SPOT5数据在西昆仑麻扎构造混杂岩带填图中的应用
史俊波1,2, 康孔跃1, 张辉善3, 杨伟1, 张杰1,2, 刘恒轩1, 任清军1
1.四川省核工业地质局二八二大队,德阳 618000
2.成都理工大学沉积地质研究院,成都 610059
3.中国地质调查局西安地质调查中心,西安 710054

第一作者简介: 史俊波(1983-),男,硕士研究生,工程师,主要从事区域地质调查和固体矿产资源勘查工作。Email:9121235@qq.com

摘要

为了加强高精度遥感图像数据在新疆西昆仑等自然地理条件极其恶劣的高海拔、艰险地区数字填图中的应用,提高填图的精度及质量,以麻扎构造混杂岩带填图为例,运用遥感图像预处理(大气校正、几何纠正、影像镶嵌、影像融合、影像裁剪、正射纠正等)、遥感图像增强处理(比值法、主成分分析法等)和地质信息综合分析等方法提取岩石、地层、构造等地质信息,并指导区域地质调查野外工作的开展; 总结了SPOT5高精度图像数据在数字填图中的应用方法和效果,认为遥感技术在区域地质调查中起着事半功倍的作用。利用高精度遥感图像数据不仅提高了地质体(特别是构造混杂岩块)边界范围的勾绘精度,对部分非正式填图单位的勾绘也取得一定的成效。

关键词: SPOT5; 高精度图像数据; 数字填图; 遥感地质; 麻扎构造混杂岩带
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)01-0107-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.16
Application of SPOT5 data to geological mapping of Mazha tectonic melange belt in West Kunlun Mountains
SHI Junbo1,2, KANG Kongyue1, ZHANG Huishan3, YANG Wei1, ZHANG Jie1,2, LIU Hengxuan1, REN Qingjun1
1. No.282 Geological Party,Sichuan Bureau of Geology for Nuclear Industry, Deyang 618000, China
2. Institute of sedimentary geology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
3. Xi’an Center of Geological Survey, China Geological Survey, Xi’an 710054, China
Abstract

In order to strengthen the application of remote sensing to digital mapping and improve the precision and the quality of geological mapping in West Kunlun of Xinjiang, the authors, by using remote sensing image processing (atmospheric correction, geometric correction, image mosaic, image fusion, image cropping, orthophoto correction etc.), and remote sensing image enhancement processing (ratio method, principal component analysis), and the geological information, extracted much geological information from rocks, strata and tectonics, so as to guide the regional geological survey in field work. The methods applied in digital mapping and the effect of remote sensing technology were summed up. It is held that the geological remote sensing technology plays a multiplier effect in regional geological survey. Through the use of high accuracy remote sensing image data, the authors improved not only the drawing of the boundary range of geological body but also the outlining of part of informal mapping units.

Keyword: SPOT5; high precision image data; digital mapping; remote sensing geology; Mazha tectonic melange belt
0 引言

新疆西昆仑等自然地理条件极其恶劣的高海拔、艰险地区, 通行条件极差, 除新藏公路(G219)可通行车辆外, 绝大多数地段的通行只能靠骑马或徒步, 部分高山及积雪覆盖区则几乎无法穿越。在区域地质调查中, 充分利用高精度遥感图像数据以提高填图精度与质量就显得尤为重要。遥感地质技术在数字填图中能起到事半功倍的作用, 地质应用优势尤为明显。

西昆仑麻扎构造混杂岩带是在1:25万《麻扎幅》区域地质调查过程中发现并厘定的[1], 它在遥感图像中显示的线性构造特征十分明显。前人对麻扎构造混杂岩带的物质组成、地质特征及演化曾做过不少研究; 但在遥感地质方面, 仅在西昆仑— 阿尔金成矿带中开展过1:10万矿产资源遥感综合调查和矿物蚀变信息提取工作[2, 3, 4, 5, 6], 西昆仑麻扎构造混杂岩带的遥感地质工作几乎还是空白。本文利用遥感技术, 通过遥感图像预处理、增强处理和地质信息综合分析等方法对西昆仑麻扎构造混杂岩带进行了遥感地质信息提取, 并总结了SPOT5高精度图像数据在数字填图中的应用方法和效果, 填弥补了麻扎构造混杂岩带遥感地质工作的空白。

