張元濤，潘蔚，余長發(fā)，田青林

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029）

1 前言

自遙感技術應用于礦產(chǎn)勘查以來，構(gòu)造、巖性及蝕變信息就一直都是主要的研究對象。結(jié)合遙感技術宏觀、高效的優(yōu)點可快速獲取研究區(qū)構(gòu)造、巖性及蝕變等信息，快速圈定找礦靶區(qū)，從而在一定程度上縮短礦產(chǎn)勘查周期。如潘蔚等［1］通過多尺度遙感構(gòu)造解譯和蝕變信息提取，對青海祁漫塔格中段進行了鈾成礦遠景預測；李瀚波等［2］在分析中衛(wèi)地區(qū)鈾成礦要素的基礎上，利用掩膜去除非成礦有利地層，最后通過蝕變信息提取發(fā)現(xiàn)多條鈾礦化異常線索；李玉琴等［3］利用ASTER影像及克羅斯塔技術提取了菲律賓呂宋島蝕變異常信息，并圈定了找礦靶區(qū)；趙小星［4］利用ETM影像進行了構(gòu)造解譯和蝕變信息提取，并結(jié)合地學信息圈定了成礦遠景區(qū)。以上研究為中低分辨影像的應用，提取的地質(zhì)信息受數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率的限制。而WV-3影像具有更高的空間分辨率、光譜分辨率，利用該影像不僅能識別大尺度的地質(zhì)信息，而且識別的信息種類也更多［5-8］。

內(nèi)蒙古蘇莫查干敖包地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，已有鐵、螢石等礦產(chǎn)的開采。其中蘇莫查干敖包螢石礦因其豐富的礦產(chǎn)資源，受到了學者的廣泛關注［9-11］。然而相對于其他礦產(chǎn)，鈾礦地質(zhì)工作主要集中在工作區(qū)西北部的查干哈達地區(qū)，且研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)了一些呈小規(guī)模展布的鈾礦化異常［12］。為此在綜合分析研究區(qū)地質(zhì)資料的基礎上，利用WV-3高分辨率影像對研究區(qū)巖性、構(gòu)造及蝕變信息進行提取，并進行了部分野外驗證，從而有助于該區(qū)進一步鈾礦勘查研究。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

蘇莫查干敖包地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，二連浩特市西南，行政上隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗。大地構(gòu)造位置位于西伯利亞板塊和華北地臺之間的中亞晚古生代造山帶的東段，夾持于索倫山板塊縫合線［13］和賀根山深大斷裂之間［11］。出露地層主要有青白口系艾勒格廟組區(qū)域淺變質(zhì)巖、二疊系大石寨組火山-沉積巖及白堊系上統(tǒng)砂巖、砂礫巖。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，以早白堊世中粗粒似斑狀黑云母花崗巖為主，出露于研究區(qū)西北部，局部可見晚白堊世中粗粒黑云母二長花崗巖、中侏羅世中粒碎裂花崗巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，以北北西向、北東向和近南北向斷裂構(gòu)造為主［12］（圖 1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖（據(jù)核工業(yè)二○八大隊，2017）Fig.1 Sketch geological map of research area（modified after Nie et al.， 2018）1—白堊系砂巖、砂礫巖；2—二疊系大石寨組三段晶屑凝灰?guī)r夾變質(zhì)流紋巖；3—二疊系大石寨組三段炭質(zhì)板巖；4—二疊系大石寨組二段晶屑凝灰?guī)r夾變質(zhì)流紋巖；5—二疊系大石寨組二段大理巖；6—青白口系艾勒格廟組三段絹云母石英千枚巖、白云母石英片巖夾大理巖；7—青白口系艾勒格廟組二段白云質(zhì)大理巖夾石英巖；8—晚白堊世中粗粒黑云母二長花崗巖；9—早白堊世中粗粒似斑狀黑云母花崗巖；10—中侏羅世中粒碎裂花崗巖；11—花崗細晶巖脈；12—螢石脈；13—閃長巖脈；14—斷裂構(gòu)造。

研究區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，主要有螢石和鐵。其中螢石礦資源尤其豐富，主要有蘇莫查干敖包特大型螢石礦和中型敖包吐螢石礦，出露地層為下二疊統(tǒng)大石寨組火山-沉積巖［9，14］。而研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)鈾礦化異常主要出露于大石寨組三段下部炭質(zhì)板巖中，受北東向構(gòu)造控制明顯，出露范圍小。礦化異常處伴隨強烈的赤鐵礦化、褐鐵礦化、黏土化及硅化［12］。

