王 翔，范海明，茹湘蘭

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心 北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.山西省地質(zhì)調(diào)查院，山西 太原 030001)

研究區(qū)位于蒙古國東戈壁省南部扎門烏德(Zamyn-Uud)地區(qū)，其地理坐標(biāo)為：北緯43°07′～43°11′，東經(jīng)110°30′～110°38′。地理上屬戈壁景觀，人煙稀少；地質(zhì)工作貧瘠，處于蒙古國南部重要的活動大陸邊緣斑巖系列Cu、Mo、Au成礦帶內(nèi)，該成礦帶內(nèi)已發(fā)現(xiàn)亞洲第一大斑巖Cu-Au礦Oyu Tolgoi及重要的Cu-Mo礦Tsagaan Suvarga、Oyut Ulaan等一批與巖漿成礦作用有關(guān)工業(yè)礦床。

現(xiàn)代遙感地質(zhì)找礦主要是采用各種圖像解譯方法，提取與致礦因素相關(guān)的各種信息，進(jìn)行成礦遠(yuǎn)景預(yù)測。空間上礦體往往產(chǎn)于斷裂交匯或構(gòu)造帶附近，這些斷裂、構(gòu)造在遙感影像上主要表現(xiàn)為線性、環(huán)形體等信息，并且在礦體附近富集一定的蝕變異常。線-環(huán)性構(gòu)造的形態(tài)常往往是不規(guī)則的，對其長度、密度和方位等因素的分析僅能揭示了其發(fā)育規(guī)律的某些方面，不能充分反映其復(fù)雜的空間分布特征，而分形幾何學(xué)為定量表征線-環(huán)構(gòu)造的時空分布提供了新的手段[1]。蝕變作為一種地質(zhì)記錄。其分布具有明顯的不均勻性。同時蝕變也是一種異常，而分維與異常又往往具有一定的關(guān)系[2]。

在綜合研究該區(qū)域的成礦地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用分形幾何學(xué)的原理、方法，對成礦構(gòu)造要素進(jìn)行定量研究，采用主成分結(jié)合灰度-面積分形法準(zhǔn)確的提取了蝕變異常信息。探討該區(qū)斑巖型礦產(chǎn)遙感成礦地質(zhì)模型，尋找成礦的可行性。

1 成礦地質(zhì)背景

研究區(qū)位于蒙古國南部的南戈壁Mainor、Byamba構(gòu)造單元交界附近。從島弧增生、安底斯型俯沖到盆地以及山脈抬升，經(jīng)歷了古生代、晚生代，臨近中生代，陸塊抬升，并伴隨陸源沉積進(jìn)入前陸盆地沉積直至晚白堊世末期，形成持續(xù)干燥至今，共四個時期。

區(qū)域出露地層主要有：志留系礫巖、薄層砂巖、灰?guī)r、頁巖和凝灰?guī)r組成的沉積序列；早泥盆世-石炭紀(jì)的沉積巖、玄武沉積巖、英安巖和少量流紋巖與陸源凝灰質(zhì)砂頁巖互層組成的火山巖沉積；地層中侵入有泥盆紀(jì)正長巖、花崗巖脈和石炭紀(jì)鈉長巖、花崗巖、花崗鈉長巖巖體。構(gòu)造復(fù)雜，以區(qū)域性NE向東蒙古深大斷裂的次級EW和NW方向斷裂為主。

上述地質(zhì)條件體現(xiàn)了斑巖型多金屬礦床的主要特征(即島弧-陸緣弧環(huán)境和碰撞造山環(huán)境)。這一區(qū)域的斑巖型多金屬礦床與古生代火山巖、古生代構(gòu)造具有時空一致性，三者在時間上為同地質(zhì)事件、空間上同位，形成構(gòu)造-巖漿-礦化“三位一體”的統(tǒng)一體。

