DEM 紋理增強在松遼盆地南部控鈾斷裂識別中的應用

易敏 ,邱駿挺 ,葉發旺 ,王建剛 ,郭強

(1.核工業北京地質研究院 遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室,北京 100029;2.中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033;3.核工業北京地質研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點試驗室,北京 100029)

松遼盆地是我國東北部一個大型的中、新生代沉積盆地,蘊含有豐富的鈾礦資源,已相繼發現了錢家店、白興吐等砂巖型鈾礦床和一系列鈾礦化點、異常點等[1--3]。近年研究表明,松遼盆地后生改造作用和構造反轉對鈾礦形成具有重要作用,其中新生代產生的斷裂構造為成礦流體的運移、排泄以及深部還原物質的活動提供了有利條件,是十分重要的成礦要素[4]。掌握新生代松遼盆地的斷裂構造樣式、性質及其組合特征對開展區域性鈾成礦預測工作具有積極意義。

遙感已成為地質礦產勘查工作中不可或缺的技術手段,廣泛應用于構造解譯、巖性識別、地質填圖、找礦預測等多個領域[5--12]。應用研究學者已發現綜合利用多源數據解譯能大大提高遙感解譯成果的可信度與準確度[13--15]。本文以松遼盆地為例探討了一種基于數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的地形紋理增強技術,并用于斷裂構造的識別。

1 地質背景

1.1 地層

松遼盆地由基底和蓋層沉積兩部分構成:基底由一套前寒武世至古生代的變質巖和火成巖組成,上部蓋層則主要由中、新生代地層組成,總厚度超過11 000 m,以白堊系最為發育,包含沙河子組、登樓庫組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組等,厚度超過7 000 m[16--17](圖1)。從沙河子組到四方臺組,沉積水深先由深變淺再變深最終變淺,其中沙河子組為一套河流、濱淺湖、半深湖--深湖沉積,登樓庫組和泉頭組主要為洪積、河流、湖泛平原、三角洲沉積,姚家組和嫩江組主要為洪積、河流、三角洲或半深湖--深湖沉積,四方臺組主要為淺湖、淺灘和河流沉積。白堊系巖石類型也十分多樣,包含了湖相泥巖、頁巖、河流相砂巖,沖積扇礫巖等。沉積巖顏色多樣,包含了代表氧化環境的紅色、紫紅色、黃色以及代表還原環境的黑色、灰色等。

圖1 松遼盆地南部區域地質簡圖Fig.1 Regional geology map of the southern Songliao Basin

1.2 構造

松遼盆地以正斷層的廣泛發育為特征,分兩種類型:一種是同沉積的生長斷層,另一種是后生斷層。這兩種正斷層組成盆地中最廣泛的構造樣式——張性斷塊。生長斷層在斷裂活動時期影響和控制著上、下盤沉積巖性和厚度的發育,其上、下盤沉積環境可能不同,因而兩盤地層不易對比。后生斷層與沉積作用無關,通常發生在構造運動短暫的強烈活動期,兩盤的地層可以對比。張性斷塊在平面上可與其他樣式相區分。松遼盆地壓性構造主要是在白堊紀末—第四紀時期形成。在第四紀時期,大陸邊緣出現突發性的彈性收縮,擠壓顯著,使盆地發育一系列背斜構造帶,表現為逆斷層和波狀褶皺。松遼盆地的剪性構造主要以盆地東部的郯廬斷裂帶為代表,不僅在宏觀上表現為明顯的線狀特征,而且在剖面上也呈現出花狀構造。

2 技術方法

數字高程模型(DEM)是地表形態的數字化模擬,其中蘊含了地學應用分析所必需的地形地貌信息[18]。地表形態是由地球內、外力作用產生,是內外力協同合作的結果,故而DEM較遙感圖像而言更能突出地表的地形地貌。因此利用DEM 影像與遙感圖像進行紋理分析與解譯在理論上可提高解譯的可靠性。

