戈壁淺覆蓋區(qū)花崗巖中鋰鈹偉晶巖的ASTER 遙感識(shí)別技術(shù)
——以新疆鏡兒泉地區(qū)為例*

姚佛軍，徐興旺，楊建民，吳林楠，耿新霞

（1中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；2中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所礦產(chǎn)資源研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局七〇四隊(duì)，新疆哈密 839000）

隨著對(duì)環(huán)境的重視，清潔能源的鋰電發(fā)展迅速，社會(huì)發(fā)展對(duì)鋰稀有金屬需求量越來越大，而衛(wèi)星遙感技術(shù)是進(jìn)行稀有金屬勘查的一種手段，在稀有金屬找礦中具有很好的的效果（金謀順等，2019；范玉海等，2018a;b；代晶晶等，2017;2018）。在國外，有很多利用遙感技術(shù)進(jìn)行含鋰偉晶巖探測(cè)的實(shí)例，如Perrotta等（2005）在巴西的米納斯吉拉斯州利用AS‐TER數(shù)據(jù)對(duì)含鋰偉晶巖進(jìn)行了的實(shí)驗(yàn)性填圖，Mendes等(2017)對(duì)不同的礦床中具相似特征含鋰礦物的識(shí)別進(jìn)行了方法探索，提出利用相似比擬法可以實(shí)現(xiàn)含鋰礦物的技術(shù)區(qū)分；Joana等（2019）通過ASTER數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變礦物填圖實(shí)現(xiàn)了沉積巖中含鋰礦物的直接識(shí)別，并對(duì)技術(shù)方法進(jìn)行了系統(tǒng)綜述（Joana et al.,2020）。近年來，國內(nèi)利用遙感技術(shù)進(jìn)行含鋰偉晶巖勘查也取得很多成果，如王記周等（2019）、王輝等（2018）、范玉海等在新疆大紅柳灘對(duì)含鋰偉晶巖進(jìn)行找礦勘查并對(duì)鋰資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)?？偟膩碚f，大部分研究的是沉積巖和變質(zhì)巖中的偉晶巖信息提取，目前主要使用ASTER、LANDSAT以及高分辨率遙感數(shù)據(jù)，依據(jù)其稀有金屬礦床相關(guān)礦石與圍巖的光譜差異進(jìn)行遙感地質(zhì)工作，但花崗巖中的偉晶巖脈的遙感識(shí)別鮮有研究。究其原因，是因?yàn)榛◢弾r和含鋰偉晶巖脈的主要成分為石英，其光譜差異性并不明顯，在鏡兒泉研究區(qū)，從LANDSAT遙感影像、高分辨率的谷歌遙感影像、中國高分系列遙感影像等來看，其特征不明顯，需要一種方法增強(qiáng)其差異性，能夠顯著突出偉晶巖遙感特征的產(chǎn)品，以便適合野外地質(zhì)填圖和勘查工作的實(shí)際需要。本文主要是采用ASTER遙感數(shù)據(jù)，通過增強(qiáng)遙感圖像中的差異來增強(qiáng)地質(zhì)體的巖性差異，并突出含鋰偉晶巖的遙感特征，在2019年野外調(diào)查中新發(fā)現(xiàn)含鋰輝石偉晶巖1處。

1 研究區(qū)地質(zhì)地貌概況

研究區(qū)位于新疆哈密市東直線距離170 km，行政區(qū)劃屬新疆維吾爾自治區(qū)哈密市管轄。由哈密市經(jīng)G7京新高速及簡易公路可直達(dá)靶區(qū)，交通極為便利。研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于準(zhǔn)噶爾-吐哈地塊覺羅塔格晚古生代溝弧帶康古爾海槽東段，區(qū)域上位于鏡兒泉凸起的擠壓帶內(nèi)。區(qū)域構(gòu)造位于黃山-鏡兒泉韌性剪切帶內(nèi)，呈北東東走向延伸，長達(dá)六百余千米，沿剪切帶發(fā)育大量中三疊世中酸性巖體（圖1）。

