2022, Vol. 31
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2. 中国地质大学, 北京 100083;
3. 吉林大学, 吉林 长春 130026
2. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Jilin University, Changchun 130026, China
遥感数据是区域地质调查中必不可少的数据之一[1], 航空航天遥感技术在大中比例尺区域地质填图中的应用被列入国家重点新技术推广项目计划以来, 在区域地质调查、生态环境调查和地质灾害调查等工作中发挥了越来越重要的作用[2-5]. 遥感图像能够详尽地反映地质景观, 在解决基础地质问题、提高区域地质调查质量以及加快区域地质调查步伐等方面具有显著的作用[6-8], 特别是在道路更新、岩性识别、构造解译、蚀变异常提取等方面具有独特的优势[4]. 遥感先行, 地质现象引导地质路线的填图方法被普遍运用到了区域地质填图之中[9-10].
遥感技术在我国西北部基岩裸露区和西南部岩溶地区的区域地质调查中发挥了重要作用[11-12], 在大兴安岭森林覆盖区对于中生代火山机构的圈定、区域断裂构造的解译效果较好, 但在岩石和地层解译方面效果不明显, 这主要是由于植被覆盖和地表残坡积层厚, 岩石光谱反射受到影响所致. 大兴安岭是中国重要的成矿区带之一, 2000年以来, 中国地质调查局先后在大兴安岭北部区调空白区部署了多幅1 : 5万区域地质矿产调查工作[13]. 该地区植被发育, 基岩露头稀少, 交通极为不便. 同时, 该区气候寒冷, 适合野外地质工作的时间短, 给区域地质矿产调查增加了难度. 在中国地质调查局"黑龙江大兴安岭洛古河等4幅1 : 5万区域地质矿产调查"项目实施过程中, 采用遥感技术先行的原则: 布置路线前遥感地质解译—路线中遥感解译验证—路线后对遥感影像总结分析, 形成地质体解译标志, 进而指导合理布设地质路线, 并结合水系沉积物测量异常在遥感圈定的成矿利于区针对性地开展矿产勘查工作, 取得了较好效果.
1 区域地质概况研究区位于大兴安岭北部黑龙江省和内蒙古自治区结合部位, 区内地势西南高东北低, 海拔标高在350~1072 m之间, 属低山地形. 大地构造位置处于兴蒙造山带东段额尔古纳地块之上(图 1a). 研究区出露的地层包括古元古界兴华渡口岩群变质岩、南华系佳疙瘩组变质岩、震旦系额尔古纳河组变质岩、晚三叠世—早侏罗世富源沟中-基性火山岩(未建组)❶、中上侏罗统—下白垩统额木尔河群陆源碎屑沉积岩(自下而上依次出露绣峰组、二十二站组、漠河组、阿凌河砾岩❶)、下白垩统九峰山组砂岩、早白垩世甘河组基性火山岩和新生代古近系孙吴组和第四系堆积物等. 岩浆岩主要包括早寒武世、晚奥陶世、晚二叠世、早侏罗世和早白垩世中酸性侵入岩, 岩性以二长花岗岩、花岗闪长岩为主. 受漠河推覆构造的影响, 研究区内沉积盆地北部地质体多发生韧性变形; 脆性断裂以北西、北东向为主, 近东西向、近南北向次之(图 1b) [14].
❶武警黄金第三支队.1:5万区域地质矿产调查报告(洛古河幅、兴华沟林场幅、阿凌河幅、1072.3高地幅).2019.
