周永刚

(山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

0 引言

遥感作为一种大数据载体，具有数据量大、信息繁杂、干扰信息多、更新速度快等特点。随着航空、航天技术的不断发展，遥感影像的空间分辨率和光谱分辨率越来越高，在很多领域发挥着重要作用。目前，针对地质找矿已经开发出了多种有效的光谱处理方法，常见的有比值法、主成分分析法、光谱角法、混合像元法、MPH技术等[1-4]。应用遥感技术从宏观上了解区域地层、构造、岩浆岩展布特征[5]，提取矿化蚀变信息，从而圈定找矿远景区，是找矿预测的一种有效手段。

研究区席芨水地区属于甘肃省靖远县石门乡、水泉乡和景泰县中泉乡管辖。属祁连山系北侧的中低山-丘陵区，北高南低，海拔高度为1600～2842m，高差一般为200～400m，中等切割。水系主要是从研究区南部穿流而过的黄河及其支流。大陆性干旱气候，除黄河两岸的局限区域外，植被稀少、基岩裸露较好，为矿化蚀变信息的提取提供了先决条件。

自1958年至今，研究区只进行过1∶20万、1∶5万区调、化探及少量的矿点检查和矿产勘查工作，地质研究程度较低。该文以ETM+数据为数据源，对研究区与金矿(化)有关的矿化蚀变信息进行了提取，结合区域地质背景、区域成控矿条件、区域物化探异常等资料，圈定金矿找矿远景区。

1 区域地质概况

1—加里东期构造层；2—海西-印支期构造层；3—燕山-喜山期构造层；4—加里东晚期斜长花岗岩；5—加里东晚期石英闪长岩；6—角度不整合界线；7—实测及推测逆断层；8—性质不明断层；9—倾伏向斜；10—倾伏背斜；11—构造分区界线；12—河流；13—地名；14—研究区图1 研究区构造位置简图

区域构造属于华北板块、北祁连构造分区(图1)，秦祁昆成矿域北祁连成矿带[6-8]。位于北祁连加里东褶皱带东部，松山复向斜的南翼，荒凉滩断裂的中段*宁夏核工业地质勘查院，甘肃省靖远县红窝窝一带金矿普查报告，2009年。。构造以具多期活动的断裂和褶皱构造发育为主要特点，区内断裂走向主要为NW向，该组断裂及其次级断裂是区内主要的控矿构造。荒凉滩断裂是区内规模最大的断裂，总体表现出向东收敛、向西散开的“扫帚”状。松山复向斜是区内规模最大的褶皱。

区内地层属于祁连山分区、北祁连地层小区[6-8]，出露地层较为齐全，尤以奥陶系、下志留系最为发育。从老到新为古生代奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系，中生代三叠系、侏罗系、白垩系，新生代新近系和第四系*宁夏核工业地质勘查院，甘肃省靖远县红窝窝一带金矿普查报告，2009年。。

区内岩浆岩主要为加里东晚期的石英闪长岩、斜长花岗岩、辉石闪长岩等[6-8]。以岩基或岩株形态侵入于奥陶纪、志留纪地层中。其中，石英闪长岩多充填于NW向断裂及NW与NE向断裂交会处，呈脉状或条带状，与金矿(化)关系密切*宁夏核工业地质勘查院，甘肃省靖远县红窝窝一带金矿普查报告，2009年。。

