浅析构造层次理论在遥感地质工作中的应用

doi:10.6046/gtzyyg.2019.03.21

浅析构造层次理论在遥感地质工作中的应用

刘建宇¹^,², 陈玲^,², 李伟², 王根厚¹, 王博¹

1. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

2. 中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083

Application of the theory of structural hierarchy to the remote sensing geology

LIU Jianyu¹^,², CHEN Ling^,², LI Wei², WANG Genhou¹, WANG Bo¹

1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geoscience, Beijing 100083, China

2. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources, Beijing 100083, China

通讯作者: 陈玲(1982-),女,博士,高级工程师,主要从事遥感地质、矿产地质理论应用研究。Email:chenling010@126.com。

责任编辑: 张仙

收稿日期: 2018-05-16 修回日期: 2018-08-27 网络出版日期: 2019-09-15

基金资助:

中国地质调查局地质调查项目“天山—北山重要成矿区带遥感调查”资助. DD20160068

Received: 2018-05-16 Revised: 2018-08-27 Online: 2019-09-15

作者简介 About authors

刘建宇(1988-),男,博士,工程师,主要从事构造地质、遥感地质方面的研究。Email:liujy5577@163.com.。。

摘要

长期以来,遥感地质解译过程中确定各地层单元相对时代很难脱离已有地质资料单独依赖遥感影像进行判断。在地质资料较少、野外工作开展困难的情况下,地质构造的解译、成矿有利地段的圈定也会受到很大限制。针对此问题,以我国新疆维吾尔自治区北山地区为研究区,首次采用“构造层次理论”,梳理分析利用Landsat8和高分二号(GF-2)卫星影像解译的区域性构造和小型构造,划分研究区的构造层次。通过对研究区构造层次的研究,一定程度上实现了仅依靠遥感影像和有限的地质资料,掌握地层相对时代、构造事件和成矿有利地区等信息,为遥感地质解译工作和发挥国产GF-2卫星高空间分辨率的优势提供新的思路; 同时也为解决境外遥感地质工作中遇到的基础地质资料收集困难、实地考察成本较高以及基础地质工作程度薄弱等问题提供新的途径。

关键词： 构造层次理论 ; GF-2 ; 构造解译 ; 遥感地质调查

Abstract

It is difficult to identify the relative ages of lithological units only relying on remote sensing images with few reference data. In case of lack of geological references and difficult fieldwork, it is limited to use remote sensing images for interpretation. To solve these problems, the authors firstly introduced the theory of structural hierarchy to geological interpretation and presented a new method to classify the regional structures and small-scale structures extracted from OLI and GF-2 data respectively. To some extent, this method can determine the relative ages of the lithological units, the events of tectonic evolution and the advantageous areas for metallogenesis in the areas with only a few geological reference data. And it provides a new way for exploiting the advantages of high ground resolution of GF-2 so as to promote the development of remote sensing geology in foreign areas.

Keywords： Structure hierarchy ; GF-2 ; interpretation of structures ; remote sensing geological survey

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本文引用格式

刘建宇, 陈玲, 李伟, 王根厚, 王博. 浅析构造层次理论在遥感地质工作中的应用. 国土资源遥感[J], 2019, 31(3): 166-173 doi:10.6046/gtzyyg.2019.03.21

LIU Jianyu, CHEN Ling, LI Wei, WANG Genhou, WANG Bo. Application of the theory of structural hierarchy to the remote sensing geology. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES[J], 2019, 31(3): 166-173 doi:10.6046/gtzyyg.2019.03.21

0 引言

近年来,多光谱影像和高光谱影像已被广泛应用于地质研究中,在蚀变信息提取、岩性划分等方面取得了丰硕成果^{[1,2,3,4,5,6]}。但遥感影像反映的是地表地质体的宏观特征,因此对于需要野外和区域地质对比工作支撑的地层单元的相对时代这一基础地质问题一直未能很好地解决。而且在基础地质资料缺失的情况下,构造演化和成矿有利区方面的研究也很难达到理想效果。

“构造层次”由法国地质学家马托埃提出,国内首次见于孙坦等翻译的《地壳变形》^[7]。马托埃指出在地表附近,岩石表现为脆性,随着埋藏深度的增加,温度、压力增大,岩石逐渐表现出韧性,甚至熔化。因此不同深度的岩石在构造上具有不同的几何特征和变形机制。因此,他将地壳内分别显示一种主导变形机制的不同区段称作构造层次。本文首次将“构造层次理论”引入遥感地质解译工作,对研究区内地质不同地质体的构造变形特征开展详细研究,充分挖掘高分二号(GF-2)影像的潜力,提出了仅依靠遥感影像或少量地质资料,在一定程度上掌握地层单元的相对年代、构造事件和成矿有利地段等信息的工作方法。