研究區(qū)出露地層主要為上石炭統(tǒng)干墩組淺變質(zhì)巖，侵入巖主要有中三疊世早期黑云母花崗巖、中三疊世晚期白云母花崗巖（含礦）。區(qū)內(nèi)偉晶巖脈發(fā)育，多沿白云母花崗巖內(nèi)部節(jié)理、裂隙產(chǎn)出，大致分為3組：近東西向裂隙多被花崗偉晶巖脈充填；北東向裂隙除被花崗偉晶巖充填外，且有含鋰、鈹?shù)膫ゾr脈充填；近南北向裂隙寬度和延伸規(guī)模小，有少量花崗偉晶巖脈充填。區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)含礦偉晶巖脈4條，具有工業(yè)價(jià)值的偉晶巖脈2條，1號(hào)脈以Li-Be-Nb-Ta礦化為主，2號(hào)脈以Be-Nb-Ta礦化為主（圖2）。

1號(hào)脈長800 m，寬1～36 m。共生結(jié)構(gòu)帶由內(nèi)向外依次為塊體石英帶（含礦）→長石塊體帶→石英-鋰輝石帶→文象偉晶巖帶→準(zhǔn)文象帶→細(xì)?；◢弬ゾr帶。目前開采深度約50 m，礦脈傾向北西300°～340°，傾角 50°～70°，平均品位：手選鋰輝石為28.01%，w(BeO)為0.29%，w(Ta2O5+Nb2O5)為0.06%。2號(hào)礦脈長約300 m，寬1～21 m，東段礦脈狹縮、彎曲劇烈，西段礦脈較為穩(wěn)定。共生結(jié)構(gòu)帶由內(nèi)向外依次為塊體石英體→塊體微斜長石帶→小塊體帶（鈉長石化）→文象帶→中粒準(zhǔn)文象帶→花崗巖狀偉晶巖帶→細(xì)晶巖狀花崗偉晶巖帶，平均品位：w(BeO)為0.021%，w(Ta2O5+Nb2O5)為0.012%。

研究區(qū)屬典型干旱戈壁荒漠景觀，微地貌形態(tài)為坡度緩、比高小的弧立殘山和平坦的荒漠。區(qū)內(nèi)地表風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，西南和北部的70%巖體被第四系、新近系、風(fēng)積物覆蓋。其中淺薄的第四紀(jì)砂土覆蓋，給野外實(shí)地調(diào)查造成困難，很難獲得淺覆蓋下的偉晶巖脈，而遙感能夠一定程度上揭露戈壁淺覆蓋下的巖性信息（耿新霞等，2008）。

圖1 東天山東部地區(qū)大地構(gòu)造位置簡要圖Fig.1 Simplified geotectonic location map of eastern Tianshan

圖2 鏡兒泉礦區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.2 Geological sketch map of the Jingerquan ore district

2 遙感數(shù)據(jù)處理

遙感找礦或者巖性識(shí)別需要根據(jù)研究目的選擇合適的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的研究目的，高分辨率遙感數(shù)據(jù)不一定優(yōu)于中低分辨率數(shù)據(jù)。本次研究主要是利用遙感來識(shí)別花崗巖中的偉晶巖脈體，因其高分辨率遙感數(shù)據(jù)波段設(shè)置不足，識(shí)別不明顯，故而使用ASTER遙感數(shù)據(jù)。ASTER遙感數(shù)據(jù)雖然是中低空間分辨率，但其波段范圍寬、光譜分辨率較高，能夠攜帶更多的信息，可以利用其較高的光譜分辨率來增強(qiáng)其光譜差異性。

2.1 遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)選

稀有金屬偉晶巖找礦采用的高分辨率影像真彩色合成的高亮色為偉晶巖（代晶晶等，2017），目前，谷歌地球/奧維圖片中已經(jīng)收錄大部分的高分辨率影像，且奧維影像也添加了中國高分系列衛(wèi)星影像圖片，可以借助谷歌地球/奧維的高分辨率影像進(jìn)行偉晶巖的識(shí)別。在本次研究中，筆者利用谷歌地球/奧維的高分辨率影像和2015年09月24日的8波段WorldView-2高分辨率遙感數(shù)據(jù)，嘗試假彩色合成，彩色變換等方法來識(shí)別花崗巖中的偉晶巖，實(shí)際區(qū)分效果有限，偉晶巖脈體并不能在高分辨率遙感影像中被明顯區(qū)分出來，推測(cè)可能是花崗巖中的偉晶巖與圍巖花崗巖光譜差異性微弱，難以有效區(qū)分（圖3a、b）。因此借助中低空間分辨率但具有較高光譜分辨率的ASTER遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