2 遥感蚀变异常信息提取

2.1 遥感数据的选取及预处理

2.1.1 遥感数据的选取

(1)遥感数据选择

对比多个不同年份和获取时间的ETM+数据，根据影像形成季节、时间、植被发育程度、云雪覆盖度及数据完整性等多个指标，最终选取了植被尚不繁茂、太阳高度角较大、无云雪覆盖、数据完整等[9]，获取于2003年4月24日、太阳高度角57.8°、太阳方位角134.2°、云量为0、轨道号为130～34的Landsat7 ETM+数据。ETM+数据包含8个波段，其中ETM+1为可见蓝光波段，波长范围0.45～0.515μm，分辨率30m，可穿透浅水体，含铁离子矿物反射波谱曲线表现为吸收谷，对含铁离子地质体识别较好等；ETM+2为可见绿光波段，波长范围0.525～0.605μm，分辨率30m，可穿透浅水体，识别植被效果较好等；ETM+3为可见红光波段，波长范围0.630～0.690μm，分辨率30m，叶绿素吸收谷，能较好地反映地层、构造及植被等；ETM+4为近红外波段，波长范围0.760～0.900μm，分辨率30m，是叶绿素反射峰，能较好地反映地层、构造、隐伏地质体及地形地貌等特征；ETM+5为中红外波段，波长范围1.550～1.750μm，分辨率30m，对地物含水量(植被、第四系沉积物)、构造、隐伏断裂等反映较好；ETM+6为热红外波段，波长范围10.40～12.5μm，分辨率60m，对地物热异常反应明显；ETM+7为中红外波段，波长范围2.080～2.35μm，分辨率30m，是含羟基、碳酸根离子的吸收区，能较好的反映岩石的矿化蚀变情况，同时对地层、构造、岩浆岩等地质体反映也较好，是地质工作常用波段；ETM+8为全色波段，波长范围0.52～0.92μm，包含丰富的信息，分辨率15m，可与多光谱数据融合制作空间分辨率和光谱分辨率都较高的影像图。

(2)最优波段组合选择

为了在遥感影像上更直观地突出研究区的地质特征，并使之包含丰富而又层次分明的地质信息，进行了最优波段组合的选择。主要选择地物信息丰富，数据冗余度低的波段进行组合[10-12]，遥感数据光谱信息统计如表1所示。

表1 ETM+各波段特征及其相关性统计

从表1可以看出，各波段地物光谱信息含量从多到少依次是ETM+7>ETM+5>ETM+3>ETM+4>ETM+2>ETM+1，因为不同波段之间可能存在数据冗余，所以不能直接选择信息量最多的前3个波段。根据Landsat7搭载的传感器的目的不同，ETM+数据包含多光谱波段组、热红外波段组、全色波段，根据所处的不同波长范围，多光谱各波段分为可见光波段(ETM+1，ETM+2，ETM+3)、近红外波段(ETM+4)、中红外波段(ETM+5，ETM+7)，不同的波长范围接受不同的地物光谱信息，因此，理论上在可见光、近红外、中红外3个波段组中，各选择一个波段进行假彩色合成包含的信息最为丰富。

为定量地了解各波段之间数据冗余程度，对多光谱的6个波段进行了相关性分析(表1)。从统计结果可知，ETM+1与ETM+2，ETM+3两个波段相关性较高，均为0.90以上，因此可见，3个波段只能选择一个，而与ETM+4、ETM+5、ETM+7三个波段相关性较低均在0.80以下。ETM+5与ETM+7相关性最大，ETM+4与ETM+5相关性次之，ETM+4与ETM+7相关性最小。另外，根据统计结果，6个波段与其他各波段相关性总和大小依次为ETM+1

通过以上分析可知，ETM+1波段与其他波段相关性总体最低，ETM+7波段与其他波段相关性总体次低，且ETM+7波段对地质体特征及其矿化蚀变信息反映较好，故中红外光谱范围选择ETM+7、近红外光谱范围选择ETM+4，可见光光谱范围选择ETM+1，即741波段组合是该次选择的最优波段组合，为了更好地反映地质体特征，提高影像的显示效果，将741波段组合的假彩色影像与ETM+8波段进行数据融合，使其结果既有多光谱特征，又具有较高的空间分辨率特征。

2.1.2 遥感影像预处理

为更好地突出地质信息，对遥感影像进行了直方图拉伸、方向增强、滤波、几何校正、准归一化、去除干扰信息等一系列遥感影像增强和去干扰操作。

(1)准归一化

对遥感影像原始数据的准归一化处理包括大气辐射校正、太阳高度角校正、日地距离校正、大气层上照度较正及高低增益校正等[13-15]。将原始数据准归一为同一比例尺的视反射率值，目的是改进相邻影像处理结果的可比性及影像拼接时的色调一致性。目前常见的遥感处理软件都有相关的处理模块，需要的参数在头文件中都可以查到，例如影像中心坐标，传感器类型，卫星过研究区时间等。根据研究区实际，地面高程设置为1.92km，大气校正模式选择Sub-Arctic Summer，气溶胶模式选择Rural，气溶胶反演模式选择2-Band(K-T)，Kaufman-Tanre气溶胶反演默认条件为Over-Land Retrieval standard等。

