盛丹 梁軍 查道函

摘 要 ?本文以甘肅省金川銅鎳礦探測區(qū)的Cu、Pb、Zn、Co、Ni、Cr等六種微量地球化學元素在高光譜上的表現(xiàn)為主要目標，一方面根據(jù)地球化學方法分析微量元素的異常，另一方面將高光譜遙感信息和地球化學信息融合，以挖掘綜合找礦信息，并進一步尋找微量化學元素含量的變化對地物波譜和高光譜遙感波譜的相關(guān)影響。

關(guān)鍵詞 ?遙感;地球化學;因子分析;偏相關(guān)分析;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：P627 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： In this thesis， Gansu Jinchuan copper-nickel mine detection zone Cu， Pb， Zn， Co， Ni， Cr and six trace geochemical elements in the hyperspectral as the main objective .On the one hand， analysis based on trace element geochemical anomalies， On the other hand， the hyperspectral remote sensing information and geochemical information fusion， integrated prospecting to mining information， and further to find the trace chemical elements in the change of object spectrum and the spectral correlation of hyperspectral remote sensing .

Key words： remote sensing; geochemistry; factor analysis; partial correlation analysis; artificial neural network

最近幾年以來，隨著高光譜數(shù)據(jù)的獲取和高分辨率多光譜數(shù)據(jù)的獲取越來越容易，以及地面地物測試儀器的普及，使得遙感數(shù)據(jù)與地學信息的結(jié)合更加容易，遙感及地質(zhì)、地球化學等信息綜合找礦研究已成為重要的方法之一[1-6]。本文針對甘肅金川銅鎳礦區(qū)地面測試高光譜波譜數(shù)據(jù)、遙感高光譜波譜數(shù)據(jù)與地球化學測試數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，進一步開展定量化的地球化學研究。

1 ?地質(zhì)背景

研究區(qū)域?qū)冽埵咨姐~鎳多金屬成礦帶，該區(qū)域在大地構(gòu)造上屬于中朝地塊阿拉善南緣龍首山隆起帶，露出地層主要有上太古界、元古界、古生界寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、中生界侏羅系、白堊系和第四系。

研究區(qū)所屬的龍首山地區(qū)屬地質(zhì)運動活躍地帶，已經(jīng)歷多次的大規(guī)模構(gòu)造運動，構(gòu)造特征主要為一軸部位大溝井——獨峰頂一代的龍首山復(fù)式向斜。該地區(qū)的巖層主要分為三個地質(zhì)構(gòu)造層，分別為基底構(gòu)造層、準基底構(gòu)造層和蓋層構(gòu)造層，每一層都發(fā)育成一系列的北西向褶皺，并局部倒轉(zhuǎn)。其基底構(gòu)造層在上太古界龍首山群最為活躍，近南東—北西向無根褶皺及疊加褶皺最為突顯，斷裂主要運動趨勢以走向北西向及北西西向逆斷層，在以東西向及南北向正斷層及平移斷層;準基底構(gòu)造層主要以下元古界塔馬子溝組為主，其中層內(nèi)小褶曲和層間剪切斷裂非常常見。蓋層構(gòu)造層主要較年輕的中元古界、震旦系和古生界地層為主。斷裂構(gòu)造運動形式包括正、逆、平移斷層和逆沖推覆構(gòu)造等，主要以北西西向推覆構(gòu)造為主，偶爾伴有韌性剪切和伸展構(gòu)造體系，由于斷裂構(gòu)造存在，加之多期巖漿活動和地殼升降運動的原因，使得該區(qū)域構(gòu)造十分錯綜復(fù)雜。

研究區(qū)巖漿活動周期短，頻率高，并且種類多，從呂梁期前過渡到燕山期，既出現(xiàn)火山噴發(fā)在基性—中酸性，廣泛侵入活動出現(xiàn)在超基性—酸性巖漿;侵入巖體的發(fā)育伴有白家嘴子超基性巖、塔馬子溝基性巖和河西堡花崗巖等。侵入巖受斷裂構(gòu)造控制，多呈巖基、巖脈、巖墻、巖株侵入或注入于各系地層中。