斑巖型礦床自巖體向圍巖依次發(fā)育分布有：鉀-硅酸鹽化環(huán)狀帶→石英-絹云母化環(huán)狀帶→青磐巖化環(huán)狀帶。偶爾見泥化環(huán)狀帶產(chǎn)出，但多數(shù)受控于構(gòu)造，疊加在蝕變帶上；表現(xiàn)為斑巖熱液系統(tǒng)→淺成低溫?zé)嵋合到y(tǒng)的轉(zhuǎn)化。

2 遙感地質(zhì)特征

2.1 遙感數(shù)據(jù)源

此次研究利用2010年9月5日拍攝的P127R30ETM數(shù)據(jù)，結(jié)合其Pan波段高分辨率，采用HIS[4]法對ETM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以提高其空間分辨率，研究區(qū)多為戈壁。經(jīng)反復(fù)對比,選擇融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色圖,效果較理想，植物綠色僅在溝谷內(nèi)呈鮮綠、深綠色；基巖出露的地區(qū)，呈現(xiàn)淺土黃色。

2.2 線-環(huán)構(gòu)造特征

2.2.1 線性構(gòu)造

研究區(qū)多為戈壁。經(jīng)反復(fù)對比,選擇融合后的ETM+7(R)、4(G)、1(B)假彩色圖,效果較理想。解譯區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,其走向主要為NEE、NE以及EW向三組(圖1)。

圖1 研究區(qū)遙感地質(zhì)解譯特征

1)NEE、NE線性構(gòu)造。兩組斷裂共軛成套出現(xiàn)；NEE線性構(gòu)造自北而南，NE線性構(gòu)造自西而東；均大致以15km間隔廣布全區(qū)。此類線性構(gòu)造影像上斷續(xù)出現(xiàn)，表現(xiàn)為階坎狀、直線凹地、溝谷，明暗色條帶，解譯為壓扭性構(gòu)造，體現(xiàn)了形成較早、后期復(fù)活同時遭受新生斷裂改造的構(gòu)造特征。NE向構(gòu)造中部南北延伸較長的斷裂帶影像特征最為清晰,單條斷裂的連續(xù)性最好，NEE向構(gòu)造以中北部影像上水體呈竄珠狀相連最為清晰。NEE、NE向線性構(gòu)造較均勻的形成菱形構(gòu)造。

2)NW線性構(gòu)造。該類型構(gòu)造在研究區(qū)中部較為發(fā)育，間隔4～6km，影像解譯特征為較為平直的亮、暗色條帶，短凹地、“V”型溝谷，延伸較長，解譯為扭或壓扭性斷裂。古生代巖體接觸部位或切割了環(huán)狀構(gòu)造的斷裂帶內(nèi),常發(fā)育熱液型蝕變,對成礦有利。

3)另外研究區(qū)內(nèi)NS向構(gòu)造較為隱晦，主要分布與研究區(qū)中部，影像上呈淺色條帶，受后期構(gòu)造破壞的基底構(gòu)造特征。

總體上與成礦地質(zhì)背景相一致，但從影像解譯結(jié)果看，EW次級斷裂并不明顯，NS次級線性構(gòu)造較為隱晦，但對表現(xiàn)了后期改造的構(gòu)造特征。

