湖北恩施白果壩地區(qū)銅鉛鋅多金屬礦化遙感蝕變信息提取

吳 龍, 方 臣, 陳 曦

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

隨著遙感空間信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展,空間遙感與地球物理、地球化學相結(jié)合的綜合找礦已經(jīng)成為了現(xiàn)代找礦技術(shù)的主流方法[1-3]。遙感礦化蝕變信息提取技術(shù)是遙感技術(shù)應用于地質(zhì)找礦的核心部分,也是成礦預測能否取得成效的關(guān)鍵因素,同時遙感礦化蝕變信息提取技術(shù)在新時代的找礦領(lǐng)域已顯示出巨大的潛力。遙感蝕變信息提取技術(shù)在方法上不斷吸取相鄰學科的新成果,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法、分形分維技術(shù)等,來實現(xiàn)遙感礦化蝕變信息自動提取過程[4-10]。本文重點討論遙感礦化蝕變信息提取在恩施白果壩地區(qū)的遙感找礦應用,探索研究區(qū)內(nèi)銅鉛鋅多金屬礦有利成礦區(qū)域。

1 研究區(qū)地質(zhì)概述

研究區(qū)地處鄂西邊陲,屬云貴高原東北部的延伸部分,大地構(gòu)造位置位于揚子陸塊揚子碳酸鹽臺地構(gòu)造區(qū)和川中(鄂西)前陸盆地構(gòu)造區(qū)。在地史演化過程中主要經(jīng)歷了沉積蓋層發(fā)展和陸緣活化兩個階段。首先在燕山早期形成了白果壩背斜的基本構(gòu)造樣式,為區(qū)域構(gòu)造初步定型階段,其中白果壩背斜南東翼巖層直立,北西翼發(fā)育大量層間寄生褶皺、膝折構(gòu)造,在褶皺形成過程中,沿白果壩背斜核部形成了以恩施斷裂、茅壩槽斷裂為代表的斷面傾向北西、走向為北東—北北東向逆斷層系。由于斷層的強烈逆沖推覆作用,在背斜核部形成一高陡帶,局部地段地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)。接著燕山晚期應力釋放調(diào)整,形成北西向斷裂體系。早期北東—北北東向斷裂構(gòu)造規(guī)模大,縱貫整個研究區(qū),它受到后來多次構(gòu)造運動活化及改造,對銅鉛鋅多金屬礦床的形成有著明顯的區(qū)域控制作用,礦化主要表現(xiàn)為熱液充填逆沖斷層中各次級構(gòu)造、裂隙和開放空間成礦,圍巖蝕變較弱,主要為方解石化、硅化等。

1.1 研究區(qū)地層

區(qū)域地層以寒武系為主,主要有石龍洞組、秦家廟組、婁山關(guān)組,其中礦區(qū)銅鉛鋅礦賦存于婁山關(guān)組,鉛鋅礦化層位于婁山關(guān)組二段上亞段。鉛鋅礦化層巖性主要為灰—深灰色中厚層夾塊狀中細晶白云巖,中細晶結(jié)構(gòu),中厚層—塊狀,局部白云巖具輕微硅化,含少量硅質(zhì)團塊,方解石脈非常發(fā)育,裂隙較發(fā)育,受斷裂、褶皺構(gòu)造作用,巖石破碎強烈,多具角礫巖化。含礦層厚度一般為1～3 m,呈似層狀、透鏡狀沿走向延伸,走向延伸方向品位變化較大。方鉛礦及閃鋅礦主要以脈狀、浸染狀賦存于方解石化白云巖、角礫狀白云巖及裂隙中。含礦層底板為婁山關(guān)組二段上亞段灰—深灰色厚層—塊狀中細晶白云巖,偶含少量的方解石團塊,頂板為婁山關(guān)組二段上亞段灰白—淺灰色中厚層硅質(zhì)團塊或硅質(zhì)條帶白云巖。

1.2 主要控礦構(gòu)造

該區(qū)以北東向構(gòu)造占主導地位,主要的褶皺有白果壩背斜,主要的斷裂帶有恩施斷裂帶、茅壩槽斷裂帶(圖1)。礦區(qū)以褶皺為主、斷裂為輔,主體位于白果壩背斜核部,該背斜軸向北東30°～40°,北西翼巖層傾角陡,傾向310°～325°,傾角24°～25°;南東翼巖層產(chǎn)狀平緩,傾向135°～155°,傾角15°～20°,為一不對稱的斜歪背斜。礦點位于白果壩背斜核部偏南東,次級斷裂較發(fā)育,小裂隙發(fā)育,裂隙內(nèi)充填有大量方解石脈,形成較為有利的容礦構(gòu)造。

