矿化蚀变遥感信息提取的研究与应用.pdf

内容提要内容提要 遥感技术是二十世纪末发展最为迅速的科学技术之一，是获取地球资源与环境信息 的先进的有效的高新技术，它具有快速、经济、高效等特点，可以为交通不便，人迹罕 至，自然条件差等地质研究程度不高的地区进行矿产资源勘察提供经济，便捷，有效的 好方法，是目前地质学研究的重要课题之一。 作者在撰写论文过程中， 认真搜集了研究区大量资料包括地质矿产资料和卫星遥感 资料，并对资料进行了详细的分类解析。在分析区内成矿环境与成矿条件后，对遥感数 据进行了相应预处理、进而进行图像解译、分析研究区的构造与岩性，并绘制了研究区 基础遥感影像图。然后运用主成分分析、比值分析等蚀变信息提取方法对研究区进行了 详细的研究，尤其对区内铁染和泥化信息提取取得辽很好的效果。同时进一步应用地质、 地球化学异常等综合信息进行综合研究， 最后将所获得多种信息在MapGI6.7系统中集成， 并分析总结，提出相应的五个找矿预测区，对该区找矿工作具有一定的指导意义。 关键词 遥感技术，蚀变信息，主成分分析，比值分析，成矿预测 I 目目 录录 第1 章 绪论绪论............................................................................................................................1 1.1 选题依据及研究意义...................................................................................................1 1.2 国内外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状............................................................................ 2 1.2.1 国内遥感矿化蚀变信息提取的应用现状........................................................................ 2 1.2.2 国外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状 .............................................................3 1.3 研究内容概述.................................................................................................................................. 3 1.3.1 研究内容 ...............................................................................................................3 1.3.2 技术路线 ................................................................................................................4 1.4 论文预期目标和工作概述............................................................................................................ 5 第2 章 蚀变遥感信息提取的理论基础蚀变遥感信息提取的理论基础..................................................................................7 2.1 蚀变异常找矿的地质依据............................................................................................................. 7 2.2 矿物蚀变信息提取的物理基础与特征..................................................................................... 8 第3 章 研究区地质概况研究区地质概况.......................................................................................................11 3.1 自然地理概况.................................................................................................................................11 3.2 区域地层......................................................................................................................................... 12 3.2.1 新元古界佳疙瘩群组（Pt3j） .............................................................................12 3.2.2 下寒武统额尔古纳河群组（Є1e）.....................................................................13 