Question

典型斑岩铜矿床的特征蚀变矿物及分带研究

Answer 1

为了便于研究斑岩铜矿床蚀变矿物的波谱特征，更好地进行遥感异常信息的挖掘，依据如下原则进行分类：①蚀变矿物的成因及示矿特征；②蚀变矿物在ETM⁺波段的特征吸收谱带；③吸收谱带的宽窄及强弱；④蚀变矿物与侵入岩体的空间位置；同时参考阎积惠（1995）分类方案把常见的矿化蚀变矿物按化学组成分为三大类：即与铁、锰有关的蚀变带、与羟基（OH）有关的石英绢云母化带、与 CO^2-3 有关的泥化带。注：蚀变矿物的波谱曲线来自美国 USGS波谱库。

根据图3-28可以看出，与铜有关的围岩蚀变类型主要有绢云母化、钠长石化、钾长石化、蛇纹石化、矽卡岩化、次生石英岩化、黄铁绢云岩化和硅化等。其中绢云母化、青磐岩化、钾长石化是斑岩型铜铝矿化外围的主要蚀变类型。

图3-28 斑岩型铜矿床主要蚀变类型所含矿物光谱特征曲线

（据USGS光谱数据库）

B1～B7—ETM⁺1～ETM⁺7波段

绢云母化是一种分布广泛的热液蚀变。铝硅酸盐为次生绢云母所交代（长石类和部分暗色矿物）形成绢云母、石英为主的岩石，有时有绿泥石、绿帘石、碳酸盐矿物及硫化物共生。绢云母化是找寻Cu的重要标志。绢云母化常与黄铁矿化同时出现，称为黄铁绢英岩化。是各种中温热液矿化的常见蚀变，特别是斑岩铜矿中极为常见。

青磐岩化在安山岩和玄武岩中最为常见，是浅成Au热液矿床中最常见的蚀变。近年来研究证明它也是斑岩型Cu-Mo-Au矿化的外围蚀变之一。青磐岩化是在热液中CO₂，S，H₂O的作用下，在近地表条件下形成一套以绿泥石、碳酸盐、绿帘石、黄铁矿、钠长石等矿物组合的一种蚀变。

钾长石化亦是常见的早期蚀变之一，往往在钠长石之前。红色钾长石呈浸染状或脉状产出，钾长石化是找铜的有利标志。某些大矿亦见钾长石化。与中酸性岩有关的蚀变，还有黄铁细晶岩化。硅化、次生石英岩化、泥化（高岭土化、粘土化）等。

碳酸盐化主要见于基性超基性岩中。碳酸盐化形成一套以方解石、菱铁矿、铁白云石及菱镁矿等矿物组合。主要与Cu矿床有关。

矽卡岩化是中深条件下中酸性侵入体与碳酸岩类接触带的常见的一种蚀变。分布于中酸性侵入体的内外接触带附近，由石榴子石（钙铝石榴子石-钙铁石榴子石系列）和辉石（透辉石-钙铁辉石）及其他Ca，Fe，Mg，Al硅铝酸盐矿物组成。Cu矿床与矽卡岩有重要关系。遥感探测的是地表物质的光谱信息，因此只要有一定面积的蚀变岩石出露，遥感就有可能测出，也就是说，即或矿体隐伏，只要有蚀变岩出露，就有可能用TM（ETM⁺）发现，尤其是为数众多的热液矿床。当然蚀变信息的强弱也很重要，蚀变信息包括蚀变类型、强度、规模大小、空间形态，目前认为中等强度以上的蚀变带对于TM（ETM⁺）蚀变信息提取是十分有利的（张玉君等，2003）。有时尽管有蚀变岩存在，但不一定有矿，然而围岩的剧烈而较大范围的蚀变常常与大矿及富矿石的生成互为隶属，大型特大型内生热液矿床一般均有强烈且较大范围的围岩蚀变，并且具有分带现象（如斑岩铜矿）。这便是以找矿（首先是大矿、富矿）为最终目的蚀变遥感异常提取的地质依据。

斑岩铜矿床蚀变岩石中含有较多的Fe³⁺、OH^-、CO^2-，大量的岩石波谱测试数据证明，在可见光-红外光谱区，这些离子具有特征反射或吸收谱带，而组成造岩矿物的主要化学成分（Si、Ai、Mg、O）并不具备上述光谱特征，这就为蚀变信息的提取提供了物理基础。