圖1 恩施白果壩地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡圖Fig.1 Structural geological map of Baiguoba area,Enshi1.第四系;2.白堊系地層;3.侏羅系地層;4.巴東組;5.嘉陵江組;6.大冶組;7.二疊系地層;8.泥盆石炭系地層;9.志留系地層;10.奧陶系地層;11.寒武系地層;12.正斷層;13.逆斷層;14.平移斷層;15.性質(zhì)不明斷層;16.斷層編號;17.地名;18.研究區(qū)。

2 遙感礦化蝕變信息的提取

在遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)的支持下,操作者首先利用遙感解譯手段和遙感數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)可以得出研究區(qū)重要找礦標志,利用提取巖性信息、地質(zhì)構(gòu)造信息的方法進行綜合地質(zhì)解譯判斷,提取蝕變異常信息,然后經(jīng)過遙感數(shù)據(jù)一系列處理,最終提取與目標礦床相類似的巖性蝕變信息[11-13]。本次研究遙感異常提取技術(shù)統(tǒng)一采用比較成熟的克羅斯塔技術(shù),一次性異常提取,一般以“景”為單位。研究區(qū)遙感異常提取對象為羥基(泥化)和鐵染(鐵化)兩種異常。

2.1 異常信息提取方法原理

表1 對巖石礦物反射光譜起主導作用的離子和基團的重要吸收譜帶Table 1 Important absorption bands of ions and groups that play a dominant role in reflection spectra of rocks and minerals

其中,鐵化和泥化是蝕變信息提取的主要目標。一般認為,鐵化(褐鐵礦化)具有獨特的顏色(褐紅色、黃褐色),在波譜曲線上有兩個明顯的吸收帶,第一個吸收帶位于0.4～0.5 μm(相當于TMl波段)處,第二個吸收帶位于0.8～1.0 μm(相當于TM4波段)處,在0.63～0.69 μm(相當于TM3波段)附近反射相對較高,因此含有Fe3+礦物的巖石,可使其在TM4、TMl及TM2圖像上亮度值降低,而使其在TM3圖像上相對呈高值[14]。與熱液作用有關(guān)的泥化蝕變?nèi)绺邘X土化、綠泥石化、綠簾石化、絹云母化、碳酸鹽化等在2.08～2.35 μm(相當于TM7波段)附近有一個較強的光譜吸收帶(1.55～1.75 μm)。

2.2 方法選擇

遙感圖像各波段間存在一定的相關(guān)性,為了減少相關(guān)性對分類的影響,常使用主分量分析法去相關(guān)。主分量分析基于變量之間的相互關(guān)系,在信息總量守恒的前提下,利用線性變換的方法來實現(xiàn)去相關(guān)性。由于所獲各主分量之間不相關(guān),故各主分量之間信息沒有重復或冗余。主分量分析的這一基本性質(zhì)在蝕變異常信息提取中被充分利用。TM多波段數(shù)據(jù)通過PCA所獲每一主分量常常代表一定的地質(zhì)意義,且互不重復,即各主分量的地質(zhì)意義有其獨特性[14-16]。

用TMl、TM4、TM5、TM7等4個波段進行PCA,對代表羥基化物主分量的判斷準則是:構(gòu)成該主分量的本征向量,其TM5系數(shù)應與TM7及TM4的系數(shù)符號相反,TMl一般與TM5系數(shù)符號相同。依據(jù)有關(guān)地物的波譜特征,羥基信息包含于符合這一判斷準則的主分量內(nèi),故此主分量可稱為羥基異常主分量(表2)。

表2 Landsat ETM數(shù)據(jù)第 1、4、5、7波段主成分分析特征矩陣Table 2 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,4,5 and 7

通過對研究區(qū)羥基主分量進行信息提取(圖2),筆者得出了三個異常區(qū)域(表3),分布于研究區(qū)的中部和西北部,三個異常區(qū)主要為三級羥基異常。其中2號和3號異常區(qū)局部零星二級異常,總體異常分布較零散,異常展布受北東向構(gòu)造影響較大,出露的地層主要為婁山關(guān)組和秦家廟組,成礦條件較好,建議沿茅壩槽斷裂和恩施斷裂安排野外路線驗證,重點安排槽探和采樣工作,1號異常區(qū)出露地層主要為三疊系地層,找礦指導性意義較小,不建議安排野外驗證。

用TMl、TM3、TM4、TM5等4個波段進行PCA,對代表鐵染物主分量的判斷準則是:構(gòu)成該主分量的本征向量,其TM3系數(shù)應與TM1及TM4的系數(shù)符號相反,TM3一般與TM5系數(shù)相同,同理,可將該主分量稱之為鐵染異常主分量(表4)。