1 区域地质概况

调查区位于青藏高原北缘印度板块与欧亚板块的接合部位、青藏高原西北缘的西昆仑与喀喇昆仑之间, 横跨3个Ⅰ 级构造单元; 以麻扎构造混杂岩带南、北为界, 南侧为塔什库尔干— 甜水海陆块, 北侧为西昆仑弧盆系(柳什塔格— 上其汗岩浆弧带)。

麻扎构造混杂岩带出露于调查区中北部, 西起色日克达坂一带, 呈弧形转向东南, 经黑恰道班北附近向东延伸出调查区, 总体呈眼球形透镜体状, 长约60 km, 宽1~15 km, 面积约286 km2, 长轴方向呈NW— SE向。北界与中生代岩浆岩呈断层接触, 南界与下古生界志留系温泉沟群地层呈断层接触(韧性性质), 其上被一套具磨拉石沉积建造的中生界侏罗系碎屑岩地层(莎里塔什组J1 s˙、杨叶组J2y和塔尔尕组J2t)角度不整合覆盖。

陕西省地质调查院于2004年完成1:25万《麻扎幅》区域地质调查; 1990―2010年许多地质工作者陆续对西昆仑— 阿尔金成矿带中开展过1:10万矿产资源遥感综合调查和矿物蚀变信息提取工作[2, 3, 4, 5, 6]; 以后许多遥感地质工作者又为1:5万区域地质调查提供了1:5万地质信息遥感解译提取的技术方法[7, 8, 9, 10]。上述地质调查成果和遥感地质解译方法为本文的应用提供了较好的区域地质和遥感地质基础, 有助于本文的遥感解译标志建立和遥感解译结果验证。图1示出调查区的大地构造位置。

图1 调查区大地构造位置示意图[6]
1.Ⅱ 2-1塔里木盆地; 2.Ⅱ 2-2塔里木西南缘前陆逆冲带; 3.Ⅱ 2-3铁格里克中新元古代基底隆起带; 4.Ⅲ 10-1恰尔隆-库尔良弧后裂谷盆地; 5.Ⅲ 10-2奥依塔格-塔木其岛弧带; 6.Ⅲ 10-3库地-其漫于特蛇绿混杂岩带; 7.Ⅲ 10-4柳什塔格-上其汗岩浆弧带; 8.Ⅳ 1-1康西瓦-苏巴什蛇绿混杂岩带; 9.Ⅴ 1-2玉龙塔格-巴颜喀拉前陆盆地(喀拉塔格前陆盆地); 10.Ⅵ 7-1塔什库尔干-甜水海陆块; 11.Ⅶ 1-2昂龙岗日-班戈-腾冲岩浆弧带; 12.Ⅶ 1-3狮泉河-申扎-嘉黎蛇绿混杂岩带; 13.Ⅶ 1-6拉达克-冈底斯-下察隅岩浆弧带; 14.Ⅶ 3-1雅鲁藏布蛇绿混杂岩带; 15.Ⅶ 4-3高喜马拉雅基底杂岩带; 16.一级构造线; 17二级构造线; 18.三级构造线; 19.水系; 20.地名; 21.调查区范围; 22.麻扎构造混杂岩带
Fig.1 Sketch map of tectonic location of investigation area[6]

2 遥感数据源选择

遥感数据的分辨率、时相、种类、波段组合以及增强处理方法的选择直接影响区域地质遥感调查的精度与质量[7, 8, 9, 10]。根据1:5万区域地质调查技术要求, 本文采用的卫星图像数据都是1:5万地质信息提取及遥感解译的基本信息源, 包括:

1)法国SPOT5卫星数据3景, 其多光谱波段空间分辨率为10 m, 全色波段空间分辨率为2.5 m, 数据获取时间分别为2005年10月21日、2008年11月28日和2009年8月15日。除2009年8月15日接收的数据有5%的云覆盖外, 其余2景数据均无云层覆盖; 高山区有部分终年积雪覆盖, 积雪覆盖率约15%。3景数据经镶嵌后完全覆盖调查区。数据质量总体良好, 适合用于地质信息解译和提取。

2)美国陆地卫星Landsat7 ETM+数据1景, 其第1— 5波段和第7波段空间分辨率为30 m, 第8(全色)波段空间分辨率为15 m, 轨道号为P148/R035, 数据获取时间为2001年5月18日。ETM+数据质量总体良好, 云覆盖率2%; 除高山区有终年积雪外(积雪覆盖率约20%), 基本无其他干扰因素, 也适合用于地质信息解译和提取。

3 遥感影像底图制作

遥感影像底图经遥感数据收集— 图像预处理— 大气校正— 几何纠正— 影像镶嵌— 影像融合— 影像增强— 标准分幅裁剪— 影像底图成图等几个步骤, 使用ENVI5.1软件制作完成[11]

从不同遥感图像的波谱特征、空间分辨率、自然地理条件等多方面考虑, 卫星图像假彩色合成的波段组合分别为SPOT5数据B3(R)B2(G)B1(B)组合、ETM+数据B7(R)B4(G)B1(B)组合(融合SPOT5全色波段)和ETM+数据B7(R)B4(G)B1(B)组合(融合ETM+B8波段)。按国家1:5万标准地理分幅制作出遥感影像底图[12, 13, 14, 15, 16]

在ETM+与SPOT5数据融合的方法上, 将基于滤波原理的小波变换(Wavelet)融合算法、基于亮度调节的平滑滤波(smoothing filter based intensity modulation, SFIM)融合算法与基于统计原理的Gram-Schmidt融合算法进行了对比。从光谱保真度和高频信息融入度的定量分析来看, 在采用Gram-Schmidt融合算法制作的遥感影像底图中, 地质体界线清晰, 影像色调协调, 解译效果最理想, 故实际工作中采用该方法制作的遥感影像底图进行遥感地质解译。

4 麻扎构造混杂岩带遥感解译

麻扎构造混杂岩带的遥感地质解译主要包括岩石地层(岩块)解译和构造解译2部分。

4.1 岩石地层(岩块)解译

麻扎构造混杂岩带由构造混合作用形成的岩石块体和构造剪切作用形成的基质构成。不同物质成分和大小形态的岩石块体是构成构造混杂岩带的主体, 各块体之间的充填物质为基质[17, 18]。在野外踏勘的基础上, 系统地建立了构造混杂岩带相关地质体的遥感解译标志, 并系统地对麻扎构造混杂岩带进行了详细遥感解译。在编制的遥感解译地质图中, 各岩块的影像特征差别迥异(表1), 利用不同块体之间的遥感影像特征差异较好地指导了野外地质调查工作的开展(表2)。

表1 麻扎构造混杂岩带各岩块遥感解译标志 Tab.1 Interpretation keys of rocks in Mazha tectonic melange belt
表2 麻扎构造混杂岩带各块体遥感影像特征及野外验证情况 Tab.2 Remote sensing image features and field verification of rocks in Mazha tectonic melange belt

4.1.1 岩浆弧岩块

岩浆弧岩块主要有侵入岩和火山岩块体, 在板块俯冲消减碰撞过程中被挤压、破碎。

1)侵入岩辉绿玢岩(Pβ μ )块体。该块体呈(狭窄)条带状分布在新藏公路252道班北沟中, 长约5.8 km, 宽约0.1 km, 北与安山岩和玄武岩、南与侏罗系塔尔尕组(J2t)均呈断层接触。

