基于DEM的南嶺東段離子吸附型稀土礦成礦地貌條件分析

劉新星,陳毓川,王登紅,黃 凡, 趙 芝

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037

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基于DEM的南嶺東段離子吸附型稀土礦成礦地貌條件分析

劉新星1,2),陳毓川3)*,王登紅2),黃 凡2), 趙 芝2)

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037

摘 要:稀土是我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源,而離子吸附型稀土礦是我國(guó)的特色礦產(chǎn),占據(jù)著重要的地位。離子吸附型礦產(chǎn)的形成與否,與風(fēng)化殼密切相關(guān),而風(fēng)化殼的發(fā)育及保存與微地貌等特征密切相關(guān)。本文旨在利用DEM技術(shù),結(jié)合搜集到稀土礦點(diǎn)及礦區(qū)數(shù)據(jù),對(duì)含有稀土的地貌單元進(jìn)行地形因子定量分析,以總結(jié)風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦的成礦地貌條件。借助GIS技術(shù),利用DEM提取高程、坡度、坡向、曲率、地形起伏度、地表切割深度、地形特征等各類地貌因子值,并與南嶺東段的成礦礦點(diǎn)及礦區(qū)進(jìn)行疊加分析,統(tǒng)計(jì)計(jì)算礦點(diǎn)及礦區(qū)所處位置的地貌因子值,進(jìn)而探討風(fēng)化殼型稀土資源賦存的有利地形地貌環(huán)境。結(jié)果顯示,最佳成礦有利地貌為高程150～500 m、坡度0°～20°、地形起伏度100～400 m、地表切割深度40～150 m、地形特征為山頂或山脊;研究結(jié)果有望指導(dǎo)南嶺東段離子吸附型稀土礦找礦勘查工作。

關(guān)鍵詞:DEM南嶺東段;離子吸附型稀土礦;成礦地貌;地貌因子值

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本文由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目“我國(guó)離子吸附型稀土礦戰(zhàn)略調(diào)查及研究”(編號(hào):1212011220804)資助。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,簡(jiǎn)稱DEM)是美國(guó)麻省理工學(xué)院的Chaires LMiller于1956—1958年首次提出來的,用于對(duì)地球表面地形地貌的數(shù)字表達(dá)、模擬。它由多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列組成,用高程Z表示地面特征,用X、Y水平坐標(biāo)系統(tǒng)描述高程空間分布,其數(shù)據(jù)由平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息組成。DEM能夠綜合反映地形的基本特征,可以定量提取高程、坡度、坡向等各種地形因子,是地形分析的主要信息源。目前,基于DEM的數(shù)字地形分析已經(jīng)成為GIS空間分析中最具特色的部分,在軍事、測(cè)繪、資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃、災(zāi)害防治及地學(xué)研究各方面發(fā)揮著越來越重要的作用(湯國(guó)安等,2010)。

離子吸附型稀土礦是含稀土的花崗巖類、火山巖類巖石在濕熱氣候和低山丘陵的地貌條件下,經(jīng)強(qiáng)烈的風(fēng)化淋濾作用,稀土元素以離子狀態(tài)吸附于礦石中粘土類礦物晶粒表面及晶層間的礦床(楊岳清,1981)。其成礦由內(nèi)/外生地質(zhì)作用綜合控制,前者形成一套富含稀土元素的巖石,為稀土成礦提供了物質(zhì)基礎(chǔ);后者在形成風(fēng)化殼的過程中,促進(jìn)母巖中稀土元素的解離、遷移富集成礦。丘陵地貌條件、濕潤(rùn)的氣候及廣泛出露的成稀土礦花崗巖等優(yōu)勢(shì),使得南嶺東段具有成離子吸附型稀土礦的良好背景。但是,這類礦床在該區(qū)的出現(xiàn)又并非處處皆是,說明普遍中又孕育著特殊性。整體來說,其主要受含礦原巖和風(fēng)化作用的影響和控制(楊岳清等,1981)。局部上,微地貌的差異程度同樣影響風(fēng)化殼的發(fā)育、礦體的發(fā)育和保存,同時(shí)也因?yàn)橛绊懙降乇?、地下水的遷移方向而影響到稀土元素的分布特征?？傊?地形地貌是非常重要的成礦條件,也是至關(guān)重要的找礦標(biāo)志。

