劉建宇， 陳玲， 李偉， 王根厚， 王博

(1.中國地質(zhì)大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083；2.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

近年來，多光譜影像和高光譜影像已被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)研究中，在蝕變信息提取、巖性劃分等方面取得了豐碩成果[1-6]。但遙感影像反映的是地表地質(zhì)體的宏觀特征，因此對于需要野外和區(qū)域地質(zhì)對比工作支撐的地層單元的相對時代這一基礎(chǔ)地質(zhì)問題一直未能很好地解決。而且在基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺失的情況下，構(gòu)造演化和成礦有利區(qū)方面的研究也很難達到理想效果。

“構(gòu)造層次”由法國地質(zhì)學家馬托埃提出，國內(nèi)首次見于孫坦等翻譯的《地殼變形》[7]。馬托埃指出在地表附近，巖石表現(xiàn)為脆性，隨著埋藏深度的增加，溫度、壓力增大，巖石逐漸表現(xiàn)出韌性，甚至熔化。因此不同深度的巖石在構(gòu)造上具有不同的幾何特征和變形機制。因此，他將地殼內(nèi)分別顯示一種主導變形機制的不同區(qū)段稱作構(gòu)造層次。本文首次將“構(gòu)造層次理論”引入遙感地質(zhì)解譯工作，對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)不同地質(zhì)體的構(gòu)造變形特征開展詳細研究，充分挖掘高分二號(GF-2)影像的潛力，提出了僅依靠遙感影像或少量地質(zhì)資料，在一定程度上掌握地層單元的相對年代、構(gòu)造事件和成礦有利地段等信息的工作方法。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州若羌縣東部，磁海鐵礦南30 km，靠近新疆、甘肅2省交界處，自然條件惡劣，全年降水極少，巖石裸露情況良好，為遙感地質(zhì)研究提供了很好的便利條件。

北山造山帶自北向南共發(fā)現(xiàn)4條大型蛇綠巖帶，分別是： 紅石山蛇綠巖帶、石板井蛇綠巖帶、紅柳河蛇綠巖帶和柳園蛇綠巖帶[8]。4條蛇綠巖帶將5個島弧單元相互隔開，自北向南依次為： 雀兒山島弧、黑鷹山—旱山島弧(以白山—碎石黑山—路井斷裂為界，北部為黑鷹山島弧，南部為旱山島弧)、馬鬃山島弧、雙鷹山—花牛山島弧(以黑山—堿泉子—大豁井為界，以北為雙鷹山島弧，以南為花牛山島弧)和石板山島弧(位于最南部)，構(gòu)成敦煌地塊的北緣(圖1)。

圖1 北山造山帶地質(zhì)簡圖及研究區(qū)位置(據(jù)參考文獻[8]修編)

Fig.1SketchregionalgeologicalmapoftheBeishanorogenicbeltandthe

locationofthestudyarea(modifiedafterreference[8])

研究區(qū)位于北山造山帶西南部，雙鷹山島弧內(nèi)(圖1)。區(qū)內(nèi)地層以石炭系為主，少量二疊系和古元古界分別出露于研究區(qū)北部和南部。早期區(qū)域調(diào)查資料中將石炭系劃分為紅柳園組(C1h)、矛頭山組(C2m)和鹽灘組(C3y)[9-10]。最新調(diào)查成果中將石炭系劃分為紅柳園組(C1h)、石板山組(C2sh)、勝利泉組石板山組(C2shl)和干泉組石板山組(C2P1g)(圖2)。

圖2 研究區(qū)遙感解譯圖Fig.2 Sketch geological map of the study area

紅柳園組分布于研究區(qū)北部，下部以斜長角閃片巖、石英片巖等為主，夾大理巖、大理巖化灰?guī)r，中部主要為變質(zhì)砂巖、粉砂巖、千枚巖、礫巖，上部為變質(zhì)砂巖、粉砂巖、板巖，受構(gòu)造活動影響，紅柳園組內(nèi)劈理發(fā)育。石板山組分布于研究區(qū)中南部，總體為一套變質(zhì)碎屑巖-火山巖、火山碎屑巖。主要巖性為二云石英片巖、黑云石英片巖、絹云石英片巖夾變砂巖、凝灰質(zhì)變砂巖、粉砂巖，局部夾安山巖、玄武巖。勝利泉組出露于研究區(qū)東北部，巖性以深灰-灰黑色板狀粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖為主，局部夾凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖，組內(nèi)構(gòu)造變形強烈，原生層理S0多被S1置換。干泉組分布于研究區(qū)中北部，與北側(cè)紅柳園組和南側(cè)石板山組斷層接觸，巖性主要為一套火山巖、火山碎屑巖，包括玄武巖、安山巖、晶屑凝灰熔巖、凝灰?guī)r。古元古代敦煌北山巖群的巖性組合為斜長角閃片巖、黑云斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖、黑云母變粒巖、角閃變粒巖、大理巖等。二疊系分布于研究區(qū)西北部，為一套碎屑巖夾火山巖及少量灰?guī)r地層。