2)侵入岩黑云母花岗岩(Tγ β )块体。麻扎构造混杂岩带内共出露4个块体: ①呈透镜体状出露在峡南桥西北一带, 长轴近EW向展布, 长约2.2 km、宽约0.5 km, 北与胜利桥三叠纪浆混花岗岩呈断层接触, 南与二叠纪火山岩呈断层接触; ②呈狭窄条带状出露在赛力亚克达坂南坡, 长约2.8 km, 宽约50~400 m, 北侧与塔尔尕组(J2t)呈断层接触, 南侧与变砂岩夹大理岩、灰岩块体(Pss+gas)呈断层接触; ③新藏公路264 km北沟中, 呈不规则状侵入于变砂岩夹大理岩、灰岩块体(Pss+gas)中; ④新藏公路273 km和280 km处的北沟中, 呈不规则状产出, 北界被杨叶组角度不整合覆盖, 其余地段与围岩呈断层接触。

3)火山岩块体。麻扎构造混杂岩带内火山岩块体种类较多, 主要有安山岩、玄武岩、流纹岩、火山角砾岩和凝灰岩等。根据岩性特征可划分为辉绿玢岩(Pβ μ )块体, 安山岩和玄武岩(Tα +β )块体, 安山岩、英安岩(Tα +ζ )块体, 玄武岩、凝灰砂岩、流纹岩(Tβ +ss)块体, 火山角砾岩(Tvb)块体以及安山岩和凝灰岩(Tα +tf)块体。火山岩块体主要分布在峡南桥一带, 不同火山岩块体总体呈长条状沿NW— SE方向展布, 出露面积约17 km2, 各块体之间见残留的岩相接触关系。另外, 在新藏公路252道班北沟中分布有透镜体状、条带状安山岩和玄武岩(Tα +β )块体, 长轴沿NW向延伸, 与区域构造走向一致; 长约16 km, 宽约0.3 km, 南与辉绿玢岩块体(Pβ μ )呈断层接触, 北与塔尔尕组(J2t)呈断层接触。

4.1.2 与岩浆弧相关的沉积建造岩块

变砂岩夹绿片岩、大理岩、灰岩(Pss+gas)块体在麻扎构造混杂岩带中分布面积最广(约113 km2), 其岩性以深灰色、灰黑色千枚岩(或板岩)夹变质细粒砂岩为主, 夹绿片岩、大理岩和灰岩, 变质变形较强烈, 发育较紧密的褶皱。

4.1.3 外来岩块

麻扎构造混杂岩带中的外来岩块主要分为2类:

1)大理岩块体(Pmb)。大理岩质地坚硬, 在地形上呈正突起, 以赛力亚克达坂附近出露的大理岩及峡南桥南侧山坡上出露的大理岩为典型代表, 均呈透镜体形态, 长轴方向与SW向构造带一致, 为无根基的外来岩块。

2)粉砂质板岩、千枚岩片(S1Wsl)。呈NWSE向条带状分布于G219国道252~263 km处北部麻扎构造混扎岩带内, 东南部和西北部与温泉沟群地层、东北侧和西南侧与变砂岩夹绿片岩、大理岩、灰岩(Pss+gas)块体均为断层接触, 长轴方向与构造线方向一致。长约20 km, 宽0.7~1.9 km。岩性主要为粉砂质板岩、千枚岩。

4.2 构造解译

麻扎构造混杂岩带是1条强变形带, 南、北边界断裂整体表现为韧性剪切性质, 剪切面理总体向南陡倾, 其中北边界断裂宽约50~200 m, 长约61 km; 南边界断裂宽约50~150 m, 长约64 km。在遥感图像中, 麻扎构造混杂岩带规模大、延伸长、具有一定宽度, 线性形迹醒目, 显示为不同纹理色调、不同地貌单元的分界(其中北边界断裂在峡南桥一带表现为陡崖地貌)。构造混杂岩带内线性构造密集发育、延伸稳定、形迹醒目, 多具张性、压扭性质。NW向线性构造走向稳定, 规模较大, 如安山岩、玄武岩(Tα +β )块体、粉砂质板岩、千枚岩片(S1Wsl)的边界断裂等; NE向线性构造次之, 一般规模较小, 但影像清晰, 且局部密集发育, 如新藏公路273 km处北沟大理岩及黑云母花岗岩块(Tγ β )边界断裂, 多表现为右行走滑断裂。