一般認(rèn)為,離子吸附型礦床主要分布在低山丘陵區(qū),海拔低于550 m,高差60～250 m的丘陵地帶,山頂坡度一般小于30°,山頂渾圓,溝壑縱橫,但切割不深,且以平緩低山和水系發(fā)育為特征。局部特征表現(xiàn)為:地形起伏小比起伏大、緩坡比陡坡、寬闊山頭比狹窄山頭、山脊比山坳、山頂比山腰、山腰比山腳更有利于成礦(張祖海,1990)。這些成礦規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)于找礦起到了指導(dǎo)作用,但也無可否認(rèn),由于定量化水平不高,很難推廣到大范圍來進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,DEM技術(shù)也得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展,其在水土保持、災(zāi)害預(yù)測(cè)方面應(yīng)用研究尤為深入(湯國(guó)安等,2001;郭芳芳等,2008;馬偉等,2015)。故而,利用DEM技術(shù)定量研究風(fēng)化殼型稀土礦的成礦地貌條件也勢(shì)在必行。本文旨在利用DEM技術(shù),探討稀土資源賦存的區(qū)域地貌及微地貌特征,以指導(dǎo)南嶺東段離子吸附型稀土礦的找礦工作。

南嶺東段處于贛南、閩西及粵北,屬于亞熱帶氣候區(qū),氣候濕潤(rùn)多雨,植被發(fā)育。地貌多為丘陵山地,地形相對(duì)平緩,海拔多在500 m以下。大地構(gòu)造位置位于華南造山系南嶺造山帶。區(qū)內(nèi)巖漿巖較為發(fā)育,成巖時(shí)代從加里東期到燕山期均有,其中燕山期最為發(fā)育。離子吸附型稀土礦的成礦母巖主要為花崗巖(袁忠信等,2013),且各含礦巖體的稀土含量普遍偏高(趙芝等,2014)。稀土礦的成礦作用在研究區(qū)廣泛發(fā)育,形成了一批工業(yè)礦體,也使得南嶺成為我國(guó)獨(dú)特的離子吸附型稀土礦的礦集區(qū)(袁忠信等,2013)。其成礦具有元素豐度高、儲(chǔ)量大、時(shí)代新、構(gòu)造條件簡(jiǎn)單和地理分布面積廣的特點(diǎn)(霍明遠(yuǎn),1992)。

綜上可知,研究區(qū)整體具有較好的氣候及區(qū)域地貌條件,成稀土礦的巖漿巖分布廣泛,且稀土礦點(diǎn)較多,具有研究微地貌成礦得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

1 資料來源及研究方法

1.1 礦點(diǎn)及礦區(qū)數(shù)據(jù)

研究區(qū)內(nèi)存在大量的已知離子吸附型稀土礦的礦點(diǎn),為定量分析成礦條件提供了事實(shí)依據(jù)。因此,對(duì)于統(tǒng)計(jì)該區(qū)的成礦有利條件具有重要意義。本次搜集到研究區(qū)內(nèi)108個(gè)礦區(qū)數(shù)據(jù)及357個(gè)礦點(diǎn)數(shù)據(jù),其中存在一些重復(fù)礦點(diǎn)或礦床信息不全等問題。經(jīng)梳理礦床名稱、地理位置、礦床規(guī)模、成礦時(shí)代等信息后,篩選出126個(gè)礦點(diǎn)。另外,由于礦點(diǎn)采集所用地圖參數(shù)的差異或人為因素的影響,其坐標(biāo)往往偏離主礦體位置,多數(shù)落在礦區(qū)的邊部或者礦區(qū)周邊的道路上,個(gè)別甚至偏離礦區(qū)幾km,影響了離子吸附型稀土礦成礦有利條件統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。本次對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了投影轉(zhuǎn)換,統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)為高斯-克里格投影直角坐標(biāo)系統(tǒng)后,參考研究區(qū)內(nèi)的礦權(quán)范圍及利用遙感影像數(shù)據(jù)解譯出的稀土開采圖斑,精確地限定了部分稀土礦的坐標(biāo),提高了礦點(diǎn)的位置精度。如圖1,圖上有1個(gè)礦權(quán)數(shù)據(jù)及3處同名的礦點(diǎn)坐標(biāo),結(jié)合ETM真彩色圖像,分析與開采的圖斑相對(duì)位置,刪除了礦點(diǎn)1與2,并微調(diào)了礦點(diǎn)3的位置,使其能夠代表該礦區(qū)的有利成礦條件。

1.2 DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文的DEM數(shù)據(jù)主要是以ASTER GDEM2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),其空間分辨率為30 m,該數(shù)據(jù)是根據(jù)NASA新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作完成的。目前該數(shù)據(jù)有兩版,本次采用了第二版本,它增強(qiáng)了DEM數(shù)據(jù)地面分辨率、填補(bǔ)了部分空隙并校準(zhǔn)了湖泊的水平面,基本上能夠滿足本次地貌分析的需要。

1.3 研究方法

利用DEM數(shù)據(jù),基于GIS空間分析技術(shù),計(jì)算每個(gè)礦點(diǎn)的地形因子值,如高程、坡度、坡向、曲率、地表切割深度、地形起伏度及地形特征因子等,然后統(tǒng)計(jì)分析所有礦點(diǎn)地形因子值的分布特征,提取其有利成礦區(qū)間。鑒于礦點(diǎn)位置僅限于空間的一個(gè)點(diǎn),地貌特征為區(qū)域特征,為提高統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性,本次還計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)108個(gè)稀土礦區(qū)的地貌特征,綜合二者信息,總結(jié)出南嶺東段有利于成礦的地貌條件。最后,重點(diǎn)剖析了研究區(qū)內(nèi)2個(gè)典型礦床的實(shí)例,以驗(yàn)證研究結(jié)果的可靠性。