3.2.3 中生界侏罗系（J）.............................................................................................13 3.2.4 下白垩统大磨拐河组K1d .................................................................................14 3.2.5 新生界全新统（Qh） .........................................................................................14 3.3 区域构造......................................................................................................................................... 14 3.3.1 查干陶勒盖断块..................................................................................................14 3.3.2 哈拉胜格拉陶勒盖断块......................................................................................15 3.3.3 断裂构造 .............................................................................................................15 3.4 区域岩石特征................................................................................................................................ 15 3.4.1 侵入岩..................................................................................................................15 3.4.2 变质岩.................................................................................................................16 第4 章 区域地球化学异常区域地球化学异常...................................................................................................17 II 4.1 研究区主要金属元素的分布特征............................................................................................. 17 4.2 异常评述......................................................................................................................................... 17 4.2.1 原生晕异常...........................................................................................................17 4.2.2 次生晕异常..........................................................................................................17 第5 章 遥感数据预处理及基础地质信息提取遥感数据预处理及基础地质信息提取....................................................................19 5.1 遥感数据预处理............................................................................................................................ 19 5.1.1 像的几何精校正..................................................................................................19 5.1.2 彩色合成与数据融合..........................................................................................19 5.1.3 图像数据增强处理..............................................................................................22 5.2 遥感地质信息提取....................................................................................................................... 