富含OH^-或CO^2-的绿泥石、白云母、方解石、高岭石、明矾石等常见蚀变矿物，在美国陆地卫星TM5波段存在反射峰，在TM7波段则存在吸收谷。同样，含有Fe³⁺的褐铁矿在TM3波段存在反射峰，在TM4存在吸收谷。克罗斯塔分析法就是利用蚀变矿物的光谱特征，通过主成分分析来提取有关的蚀变矿物。主成分分析的主要特性之一就是把原来多波段图像中的有用信息集中到数目尽可能少的新的组分图像中，而且新组分图像互不相关。新生成的第1主分量包含了原来多波段图像的绝大部分信息，其他组分图像的方差依次减少，包含的信息量也剧减。第1主分量主要反映了地貌和纹理信息，而矿化蚀变信息往往包含在信息量少的第3、第4甚至第5主分量中。由于铁的氧化物在TM3、TM5波段具有反射峰，在 TM1、TM4 波段反射率相对较低，克罗斯塔分析法便使用 TM1、TM3、TM4、TM5等4个波段进行主成分分析，并把与TM3波段呈正相关、与TM4波段呈负相关的主分量用来提取铁的氧化物类蚀变矿物。同理，利用TM1、TM4、TM5、TM7等4 个波段进行主成分分析，提取含OH^-或CO^2-的绿泥石、白云母、方解石、高岭石、明矾石等常见蚀变矿物。克罗斯塔分析法是常见的信息提取方法，也有部分研究人员根据所在地区的具体成矿条件对其进行了改进，如增加参与主成分分析的波段，在不损失矿化信息的前提下利用拉伸或掩膜技术剔除雪等影响因素。由于五龙沟地区沙化严重，同时还有部分高原积雪，所以在使用克罗斯塔分析法之前根据上述影响因素的波谱统计数据进行了矿化信息无损失拉伸。

1.基于ETM⁺遥感数据蚀变信息提取方法的优化选择

选取包古图地区Ⅴ号侵入体为试验点，进行蚀变信息提取方法优化选择。

图3-29 左图为包古图5号岩体的ETM⁺7、4、1波段彩色合成图

右图为该区的地质图（据1：20万修改）

（彩图见书后图版）

包古图v号岩体形态呈不规则状，出露面积约0.84km（图3-29），岩性以石英闪长岩、花岗闪长玢岩和石英二长斑岩为主，花岗闪长岩、黑云母花岗闪长岩和闪长玢岩为次。岩体中可见黄铜矿、黄铁矿、辉钼矿、毒砂、磁黄铁矿等金属矿物。金属矿物常呈浸染状、细脉浸染状和细脉状分布。铜矿体主要产于岩体接触带和岩体中。蚀变现象比较明显。

模型一：遥感数据统计分析+比值法+主成分分析法+掩膜+分类（分割），SRP模型（Statistic+ Ratio + Principal Components Analysis）。

（1）基本数理统计值的比较

对研究区 ETM 中六波段的最小值、最大值、平均值、标准偏差等特征值进行统计（见表3-19）。

表3-19 包古图Ⅴ号岩体ETM⁺灰度值特征统计表

从表可以看出：

灰度差的排列顺序为：ETM5＞ETM3＞ETM7＞ETM2＞ETM4＞ETM1；

均值的排列顺序为：ETM5＞ETM1＞ETM3＞ETM7＞ETM2＞ETM4；

标准偏差的排列顺序为：ETM5＞ETM7＞ETM3＞ETM2＞ETM4＞ETM1；

ETM数据各波段的标准偏差及灰度差显示了各自所含信息量的离散程度，即信息量的丰富程度。标准偏差越大不同地物的影像反差越大，其可能揭示的地物种类就越多，是进行信息增强分离提取的首选波段，即ETM5、7、3为主要信息赋存波段。

ETM的像元相对亮度值（灰度值）随着像元内地物种类和数量的不同，以及像元-星体-太阳三者位置关系的变化而产生不同的值，是随机性的。经过量化，它只能在0～255的范围内变化，是离散随机变量。平均值、灰度差和标准偏差对于随机变量性质的描述是不完整的，不能作为选择图像处理参数的主要依据。还必须了解这些变量的概率分布规律。直方图是表示离散随机变量概率分布的直观方式，以像元相对亮度值频数的图形示出。它对于选择图像处理参数有较重要的参考价值（马建文，2001；阎积惠，1995）。包古图Ⅴ号岩体地区ETM⁺遥感影像的相对亮度值直方图如下所示：

研究区ETM图像亮度值概率分布（图3-30），具有如下规律：

①辐亮度值频率直方图基本上呈正态分布；

②99%以上的像元辐亮度值集中分布在几十个亮度级的范围内；

③ETM5、7、3段辐亮度值分布域最宽，其次是第四波段。

（2）数据的主成分分析特征比较

ETM⁺多波段数据通过PCA所获每一主分量常代表一定的地质意义，且互不重复，各主分量的地质意义有其独特性。故对研究区 ETM 中ETM1、ETM2、ETM3、ETM4、ETM5、ETM7 六个波段进行主成分分析。统计特征值如下表所示。