圖1　同名稀土礦點(diǎn)坐標(biāo)的校正Fig.1 The coordinates correction of the Rare earth mines with the same name

2 稀土成礦地貌條件分析

地貌分析可分為微觀因子分析及宏觀因子分析。微觀因子包括坡度、坡向、坡長(zhǎng)、地面曲率、變率等,它們所描述的是地面具體點(diǎn)位的地形因子特征;宏觀因子包括地形起伏度、粗糙度、溝壑密度、地表切割深度、坡形等,它們所描述的是一定區(qū)域的地形特征(湯國(guó)安等,2010)。其中,高程能夠直觀反映地形的表面形態(tài),坡度是土壤侵蝕的重要指標(biāo),是影響水土流失的關(guān)鍵;溝壑密度則是反映當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)、地貌的一個(gè)基本指標(biāo),地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度等也都是反映地表的起伏變化和侵蝕程度的指標(biāo);所有這些指標(biāo)均影響著風(fēng)化殼的發(fā)育與保存。因而,研究地形因子的統(tǒng)計(jì)特征對(duì)風(fēng)化殼離子吸附型稀土礦的成礦規(guī)律及成礦預(yù)測(cè)具有重要意義。圖2展示了研究區(qū)稀土礦點(diǎn)在宏觀地貌上的分布特征。

圖2　研究區(qū)DEM 3D渲染及礦點(diǎn)分布圖Fig.2 DEM 3-demision rendering and mines distribution map of the study area

2.1 微觀地形因子分析

2.1.1 高程

高程指地面任一點(diǎn)距大地水準(zhǔn)面的垂直距離,是數(shù)字高程模型的基本信息數(shù)據(jù)(湯國(guó)安等,2010)。一般認(rèn)為,隨著海拔的升高,氣壓變低,空氣變稀薄,則白天吸收太陽長(zhǎng)波輻射變少,夜晚散熱較快,最終平均氣溫下降。另外,地形可以強(qiáng)迫氣流抬升而使降水量增多,從而導(dǎo)致降雨量和相對(duì)濕度在一定程度上增加,進(jìn)而影響了植被的分布格局。綜合考慮這些因素,無不是風(fēng)化作用的重要指標(biāo)。因此,高程對(duì)于風(fēng)化殼的發(fā)育具有重要影響。

本次把南嶺東段126個(gè)礦點(diǎn)及108個(gè)礦區(qū)疊加到DEM數(shù)據(jù)上,提取各個(gè)點(diǎn)位的高程值,進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表1),并做了高程值分布直方圖(圖3)。由表1可知,研究區(qū)內(nèi)礦點(diǎn)及礦區(qū)的平均高程值分別為373 m和354 m。通過直方圖可以發(fā)現(xiàn),隨著高程的增加,成礦單元逐漸增多,在300 m處達(dá)到最多,之后開始下降,直至800 m處仍有成礦?？梢酝茢?該研究區(qū)內(nèi)高程在300 m左右時(shí),其成礦地貌條件最為有利。經(jīng)統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn),礦點(diǎn)及礦區(qū)所處高程單元值在150～500 m之間的分別占有97.35%、85.8%。因此,本次把150～500 m作為研究區(qū)的有利成礦高程區(qū)間。

2.1.2 坡度

坡度(Slope)是指過地表某一點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角,表示了地表面在該點(diǎn)的傾斜程度。地面坡度是最重要的地形因子之一,它直接影響著地表的物質(zhì)流與能量的再分配,影響著土壤的發(fā)育、植被的種類與分布,制約著土地利用的類型與方式,在所有地形定量因子中,坡度因子是影響水土流失強(qiáng)弱的關(guān)鍵因子(王秀云等,2005)。因而,坡度對(duì)于風(fēng)化殼的保存尤為重要。在ESRI公司的ArcInfo軟件中,坡度的計(jì)算利用3×3個(gè)格網(wǎng)窗口在DEM數(shù)據(jù)中連續(xù)移動(dòng)進(jìn)行。表面的坡度指橫跨表面了值的最大變化率即坡度為確定中心柵格與四周相鄰柵格高程值的最大變化率。

圖3　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的高程分布直方圖Fig.3 The elevation distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