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育[9-10]，由北向南有白地洼—淤泥河斷裂、紅十井—矛頭山斷裂、鹽灘南—白山西斷裂3條大型韌性斷裂。同時發(fā)育有NW，NE向2組共軛脆性斷裂及規(guī)模較小的近EW，NS向的斷裂(圖2)。據(jù)丁建華等[11]研究表明，研究區(qū)位于磁海Fe-Cu-Au-V-U-P成礦亞帶。在該亞帶內(nèi)目前已發(fā)現(xiàn)了白墩子、小西弓、金窩子、紅十井、大青山和222金礦[12-15]。這些金礦均為韌性剪切帶型金礦，其成礦與區(qū)域性韌性斷裂具有密切關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本次研究中共用到1景Landsat8 OLI數(shù)據(jù)和10景GF-2數(shù)據(jù)。OLI傳感器共9個波段，除全色波段B8空間分辨率為15 m外，其他8個波段均為30 m； GF-2數(shù)據(jù)幅寬為45 km，側(cè)擺角為15°，包括1個空間分辨率為0.81 m的全色波段和4個空間分辨率為3.24 m的多光譜波段(表1)。

表1 OLI數(shù)據(jù)和GF-2數(shù)據(jù)參數(shù)Tab.1 Parameters of OLI data and GF-2 data

本次研究用到的OLI數(shù)據(jù)獲取于2016年10月4日，無壞條帶，無云、雪覆蓋。預(yù)處理包括輻射定標和大氣校正。10景GF-2數(shù)據(jù)中7景獲取于2016年5—7月，4景獲取于2017年3月。所有影像云層、雪被覆蓋面積占比低于5%。GF-2數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射定標、大氣校正、正射校正、融合、鑲嵌。由于需要和GF-2數(shù)據(jù)對比研究，在完成大氣校正后又以GF-2影像為底圖對OLI影像進行了配準。經(jīng)過多次對比驗證，本次研究認為GF-2影像B1(R)，B2(G)，B3(B)合成的假彩色影像更能突出研究區(qū)地質(zhì)信息(圖3(a))。早期研究多利用ETM+數(shù)據(jù)B7(R)，B4(G)，B1(B)合成的假彩色影像進行地質(zhì)解譯，因此本文選擇OLI數(shù)據(jù)中波長范圍較一致的B7(R)，B5(G)，B2(B)合成假彩色影像以突出研究區(qū)地層、巖體、構(gòu)造特征(圖3(b))。所有預(yù)處理過程在ENVI5.2軟件中完成。

(a) GF-2 B1(R)，B2(G)，B3(B)合成影像 (b) OLI B7(R)，B5(G)，B2(B)合成影像

圖3 GF-2數(shù)據(jù)和OLI數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果

Fig.3ImagesofGF-2andOLIFLAASHafteratmosphericcorrection

3 研究方法

最小噪聲分離(minimum noise fraction，MNF)是一種線性變換，實質(zhì)上包含2次疊置的主成分分析(principal component analysis，PCA)，可將一幅多波段影像的主要信息集中到前面幾個波段中。利用MNF變換后的波段合成及假色彩影像可有效區(qū)分多種巖性[16-17]。經(jīng)過PCA變換后的影像主要信息集中在前3個主成分分量中，但是之后的主成分分量有時卻含有對區(qū)分巖性非常重要的信息[18]。與PCA類似，經(jīng)過MNF變換后雖然影像中的主要信息集中在了前幾個波段，但是后面的波段可能含有對識別巖性或構(gòu)造非常重要的信息。因此本文選擇B2(R)，B1(G)，B5(B)假彩色合成影像，識別研究區(qū)大型構(gòu)造。對融合后的GF-2影像進行假色彩合成和多種拉伸變換，以突出能夠反映小型構(gòu)造的影紋細節(jié)。

4 結(jié)果及分析

4.1 遙感解譯結(jié)果

在經(jīng)過MNF變換的假彩色影像上，不同地質(zhì)體間色調(diào)差異較大，線性構(gòu)造增強效果明顯，非常有利于對km級、百m級的構(gòu)造進行解譯。經(jīng)MNF變換后的OLI影像及局部放大圖如圖4所示。

