戈壁淺覆蓋區花崗巖中鋰鈹偉晶巖的ASTER 遙感識別技術
——以新疆鏡兒泉地區為例*

姚佛軍，徐興旺，楊建民，吳林楠，耿新霞

（1中國地質科學院礦產資源研究所自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；2中國科學院地質與地球物理研究所礦產資源研究院重點實驗室，北京 100029；3新疆維吾爾自治區有色地質勘查局七〇四隊，新疆哈密 839000）

隨著對環境的重視，清潔能源的鋰電發展迅速，社會發展對鋰稀有金屬需求量越來越大，而衛星遙感技術是進行稀有金屬勘查的一種手段，在稀有金屬找礦中具有很好的的效果（金謀順等，2019；范玉海等，2018a;b；代晶晶等，2017;2018）。在國外，有很多利用遙感技術進行含鋰偉晶巖探測的實例，如Perrotta等（2005）在巴西的米納斯吉拉斯州利用AS‐TER數據對含鋰偉晶巖進行了的實驗性填圖，Mendes等(2017)對不同的礦床中具相似特征含鋰礦物的識別進行了方法探索，提出利用相似比擬法可以實現含鋰礦物的技術區分；Joana等（2019）通過ASTER數據進行蝕變礦物填圖實現了沉積巖中含鋰礦物的直接識別，并對技術方法進行了系統綜述（Joana et al.,2020）。近年來，國內利用遙感技術進行含鋰偉晶巖勘查也取得很多成果，如王記周等（2019）、王輝等（2018）、范玉海等在新疆大紅柳灘對含鋰偉晶巖進行找礦勘查并對鋰資源進行了評價?？偟膩碚f，大部分研究的是沉積巖和變質巖中的偉晶巖信息提取，目前主要使用ASTER、LANDSAT以及高分辨率遙感數據，依據其稀有金屬礦床相關礦石與圍巖的光譜差異進行遙感地質工作，但花崗巖中的偉晶巖脈的遙感識別鮮有研究。究其原因，是因為花崗巖和含鋰偉晶巖脈的主要成分為石英，其光譜差異性并不明顯，在鏡兒泉研究區，從LANDSAT遙感影像、高分辨率的谷歌遙感影像、中國高分系列遙感影像等來看，其特征不明顯，需要一種方法增強其差異性，能夠顯著突出偉晶巖遙感特征的產品，以便適合野外地質填圖和勘查工作的實際需要。本文主要是采用ASTER遙感數據，通過增強遙感圖像中的差異來增強地質體的巖性差異，并突出含鋰偉晶巖的遙感特征，在2019年野外調查中新發現含鋰輝石偉晶巖1處。

1 研究區地質地貌概況

研究區位于新疆哈密市東直線距離170 km，行政區劃屬新疆維吾爾自治區哈密市管轄。由哈密市經G7京新高速及簡易公路可直達靶區，交通極為便利。研究區大地構造位置處于準噶爾-吐哈地塊覺羅塔格晚古生代溝弧帶康古爾海槽東段，區域上位于鏡兒泉凸起的擠壓帶內。區域構造位于黃山-鏡兒泉韌性剪切帶內，呈北東東走向延伸，長達六百余千米，沿剪切帶發育大量中三疊世中酸性巖體（圖1）。

研究區出露地層主要為上石炭統干墩組淺變質巖，侵入巖主要有中三疊世早期黑云母花崗巖、中三疊世晚期白云母花崗巖（含礦）。區內偉晶巖脈發育，多沿白云母花崗巖內部節理、裂隙產出，大致分為3組：近東西向裂隙多被花崗偉晶巖脈充填；北東向裂隙除被花崗偉晶巖充填外，且有含鋰、鈹的偉晶巖脈充填；近南北向裂隙寬度和延伸規模小，有少量花崗偉晶巖脈充填。區內已發現含礦偉晶巖脈4條，具有工業價值的偉晶巖脈2條，1號脈以Li-Be-Nb-Ta礦化為主，2號脈以Be-Nb-Ta礦化為主（圖2）。

