jù)在我國北方基巖裸露地區(qū)提取與鋁土礦礦化有關(guān)的信息，具有較高的準確率和較強的針對性。

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The Application of ASTER Data to Bauxite Deposit Pre－survey in Northern China:A Case Study of Mianchi Area，Western Henan

ZHANG Yun－feng，LI Ling－jun，F(xiàn)ENG Chun
(Northwest Geological Institute of Nonferrous Metals，Xi’an 710054，China)

ASTER data have the superiority of ground resolution and spectral resolution，and hence are suitable for medium－scale pre－survey of mineral resources.For the sake of studying the effect of applying ASTER data to bauxite pre － survey，The authors made an experiment that included image color composite，geological interpretation，and remote sensing extraction of anomaly information in Mianchi area of Western Henan.The result shows that the ASTER data are effective in delineating“ore－bearing image unit”and extracting remote sensing information in exposed bedrock areas of northern China.

ASTER data;Western Henan;bauxite;ore－bearing image unit;PCA(principal component analysis)

TP 79

A

1001－070X(2012)01－0048－05

10.6046/gtzyyg.2012.01.09

2011－05－26;

2011－06－27

中國鋁業(yè)股份有限公司技術(shù)開發(fā)項目“我國北方鋁土礦找礦快速評價及遠景區(qū)預(yù)測”(編號:ZB2006CAQD03－B11)資助。

張云峰(1972－)，男，高級工程師，主要從事遙感地質(zhì)解譯及信息提取方向研究。E－mail:yfzh999@126.com。

(責任編輯:刁淑娟)