2.2 偉晶巖脈的遙感檢出限

圖3 鏡兒泉研究區(qū)GoogleEarth影像（a）和WorldView影像（b）注：圖3a拍攝于2010年4月25日/2013年9月4日；圖3b拍攝于2015年9月24日Fig.3 GoogleEarth image(a)and WorldView image(b)in Jingerquan study areaNote:3a was taken on April 4,2010/September 4,2013,and 3b was taken on September 26,2015

表1 構(gòu)建模型的模擬地物DN值Table1 DN value of model of simulated objects

采用15 m～30 m中低分辨率ASTER遙感數(shù)據(jù)識(shí)別寬度不到幾米的偉晶巖，是許多地質(zhì)學(xué)者存疑的問題。為了解釋遙感數(shù)據(jù)對(duì)信息的檢出限，利用圖像模擬的方法，采用主成分分析（PCA）提取信息的方法說明遙感數(shù)據(jù)的檢出限。建四維圖象（2550×2000×4），分割為（1275×1000×4）4個(gè)子圖，依圖4左上、右上、左下、右下的次序輸入花崗巖、偉晶巖、第四系、變質(zhì)巖的ASTER的1、3、4、6波段數(shù)據(jù)（表1），并令其按列方向從0到相應(yīng)波段DN值遞變，遞變周期為255列。若以（255×1×4）為一個(gè)單元，則全圖有20000個(gè)單元，左上角的蝕變巖有5000個(gè)單元，經(jīng)PCA提取，閾值選用3σ（σ為標(biāo)準(zhǔn)離差），得出蝕變巖占5000/20000即1/4時(shí)的PCA結(jié)果。然后對(duì)蝕變巖區(qū)依次用普通巖取代，蝕變巖區(qū)分別保留500個(gè)單元（1275×100×4）、10個(gè)單元（1275×2×4）。對(duì)每一次改變都進(jìn)行了PCA，閾值取3σ。閾值的確定以不出現(xiàn)干擾（即花崗巖、第四系和變質(zhì)巖無異常）為原則，當(dāng)閾值降低出現(xiàn)干擾時(shí)，意味著來蝕變巖的信息已減弱，以致淹沒于干擾中。將3次PCA檢出限模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果列入表2，檢出限模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖4右展示。左為檢出限模型及其第一次PCA結(jié)果的全貌，右為PCA結(jié)果的局部窗口放大圖。從最后一次實(shí)驗(yàn)來看，蝕變巖僅剩下10單元，即（1275×2×4），此時(shí)仍獲得了蝕變異常，10個(gè)單元僅占全圖面的兩千分之一（10/20000），因此，根據(jù)檢出限模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，花崗巖中偉晶巖檢出限優(yōu)于兩千分之一。也就是說在面積為兩萬平方千米的圖幅上，只要蝕變巖（有強(qiáng)有弱）的總面積不小于10平方千米，其信息就能被遙感檢出。

筆者根據(jù)以上模擬結(jié)果：只有優(yōu)于10/20000的信息就可以檢出。再構(gòu)建一個(gè)2個(gè)波段的30 m分辨率512×512像素的遙感模型，用以模擬偉晶巖脈體在圍巖中的微弱信息，第1個(gè)波段按列方向輸入從0到139的DN值遞變數(shù)據(jù)，遞變周期為512列，第二波段模擬南北向長條狀偉晶巖，分辨率輸入1個(gè)像素的值，Y分辨率逐漸減少，分別200個(gè)像素、150個(gè)像素、100個(gè)像素、50個(gè)像素、40個(gè)像素、30個(gè)像素、29個(gè)像素、28個(gè)像素等，當(dāng)長度縮小到27個(gè)像素時(shí)，就無法解譯出來，因此，實(shí)際上只要南北向分辨率達(dá)到二十幾個(gè)像素即可分別出來（圖5）。