本研究區(qū)變質(zhì)巖發(fā)育較為旺盛，其中主要以區(qū)域變質(zhì)巖為主，動力變質(zhì)巖和接觸變質(zhì)巖次之。區(qū)域變質(zhì)巖包括變砂巖、板巖、千枚巖、片巖、變粒巖、斜長角閃巖、大理巖類及混合巖;動力變質(zhì)巖和接觸變質(zhì)巖，其中上太古界～下元古界為中深變質(zhì)巖系，在上太古界～中元古界部分疊加了區(qū)域動力熱流變質(zhì)作用，經(jīng)歷了中高溫區(qū)域變質(zhì)作用的高角閃巖相、綠簾石角閃巖相及綠片巖相，上元古界變質(zhì)巖系為綠片巖相。早古生代變質(zhì)巖主要在低溫區(qū)域變質(zhì)和動力變質(zhì)作用下的產(chǎn)物，屬于綠片巖相～低綠片巖相變質(zhì)巖系。

2 ?測區(qū)地球化學元素分析

根據(jù)表1得到的探測區(qū)背景值1～3級異常值以及基性和超基性巖的均值，對Ni、Cr、Co、Cu、Pb、Zn進行異常劃分。Ni、Cr、Co往往形成環(huán)境為高溫，與基性超基性巖環(huán)境密切相關(guān)，所以采用背景值和1～3級異常值來制圖。Zn、Cu元素來源比較復(fù)雜，也用背景值和1～3級異常值。Pb元素在基性超基性巖中含量極低，所以重點突出低值異常。根據(jù)上述方法使用Sufer軟件繪制各元素原生暈異常分布，從圖1、2、3可以看出，同為超基性巖典型元素的Ni、Cr 、Co其異常分布在中部、西北部和東南部，基本上都是北西向分布，與斷裂帶分布方向一致。

在對金川銅鎳礦測區(qū)進行地球化學分析時，重點分析了Ni、Cr、Co、Cu、Pb、Zn等6個單元素，經(jīng)過相關(guān)統(tǒng)計、聚類分析以及因子分析之后，采用了因子分析降維和高溫低溫元素的比值變換組合。經(jīng)過概率格紙圖解法計算出各元素含量以及組合元素的原生暈異常分布圖，經(jīng)過與地質(zhì)圖對比發(fā)現(xiàn)：

（1）Ni 、Cr、Co的中、高濃度原生異常呈NW走向展布，與測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造走向一致，說明本區(qū)原生異常形成與構(gòu)造有關(guān)，而且中、高濃度原生異常地球化學特征，多與區(qū)域地球化學特征顯示的礦化超基性巖體的異常相似，說明本區(qū)原生異常多為礦化超基性巖體引起。

（2）本區(qū)原生異常呈有規(guī)律的NW走向異常展布，反映在測區(qū)范圍內(nèi)有一深部相連的超基性巖體。

3 ? 高光譜遙感地球化學信息提取

不同屬性的多元地學找礦信息（地質(zhì)、物探、化探、遙感等）之間，存在著兩種不同的空間相關(guān)關(guān)系：套合和耦合。對前者套合而言，是指各元信息之間在空間上相關(guān)，但成因關(guān)系不明顯，利用遙感信息與地球化學信息在空間上融合，可以提取出許多以前方法提出不出的微弱信息。而耦合則是空間和成因均相關(guān)（趙鵬大，1999），從原理上從光譜的特征角度上，將影像真正的與地球化學信息完全結(jié)合在一起，以致可以進行預(yù)測。

在進行遙感信息和地球化學信息關(guān)聯(lián)分析時，一方面是要研究異常之間的套合關(guān)系，但是更重要的是著重研究遙感信息和地球化學信息之間的耦合關(guān)系。如果要進行預(yù)測模型的建立則需要通過多元數(shù)理統(tǒng)計分析方法能夠?qū)b感和地物化數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性作出正確的識別和判斷，在可見光到中紅外波段范圍內(nèi)的遙感器可接受的波段內(nèi)，有些礦物或化學組分具有特征的吸收（或反射）譜帶，表明遙感對地球化學信息的響應(yīng)。

3.1Hyperion數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于本文所使用的數(shù)據(jù)為Hyperion L1T產(chǎn)品（EO1H1320332008248110PW），這是研究性數(shù)據(jù)，沒有像其他商業(yè)遙感數(shù)據(jù)那樣經(jīng)過多級處理，所以需要人工修復(fù)。Hyperion L1產(chǎn)品從L0數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理生成，包括斑點去除、回波糾正、背景去除、輻射糾正、壞像元恢復(fù)以及圖像質(zhì)量檢查等過程。一旦數(shù)據(jù)集生成，應(yīng)該不再有壞像元或條紋等誤差存在。但是，實際上不正常的像元仍然存在，在進行圖像應(yīng)用之前，必須將不正常的像元識別出來并加以糾正。

