滇川黔铅锌成矿区含矿碳酸盐岩遥感解译探讨
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摘要： 光谱特征和图形特征分别是地物的电磁辐射特征在遥感图像上微观层次和宏观层次的表现形式。滇川黔铅锌成矿区矿床的含矿围岩是碳酸盐岩，广泛分布，但只有特殊的构造位置赋矿。该类矿床的围岩蚀变较弱，环境干扰因素较多，根据光谱特征利用多波段遥感图像提取蚀变异常信息存在较多的不确定性。不同构造位置的相同岩性因遭受不同的风化程度，其形成的地貌、水系以及土壤、植被覆盖等都会有差异，在遥感图像上显示为不同的图形特征，据此可推断岩性以及其结构、构造等特征。图形特征受环境干扰较小，具有较好的稳定性，在滇川黔铅锌成矿区含矿碳酸盐岩的研究中具有实用价值。
Abstract： The electromagnetic radiation characteristic of ground objects in remote sensing image has two forms，the spectral signature on the micro level and Graphics features on the macro level. The host rock is carbonate rock which is widespread in the Yunnan-Sichuan-Guizhou metallogenic region of Zinc and Lead， however， the deposit located only at the special tectonic. There are many uncertainties of extracting abnormal information of mineralized alteration using multiband remote sensing imagines for the Rock alteration of this kind of deposits is weak， and disturbed by many environment factors also. Rocks in same lithology show different graphic feature on remote sensing image at different tectonic positions， where different weathering degree formed different landform， drainage pattern， soil， vegetation cover， and so on. Conversely， the lithology and structure of the rock and tectonic position would be determined from graphic feature which were seldem Interfered by the environment， and has practical value in the research of ore-hosting carbonate rocks in the Yunnan-Sichuan-Guizhou Pb-Zn metallogenic region.
关键词： 图形特征；光谱特征；解译标志；铅锌矿床
Key words： graphics feature；spectral signature；interpretation key；Pb-Zn deposit