5 解译成果的野外验证

在麻扎构造混杂岩带构造地质剖面测量及路线地质调查的基础上, 对遥感解译成果进行了系统验证: ①麻扎构造混杂岩带南、北边界断裂规模大, 破碎带宽, 遥感解译界线勾绘精度优于历史区域调查; ②由于充分利用了SPOT5图像数据的高精度特性, 麻扎构造混杂岩带内各岩块(体)的边界勾绘精度与地面实况基本一致; ③通过对路线地质调查点的统计可知, 两者吻合率达95%以上。另外, 在地形条件极其恶劣的地段合理地补充了遥感解译路线, 提高了填图路线的控制精度及总长度, 达到了1:5万区域地质调查的相关要求。麻扎构造混杂岩带遥感解译成果丰富翔实, 有助于提高对构造混杂岩带的研究程度(解译成果见图2, 与图2配套的遥感影像图见图3)。

图2 麻扎构造混杂岩带遥感解译成果
1.安山岩、玄武岩; 2.玄武岩、凝灰砂岩; 3.安山岩、英安岩; 4.火山角砾岩; 5.火山角砾岩、凝灰岩; 6.黑云母花岗岩; 7. 辉绿玢岩; 8.大理岩(岩块); 9.变砂岩夹绿片岩、大理岩、灰岩; 10.粉砂质板岩、千枚岩; 11.塔尔尕组; 12.杨叶组; 13.莎里塔什组; 14.黑云母二长花岗岩; 15.大理岩(条带); 16.灰岩(条带); 17.辉绿岩脉; 18.岩块及基质; 19.韧性剪切带; 20.逆断层; 21.平移断层; 22.性质不明断层; 23.飞来峰; 24.地质界线; 25.角度不整合界线; 26.岩相界线; 27.植物化石采集点; 28.动物化石采集点
Fig.2 Result of geological interpretation for Mazha tectonic melange belt

图3 用于麻扎构造混杂岩带地质填图的遥感影像(ETM+与SPOT5融合影像)Fig.3 Remote sensing image used to geological mapping of Mazha tectonic melange belt

6 结论

1)在遥感影像底图制作过程中, 采用Gram-Schmidt融合法将SPOT5高精度遥感图像数据与ETM+图像数据进行高保真融合。融合后的图像保持了波谱信息的一致性, 不仅具有SPOT5数据的高精度特性, 而且具有ETM+数据的多光谱影像特征, 提高了遥感影像底图的信息量和可解译程度。

2)在麻扎构造混杂岩带填图过程中, 将野外采集的各种翔实的地质资料与高精度遥感图像相结合, 能够准确而快速地勾绘地质界线。通过高精度遥感图像解译, 提高了对构造和地质体(特别是各种岩块)边界勾绘的精度。另外, 对非正式填图单位的勾绘也取得了一定的成效, 如辉绿岩脉、大理岩条带及其空间分布规律在高精度遥感图像中也有着显著的影像特征。

3)遥感技术在西昆仑艰险地区的基础地质调查中起着事半功倍的作用, 节约了大量的人力、物力和财力, 再次证明了遥感技术在自然地理条件极其恶劣的高海拔、艰险地区数字填图中的技术潜力和应用价值。

不足和需要改进之处在于SPOT5数据中有部分云层(西昆仑特别艰险地区气候恶劣, 很少有万里无云的天气), 在一定程度上影响到遥感地质解译的效果和精度。因此, 今后的工作中应注意在考虑成本的同时尽量购置无云的遥感图像。

志谢: 本文在成文过程中得到了四川省核工业地质局二八二大队总工程师冯永来的悉心指导, 成文后成都理工大学刘登忠教授、侯明才教授对本文提出了宝贵的修改意见, 在此一并表示衷心的感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

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