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图 1 研究区大地构造位置及地质简图 Fig.1 Tectonic location and geological sketch map of the study area a—东北北部大地构造分区图(据文献[15])(geotectonic division of northern Northeast China, from Reference [15]); b—洛古河地区地质图(据文献[14])(geological map of Luoguhe region, from Reference [14]); XXS—新林-喜桂图缝合带(Xinlin-Xiguitu suture zone); HHS—贺根山-黑河缝合带(Hegenshan-Heihe suture zone); MYS—牡丹江-依兰缝合带(Mudanjiang-Yilan suture zone); SXCYS—索伦-西拉木伦河-长春-延吉缝合带(Solon-Xar Moron River-Changchun-Yanji suture zone); ①得尔布干断裂(Derbugan fault); ②嫩江-八里罕断裂(Nenjiang-Balihan fault); ③中央断裂(central fault); ④佳木斯-伊通断裂(Jiamusi-Yitong fault); ⑤敦化-密山断裂(Dunhua-Mishan fault); ⑥跃进山断裂(Yuejinshan fault); ⑦赤峰-开原断裂(Chifeng-Kaiyuan fault); 1—第四系(Quaternary); 2—新近系中新统-上新统孙吴组(Neogene Miocene-Pliocene Sunwu fm.); 3—下白垩统甘河组(L. Cretaceous Ganhe fm.); 4—下白垩统九峰山组(L. Cretaceous Jiufengshan fm.); 5—上侏罗统-下白垩统阿凌河砾岩(U. Jurassic-L. Cretaceous Alinghe conglomerate); 6—上侏罗统漠河组(U. Jurassic Mohe fm.); 7—上侏罗统二十二站组(U. Jurassic Ershierzhan fm.); 8—中侏罗统绣峰组(M. Jurassic Xiufeng fm.); 9—晚三叠世—早侏罗世富源沟中-基性火山岩(L. Triassic-E. Jurassic Fuyuangou intermediate-basic volcanic rock); 10—震旦系额尔古纳河组(Sinian Erguna River fm.); 11—南华系佳疙瘩组(Jiageda fm. of Nanhua sys.); 12—古元古界兴华渡口群(Paleoproterozoic Xinghuadukou gr.); 13—早白垩世花岗岩(E. Cretaceous granite); 14—晚三叠世-早侏罗世二长花岗岩(L. Triassic-E. Jurassic monzogranite); 15—晚二叠世二长花岗岩(L. Permian monzogranite); 16—晚奥陶世二长花岗岩(L. Ordovician monzogranite); 17—晚寒武世二长花岗岩(L. Cambrian monzogranite); 18—整合界线(conformity); 19—角度不整合界线(angular unconformity); 20—构造边界(tectonic boundary); 21—中生代断裂(Mesozoic fault); 22—遥感解译断层(remote sensing-interpreted fault); 23—推覆构造(nappe structure); 24—研究区位置(study area) |
遥感数据尽量选择云量小、冰雪植被覆盖少的影像资料, 东北地区一般春秋季节为最佳时相. 经多种多时相数据对比, 最终选定研究区春季和秋季的SPOT 7、Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI、ASTER影像数据(表 1). 3类影像数据均无云和冰雪覆盖, 植被影响较少.
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表 1 遥感数据基本参数 Table 1 Basic parameters of remote sensing data |
彩色合成时的波段选择是根据影像应用目的、制图区地质情况和图像信息量丰富程度确定的[3]. 由于人眼对彩色影像的识别远高于对灰度影像的识别, 因此可通过对多光谱或高光谱进行彩色合成来提升目视解译的辨别能力[9]. 彩色合成处理时, 波段选择是关键, 不同的波段组合反映的地貌信息程度不同, 取得的效果也不一样. 相关系数反映了波段相关的程度, 其值越小, 信息量的重叠就越小. 方差反映像元亮度值离散度, 方差越大, 信息量越丰富. 理想的波段组合应该是波段相关系数最小, 方差最大(信息量丰富). 考虑到不同波段的相关性(表 2), 在利用Landsat 7 ETM+进行彩色合成时, 选定了7、4、2波段, 合成后的图像不仅充分反映研究区不同地物的界线和相同地物间的层次, 而且影像色彩丰富, 接近于真彩色, 反差适中. 针对Landsat 8 OLI则选定7、5、3波段合成方式, 合成效果显示, 其波段波长和信息量均与Landsat ETM+的7、4、2波段合成相近.
