結(jié)合實(shí)測(cè)光譜的ASTER TIR數(shù)據(jù)巖性劃分與構(gòu)造樣式分析：以新疆阿克蘇藍(lán)片巖為例

張 志，管志超，王少軍

1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074 2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430079 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院，武漢 430074

0 引言

遙感對(duì)地觀測(cè)從宏觀到微觀、從定性到定量逐步提升，在可見光-近紅外譜段出現(xiàn)了許多高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率的影像數(shù)據(jù)，在資源勘查、礦物填圖、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。隨著ASTER數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，其在巖石礦物提取方面的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)[1]。造巖礦物如長石和石英，在可見光-近紅外譜段沒有明顯的吸收特征[2]，而在熱紅外范圍卻具有特征譜帶[3]，且在巖石光譜上也可表現(xiàn)出來[4]。因此，利用ASTER TIR熱紅外可對(duì)干旱地區(qū)裸露的巖石進(jìn)行礦物信息提取和巖石地層劃分，最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域構(gòu)造分析的目的。

Christensen等[5]認(rèn)為熱紅外遙感能夠探測(cè)SinOk、SO42-、CO32-、PO43-等原子基團(tuán)基頻振動(dòng)特征，以此識(shí)別硅酸鹽(包括不含水造巖礦物)、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物等礦物，這大大拓寬了遙感礦物識(shí)別大類與礦物種屬。Ninomiya等[6-7]采用ASTER TIR數(shù)據(jù)對(duì)帕米爾東北緣地區(qū)的巖性進(jìn)行了識(shí)別，針對(duì)ASTER TIR譜域定義了石英、碳酸鹽和硅酸鹽等礦物指數(shù)，分別識(shí)別了石英質(zhì)沉積巖、碳酸鹽類巖石和硅酸鹽類巖石，不同的指數(shù)圖像反映了巖石中不同礦物含量的相對(duì)豐度。閆柏琨[8]采用ASTER TIRB12與B13的比值反演了裸露巖石中的SiO2含量，與實(shí)際吻合較好。

近年來，根據(jù)巖石樣品實(shí)測(cè)光譜結(jié)合遙感影像進(jìn)行巖性劃分有了較大發(fā)展[9-10]。Rowan等[11]根據(jù)實(shí)驗(yàn)室各種礦物的發(fā)射率光譜曲線，采用ASTER TIR去相關(guān)和光譜角分類等方法，對(duì)美國加州帕斯山地區(qū)進(jìn)行巖性劃分，認(rèn)為熱紅外發(fā)射率數(shù)據(jù)完善了光譜反射率的分類，特別是可以很好地對(duì)含石英質(zhì)的巖石進(jìn)行提取；同樣的方法在澳大利亞北領(lǐng)地的一處超基性巖[12]中也得以驗(yàn)證。鄭碩等[13]利用巖石樣品的光譜特征，根據(jù)ASTER SWIR-TIR波段比值組合進(jìn)行彩色合成，在克拉瑪依地區(qū)成功地劃分出了花崗巖、二長花崗巖、花崗閃長巖和堿長花崗巖，證明了TIR對(duì)花崗巖有較強(qiáng)的識(shí)別能力。

本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上采集了相關(guān)巖石樣品，通過巖石熱紅外光譜測(cè)試和發(fā)射光譜曲線分析，選擇來自EROS數(shù)據(jù)中心、由Gillespie[14]溫度-發(fā)射率分離算法所得的ASTER標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射率產(chǎn)品數(shù)據(jù)AST_05，建立適用于阿克蘇地區(qū)的熱紅外礦物指數(shù)。根據(jù)礦物指數(shù)劃分結(jié)果，對(duì)阿克蘇藍(lán)片巖進(jìn)行初步解體，獲取了不同巖石地層單元的空間分布信息。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇地處塔克拉瑪干沙漠西北，屬于南天山華力西造山帶南緣及塔里木板塊西北緣的柯坪斷隆內(nèi)。阿克蘇藍(lán)片巖被劃為中元古界長城系阿克蘇群，其上被震旦系蘇蓋特布拉克組紅色砂巖角度不整合覆蓋，如圖1所示。前人[15]認(rèn)為阿克蘇群整體呈NE—SW方向分布，長約30 km，寬約10 km，地勢(shì)起伏不平，海拔1 200～1 800 m。該地區(qū)巖石裸露，植被覆蓋少。