研究區(qū)內(nèi)礦點(diǎn)及礦區(qū)的平均坡度分別為13.1° 和12.5°。通過坡度分布直方圖可以發(fā)現(xiàn):從0°起,隨著坡度的增加,成礦單元逐漸增多,在10°左右處達(dá)到最大,之后開始下降,直至35.3°處仍有成礦。因而可以推斷,坡度在10°左右較小范圍內(nèi)對(duì)成礦最為有利;坡度遠(yuǎn)大于10°時(shí),風(fēng)化殼容易被流水侵蝕,破壞礦體的保存。反之,則風(fēng)化殼過多堆積,不利于風(fēng)化作用向基巖方向推進(jìn),阻礙了稀土元素富集成礦。研究區(qū)內(nèi)坡度值在0°～20°之間的礦點(diǎn)及礦區(qū)位置分別占83.3%、91.27%。因此,把坡度值在0°～20°范圍的單元作為成礦的有利坡度。

2.1.3 坡向

坡向指地表面上某點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點(diǎn)的正北方向的夾角。即從正北方向開始,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到法線在水平投影線間的夾角。它是決定地表面局部地面接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要地形因子之一,可直接造成局部地區(qū)氣候特征的差異(湯國(guó)安等,2010)。其光照、濕度、熱量、風(fēng)量不同,也直接影響到諸如土壤水分、植被生長(zhǎng)適宜性程度等多項(xiàng)指標(biāo),進(jìn)而影響風(fēng)化作用的進(jìn)行。一般南坡、東南坡、西南坡,所獲得太陽光熱量大,溫度相對(duì)稍高。另外,該研究區(qū)主要地處江西,夏季多東南季風(fēng),山地有阻擋氣流前進(jìn)的速度,減小風(fēng)速,延長(zhǎng)降雨持續(xù)時(shí)間,因而在迎風(fēng)坡上降雨增加。背風(fēng)坡因空氣下沉,雨量較之減小(陳天珠,1983)。但是,北坡水分蒸發(fā)量少,土壤墑情好,植被密生,風(fēng)化作用也較為有利。因而,對(duì)于成礦有利坡向還未能一概而論。

本次統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)礦點(diǎn)及礦區(qū)范圍內(nèi)的坡向值,如表3可以發(fā)現(xiàn)其分布范圍較廣,標(biāo)準(zhǔn)差較大,顯示坡向分布較為分散。從坡向分布直方圖可以發(fā)現(xiàn),其累計(jì)曲線接近于直線,說明坡向值分布較為均勻。但是,礦點(diǎn)坡向直方圖在180°左右有微弱的凸起,可能該范圍相對(duì)成礦有利。在礦區(qū)的坡向值分布直方圖中,特征不太明顯,呈現(xiàn)了較為微弱的凸起特征。另外,礦區(qū)范圍的采樣點(diǎn)較多,為更好地顯示其分布規(guī)律,特別縮小了分布間隔,結(jié)果卻呈現(xiàn)了類似周期性的分布規(guī)律,說明稀土成礦對(duì)于坡向還是具有一定的選擇性的。

圖4　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的坡度分布直方圖Fig.4 The slope distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

圖5　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的坡向分布直方圖Fig.5 The aspect distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

圖6　礦區(qū)的坡向分布直方圖Fig.6 The aspect distribution histogram of mining area

表3　礦點(diǎn)及礦區(qū)的坡向統(tǒng)計(jì)值Table 3 The aspect statistic value of the ore occurrences and mining area

2.1.4 曲率

曲率是指地形曲面在各個(gè)界面方向上的形狀,是凹凸變化的反映,也是平面點(diǎn)位的函數(shù)。地形表面曲率反映了地形結(jié)構(gòu)與形態(tài),影響著土壤有機(jī)物含量的分布,在地表過程模擬、水文、土壤等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。曲率分為剖面曲率和平面曲率。剖面曲率指對(duì)地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量。平面曲率指在地形表面上,具體到任何一點(diǎn)P,指用過該點(diǎn)的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲線在該點(diǎn)的曲率值(湯國(guó)安等,2010)。其中,正值表示凸起,負(fù)值表示下凹。

統(tǒng)計(jì)計(jì)算礦點(diǎn)及礦區(qū)所處范圍的平面曲率及剖面曲率結(jié)果(如表4,圖7),可以發(fā)現(xiàn)剖面曲率平均值接近于0,標(biāo)準(zhǔn)差較小,其直方圖近乎正態(tài)分布,大多數(shù)值分布在–2～2之間,其中大于0的像素個(gè)數(shù)占48.6%;數(shù)據(jù)說明沿坡降方向地形起伏不大,有起有伏,大致近乎直線坡。水平曲率的平均值微小于0,標(biāo)準(zhǔn)差較大,大多數(shù)值分布在–17～14之間;其中大于0的像素個(gè)數(shù)占49.1%,其直方圖也近乎正態(tài)分布。這說明沿水平方向坡形起伏變化較大,有突起也有凹陷,可能與順坡水流沖刷作用有關(guān)。前人認(rèn)為,稀土礦大多在渾圓狀的山頂,且溝壑縱橫。為此,專門用山頂點(diǎn)為中心,以90 m為半徑做緩沖區(qū),求得緩沖區(qū)內(nèi)的平面曲率及剖面曲率的平均值分別為–1.3、0.15,大于0的值分別占42.3%和61%,可知水平方向溝壑較多,剖面方向具有一定的局部凸起。另外,不得不考慮到,統(tǒng)計(jì)的礦區(qū)多數(shù)均處于開采狀態(tài),破壞了部分原有成礦地形特征。