圖2 研究區(qū)羥基異常提取圖Fig.2 Extraction map of hydroxyl anomaly in study area

圖3 研究區(qū)鐵染異常提取圖Fig.3 Extraction of iron staining anomaly in the study area

異常編號異常特征找礦意義1主要為三級羥基異常,分布較為分散。1號異常區(qū)地層主要為三疊系地層,構(gòu)造不發(fā)育,找礦指導性意義不大,不建議安排野外驗證。2主要為三級羥基異常,異常較零散,異常展布受北東向構(gòu)造影響較大。2號異常區(qū)成礦條件相對較好,沿茅壩槽斷裂北東向展布,且出露地層為婁山關(guān)組和覃家廟組,有一定找礦意義,建議安排野外路線驗證,重點安排槽探和采樣工作。3主要為三級羥基異常,局部零星二級異常,異常分布較零散,異常展布受北東向構(gòu)造影響較大。3號異常區(qū)成礦條件較好,沿茅壩槽斷裂北東向展布,且出露地層為婁山關(guān)組,建議安排野外驗證,重點安排槽探和采樣工作。

表4 Landsat ETM數(shù)據(jù)第 1、3、4、5波段主成分分析特征矩陣Table 4 Principal component analysis characteristic matrix of Landsat ETM Data in Bands 1,3,4 and 5

表5 鐵染異常蝕變信息提取異常檢查推薦表Table 5 Recommendation table for extracting abnormal alteration information of iron dyeing

通過對研究的鐵染主分量進行信息提取(圖3),筆者得出了四個異常區(qū)域(表5),主要分布于研究區(qū)的東北和西北部。其中2號和4號異常區(qū)為二級鐵染異常,出露的地層主要為婁山關(guān)組和秦家廟組,異常分布面積小且零散,呈北北東—北東帶狀分布,與茅壩槽斷裂和恩施斷裂一致,成礦條件較好,建議重點安排槽探和采樣工作。1號和3號異常區(qū)為三級鐵染異常,其中1號異常區(qū)出露地層主要為三疊系地層,3號異常區(qū)為人類活動區(qū)域,不建議安排野外驗證工作。

3 野外驗證及分析討論

2016年項目組分別對沿構(gòu)造破碎帶發(fā)育的遙感礦化蝕變信息異常區(qū)實施了野外實地考查,對異常進行了查證,同時分析了遙感提取蝕變異常信息和研究區(qū)內(nèi)已知礦點之間的關(guān)系,最終成果表明:與羥基蝕變信息有關(guān)的礦點有7個,與鐵染蝕變信息有關(guān)的礦點有4個。結(jié)合野外考查驗證總體來講,研究區(qū)內(nèi)硅化蝕變異常和羥基蝕變異常是找礦的有利標志。

圖4 恩施白果壩地區(qū)銅鉛鋅多金屬礦野外驗證照片F(xiàn)ig.4 Field verification photos of copper,lead and zinc polymetallic mines in Baiguoba area,EnshiA.鉛鋅礦;B.鉛鋅礦;C.硅質(zhì)團塊;D.礦洞;E.斷層帶。

白果壩銅鉛鋅礦化主要分布于北東向、北北東向斷裂的周圍,整個區(qū)域鐵染蝕變異常發(fā)育規(guī)模較小,主要出現(xiàn)在白果壩背斜核部,表現(xiàn)為鐵染三級蝕變異常,局部見二級異常,其他區(qū)域基本沒有發(fā)育。羥基蝕變異常發(fā)育規(guī)模相對大一些,分別集中在白果壩背斜核部及西南翼,整個白果壩地區(qū)銅鉛鋅礦區(qū)表現(xiàn)出羥基蝕變異常和鐵染蝕變異常套合較好。結(jié)合野外驗證,鉛鋅含礦層位主要位于婁山關(guān)組二段上部細晶白云巖中,巖石常具硅化,含少量硅質(zhì)團塊(圖4),方解石脈非常發(fā)育,裂隙較發(fā)育,并充填有大量方解石脈。鉛鋅等硫化物礦石常充填于巖石裂隙、節(jié)理中。在北東向斷裂發(fā)育部位,鉛鋅礦常順斷裂裂隙及斷裂角礫巖充填形成。

總體來講,白果壩銅鉛鋅多金屬礦的產(chǎn)出與硅化,以及羥基蝕變異常套合區(qū)的邊緣上伴隨有鐵染蝕變異常的出現(xiàn),筆者推測硅化、羥基和鐵染異常的疊合是指示研究區(qū)內(nèi)銅鉛鋅多金屬礦化的主要標志。本次工作取得如下成果:一是采用選擇基礎(chǔ)圖像→主成分分析→統(tǒng)計分析→異常提取的方法和流程與野外實際驗證取得了良好效果;二是在交通不便、自然地理條件惡劣的地區(qū),利用遙感找礦方法可以迅速高效地圈定蝕變異常分布范圍,預測有利成礦區(qū),為常規(guī)地質(zhì)找礦指明方向,可以縮小工區(qū)范圍,提高找礦工作效率。