22 5.2.1 地质体解译..........................................................................................................22 5.2.2 构造解译 .............................................................................................................25 第6 章 矿化蚀变及遥感异常信息提取矿化蚀变及遥感异常信息提取................................................................................28 6.1 蚀变信息提取................................................................................................................................ 28 6.1.1 比值法.................................................................................................................28 6.1.2 LS- Fit 技术...........................................................................................................29 6.1.3 Crosta 法...............................................................................................................31 第7 章章 综合信息分析与成矿预测综合信息分析与成矿预测......................................................................................33 7.1 研究区矿化蚀变信息分布.......................................................................................................... 33 7.1.1 铁染蚀变信息分布............................................................................................................... 33 7.1.2 泥化蚀变信息分布..............................................................................................34 7.2 研究区蚀变信息综合分析.......................................................................................................... 34 7.2.1 构造与蚀变成矿关系..........................................................................................34 7.2.2 研究区矿（化）点特征......................................................................................35 7.3 研究区地球化学特征................................................................................................................... 36 7.3.1 元素背景值、异常分级的确定及异常区圈定....................................................37 7.4 研究区成矿预测............................................................................................................................ 38 7.4.1 查干陶勒盖山北部异常综合成矿预测区 ............................................................39 7.4.2 研究区北部的龙岭异常综合成矿预测区 ............................................................39 7.4.3 研究区中部长岭南部异常综合成矿预测区.........................................................39 III 7.4.4 研究区西异常综合成矿预测区............................................................................40 7.4.5 研究区南部的格拉根特布拉格异常综合成矿预测区.........................................40 第8 章 结论结论..........................................................................................................................41 参考文献...............................................................................................................................42 摘 要 Abstract 致 谢 第 1 章 绪论 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 选题依据及研究意义选题依据及研究意义 绝大部份内生矿床都伴随着相应的热液围岩蚀变。