遥感在大兴安岭牛汾台林场地区1:5万区调中的应用研究

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doi：10.13686/j.cnki.dzyzy.2022.05.008

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林敏. 遥感在大兴安岭牛汾台林场地区1:5万区调中的应用研究[J]. 地质与资源, 2022, 31(5): 642-652, 674.

LIN Min. APPLICATION OF REMOTE SENSING IN 1:50 000 REGIONAL GEOLOGICAL SURVEY OF NIUFENTAI FOREST FARM IN DAXINGANLING MOUNTAINS[J]. Geology and Resources, 2022, 31(5): 642-652, 674.

遥感在大兴安岭牛汾台林场地区1:5万区调中的应用研究

林敏^1,2

1. 中国地质大学, 湖北武汉 430074;
2. 福建省地质调查研究院, 福建福州 350013

收稿日期：2020-07-14; 修回日期：2021-01-11

基金项目：中国地质调查局地质调查项目"内蒙古1:5万牛汾台林场幅、青石砬子幅、迈斯很达坂幅、海勒斯台护林站幅区域地质调查"(DD20190039)。

作者简介：林敏(1982—), 男, 博士研究生, 高级工程师, 主要从事区域地质调查和基础地质科研工作, 通信地址福建省福州市晋安区南平东路815号, E-mail//5470155@qq.com。

摘要：5万牛汾台林场等4幅区调项目分别采用资源三号卫星影像和LandSat-8多光谱数据进行遥感解译. 经对比分析, 资源三号卫星影像适合应用于地形地貌方面的解译, 而LandSat-8多光谱数据则在线型构造、环状构造解译中起到了更大作用. 解译出29条NE、NW向为主的线型构造, 29个与火山喷发活动相关的小型环形构造. 经野外实地验证, 其中11条线型构造发现断裂, 11个环形影像填绘出火山机构. 解译了第四系、新近系五叉沟组、古生界、上侏罗统—下白垩统和岩体的界线. 经验证, 五叉沟组以及第四系解译界线与野外调查界线大致吻合; 解译的古生界地层界线与验证的早古生代海勒斯台构造混杂岩界线大致相同; 岩体经验证为早白垩世正长花岗岩.

关键词：遥感线性构造环状构造区域地质调查大兴安岭

中图分类号：P627 文献标志码：A 文章编号：1671-1947(2022)05-0642-12

APPLICATION OF REMOTE SENSING IN 1:50 000 REGIONAL GEOLOGICAL SURVEY OF NIUFENTAI FOREST FARM IN DAXINGANLING MOUNTAINS

LIN Min^1,2

1. China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Fujian Institute of Geological Survey, Fuzhou 350013, China

Abstract: The ZY-3 satellite images and LandSat-8 multispectral data are applied respectively in the remote sensing interpretation of 4 sheets of 1: 50 000 regional survey projects including Niufentai Forest Farm in Inner Mongolia. Through comparative analysis of the above two sources of data, it is found that the former is suitable for interpretation of terrain and landform, while the latter plays a greater role in interpretation of linear and ring structures, with which 29 NE- and NW-oriented linear structures and 29 minor ring structures related to volcanic eruption are interpreted, as well as the boundaries of Quaternary, Neogene Wuchagou Formation, Paleozoic, Upper Jurassic-Lower Cretaceous strata and rock mass. Faults are found in 11 linear structures, and volcanic edifices are delineated in 11 ring images through field verification. It is proved that the interpreted boundaries of Wuchagou Formation and Quaternary are roughly consistent with the boundaries by field survey. The interpreted Paleozoic boundaries almost coincide with the verified boundary of Early Paleozoic Hellestein tectonic melange. The rock mass is confirmed to be Early Cretaceous syenogranite.