2.2.2 環(huán)性構(gòu)造

該區(qū)域共解譯出環(huán)狀構(gòu)造76個,主要呈圓狀,少數(shù)呈半圓狀(圖1)，多數(shù)環(huán)互相嵌套、相切。研究區(qū)內(nèi)環(huán)形結(jié)構(gòu)大小基本可以分為三類，一類直徑約15km，二類直徑約10km，三類直徑約8km。整體上小環(huán)圍繞大環(huán)呈環(huán)形分布，相切相連，呈現(xiàn)向“心”性。這種環(huán)形出露的形態(tài)，表明基底具有一較大的巖漿活動形成的巖體。環(huán)形構(gòu)造形跡明顯，大型環(huán)狀構(gòu)造的內(nèi)部周邊,發(fā)育多處線環(huán)構(gòu)造密集區(qū),由多個套合呈子母環(huán)、姊妹環(huán)產(chǎn)出的環(huán)狀構(gòu)造及斷裂構(gòu)造組成，子母環(huán)、姐妹環(huán)色調(diào)差異明顯(圖1)。古生代地層、巖體組成的NEE、NE向線性斷裂構(gòu)造內(nèi)發(fā)育環(huán)狀構(gòu)造；古生代產(chǎn)出花崗巖類侵入體為小的環(huán)形構(gòu)造，表現(xiàn)為巖株、巖脈狀零星出露于其內(nèi)部。通過綜合分析,該地區(qū)深部發(fā)生的熔融形成巖漿房,同時隨斷裂活動孔隙上升、侵入,形成一系列大小、深淺不一的(隱伏-半隱伏)巖體,與地表對應(yīng)表現(xiàn)為大環(huán)及其內(nèi)部及周邊的一系列的小型環(huán)狀構(gòu)造。這些線-環(huán)構(gòu)造密交錯區(qū)，是熱液型金屬礦床成礦的有利部位。

2.2.3 線-環(huán)構(gòu)造數(shù)據(jù)分形模型和分形求和法

構(gòu)造分維值(D)的大小反映了其空間展布的復(fù)雜程度，構(gòu)造活動的強烈及發(fā)育程度，一般認(rèn)為分維值越大，說明其空間復(fù)雜程度愈高，構(gòu)造活動性越強，成礦元素越有利于活化以及成礦流體的運移、聚集，形成規(guī)模較大的礦床[4]。

傳統(tǒng)的計算線性構(gòu)造分形特征采用網(wǎng)格法進(jìn)行，即首先以邊長為L的正方形網(wǎng)格覆蓋在解譯圖上，以此為基礎(chǔ)，分別選取r=L/2，L/4，L/8，L/16，L/32，…的網(wǎng)格，求出相應(yīng)標(biāo)度下所含線性構(gòu)造的網(wǎng)格數(shù)N(r)。然后在lg(r)-lgN(r)雙對數(shù)坐標(biāo)系中作圖，計算回歸直線斜率的絕對值即為分維值D。該方法不能反應(yīng)出線-環(huán)構(gòu)造對周邊的影響，且受一定的網(wǎng)格采樣影響。這里設(shè)計一種基于線密度的線密度-面積分形方法，考慮線性構(gòu)造的影響范圍的同時，其空間上又具有分形特征，直接提取線性構(gòu)造的分形異常特征。

這里線密度指線-環(huán)構(gòu)造是在單位面積內(nèi)的長度，經(jīng)過對比分析制作完成了研究區(qū)像元大小為100m的構(gòu)造密度圖(圖1)。對構(gòu)造密度圖采用密度-面積多重分形法進(jìn)行分析。

設(shè)有分形模型(式(1))。

Tr=Cr-Dr>0

(1)

式中：r為特征尺度；C>0為比例常數(shù)；D>0為分維數(shù)；T(r)為尺度≥r的數(shù)目或總數(shù)。

地質(zhì)現(xiàn)象具有標(biāo)度不變性[5]的，可以運用分形進(jìn)行分形。式(1)兩邊同時取對數(shù)，形成一元線性回歸方程(式(2))。

log[Tr]=-Dlogr+logC

(2)

運用最小二乘法原理計算斜率D，得分維數(shù)。當(dāng)散點總體上分布在一條直線上時，采用分段擬合法。為了準(zhǔn)確的確定分界點，找出合適的界限點ri0，不斷變化這個界限點使得各區(qū)間擬合的直線段，與原始數(shù)據(jù)間的剩余平方和Ei(i=1，2)，在兩個區(qū)間的總和為最小(式(3))。

(3)