阿克蘇群內(nèi)部褶皺變形強(qiáng)烈，巖層內(nèi)部多片理化，形成了藍(lán)片巖、多硅白云母片巖、綠泥石片巖及少量石英巖和變鐵質(zhì)巖等，地質(zhì)體被10多條NW—SE向輝綠巖脈所切割[16]。張立飛等[15]認(rèn)為，阿克蘇藍(lán)片巖由北向南，巖性大致由變基性火山巖夾基性藍(lán)片巖向長英質(zhì)藍(lán)片巖變化。在南東向，長英質(zhì)藍(lán)片巖出露層厚2～3 km不等，白云母片巖地層和變基性火山巖夾基性藍(lán)片巖地層都很薄。北西向，主要是變基性火山巖夾基性藍(lán)片巖地層，其中也有長英質(zhì)藍(lán)片巖與之互層。所以，阿克蘇群變質(zhì)巖的原巖由長石砂巖、巖屑長石砂巖與基性火山巖不均勻互層夾硅質(zhì)巖薄層等巖石組成。

據(jù)文獻(xiàn)[15]修改。圖1 阿克蘇藍(lán)片巖地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of Akesu blueschist

2 巖石樣品發(fā)射光譜測(cè)試及分析

2.1 巖石樣品分布及測(cè)試概況

野外詳細(xì)觀察了阿克蘇藍(lán)片巖地質(zhì)體及巖墻，采集了21塊巖石樣品，樣品分布如圖2所示。室內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行薄片鑒定并利用傅里葉變換熱紅外光譜儀FTIR進(jìn)行了熱紅外光譜測(cè)試。

理論上，F(xiàn)TIR鏡頭入瞳處接收的熱紅外輻射包括3個(gè)部分：第一部分是巖石樣品自身的熱紅外輻射；第二部分是太陽、周邊物體、大氣的熱輻射入射到巖石表面，經(jīng)巖石表面反射到鏡頭中的輻射；第三部分是巖石樣品與鏡頭之間大氣的輻射。公式如下：

(1)

(2)

圖2 阿克蘇藍(lán)片巖ASTER假彩色合成影像及樣品分布圖Fig.2 ASTER false color composite image of Akesu blueschist and sample distribution

2.2 樣品發(fā)射率曲線分析

阿克蘇藍(lán)片巖地區(qū)以造巖礦物硅酸鹽類變質(zhì)巖為主，礦物內(nèi)部Si—O鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)導(dǎo)致其最強(qiáng)吸收位置位于熱紅外8～12 μm處。因此在光譜特征的解釋上，許多問題可以歸結(jié)于造巖礦物的貢獻(xiàn)[17]，可用殘余輻射譜帶特征(restrahlen features, RF)來描述波譜曲線強(qiáng)吸收的位置，如圖3所示。野外獲取的巖石樣品主要為以下3類：白云母石英片巖類(包括白云母石英片巖與二長白云母石英片巖)、綠泥綠簾片巖類(與圖1中變基性火山巖夾基性藍(lán)片巖對(duì)應(yīng))和輝綠巖類(與圖1基性巖脈對(duì)應(yīng))，對(duì)這些樣品的光譜曲線分析如下。

圖3 不同類型樣品的實(shí)測(cè)發(fā)射光譜曲線及RF特征位置Fig.3 Emission spectrum curve measured and its RF position of different samples

2.2.1 白云母石英片巖類

主要分布于藍(lán)片巖西北部(圖2中樣品2、4、7、13)、東南部(樣品37)和東北部(樣品57)，包括白云母石英片巖和二長白云母石英片巖等長英質(zhì)巖石類型。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示：白云母石英片巖類RF位于波長8.55、9.16和9.6 μm處，與石英的RF位置對(duì)應(yīng)，均處于熱紅外波段的較短波長處[11]，但其RF值的發(fā)射率是逐漸降低的，與石英RF值趨勢(shì)不一致；二長白云母石英片巖與白云母石英片巖曲線形狀基本一致，區(qū)別在于前者在波長8.55和9.16 μm處RF值的發(fā)射率較高，并且波長大于10 μm的曲線上升較慢。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)：片巖中多硅白云母條帶與石英條帶呈現(xiàn)出厘米、毫米尺度上的互層，這顯示出原巖成分為泥巖與石英砂巖互層的韻律變化，與前人[18]觀察近于一致。

