朱莉莉， 洪金益， 張金良， 張昌俊， 張思穎， 段宗恩

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院， 長沙 410083；2.有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012)

0 前言

湖南省素有我國“有色金屬之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，湘南地區(qū)是我國重要的有色金屬成礦帶之一，區(qū)內(nèi)發(fā)育多處礦床、礦點(diǎn)，找礦前景良好。在湘南香花嶺-大坪地區(qū)，采用現(xiàn)代地球化學(xué)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提取化探異常信息，并利用ETM遙感圖像結(jié)合多種遙感圖像處理方法，從中提取與多金屬礦化有關(guān)的蝕變信息。結(jié)合工作區(qū)的成礦地質(zhì)條件及已知的礦產(chǎn)信息，綜合分析化探異常信息與遙感異常信息對成礦作用的相關(guān)性，為今后的地質(zhì)科研工作提供了地球化學(xué)背景研究，為地質(zhì)勘查工作明確了找礦的方向。

1 工作區(qū)地質(zhì)概況

香花嶺-大坪地區(qū)位于湖南省東南部，地處南嶺山系的中段，長江與珠江流域的分水嶺部位。工作區(qū)主要由中高山地與丘陵地貌組成，海拔由160 m～1 594 m，跨度較大，整個地區(qū)地勢中部較高。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)型氣候，區(qū)內(nèi)雨量充沛，年降水量約1 250 mm～1 750 mm，水系發(fā)育成網(wǎng)，植被亦較發(fā)育。

工作區(qū)大地構(gòu)造單元屬于湘桂粵海西-印支拗陷帶，隸屬南嶺東西向構(gòu)造帶。工作區(qū)內(nèi)壓性斷裂構(gòu)造密集，南北向褶皺構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)構(gòu)造線方向主要有古老基底和巖漿巖組成的NE向隆起帶，以及NE向、NS向斷裂構(gòu)造帶[1]。區(qū)內(nèi)地層除了下古生界部分缺失以外，從震旦系到第三系均有出露，從西向東由老到新、沉積由薄漸厚[1]。

研究區(qū)內(nèi)于中生代燕山期發(fā)生了劇烈且廣泛的地殼運(yùn)動，致全區(qū)褶皺隆起，并伴隨多期次強(qiáng)烈的巖漿侵入活動、火山噴發(fā)活動、內(nèi)生多金屬成礦過程，工作區(qū)形成了以強(qiáng)斷裂活動伴隨巖漿活動為特征的地質(zhì)時期。早期特點(diǎn)為隆起凹陷大斷裂，晚期以大斷裂活動為主。區(qū)內(nèi)巖漿活動頻繁，巖體的數(shù)目較多，但規(guī)模大小懸殊，產(chǎn)狀由巖基到巖株均有[1]。侵入時代從印支期延續(xù)到燕山晚期，在燕山期達(dá)到高峰。該區(qū)巖體的圍巖主要由下古生界砂頁巖與上古生界碳酸巖組成，巖體內(nèi)及附近圍巖中的中酸性巖脈比較發(fā)育，工作區(qū)地質(zhì)圖見圖1。

2 遙感礦化蝕變信息提取

蝕變是不同礦化作用所產(chǎn)生的重要成礦標(biāo)志[3]。遙感蝕變信息提取是對遙感數(shù)據(jù)采用一定的數(shù)據(jù)處理方法，將與成礦有關(guān)的圍巖蝕變的特征波譜信息提取出來，因此而形成色調(diào)異常[4]。本區(qū)礦體多分布于巖體外接觸帶部位，圍繞巖體在水平方向表現(xiàn)為由高溫到低溫呈環(huán)帶展布。區(qū)內(nèi)鈹、鈮、鉭、鎢、錫等礦產(chǎn)與淺源重熔型巖漿關(guān)系密切，銅、鉛、鋅、鉬礦則與淺源重熔型巖漿有關(guān)[1]。

2.1 數(shù)據(jù)處理

鑒于研究目的，作者選取了美國陸地衛(wèi)星-Landsat 7的ETM+數(shù)據(jù)。研究區(qū)植被發(fā)育，覆蓋面積廣，水系發(fā)育成網(wǎng)，對異常信息提取造成較大影響。因此需利用掩膜、分割等方法去除影像的干擾信息，研究區(qū)的遙感異常信息是通過主成分分析獲取的。由地物波譜的物理機(jī)理可以得知，ETM1和ETM3是重要的鐵化蝕變特征波譜帶，因此可選取ETM1、ETM3、ETM4、ETM5波段進(jìn)行主成分分析，獲得富含鐵離子礦物的遙感異常圖像；根據(jù)含羥基礦物的波譜特征，選取ETM1、ETM4、ETM5、ETM7波段進(jìn)行主成分分析，獲取泥化蝕變遙感異常圖像。