3 WV-3數(shù)據(jù)特征及預處理

WV-3傳感器包含8個空間分辨率為1.24 m的可見光—近紅外波段，8個空間分辨率為3.7 m的短波紅外波段及1個空間分辨率為0.31 m的全色波段（表1）。如此高的空間分辨率和光譜分辨為精細的地質(zhì)信息提取提供了可能。本次所用影像數(shù)據(jù)為L2A級，獲取于2018年5月28日，影像無云、雪覆蓋，由于受美國國家海洋和大氣管理局的許可限制，本次所用數(shù)據(jù)的短波紅外波段空間分辨率為7.5 m［6］。L2A級的數(shù)據(jù)已基于WGS-84橢球體投影到了UTM北投影49帶。對該類數(shù)據(jù)的預處理主要包括輻射定標、大氣校正、幾何校正。整個處理過程在ENVI軟件的5.3版本下進行。即利用Radiometric Clibration模塊進行輻射定標，將傳感器記錄的電壓或數(shù)字量化值（DN）轉(zhuǎn)化為大氣頂層光譜輻射 度 值［6，8］。再利用FLAASH （Fast Line-of-sight Atmosphere Analysis of Hypercubes）模塊進行大氣校正，消除由于大氣吸收、散射等影響所產(chǎn)生的誤差。

表1 WV-3影像波段特征及光譜范圍（據(jù) Digital Globe）Table 1 Band wavelength and spatial resolution of WV-3 image （source:Digital Globe）

4 研究區(qū)鈾礦地質(zhì)信息提取

在綜合分析基礎地質(zhì)資料的基礎上，以ENVI、ArcGIS為軟件平臺，結(jié)合主成分分析（PCA）、假彩色合成及目視解譯識別研究區(qū)巖性、斷裂構(gòu)造，同時利用主成分分析法和光譜角匹配（SAM）分別識別研究區(qū)鐵染類、黏土類蝕變礦物異常信息。

4.1 巖性信息提取

研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)鈾礦化異常點多分布于大石寨三段下部的炭質(zhì)板巖中，因而精確圈定該類巖石的空間分布范圍對鈾礦勘查具有重要的意義。利用遙感技術識別巖性信息，其原理主要是依據(jù)不同巖性的巖石由于礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、覆蓋物成分、含水性、地域環(huán)境上的差異而導致其在遙感影像上表現(xiàn)為不同的波譜特征和空間特征。然而地質(zhì)環(huán)境復雜多樣，直接識別研究區(qū)巖性信息往往存在一定的困難。利用圖像處理技術能對弱地質(zhì)信息進行增強，使得不同屬性地質(zhì)信息容易區(qū)分。其中波段代數(shù)、假彩色合成、主成分分析法及它們的組合常常用于巖性信息增強。如通過WorldView-2數(shù)據(jù)band 8，band 4/band 1，band 5/band 3的組合，可識別閃長巖、大理巖、片巖等多套巖性，突出巖性之間的界線［15］。

經(jīng)過標準假彩色合成及目視解譯，巖性邊界定位更精確，巖性劃分更全面。利用NIR1、Red、Green 3個波段合成標準假彩色解譯底圖，圖中各巖性地層色調(diào)、紋理差異明顯。在研究區(qū)主要地層巖性信息圖中，早白堊世中粗粒似斑狀黑云母花崗巖主要出露于研究區(qū)西北部（衛(wèi)境巖體），出露范圍廣，在假彩色合成圖像上，色調(diào)較亮，主要呈橘黃色、黃色等，局部夾黃褐色色斑，影紋清晰，多呈條塊狀、團塊狀。該巖漿巖中水系、沖溝發(fā)育，總體呈北西向展布。大石寨組三段上部晶屑凝灰?guī)r夾變質(zhì)流紋巖主要出露于衛(wèi)境巖體外側(cè)，與花崗巖呈侵入接觸。在假彩色合成圖像上，其色調(diào)較北西側(cè)花崗巖深，主要呈灰白色、青灰色等，局部夾橙黃色、黃色，影紋多由北東向展布的片理構(gòu)成，較粗糙。在地貌上，該巖層海拔明顯高于兩側(cè)的花崗巖與板巖，反映該巖層巖石相對前者不易風化。大石寨組三段下部炭質(zhì)板巖主要呈北東向條帶狀展布，色調(diào)較深，主要呈深藍色、淺藍色，局部夾橘黃色、淺粉色，紋理多由北東向展布的片理構(gòu)成，影紋不均，局部較細膩。大石寨組二段分布于研究區(qū)中下部，色調(diào)較北西側(cè)炭質(zhì)板巖淺，主要呈灰黑色、灰白色、藍黑色，局部夾橙紅色、黃色。紋理清晰，總體粗糙，主要由北東向的片理構(gòu)成。在地貌上，該巖層凸起，明顯高于兩側(cè)的板巖與白堊系沉積巖（圖2）。