1 区域地质背景

研究区位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州若羌县东部,磁海铁矿南30 km,靠近新疆、甘肃2省交界处,自然条件恶劣,全年降水极少,岩石裸露情况良好,为遥感地质研究提供了很好的便利条件。

北山造山带自北向南共发现4条大型蛇绿岩带,分别是: 红石山蛇绿岩带、石板井蛇绿岩带、红柳河蛇绿岩带和柳园蛇绿岩带^[8]。4条蛇绿岩带将5个岛弧单元相互隔开,自北向南依次为: 雀儿山岛弧、黑鹰山—旱山岛弧(以白山—碎石黑山—路井断裂为界,北部为黑鹰山岛弧,南部为旱山岛弧)、马鬃山岛弧、双鹰山—花牛山岛弧(以黑山—碱泉子—大豁井为界,以北为双鹰山岛弧,以南为花牛山岛弧)和石板山岛弧(位于最南部),构成敦煌地块的北缘(图1)。

图1

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图1 北山造山带地质简图及研究区位置(据参考文献[8]修编)

Fig.1 Sketch regional geological map of the Beishan orogenic belt and the location of the study area (modified after reference [8])

研究区位于北山造山带西南部,双鹰山岛弧内(图1)。区内地层以石炭系为主,少量二叠系和古元古界分别出露于研究区北部和南部。早期区域调查资料中将石炭系划分为红柳园组(C₁h)、矛头山组(C₂m)和盐滩组(C₃y)^[9,10]。最新调查成果中将石炭系划分为红柳园组(C₁h)、石板山组(C₂sh)、胜利泉组石板山组(C₂shl)和干泉组石板山组(C₂P₁g)(图2)。

图2

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图2 研究区遥感解译图

Fig.2 Sketch geological map of the study area

红柳园组分布于研究区北部,下部以斜长角闪片岩、石英片岩等为主,夹大理岩、大理岩化灰岩,中部主要为变质砂岩、粉砂岩、千枚岩、砾岩,上部为变质砂岩、粉砂岩、板岩,受构造活动影响,红柳园组内劈理发育。石板山组分布于研究区中南部,总体为一套变质碎屑岩-火山岩、火山碎屑岩。主要岩性为二云石英片岩、黑云石英片岩、绢云石英片岩夹变砂岩、凝灰质变砂岩、粉砂岩,局部夹安山岩、玄武岩。胜利泉组出露于研究区东北部,岩性以深灰-灰黑色板状粉砂岩、粉砂质板岩、硅质板岩为主,局部夹凝灰岩、凝灰质粉砂岩,组内构造变形强烈,原生层理S₀多被S₁置换。干泉组分布于研究区中北部,与北侧红柳园组和南侧石板山组断层接触,岩性主要为一套火山岩、火山碎屑岩,包括玄武岩、安山岩、晶屑凝灰熔岩、凝灰岩。古元古代敦煌北山岩群的岩性组合为斜长角闪片岩、黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、黑云母变粒岩、角闪变粒岩、大理岩等。二叠系分布于研究区西北部,为一套碎屑岩夹火山岩及少量灰岩地层。

研究区内断裂构造发育^[9,10],由北向南有白地洼—淤泥河断裂、红十井—矛头山断裂、盐滩南—白山西断裂3条大型韧性断裂。同时发育有NW,NE向2组共轭脆性断裂及规模较小的近EW,NS向的断裂(图2)。据丁建华等^[11]研究表明,研究区位于磁海Fe-Cu-Au-V-U-P成矿亚带。在该亚带内目前已发现了白墩子、小西弓、金窝子、红十井、大青山和222金矿^{[12,13,14,15]}。这些金矿均为韧性剪切带型金矿,其成矿与区域性韧性断裂具有密切关系。

2 数据源及预处理

本次研究中共用到1景Landsat8 OLI数据和10景GF-2数据。OLI传感器共9个波段,除全色波段B8空间分辨率为15 m外,其他8个波段均为30 m; GF-2数据幅宽为45 km,侧摆角为15°,包括1个空间分辨率为0.81 m的全色波段和4个空间分辨率为3.24 m的多光谱波段(表1)。