DEM 圖像DN 值的差值體現為地形的起伏,原始圖像的視覺效果相對較差,因此需要對DEM 數據進行處理來改善圖像的視覺效果,能更有針對性的提取所需信息。本文采用的影像增強原理就是通過模擬太陽對地照射,進行人為制造陰影,達到增強與突出地形起伏效果的一種信息增強方法。通過對陰影進行建模,計算局部照明度以及像元是否落入陰影內,即通過假想一個太陽(固定光源)的位置,再根據實際地形的變化,計算每個像元的DN 值。

首先對DEM 圖像進行3×3卷積操作,計算圖像中各個像元沿著行列方向的坡度值,根據兩正交方向的坡度值反算出坡度角:

式中:Pd為中心像元坡度角,rad;k為地形調節因子,常量,根據地形的不同設置不同的值;Zx、Zy為中心像元行列方向的坡度值。再通過兩個正交方向的坡度值計算中心像元的坡向角P X:

式中:P X為中心像元的坡向角,rad;Z x、Z y為中心像元行列方向的坡度值。最后通過建模公式計算中心像元的DN 值:

式中:DN為模擬生成圖像的像元值;θr為假想光源天頂角,rad;P d為像元坡度角,rad;θf為假想光源的象限角,rad;P X為像元坡向角,rad。

3 實驗數據與數據處理

本研究使用的數字高程數據為空間分辨率15 m 的ASTER DEM 數據,下載自美國地質調查局EarthExplorer數據服務平臺(https:∥earthexplorer.usgs.gov),由105 幅圖件鑲嵌而成,覆掩了整個松遼盆地及部分盆地周邊地區,面積約35×104km2(圖2)。

圖2 松遼盆地整體數字地形圖Fig.2 DEM of the Songliao Basin

利用紋理增強方法,以松遼盆地的數字地形圖作為對象,開展陰影模擬,將陰影結果同數字高程結果進行疊合,獲得了松遼盆地全盆及周圍地區的紋理信息增強圖(圖3)。

4 地形紋理增強結果的應用

4.1 發現光學遙感不易觀察到的斷裂

松遼盆地西緣盆山結合帶地區的地勢變化明顯。以烏蘭浩特--扎賚特旗--龍江縣一帶為例,其西部臨山,東部則為平原。在遙感數字地形圖上可以明顯看出,扎賚特旗西部的地勢較高(以紅色表示高海拔),而東部則較為平緩(以黃綠色表示低海拔)(圖4)。地勢從西向東平緩過渡,很難看出西部與東部之間有間斷的跡象。

通過紋理增強后可以看出,西部地區的紋理特征十分明顯,東部地區的紋理特征則相對較弱,這是由于西部地區地勢較高,受水流下蝕作用明顯,經紋理增強后則更為明顯(圖5)。與此同時,發現扎賚特旗東部不遠處有一條北北東走向的線狀構造,以此為界,將西部較強的紋理特征與東部較弱的紋理特征截然分開,且西部呈東西走向的紋理遇該北北東向線狀構造后戛然而止,并未向東部繼續延伸,說明該線狀構造可能為一條斷裂構造。

圖3 松遼盆地紋理信息增強圖Fig.3 Texture enhanced image of Songliao Basin

圖4 松遼盆地西緣扎賚特旗附近數字高程圖Fig.4 DEM near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

進一步對比遙感影像圖后發現,利用紋理增強圖解譯出的線狀構造正好經過一個沖積扇,且沖積扇覆蓋處的線狀構造特征最弱,此外還發現線狀構造經過處,沖積扇的地表形態有明顯變化,具體表現為線狀構造以西沖積扇弧口緊閉,而線狀構造以東沖積扇弧口突然向外擴張(圖6)。以上特征說明,利用紋理增強圖解譯的線狀構造很可能是一條斷裂構造,其形成時間位于沖積扇形成之前,且很可能為一條同沉積構造,控制了沖積扇的形成。