(b) 脆性斷裂影像特征

(a) 大型斷裂影像特征 (c) 頂厚褶皺影像特征

圖4 OLI影像經(jīng)MNF變換后B2(R)，B1(G)，B5(B)合成的影像

Fig.4ImagescompositedwithB2(R),B1(G),B5(B)afterMNFtransformation

研究區(qū)北部的白地洼—淤泥河斷裂在空間上呈NEE向，具典型的線性特征。斷裂帶附近地層為綠色色調(diào)，與斷裂南側(cè)干泉組具有截然不同的顏色。紅十井—矛頭山斷裂帶位于研究區(qū)西部，NE向延伸，斷裂帶呈淺灰色，其北端與白地洼—淤泥河斷裂相連接。南部的鹽灘南—白山西斷裂帶整體呈灰色色調(diào)，由西向東其走向從近NW向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹E-NW向(圖4(a))。除此之外，經(jīng)MNF變換的OLI影像也清晰地展現(xiàn)了NE和NW向脆性斷裂(圖4(b))。研究區(qū)中的脆性斷裂規(guī)模較大，在影像圖上呈淺色色調(diào)，線性特征顯著； NE向斷裂有較大位移，錯開了NW向斷裂和巖體。通過被錯開的巖體可以估算其斷距接近2 km(圖4(b))。同時，該假色彩影像突出了不同巖性間的顏色差異，勝利泉組內(nèi)的變質(zhì)砂巖、石英巖在影像上呈淺黃色，夾于紫色的板巖內(nèi)。將淺黃色的變質(zhì)砂巖做標志層，可以判斷該褶皺為頂厚褶皺(圖4(c))。

利用OLI影像解譯出了研究區(qū)的大型斷裂和褶皺構(gòu)造，但是這些信息很難滿足比例尺較大的遙感地質(zhì)工作，因此需要利用空間分辨率更高的GF-2影像進行更加詳細的解譯。

基于GF-2影像，對研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造進行了詳細的解譯。結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)主期構(gòu)造樣式不盡相同。在研究區(qū)西北部，褶皺構(gòu)造發(fā)育，通過對灰白色標志層的追索與解譯可以確定該地區(qū)的褶皺類型為等厚褶皺(圖5(a))。干泉組在GF-2影像上具有典型的條帶狀影紋特征，這些影紋在不同巖性內(nèi)部均十分發(fā)育，但是條帶寬度卻寬窄有變(圖5(b))，并且該影紋受研究區(qū)中部韌性斷裂控制明顯，隨斷裂方向改變而改變。因此推斷該影紋反映的是受構(gòu)造作用形成的構(gòu)造面理的宏觀特征，而非沉積巖差異風化所致。后經(jīng)野外驗證該地區(qū)巖石內(nèi)普遍發(fā)育劈理。在沙壟西側(cè)石板山組內(nèi)同樣發(fā)現(xiàn)了頂厚褶皺，不過規(guī)模要小很多(圖5(c))。研究區(qū)南部北山巖群的變形特征與中部和北部有著較大區(qū)別，以流動構(gòu)造為主，發(fā)育有典型的揉流褶皺(圖5(d))。同時還解譯出了大量小型脆性斷裂，這些斷裂多為分為NE和NW向2組，可以解譯出NE向斷裂將NW向斷裂錯開(圖5(e))。結(jié)合OLI影像解譯結(jié)果，NE向和NW向這2組斷裂具有相互切割的特征，為共軛斷裂，但是NE向斷裂具有較大位移，可能為后期構(gòu)造運動所致。

(a) 等厚褶皺 (b) 條帶狀影紋 (c) 小型頂厚褶皺

(d) 揉流褶皺 (e) 小型脆性斷裂

圖5 GF-2影像詳細解譯結(jié)果

Fig.5DetailedinterpretationofGF-2image

綜合以上解譯成果，研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造類型主要有韌性斷裂、脆性斷裂、等厚褶皺、頂厚褶皺、揉流褶皺和構(gòu)造面理。其中韌性斷裂時代較早，但是否早于揉流褶皺很難通過影像判斷。韌性斷裂控制了劈理的形成和產(chǎn)狀，頂厚褶皺可能是在韌性斷裂形成過程中形成的。等厚褶皺形成相對時代難以判斷，因為其距離韌性斷裂較遠，無法判斷是否受到韌性斷裂改造。但這些構(gòu)造均被脆性斷裂改造錯斷。雖然GF-2影像提供了大量細節(jié)信息，大幅提高了遙感解譯的精度，但是僅根據(jù)GF-2和OLI影像很難準確劃分構(gòu)造期次，而對于地質(zhì)單元相對時代更是難以判斷。