Key words: remote sensing linear structure ring structure regional geological survey Daxinganling Mountains

0 引言

中国地质调查局2016年印发的《1:50 000区域地质调查工作指南(试行)》中明确指出: 遥感影像图是区域地质调查的重要野外工作图件, 遥感解译应贯穿区域地质调查工作的全过程. 20世纪90年代遥感技术已经在区域地质调查项目中开始推广应用^[1-14]. 21世纪以来, 遥感技术突飞猛进, 影像分辨率越来越高. 充分利用遥感影像和遥感解译对提高区域地质调查的质量和效率起到非常重要的作用^[15-34], 特别是在中、新生代火山岩区, 利用遥感影像圈定与火山喷发活动相关的环形构造、放射状构造, 对于火山机构的预判和发现起着至关重要的作用^[35-44].

内蒙古1:5万牛汾台林场等4区调遥感解译工作采用LandSat-8多光谱数据和资源三号卫星数据. LandSat-8多光谱数据影像编号为LC81220272015291LGN00、LC81220282015291LGN00, 轨道号分别为122/027、122/028(行/列号), 影像采集时相分别为2015/10/18T02: 45: 22. 5500486Z、2015/10/18T02: 45: 46. 4343781Z, 多光谱/全色波段的空间分辨率分别为30/15 m. 影像中云、雪等的覆盖量小于全区面积的5%, 质量精度满足要求. 资源三号卫星高空间分辨率遥感数据, 影像分辨率2 m, 使用3个波段融合(红、绿、蓝), 数据位数: 8 bit. 影像中云、雪等的覆盖量小于全区面积的1%, 质量精度满足要求.

研究区属林区, 森林覆盖率达70%以上, 植被具覆盖厚、分布广、发育密的特征, 对遥感岩性地层解译工作有较大影响, 但对遥感构造解译影响较小. 因此本次遥感解译主要从线性构造、环形构造、火山机构等方面着手, 利用高分辨率遥感数据进行解译工作. 同时, 遥感技术具有地理实体表示的多样化以及多属性、动态变化的特点, 地质信息丰富, 真实客观, 宏观性强. 本次遥感解译工作以人机交互解译为主, 通过目视解译和类比分析解译方法, 分别解译线性构造、环状构造、岩石地层、侵入岩的分布及相互关系, 详细勾绘地质体, 不但可以提高整个工作区地质调查成果质量, 并且可弥补路线地质调查过程中无法涉及地区的相关地质资料收集的不足.

1 线性构造遥感解译与验证

通过LandSat-8多光谱数据(采用7/5/3波段进行彩色合成), 解译出29条大小不等线性构造(图 1), 总体构造线方向以NE、NW向为主, NNE向次之. 不同方向构造线切割关系主要表现为: NNE向切割NE向断裂, NW向切割NE向断裂, 但局部表现为NNE向断裂切割NW向断裂, 反映区内NNE向断裂多期活动的特点.

图 1 研究区遥感及解译图(LandSat-8影像, 7/5/4+8波段组合) Fig.1 Remote sensing and interpretation images of the study area (LandSat-8 image, 7/5/4+8 bands combination) 1—第四系(Quaternary); 2—新近系五叉沟组(Neogene Wuchagou fm.); 3—上侏罗统-下白垩统(Upper Jurassic-Lower Cretaceous); 4—下古生界(Lower Paleozoic); 5—早白垩世岩体(Early Cretaceous intrusive rock); 6—第四系界线(boundary of Quaternary); 7—五叉沟组界线(boundary of Wuchagou fm.); 8—岩体界线(boundary of intrusive mass); 9—大石寨组界线(boundary of Dashizai fm.); 10—断层/隐伏断层及编号(fault/concealed fault and number); 11—环状、放射状断裂及编号(ring, radial faults and number)

通过遥感数据处理、解译, 初步推断详勘目标断层的位置, 而后进行野外测量和验证. 验证手段主要为路线地质调查和剖面测制, 对遥感解译的29条主干断裂(F1—F29)进行了重点验证, 确定了各断层性质、空间展布、产状等, 共验证发现断层11条, 其中10条表现为张性断裂, 仅F1为逆断层, 多条断层宏观表现为密集节理带. 主要线型构造验证情况见表 1. 另外18条验证为河流、冲沟等负地形, 未见明显构造形迹.