表3-20 包古图Ⅴ号岩体ETM影像协方差矩阵

图3-30 包古图Ⅴ号岩体地区遥感影像直方图

表3-21 包古图Ⅴ号岩体ETM影像相关系数矩阵

由表3-20、3-21可知：

ETM1、ETM2、ETM4之间相关系数均大于0.8，属高度相关；ETM3、ETM5、ETM7三个波段各自与其他波段相关系数均相对较低，属自相关。

羟基异常主分量的判断准则：主分量的信息应基本来自ETM5、ETM7 两个波段，且ETM5 为加信息，ETM7为减信息。因为粘土矿物和碳酸盐矿物在ETM5 波段是高反射，在ETM7 波段强吸收（见图3-28）。

铁染异常主分量的判断准则：ETM3系数应与ETM1和ETM4系数符号相反，ETM3与ETM5系数符号一般相同。因为 ETM1、ETM3、ETM4 波段能够区分岩石中铁矿物和含铁矿物的相对含量，ETM5则可识别出含绿帘石族矿物的岩石（见图3-28）。

由表3-22和羟基异常、铁染异常主分量的判断准则可知，直接进行主成分分析提取矿化蚀变异常效果不是很明显，需要对弱蚀变信息进行加强和放大，进行选择比值法主成分分析。

表3-22 包古图Ⅴ号岩体ETM影像PCA特征向量矩阵和特征值

根据以上六波段基本数理统计值的比较和数据的主成分分析特征比较对模型一核心波段算法修正为：

①羟基异常信息提取波谱核心算法：PCA ｛ETM1+ETM2、ETM4/ETM3、ETM5/ETM7、ETM7｝

②铁染异常信息提取波谱核心算法：PCA ｛ ETM1 + ETM2、ETM3/ETM1、ETM4/ETM3、ETM5/ETM7｝

我们用ETM1 +ETM2 代替ETM1，ETM3/ETM1 代替ETM3，ETM4/ETM3 代替ETM4，ETM5/ETM7代替ETM5。

根据羟基异常信息提取波谱核心算法和铁染异常信息提取波谱核心算法得到的特征向量矩阵和特征值如下表所示。

表3-23 PCA特征向量矩阵和特征值

表3-24 PCA特征向量矩阵和特征值

由表3-23、表3-24以及羟基异常主分量的判断准则、铁染异常主分量的判断准则可知，PC3为羟基异常主分量，PC4为铁染异常主分量。对所得到的主分量异常图进行彩色分割，可获得包古图5号岩体地区羟基异常和铁染异常图（见图3-31）。

模型二：利用典型蚀变矿物的特征光谱拟合进行蚀变信息提取法，即：遥感数据定标+混合像元分解+SCM+掩膜+分类（分割），CES模型（Calibration + Endmember + Spectral Character Matching）。

图3-31 基于SRP模型的包古图Ⅴ号岩体ETM遥感蚀变信息提取图

左侧为羟基异常提取图；右侧为铁染异常提取图

（彩图见书后图版）

ETM图像的每个像元值是灰度值，需要将它转换为反射率，转换公式如下：

L=gain∗DN + bias （3-2）

中亚地区高光谱遥感地物蚀变信息识别与提取

式中：L是地物在大气顶部的辐射亮度；DN是像元灰度值，增益（gain）和偏移值（bias）可以从头文件中得到；ρ是地物反射率；d_s为日地天文单位距离；E₀为大气顶部的太阳辐照度；θ为成像时的太阳天顶角，亦可从图像的头文件中读取。转换后地物反射率统计值见表3-25。

表3-25 包古图Ⅴ号岩体ETM⁺反射率特征统计表

光谱混合分析的目的主要是分离混合像元中的不同地物成分，线性混合光谱分解模型是光谱混合分析的常用方法，其原理是利用一个线性关系，表达遥感系统中一个像元内各地物的类型、比例与地物的光谱响应。按照线性模型，任一波段中各个像元的光谱响应可以认为是该像元对应的各种地物光谱响应的线性组成，因此，利用遥感图像的像元光谱值，作为有限种地物反射光谱的线性组合，来建立模型。线性混合光谱分解模型被定义为：像元的光谱亮度值是由构成像元基本组分（endmember）的光谱亮度值以其所占像元面积比例为权重系数的线性组合。可用下式表达：