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表 2 Landsat 7 ETM+各波段间相关系数 Table 2 Correlation coefficients between bands of Landsat 7 ETM+ |
以国家地理测绘局1 : 5万地形图为参考图像进行遥感图像校正. 先将地形图以300 dpi分辨率、TIF格式扫描成数字图像, 每图幅选取15~16个控制点, 将扫描的地形图校正到实际地理位置, 而后将其作为参考图像进行遥感图像的几何校正及重采样. 几何校正采用多项式模型, 重采样方法为最临近法, 校正后误差小于1个像素.
2.4 图像融合遥感影像的空间分辨率和光谱分辨率通常互相制约, 高空间分辨率的影像一般具有较低的光谱分辨率, 而高光谱分辨率的影像则具有较低的空间分辨率. 高空间分辨率的影像适于精确地识别地物, 而高光谱分辨率则可以提供更为丰富的地物信息. 图像融合是一种继承全色波段高空间分辨率和多光谱影像的光谱信息, 得到同时具有较高空间分辨率和光谱分辨率的影像的方法[9, 16]. 本次遥感解译中, 采用Landsat 7 ETM+的7、4、2波段和Landsat 8 OLI的7、5、3波段, 与SPOT 7的全色波段进行融合, 生成1. 5 m分辨率的彩色遥感影像, 既提高了影像的地面分辨率, 又增强了影像色彩的丰富程度.
3 遥感解译遥感地质解译是在经过处理达到最佳观察效果的遥感图像上采用目视解译和人机交互解译等方法, 利用影像的大小、纹理和色调等进行直接解译, 利用水系特征和构造地貌特征进行间接解译, 提取岩石、构造和蚀变信息等相关地质特征[7, 17-18]. 本次根据SPOT 7影像和Landsat 7/8影像融合后生成的1. 5 m分辨率的假彩色图像, 参照已搜集的研究区的1:25万数字地质图, 首先进行影像单元划分, 其次建立研究区构造格架, 在此基础上对比地质图与对应的遥感图像, 建立解译标志, 开展研究区内地质体的解译.
3.1 影像分区遥感影像单元主要根据整个研究区内遥感图像的色彩、色调、纹理和水系特征进行划分, 代表区域内大的地质单元或植被类型单元. 将研究区共划分为6个影像单元, 编号分别为I、II、III、IV、V、VI号区(图 2a), 各影像单元特征见表 3.
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图 2 研究区遥感影像单元划分 Fig.2 Division of remote sensing image units in the study area |
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表 3 影像分区特征 Table 3 Characteristics of remote sensing image zoning |
断裂构造在影像上表现为线性影纹、呈线性延伸的带状异常色调、不同色调地质体边界呈直线状接触、地质体错断、线性沟谷、河流水系的直角拐弯等特征.
本次遥感解译线性构造依据其形成的期次, 由老至新划分为近E-W向、NW向、NE向、近S-N向4组. 其中, 近E-W向断裂, 由于构造发育时代早, 受后期强烈的构造-岩浆活动影响, 解译标志不太明显, 总体上呈较短的东西向冲沟, 断续延伸. 受漠河逆冲推覆构造影响, 研究区北部的近E-W向构造的西段有向SW方向转向的趋势, 南部漠河逆冲推覆构造影响减弱至消失, 则不存在这种现象. NW向和NE向构造属于同一期次, 两者具有相互切割的关系, 从规模上来看, NW向断裂构造的规模明显大于NE向构造, 且NW向构造更具连续性. 近S-N向断裂是研究区内最新期次的构造, 区内E-W向、NW向、NE向构造均被近S-N向断裂构造所切割(图 2b).
除直线型断裂构造外, 区内还发育较多的环形构造, 特别是环形断裂构造. 大的环形构造主要分布在研究区以外的东西两侧, 区内发育规模相对较小的若干个环形断裂构造, 呈圆形和似环形(图 2b). 空间上有大环套小环特点或不同环形断裂组合交切. 这些环形断裂构造的发育可能与沉积岩下隐伏的侵入岩有关.
