新疆维吾尔自治区是我国目前第二矿产资源大省, 是国土资源调查重点地区。研究区库斯拉甫在行政区划上属阿克陶县库斯拉甫乡管辖(仅东部边缘地带归属莎车县), 地理坐标在E76° 00'~76° 30', N37° 50'~38° 10'之间, 地处青藏高原与塔里木盆地的结合带, 海拔1 660~5 137 m, 属高-中山的中-深切割区。该区特殊的大地构造位置、神奇的地质景观及丰富的地质矿产资源长期以来吸引着国内外地学工作者的向往和不断探索^{[1, 2]}, 然而由于区内地势陡峻, 气候复杂多变, 加上地旷人稀, 交通不便, 野外地质调查难度巨大, 地质工作成果质量难以得到保证, 矿产资源难以得到及时勘查和开发, 一些重大的地质矿产问题多年来仍在争论不休^{[1, 2, 3]}, 亟待进行深入研究。遥感技术方法作为矿产勘查的一种手段, 在找矿难度日益增大的情况下, 越来越为人们所重视, 目前已在地质找矿中取得了显著成效, 成为地质找矿的重要方法之一。遥感蚀变信息提取是遥感找矿的重要研究内容, 可以为找矿提供新的思路和途径。目前国内外研究人员已提出了多种提取遥感蚀变异常信息的方法, 如比值法、主成分分析法、光谱角法、“ 掩模运算-主成分分析-异常筛选(masking-principal component analysis-hue adjust, MPH)” 法^{[4, 5, 6, 7]}、微量信息处理法、彩色空间变换法、分形方法^[8]等, 取得了明显的遥感蚀变信息提取和找矿效果。本文利用研究区多光谱遥感数据提取遥感蚀变异常信息, 并结合对前人在该区已取得研究成果的综合分析, 将提取的遥感矿化蚀变信息作为区域直接找矿的技术参数, 加深了该地区的地质矿产研究程度。

关于研究区的大地构造归属, 本文赞同将西昆仑复合造山带归属于青藏大陆北缘范畴的观点, 即研究区跨及泛扬子大陆的“ 青藏陆块” (或西扬子大陆^[9])与塔里木大陆(或塔里木板块)两大构造单元, 二者间的库斯拉甫断裂带为陆陆碰撞结合带。

据库斯拉甫和恰尔隆一带1:50 000比例尺的区调资料, 西昆仑复合造山带亦称为构造岩浆成矿带, 沉积盆地经历了长城纪、南华-寒武纪和石炭-二叠纪等多个时期的海槽盆地演化和蓟县纪、寒武-奥陶纪、二叠纪、三叠纪 、侏罗纪和新近纪等多期次岩浆活动, 包括超基性— 酸性岩浆侵位和部分火山活动; 遭受了晋宁期和印支期的区域变质作用, 构造上显示复合变形强烈, 断裂众多, 成矿作用与海槽盆地、岩浆活动和断裂构造关系密切。已发现的矿产有岩浆分异型和接触蚀变岩型铬铁矿、磁铁矿及热液型钼矿、铜矿、铅锌矿和金矿等。塔里木大陆南缘, 在晋宁褶皱变质基底或结晶基底之上, 经历了晚元古宙、晚古生代和中-新生带3个阶段的台地型沉积盆地演化; 岩石组成以无明显变质的陆源碎屑岩和生物碳酸盐岩为主体, 火山活动和岩浆活动较为局限, 褶皱和断裂比较发育。成矿作用与地层层位、岩石岩相和断裂构造关系密切。泥盆纪为卡兰古式铅锌矿及铜矿的主成矿期; 中-新生代沉积型盆地发现有非金属矿产, 以煤、石膏和石油-天然气等为主。研究区内的蚀变作用主要有接触蚀变、岩浆热液蚀变、地下热水蚀变和构造(动力)蚀变等。在库斯拉甫断裂以西的西昆仑地区, 成矿多见与中-酸性岩浆活动有关的蚀变信息, 主要有混合岩化、矽卡岩化和角岩化等, 常见蚀变矿物有矽线石、阳起石、透辉石、透闪石、石榴石、角闪石、黑云母、白云母、红柱石、堇青石及绢云母等; 常见金属矿物有磁铁矿、辉钼矿、钨矿、黄铁矿、黄铜矿、铅锌矿和自然金等。在库斯拉甫断裂以东的塔里木地区, 地下热水改造成矿及沉积再造型成矿占优势, 常见蚀变信息有碳酸盐化、黄铁矿化及硅化等; 已知矿产以沉积再造型(或层控型)卡兰古式铅锌矿占绝对优势, 其次是铜矿。

本文所用卫星遥感图像基础资料来源于美国Landsat7卫星ETM⁺数据, 获取日期为2001年9月30日。ETM⁺图像共8个波段, 其中B1— B3波段为可见光波段; B4为近红外波段, 能显示各种地形细节, 用于识别与水有关的地质构造和隐伏构造; B5, B7为中红外波段, B5波段有助于识别地质构造和隐伏断裂; 而B7波段上绝大多数造岩矿物反射波谱出现高峰段, 对直接出露地表的粘土和碳酸盐矿物尤为敏感, 因此是地质遥感中常用的波段(图1)。

遥感地质应用中, 近矿围岩蚀变形成的蚀变岩石与其周围的正常岩石在矿物种类、结构、颜色等方面都有差异, 这些差异导致了岩石反射光谱特征的差异。在可见光— 近红外光谱区(0.325~2.5 μ m), 主要造岩矿物中各主要化学成分(Si, Al, Mg和O)并不产生具有鉴定意义的反射谱带; 而岩石反射谱带中具有特殊意义的是岩石中为数不多的次要矿物(含铁矿物及蚀变矿物)中的Fe²⁺, Fe³⁺, OH^-和C O32-等离子或离子基团, 它们的特征谱带为从遥感图像中提取蚀变异常信息提供了理论依据^{[10, 11]}。位于短波红外区的ETM⁺ B5和B7波段是提取具找矿标志意义的热液蚀变岩石信息最为常用和有效的波段。