表1 OLI数据和GF-2数据参数

Tab.1 Parameters of OLI data and GF-2 data

传感器	波段序号	波长范围/μm	空间分辨率/m	幅宽/km
OLI	8(Pan)	0.500~0.680	15	185
	1	0.433~0.453	30
	2	0.450~0.515
	3	0.525~0.600
	4	0.630~0.680
	5	0.850~0.880
	6	1.560~1.660
	7	2.100~2.300
	9	1.360~1.390
GF-2	Pan	0.450~0.900	0.81	45
	1	0.450~0.520	3.24
	2	0.520~0.590
	3	0.630~0.690
	4	0.770~0.890

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本次研究用到的OLI数据获取于2016年10月4日,无坏条带,无云、雪覆盖。预处理包括辐射定标和大气校正。10景GF-2数据中7景获取于2016年5—7月,4景获取于2017年3月。所有影像云层、雪被覆盖面积占比低于5%。GF-2数据预处理包括辐射定标、大气校正、正射校正、融合、镶嵌。由于需要和GF-2数据对比研究,在完成大气校正后又以GF-2影像为底图对OLI影像进行了配准。经过多次对比验证,本次研究认为GF-2影像B1(R),B2(G),B3(B)合成的假彩色影像更能突出研究区地质信息(图3(a))。早期研究多利用ETM+数据B7(R),B4(G),B1(B)合成的假彩色影像进行地质解译,因此本文选择OLI数据中波长范围较一致的B7(R),B5(G),B2(B)合成假彩色影像以突出研究区地层、岩体、构造特征(图3(b))。所有预处理过程在ENVI5.2软件中完成。

图3

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图3 GF-2数据和OLI数据预处理结果

Fig.3 Images of GF-2 and OLI FLAASH after atmospheric correction

3 研究方法

最小噪声分离(minimum noise fraction,MNF)是一种线性变换,实质上包含2次叠置的主成分分析(principal component analysis,PCA),可将一幅多波段影像的主要信息集中到前面几个波段中。利用MNF变换后的波段合成及假色彩影像可有效区分多种岩性^[16,17]。经过PCA变换后的影像主要信息集中在前3个主成分分量中,但是之后的主成分分量有时却含有对区分岩性非常重要的信息^[18]。与PCA类似,经过MNF变换后虽然影像中的主要信息集中在了前几个波段,但是后面的波段可能含有对识别岩性或构造非常重要的信息。因此本文选择B2(R),B1(G),B5(B)假彩色合成影像,识别研究区大型构造。对融合后的GF-2影像进行假色彩合成和多种拉伸变换,以突出能够反映小型构造的影纹细节。

4 结果及分析

4.1 遥感解译结果

在经过MNF变换的假彩色影像上,不同地质体间色调差异较大,线性构造增强效果明显,非常有利于对km级、百m级的构造进行解译。经MNF变换后的OLI影像及局部放大图如图4所示。

图4

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图4 OLI影像经MNF变换后B2(R),B1(G),B5(B)合成的影像

Fig.4 Images composited with B2(R),B1(G),B5(B) after MNF transformation

研究区北部的白地洼—淤泥河断裂在空间上呈NEE向,具典型的线性特征。断裂带附近地层为绿色色调,与断裂南侧干泉组具有截然不同的颜色。红十井—矛头山断裂带位于研究区西部,NE向延伸,断裂带呈浅灰色,其北端与白地洼—淤泥河断裂相连接。南部的盐滩南—白山西断裂带整体呈灰色色调,由西向东其走向从近NW向逐渐转变为NE-NW向(图4(a))。除此之外,经MNF变换的OLI影像也清晰地展现了NE和NW向脆性断裂(图4(b))。研究区中的脆性断裂规模较大,在影像图上呈浅色色调,线性特征显著; NE向断裂有较大位移,错开了NW向断裂和岩体。通过被错开的岩体可以估算其断距接近2 km(图4(b))。同时,该假色彩影像突出了不同岩性间的颜色差异,胜利泉组内的变质砂岩、石英岩在影像上呈浅黄色,夹于紫色的板岩内。将浅黄色的变质砂岩做标志层,可以判断该褶皱为顶厚褶皱(图4(c))。