中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）08-0008-04
0 引言
地物对不同波长的电磁辐射具有不同反射或发射能力，传感器将接收到的电磁辐射经过量化分级处理记录为灰度值。在有n个波段的图像中，任一个像元A具有n个亮度值（属性值），与在地表实测的地物光谱特征二者之间是映射关系。实测地物光谱特性一般用一条连续曲线表示，称为地物光谱特征曲线。根据图像上像元A在n个波段的亮度值也可形成一条曲线，称之为地物的波谱响应曲线。这二者的变化趋势是一致的，可反映这一像元所对应地物的电磁辐射特征。地物在多波段图像上特有的这种波谱响应就是地物光谱特征的判读标志，是地物电磁辐射特征在微观层次的显示，即通常所指的光谱特征的含义。
每一个像元基于其在某波段的亮度值在该波段图像上显示为不同灰度（色彩组合处理后显示为不同色彩）的栅格，多个相邻的栅格组合在一起显示出一定的几何图形和纹理图案，显示出地物电磁辐射强度在平面的分布规律，可以称为地物的图形特征或空间几何特征，这是地物电磁辐射特征在宏观层次的显示，包括地质体和地貌的色调（色彩）、形态、大小、纹理、水系类型、格局、位置及与周围的关系等等，是遥感图像目视解译的判读标志。解译人员据此不仅可判断出地表出露的地层岩性，还可根据地质学专业知识进行推测与判断出岩层结构、产状和构造部位等地质信息[1][2][3]。
计算机用以自动识别和分类的主要依据是物体的光谱特性，图像上的其它信息如大小、形状、纹理等标志尚未充分利用。利用光谱特征识别地物进行计算机解译运算迅速，效率高，在植被稀少、人为影响较弱、岩石率高的地区效果较佳，已探索出了较成熟的多光谱和高光谱岩性信息提取方法[4][5][6][7]。在土壤、植被较发育、岩石露头少的地区由于存在同谱异物、异物同谱、混合像元以及环境的影响，这一解译标志具有很大的不确定性，开展岩性识别效果有待提高。此外，目前利用光谱特征解译岩性的技术还不能提供岩层结构、产状和构造部位等更为复杂的地质信息。但在滇川黔成矿区铅锌银矿床研究中，这一点显得特别重要，因为碳酸盐岩在该区广泛分布，但只有在特殊构造部位的碳酸盐岩才有可能成为赋矿和富矿围岩。在该地区的遥感找矿研究中，需要能通过遥感影像特征获得地质构造、岩层产状等复杂的地质特征，才有利于将含矿碳酸盐岩从非矿碳酸盐岩背景中区别出来。
1 滇川黔成矿区铅锌（银）矿床特征简介
滇川黔铅锌成矿区位于扬子准地台西南缘，小江南北向断裂带、师宗-弥勒北东向断裂带、垭都-紫云北西向断裂带三条深大断裂所围限的区域内。特殊的构造位置，造就其丰富的矿产资源，尤以铅锌（银）为甚。已发现彝良毛坪、巧家茂租和东坪、会泽矿山厂、会东大梁子和汉源团宝山等一批大中型铅锌（银）矿床及数以百计的铅锌矿点，其成矿作用、控矿因素及矿化特征基本相同，具有点多、面广、星罗棋布的特点，找矿潜力巨大。矿床明显受构造、地层和岩性控制[8]。
1.1 赋矿层位 滇川黔成矿区铅锌（银）矿床的容矿层主要为碳酸盐岩——白云岩、镁质灰岩和硅质白云岩，具有多层位、同位成矿的特点。成矿区有35个主要、次要的容矿组、统。规模较大的铅锌矿床（点）矿体主要赋存的层位有：上震旦系灯影组（Zz2dn）、下寒武纪渔户村组（■1y）、下石炭统摆佐组（C1b）、中石炭统威宁组（C2w）和下二叠纪栖霞组（P1q）、茅口组（P1m）等。如果主要羽状断裂切穿多个容矿层，可形成不同时代容矿层的“同位成矿”现象。含矿层位厚度总体上与铅锌矿化成正相关关系，一般含矿层位厚度大，铅锌矿化强烈，形成的铅锌矿床（点）就多。