中亚地区高光谱遥感地物蚀变信息识别与提取

式中：R_ij为第j波段第i像元的光谱反射值；n为基本组分的数目，n小于等于m+1，m为波段数；f_ki为对应i像元的第k个基本组分所占的分量值；C_kj为第k个基本组分所在j波段的光谱反射值；ε_ij为第j波段第i个像元对应的误差值；RMS为均方根误差图像。

包古图V号岩石普遍蚀变，蚀变矿物主要由绿泥石、绿帘石、绢云母和钾长石组成。具体蚀变带可划分为（由岩体中心向外）：钾化带、石英绢云母化带和青磐岩化带。钾化带蚀变矿物组合为石英+钾长石+黑云母+绢云母；石英绢云母化带的矿物组合为石英+绢云母+水白云母+黄铁矿等；青磐岩化带的蚀变矿物组合为绿泥石+黝帘石+钠长石，局部还有黑云母及绢云母。

图3-32 特征矿物光谱曲线

左侧为USGS标准光谱曲线；右侧为ETM采样后光谱曲线

图3-33 基于CES模型的包古图Ⅴ号岩体ETM遥感蚀变信息提取图

（彩图见书后图版）

我们选取黑云母（biotite）、黄铁矿（pyrite）、白云母（dolomite）、绿泥石（chlorite）、黝帘石（zoisite）、钠长石（albite）为特征蚀变矿物进行波谱拟合。其USGS特征光谱曲线和采样后光谱曲线见图3-32。

据图3-31、3-33可知：

（1）包古图Ⅴ号岩体周围发育有源于OH^-等离子基团振动过程的泥化，代表矿物为：绿泥石、绿帘石、黝帘石、碳酸盐化、钠长石等；源于Fe³⁺等阳离子电子过程的铁染化，代表矿物为黄铁矿；蚀变带内还发育黑云母化、绢云母化、白云母化等；

（2）蚀变异常多以岩体为中心，向外围减弱，呈环状展布；

（3）CES模型区分蚀变信息类别的能力较之SRP模型强，SRP模型提取蚀变信息的准确度较之CES模型强；

2.斑岩铜矿的遥感地质信息特征

研究所使用的ETM⁺遥感图像中提取构造信息、岩性信息、蚀变信息的研究方法应用到康恩纳德矿床、阿克斗卡矿床、包古图矿床、喀腊萨依斑岩铜矿床，从而可得到四个矿床的遥感地质信息综合提取图。进行分析评价。

图3-34 康恩纳德斑岩矿床地区ETM⁺遥感地质信息综合提取图

（彩图见书后图版）

根据图3-34～图3-37 可知，准噶尔-巴尔喀什褶皱系典型斑岩铜矿的遥感地质信息特征可概括为：

（1）地层和侵入体信息：准噶尔-巴尔喀什褶皱系典型斑岩铜矿床（以康恩纳德矿床、阿克斗卡矿床、包古图矿床、喀腊萨依矿床为例）主要集中在加里东-华力西期中浅成侵位的中酸性侵入岩-火山岩带的造山期建造发育地区。

（2）构造信息：斑岩矿床周围线性体比较密集，多为树枝状展布，小型断层分布较广；区域内大型断裂较发育，如康恩纳德矿床周围就发育中哈-纳伦断裂、博舍库利-乌赤别里山断裂、康恩纳德-塔城断裂、杰兹卡兹甘-斋桑-阿尔泰断裂等大断裂；阿克斗卡矿床位于捷克利-萨雷贾兹南北向断裂、康恩纳德-塔城东西向断裂和库拉马北东向断裂交汇处，且狂体内发育阿克斗卡断层和伊克巴斯断层；包古图矿床受达拉布特断裂控制；喀腊萨依矿床地区的克孜勒他乌黑云母花岗岩体主要受卡拉先格尔-克孜勒他乌断裂控制。

图3-35 阿克斗卡斑岩矿床地区ETM⁺遥感地质信息综合提取图

（彩图见书后图版）

图3-36 包古图斑岩矿床地区ETM⁺遥感地质信息综合提取图

（彩图见书后图版）

图3-37 喀腊萨依斑岩铜矿床地区ETM⁺遥感地质信息综合提取图

（彩图见书后图版）

（3）蚀变信息：由岩体至围岩依次分为黑云母-钾长石化带、绢云母-黄铁矿化带、绿帘石-钠长石化带（图3-38）；特征蚀变矿物为：黑云母、绢云母、黄铁矿、白云母、绿泥石、黝帘石、钠长石等。

图3-38 斑岩铜矿形成时分期热液蚀变图

（据黄崇轲，2001年）

研究表明，准噶尔-巴尔喀什褶皱系典型斑岩铜矿的遥感地质信息特征为：时间上为晚古生代；空间上位于构造线密集处的中酸性侵入体周围，有明显矿化蚀变现象。