式中：D1和D2分別為相應(yīng)區(qū)間的斜率(分維數(shù))。對研究區(qū)線-環(huán)構(gòu)造密度采用上述方法進(jìn)行分形分析。從圖2中可將研究區(qū)內(nèi)線密度分為四個段進(jìn)行線性擬合，得到四個分維值D1(0.0262)、D2(0.0297)、D3(0.0963)、D4(0.3313)對應(yīng)于圖2中①、②、③、④斜率。以上方程的相關(guān)性R2均大于0.97，說明具有代表性，擬合可靠。這里針對全區(qū)進(jìn)行分形分析，通過分維值可了解構(gòu)造對成礦范圍的影響，以及構(gòu)造背景、巖漿熱液的影響，有利于成礦預(yù)測[7]。同時通過分形分析(圖3)，可知D1主要表現(xiàn)為該區(qū)域的構(gòu)造背景，研究區(qū)線性構(gòu)造以北東、北西向為主，北東向為主要構(gòu)造，這與野外踏勘結(jié)論完全吻合。

圖2 構(gòu)造線密度LogN(r)—Logr

圖3 構(gòu)造線密度分維劃分圖

2.3 遙感蝕變信息提取

區(qū)內(nèi)主要蝕變類型為：綠泥石化、黃鐵礦化、絹云母化、鉀硅酸鹽化、青磐巖化。這些蝕變的總體特征為：含有三價鐵離子(Fe3+)、羥基(OH-)離子，并在ETM/TM 遙感波譜數(shù)據(jù)上具有診斷性特征[5]，為研究區(qū)蝕變遙感信息的提取提供了理論依據(jù)。

Crósta技術(shù)是一種經(jīng)典的礦物蝕變信息提取技術(shù)[6]，以特征向量矩陣為分析導(dǎo)向。在過去的近20多年內(nèi)已取得了豐碩的研究成果。它運用TM1、TM3、TM4、TM5波段做主成分分析，提取鐵染蝕變信息[7]，運用TM1、TM4、TM5、TM7波段做掩膜主成分分析，提取羥基異常。國內(nèi)學(xué)者在該方法有一定的發(fā)展，包括數(shù)據(jù)前的掩膜處理與數(shù)據(jù)后的分級以及比值、差值主成分析法等[8]。利用分形理論的求和法,結(jié)合主成分分析法更加準(zhǔn)確的提取了鐵染、羥基蝕變信息。

1)鐵染蝕變信息提取。表1為TM1、TM3、TM4、TM5掩膜主成分分析得到的主成分特征向量矩陣。由于鐵的氧化物具有在TM1強吸收，TM3小反射峰的特性，通過PC4可以進(jìn)行異常提取。

表1 TM1、TM3、TM4、TM5掩膜-主成分的特征向量矩陣

在確定了異常分量以后，從鐵染、羥基所表現(xiàn)的波譜特征可知，所提取的異常信息表現(xiàn)為暗像元(負(fù)異常)，對其求反得到亮像元(正異常)表示的異常信息。需要對異常信息進(jìn)行分級。采用前文提到的式(1)、式(2)來提取異常信息，圖4、圖5的結(jié)果可知，①表現(xiàn)為背景；而蝕變異常擬合②的相關(guān)性R2均大于0.98，比較準(zhǔn)確的提取了研究區(qū)的蝕變異常。在MAPGIS6.7中將羥基、鐵染異常信息進(jìn)行組合，即將兩種共同分布的區(qū)域提取出來，得到遙感綜合異常分級的結(jié)果(圖3中的綜合異常)。通過綜合異常信息分析，剔除了大量由于地層巖性引起的異常信息，所得結(jié)果主要表現(xiàn)為強異常區(qū)具有成礦較強的蝕變異常信息，異常信息主要表現(xiàn)中、東北兩個異常區(qū)帶及北西部零散分布區(qū)。