而围岩蚀变是指由于温度，热液 和汽液而引起的岩石的成份和结构、构造的变化，常生成含铁的金属矿物和含OH -或C0 3 2一 的蚀变矿物。围岩蚀变特征与原岩特征，从微观到宏观都有明显的差异，如果能了解、 掌握和运用这种特征，对寻找大型矿床或大型矿集区将具有特别重要的地质意义 [1]。一 般而言围岩蚀变的范围比矿体的范围要大一至几十倍，与原岩也有很明显的差异，利用 遥感技术在区域上提取出这种蚀变特征也是寻找矿床或矿化区行之有效的方法之一。 遥感技术是二十世纪末发展最为迅速的科学技术之一，是获取地球资源与环境信息 的先进的有效的高新技术，它具有快速、经济、高效等特点，可以为交通不便，人迹罕 至，自然条件差等地质研究程度不高的地区进行矿产资源勘察提供经济，便捷，有效的 好方法。以往遥感技术在用于配合基础地质调查的工作，进行区域性的地层、岩性和构 造的分析，而与物、化探的方法相结合，进行综合对比研究，评价矿产资源潜力为主要 目的研究工作尚不太成熟，有影响的工作报告不多，这与以往所用的遥感数据源的地面 分辨率和光谱分辨率较低，对影像数据的加工处理和信息提取方法相对落后有关，另一 方面也区域地质情况和地表植被发育程度也给遥感技术一定困难。同时，从遥感技术的 发展来看，对影像数据信息的处理，加工，分析技术的发展落后与信息获取技术的发展， 这在一定程度上这也制约了遥感技术的应用。遥感在地质矿产勘察中的应用也存在同样 的问题。遥感找矿信息是多层次，多形式的，如何从现有的遥感数据资源中充分获取各 种专题遥感找矿信息，为地质矿产勘察服务，使遥感技术真正成为“多、快、好、省” 的地质勘察技术，是当代遥感地质工作者面临的富有挑战性的课题。 岩石蚀变信息的提取是遥感地质信息提取中一个重要的部分。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，并且在某些特定的光谱波段形成了特定蚀变岩石的光谱异 常。光谱异常为用遥感图像的异常信息提取提供了理论依据。根据遥感图像数据的异常 识别，可得到近矿围岩蚀变信息或矿化高丰度值异常区信息。遥感图像蚀变信息的提取 已经成为遥感找矿的一个重要方法。 内蒙古地区是我国西部重要的Fe-Cu-Pb-Zn-Au等金属成矿区带，查干陶勒盖位于内 蒙古自治区呼伦贝尔市西部，属新巴尔虎右旗、满洲里市管辖，北部与俄罗斯接壤自然 第 1 章 绪论 2 条件恶劣，交通不便。本区的科研工作是随着四个大型矿床的发现开始的。主要项目有 有色金属总公司“七五”国家重点科技攻关项目华北地台北缘及以北地区铜铅锌成矿 规律及隐伏矿床预测 （编号75-55-03-11） ；中国地质科学院“八五”国家科技攻关项目 得尔布干成矿带的火山侵入杂岩及成矿作用 （编号85-901-01-07-02b） 和中国科学 院攀登计划A-30项目 大兴安岭西坡超大型矿床远景区及远景类型探索 （编号攀登计划 A30-10） [2]。采用地质调查与遥感解译、物化探剖面测量相结合的方法，对一些矿点和 化探异常进行了调查，发现了一些可进一步工作的矿点和异常。但真正的利用遥感技术 对该区矿物蚀变信息的提取所做的工作还远不深入。 本文选取查干陶勒盖地区为研究区， 利用多波段ETM遥感数据进行遥感矿化蚀变信息提取方法的研究并且采用不同方法在 ERDAS，ENVI和PCI软件中实现，为日后该区的进一步矿产勘探提供了新思路。 1.2 国内外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状国内外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状 遥感技术是60年代发展起来的一门新兴的综合性科学技术，最早用于军事。自遥感 对地观测技术问世以来，遥感数据种类多，数量大甚至冗繁，如何从各类遥感数据源中 有效、准确地提取专题所需目标特征信息，一直是遥感界所努力探索的目标，国内外遥 感工作者，都在不断地设计、研制和总结对这种遥感信息的提取和识别技术。矿化蚀变 信息是找矿的一个重要标志，而这些对找矿有指导意义的矿化蚀变信息常常受其它地物 信息的干扰，和受遥感图像的波谱分辨率和空间分辨率的约制，往往表现的很微弱。因 此，国内外学者也在不断尝试各种技术方法提取这种矿化蚀变弱信息。 1.2.1 国内遥感矿化蚀变信息提取的应用现状国内遥感矿化蚀变信息提取的应用现状 国内地质矿产遥感信息提取技术的应用研究开始于80年代。刘燕君（1983）采用与 矿产信息有关的特征地物亮度比值和色度学原则，在MSS图像上，先后在北京密云水库周 围的丘陵区变质铁矿实验区和河北省迁安铁矿区，成功地把矿化点含矿围岩强烈部位增 强出来 [3]。 近十余年，赵元洪等 1991年提出了波段比值的主成份复合法 [4]；1994年，何国金、 胡德永等提出了“微量信息处理”方法 [5]；马建文1997年提出了TM掩模主成份变换 分类识别提取矿化弱信息方法 [6]；张远飞1999年等利用“多元数据分析比值主成份 变换掩膜分类分割”的方法在新疆、内蒙古及江西、云南成功的提取了金矿化蚀变 信息 [7]；同年，刘庆生等利用对应分析法从MAIS数据中提取了内蒙古哈达门沟含金矿化 带蚀变信息 [8]； 刘素红， 马建文2000年等利用Gram- schmidt投影方法在高山区提取了ETM 第 1 章 绪论 3 数据中的含矿蚀变带信息 [9]；刘成2003年等利用混合像元线性分解模型提取了卧龙泉 地区粘土蚀变信息 [10]。 