3.3 地质体综合前人1 : 25万区域地质调查❶及本次工作成果, 通过对研究区的遥感影像特征进行分析并与野外地质剖面、路线地质调查等对比分析, 依其地貌位置、形态、色调、水系和纹理特征, 对洛古河地区的主要地质单元进行综合解译, 划分并建立了相关解译标志(图 3).
❶黑龙江省地质调查总院. 1:25万区调修测报告(漠河县幅、漠河幅、兴安幅). 2012.
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图 3 研究区主要地质单元遥感影像图 Fig.3 Remote sensing images of major geological units in the study area |
(1) 古元古界兴华渡口岩群(Pt1xh)
该岩群仅在研究区东北部有少量出露, 以粉红色为主, 夹有少量植被覆盖的绿色斑点, 地势平坦. 影像纹理粗糙、不清晰, 水系不发育, 形成蠕虫状水系(图 3a).
(2) 南华系佳疙瘩组(Nhj)
主要在分布于研究区中南部, 岩性为二云石英片岩、石英片岩夹大理岩等[19], 岩石均发生变形强烈(图 4a). 遥感影像上植被覆盖处色调呈草绿色、嫩绿色, 在植被覆盖少或者裸露区呈褐色斑块, 影像纹理粗糙、不清晰, 地形起伏不大, 有单独分布的条带状和圆形山脊, 地势相对较低(图 3b).
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图 4 野外实地查证照片 Fig.4 Field photographs of geological units |
(3) 震旦系额尔古纳河组(Ze)
主要分布于研究区西北部, 出露面积较小, 岩性为二云片岩、绿泥片岩、千枚岩夹大理岩或少量灰岩(图 4b). 遥感影像显示植被覆盖相对较少, 影像特征上呈黄绿色调, 冲沟短而直, 分支较少, 地势相对平坦, 影像表面纹理较光滑(图 3c).
(4) 中侏罗统绣峰组(J2x)
主要分布于研究区南部, 岩性主要为细砾岩、粗粒长石砂岩、中细粒长石砂岩夹粉砂岩[20](图 4c). 在植被覆盖区影像色调以蓝绿、草绿、浅绿色为主, 在植被不发育地段以暗红色为主. 遥感影像纹理光滑, 局部交杂有较粗糙的块状体, 地势起伏不大, 为低山丘陵, 形成条带状山脊, 水系以蠕虫状、扇状、放射状水系为主(图 3d).
(5) 上侏罗统漠河组(J3m)
在研究区的中部和中东部呈大面积发育, 岩性主要为粗粒长石砂岩、中粒长石砂岩夹砾岩、粉砂岩[14](图 4d). 在遥感影像上植被发育地段呈绿色、草绿色、黄绿色, 在裸露区或植被较少的地段则呈红色、红褐色, 冲沟较发育, 延伸长且较窄, 常形成比较典型的树枝状水系, 地形相对平坦, 影像表面纹理粗糙(图 3e).
(6) 孙吴组(N1-2s)
在研究区北部零星分布, 上覆于漠河组和阿凌河砾岩之上, 岩性主要为弱固结—未固结的砂砾石层(图 4d). 遥感影像上以粉红色斑块为主, 有植被覆盖地段呈绿色、草绿色, 影像表面粗糙, 地势相对较高, 地表平坦, 水系不发育(图 3f).
(7) 第四系上更新统一级阶地(Qh3pal)
主要分布于研究区中西部, 以长而窄、切割较深的冲沟为主要特征, 植被覆盖相对较少, 地势起伏较大. 植被覆盖处影像呈草绿色, 覆盖较少地段为褐色和褐红色, 影像表面纹理粗糙, 有条带状冲沟痕迹(图 3g).
(8) 第四系冲积物(Qhpal)
主要分布于河流两侧, 在影像上呈红色、粉红色, 大片冲沟状分布, 部分地段为村庄、城镇, 受人类活动影响较大. 该组地层界线在SPOT 7影像上清晰可见(图 3g).
(9) 晚奥陶世二长花岗岩(ηγO3)
在研究区中东部有少面积发育[21-22], 影像以红色、粉红色彩为主, 局部为粉白色, 植被覆盖少, 植被覆盖处为绿色和草绿色为主. 因面积较小, 内部几乎没有水系发育, 周边水系以钳状、蠕虫状和不太典型的树枝状水系为主, 形成北东向的条带状山脊, 影像表面纹理粗糙(图 3h).