4.2 基于構(gòu)造層次理論的分析

根據(jù)馬托埃[7]提出的構(gòu)造層次理論，自地表向下可分為上部構(gòu)造層次、中部構(gòu)造層次和下部構(gòu)造層次。其中，上部構(gòu)造層次的變形機制是剪切作用，為斷層發(fā)育的無褶皺區(qū)； 中部構(gòu)造層次的變形機制為撓曲，為等厚褶皺區(qū)； 下部構(gòu)造層次又可細分為上層和下層，上層部變形機制為壓扁作用，發(fā)育劈理、非等厚褶皺； 下層變形機制為流動作用，發(fā)育流動構(gòu)造。

以構(gòu)造層次為基礎(chǔ)，可將研究區(qū)內(nèi)各構(gòu)造類型分為4類，分別對應(yīng)于上部構(gòu)造層次、中部構(gòu)造層次、下部構(gòu)造層次上層、下部構(gòu)造層次下層(表2)。將不同構(gòu)造層次的構(gòu)造以不同的顏色表示，可以清晰地看出上部構(gòu)造層次的代表性構(gòu)造脆性斷裂在整個研究區(qū)內(nèi)均有發(fā)育； 中部構(gòu)造層次的代表性構(gòu)造出露于研究區(qū)西北部； 下部構(gòu)造層次上層構(gòu)造是研究區(qū)最主要的構(gòu)造類型，在研究區(qū)中北部和中部都有發(fā)育，而研究區(qū)最南部是下部構(gòu)造層次下層構(gòu)造發(fā)育區(qū)(圖5(d))。據(jù)此，在不考慮上部構(gòu)造層次的情況下，可以將研究區(qū)自北向南以此劃分為中部構(gòu)造層次區(qū)、下部構(gòu)造層次上層區(qū)和下部構(gòu)造層次下層區(qū)(圖6)。

表2 研究區(qū)構(gòu)造類型劃分Tab.2 Classification of the structuresrecognized in the study area

圖6 研究區(qū)構(gòu)造類型劃分

Fig.6Structureclassificationbasedonthetheoryofstructuralhierarchy

4.3 野外驗證

為探討依據(jù)構(gòu)造層次理論進行遙感地質(zhì)工作分析研究的可行性，本次工作中對研究區(qū)中部石板山組和北部紅柳園組構(gòu)造面理發(fā)育地區(qū)、南部流動構(gòu)造發(fā)育地區(qū)進行了野外驗證。通過野外驗證發(fā)現(xiàn)，石板山組和紅柳園組內(nèi)劈理透入性發(fā)育，各巖性均以劈理為主，原始層理被高度置換(圖7(a))。研究區(qū)南部廣泛出露片麻巖，具有流動變形特征(圖7(b))。

(a) 干泉組內(nèi)劈理發(fā)育的變質(zhì)砂巖 (b) 北山巖群內(nèi)具流動變形特征的片麻巖

圖7 野外驗證照片

Fig.7Photographstakeninthefield

5 討論

馬托埃[7]指出上部構(gòu)造層次分布在地表及地殼較淺部位，中部構(gòu)造層次分布在上部構(gòu)造層次之下至4 000 m深度之間，4 000 m之下為下部構(gòu)造層次。因此認為發(fā)育下部構(gòu)造層次代表構(gòu)造的地質(zhì)體埋藏深度較深，具有中部和上部構(gòu)造層次構(gòu)造的地質(zhì)體埋藏深度較淺。一般情況下老地層埋藏較深，新地層覆蓋于其上。綜上可以得出，位于下部構(gòu)造層次的地層時代一般較位于中部和上部構(gòu)造層次的地層早。因此，研究區(qū)地層應(yīng)具有由南向北時代依次變新的特征。該結(jié)論與野外驗證結(jié)果一致： 位于研究區(qū)北部的中部構(gòu)造層次區(qū)出露的地層為二疊系，中部地區(qū)的下部構(gòu)造層次上部區(qū)內(nèi)地層主要為石炭系，而南部的下部構(gòu)造層次下部區(qū)的地層為古元古界。