3.2高光譜遙感信息提取

金川礦區(qū)有過四起主要的基性-超基性巖漿活動事件：太古代斜長角閃巖化的似層狀玄武質(zhì)噴出巖;中元古代，斜長角閃巖化的玄武質(zhì)侵入體;晚元古代，受綠片巖相變質(zhì)作用影響的基性—超基性巖體;古生代泥盆紀以后，蒙脫石化的玄武質(zhì)侵入體。而本文主要研究的就是形成于晚元古代，與銅鎳礦化有關(guān)的超鐵鎂質(zhì)巖石，分布在從太古界到上遠古界的震旦系的各個時代地層中，經(jīng)受了相當綠片巖相的區(qū)域變質(zhì)與后期的構(gòu)造擠壓作用改造，其中相當一部分已轉(zhuǎn)化為陽起石—透閃石片巖。

金川地區(qū)的Cr元素主要存在與造巖礦物尖晶石中，而鉻尖晶石主要是形成層與基性超基性巖之中，所以總體上要探測Cr元素的分布規(guī)律就必須弄清基性、超基性巖脈的分布。而且由于高濃度Cr離子會置換基性、超基性巖中的Mg-OH離子、Fe-OH以及Al-OH，所以本文間接的角度分析Mg-OH、Al-OH分子吸收特征變化就可以與Cr離子建立關(guān)聯(lián)。

根據(jù)地面巖石樣本所測試的礦物，金川銅鎳礦探測區(qū)基性-超基性巖的主要礦物組成為輝石、陽起石、綠泥石、橄欖石、蛇紋石、滑石、黑云母等。如表2所示。

從濃度較高的Cr、Ni基性超基性巖樣品的礦物組成來看，主要含有橄欖石、陽起石（Ca2（Mg，F(xiàn)e2+）5〔Si4O11〕2〔OH〕2）、斜長石、綠泥石（chlorite）、蛇紋石（（Mg ，F(xiàn)e ，Ni） 3 Si2O5（OH）4）、石英等。蝕變礦物陽起石、綠泥石、蛇紋石都具有Mg-OH、Al-OH等比較明顯的吸收峰（圖7）。所以，這些峰信息與Cr、Ni含量之間的關(guān)系是本文研究重點。

根據(jù)ENVI自帶usgs_min礦物波譜庫數(shù)據(jù)，經(jīng)過5點均值光滑處理之后再將多個曲線平均后得到圖7。從圖7中可以看出，在短波紅外部分，超基性巖Mg含量高，而Al含量低，Mg-OH在2.3～2.33μm之間的特征峰非常明顯[7]，這是本文研究的主要特征峰。含Al-OH礦物診斷譜帶一般位于2165～2205nm附近。從晶體分子上來看，Mg-OH和Al-OH吸收峰是分析Cr、Ni、Co的關(guān)鍵，所以本文主要分析以上2個位置的峰信息。

高光譜提取礦物信息有著多光譜所不具備的優(yōu)勢，由于其波譜是連續(xù)的，所以可以使用ENVI軟件中的波譜沙漏分析工具（Spectral Hourglass Wizard）來進行像元端元提取、光譜角匹配等方法來提取礦物信息[8]。具體處理方法有以下一些：

最小噪聲分離旋轉(zhuǎn)（MNF）：最小噪聲分離旋轉(zhuǎn)（MNF）分為正變換和逆變換，正交變換能夠?qū)⑿盘柵c噪聲分離，變換后的前數(shù)個波段的特征值遠遠大于以后波段的特征值，且這些波段數(shù)據(jù)顯示的地物影像清晰，集中地物的絕大部分光譜信息，而且能分離波段中的噪聲數(shù)據(jù)。通過一次正變換和一次逆變換就可以去除噪聲，從而提高波譜數(shù)據(jù)的處理效率[9]。