1.2 控矿构造与容矿空间 滇川黔成矿区内铅锌（银）矿床（点）受控于区内主干逆断层构造带，平面分布呈带状，形成多条成矿带。成矿带内断层交汇部位、背斜倾伏端、向斜扬起端或穹窿构造控制矿床分布，断裂破碎带、节理密集带、岩层挠曲、剥离，层间滑动部位和挤压虚脱空间是成矿热液运移和富集场所，往往是富矿体产出的最有利地段。特殊的构造位置、构造组合型式以及断层、节理和裂隙发育的密集程度是滇川黔成矿区铅锌矿床重要的找矿标志。特殊的构造造就特殊的地貌和水系类型等地面景观，在遥感影像上的显示为特殊的图形特征，是遥感地质找矿的重要解译标志。
1.3 围岩蚀变 滇川黔成矿区铅锌（银）矿化常伴有近矿围岩蚀变，蚀变强度较弱，但分布较广。不同时代含矿围岩中的蚀变强弱和类型基本相同。容矿层的褪色化和重结晶现象在成矿区内较普遍。其次可见硅化、黄铁矿化、重晶石化、萤石化和铁锰碳酸盐化等。褪色化是指白云岩或白云质灰岩从不同的深色变为乳白、米黄、黄色、褐色及肉红等浅色，即Fe3+（细粒或粉状赤铁矿）变为Fe2+（不同粒度的黄铁矿）的染色或铁锰碳酸盐化。铅锌（银）矿体、矿化只出现在Fe2+的一侧，Fe3+的一侧无矿化。重结晶是指白云岩的粒度增大，同时岩石的碳酸盐粒屑亦可全部重结晶。重结晶白云岩明显可见孔隙度增高，孔隙增大的现象。围岩空隙率的提高，使岩石脆性变大，受力碎裂，为其后溶蚀、充填及交代成矿提供空间。黄铁矿也可做为近矿蚀变标志。但这一地区碳酸盐岩中的黄铁矿形成具有成岩期、成岩后期、成矿期和成矿后期等多个期次，不同期次黄铁矿的空间关系不易区分。
2 利用光谱特征提取铅锌（银）矿床围岩蚀变信息的不足
目前，对滇川黔成矿区碳酸盐岩的解译集中于两方面：利用各种计算机分类方法圈定其分布范围，并利用光谱特征提取蚀变信息异常[9][10][11][12][13]。如前所述，滇川黔成矿区铅锌（银）矿床最普遍的围岩蚀变为重结晶、硅化、重晶石化、萤石化、褪色化、黄铁矿化和铁锰碳酸盐化。现阶段在滇川黔成矿区已开展的提取围岩蚀变信息的方法是利用多波段遥感数据基于光谱特征提取其羟基（泥化）、碳酸盐化和铁化信息。利用光谱特征的变异尚不能判断出地层岩性结构、构造变化信息，还存在一些需要慎重考虑的问题。
2.1 羟基异常 根据遥感图像光谱特征提取的羟基异常，目的是提取与含羟基（OH）-热液蚀变矿物相关的蚀变信息，主要反映高岭石化、蒙脱石化、绿泥石化、绢云母化等蚀变岩石。但是滇川黔成矿区的铅锌矿床此类蚀变普遍较为微弱，反而是碳酸盐岩风化壳内粘土矿物含量较高（主要矿物成分为高岭石和埃洛石）[14]。另外在一些沟谷地区的岩石、土壤由于含水量较高，也会对提取羟基异常产生干扰。以上原因导致此类信息中往往含有大量的假异常信息。
2.2 碳酸盐化异常 滇川黔成矿区的铅锌矿床成矿围岩是碳酸盐岩，同时围岩蚀变也存在一定的碳酸盐化，主要是白云石化、方解石化以及铁锰碳酸盐岩化。如果围岩是火山岩或砂岩等其他岩性的岩石，碳酸盐化是非常好的、明显区别于围岩的蚀变信息，不论在地表观测还是光谱特征上都有不凡的表现；但对于围岩也为碳酸盐岩的矿化再提取碳酸盐化信息，这一特征还需慎用。此外，由于TM/ETM+和ASTER等常用的遥感图像中红外、热红外的波段范围较宽，不能将（OH）-和（CO3）2-引起的反射峰或吸收谷完全区别开（图1）。