利用OLI影像解译出了研究区的大型断裂和褶皱构造,但是这些信息很难满足比例尺较大的遥感地质工作,因此需要利用空间分辨率更高的GF-2影像进行更加详细的解译。

基于GF-2影像,对研究区内的构造进行了详细的解译。结果表明,研究区内不同地区主期构造样式不尽相同。在研究区西北部,褶皱构造发育,通过对灰白色标志层的追索与解译可以确定该地区的褶皱类型为等厚褶皱(图5(a))。干泉组在GF-2影像上具有典型的条带状影纹特征,这些影纹在不同岩性内部均十分发育,但是条带宽度却宽窄有变(图5(b)),并且该影纹受研究区中部韧性断裂控制明显,随断裂方向改变而改变。因此推断该影纹反映的是受构造作用形成的构造面理的宏观特征,而非沉积岩差异风化所致。后经野外验证该地区岩石内普遍发育劈理。在沙垄西侧石板山组内同样发现了顶厚褶皱,不过规模要小很多(图5(c))。研究区南部北山岩群的变形特征与中部和北部有着较大区别,以流动构造为主,发育有典型的揉流褶皱(图5(d))。同时还解译出了大量小型脆性断裂,这些断裂多为分为NE和NW向2组,可以解译出NE向断裂将NW向断裂错开(图5(e))。结合OLI影像解译结果,NE向和NW向这2组断裂具有相互切割的特征,为共轭断裂,但是NE向断裂具有较大位移,可能为后期构造运动所致。

图5

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图5 GF-2影像详细解译结果

Fig.5 Detailed interpretation of GF-2 image

综合以上解译成果,研究区内的构造类型主要有韧性断裂、脆性断裂、等厚褶皱、顶厚褶皱、揉流褶皱和构造面理。其中韧性断裂时代较早,但是否早于揉流褶皱很难通过影像判断。韧性断裂控制了劈理的形成和产状,顶厚褶皱可能是在韧性断裂形成过程中形成的。等厚褶皱形成相对时代难以判断,因为其距离韧性断裂较远,无法判断是否受到韧性断裂改造。但这些构造均被脆性断裂改造错断。虽然GF-2影像提供了大量细节信息,大幅提高了遥感解译的精度,但是仅根据GF-2和OLI影像很难准确划分构造期次,而对于地质单元相对时代更是难以判断。

4.2 基于构造层次理论的分析

根据马托埃^[7]提出的构造层次理论,自地表向下可分为上部构造层次、中部构造层次和下部构造层次。其中,上部构造层次的变形机制是剪切作用,为断层发育的无褶皱区; 中部构造层次的变形机制为挠曲,为等厚褶皱区; 下部构造层次又可细分为上层和下层,上层部变形机制为压扁作用,发育劈理、非等厚褶皱; 下层变形机制为流动作用,发育流动构造。

以构造层次为基础,可将研究区内各构造类型分为4类,分别对应于上部构造层次、中部构造层次、下部构造层次上层、下部构造层次下层(表2)。将不同构造层次的构造以不同的颜色表示,可以清晰地看出上部构造层次的代表性构造脆性断裂在整个研究区内均有发育; 中部构造层次的代表性构造出露于研究区西北部; 下部构造层次上层构造是研究区最主要的构造类型,在研究区中北部和中部都有发育,而研究区最南部是下部构造层次下层构造发育区(图5(d))。据此,在不考虑上部构造层次的情况下,可以将研究区自北向南以此划分为中部构造层次区、下部构造层次上层区和下部构造层次下层区(图6)。

表2 研究区构造类型划分

Tab.2 Classification of the structures recognized in the study area

构造层次	构造类型
上部构造层次	NE,NW向脆性断裂
中部构造层次	等厚褶皱
下部构造层次上层	劈理、韧性断裂、顶厚褶皱
下部构造层次下层	揉流褶皱

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图6

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图6 研究区构造类型划分

Fig.6 Structure classification based on the theory of structural hierarchy

4.3 野外验证

为探讨依据构造层次理论进行遥感地质工作分析研究的可行性,本次工作中对研究区中部石板山组和北部红柳园组构造面理发育地区、南部流动构造发育地区进行了野外验证。通过野外验证发现,石板山组和红柳园组内劈理透入性发育,各岩性均以劈理为主,原始层理被高度置换(图7(a))。研究区南部广泛出露片麻岩,具有流动变形特征(图7(b))。