1號脈長800 m，寬1～36 m。共生結構帶由內向外依次為塊體石英帶（含礦）→長石塊體帶→石英-鋰輝石帶→文象偉晶巖帶→準文象帶→細?；◢弬ゾr帶。目前開采深度約50 m，礦脈傾向北西300°～340°，傾角 50°～70°，平均品位：手選鋰輝石為28.01%，w(BeO)為0.29%，w(Ta2O5+Nb2O5)為0.06%。2號礦脈長約300 m，寬1～21 m，東段礦脈狹縮、彎曲劇烈，西段礦脈較為穩定。共生結構帶由內向外依次為塊體石英體→塊體微斜長石帶→小塊體帶（鈉長石化）→文象帶→中粒準文象帶→花崗巖狀偉晶巖帶→細晶巖狀花崗偉晶巖帶，平均品位：w(BeO)為0.021%，w(Ta2O5+Nb2O5)為0.012%。

研究區屬典型干旱戈壁荒漠景觀，微地貌形態為坡度緩、比高小的弧立殘山和平坦的荒漠。區內地表風化剝蝕嚴重，西南和北部的70%巖體被第四系、新近系、風積物覆蓋。其中淺薄的第四紀砂土覆蓋，給野外實地調查造成困難，很難獲得淺覆蓋下的偉晶巖脈，而遙感能夠一定程度上揭露戈壁淺覆蓋下的巖性信息（耿新霞等，2008）。

圖1 東天山東部地區大地構造位置簡要圖Fig.1 Simplified geotectonic location map of eastern Tianshan

圖2 鏡兒泉礦區地質簡圖Fig.2 Geological sketch map of the Jingerquan ore district

2 遙感數據處理

遙感找礦或者巖性識別需要根據研究目的選擇合適的數據，對于不同的研究目的，高分辨率遙感數據不一定優于中低分辨率數據。本次研究主要是利用遙感來識別花崗巖中的偉晶巖脈體，因其高分辨率遙感數據波段設置不足，識別不明顯，故而使用ASTER遙感數據。ASTER遙感數據雖然是中低空間分辨率，但其波段范圍寬、光譜分辨率較高，能夠攜帶更多的信息，可以利用其較高的光譜分辨率來增強其光譜差異性。

2.1 遙感數據的優選

稀有金屬偉晶巖找礦采用的高分辨率影像真彩色合成的高亮色為偉晶巖（代晶晶等，2017），目前，谷歌地球/奧維圖片中已經收錄大部分的高分辨率影像，且奧維影像也添加了中國高分系列衛星影像圖片，可以借助谷歌地球/奧維的高分辨率影像進行偉晶巖的識別。在本次研究中，筆者利用谷歌地球/奧維的高分辨率影像和2015年09月24日的8波段WorldView-2高分辨率遙感數據，嘗試假彩色合成，彩色變換等方法來識別花崗巖中的偉晶巖，實際區分效果有限，偉晶巖脈體并不能在高分辨率遙感影像中被明顯區分出來，推測可能是花崗巖中的偉晶巖與圍巖花崗巖光譜差異性微弱，難以有效區分（圖3a、b）。因此借助中低空間分辨率但具有較高光譜分辨率的ASTER遙感數據進行研究。

2.2 偉晶巖脈的遙感檢出限

圖3 鏡兒泉研究區GoogleEarth影像（a）和WorldView影像（b）注：圖3a拍攝于2010年4月25日/2013年9月4日；圖3b拍攝于2015年9月24日Fig.3 GoogleEarth image(a)and WorldView image(b)in Jingerquan study areaNote:3a was taken on April 4,2010/September 4,2013,and 3b was taken on September 26,2015