2.2 宏觀地貌因子分析

2.2.1 地形起伏度

地形起伏度是指給定區(qū)域內(nèi)最大高程與最小高程的差。它能夠直觀地反映地形的起伏特征。在水土流失研究中,地形起伏度指標(biāo)能夠反映水土流失區(qū)的土壤侵蝕特征,是比較適合區(qū)域水土流失評(píng)價(jià)的地形指標(biāo)(湯國(guó)安等,2010),同時(shí)也可以作為風(fēng)化殼保存條件的一個(gè)地形指標(biāo)?？捎霉奖硎緸镈i=Hmax-Hmin;其中Di表示地面i點(diǎn)的地形起伏度;Hmax表示固定分析窗口內(nèi)的最高高程;Hmin表示固定分析窗口內(nèi)的最低高程。由公式可見,固定分析窗口的選擇很重要,它在一定程度上可以影響到地形起伏度的值。

表4　礦點(diǎn)及礦區(qū)的曲率統(tǒng)計(jì)值Table 4 The curvature statistic value of the ore occurrences and mining area

經(jīng)實(shí)驗(yàn),本次選擇4 km為分析窗口。計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)地形起伏度后,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),82.8%的礦點(diǎn)及73.8%的礦區(qū)范圍落在100～400 m區(qū)間,可作為最佳成礦有利區(qū)間。另外,還可以發(fā)現(xiàn)其統(tǒng)計(jì)直方圖(圖8)呈現(xiàn)了雙峰的特征,在400～550 m區(qū)間也呈現(xiàn)一個(gè)小的波峰。把地形起伏度與高程及坡度值分布投散點(diǎn)圖,如圖9可見,該區(qū)間內(nèi)有一些數(shù)據(jù)的高程及坡度也在有利礦床區(qū)間內(nèi),或者高程不利的情況下,其起伏度等因素有利。因此,可以認(rèn)為即使個(gè)別地貌因素成礦不利,但在微地貌有利的條件下,也可以發(fā)育離子吸附型稀土礦床。

圖7　礦點(diǎn)及礦區(qū)的坡向分布直方圖Fig.7 The curvature distribution histogram of the ore occurrences and mining area

圖8　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的地形起伏度分布直方圖Fig.8 The surfer rolling distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

表5　礦點(diǎn)及礦區(qū)的地形起伏度統(tǒng)計(jì)值Table 5 The surfer rolling statistic value of the ore occurrences and mining area

2.2.2 地表切割深度

地表切割深度是指地面某點(diǎn)的鄰域范圍的平均高程與該鄰域范圍內(nèi)的最小高程的差值?？捎霉奖硎緸镈i=Hmean-Hmin;其中Di表示地面i點(diǎn)的地表切割深度;Hmean表示固定分析窗口內(nèi)的平均高程;Hmin表示固定分析窗口內(nèi)的最低高程。它直接地反映了地表被侵蝕切割的情況,是研究水土流失及地表侵蝕發(fā)育狀況的重要參考指標(biāo)(湯國(guó)安等,2010),對(duì)于風(fēng)化殼的保存具重要意義。切割深度過小,由于上層風(fēng)化層的保護(hù),基巖的風(fēng)化作用受阻。切割深度過大勢(shì)必導(dǎo)致風(fēng)化殼的侵蝕,從而致使稀土元素的流失,對(duì)于成礦具有破壞作用。

本次采用4 km×4 km為窗口,計(jì)算每個(gè)高程點(diǎn)所在窗口內(nèi)的地表切割深度值。統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)礦點(diǎn)及礦區(qū)的地表切割深度值后發(fā)現(xiàn),73%的礦點(diǎn)及88.3%的礦區(qū)范圍落在40～150 m之間,85%的礦點(diǎn)及94.5%的礦區(qū)范圍落在40～200 m區(qū)間。綜合考慮礦區(qū)開采的影響,可以把地表切割深度40～150 m作為最佳成礦區(qū)間。