(2)去除干扰信息

去除边框：因为传感器获取数据时扫描顺序的差异，导致获得的遥感影像左右两侧影像边参差不齐，为消除其影响，选择ETM+1×ETM+5[14]去除遥感影像左右两侧边的影响，使其不参与到主成分分析的操作中。

去除水体、阴影：水体和阴影是遥感矿化蚀变异常提取中常见的干扰信息，根据其光谱特征，水体(阴影)一侧ETM+7ETM+1。故此，选择常用的ETM+7/ ETM+1去除水体、阴影的干扰[3,13-15]。

去除植被：植被是遥感矿化蚀变异常提取中常见的一种干扰因素，根据植被光谱特征，前人采用过ETM+5/ETM+4、ETM+3/ETM+4、ETM+4/ETM+3等比值法或其他波段运算的方法来获得植被信息[3,13-15]，经过对比分析，选择了操作简单、植被信息反映较好的ETM+3/ETM+4，以消除植被干扰信息。

2.2 遥感矿化蚀变异常信息提取

主成分分析法(PCA：Principal Component Analysis)是遥感矿化蚀变异常信息提取最常用也是最成熟的方法[11-13]，是基于信号二阶统计特征的分析方法，其分析结果各主量之间不相关，地物光谱信息多集中于第一主成分分量之上，光谱信息量向后依次减少，且各主分量之间包含的信息互不重复。遥感蚀变信息的提取主要使用ENVI5.1、ARCGIS10.2等软件，以经过几何校正、去除或降低干扰信息等处理的ETM+数据为主，使用PCA1345分析提取铁染异常[13-15]，使用PCA1457分析提取羟基异常[13-15]，结合区域地质特征、区域成控矿条件和区域物化探特征，建立统一的矿化蚀变遥感异常解译标志，为区域矿产预测提供依据。

2.2.1 羟基异常提取

含有羟基、碳酸根离子的矿物在ETM+7波段为强光谱吸收带，在ETM+5波段为高反射区，而在ETM+4(反射)～ETM+1(吸收)之间存在较弱的光谱反差[13,16-18]。对掩膜处理后的ETM+1，ETM+4，ETM+5，ETM+7波段进行主成分分析，其特征向量及特征值见表2。

表2 ETM+1，ETM+4，ETM+5，ETM+7主成分分析特征向量

根据地物光谱特征，对含有羟基异常分量的判别标准为：ETM+5波段与ETM+1波段系数相同，与ETM+4、ETM+7波段系数相反，得出含羟基异常的主分量为PC4。以k倍的标准离差(σ)值作为阈值对PC4进行分级，用不同颜色表示不同的羟基异常强度等级。经统计分析，PC4分量的标准差σ=0.006351，经试验取k=2，1，0.5。根据选取的kσ值对PC4进行密度分割，从而提取羟基异常信息，异常分级数据见表3，羟基异常结果叠加741假彩色影像结果见图2。

表3 羟基异常强度等级划分

图2 羟基异常提取图

2.2.2 铁染异常提取

硫化、氧化金矿(化)体含有Fe3+，Fe2+，含有Fe3+的矿物特征光谱信息主要集中在ETM+1～ETM+4波段，其中在ETM+1，ETM+4波段为吸收谷，在ETM+3波段为高反射区。含有Fe2+的矿物特征光谱信息主要集中在ETM+5，ETM+7波段，为避免ETM+7波段含羟基和碳酸根矿物光谱信息的干扰，舍弃ETM+7波段，选择ETM+5波段参与运算[13,16-18]。对掩膜处理后的ETM+1，ETM+3，ETM+4，ETM+5波段进行主成分分析，其特征向量及特征值见表4。