2.3 铁染异常信息 目前在滇川黔成矿区铅锌矿床遥感地质研究中通常会提取铁染异常信息，目的是提取与含Fe3+或Fe3+矿物相关的围岩蚀变信息，如利用ETM3/1识别褐铁矿等Fe3+的信息，利用ETM5/4用于识别黄铁矿等氧化亚铁类矿物，利用ETM3/1、ETM5/4、ETM5/7综合反映铁染类蚀变异常信息，或者利用ASTER1、2、3、4组合波段提取Fe3+的信息。这些提取铁染信息的方法在川滇黔碳酸盐岩地区应用时应更加慎重，因为Fe3+铁化信息虽然反映了部分氧化矿或铁帽信息，但更多可能是风化壳的显示。滇川黔成矿区内的碳酸盐岩地区风化壳含铁量比较高（Al2O3、Fe2O3和SiO2是岩溶地区风化壳的主要化学成分[14]），常形成假铁帽。另外该区内广泛发育的二叠系玄武岩及其形成的风化壳含铁量也是比较高的，这些对提取铁染信息有很大的干扰。即使能够排除风化壳的干扰，Fe3+的信息也不能作为遥感找矿的标志，因为如前所述，铅锌硫化矿体、矿化只出现在Fe2+的一侧，Fe3+的一侧无矿化，即褪色化现象普遍存在。在进行遥感图像增强处理时，应突出黄铁矿等氧化亚铁类异常信息，褐铁矿等含Fe3+的矿物信息不能作为该区铅锌矿化的异常信息标志。这里还存在一个问题：即如前所述，滇川黔成矿区碳酸盐岩所含黄铁矿存在多个期次，目前对黄铁矿不同期次的空间关系尚未做工作。
3 利用图形特征解译滇川黔成矿区含矿碳酸盐岩的优势
随着在滇川黔成矿区找矿力度的加大，遥感技术可发挥的作用将不断加强。如在岩性解译时仍只圈定其分布范围已不能满足实际找矿工作需求。若能在解译地层岩性同时还能获得其结构、产状和构造部位信息及其变化规律，将有利于突破遥感技术在滇川黔碳酸盐岩地区岩性解译缺乏实用价值的瓶颈。利用影像特征的差异变化规律去推测碳酸盐岩的成分、产状、构造等信息的变化在滇川黔成矿区铅锌（银）矿床研究中显得特别重要，因为碳酸盐岩在该区广泛分布，但只有在特殊构造部位的碳酸盐岩地层才有可能成为容矿空间。而这些构造因为规模较小或没有较好的地表露头常常在传统地质工作中被忽略，或者工作条件恶劣难以迅速开展地表详细踏勘工作。
3.1 遥感图像全面反映了地面景观细节 现有的地形图，哪怕是大比例尺的和用准确仪器测量的方法编制的，也只不过是概略的地形描绘，通常在这些图上总是不可能得到许多极其重要的细节，特别是中、小、微地形（如浅盆地、漏斗、喀斯特井、矿井、溶沟、小砂丘、孤山、有时乃至阶地等）的细节[15]。随着图像分辨率进一步提高，遥感图像上不仅能显示出大的地形地貌，还能清楚地反映出地物的细部特征，图像上多级侵蚀沟组合而成的水系影纹图案、地物景观的结构、形态、纹理和细节信息都非常突出，为我们提供了可靠的地形地貌、水系特征、地质构造和地物的识别分析依据，弥补现有图纸信息不全的缺陷。
3.2 图形特征既可以反映岩性信息，也能够反映构造信息 戴维斯在1899年提出地理（地貌）循环学说，认为地貌是构造、营力和时间（侵蚀阶段）的函数，一个地区的地貌、水系的发育严格受到岩性、构造控制[15]。同一地区的同一岩性，处于同一自然环境气候条件下，岩性、结构相同，遭受风化剥蚀年代相同，当其出露面积、厚度、所处构造部位、岩层产状、覆盖程度不同时，其受力状态不一，破裂型式也不一样，风化形成的水系特征、微地貌、植被、土壤等都会发生变化。例如构造发育的地段岩溶作用强，褶皱和断裂作用使岩石的破裂程度加大，著名的桂林峰林地形只发育于南北向背斜构造向北的倾末端位置；节理较多的石灰岩，往往构成壁立的断崖，一个区域的构造线的方向，往往控制了溶洞的延伸方向。所以遥感影像上反映出的地貌、水系、土壤、植被和影纹图案信息隐含着岩性、构造等地质信息，即影像图形特征变异反映了地面构造变化信息。