圖2 WV-3圖像（RGNIRI合成）和主要地層巖性解譯Fig.2 Interpretation of major lithology unit and strata1—白堊系上統(tǒng)沉積巖；2—二疊系下統(tǒng)大石寨組三段晶屑凝灰?guī)r夾變質(zhì)流紋巖、炭質(zhì)板巖；3—二疊系下統(tǒng)大石寨組二段晶屑凝灰?guī)r夾變質(zhì)流紋巖；4—早白堊世花崗巖。

巖墻是巖漿沿巖層裂隙運動并切斷巖層的板狀侵入體，是地殼伸展體制下深源巖漿淺部就位的產(chǎn)物［16］。獲取巖墻及巖墻群的發(fā)育狀況和空間展布，可以定量反映中上部地殼變形。尤其是鎂鐵質(zhì)巖墻，其幾何、時間、空間分布和侵位機制與局部和區(qū)域構(gòu)造應力場及地殼演化關系密切［17］。研究區(qū)巖墻信息豐富，規(guī)模不等。對WV-3可見光—近紅外8個波段進行主成分變換，選取PCA3、PCA2及PCA1進行RGB假彩色合成。其中北東向展布的侵入體與花崗巖界線明顯，總體呈淺藍色、藍白色 （背景藍紫色）（圖3）。在地貌上，該侵入體相較于花崗巖巖體抗風化能力強，表現(xiàn)為正地形。地質(zhì)資料顯示該侵入體為閃長巖脈。同時可看到該脈體并不連續(xù)，受北西西向構(gòu)造控制，發(fā)生類似于錯斷的地質(zhì)現(xiàn)象。

圖3 侵入脈體影像特征（PCA 3、2、1假彩色合成圖像）Fig.3 Pseudo-color image （PCA 3， 2， 1） of intrusive veins in granite

4.2 斷裂構(gòu)造信息提取

斷裂構(gòu)造識別在礦產(chǎn)資源勘查中是重要的研究內(nèi)容。這是由于構(gòu)造的存在使得原本完整的地質(zhì)體產(chǎn)生了破碎空間，從而為熱液的運移與富集成礦提供了有利場所。而成礦期后的構(gòu)造，當其切過礦體時，往往對礦體造成破壞使得礦體的展布特征發(fā)生變化。斷裂構(gòu)造在形成過程中，往往會在地質(zhì)體中留下蛛絲馬跡，如斷層陡坎、斷層三角面、斷層崖及水系位錯等。這些特征可以從遙感圖像上反映出來，因而可依據(jù)這些特征運用直接判斷法、對比分析法、追索法和推理法將其識別。

研究區(qū)構(gòu)造發(fā)育，主要為北東向和北西向，這些斷裂在WV-3影像上特征明顯，直線型影像清晰可辨，展示出了很好的線性形跡。北西向展布的斷裂構(gòu)造，地質(zhì)資料顯示為張性，除斷層陡坎等構(gòu)造地貌外，影像上還可見斷裂兩側(cè)存在的明顯紋理差異，其中西南側(cè)地層可見一類似褶皺的巖層彎曲，而北東側(cè)紋理主要由變質(zhì)流紋質(zhì)晶屑流紋巖呈北東向展布的片理所形成（圖4a）。通過WV-3影像數(shù)據(jù)所反映的微構(gòu)造信息，即圖中顯示出的牽引褶皺，可推斷該張性斷裂還具有右行扭動的特征。北北東向展布的斷裂構(gòu)造，影像上顯示為深切地表的平直溝谷 （圖4b）。溝谷兩側(cè)的紋理、色調(diào)均存在顯著差異。從大尺度的WV-3遙感影像來看，呈北東東向展布的巖脈在經(jīng)過該溝谷時發(fā)生了位錯，局部斷距約96 m，表明該斷裂具有右行扭動的特征。