2.2.2 綠泥綠簾片巖類

主要分布于藍(lán)片巖西北部(樣品8、9、11、12)和東北部(樣品59)，其發(fā)射率整體較高。根據(jù)樣品光譜曲線，綠泥綠簾片巖類RF位于波長9.60、10.50和11.66 μm處。主要礦物組成為綠簾石和綠泥石，綠簾石屬于島狀硅酸鹽，晶體結(jié)構(gòu)中硅氧四面體的對(duì)稱性低，譜帶多，導(dǎo)致硅酸鹽礦物RF位置會(huì)隨著硅氧四面體孤立性的增加，即聚合度的降低，相對(duì)石英特征光譜向長波方向移動(dòng)[19]，測(cè)試結(jié)果與Lyon等[2]的測(cè)試結(jié)果類似。綠簾石通常為基性巖漿巖動(dòng)力變質(zhì)的常見礦物，綠泥石常見于低級(jí)變質(zhì)巖帶中綠片巖相及低溫?zé)嵋何g變中(綠泥石化)，因此這類巖石與前人研究[15-16]中論述的變基性火山巖對(duì)應(yīng)。

2.2.3 輝綠巖類

主要為NW—SE向巖墻(樣品17、42)，實(shí)測(cè)結(jié)果其RF不明顯，僅在波長8.30 μm處有一個(gè)相對(duì)低的發(fā)射率，并且在波長9.60 μm處表現(xiàn)了微弱的石英RF。輝綠巖中基性斜長石常蝕變?yōu)殁c長石、黝簾石、綠簾石和高嶺石，輝石常蝕變?yōu)榫G泥石、角閃石和碳酸鹽類礦物，實(shí)測(cè)顯示兩者曲線形狀相近；輝綠巖缺少綠泥綠簾片巖在波長10.5和11.66 μm處的RF，可作為這兩類礦物的劃分依據(jù)。

3 礦物指數(shù)構(gòu)建及巖性劃分

根據(jù)采集的阿克蘇藍(lán)片巖樣品，比較白云母石英片巖、二長白云母石英片巖、輝綠巖和綠泥綠簾石英片巖4種巖石的光譜曲線(圖4a)，得到重采樣后ASTER TIR光譜曲線(圖4b)，并據(jù)此結(jié)果來建立礦物指數(shù)。

3.1 白云母指數(shù)(muscovite index)

由圖4可知：白云母石英片巖發(fā)射波譜曲線RF特征位于ASTER TIR波段B10和B12，且前3個(gè)波段(B10--B12)的發(fā)射率低于另外3種巖石，B13和B14處的發(fā)射率明顯高于B10和B12處；而當(dāng)樣品中含有長石時(shí)，由二長白云母石英片巖的光譜可知，其RF值在B10和B12有了提高。因此，通過B10、B12、B13、B14這4個(gè)波段的比值關(guān)系可以指示阿克蘇地區(qū)巖石中白云母的含量，據(jù)此建立適用于阿克蘇藍(lán)片巖的白云母指數(shù)Im：

Im=(B13·B14)/(B10·B12)。

(3)