图7

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图7 野外验证照片

Fig.7 Photographs taken in the field

5 讨论

马托埃^[7]指出上部构造层次分布在地表及地壳较浅部位,中部构造层次分布在上部构造层次之下至4 000 m深度之间,4 000 m之下为下部构造层次。因此认为发育下部构造层次代表构造的地质体埋藏深度较深,具有中部和上部构造层次构造的地质体埋藏深度较浅。一般情况下老地层埋藏较深,新地层覆盖于其上。综上可以得出,位于下部构造层次的地层时代一般较位于中部和上部构造层次的地层早。因此,研究区地层应具有由南向北时代依次变新的特征。该结论与野外验证结果一致: 位于研究区北部的中部构造层次区出露的地层为二叠系,中部地区的下部构造层次上部区内地层主要为石炭系,而南部的下部构造层次下部区的地层为古元古界。

前文已论述,研究区内发育有不同走向的脆性断层。这些断层对中部、下部2个构造层次的构造现象均有不同程度的改造,因此认为上部构造层次的脆性断层是研究区内最晚一期构造作用。基于此可以推断,在早期造山作用导致一系列中下部构造层次的典型构造形成后,研究区经历了较强烈的地壳抬升运动,使得埋藏达到中、下部构造层次的地层被抬升至近地表附近。从而在之后的构造运动中,使得具有中、下部构造层次代表构造的地质体内又叠加发育了上部构造层次的脆性断层。区调成果显示,研究区及周边地区大量缺失中生代地层,佐证了地壳抬升这一推论的正确性^[9,10]。

根据韧性剪切带的变形特征,可以判断韧性剪切带属于下部构造层次的上层区。而一些脆—韧性剪切带的构造层次可能会略浅一些。陈柏林等^[15,19]、何格等^[14]的研究表明,研究区东部、西部地区的金矿点均受韧性剪切带控制。因此根据研究区周围矿点成矿规律和构造层理论,将研究区中北部的下部构造层次上部区定为主要的找矿有利地带,而北部和南部地区成矿可能性较差。这一结论同样得到了遥感蚀变信息提取及野外工作的支持^[20]: 目前在研究区所发现的2处金矿点均在下部构造层次上层内,而在在研究区北部、南部,即中部构造层次和下部构造层次下层内迄今为止没有发现任何金矿点。

现阶段,国产卫星技术与应用日趋成熟,在我国“一带一路”境外地质调查工作中发挥了重要作用。我国境外遥感地质调查工作在自然环境、基础地质、矿产资源遥感评价等方面也取得了十分丰富的成果^[21,22],但同时也面临着境外基础地质资料收集困难,野外实地考察成本高,部分国家基础地质工作程度较为薄弱等问题,增加了开展境外地质调查工作的不确定性,降低了工作效率,在一定程度上影响我国境外遥感地质工作的快速发展与推进。本文所提出的以构造层次理论为指导,分析构造现象,开展构造层次研究,可以在一定程度上解决目前境外遥感地质调查工作中遇到的上述问题。

虽然以构造层理论为基础,可以充分挖掘GF-2数据的高空间分辨率优势,获得更多的地质信息,但本次工作未能较好地确定研究区北部敦煌岩群的相对时代; 而且构造层次更深入的研究离不开显微构造研究的支撑,限于条件本次工作未能开展这方面的研究。因此,在日后的研究中,将会更加注重宏观和微观的结合,更进一步挖掘GF-2数据高空间分辨率的优势。

6 结论

本文将“构造层次理论”引入遥感地质解译工作,以新疆维吾尔自治区北山地区为例,基于构造层理理论,对解译的构造现象进行了较深入的分析研究,得到以下结论:

1)脆性断裂在研究区内广泛发育,改造了中下部构造层构造。研究区构造层次具有由南向北逐渐变浅的特征。

2)根据研究区的构造层次划分,认为研究区内地质单元的相对地质年代具有由南向北逐渐变新的特征,经历过一次较大规模的地壳抬升事件,北部的白地洼—淤泥河断裂带更有利于金矿形成,这些推论均得到已有地质资料或野外工作的支持。

利用本文提出的工作方法可以充分发挥GF-2卫星遥感数据的高空间分辨率优势,可以在一定程度上解决遥感地质解译中遇到的地层单元相对年代难以确定的问题,在构造演化研究和圈定有利成矿地段方面也能发挥重要作用,同时也为境外遥感地质工作的开展提供了新的思路。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

Liu

, Zhou

, Han

, et al.

Mineral mapping and ore prospecting using Landsat TM and Hyperion data,Wushitala,Xinjiang,northwestern China

[J]. Ore Geology Reviews, 2017,81:280-295.