图1

Fig.1

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	图1 研究区ETM+ B7(R)B5(G)B2(B)假彩色合成图像Fig.1 False color image composed of ETM+ B7(R)B5(G)B2(B)in study area

在蚀变异常提取中, 一般ETM⁺可选用的波段有6个, 即B1— B5和B7。经图像分析, 羟基(OH^-)在ETM⁺的B7波段产生吸收谱带、在B5波段形成相对的反射峰。因此, 本文在提取研究区羟基蚀变信息时选择了ETM⁺的B1, B4, B5和B7波段组合。

遥感图像预处理包括几何纠正、彩色合成、波段比值及掩模运算等。依据矿化蚀变岩与围岩波谱特征的差异, 本文运用彩色合成、波段比值和掩模运算等技术对遥感图像进行了预处理, 为后续岩石蚀变信息提取做好数据准备。

近矿围岩蚀变是成矿物质在逐步富集成矿过程中留下的印迹。不同类型矿床蚀变岩石的波谱曲线有着明显的差别, 实际上, 引起蚀变岩石波谱特征差别的原因是由于蚀变矿物组合不同。

在遥感图像中, 蚀变岩石的波谱特征与正常岩石有着明显差异, 这就是进行蚀变信息提取的基础, 即所反映出的蚀变岩石的波谱特征是羟基和铁染等遥感蚀变信息提取的依据。

4.1 主成分分析

ETM⁺多波段数据通过主成分分析(principal component analysis, PCA)获得的各个主成分常常代表一定的地质意义, 且互不重复(即各主成分的地质意义有其独特性)。因此, 利用主成分分析方法提取矿化蚀变遥感异常信息是图像处理技术的重要手段之一^[12]。

针对研究区围岩蚀变类型和蚀变矿物种类, 本文采用ETM⁺ B1, B4, B5和B7波段组合进行主成分分析, 提取含羟基(OH^-)的遥感蚀变信息(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 ETM+ B1, B4, B5和B7主成分分析特征值曲线Fig.2 Eigen value curves of PCA with ETM+B1, B4, B5 and B7

由图2可以看出, 第4主成分(PC4)中B5的符号与B7, B4波段相反且与B1波段相同, 根据有关地物的波谱特征, 羟基信息被包含于符合这一判断准则^[4]的主成分内, 故PC4为代表羟基异常的主成分。

4.2 密度分割

由上述分析可知, PC4主成分反映了研究区羟基(OH^-)蚀变信息。实际处理中, 将遥感异常分为1, 2, 3级, 分别对应强、中、弱异常信息, 级别的划分采用均(中)值与n倍标准离差之和进行切割确定^{[4, 13, 14, 15, 16]}。为了成图的需要, 对羟基遥感蚀变异常信息进行了合并矢量化, 矢量化的羟基遥感异常与综合化探异常和已知矿点等多种地学信息的空间叠置情况如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 库斯拉甫地区羟基遥感蚀变信息与多种地学信息叠置结果Fig.3 Overlapped result of hydroxy remote sensing alteration and multi geo-science information in Kusilafu area

从图3可明显看出, 研究区内的羟基异常信息在库斯拉甫断裂的东、西两侧有明显差异。断裂以西地区的羟基遥感异常信息特别丰富, 异常展布明显受控于岩浆活动和次级NW向断裂, 而更次级NE向断裂具有对羟基遥感异常信息的定位作用; 断裂以东地区则受泥盆纪地层和近SN向断裂控制。出现这种差异的机理源于青藏大陆西昆仑复合造山带和塔里木大陆(台地型)2个不同的成矿机制。

在研究区已有化探研究基础上, 本文对从化探资料中所提取的综合化探异常范围信息与从遥感图像中提取的羟基遥感蚀变信息进行叠置(图3), 通过对比分析发现, 在库斯拉甫断裂以西属岩热液成矿区, 高温元素W-Sn-Bi-Mo等元素组合异常信息特别突出; 在库斯拉甫断裂以东, 展现出与泥盆系地层密切的中-低温元素Pb-Zn-Cu-Ag组合, 即异常组合受泥盆系地层控制。目前研究区已知矿点主要有铅锌矿、铜矿、银(铅锌)矿等。由图3中多种异常信息叠置结果可预测出4个找矿预测区(库斯拉甫断裂以西有3个), 其中1个经野外实地调查已发现有银铅锌矿化异常, 其他预测区有待查证。

1)在库斯拉甫地区遥感地质矿产调查成果基础上, 本文以遥感信息提取为主线, 再结合化探找矿信息分析, 有利于加速该区地质找矿步伐。

2)从羟基遥感蚀变信息与多种地学信息叠置的效果来看, 本文所提取的遥感矿化蚀变信息与化探异常及多组断裂交汇点比较吻合, 证明卫星遥感图像信息提取是一种行之有效的找矿手段, 可为研究区开展大范围地质找矿提供技术参数, 促进该区矿产资源开发研究的深入。

3)采用遥感蚀变信息提取作为地质找矿先行手段, 能在一定程度上加强化探扫面工作部署的目的性, 突出重点; 并能为普查找矿工作提供预测信息, 起到较好参谋作用。因此, 在矿产地质工作中, 加强遥感蚀变信息提取对加快普查找矿进度具有重要意义。