2.2.3 地形特征分析

地形特征主要包括山頂(peak)、山脊(ridge)、凹陷(pit)、鞍部(pass)、平地(plane)和山溝(channel)等。其中,山頂為局部區(qū)域內(nèi)海拔高程的最大值,表現(xiàn)為在各方向上都為凸起;凹谷則是在局部區(qū)域內(nèi)海拔高程的極小值點(diǎn),表現(xiàn)為在各方向上都為凹陷;山脊是在兩個(gè)相互正交的方向上,一個(gè)方向凸起,而另一個(gè)方向沒有凹性變化的位置。山谷為在兩個(gè)相互正交的方向上,一個(gè)方向凹陷,而另一個(gè)方向沒有凹性變化的位置;鞍部在兩個(gè)相互正交的方向上,一個(gè)方向凸起,而另一個(gè)方向凹陷的位置。平地是在局部區(qū)域內(nèi)各方向上都沒有凹凸性變化的點(diǎn)。利用DEM提取地形特征點(diǎn),可通過一個(gè)3×3(即90 m×90 m)網(wǎng)格,判斷中心網(wǎng)格與8個(gè)鄰域點(diǎn)的高程關(guān)系,從而確定特征中心點(diǎn)的類型。

圖9　地形起伏度與高程(a)、坡度的關(guān)系圖(b)Fig.9 The surfer rolling and elevation(a),slope diagram(b)

表6　礦點(diǎn)及礦區(qū)的地表切割深度統(tǒng)計(jì)值Table 6 The surfer incision statistic value of the ore occurrences and mining area

圖10　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的地表切割深度分布直方圖Fig.10 The surfer incision distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

表7　礦點(diǎn)及礦區(qū)的地形特征統(tǒng)計(jì)值Table 7 The terrain feature statistic value of the ore occurrences and mining area

圖11　礦點(diǎn)(a)及礦區(qū)(b)的地形特征分布直方圖Fig.11 The terrain feature distribution histogram of the ore occurrences(a)and mining area(b)

圖12　研究區(qū)地形特征成礦率分布直方圖Fig.12 The distribution histogram of the terrain feature mineralization rate of the study area

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(表7,圖11),礦點(diǎn)及礦區(qū)大部分處于山脊、山溝及平地,其面積比例可達(dá)99%,相對(duì)較少的礦點(diǎn)及礦區(qū)范圍落在山頂、鞍部及凹谷處。但通常認(rèn)為,山頂與山脊處風(fēng)化殼的發(fā)育及保存較好,利于稀土礦的形成。該統(tǒng)計(jì)似乎與前人認(rèn)識(shí)不完全一致,山頂處統(tǒng)計(jì)值的數(shù)量明顯過少,在分布直方圖上幾乎沒有顯示;但是也不難發(fā)現(xiàn),基于面積統(tǒng)計(jì)方法并不能完全代表某種特征成礦有利性,因?yàn)檠芯繀^(qū)內(nèi)大部分范圍屬于山脊、山溝等地貌特征,故而本次又采用歸一化的辦法,即分別計(jì)算每種成礦地貌特征的像素個(gè)數(shù)與研究區(qū)內(nèi)該特征像素總和的比值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖12),礦區(qū)內(nèi)含有的山頂點(diǎn)為115個(gè),而全區(qū)內(nèi)有山頂點(diǎn)63309個(gè),0.182%的山頂點(diǎn)可以成礦,遠(yuǎn)高于礦區(qū)與研究區(qū)的面積比0.040%。另外,還可以發(fā)現(xiàn),山頂與山脊成礦比例最高,山溝與平地次之,鞍部與凹谷最差。

2.2.4 其它地形因子

除了上述因子外,水土監(jiān)測(cè)中還常用到其他一些地形因子如溝壑密度、地表粗糙度及高程變異系數(shù)等。溝壑密度也稱為溝谷密度,是描述地面被溝壑切割破碎程度的一個(gè)指標(biāo),反映當(dāng)?shù)貧夂?、地質(zhì)、地貌、生物的一個(gè)基本指標(biāo)。溝壑密度指單位面積內(nèi)溝壑的總長(zhǎng)度,以km/km2為單位。地表粗糙度是反映地表起伏變化和侵蝕程度的指標(biāo)。一般定義為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比。它能夠反映地形的起伏變化和侵蝕程度的宏觀地形因子,是衡量地表侵蝕程度的重要量化指標(biāo)。地形高程變異系數(shù)是反映地表一定距離內(nèi),高程相對(duì)變化的指標(biāo),用該區(qū)域高程標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值表示。它是描述局部地形起伏變化的指標(biāo)。本次還分別統(tǒng)計(jì)了這三類地形因子,盡管該類因子的統(tǒng)計(jì)直方圖也呈現(xiàn)了數(shù)據(jù)的局部聚集,但與全區(qū)的統(tǒng)計(jì)直方圖的分布形態(tài)幾乎一致,說明不具有成礦專屬性。