式中B10、B12、B13、B14分別為ASTER TIR波段B10、B12、B13、B14的發(fā)射率。

對(duì)阿克蘇ASTER TIR發(fā)射率影像進(jìn)行Im運(yùn)算，得到白云母指數(shù)圖(圖5)。

白云母指數(shù)圖對(duì)阿克蘇藍(lán)片巖中白云母礦物的含量具有很好的指示意義。如圖5，由于阿克蘇群四周均為第四紀(jì)洪積扇，Im值越高即亮度越高，表示巖石中白云母含量越高。變質(zhì)巖西北邊緣部分有一條狹長的亮色條帶，表示其存在一套白云母含量較高的巖性層，與野外采樣點(diǎn)2和4號(hào)所測(cè)定的絹云石英千枚巖位置對(duì)應(yīng)。絹云母為白云母的亞種，且絹云母石英千枚巖與白云母石英片巖在本次熱紅外實(shí)測(cè)光譜中形狀相似，因此被歸為白云母石英片巖類。阿克蘇群中部顏色較亮，白云母含量較高，在37和57號(hào)樣品處得到驗(yàn)證，指示該處變質(zhì)巖原巖更偏向于泥質(zhì)成因，與前人的研究成果[20]類似。對(duì)于7和13號(hào)的含長英質(zhì)的白云母片巖，Im值為1左右，在Im影像中處于中間值，位于圖5中亮度居中部分。綜上所述，Im與白云母石英片巖類樣品一一對(duì)應(yīng)，符合野外巖石樣品實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖4 4種樣品的發(fā)射光譜曲線圖(a)及重采樣后發(fā)射光譜曲線圖(b)Fig.4 Four samples’ emissivity spectral curve (a) and resampled emissivity spectra curve of the samples according to the ASTER TIR (b)

圖5 藍(lán)片巖地質(zhì)體Im影像圖Fig.5 Im image of blueschist geological body

3.2 基性指數(shù)(basite index)

相比于其他巖石，綠泥綠簾石英片巖發(fā)射光譜曲線在波長10.50 μm處突然降低，是一個(gè)明顯的RF(圖4a)，其位置對(duì)應(yīng)于ASTER B13。輝綠巖光譜曲線在B13處雖沒有RF，但其整體曲線變化趨勢(shì)與前者類似，而白云母石英片巖和二長白云母石英片巖發(fā)射率是隨著B12、B13、B14依次增大；考慮到輝綠巖和綠泥綠簾石英片巖原巖為基性巖，據(jù)此建立基性指數(shù)Ib(basite index)：

Ib=(B12·B14)/(B13·B13)。

(4)

對(duì)阿克蘇ASTER TIR發(fā)射率影像進(jìn)行Ib運(yùn)算，得到巖石基性指數(shù)圖(圖6)。

圖6 藍(lán)片巖地質(zhì)體Ib影像圖Fig.6 Ib image of blueschist geological body

由于基性指數(shù)可能對(duì)植被或含水地物敏感，本文僅討論影像中阿克蘇群內(nèi)的情況。如圖6，Ib值越高即色調(diào)亮度越高，指示了該部分基性程度越高。在阿克蘇群西北部分可以看見幾條NE—SW走向且明暗交替分布的條帶，每一條高亮度的條帶都指示了一套基性地層，其位置與8、9、11、12和59號(hào)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)；樣品測(cè)試表明均為綠泥綠簾石英片巖，根據(jù)此圖像可以對(duì)北段進(jìn)行精細(xì)的巖性劃分。輝綠巖墻在Ib圖中亮度較高，呈NW—SE向橫切基性地層，17號(hào)采樣點(diǎn)樣品與之對(duì)應(yīng)。部分巖墻樣品(42號(hào))在圖像上亮度和周邊巖層差異不明顯，可能是巖墻厚度小于熱紅外影像的空間分辨率所致。

圖5指示了阿克蘇群西北邊緣和中部可被劃分為呈NE—SW向的白云母石英片巖類地層。由圖6可知，阿克蘇群中西北部分的亮色條帶為NE—SW向的多套綠泥綠簾石英片巖類地層，與前人[15-16]變基性火山巖夾基性藍(lán)片巖對(duì)應(yīng)。這兩類地層之間，在Ib和Im影像中顏色亮度處于中間部分的地層則多是由斜長石英片巖或者二長白云母石英片巖等組成的長英質(zhì)片巖，由于缺乏更多野外巖石樣品佐證，結(jié)合前人[15]剖面資料，暫定為長英質(zhì)藍(lán)片巖地層。阿克蘇南部地區(qū)同樣也有這樣一塊區(qū)域。輝綠巖脈雖然在Ib中亮度與綠泥綠簾石英片巖一致，但其均呈NW—SE向穿過地質(zhì)體構(gòu)造特征明顯，因此可以將兩者區(qū)分開。在藍(lán)片巖地質(zhì)體南部上覆一套不整合地層，根據(jù)野外巖石樣品52可知巖性為紅色砂巖夾碳酸鹽巖，兩者不僅在Ib和Im影像中界限明顯，且在可見光影像下也容易區(qū)分。根據(jù)以上分析，得到阿克蘇群藍(lán)片巖的精細(xì)解譯(圖7)。