當(dāng)然，作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑮l件被大大簡化了，實(shí)際地質(zhì)情況十分復(fù)雜，巖性變化萬千；但該檢出限模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有一定參考意義。至少說明利用中低分辨率遙感數(shù)據(jù)可以識(shí)別一定長度的偉晶巖脈體，為中低分辨率蝕變小脈體提供支撐。

2.3 微弱信號(hào)增強(qiáng)處理

雖然花崗巖和偉晶巖標(biāo)準(zhǔn)光譜（USGS）或者ASD等便攜式光譜測(cè)試儀測(cè)試的光譜特征具有一定的差異，但因其主要成分為石英，在15～30 m空間分辨率，且在僅有幾個(gè)波段的ASTER遙感數(shù)據(jù)中，差異性不明顯，信號(hào)微弱，為了適合地質(zhì)人員有效的利用遙感影像，需要對(duì)影像進(jìn)行處理，獲得易于地質(zhì)人員野外實(shí)際工作的圖像。本次工作采用2000年06月10日獲取的ASTER遙感數(shù)據(jù)，圖中切除ASTER圖像中的鏡兒泉花崗巖巖體影像（圖6a），圖6b為AB的光譜剖面。對(duì)AST6-AST3，AST6-AST1兩對(duì)波段做散點(diǎn)圖（圖6c、d），根據(jù)花崗巖中偉晶巖脈的影像和散點(diǎn)圖對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以看出，圖6a影像圖中紅色是圈出的偉晶巖脈，相應(yīng)的圖6c和6d為波段散點(diǎn)圖，圖6c和6d中的黑框?yàn)閷?duì)應(yīng)圖6a影像圖中圈出的偉晶巖脈。從圖6b中1、2、3點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的偉晶巖脈其光譜特征與花崗巖的光譜特征差異性非常好小，最小的僅僅差別幾個(gè)像素的差別（圖6a、b中的剖面2與周圍的特征差別）。這種差異性非常小，難以解譯。

再根據(jù)散點(diǎn)圖（圖6c、d）其花崗巖中偉晶巖脈體對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖中的內(nèi)部部分，這就難以利用主成分分析或者比值法的信息提取的方法提取出相應(yīng)的信息，因?yàn)橹鞒煞址治鎏崛⌒畔⑹亲鴺?biāo)平移和旋轉(zhuǎn)獲取正交變換后的信息，切割出的也是外部信息，對(duì)于如圖的內(nèi)部信息，采用主成分或者比值法所取得的效果有限，需要結(jié)合巖性增強(qiáng)的方法來綜合分析。

表2 偉晶巖檢出限模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果簡表Table 2 Results testing detection limit model of pegmatite

圖4 偉晶巖檢出限模擬結(jié)果Fig.4 Detection limit model of pegmatite

圖5 偉晶巖脈體識(shí)別模擬Fig.5 Recognition model of pegmatite veins

圖6 ASTER遙感影像的光譜剖面與波段散點(diǎn)圖a：光譜剖面AB位置；b：光譜剖面圖；c：AST6和AST3散點(diǎn)圖；d：AST6和AST1散點(diǎn)圖Fig.6 Spectral profile and band scatter of ASTER remote sensing imagea:Spectral profile AB position;b:Spectral profile;c:Scatter plot of AST6 and AST3;d:Scatter plot of AST6 and AST1

盡管光譜差異性很小，但仍然可以利用微弱信息增強(qiáng)的方法增強(qiáng)偉晶巖的遙感特征，經(jīng)過巖性增強(qiáng)，增強(qiáng)其光譜差異性，獲取了易于識(shí)別的偉晶巖遙感影像。

首先，遙感圖像經(jīng)過準(zhǔn)歸一化處理后，DN值域分布在0≤rk≤255范圍內(nèi)。對(duì)[0，255]區(qū)間內(nèi)的任一個(gè)rk值進(jìn)行如下變換：

當(dāng)灰度級(jí)是離散值的時(shí)候，可用頻數(shù)近似代替概率值，即：

式中，L是灰度級(jí)數(shù)；Pr(rk)是取第k級(jí)灰度值的概率；nk是在圖像中出現(xiàn)第k級(jí)灰度的次數(shù)；N是圖像中像素?cái)?shù)。通常把為得到均勻直方圖的圖像增強(qiáng)用直方圖累積分布函數(shù)的離散形式可由式