表2 TM1、TM4、TM5、TM7掩膜-主成分的特征向量矩陣

圖4 鐵染PC4 LogN(r)—Logr圖

圖5 羥基PC4 LogN(r)—Logr圖

1)東北部區(qū)帶，異常分布于中部NE向(Honger Hill斷裂)及其上方的NE向兩條主斷裂與伴生的3條NW向次級斷裂內(nèi)，同時受NNE構(gòu)造控制，散落在環(huán)形構(gòu)造周邊，層次分明。斷裂給異常提供了通道，底部巖漿作用提供了能量及一定的物源。

2)中部區(qū)帶，異常分布于中部NE向(Honger Hill斷裂)及其下方的NE向兩條主斷裂與伴生的多條NW向次級斷裂內(nèi)，NNE構(gòu)造對異常分布影響不大；異常主要受環(huán)形構(gòu)造及NW向生斷裂控制。

3)北西部零散分布區(qū)，分布零散，沒有具體規(guī)律；從地層及巖性分布可知，應(yīng)是粘土物質(zhì)引起異常反映，對多金屬礦產(chǎn)沒有明確的指示意義。

3 成礦預(yù)測分析

通過分析，運用MAPGIS平臺，區(qū)內(nèi)共解譯分析出4個多金屬找礦遠(yuǎn)景區(qū)(圖6)。根據(jù)上述研究成果，經(jīng)野外實地驗證所取得的結(jié)果表明(圖7)，預(yù)測區(qū)內(nèi)石英長石斑巖巖枝內(nèi)，可以看見強烈的鉀硅酸鹽交代和硅化現(xiàn)象；石英絹云母化帶，蝕變礦物組合為絹云母+石英+鉀長石±綠泥石[10-13]，其中鉀長石、斜長石被絹云母和石英不同程度地交代。主要蝕變礦物為絹云母、石英，少數(shù)綠泥石；在含礦斑巖邊緣及其與圍巖的接觸帶上主要產(chǎn)出，常見于環(huán)繞鉀硅酸鹽化帶，同時與鉀硅酸鹽化帶呈漸變過渡關(guān)系，部分產(chǎn)于鉀硅酸鹽化帶內(nèi)。泥化帶：蝕變礦物為粘土礦物+黃鐵礦+石英±絹云。青磐巖化帶：蝕變礦物為綠簾石、綠泥石、黃鐵礦以及碳酸鹽礦物，礦化微弱，分布于前述蝕變帶外圍的火山巖圍巖中。而從線-環(huán)線性構(gòu)造分維特征以及蝕變綜合異常結(jié)果可知：構(gòu)造分維值D3、D4區(qū)域主要表現(xiàn)為巖體內(nèi)部活動，成礦可能較??；而蝕變異常主要分布在D2(0.0297)區(qū)域，這與含礦斑巖邊緣及其與圍巖的接觸帶分布綠泥石化相吻合。那么將該區(qū)域線-環(huán)構(gòu)造分維區(qū)域D2與綜合蝕變異常相結(jié)合，能很好的進(jìn)行找礦預(yù)測。

圖6 蒙古國扎門烏德地區(qū)遙感多金屬成礦預(yù)測圖

圖7 典型勘查點蝕變特征

野外驗證踏查16個采樣點(圖7)化驗結(jié)果(表3)表明，Cu元素百分比在0.2以上的有7個，占總樣品數(shù)的43.75%；Zn元素百分比在0.1以上的有4個，占總樣品數(shù)的25.00%，這兩種元素在樣品化驗中總體含量都較高，說明采樣點處，礦物元素富集較高，成礦可能性較大；進(jìn)一步證明了本文所采用的找礦思路的可靠性，以及成果的可利用性。

表3 野外踏查采樣成果表

通過上述分析研究區(qū)已構(gòu)成完整的斑巖型礦床巖漿、構(gòu)造、熱液蝕變系統(tǒng)，是尋找斑巖型Cu-Au、Cu-Mo工業(yè)礦床的有利靶位，建立研究區(qū)以構(gòu)造為主導(dǎo)方向，環(huán)形構(gòu)造為限制區(qū)域，蝕變異常為具體示礦定位的多金屬找礦的思路。