2.3 典型礦床的地貌剖析

為了更好地說明微地貌對(duì)成礦作用,除了在區(qū)域上進(jìn)行地貌因子統(tǒng)計(jì)外,本次還特別對(duì)701及807礦區(qū)的地貌特征進(jìn)行剖析(表8),以討論微地貌對(duì)成礦的具體影響及驗(yàn)證上述統(tǒng)計(jì)特征的準(zhǔn)確性。701礦區(qū)近NEE向展布,本次以NEE及NWW向做了高程剖面。從剖面圖A-A’上可知,礦區(qū)東高西低,整體高程分布在250～420 m之間,地形起伏不大,地形起伏度及切割深度均在上述成礦區(qū)間內(nèi),坡度也大多屬于緩坡(剖面圖上x與y軸比例尺不一致)。807礦區(qū)近NE向展布,高程剖面圖可知,地形沿礦區(qū)展布方向中間高、兩邊低;因而,807礦區(qū)內(nèi)分成了兩個(gè)重點(diǎn)區(qū)。從遙感影像也可以發(fā)現(xiàn),東北及西南各一個(gè)開采區(qū),表明地形起伏小的地方礦化較好。這也說明,地形對(duì)于成礦具有較好的控制作用。另外,依照前面的方法統(tǒng)計(jì)了兩個(gè)礦區(qū)的地形因子值,普遍處于有利成礦區(qū)間(表9)。

3 討論

3.1 成稀土礦的地貌成因分析

地貌形成的物質(zhì)基礎(chǔ)包括巖石和地質(zhì)構(gòu)造,巖石的性質(zhì)及地質(zhì)構(gòu)造的類型對(duì)地貌的形成都會(huì)產(chǎn)生一定的影響(田明中等,2009)。研究區(qū)內(nèi)的成礦母巖多為花崗巖,具塊狀結(jié)構(gòu),堅(jiān)硬致密,抗蝕力強(qiáng),常形成陡峭高峻的山地;又因風(fēng)化殼松散偏砂,其下原巖不透水,易產(chǎn)生地表散流與暴流,水土流失嚴(yán)重;且因節(jié)理豐富,產(chǎn)生球狀風(fēng)化;地表水與地下水沿節(jié)理活動(dòng),逐步形成密集的溝谷與河谷;在節(jié)理交錯(cuò)或出現(xiàn)斷裂的地方,往往形成若干小型盆地;節(jié)理的多少和型式?jīng)Q定山坡的形態(tài),節(jié)理密集區(qū),重力崩塌顯著,出現(xiàn)垂直崖壁;層狀風(fēng)化與剝蝕,使坡面角保持不變,而球狀風(fēng)化與剝蝕,使坡面渾圓化。沿節(jié)理進(jìn)行的風(fēng)化作用,可深入巖體內(nèi)部,形成很厚的紅色風(fēng)化殼。此外,巖體構(gòu)造對(duì)花崗巖地貌也有影響。這些特征利用上述的地貌因子值也不難佐證。

表8　典型礦區(qū)高程剖面圖Table 8 The elevation profile of the typical mining area

表9　典型礦區(qū)地形因子統(tǒng)計(jì)值Table 9 The terrain factor statistics value of the typical mining area

圖13　研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造與地形關(guān)系圖Fig.13 The geological structure and terrain diagram of the study area

圖14　研究區(qū)局部的河流與地貌關(guān)系圖Fig.14 the rivers and geomorphology diagram of one part of the study area

表10　地形因子相關(guān)系數(shù)Table 10 The terrain factor correlation coefficient

圖15　地形起伏度與地表切割深度及高程關(guān)系圖Fig.15 The relation diagram of the surfer rolling,surfer incision and elevation

另外,地質(zhì)構(gòu)造可以直接形成地貌(如斷層崖),也能影響地貌的形成。斷裂構(gòu)造造成巖石破碎,形成軟弱帶,使巖石的抗風(fēng)化和侵蝕能力降低,常形成溝谷地貌。因而,已有文獻(xiàn)利用DEM數(shù)據(jù),基于地形特征提取地質(zhì)構(gòu)造信息,并取得了不錯(cuò)的效果(張會(huì)平等,2004;宿淵源等,2015)。從圖13不難發(fā)現(xiàn),NE向的地質(zhì)構(gòu)造控制了區(qū)域地貌特征,且大多數(shù)地質(zhì)構(gòu)造位于剖面曲率較大的位置,也是地貌的坡度變化較大的位置。

地表的形態(tài)是由內(nèi)外動(dòng)力綜合作用的結(jié)果。其中,內(nèi)動(dòng)力使地表起伏度增加,外動(dòng)力則相反,使地表起伏度降低,即削高填平。除了上述巖性及地質(zhì)構(gòu)造影響外,研究區(qū)地處南方丘陵地區(qū),地表溝壑縱橫,與區(qū)內(nèi)水系有著密切的關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)多為樹枝狀水系,受地形影響明顯(圖14),同時(shí),水系又反過來影響著地表微地貌形態(tài)。研究區(qū)內(nèi)的水系可以通過溝壑深度等值線來反映。