圖7 綜合利用各種礦物指數(shù)的阿克蘇藍(lán)片巖區(qū)解譯圖Fig.7 Interpretation map of Akesu blueschist with all kinds ot minerals index

4 構(gòu)造樣式及成因機(jī)制探討

圖7顯示幾條NW—SE向平行的輝綠巖脈呈近似垂直地侵入綠泥綠簾石英片巖中，表明阿克蘇藍(lán)片巖受NW—SE方向作用力的強(qiáng)烈擠壓，內(nèi)部出現(xiàn)垂直于地層走向的伸展型張節(jié)理，被輝綠巖侵入填充。另外，阿克蘇藍(lán)片巖北部呈發(fā)散狀向南轉(zhuǎn)折，整體形態(tài)在平面上呈一個(gè)彎鉤狀的褶皺。圖1中各地層均呈NE—SW走向，類似于一套簡(jiǎn)單的單斜地層，與本文熱紅外影像劃分結(jié)果相悖。對(duì)于該現(xiàn)象，在Ib圖(圖6)北東截取了一部分進(jìn)行局部放大分析。如圖8所示：A處近于為褶皺轉(zhuǎn)折部位的轉(zhuǎn)折端，從翼部到轉(zhuǎn)折端，其厚度明顯增加，由幾套緊密的綠泥綠簾石英片巖地層到與白云母石英片巖互層構(gòu)成，而東邊的翼部則整體減薄、甚至消失，僅在圖B和C處可以間或看到綠泥綠簾石英片巖地層呈現(xiàn)透鏡體出露。在高分辨率遙感圖像(圖9)上，更加清晰地呈現(xiàn)了褶皺及其翼部的強(qiáng)烈變形。

Liou等[21]將阿克蘇藍(lán)片巖地質(zhì)體分為南北兩個(gè)帶，北部以變基性片巖為主，而南部以含多硅白云母礦物等長英質(zhì)片巖為主。由圖7可知，阿克蘇地質(zhì)體北部和北東部均有基性(綠泥綠簾石英片巖)地層，在其北部出現(xiàn)了基性地層的不連續(xù)性，而在北東部分出現(xiàn)了由于強(qiáng)烈擠壓作用而形成的褶皺，表明地質(zhì)體南部和北部所受NW—SE向的壓力大小不同，并且南部壓力較北部大。這與黃文濤等[18]根據(jù)多硅白云母壓力計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)地質(zhì)體南部受到的壓力大于北部類似。

圖8 褶皺轉(zhuǎn)折端及兩翼Ib影像圖Fig.8 Fold hinge and limb in Ib image

圖9 綠泥綠簾石英片巖高分辨率影像圖像Fig.9 High resolution image of chlorite epidote quartz schist

5 結(jié)論

1)本文依據(jù)不同巖石在熱紅外波段范圍內(nèi)具有不同的發(fā)射率特征，建立了適用于阿克蘇地區(qū)巖性劃分的指數(shù)模型，可為相關(guān)研究提供參考。對(duì)于阿克蘇地區(qū)而言，白云母片巖類巖石的發(fā)射率在ASTER波段B13和B14處較B10和B12處高，據(jù)此建立的白云母指數(shù)可以提取含有白云母的巖性；綠泥綠簾片巖類熱紅外發(fā)射率在10.50 μm處有一個(gè)明顯的RF發(fā)射特征，據(jù)此建立基性指數(shù)提取綠泥綠簾片巖類巖性。

2)根據(jù)巖性劃分結(jié)果，發(fā)現(xiàn)阿克蘇藍(lán)片巖中軸跡線方向?yàn)镹E—SW的褶皺構(gòu)造，填補(bǔ)了前人僅在此處所認(rèn)識(shí)的單斜地層的不足。熱紅外遙感數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)在可見光譜段遙感數(shù)據(jù)上不明顯的地層延伸與空間展布特征，對(duì)區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)填調(diào)查以及構(gòu)造分析具有很大的幫助。

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