表4 ETM+1，ETM+3，ETM+4，ETM+5主成分分析特征向量

根据地物光谱特征，对含有羟基异常分量的判别标准为：ETM+3波段与ETM+1、ETM+4波段系数相反，得出含铁染异常的主分量为PC4。以N倍的标准离差(σ)值作为阈值对PC4进行分级，用不同颜色表示不同的铁染异常强度等级。经统计分析，PC4分量的标准差σ=0.006505，经试验取k=3，1.5，0.5。根据选取的kσ值对PC4进行密度分割，从而提取铁染异常信息，异常分级数据见表5，铁染异常结果叠加741假彩色影像结果见图3。

表5 铁染异常强度等级划分

图3 铁染异常提取图

3 遥感蚀变异常分析及找矿远景区的圈定

3.1 遥感蚀变异常分析

提取出羟基异常群点3处：①②号断裂的交会处中级异常1处，②号断裂西北段中高级异常1处及③号断裂北侧断裂交会处高级异常1处(图2、图4)。提取出铁染异常群点4处：②号断裂西北段高级异常2处，①②号断裂的交会处中级异常1处，③号断裂北侧断裂交会处中级异常1处(图3、图4)。

在②号断裂西北端有1处高级铁染异常(图3、图4)，主要分布于②号断裂南西侧，冲沟水系发育，然而该区为第四系覆盖区，羟基无明显异常，推测其为非矿致异常，实际工作中可在冲沟上游的②号断裂及其次级断裂布置检查路线。其余3个异常主要在断裂交会处，或者沿断裂、岩体接触带发育，异常强度较好，且羟基异常与铁染异常套合较好，推测为矿致异常。

3.2 找矿远景区的圈定

分析提取的铁染蚀变异常和羟基蚀变异常，选择了分布连续、具有一定规模、异常强度为中级—高级、与构造密切相关的3个异常区为找矿远景区(图4)。

图4 成矿远景区分布图

遥感矿化蚀变异常信息的提取与研究区密切相关，研究区面积大小及其内地质体的类型、分布范围、成因类型、矿物组合、矿化蚀变区的大小和强度等均对提取结果有直接影响。另外，提取的异常在后处理的过程中可能会因为阈值选择的原因，导致漏掉异常或假异常的现象，可结合该区地、物、化资料对异常进行适当调整[19-20]。

4 野外验证

为验证遥感矿化蚀变信息提取结果，仅选择了交通条件较为便利，距离较近的3号成矿远景区进行了实地踏勘。踏勘发现：②号断裂向NW方向延伸稳定，沿断裂断续见有岩体出露，并见有发育一系列NW，NE向次级断裂。断裂带内、断裂与岩体交会处,②号断裂与次级断裂交会处见有褐铁矿化、硅化、绿泥石化、绿帘石化、高岭土化等矿化蚀变现象。在3号成矿远景区北东侧山坡处见有私采矿硐(图4)，因矿硐内积水未能采取化验样。

通过野外踏勘可知，遥感蚀变信息提取结果与具有一定规模的矿(化)点具有较好的相关性，能够为找矿勘查提供指导信息和方向。

5 结论

(1)ETM+1，ETM+2，ETM+3，ETM+4，ETM+5，ETM+7波段含有丰富的光谱信息，利用各矿物在不同波谱段反射或吸收的特性进行主成分分析，从而提取遥感金矿化蚀变信息是可行的。

(2)干扰信息的去除或压制至关重要，关系到提取结果的准确性。利用“多元数据分析+准归一化+掩膜分析+主成分分析+密度分割”方法，在植被覆盖较少、基岩出露较好的干旱区开展遥感金矿化蚀变信息(主要是羟基异常和铁染异常信息)提取，能有效消除植被、水系、阴影等干扰信息。同时，结合区域成、控矿因素、物化探异常进行金矿成矿远景区预测是有效的。

(3)研究区羟基异常和铁染异常信息与线性构造有密切的相关性，共圈定找矿远景区3处，即①②号断裂的交会处，②号断裂西北段，③号断裂北侧的次级断裂交会处，圈定了高级异常、中高级异常及中级异常各1处。