4 結(jié)論與探討

1)多金屬礦產(chǎn)主要沿中部NE向主斷裂(Honger Hill斷裂)兩側(cè)伴生NW向斷裂分布，斷裂為成礦提供通道等有利作用。

2)底部巖體或火山巖等引起的環(huán)形構(gòu)造周邊，是找礦的有利部位。

3)線-環(huán)構(gòu)造線密度分維值在D2(0.0297)區(qū)域為有利部位。

4)蝕變異常為礦產(chǎn)在地表的表現(xiàn)提供了良好的指示作用。

遙感影像以其色調(diào)、色彩、形態(tài)、影紋、大小等及其間相互組合關(guān)系顯示影像特征，反映了與之對應(yīng)的地面地物特征。影像中的線形體和環(huán)形體及其在空間上的展布形式與地面地物特征相對應(yīng)。地殼地質(zhì)元素、地質(zhì)景觀是地面地物特征的主導(dǎo)因素，不同的線環(huán)組合形式的地質(zhì)解釋，有助于開展遙感地質(zhì)成礦預(yù)測。遙感蝕變信息提取作為找礦方法之一，近年來取得了很多成績，能反映具體地礦化體的展布情況，結(jié)合遙感解譯線-環(huán)地質(zhì)找礦特征分析，有針對性地去發(fā)現(xiàn)礦化體，克服以往野外工作中有盲目性。而單純的提取羥基、鐵染遙感蝕變信息具有一定的局限性，將二者有機(jī)的結(jié)合，形成組合異常信息，更加有利于成礦預(yù)測分析。

研究區(qū)主體位于區(qū)域性NE向東蒙古深大斷裂的次級EW和NW方向斷裂內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，成礦地質(zhì)條件優(yōu)越。但由于地理、氣候、政治等原因，地質(zhì)工作程度很低，采用遙感技術(shù)手段進(jìn)行前期的找礦工作意義深遠(yuǎn)。由于斑巖型多金屬礦床的蝕變分帶特征及其與構(gòu)造緊密相關(guān)性，采用遙感手段進(jìn)行預(yù)測具有其特定的優(yōu)勢。研究區(qū)以遙感解譯為主，兼顧地質(zhì)特征結(jié)合蝕變信息分析；建立了以線性構(gòu)造為主體，環(huán)形構(gòu)造為限制區(qū)。構(gòu)建了線-環(huán)構(gòu)造線密度分形統(tǒng)計分析，解決了線-環(huán)構(gòu)造統(tǒng)一利用，在空間上的控礦關(guān)系；在分維值較高的區(qū)域往往表現(xiàn)為環(huán)形構(gòu)造特征，即巖體的內(nèi)活動，不成礦；而在其邊部分維值較低的區(qū)域，則主要表現(xiàn)出了導(dǎo)、控礦構(gòu)造的特征，與巖漿地質(zhì)成礦模式統(tǒng)一。求和分形法準(zhǔn)確的提取了蝕變異常，并為準(zhǔn)確的指導(dǎo)快速預(yù)測多金屬礦產(chǎn)，最終圈定了四個多金屬成礦遠(yuǎn)景區(qū)。經(jīng)過野外驗證，這幾個遠(yuǎn)景區(qū)內(nèi)均見有各類型的金屬礦化信息，取得了良好的效果，為快速找礦提供了線索；研究解譯的四個找礦遠(yuǎn)景區(qū)可作為進(jìn)一步地質(zhì)工作的依據(jù)。今后可以利用高分辨率、高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，結(jié)合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)等數(shù)據(jù)對這一類型區(qū)域提供更加有利的找礦證據(jù)，為找礦空白區(qū)提供快捷、高效的第一手資料。

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