表示，其反變換為

rk=T-1(Sk)

變換后的圖像為巖性增強(qiáng)的圖像，其中偉晶巖脈體為圖7中天藍(lán)色脈體清楚的顯示出來，可提供給地質(zhì)人員供填圖使用（圖7）。

3 遙感識(shí)別結(jié)果的查證與新發(fā)現(xiàn)

圖7 ASTER原始遙感影像圖（a）與巖性增強(qiáng)影像對(duì)比圖(b)Fig.7 Comparison between ASTER original image(a)and RSLE image(b)

根據(jù)巖性識(shí)別的圖像結(jié)果，共識(shí)別了4條近東西向的脈體，Wy1、Wy2、Wy3、Wy4、Wy5、Wy6和Wy7，其中Wy1為北側(cè)的偉晶巖脈，此脈體圈定靶區(qū)，Wy4為1號(hào)脈體和2號(hào)脈體所在的偉晶巖脈，并且延伸到第四系處，被第四紀(jì)砂土淺覆蓋，在此處野外查證后發(fā)現(xiàn)偉晶巖脈探槽，Wy6為花崗巖中的偉晶巖脈，Wy7為花崗巖體南側(cè)的偉晶巖脈。再結(jié)合ASTER遙感數(shù)據(jù)提取的蝕變異常信息，識(shí)別遙感找礦標(biāo)志，綜合分析在本區(qū)域圈定了找礦靶區(qū)若干處，其中一個(gè)找礦靶區(qū)進(jìn)行野外驗(yàn)證（圖8），發(fā)現(xiàn)鋰輝石偉晶巖脈一處，該偉晶巖脈，處于巖體北部，呈東西向分布，地表物理分化強(qiáng)，地表露頭的脈體寬1～2 m，長度大于10 m（圖8）。

4 結(jié) 論

高分辨率遙感識(shí)別干旱區(qū)裸露區(qū)的偉晶巖型稀有金屬礦床效果明顯，可以借助于高分辨率遙感（可見-近紅外）的假彩色合成的圖像進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)偉晶巖光譜特征，一般偉晶巖在可見-近紅外波段的假彩色合成影像中顯示高亮的色調(diào)；由于谷歌地球或者奧維地圖中的遙感影像圖片具有較高的分辨率，地質(zhì)人員也可以借助谷歌地球或奧維地圖遙感影像圖片進(jìn)行偉晶巖脈體的識(shí)別。但諸如鏡兒泉研究區(qū)，花崗巖中難以區(qū)分偉晶巖，需要遙感人員進(jìn)行一定的技術(shù)“解讀”，把微弱的光譜差異性增強(qiáng)，適合地質(zhì)人員野外填圖和找礦工作的具有清晰偉晶巖脈體的影像圖，這也是專業(yè)分工和合作的目的。本文主要取得以下結(jié)論：

（1）對(duì)于遙感識(shí)別地質(zhì)體，需要模擬來獲取準(zhǔn)確的參數(shù)和合適的方法。模擬的好處在于能把復(fù)雜的問題簡單化，并且能夠“隱藏”干擾信息，對(duì)于采用的技術(shù)方法提取的信息及信息量能夠很好打的模擬。

（2）根據(jù)遙感模擬的檢出限，ASTER遙感識(shí)別一定長度的脈體具有優(yōu)勢(shì)，有些脈體寬度雖然不到1個(gè)像素，但因其具有一定的長度，能夠很好的識(shí)別。

（3）遙感的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于把“隱藏”的信息“顯現(xiàn)”出來，通過一定的轉(zhuǎn)化或增強(qiáng)，把相對(duì)于高分辨率遙感“隱藏”的偉晶巖脈體信息顯示輸出，供地質(zhì)填圖和找礦使用。

（4）在戈壁荒漠景觀區(qū)，第四紀(jì)砂土的淺覆蓋下的偉晶巖脈可以識(shí)別出來。

致 謝研究過程中得到了中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所王登紅研究員、新疆有色地質(zhì)勘查局704隊(duì)三金柱教授級(jí)高工和新疆有色地質(zhì)勘查局郭旭吉教授級(jí)高工的指導(dǎo)。