2.2 蝕變信息提取

蝕變礦物的組合雖然可以在遙感圖像上呈現(xiàn)出一定的特征波譜，但是某些礦化蝕變信息(如巖石蝕變、礦化露頭等)與非蝕變的巖石之間的區(qū)別不大，加上研究區(qū)的植被覆蓋等影響，因此在ETM圖像上表現(xiàn)的信息比較微弱，直接、簡單的遙感圖像處理方法很難將以上微弱的礦化蝕變信息提取出來。因此需要將比值、主成分分析、掩模及分類等方法相結(jié)合，消除干擾信息，增強(qiáng)弱化的礦化蝕變信息。研究區(qū)鐵化蝕變信息的提取主要是利用掩模之后的ETM1、ETM3、ETM4、ETM5波段進(jìn)行主成分變換，變換之后的波段的特征向量及特征值見表1。

由表1可知，PC4的主成分反映的是波段3與波段4的和減去波段1與波段5的和的線性變換，含鐵離子礦物在ETM1波段強(qiáng)烈吸收，而在ETM3波段強(qiáng)烈反射，因此利用PC4主成分進(jìn)行鐵化蝕變信息提取。

泥化蝕變信息提取與鐵化信息提取相似，選用ETM1、ETM4、ETM5、ETM7波段進(jìn)行主成分變換，變換之后的波段特征向量與特征值見表2。ETM5 波段的次高特征向量載荷值出現(xiàn)在PC4，ETM7波段的最高特征向量載荷值出現(xiàn)在PC4，兩者符號相反，反映了含羥基的蝕變礦物在7波段強(qiáng)吸收而在5波段為強(qiáng)反射，由此提取泥化蝕變信息。

工作區(qū)植被覆蓋，在進(jìn)行蝕變信息提取之前需進(jìn)行掩膜處理，從而生成新的遙感異常圖，針對新圖進(jìn)行特征值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，選取最優(yōu)密度分割的高值區(qū)作為背景與異常的閾值，提取反映礦化蝕變的遙感異常信息。對于遙感異常信息圖中大于閾值的像元進(jìn)行中值濾波，將異常進(jìn)行分類分級，按照蝕變信息的強(qiáng)弱分別賦予不同的顏色加以區(qū)別，研究區(qū)鐵化異常與泥化異常見圖2。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig．1 Geological map of study area

波段 主成分ETM1ETM3ETM4ETM5特征值/%PC10.16850.34530.53030.755878.62PC20.46220.6834-0.5648-0.018913.17PC30.51070.13580.6022-0.59847.39PC4-0.70510.62880.1927-0.26520.82

表2 ETM1、4、5、7波段特征向量及特征值

3 化探數(shù)據(jù)處理

湘南香花嶺-大坪地區(qū)水系沉積物測量區(qū)域?yàn)閲H標(biāo)準(zhǔn)1∶50 000圖幅，面積約 4 096 km2，采樣點(diǎn)密度為3.1/km2。研究表明，對于巖性分布比較復(fù)雜的地區(qū)，元素的背景值是變化的，此時，需要將全區(qū)劃分成多個地球化學(xué)子區(qū)進(jìn)行背景值及異常下限的計(jì)算[2]。研究區(qū)地球化學(xué)背景多變，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不能以一個統(tǒng)計(jì)單元確定背景值和異常下限，采取劃分地質(zhì)單元方式分別統(tǒng)計(jì)，雖然可以客觀表現(xiàn)實(shí)地的地球化學(xué)特征，但由于一個單元里樣品分屬多處不同空間位置，與其他地質(zhì)單元交錯，無實(shí)際操作可能性。因此以五萬圖幅為統(tǒng)計(jì)單元，初步確定每幅各元素的背景值與異常下限。

3.1 化探原始數(shù)據(jù)的獲取

區(qū)內(nèi)1∶50 000 水系沉積物測量的采樣點(diǎn)12 699個，每個采樣點(diǎn)測試包含Ag、As、Au、Ba、Bi、Co、Cr、Cu、F、Hg、Mn、Mo、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、V、W、Zn共二十一種元素，以MAPGIS、DGSS、Section 等軟件為支撐，進(jìn)行化探數(shù)據(jù)的采集、編輯、處理、分析和管理等工作。

3.2 地球化學(xué)背景值及異常下限確定

確定地球化學(xué)背景值與異常下限的方法有很多種，如：多元回歸法、克立格法、穩(wěn)健多元線性回歸分析法、 馬氏距離識別離散點(diǎn)群法等。鑒于計(jì)算方法的實(shí)用性及易操作性，同時根據(jù)不同方法對試驗(yàn)區(qū)的計(jì)算結(jié)果對比，迭代算法更易突出弱異常。迭代算法的步驟為：①計(jì)算試驗(yàn)區(qū)全區(qū)原始數(shù)據(jù)的平均值(X1)和標(biāo)準(zhǔn)離差(S1)；②按照X1+nS1的標(biāo)準(zhǔn)，剔除部分高值后得到新數(shù)據(jù)集；③重復(fù)步驟②，直至不存在高值點(diǎn)。求得最終數(shù)據(jù)集的平均值X及標(biāo)準(zhǔn)離差S，則X為背景值C0，以X+1.65S作為異常下限CA(表1)。