將本次試驗數(shù)據(jù)158個波段全部進行MNF分析，在通過MNF特征值圖可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過MNF變換之后的數(shù)據(jù)中，按特征值由大到小排序的變換分量所包含的噪聲成分逐漸減小，圖像質(zhì)量依次提高，MNF波段1的特征值是最大的。噪聲主要集中在特征值低的波段，一般認為特征值大于1的波段包含波譜信息，特征值接近1的波段包含噪聲。根據(jù)實際情況，如圖8，MNF變換的第20波段噪聲信息量大，基本上不能夠提供有用的信息，而20以后的主成分信息量更少，所以本文只提取了1-19個波段做為MNF的主成分。并將這19個主成分進行MNF逆變換為一組新的數(shù)據(jù)，這時新數(shù)據(jù)的噪聲更少。

純凈像元提?。涸诂F(xiàn)實中真正的純凈像元是不存在的，但是為了方便運算，這里所指的純凈像元是相對的。沙漏工具通過將N維散點圖映射為一個隨機單位向量的反復(fù)迭代計算生成PPI（純凈像元）影像，這樣通過PPI影像計算得到的像元大多數(shù)是純凈像元或極值像元。所以經(jīng)過迭代次數(shù)越多，得到的純凈像元越好，但是處理時間會增加。研究設(shè)置迭代次數(shù)為12000次，閾值設(shè)置為數(shù)據(jù)噪聲等級的2.5倍，噪聲閾值接近1個像元，因此閾值設(shè)置為2。

PPI的處理結(jié)果隨后會輸入到N維可視化工具中，通過旋轉(zhuǎn)將備選像元的n維散點圖相繼向低維空間投影，交互式選擇分布于數(shù)據(jù)粒子云主體的外圍或末端的像元則為最終的端元像元。

波譜得分分析：高光譜數(shù)據(jù)具有多光譜所不具備的光譜連續(xù)的優(yōu)勢，高光譜波譜與礦物波譜的匹配方法在沙漏工具中主要有三種：

①光譜角分類法，是將光譜數(shù)據(jù)視為多維空間的矢量，利用解析方法計算像元光譜與光譜數(shù)據(jù)庫中參考光譜之間矢量的夾角，根據(jù)夾角的大小來確定光譜間的相似程度，以達到識別地物的目的[10]。

②波譜二值分類法，根據(jù)波段值落在均值的上或下方，把數(shù)據(jù)波普和端元波普編碼為0或1，異或邏輯函數(shù)用來將每種編碼后的參考波普同編碼后的數(shù)據(jù)波譜進行比較的方法[11]。

③波譜特征值匹配法，將像元波譜的特征峰信息與參考波譜特征峰信息進行對比來進行分類預(yù)測。

ENVI沙漏工具波譜得分分析是將像元波譜同時采用光譜角分類法、波譜二值分類法和波譜特征值匹配法三種方法同時進行分析，并通過賦予三種方法不同的權(quán)值來進行得分匹配，得分數(shù)高則表明波譜形態(tài)的匹配相似度越高，1則代表完全匹配。

由圖9所示，金川銅鎳礦探測區(qū)基性-超基性巖巖脈為探測區(qū)西南部北西向的輝橄巖、變輝橄巖以及輝綠巖。這些巖脈的都比較窄，最窄的只有10米不到，而Hyperion的像元為30米×30米，所以必定有不少像元無法分辨或者微笑輝綠巖混合其他巖性光譜。由表2所知，輝橄巖最突出的構(gòu)巖礦物是橄欖石、輝石、綠泥石、陽起石，而輝綠巖最突出的構(gòu)巖礦物是陽起石、綠泥石。為了從遙感上提取出輝橄巖和輝綠巖的信息，本文采用USGS波譜庫中的輝石和橄欖石組合疊加提取輝橄巖，采用綠泥石和陽起石組合提取輝綠巖（如圖10所示），使用高光譜的沙漏工具進行了信息提取。其中光譜角分類的分類角經(jīng)過多次試驗，取值0.07，光譜角分類的在得分分析時權(quán)值取0.3;波譜二值分類法權(quán)值取0.2;波譜特征值匹配法取權(quán)值0.5。根據(jù)反復(fù)的實驗，輝綠巖和輝橄巖信息提取如下：

根據(jù)光譜得分分析中三種方法的綜合得分，輝橄巖和輝綠巖信息提取如圖10所示。

在圖中可以看到，輝橄巖在南部地區(qū)具有一個比較密集的北西走向分布帶，而在中部地區(qū)分布則比較零散。在與地質(zhì)圖（圖9）相對應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，在探測區(qū)南部震旦系出現(xiàn)的輝橄巖脈相對比較寬，在Hyperion中能夠比較明顯的提取出來，但是其分布比較零散，規(guī)律性不強。而在探測區(qū)中部也出現(xiàn)一個規(guī)模比較小的北西向輝橄巖脈，而地質(zhì)圖中則為白家嘴子組的大理巖出露，這說明大理巖對輝橄巖的提取具有一定的干擾。