圖4 斷裂構(gòu)造影像特征Fig.4 Image characteristics of faults in study area a—北西向斷裂構(gòu)造；b—北北東向斷裂構(gòu)造。

這些構(gòu)造的識別，特別是研究區(qū)內(nèi)呈小范圍展布的構(gòu)造在鈾礦勘查中起著重要的作用。鈾礦化異常點呈北東向展布約700 m，靠近最北端局部異常鈾含量可達千分之一，然而延伸如此連續(xù)的異常帶卻終止了（圖5）。在北端終止處可見一近似線性展布的色調(diào)異常，兩側(cè)炭質(zhì)板巖在紋理、色調(diào)等方面都存在一定差異。其中東側(cè)紋理粗糙顏色較深，西側(cè)紋理細膩顏色較淺。異常色調(diào)出露處表現(xiàn)為線性負地形，可推測該處可能存在一近南北向斷裂。同時，兩側(cè)類似對應層的錯動可反映該斷裂發(fā)生左行扭動。因此可推測連續(xù)的鈾礦化異常帶北端終止的原因可能是受該近南北向左行平移斷裂破壞所致。通過篩選總道值大于30×10-6的能譜點，在該斷裂東側(cè)發(fā)現(xiàn)了兩個異常點，兩者連線也呈北東向，但與原鈾礦化異常帶存在一定位錯，近一步證實了該南北向構(gòu)造很可能破壞了原始鈾礦異常帶的空間展布，導致其延伸中斷。

圖5 鈾礦化異常點空間分布及其與構(gòu)造關系Fig.5 The spatial relationship of uranium anomalies and structure

4.3 蝕變信息提取

利用遙感影像進行蝕變異常信息提取包括多種方法，其中常用的為主成分分析、波段代數(shù)法和形狀匹配3種［18］?？紤]WV-3數(shù)據(jù)的特點，由于鐵染類蝕變礦物的診斷性吸收特征主要出現(xiàn)在可見光—近紅外波段，而黏土類、碳酸巖類蝕變的診斷性吸收特征主要集中在短波紅外波段，因此利用WV-3的可見光近紅外波段及主成分分析法提取研究區(qū)鐵染蝕變信息，利用短波紅外波段和光譜角匹配提取黏土、碳酸巖類蝕變礦物信息。4.3.1 鐵染蝕變信息提取

鐵氧化及氫氧化礦物，如赤鐵礦、針鐵礦、黃鉀鐵釩和褐鐵礦，在0.4～1.1μm的可見光—近紅外波段具有光譜吸收特征［19］。WV-3遙感影像數(shù)據(jù)在可見光—近紅外波段具有豐富的光譜信息，其波段設置與WorldView-2的可見光—近紅外波段的波段設置相同，只是空間分辨率較后者更高。因此，本文依據(jù)前人研究成果［15，20］， 采用 WV-3 影像的 Band 1、Band 4、Band 6、Band 8 4個波段結(jié)合主成分分析法提取鐵染蝕變信息。

主成分析法是多光譜影像數(shù)據(jù)中蝕變信息提取廣泛使用的方法。利用該方法能在保證數(shù)據(jù)總信息量不變的前提下，去除各波段相關性，得到一系列線性不相關的變量［21］。經(jīng)過主成分變換，包含鐵染蝕變信息的主分量選取原則為：在特征向量矩陣中，B4的貢獻系數(shù)符號應與B1、B8的貢獻系數(shù)符號相反， 一般和 B6 的貢獻系數(shù)符號相同［15，20］。

PC 3反映了研究區(qū)鐵染蝕變異常信息（表2）。對PC 3取反后，分別進行高斯低通濾波和數(shù)據(jù)拉伸，最后按 “均值+2倍標準差”來確定異常下限圈定鐵染蝕變異常。局部蝕變異常在影像中呈團塊狀分布于山丘上，且斷續(xù)呈近似北東向展布（圖6）。經(jīng)野外查證發(fā)現(xiàn)，該處為大石寨組三段下部板巖內(nèi)呈北東向展布的蝕變帶，見強烈赤鐵礦化、褐鐵礦化。對多處類似鐵染蝕變進行測量發(fā)現(xiàn)，尤其是出露于大石寨組三段炭質(zhì)板巖中的鐵染蝕變，蝕變出露處鈾含量普遍較高。