(10) 晚二叠世二长花岗岩(ηγP3)
出露于研究区中南部[20], 影像以绿色、草绿色彩为主, 植被覆盖厚. 局部裸露地段为粉红色斑点状, 局部形成较陡的圆形山, 具有蠕虫状水系和不太典型的树枝状水系, 影像表面纹理粗糙, 多有鱼鳞状纹理出现(图 3i).
(11) 早侏罗世二长花岗岩(ηγJ1)
早侏罗世细中粒似二长花岗岩在研究区中南部大面积产出(图 4e). 植被覆盖处色调以草绿色、嫩绿色为主, 植被覆盖少或者裸露区呈褐色斑块, 影像纹理粗糙、不清晰, 地形起伏不大, 地势相对较低, 水系发育, 形成树枝状水系(图 3j).
(12) 晚三叠世—早侏罗世富源沟中-基性火山岩(未建组)(T3 f α-β)❶
❶武警黄金第三支队. 1:5万区域地质矿产调查报告(洛古河幅、兴华沟林场幅、阿凌河幅、1072.3高地幅), 2019.
主要分布于研究区东南部, 岩性为安山岩、玄武安山岩等. 影像色彩以绿色、草绿为主, 局部为蓝绿色, 植被覆盖较少地段呈红色、粉红色. 常形成圆形山, 具有环状水系、蠕虫状水系和不太典型的树枝状水系, 影像表面纹理粗糙, 多位于地势较高部位(图 3k).
(13) 晚侏罗世—早白垩世阿凌河砾岩(未建组)(J3—K1acg)❶
❶武警黄金第三支队. 1:5万区域地质矿产调查报告(洛古河幅、兴华沟林场幅、阿凌河幅、1072.3高地幅), 2019.
主要分布于研究区中部, 出露面积较大, 岩性以中砾岩、细砾岩、粗砾岩夹粗-中粒长石砂岩为主(图 4f). 植被覆盖地段影像以绿色、草绿色彩为主, 局部为蓝绿色, 植被覆盖较少地段呈红色、粉红色, 常形成条带状山脊, 地表常形成直径较小的圆形山包, 具有树枝状水系, 影像表面纹理粗糙(图 3l).
3.4 蚀变提取采用主成分分析法, 对Landsat 7 ETM+影像选择1、4、5、7四个波段组合进行蚀变信息提取, 提取含OH-的蚀变矿物; 对于ASTER影像选择1、3、4、5四个波段组合进行蚀变信息提取, 提取出含Fe3+的蚀变矿物. 经上述主成分分析变换之后获得特征向量, 通过对比分析, 均选择第4主成分进行蚀变信息提取(表 4). 蚀变信息圈定可以采用均值加方差或最优密度分割法[23-24], 此次将第4主成分按照均值加标准差的2. 0倍、2. 5倍和3. 0倍分为一级、二级和三级蚀变异常. 从蚀变分布特征看, 主要沿侵入岩呈环形、弧形或条带状分布.
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表 4 蚀变提取主成分特征向量 Table 4 Feature vectors of alteration information extraction by principal component analysis |
吴燕清等[25]在根据遥感信息圈定远景区时, 综合考虑了铁染和羟基蚀变的叠合情况、异常面积、构造交点及近矿蚀变等综合信息. 此次根据异常区内是否有已知矿点、异常面积、异常强度、聚合程度、羟基和铁染异常共生情况5个条件同时出现的程度, 将研究区蚀变异常分为4类: 甲类异常为异常区内有矿床或矿点, 分布面积较大, 强度以一级居多, 异常聚合程度强, 羟基和铁染完全共生的区域; 乙类异常为异常区内无矿床, 异常分布面积较大, 异常强度以一级居多, 异常聚合程度强, 羟基和铁染完全共生的区域; 丙类异常为异常区内无矿床, 异常分布面积较小, 异常强度为一级或二级居多, 异常聚合程度较强, 羟基和铁染部分共生的区域; 丁类异常为异常区内无矿床, 异常分布面积很小, 异常强度为一级或二级居多, 异常聚合程度较强, 羟基和铁染部分共生的区域. 研究区划分出乙类异常3个(A5、A6、A8), 丙类异常2个(A7、A9).