表 1 研究区主要线性构造解译标志、影像特征及验证情况表 Table 1 Image features, interpretation signs and verification of major linear structures in the study area

编号	位置	走向	长度/km	解译标志	影像特征	验证情况	野外特征
F1	大黑山北东向断裂	NE	12.9	连续线状负地形，局部两侧影像影纹截然不同，南段经过水系拐折点			发育一组NE向断层裂隙，主断面产状155°∠70°，主断面两侧发育平直密集节理带，10~20条/m，主断面附近还发育有牵引褶皱，显示断层上盘相对上升，为逆断层；岩石较破碎，具硅化、黄铁矿化
F2	1245高地-1293高地北东向断裂	NE	5.8	不连续线状负地形，可见带状阴影，经过多个沟谷拐折点；北东段两侧影像颜色、影纹特征截然不同			整体表现为。节理带，产状为315°∠70°，节理面发育褐铁矿化，显示为张性断裂的特征
F3	大兴沟平岗北东向断裂	NE	11.4	不连续的线状负地形；南段线状冲沟沿构造方向分布，经过多个冲沟拐折点，两侧影像颜色、影纹特征截然不同；北段沟谷沿构造方向直线分布			可见断层发育，断层面产状为160°∠60°，局部发育节理，岩石裂隙面发育褐铁矿化，表现出张性断裂的特征
F8	迈斯很达板北东向断裂	NE	11.6	不连续的线状负地形，多个冲沟沿构造直线分布，中南部见水系拐折点沿构造方向分布，具线状阴影			断层宽约2 m，产状为145°∠60°，岩石硅化强烈，裂隙面见褐铁矿化；北东段为狭长正长斑岩脉；整体表现为张性断裂特征
F12	果以锡热扎拉格-乌兰白幸北东向断裂	NNE	21.8	不连续的线状负地形，南西部尤为明显，多个沟谷、水系拐折点及山脊错断处沿直线分布，具不连续线状阴影			验证为石英脉，脉宽2 m，长10 m，走向230°，走向沿山脊; 石英脉较纯净，未见蚀变; 沿断层裂隙上侵；断裂表现为张性特征
F13	果以锡热扎拉格-楚鲁呼卢格扎拉格北东向断裂	NE	8.5	不连续的线状负地形，具线状阴影，不同的沟谷沿直线分布；南西段两侧影像颜色、影纹特征不同；两段被F11、F12所错断			可见宽约3 m的断裂，石英脉沿断层裂隙贯入，石英脉裂隙中可见晶芽、晶簇发育；断层产状为120°∠80°，断层两侧见顺断层走向的节理，显示张性断裂特征
F14	冷根北北东向断裂	NNE	19.7	明显线状负地形，多条水系沿构造方向分布，经过多个沟谷、水系拐折点或端点，具不连续线状阴影，局部两侧影像颜色截然不同			为较多的浅肉红色花岗岩残块，宽度约15 m，NE走向, 综合判断为张性断裂，花岗岩脉顺断裂裂隙上侵
F15	光顶山乘降所-二九七公里大桥北西向断裂	NW	6.7	连续的线性负地形，多个沟谷、水系拐折点沿直线分布，两侧影像颜色、影纹特征截然不同，连续水系沿构造方向分布			可见多条裂隙，宽20 cm，裂隙面中岩石蚀变强烈，为铁锰矿化、硅化等，裂隙面产状235°∠75°; 断层总体产状为330°方向延伸，远观NW向的断层三角面发育，判断为顺沟谷发育的正断层
F17	二道沟平岗北西向断裂	NW	23.2	不连续线状负地形，多个冲沟端点沿构造方向分布，中段具线状阴影，北西段两侧影像颜色、影纹特征截然不同			岩石硅化强烈，根据硅化岩展布特征可知断层大致沿335°方向延伸；局部可见断裂构造，产状为20°∠67°，断层局部发育黄铁矿化等蚀变，综合判断为一正断层
F20	兴安岭平岗-半截沟北西向断裂	NW	19.9	不连续线状负地形，具不连续线状阴影，中段线状水系沿构造方向分布，沿直线分布有多个线性冲沟拐折点、冲沟分叉处等		见3~8 m的断层破碎带，裂隙面可见石英晶芽及晶簇，局部地段发育断层角砾岩，角砾约占40%，砾径在0.5~3 cm间，呈棱角-次棱角状，带内及两侧岩石较破碎，具硅化、黄铁矿化等蚀变；节理发育，根据节理产状判断断层为NW走向
F22	海勒斯台郭勒北西向断裂	NW	20.9	连续线状负地形，不连续线状阴影，整体见连续的线状水系沿构造方向分布，两侧影像颜色、影纹特征截然不同			表现为一NW向第四系冲沟，临近山丘可见较为明显的断层面，为舒缓波状，产状为189°∠52°，两侧岩石可见明显的错动，为上盘下降，判断断层性质为正断层；其与第四系沟的走向一致，因而判断该断裂顺第四系发育