4.2 確證斷裂并推斷斷裂活動性質

前文介紹了地勢差異大的地區紋理特征明顯,而地勢差異小的地區紋理特征不明顯這一常識。該特征同樣可以用來確證斷裂并推斷斷裂的活動性質。下述以雙遼地區為例進行介紹。

圖5 松遼盆地西緣扎賚特旗附近紋理增強解譯圖Fig.5 Texture enhanced image and geological interpretation near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

圖6 松遼盆地西緣扎賚特旗附近遙感地質解譯圖Fig.6 Remote sensing image and geological interpretation map near Jalaid Banner in the western margin of Songliao Basin

雙遼地區位于松遼盆地的東南隆起區和西南隆起區的交界處,研究區內蓋層僅見有嫩江組,以湖相沉積為主,巖性為灰綠色、灰紫色安山玄武巖、安山巖和少許流紋巖以及碎屑巖[19]。從雙遼地區的數字地形圖上可見,該地區的地形差異較小,整體表現為西南高、東北低,紋理特征極不明顯(圖7)。經過紋理增強后可見,西南部的紋理特征明顯增強,東北部有一小塊地區紋理特征也較為明顯,但東部地區紋理特征依然不明顯(圖8)?？紤]到紋理特征與地勢差異之間的關系,認為西南部的整體地勢要高于東部地區。

圖7 松遼盆地雙遼縣附近數字高程圖Fig.7 Digital elevation model near Shuangliao County in Songliao Basin

圖8 松遼盆地中部雙遼縣附近紋理增強地質解譯圖Fig.8 Texture enhanced geological interpretation map near Shuangliao County in central Songliao Basin

值得注意的是,雙遼縣從遙感影像上看位于一北北西走向的小塊體之上(以下簡稱雙遼塊體),且從遙感影像上可以明顯看出該塊體與西部的大塊體原為同一塊體,原因是該塊體的西部邊界與西部大塊體的東部邊界在遙感影像上具有相同的特征,同時根據地質圖發現兩塊體都處于嫩江組,具有相似的地質特征(圖9)。兩者之間現被一北北西走向的線狀構造分割。該線狀構造在遙感影像上呈綠色條帶狀,是河流活動后的產物,但究竟與河流下蝕作用有關還是與斷裂活動有關,通過遙感影像無法確定。

直接利用數字地形圖判別雙遼塊體與西部塊體之間的相對運動是很困難的,因為兩者海拔高度相差不大,數字高程圖像上的DN 值差很小而不易被辨識,為了突出這種差異性,需要對原始圖像進行處理。從紋理增強圖上可見,雙遼塊體的紋理特征明顯弱于西部塊體,說明雙遼塊體地勢低而西部塊體地勢高。而從遙感影像上分析,兩者原為同一塊體,說明雙遼塊體相對西部塊體發生下降,二者間存在相對運動,分割兩者的線狀構造應為一斷裂構造?？紤]到斷裂構造兩側的巖性相同,推斷該斷裂構造為后生斷裂構造。

目前,在該構造附近已發現多處鈾礦化異常,紅色虛線為斷裂、兩旁的紅點為鈾礦化點,這很可能是由于該斷裂改變了地下水的遷移狀態,為含鈾含氧水的滲入與循環創造了有利的構造環境(圖9)。本例說明,利用紋理增強技術可以間接的識別后生斷裂構造,為快速確定區域鈾成礦要素提供了新的技術支持。

5 結論

本文以松遼盆地例,建立了基于數字地形的紋理增強方法,并在松遼盆地西部扎賚特旗地區和中部雙遼地區開展了試驗應用,對同沉積構造和后生構造進行了識別,取得了較好的應用效果,為覆蓋區開展遙感地質構造解譯工作提供了新的思路,也為松遼盆地鈾成礦要素的確定提供了新的技術支持。