近年来，随着高分辨率遥感数据的不断应用，蚀变信息提取的方法也由定性、半定 量到定量的方向发展。 1.2.2 国外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状国外遥感矿化蚀变信息提取的应用现状 早在1976年，戈茨利用短波红外波段的1.6μm和2.2μm波长两谱带反射比的比值定 量划分蚀变岩和未蚀变岩；艾布拉姆斯（1977年）等人注意到陆地卫星多波段扫描 （0.51.1μm）光谱范围内含褐铁矿的蚀变岩石由于三价铁强吸收光谱而产生独特的反 射光谱，并在内华达州金矿根据图像对褐铁矿蚀变岩石进行填图 [11]；同年，罗曼等人采 用MSS 4/5，MSS 5/6和MSS 6/7比值图像对以次生粘土、氧化硅及褐铁矿特征的热液蚀变 区进行识别填图；Ambrams（1984）利用ETM图像波段比值主成份变换方法排除了植被 覆盖因素干扰提取蚀变信息；Crosta和Loughlin（1991）利用Landsat-5 ETM图像数据， 选择4个波段（TM1，TM 3，TM5，TM7或TM1，TM4，TM5，TM7） ，设计了主成份变换特定 主因子求反的方法填制巴西热带地区残积土壤中的三价铁和羟基蚀变岩信息图 [12]。 D.Rokos等（2000） ，利用ETM、SPOT数据、数字高程模型及地球化学信息等在ERMapper3 系统下对爱琴海盆地中的Quaternary岛弧中的岛屿和弧后火山岩地区的低温热液型金矿 进行研究，用ETM5/7，ETM3/1等比值和主成份分析等数学运算进行蚀变带的识别，并结 合提取的线性构造统计分析进行成矿预测 [13]。 Tangestani.m.H和Moore.F（2001） ，利用三种主成份分析法对伊朗Meiduk地区班铜矿 蚀变区进行了对比分析。Timothy M.kusky等（2002） ，利用ETM 5/7，ETM 5/l，ETM 5/4 的假彩色合成及分析，在阿拉伯一努比亚地盾的干旱气候下提取金矿化蚀变信息 [14]。 1.3 研究内容概述研究内容概述 1.3.1 研究内容研究内容 蚀变遥感异常是矿产资源综合评价与定位预测的主要参数，这种异常表现在遥感图 像上就是矿化蚀变信息，而这种信息通常由于各种因素的影响其表现为弱信息 [15-21]。为 了较好的提取出这种弱信息，本文进行了如下几个方面的研究 （1）区域地质矿产及遥感地质基础研究 利用搜集到的区域地质矿产资料，分析和掌握工作区区域地质环境及矿产分布规律 和成矿地质条件；对遥感图像进行解译和分析，研究成矿控矿地层、岩石及构造的遥感 第 1 章 绪论 4 信息，为提取蚀变信息提供依据。 （2）岩石光谱数据的收集和分析 在遥感图像上采集与铁染和泥化有关的蚀变岩及围岩的光谱，并且和美国USGS标准 矿物波谱库的光谱数据做对比，为选择提取矿化蚀变信息的最佳波段提供依据。 （3）矿化蚀变信息的提取 本文主要是进行矿化蚀变信息提取的研究，基于特征光谱的矿化蚀变信息增强提取 模型，主要是通过分析本区的蚀变岩的光谱特征，依据其选择一定的波段组合进行提取 蚀变带工作，其本质就是依据特征光谱在遥感图像上增强矿化蚀变信息来达到提取的目 的。 （4）提取模型的验证 将收集到的不同比例尺的地质矿产资料数字化后与异常图像坐标进行了图像配准和 几何校正。组成综合信息图，加强各种地质信息的空间关系。最后，将所获得的地球化 学异常信息、密度异常信息、频度异常信息、遥感影像地质特征、遥感蚀变异常信息在 MapGIS6.5系统中集成，利用地理信息系统的分析功能对其进行叠加分析，从而进行综合 对比研究，圈定矿化异常区。 1.3.2 技术路线技术路线 总的来说是将遥感原理、围岩蚀变理论和现代成矿预测理论相结合，研究岩石矿化 蚀变异常的提取方法，圈定可能与成矿围岩蚀变矿物分布有关的遥感异常。 具体实施时主要采用遥感数据为2005年5月8号的Landsat- 7ETM数据，行列号为 125/026，岩石光谱数据对图像数据及光谱数据进行分析，最终建立适合研究区的矿化蚀 变提取模型，达到提取效果。利用ETM数据进行矿物蚀变信息提取方法多样，有比值增强 法，主成份分析法、选择性主成份分析法、波谱角分析法（SAM）及多方法联合法等。根 据研究区与数据的时相特点，我们先对研究区的岩性、构造等进行解译，然后分别应用 了比值法、LS－Fit法、Crosta技术对研究区进行蚀变信息提取，最后结合研究区化探资 料进行矿化蚀变异常区圈定，具体研究流程见图1-1。 第 1 章 绪论 5 1.4 论文预期目标和工作概述论文预期目标和工作概述 本项研究的基本步骤是，搜集资料包括地质矿产资料和卫星遥感资料，分析成矿 环境与成矿条件，遥感数据预处理，然后进行遥感图像处理与蚀变信息提取，通过图像 解译，分析该区的构造与岩性，并制成基础遥感影像图。最后将所获得多种信息在 MapGI6.5系统中集成，并综合分析，圈定找矿靶区，为找矿工作提供参考。具体步骤如 下 第一步，获取资料获取到研究区所需的Landsat-7ETM卫星数据；15万地形图； 120万地质图；120万化探资料以及该区前人研究资料。 第二步，图像预处理。 第三步，图像处理及蚀变信息提取，通过分析比较，选取最佳波段组合，分别对研 建立蚀变信息定量提取模型 对结果进行几何精校正 分别圈定综合分析各异常区 TM3/1 TM5/7 TM4/3 TM4/5 TM5/4 TM3/2 遥感原始数据 生成Log residuals数据 LS － Fit 技 术 提 取 含 羟 基 热 液 蚀 变 矿 物 信 息 Crosta分析 多干扰去除 确定异常分量、滤波及异常分级 PCA （TM1、 3、4、5） 提取铁染 PCA （TM1、 4、5、7） 提取含羟 比值分析 不同比值假彩色合成 资料搜集与信息提取 地质矿产、物化探资料 成矿地质环境及条件分析 典型岩石光谱数据 图图1-1 遥感矿化蚀变信息提取流程图遥感矿化蚀变信息提取流程图 第 1 章 绪论 6 究进行相应的图像处理，提取矿化蚀变信息。 