4 成矿有利区圈定本次区域地质矿产调查中水系沉积物测量工作圈定单元素异常376处、综合异常11处. 根据水系沉积物综合异常与羟基和铁染异常共生关系, 结合研究区解译的线性构造、环形构造、侵入岩等地质单元, 综合分析认为研究区为金及多金属成矿有利地带, A5、A6、A8号蚀变异常为成矿有利区.
A5成矿有利区面积约32. 03 km2, 区内蚀变异常呈片状, 东南部、南部以羟基蚀变为主, 北部为羟基蚀变. 羟基异常和铁染异常的强度高, 羟基一级异常占90%左右, 二级羟基异常占10%, 铁染一级异常占90%以上, 羟基与铁染异常共生程度较高. A5成矿有利区位于水系沉积物异常6号异常(乙3类异常, 发育Au、Ag、Cu、Zn、Pb、Mo等16种元素44个单元素异常)东部. 异常区内岩性主要为中侏罗统漠河组和二十二站组砂岩, 有闪长岩等岩脉侵入, 处于环形断裂构造带边部. 蚀变异常分布在断裂构造的交汇部位, 表明蚀变可能与构造活动有关, 与区域上宝兴沟金矿床具有类似的地质特征[26], 具有一定找矿潜力.
A6成矿有利区面积约19. 5 km2, 区内蚀变异常呈半环状, 以羟基蚀变为主, 面积2. 06 km2. 羟基异常与铁染异常共生程度较低, 羟基一级异常占85 %以上, 二级羟基异常占10 %, 三级羟基异常占5 %. A6成矿有利区与水系沉积物异常7号异常(乙3类异常, 发育Ag、Cu、Zn、Ni、Cr、V等11种元素15个单元素异常)较为吻合, 稍有偏移, 可能是由于地形导致元素发生迁移所致. 异常区内岩性主要为阿凌河砾岩和漠河组砂岩, 南北向构造从异常区内穿过, 东侧发育有环形构造.
A8成矿有利区面积约30. 0 km2, 蚀变异常呈东西向条带分布, 以铁染蚀变为主, 面积2. 6 km2, 铁染一级异常占85 %左右. A8成矿有利区与水系沉积物异常9号异常(丙1类异常, 发育Mo、Zn、Ni、Sn等8种元素8个单元素异常)较为吻合, 异常区内及周边主要为晚二叠世二长花岗岩和佳疙瘩组变质岩, 处于一条环形构造带边部. 区内发育一条近东西向断裂和3条北西向断裂及次级断裂构造, 具有一定找矿潜力.
5 结论(1) 多源、多时相遥感影像的协同应用在解决大兴安岭植被覆盖区地质解译方面具有一定优势, 通过对彩色合成后遥感影像的颜色、纹理、地貌、水系等特征进行对比分析, 能够建立大兴安岭高植被覆盖区各类岩石组合解译标志, 对地质构造解译效果较好.
(2) SPOT 7全色波段与Landsat 7/8多光谱波段融合后制作成1. 5 m分辨率彩色影像图, 既保留了Landsat影像的多波段信息, 也提高了影像的空间分辨率, 可以增强对高植被覆盖区地质体的识别能力.
(3) 对ASTER和ETM+数据4个波段进行主成分分析, 提取铁染和羟基蚀变信息效果较好. 选择某一特征向量, 按照标准差的2. 0倍、2. 5倍和3. 0倍, 可提取一级、二级和三级蚀变异常. 在遥感提取的蚀变异常基础上, 综合分析研究区地层、线环构造、侵入岩等成矿地质背景和水系沉积物异常, 可为大兴安岭地区金及多金属找矿提供方向.
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