前文已論述，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有不同走向的脆性斷層。這些斷層對中部、下部2個構(gòu)造層次的構(gòu)造現(xiàn)象均有不同程度的改造，因此認為上部構(gòu)造層次的脆性斷層是研究區(qū)內(nèi)最晚一期構(gòu)造作用?；诖丝梢酝茢?，在早期造山作用導致一系列中下部構(gòu)造層次的典型構(gòu)造形成后，研究區(qū)經(jīng)歷了較強烈的地殼抬升運動，使得埋藏達到中、下部構(gòu)造層次的地層被抬升至近地表附近。從而在之后的構(gòu)造運動中，使得具有中、下部構(gòu)造層次代表構(gòu)造的地質(zhì)體內(nèi)又疊加發(fā)育了上部構(gòu)造層次的脆性斷層。區(qū)調(diào)成果顯示，研究區(qū)及周邊地區(qū)大量缺失中生代地層，佐證了地殼抬升這一推論的正確性[9-10]。

根據(jù)韌性剪切帶的變形特征，可以判斷韌性剪切帶屬于下部構(gòu)造層次的上層區(qū)。而一些脆—韌性剪切帶的構(gòu)造層次可能會略淺一些。陳柏林等[15,19]、何格等[14]的研究表明，研究區(qū)東部、西部地區(qū)的金礦點均受韌性剪切帶控制。因此根據(jù)研究區(qū)周圍礦點成礦規(guī)律和構(gòu)造層理論，將研究區(qū)中北部的下部構(gòu)造層次上部區(qū)定為主要的找礦有利地帶，而北部和南部地區(qū)成礦可能性較差。這一結(jié)論同樣得到了遙感蝕變信息提取及野外工作的支持[20]： 目前在研究區(qū)所發(fā)現(xiàn)的2處金礦點均在下部構(gòu)造層次上層內(nèi)，而在在研究區(qū)北部、南部，即中部構(gòu)造層次和下部構(gòu)造層次下層內(nèi)迄今為止沒有發(fā)現(xiàn)任何金礦點。

現(xiàn)階段，國產(chǎn)衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用日趨成熟，在我國“一帶一路”境外地質(zhì)調(diào)查工作中發(fā)揮了重要作用。我國境外遙感地質(zhì)調(diào)查工作在自然環(huán)境、基礎(chǔ)地質(zhì)、礦產(chǎn)資源遙感評價等方面也取得了十分豐富的成果[21-22]，但同時也面臨著境外基礎(chǔ)地質(zhì)資料收集困難，野外實地考察成本高，部分國家基礎(chǔ)地質(zhì)工作程度較為薄弱等問題，增加了開展境外地質(zhì)調(diào)查工作的不確定性，降低了工作效率，在一定程度上影響我國境外遙感地質(zhì)工作的快速發(fā)展與推進。本文所提出的以構(gòu)造層次理論為指導，分析構(gòu)造現(xiàn)象，開展構(gòu)造層次研究，可以在一定程度上解決目前境外遙感地質(zhì)調(diào)查工作中遇到的上述問題。

雖然以構(gòu)造層理論為基礎(chǔ)，可以充分挖掘GF-2數(shù)據(jù)的高空間分辨率優(yōu)勢，獲得更多的地質(zhì)信息，但本次工作未能較好地確定研究區(qū)北部敦煌巖群的相對時代； 而且構(gòu)造層次更深入的研究離不開顯微構(gòu)造研究的支撐，限于條件本次工作未能開展這方面的研究。因此，在日后的研究中，將會更加注重宏觀和微觀的結(jié)合，更進一步挖掘GF-2數(shù)據(jù)高空間分辨率的優(yōu)勢。

6 結(jié)論

本文將“構(gòu)造層次理論”引入遙感地質(zhì)解譯工作，以新疆維吾爾自治區(qū)北山地區(qū)為例，基于構(gòu)造層理理論，對解譯的構(gòu)造現(xiàn)象進行了較深入的分析研究，得到以下結(jié)論：

1)脆性斷裂在研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，改造了中下部構(gòu)造層構(gòu)造。研究區(qū)構(gòu)造層次具有由南向北逐漸變淺的特征。

2)根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造層次劃分，認為研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)單元的相對地質(zhì)年代具有由南向北逐漸變新的特征，經(jīng)歷過一次較大規(guī)模的地殼抬升事件，北部的白地洼—淤泥河斷裂帶更有利于金礦形成，這些推論均得到已有地質(zhì)資料或野外工作的支持。

利用本文提出的工作方法可以充分發(fā)揮GF-2衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的高空間分辨率優(yōu)勢，可以在一定程度上解決遙感地質(zhì)解譯中遇到的地層單元相對年代難以確定的問題，在構(gòu)造演化研究和圈定有利成礦地段方面也能發(fā)揮重要作用，同時也為境外遙感地質(zhì)工作的開展提供了新的思路。