3.2 地貌因子相關(guān)性分析

地形因子是地表特征的定量描述,數(shù)值間具有一定的聯(lián)系。本次統(tǒng)計(jì)了各個(gè)礦點(diǎn)的高程、坡度、坡向、地表切割深度及地形起伏度之間的相關(guān)系數(shù)(表10)。計(jì)算結(jié)果顯示,地表切割深度與地形起伏度的相關(guān)系數(shù)最高,且二者與高程相關(guān)系數(shù)也較高。因而,把各個(gè)礦點(diǎn)的高程、地表切割深度及地形起伏度等值進(jìn)行投點(diǎn)后發(fā)現(xiàn):隨著高程的增加,地表切割深度及地形起伏度均增加,這也意味著隨著高程的增加,其風(fēng)化殼被剝蝕的可能性也較大。對(duì)地表切割深度與地形起伏度的值做線性回歸分析,呈現(xiàn)了良好的線性關(guān)系(圖15),故而二者選其一可作為成礦預(yù)測(cè)要素。另外,坡度與地表粗糙度相關(guān)性較強(qiáng),因地表粗糙度成礦不具有選擇性,故在此不做進(jìn)一步討論。

4 結(jié)論

本文基于DEM對(duì)南嶺東段地貌特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為稀土成礦對(duì)地貌具有一定的選擇性。在特定地貌條件下,可保證風(fēng)化殼的形成及稀土礦體的保存,同時(shí)也保證了稀土礦的賦存空間。本文得出結(jié)論如下:

(1)南嶺東段成礦有利地形條件為:高程為150～500 m、坡度為0°～20°、地形起伏度100～400 m、地表切割深度40～150 m、地形特征為山頂或山脊;

(2)地質(zhì)構(gòu)造及巖性一定程度上控制了地貌的形成,水系對(duì)于微地貌的發(fā)展也起了促進(jìn)作用;

(3)各個(gè)地貌條件的最佳耦合可以達(dá)到最佳成礦地貌,但是不能排除只滿足部分成礦地貌因子成礦的可能性。

文章主要探討了地貌對(duì)離子吸附型稀土礦成礦的影響,實(shí)際上南嶺離子吸附型稀土礦的形成受多種因素影響,如基巖中稀土含量、稀土元素的賦存礦物特征、氣候、降雨量、pH值等對(duì)稀土次生富集成礦也起著較大的作用,需要進(jìn)一步綜合深入研究。

大同市武定東西橋?yàn)殇摻罨炷翆?shí)復(fù)式拱橋，凈跨20 m，拱高6 m，矢跨比1/3.3，該基坑平面尺寸為40 m×35 m，基坑深度18.5 m，開挖坡比1∶0.75，基坑南側(cè)緊靠大同市古城城墻，西東兩側(cè)為住宅樓，北側(cè)緊靠市政交通道路，施工場(chǎng)地十分受限。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey(No.1212011220804).

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The Metallogenic Geomorphic Condition Analysis of the Ion-absorbing Type Rare Earths Ore in the Eastern Nanling Region Based on DEM Data

LIU Xin-xing1,2),CHEN Yu-chuan3)*,WANG Deng-hong2),HUANG Fan2),ZHAO Zhi2)
1)School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083;
2)Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037;
3)Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037

Abstract:Rare earths are important strategic resources in our country,and ion adsorption type rare earths ore is the characteristics mineral of our country,which occupying an important position.Whether the ion-absorption type mineral deposits can be formed is closed related to the weathering crust,and the development and preservation of weathering crust is subject to micro geomorphology.Therefore,the purpose of this paper is to summarize the weathering crust ion adsorption type rare earth ore metallogenic geomorphic conditions by quantitatively analyzing the terrain factors of geomorphic unit containing rare earth ore under DEM technology,combined with the collected data of rare earth mines and mining area.With the help of GIS technology,terrain elevation,slope,aspect,curvature,surface rolling,surface incision,terrain feature and other kinds of landform factor value were extracted with DEM data.Through the overlay analysis of mineral occurrence and mining area data with the terrain value in the eastern part of Nanling region,the terrain factor value of mineral occurrence and mining area is statistically calculated,and then the geomorphic environment hosting weathering crust type rare earths ore is discussed.The results show that the favorable landscape for REE mineralization is the elevation of 150～500 m,the slope of 0°～20°,the surface rolling of 100～400 m,the surface incision of 40～150 m,and thebook=175,ebook=50terrain feature of the peak or ridge.The results of the study is expected to guide ion adsorption type rare earth ore prospecting exploration in the east of Nanling region.

Key words:DEM;the eastern Nanling region;ion-absorbing type rare earths ore;metallogenic geomorphic;terrain factor value

*通訊作者:陳毓川,男,1934年生。研究員,博士生導(dǎo)師。主要從事區(qū)域成礦學(xué)研究。

作者簡(jiǎn)介:第一劉新星,男,1987年生。博士研究生。礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)。

通訊地址:100083,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)。E-mail:liuxinxing963@163.com。

收稿日期:2015-08-12;改回日期:2015-11-09。責(zé)任編輯:魏樂軍。

中圖分類號(hào):P618.7;P931;O29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.05