表1 構建模型的模擬地物DN值Table1 DN value of model of simulated objects

采用15 m～30 m中低分辨率ASTER遙感數據識別寬度不到幾米的偉晶巖，是許多地質學者存疑的問題。為了解釋遙感數據對信息的檢出限，利用圖像模擬的方法，采用主成分分析（PCA）提取信息的方法說明遙感數據的檢出限。建四維圖象（2550×2000×4），分割為（1275×1000×4）4個子圖，依圖4左上、右上、左下、右下的次序輸入花崗巖、偉晶巖、第四系、變質巖的ASTER的1、3、4、6波段數據（表1），并令其按列方向從0到相應波段DN值遞變，遞變周期為255列。若以（255×1×4）為一個單元，則全圖有20000個單元，左上角的蝕變巖有5000個單元，經PCA提取，閾值選用3σ（σ為標準離差），得出蝕變巖占5000/20000即1/4時的PCA結果。然后對蝕變巖區依次用普通巖取代，蝕變巖區分別保留500個單元（1275×100×4）、10個單元（1275×2×4）。對每一次改變都進行了PCA，閾值取3σ。閾值的確定以不出現干擾（即花崗巖、第四系和變質巖無異常）為原則，當閾值降低出現干擾時，意味著來蝕變巖的信息已減弱，以致淹沒于干擾中。將3次PCA檢出限模型實驗結果列入表2，檢出限模型實驗結果以圖4右展示。左為檢出限模型及其第一次PCA結果的全貌，右為PCA結果的局部窗口放大圖。從最后一次實驗來看，蝕變巖僅剩下10單元，即（1275×2×4），此時仍獲得了蝕變異常，10個單元僅占全圖面的兩千分之一（10/20000），因此，根據檢出限模型實驗結果，花崗巖中偉晶巖檢出限優于兩千分之一。也就是說在面積為兩萬平方千米的圖幅上，只要蝕變巖（有強有弱）的總面積不小于10平方千米，其信息就能被遙感檢出。

筆者根據以上模擬結果：只有優于10/20000的信息就可以檢出。再構建一個2個波段的30 m分辨率512×512像素的遙感模型，用以模擬偉晶巖脈體在圍巖中的微弱信息，第1個波段按列方向輸入從0到139的DN值遞變數據，遞變周期為512列，第二波段模擬南北向長條狀偉晶巖，分辨率輸入1個像素的值，Y分辨率逐漸減少，分別200個像素、150個像素、100個像素、50個像素、40個像素、30個像素、29個像素、28個像素等，當長度縮小到27個像素時，就無法解譯出來，因此，實際上只要南北向分辨率達到二十幾個像素即可分別出來（圖5）。

當然，作為實驗模型，條件被大大簡化了，實際地質情況十分復雜，巖性變化萬千；但該檢出限模型實驗結果也具有一定參考意義。至少說明利用中低分辨率遙感數據可以識別一定長度的偉晶巖脈體，為中低分辨率蝕變小脈體提供支撐。

2.3 微弱信號增強處理

雖然花崗巖和偉晶巖標準光譜（USGS）或者ASD等便攜式光譜測試儀測試的光譜特征具有一定的差異，但因其主要成分為石英，在15～30 m空間分辨率，且在僅有幾個波段的ASTER遙感數據中，差異性不明顯，信號微弱，為了適合地質人員有效的利用遙感影像，需要對影像進行處理，獲得易于地質人員野外實際工作的圖像。本次工作采用2000年06月10日獲取的ASTER遙感數據，圖中切除ASTER圖像中的鏡兒泉花崗巖巖體影像（圖6a），圖6b為AB的光譜剖面。對AST6-AST3，AST6-AST1兩對波段做散點圖（圖6c、d），根據花崗巖中偉晶巖脈的影像和散點圖對應關系，可以看出，圖6a影像圖中紅色是圈出的偉晶巖脈，相應的圖6c和6d為波段散點圖，圖6c和6d中的黑框為對應圖6a影像圖中圈出的偉晶巖脈。從圖6b中1、2、3點位對應的偉晶巖脈其光譜特征與花崗巖的光譜特征差異性非常好小，最小的僅僅差別幾個像素的差別（圖6a、b中的剖面2與周圍的特征差別）。這種差異性非常小，難以解譯。

再根據散點圖（圖6c、d）其花崗巖中偉晶巖脈體對應散點圖中的內部部分，這就難以利用主成分分析或者比值法的信息提取的方法提取出相應的信息，因為主成分分析提取信息是坐標平移和旋轉獲取正交變換后的信息，切割出的也是外部信息，對于如圖的內部信息，采用主成分或者比值法所取得的效果有限，需要結合巖性增強的方法來綜合分析。

表2 偉晶巖檢出限模擬的實驗結果簡表Table 2 Results testing detection limit model of pegmatite

圖4 偉晶巖檢出限模擬結果Fig.4 Detection limit model of pegmatite

圖5 偉晶巖脈體識別模擬Fig.5 Recognition model of pegmatite veins

圖6 ASTER遙感影像的光譜剖面與波段散點圖a：光譜剖面AB位置；b：光譜剖面圖；c：AST6和AST3散點圖；d：AST6和AST1散點圖Fig.6 Spectral profile and band scatter of ASTER remote sensing imagea:Spectral profile AB position;b:Spectral profile;c:Scatter plot of AST6 and AST3;d:Scatter plot of AST6 and AST1