表 1 研究区主要线性构造解译标志、影像特征及验证情况表 Table 1 Image features, interpretation signs and verification of major linear structures in the study area

2 环形构造遥感解译与验证

通过遥感解译, 在研究区共解译出29个与火山喷发活动相关的小型环形构造(见图 1). 区内与火山机构相关的环形构造形态复杂多变, 既有单个的环形构造, 也有两个或多个规模相近或悬殊甚大的环形构造互相作用形成的多环复合形态, 包括切接式、套接式、大环包含小环、多环交接式或多环串珠状、链状. 此外, 与环形构造配套的放射性断裂亦发育. 局部可见破碎火山口在地貌上呈凹陷, 火山机构形成的火口湖、围绕环形断裂的小型水洼地或湖泊、环形断裂造成的河流弯曲环绕以及多个或多期次火山喷发形成多个环形构造叠加的复杂形态在区内亦常见.

研究区环状断裂、弧形断裂及放射状断裂较发育, 且时常相伴产出, 与火山机构关系密切, 多分布于火山口边缘. 岩层产状的急变、节理化带、挤压破碎、断层角砾、断层泥、构造透镜体、牵引构造、小褶皱、擦痕等可作为判断依据. 对29个环形构造进行了野外实地验证, 其中H3、H8、H10、H12、H17、H18、H23、H24、H25、H28、H29等11个环形影像验证为火山机构. 野外验证详情见表 2.

表 2 研究区环形构造解译标志、影像特征及验证情况表 Table 2 Image features, interpretation signs and verification of ring structures in the study area