圖2 研究區(qū)部分區(qū)域遙感蝕變異常圖

元素平均值(X)標(biāo)準(zhǔn)離差(S)異常下限(X+3S)異常下限(X+1.65S)X

3.3 化探異常圈定與組合異常特征

工作區(qū)的化探采樣點(diǎn)為離散型的水系沉積物，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，網(wǎng)格間距設(shè)定為500 m，以700 m為搜索半徑進(jìn)行八方位搜索。根據(jù)迭代法計(jì)算元素的背景值及異常下限，Cu、Pb、Sn、Mo元素按照“X、X+2S、X+4S、X+8S”將異常分為四個等級，Zn、W元素分別按照“X、X+1.414S、X+2S、X+2.828S”、“X、X+2.828S、X+8S、X+22.63S”進(jìn)行劃分，分別圈定異常圖，編制元素地球化學(xué)異常圖。

表4為工作區(qū)水系沉積物測量的六種主要元素間的相關(guān)系數(shù)矩陣，從表4中可以看出，Pb與Zn相關(guān)性強(qiáng)，W與其余六種元素均存在弱相關(guān)性，該分析結(jié)果與區(qū)內(nèi)分布有黃沙坪大型鉛鋅礦床、鋪下圩中型鉛鋅礦、白云仙中型鎢多金屬礦等地質(zhì)現(xiàn)象相符。

表4 工作區(qū)主要元素相關(guān)性系數(shù)矩陣

在單元素地球化學(xué)圖的基礎(chǔ)上，將Cu、Pb、Zn、W、Sn、Mo 六種主元素異常劃為一組，構(gòu)成整套組合異常圖。按照規(guī)格化面金屬量最大的元素及異常成礦地質(zhì)特點(diǎn)，分別選取各自的主成礦元素。主成礦元素以濃度分帶表示，其他組合元素按異常下限范圍以相應(yīng)顏色的實(shí)線線條表達(dá)，研究區(qū)共有十幅1∶50 000組合異常圖，數(shù)據(jù)量較大，因此選取其中部分列舉如圖3所示。

圖3 研究區(qū)部分組合異常圖Fig．3 Integrated anomaly map of part study area

4 遙感異常與化探異常的找礦預(yù)測效果

雖然遙感異常信息與化探異常信息形式不同，但究其根本，都是根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)特征或地表層的地質(zhì)體特征獲得的，表達(dá)與成礦相關(guān)的信息。許多學(xué)者的研究結(jié)果證實(shí)了此二者之間存在某種相關(guān)性[3]。作者在本文中通過對研究區(qū)進(jìn)行遙感異常信息提取，同時針對水系沉積物進(jìn)行化探分析，結(jié)合該區(qū)地質(zhì)成礦背景，總結(jié)出以下結(jié)論：①元素異常位置吻合程度高，異常組合與礦化類型吻合；②遙感異常與化探異常的展布與研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特征一致。

圖4 研究區(qū)成礦預(yù)測圖Fig．4 The metallogenic prediction of the study area

結(jié)合遙感異常與化探異常提出四個找礦靶區(qū)(圖4)：①A1為黃沙坪鉛鋅礦找礦遠(yuǎn)景區(qū)，該區(qū)遙感異常與化探異常吻合度比較高，適合尋找高-中溫?zé)嵋盒豌U鋅礦；②A2為香花嶺鎢錫鉛找礦遠(yuǎn)景區(qū)，該區(qū)遙感異常多，化探異常多，且兩者吻合度較高，遠(yuǎn)景區(qū)范圍廣，在區(qū)域性斷層破碎帶中適合尋找充填交代型多金屬礦床；③B1為廖家洞-永春鉛錫多金屬找礦遠(yuǎn)景區(qū)，該區(qū)小型金屬礦點(diǎn)集中，適合尋找鉛錫多金屬礦產(chǎn)；④B2為神堂灣-平頭嶺銅鉛鉬多金屬找礦遠(yuǎn)景區(qū)，該區(qū)發(fā)育較多小型金屬礦點(diǎn)，適合尋找銅鉛鉬多金屬礦產(chǎn)。

5 結(jié)語

單純從地球化學(xué)異常來看，組合異常圖及綜合異常圖為研究區(qū)在空間地理位置層面的地勘找礦提供了較直接的信息，但是缺乏明確的指示性。遙感異常信息圖是根據(jù)研究區(qū)地表地物的光譜特征獲取的，直觀性強(qiáng)，能很好地表達(dá)研究區(qū)的綜合概況，且便于找出形成地球化學(xué)異常的原因。因此有效地結(jié)合兩種方法，共同為地勘事業(yè)服務(wù)，將會對提高找礦效率有一定的幫助。

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