笔者在滇东北铅锌矿床的研究中已初步发现：含矿碳酸盐岩和非矿碳酸盐岩确具有明显不同的遥感影像图形特征。以彝良毛坪铅锌矿床为例。该矿床受控于毛毛山倒转背斜北部的倾伏端（图2），倒转背斜两翼的地层岩性为白云岩和灰岩。相同的岩性使其光谱特征相似，在遥感图像上具有相同或相近的色调或色彩（图3），但因含矿性和地层产状不同而显示为截然不同的图形特征，根据背斜西翼南段的岩层三角面的形态和角度可判定西翼岩层产状较陡，出露宽度很窄（根据地质资料，西翼地层翼地层产状直立或倒转，倾角40-85°）。在遥感影像上该段没有显示出碳酸盐岩地区常见的岩溶地貌图形特征，而是显示为遭受强烈的硅化形成坚硬抗风化能力强的硅化带的图像特征——梳状、格状水系影纹图案，色调较深。地貌上为高大的长条状山系，河谷两岸为陡崖峭壁，河谷（最低海拔902m）与山脊（最高峰海拔2659m）相对高差可达1800m之多，植被覆盖较好。在背斜的东翼岩层产状缓倾斜，图像上显示典型的岩溶地貌图形特征，相对高差小，发育数米至数十米高的峰林峰从，稀疏的星状水系，整体为浅色调，植被覆盖较差。毛坪矿床主矿区长发硐-花苗寨段位于背斜的西翼，东翼目前只有矿点和小型矿床发现。
3.3 图形特征的稳定性 与光谱特征相比，地貌、水系、影纹图案等图形信息即使在有植被、土壤覆盖等干扰时，仍能在遥感影像上清晰反映。且无论何种波长电磁波遥感图像，地貌、水系等是不会发生变化的。滇川黔成矿区内碳酸盐岩出露地区一般会生长灌木、竹林或杂草，只有陡崖峭壁上才极少有植被覆盖，但地形陡峻又会导致阴影发育。植被、土壤和阴影区的地面信息被遮盖，光谱特征难以显现。虽然利用计算机图像处理技术可以增强一些微弱信息，但仍有大量“同谱异物”或“同物异谱”现象。加之目前在提取岩性信息的预处理中，普遍都将植被、冲积层和阴影等与云、水体等都同样作为干扰信息加以屏蔽。如此处理的图像虽然能够剔除干扰，便于计算机自动分类，却也因此将它们本身所提供的大量地质信息以及下覆的微弱地质信息也一并丢弃。
4 结语
解译标志的熟练掌握，是我们解译地质现象的钥匙。由于地质现象千变万化，不仅不同地区的同一类地质体在遥感影像上显示出不同的特征，即使是同一地区同一岩性地质体因为处于不同构造部位（如褶皱的转折端和翼部），风化剥蚀形成的地貌、水系以及植被、土壤覆盖等存在差异，在影像上显示为光谱特征和图形特征变异现象。岩性的解译应该综合利用色调、影纹图案、地貌、水系、植被和土壤等信息。在滇川黔地区由于地表覆盖较多，岩石光谱特征受到多种环境因素的影响。相对而言，碳酸盐岩的图形特征受环境干扰较小，可通过研究地貌、水系、土壤、植被等与岩性、构造位置的关联性达到识别岩性的目的，揭示影像特征与岩石地质体的内在联系，总结地区性的解译标志，在圈定其分布范围的同时获得结构、产状和构造部位信息，可以有效地进一步划分含矿碳酸盐岩和非矿碳酸盐岩。
图形特征的解译虽然受到计算机自动解译技术的限制，以目视解译为主，效率较低，但是地质找矿解译不同于灾害监测等紧急事物，通常对时效性要求不高。从经济实用角度考虑，高光谱技术目前价格仍然昂贵，并且缺乏地面光谱测试等基础工作，没有建立起各类碳酸盐岩的光谱库，限制了其在全区大范围展开工作。多光谱的TM/ETM+数据和快鸟、GEOVIEW和SPOT5等高空间分辨率数据以及中等光谱分辨率的ASTER数据价格低廉，易于获取，其海量的信息仅有少部分被利用。目前在滇川黔成矿区应更好地利用已经获取的遥感数据，从中挖掘大量尚未被掌握的地质信息，将有利于突破遥感技术在滇川黔碳酸盐岩地区岩性解译缺乏实用价值的瓶颈。
总之，地质体及地质现象在遥感影像上的光谱特征和图形特征都很重要，解译时要兼顾二者。前者在干旱、地表覆盖较少的地区效果较好，后者在土壤、植被较发育、岩石露头少的地区更为实用，因为无论植被、土壤如何覆盖，不论用何种波段的电磁辐射，地貌、水系、位置、格局等几何形态总是不会改变。
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