编号	环形直径/km	解译结果	影像特征	验证结果	说明
H3	4.5	外层为一弧形断裂，内层为环形断裂，平面呈近圆形，西部被一线性断裂切断，主要由断续弧形影纹和水系组成，放射状断裂不发育			1—其他填图单位；2—中新统五叉沟组；3—玄武岩；4—气孔状玄武岩；5—气孔杏仁状玄武岩；6—火山喷发中心；7—产状为火山喷发中心，主体地层为五岔沟组，火口被气孔杏仁状玄武岩充填，周围为环状分布的气孔状玄武岩，外围为玄武岩，环状、放射状构造均不发育
H8	0.9	仅为单层环形构造，放射状断裂较较发育，主要由断续弧形冲沟、影纹组成			1—其他填图单位；2—上侏罗统满克头鄂博组；3—流纹质（晶屑/玻屑）凝灰岩；4—粗面质含角砾凝灰岩；5—含角砾（晶屑/玻屑）凝灰岩；6—断层/推测断层；7—火山喷发中心为火山喷发中心，主体地层为满克头鄂博组，火口为安山岩，周围为弧形分布流纹含角砾晶屑凝灰岩，外围为环状展布的爆发相岩石，产状围斜内倾；放射状断裂表现为放射状的沟谷
H10	2.5	环形断裂，平面为近圆形，单层环状构造，主要由断续出露的弧形影纹、色差界面组成			1—其他填图单位；2—下白垩统玛尼吐组；3—粗面质（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—粗面质含角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；5—粗面岩；6—沉积岩；7—火山喷发中心/产状为火山喷发中心，主体地层为玛尼吐组，火口为粗面岩，周围环形分布粗面质含角砾晶屑熔结凝灰岩，外围发育爆发相、喷溢相岩石，呈环形或弧形展布，围斜内倾
H12	6.5	环形断裂，平面上为双层环状，外环内套合两个小型环形断裂，内部被线性构造切断，主要为断续弧形冲沟组成，放射状构造不发育			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—流纹质含角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—流纹质含角砾（晶屑/玻屑）凝灰岩；5—流纹岩；6—沉积岩；7—火山喷发中心/产状为火山喷发中心，主体地层为白音高老组，火口被流纹质角砾晶屑凝灰岩填充，周围环状分布流纹质含角砾晶屑熔结凝灰岩，外围主要发育爆发相岩石，西部环状为一火山喷发中心，火口为含角砾流纹岩充填，周围环状分布喷溢相流纹岩；放射状构造不发育
H17	3.3	环形断裂，平面上为两个同心圆形，主要由断续出露的弧形水系、冲沟、色差界面组成，放射状构造较发育			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—流纹质含角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—英安岩/流纹岩；5—安山岩/断层；6—沉积岩；7—破火山/产状为破火山，主体地层为白音高老组，火口外围喷溢相呈环形展布，环状、放射状断裂发育
H18	3.2	环形断裂，平面上为两个同心圆形，由环形沟谷组成，放射状构造不发育			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—流纹质含角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—流纹质角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；5—流纹质（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；6—潜火山岩；7—火山喷发中心为火山喷发中心，主体地层为白音高老组，火口外围爆发相呈环形、弧形展布，火山通道被潜火山岩相正长斑岩侵入，附近为弧形流纹质晶屑熔结凝灰岩，外围环形流纹质含角砾晶屑熔结凝灰岩，发育环形冲沟；放射性构造不发育
H23	2.2	环形断裂，平面形态近圆形，主要由断续出露的弧形水系、冲沟、色差界面组成			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—含角砾流纹岩；4—角砾流纹岩；5—沉积岩；6—断层；7—火山喷发中心火山喷发中心，主体为白音高老组，火口被角砾流纹岩充填，附近为环形凝灰质砾岩，外围环形角砾流纹岩，发育弧形断裂和环形冲沟；放射性构造不发育
H24	1.8	环形断裂，近圆形，由环形沟谷组成，放射状构造不发育			1—其他填图单位；2—中新统五叉沟组；3—玄武岩；4—气孔状玄武岩；5—火山角砾岩；6—产状；7—火山喷发中心火山喷发中心，主体地层为五岔沟组，火口外围喷溢相呈环形、弧形展布，火山通道被火山角砾岩占据，附近为弧形玄武岩，外围环形气孔状玄武岩；放射状构造较不发育
H25	1.2	环形构造，平面形态近圆形，放射状构造较发育			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—安山岩/流纹岩；4—石泡/黑耀岩；5—流纹质角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；6—沉积岩；7—火山喷发中心火山喷发中心，主体为白音高老组，火口为石泡流纹岩，附近为环形流纹质角砾晶屑熔结凝灰岩，外围环形安山岩、流纹岩、弧形分布凝灰质砂岩，发育环形冲沟，放射性构造不发育
H28	3.8	环形构造，平面形态近圆形，放射状构造较发育，南东侧和南西侧被线性构造夹持			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—流纹质角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—流纹质含角砾（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；5—流纹质（晶屑//玻屑）熔结凝灰岩；6—断层；7—锥状火山为锥状火山，主体地层为白音高老组，火口外围爆发相、喷溢相呈环形、弧形展布，火山通道被流纹质集块角砾晶屑熔结凝灰岩占据，环状、放射状构造较为发育^[45]
H29	2.5	环形构造，平面形态近圆形，放射状构造不发育，北东侧被线性构造切断			1—其他填图单位；2—下白垩统白音高老组；3—流纹质（晶屑/玻屑）熔结凝灰岩；4—流纹岩；5—黑曜岩；6—沉积岩；7—破火山为破火山，主体地层为白音高老组，火口被黑耀岩充填，为破火山口，周围环形分布流纹质晶屑熔结凝灰岩和弧形分布的黑耀岩，外围弧形分布爆发相、喷溢相岩，围斜内倾