第四步，影像图的制作将处理所得的图像按要求组合，然后进行RGB彩色合成输出， 成图。 第五步，综合解译对所处理的图像进行综合解译，包括构造解译，隐伏岩 体解译以及成矿有利地带的圈定。 第六步，验证野外实地考察第一手资料。 第七步，室内分析，归纳总结，撰写报告。具体的工作进度安排见表1-1。 序号 具体工作内容 时间安排 1 资料搜集和文献查阅、调研 2008.03-2008.06（120天） 2 制定课题研究方案及数据预处理 2008.07-2008.09（90天） 3 数据图像分析处理遥感地质解译 2008.10-2008.11（60天） 4 影像图的制作、综合解译 2008.12-2009.02（90天） 5 确立蚀变信息定量提取模型、写论文初稿 2009.03-2009.03（30天） 6 野外验证进一步完善、打印论文 2009.04-2009.05（60天） 第 2 章 蚀变遥感信息提取的理论基础 7 第第 2 章章 蚀变遥感信息提取的理论基础蚀变遥感信息提取的理论基础 2.1 蚀变异常找矿的地质依据蚀变异常找矿的地质依据 前苏联地质研究所的地质学家门于1954年撰写了一部名为 “蚀变围岩及其找矿意义” 的专著 [22]，该专著将蚀变围岩的理论和实际意义的关系进行了讨论，该书详尽地阐明与 岩浆成因矿床主要是金属矿床共生的热液蚀变岩石的各主要类型、其多样性、特征区 别、彼此关系、发展规律及含矿性等问题，至今仍具有很高的参考价值。对于本论文矿 化蚀变信息遥感异常提取不仅提供了地质依据参考，同时还加强了对蚀变遥感异常的正 确解释。 表表2-1围岩蚀变类型与矿种之问的关系围岩蚀变类型与矿种之问的关系 [23] 岩石的交代蚀变主要是不同类型的热液与原生岩石相互作用的产物。最常见的蚀变 为硅化、绢云母化、绿泥石化、云英岩化、矽卡岩化、白云岩化、重晶石化及锰铁碳 蚀变的条件 矿产种类 沉积岩和变质岩 岩浆岩 矿 液 围岩蚀变的类型 碳酸盐质 硅铝岩 超基性基性 中性 酸性 金属 云英岩化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ W Sn Mo B 钠长石化 ＋ ＋ ＋ Li Be Nb Ta 矽卡岩化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Fe Cu Zn Mo 方柱石化 ＋ ＋ ＋ ＋ Sn 气 化 高 温 热 液 电气石化 ＋ ＋ Cu Mn Au 次生石英岩化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Au Cu Pb Zn 黄铁绢云岩化 ＋ ＋ ＋ Au Cu Ag Sb 硅化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Au Mo Cu Pb Zn As 绢云母化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Au Cu Pb Zn Sn Cr 绿泥石化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Cr 蛇纹石化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Au Cu Pb Zn 碳酸岩化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Au Ag As Sb 青盘岩化 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ Ni 中 低 温 热 液 滑石菱镁片岩化 ＋ ＋ 第 2 章 蚀变遥感信息提取的理论基础 8 酸盐化。某种有用元素的逐步富集是形成矿床的必要条件，而这种成矿物质通常由成矿 热液进行迁移搬运和卸载沉淀。地质学家断言绝大多数内生矿床都伴随有其围岩的交代 蚀变现象，而且蚀变带范围大于矿体分布的范围数倍至数十倍。热液来源主要有岩浆作 用有关的热液，变质作用有关的热液以及地下水环流热液等。热液流体在运移过程中由 于其温度、物理化学条件以及围岩组分差异，形成不同的蚀变矿物，按照围岩组分可以 分为三类中酸性岩的蚀变（云英岩化、绢云母化、钠长石化、钾长石化） 、基性超基性 岩的蚀变（蛇纹石化、绿泥石化、青盘岩化、碳酸盐化） 、石灰岩及其他碳酸盐类的蚀变 （矽卡岩化、硅化、重晶石化、白云岩化） 。并且不同类型的围岩蚀变指示矿床存在的意 义不同，这是由于各种蚀变和矿石同样是成矿作用的产物，从而在时间空间上矿和有关 的蚀变存在密切的联系，并且不同类型的蚀变及其组合专属一定的矿床（矿种或矿床类 型）因而可以用蚀变来预测矿化矿产资源见表2-1。近矿围岩蚀变的研究和热液蚀变岩 石的发现，可以指示找矿床或矿集区的空间范围，增加找到矿床的机会。 从表2-1中可以看出，与铜、铝、金有关的围岩蚀变类型主要有绢云母化、纳长石化、 钾长石化、蛇纹岩化、次生石英岩化、黄铁绢云岩化、硅化和碳酸盐化等。绢云母化、 青磐岩化、钾长石化是斑岩型铜铝矿化外围的主要蚀变类型，碳酸盐化、绿泥石化、蛇 纹石化与基性超基性岩关系密切。 遥感探测的是地表物质反射、吸收的光谱信息，因此只要有一定面积的蚀变岩石出 露，遥感影像上就有可能有不同的表示，也就是说，即便是矿体隐伏，只要有蚀变岩出 露，就有可能用遥感技术发现，尤其是为数众多的热液矿床。当然蚀变信息的强弱也很 重要，蚀变信息包括蚀变类型、强度、规模大小、空间形态，目前认为中等强度以上的 蚀变带对于蚀变信息提取是十分有利的 [25]。这便是以找矿首先是大矿、富矿或矿集区 为最终目的蚀变遥感异常提取的