盡管光譜差異性很小，但仍然可以利用微弱信息增強的方法增強偉晶巖的遙感特征，經過巖性增強，增強其光譜差異性，獲取了易于識別的偉晶巖遙感影像。

首先，遙感圖像經過準歸一化處理后，DN值域分布在0≤rk≤255范圍內。對[0，255]區間內的任一個rk值進行如下變換：

當灰度級是離散值的時候，可用頻數近似代替概率值，即：

式中，L是灰度級數；Pr(rk)是取第k級灰度值的概率；nk是在圖像中出現第k級灰度的次數；N是圖像中像素數。通常把為得到均勻直方圖的圖像增強用直方圖累積分布函數的離散形式可由式

表示，其反變換為

rk=T-1(Sk)

變換后的圖像為巖性增強的圖像，其中偉晶巖脈體為圖7中天藍色脈體清楚的顯示出來，可提供給地質人員供填圖使用（圖7）。

3 遙感識別結果的查證與新發現

圖7 ASTER原始遙感影像圖（a）與巖性增強影像對比圖(b)Fig.7 Comparison between ASTER original image(a)and RSLE image(b)

根據巖性識別的圖像結果，共識別了4條近東西向的脈體，Wy1、Wy2、Wy3、Wy4、Wy5、Wy6和Wy7，其中Wy1為北側的偉晶巖脈，此脈體圈定靶區，Wy4為1號脈體和2號脈體所在的偉晶巖脈，并且延伸到第四系處，被第四紀砂土淺覆蓋，在此處野外查證后發現偉晶巖脈探槽，Wy6為花崗巖中的偉晶巖脈，Wy7為花崗巖體南側的偉晶巖脈。再結合ASTER遙感數據提取的蝕變異常信息，識別遙感找礦標志，綜合分析在本區域圈定了找礦靶區若干處，其中一個找礦靶區進行野外驗證（圖8），發現鋰輝石偉晶巖脈一處，該偉晶巖脈，處于巖體北部，呈東西向分布，地表物理分化強，地表露頭的脈體寬1～2 m，長度大于10 m（圖8）。

4 結 論

高分辨率遙感識別干旱區裸露區的偉晶巖型稀有金屬礦床效果明顯，可以借助于高分辨率遙感（可見-近紅外）的假彩色合成的圖像進行識別，根據偉晶巖光譜特征，一般偉晶巖在可見-近紅外波段的假彩色合成影像中顯示高亮的色調；由于谷歌地球或者奧維地圖中的遙感影像圖片具有較高的分辨率，地質人員也可以借助谷歌地球或奧維地圖遙感影像圖片進行偉晶巖脈體的識別。但諸如鏡兒泉研究區，花崗巖中難以區分偉晶巖，需要遙感人員進行一定的技術“解讀”，把微弱的光譜差異性增強，適合地質人員野外填圖和找礦工作的具有清晰偉晶巖脈體的影像圖，這也是專業分工和合作的目的。本文主要取得以下結論：

（1）對于遙感識別地質體，需要模擬來獲取準確的參數和合適的方法。模擬的好處在于能把復雜的問題簡單化，并且能夠“隱藏”干擾信息，對于采用的技術方法提取的信息及信息量能夠很好打的模擬。

（2）根據遙感模擬的檢出限，ASTER遙感識別一定長度的脈體具有優勢，有些脈體寬度雖然不到1個像素，但因其具有一定的長度，能夠很好的識別。

（3）遙感的技術優勢在于把“隱藏”的信息“顯現”出來，通過一定的轉化或增強，把相對于高分辨率遙感“隱藏”的偉晶巖脈體信息顯示輸出，供地質填圖和找礦使用。

（4）在戈壁荒漠景觀區，第四紀砂土的淺覆蓋下的偉晶巖脈可以識別出來。

致 謝研究過程中得到了中國地質科學院礦產資源研究所王登紅研究員、新疆有色地質勘查局704隊三金柱教授級高工和新疆有色地質勘查局郭旭吉教授級高工的指導。