表 2 研究区环形构造解译标志、影像特征及验证情况表 Table 2 Image features, interpretation signs and verification of ring structures in the study area

3 岩石地层单元和侵入岩遥感解译与验证

由于研究区基岩出露不佳, 草场、植被等覆盖较严重, 对遥感岩性地层解译工作有较大影响, 因此本次遥感解译主要解译了第四系、新近系五叉沟组、古生界及上侏罗统—下白垩统地层的界线, 满克头鄂博组、玛尼吐组、白音高老组的界线在遥感图上无法解译. 以下仅对本区出露较好的岩石地层单元作简单介绍.

遥感解译标志是某一填图单元具代表性的遥感影像特征, 是开展全区地质解译的基础和标准, 在整个解译工作中具有控制和指导作用. 不同的填图单元由于岩石组合不同, 影像特征也在色调、形态、纹理、地貌以及水系上均有不同的特点, 可建立不同的遥感解译标志. 以LandSat-8 7/5/4-8波段经PC融合的假彩色遥感影像底图为基准影像, 通过色、形、纹、貌等特征建立了区内出露较好的岩石地层单元和侵入岩的遥感解译标志(表 3).

表 3 研究区地层岩石单元及侵入岩遥感解译标志 Table 3 Remote sensing interpretation marks of stratigraphic units and intrusive rocks in the study area

经验证, 测区内新近系五叉沟组(Ν₁w)以及第四系冲洪积物解译界线与野外调查界线大致吻合; 解译古生界地层界线与验证的早古生代海勒斯台构造混杂岩界线大致相同; 中生界上侏罗统满克头鄂博组(J₃m)、玛尼吐组(J₃mn), 中生界下白垩统白音高老组(K₁b)在遥感影像上无法区分. 另外, 早白垩世岩体经验证为早白垩世正长花岗岩.

4 地形地貌的解译

传统的区域地质调查项目一般采用20世纪测绘的地形图. 此类地形图已经有几十年的历史了, 图中的村庄和道路信息变化较大, 老旧的信息已经很难满足现在智能化填图的要求. 近年来国家发射了一系列高空间分辨率的遥感卫星, 本次工作采用的资源三号卫星影像分辨率为2 m, 可以用来提取道路、水系、等高线、村庄、山峰等地形地貌的数据(表 4).

表 4 研究区地形地貌类型遥感影像特征及解译情况 Table 4 Remote sensing image features and interpretation of topographic types in the study area

5 结论

(1) 运用LandSat-8多光谱数据解译出29条大小不等断裂构造, 总体构造线方向以NE、NW向为主, NNE向次之. 野外验证发现断层11条, 另外18条验证为河流、冲沟等负地形.

(2) 解译出29个与火山喷发活动相关的小型环形构造. 野外验证发现11个火山构造, 整体环形构造在遥感平面图上形态呈圆形, 由弧形影纹、色差界面或环形沟谷、水系组成, 围绕环形构造局部发育线状影纹或水系构成的放射状断裂组合.

(3) 解译了第四系、新近系五叉沟组、古生界及上侏罗统—下白垩统地层的界线. 经实地调查验证, 五叉沟组以及第四系解译界线与野外调查界线大致吻合; 解译古生界地层界线与验证的早古生代海勒斯台构造混杂岩界线大致相同; 早白垩世岩体经验证为早白垩世正长花岗岩.

(4) 资源三号卫星高精度遥感影像适用于提取道路、水系、等高线、村庄、山峰等地形地貌的数据.

(5) 通过内蒙古1:5万牛汾台林场等4幅区调遥感解译验证, 资源三号卫星影像适合应用于地形地貌方面的解译, 而LandSat-8多光谱数据(采用7/5/3波段进行彩色合成)在解译线型构造和环状构造方面表现突出, 能达到区调工作遥感先行的目的.

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