表2 主成分分析特征向量矩陣Table 2 PCA eigenvector matrix

圖6 鐵染蝕變異常Fig.6 Abnormities of iron stain alteration and field photo

4.3.2 黏土類及碳酸巖類蝕變信息提取

黏土類及碳酸巖類蝕變礦物，如高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙脫石、白云母、方解石及白云石等，其光譜吸收特征主要出現(xiàn)在短波紅外波段 （2.1～2.4μm），因而利用WV-3的8個短波紅外波段及光譜角匹配方法可提取該類蝕變礦物。光譜角匹配法是形狀匹配中的一種，是以待定光譜與參考光譜之間光譜角大小為分類標準的方法，當夾角小于閾值時則將待定光譜劃分為參考光譜。盡管該方法及其他形狀匹配法，如匹配濾波、混合調(diào)制匹配濾波，多應用于高光譜影像處理，但也可以應用于多光譜影像［22-23］。整個提取流程包括：利用最小噪聲分離進行光譜壓縮，噪聲抑制及降維；利用像元純凈指數(shù)從絕大多數(shù)的混合像元中分離出相對 “純凈”的像元，以減少在確定端元時所需分析的像元數(shù)；利用N維可視化提取端元光譜；通過目視觀察、自動識別及光譜庫比對的方法識別端元波譜，并結(jié)合光譜角匹配法進行礦物填圖。

圖7 研究區(qū)主要黏土礦物端元波譜Fig.7 Themajor end member spectrumof clay mineral in study area

圖8 黏土類蝕變礦物異常及野外照片F(xiàn)ig.8 Anomalies of clay minerals and field photoa—黏土類蝕變礦物空間分布；b—野外照片。

ENVI中的光譜沙漏工具集成了上述功能。利用上述工具提取了研究區(qū)主要端元波譜，端元波譜主要在2.2μm處存在明顯吸收特征，對應WV-3中的SWIR-6波段，反映該端元波譜包含黏土類礦物蝕變信息（圖7）。結(jié)合SAM法對該端元波譜進行礦物填圖，光譜角閾值設置為0.07，最后獲取研究區(qū)黏土礦物空間分布特征。部分野外驗證發(fā)現(xiàn)提取結(jié)果準確，大量絹云母產(chǎn)于巖石片理面（圖8）。而在花崗巖體中，見—黏土類蝕變礦物異常條帶呈近似直線狀斷續(xù)展布，出露范圍?。▓D9）。且在該處多條北西向溝谷轉(zhuǎn)向、匯聚。劉德長等［24］認為沿斷裂發(fā)育有蝕變的構(gòu)造反映沿斷裂曾有過熱液活動，其蝕變是熱液活動的痕跡，很可能與成礦有關。與此同時，從研究區(qū)黏土類蝕變礦物的空間分布來看，該類蝕變多分布在衛(wèi)境巖體外部圍巖中，而在廣闊的巖體內(nèi)部僅僅在該處有出露。綜上可知該處存在的蝕變異常很可能與成礦關系密切。

圖9 黏土類蝕變礦物空間展布Fig.9 Spatial distribution of clay minerals in the WV-3 image

5 結(jié)論

在綜合分析研究區(qū)基礎地質(zhì)資料的基礎上，利用高分辨率WV-3遙感影像開展了巖性、構(gòu)造解譯及蝕變信息提取，并對部分區(qū)域進行了野外查證，發(fā)現(xiàn)：

1）WV-3影像數(shù)據(jù)對于地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性信息解譯效果良好，高空間分辨率、光譜分辨率有助于精細解譯研究，可較好地定位巖性地層邊界，圈定成礦有利地層及識別微構(gòu)造（如牽引褶皺、片理等）；

2）利用主成分分析法及光譜角匹配分別對WV-3影像的可見光—近紅外和短波紅外進行蝕變信息提取，結(jié)果表明兩種方法都能很好提取研究區(qū)蝕變異常信息，尤其是研究區(qū)呈小規(guī)模展布的蝕變異常信息；

3）研究區(qū)鈾礦化異常有利區(qū)主要分布在大石寨組三段下部的炭質(zhì)板巖中，受北東向構(gòu)造控制，而有利區(qū)內(nèi)其他小規(guī)模展布的后期構(gòu)造可能破壞鈾礦化的延續(xù)性；大石寨組三段下部炭質(zhì)板巖中的鐵染蝕變異常處，鈾含量較背景值高，鐵染蝕變與該區(qū)鈾礦化關系密切；廣闊的衛(wèi)境巖體內(nèi)部僅在一處出現(xiàn)的呈北東向沿構(gòu)造展布的黏土類蝕變礦物異常很可能與成礦關系密切。