在探測區(qū)輝綠巖脈比輝橄巖脈更加細小，Hyperion更加難以區(qū)分。從圖10可以看出，提取出來的輝綠巖還是比較零散，大體可以看出呈北西向。在與地質(zhì)圖對比后發(fā)現(xiàn)，比較寬的輝綠巖還是可以提取，而規(guī)模小的輝綠巖則完全淹沒在其他光譜信息里。

3.3遙感地球化學信息相關(guān)性分析

微量地球化學元素含量及其組合變換值與高光譜遙感波譜存在一定的內(nèi)在相關(guān)性。在金川銅鎳礦探測區(qū)，Cr、Co、Ni等化學元素含量與地面多數(shù)巖性波譜不存在比較明顯的相關(guān)性，而與基性-超基性巖的輝橄巖和輝綠巖呈比較明顯的規(guī)律。

本文以橄欖石、輝石為礦物波譜提取輝橄巖，經(jīng)過光譜角分類、二值分類和特征峰分類法的綜合得分分類，結(jié)果中橄欖石的分布比地質(zhì)圖中橄欖石分布要多，這說明其他巖性特別是大理巖，對橄欖石的分布有一定的干擾。在提取輝綠巖信息時采用綠泥石和陽起石的組合，在去除了與輝橄巖重疊的信息后發(fā)現(xiàn)，完全符合輝綠巖的信息明顯比地質(zhì)圖中的要少，這與輝綠巖脈太窄有關(guān)。

在提取了基性-超基性巖后，在巖脈之上采集了40個波譜樣本，并與地球化學指標進行相關(guān)分析。結(jié)果證明，在輝橄巖和輝綠巖中，峰面積、中心波段和吸收深度都與Cr、Ni、因子主成分值有比較強的相關(guān)。經(jīng)過偏最小二乘法回歸預(yù)測，預(yù)測效果比較理想，這證明在輝橄巖和輝綠巖中，Cr、Ni、因子主成分值與Mg-OH峰信息由比較強的相關(guān)性。

4 ?結(jié)論與問題

主要的結(jié)論有以下幾點：

（1）從地球化學元素Cu、Zn、Pb、Co、Ni、Cr的分布來看，Cu、Zn、Pb分布規(guī)律并不明顯，而Co、Ni、Cr這三個高溫元素存在比較強的相關(guān)性。其分布主要集中在震旦系地層中的基性-超基性巖脈區(qū)，基本上呈北西向展布，與構(gòu)造斷層、基性-超基性巖將活動有關(guān)。

（2）地球化學含量與室內(nèi)測試地物波譜存在一定的相關(guān)性，通過單波段回歸分析與多元回歸分析，如偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)回歸分析等方法發(fā)現(xiàn)Mg-OH的吸收峰與高溫元素Cr、Co、Ni具有地質(zhì)上的規(guī)律。地物波譜經(jīng)過數(shù)學變換之后進行單波段回歸或多元回歸效果比原反射率要好。Cr含量比較高的基性-超基性巖與地物波譜的規(guī)律性比較強。

（3）在金川銅鎳礦探測區(qū)，以橄欖石、輝石為礦物波譜提取輝橄巖，經(jīng)過光譜角分類、二值分類和特征峰分類法的綜合得分分類，結(jié)果中橄欖石的分布比地質(zhì)圖中橄欖石分布要多，這說明其他巖性特別是大理巖，對橄欖石的分布有一定的干擾。用綠泥石和陽起石的組合提取輝綠巖信息，在去除了與輝橄巖重疊的信息后發(fā)現(xiàn)，完全符合輝綠巖的信息明顯比地質(zhì)圖中的要少，這與輝綠巖脈太窄有關(guān)。

參考文獻/References

[1]魏文薪. 遙感數(shù)據(jù)與化探數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用研究[D].吉林大學. 2007， 7-9.

[2]張遠飛，植起漢. 遙感、地球物理和地球化學數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性探討[J]. 礦產(chǎn)與地質(zhì)， 1986（3）： 58-61.

[3]林樹道. 遙感找礦的生物地球化學信息[J]. 國土資源遙感， 1991（4）： 13-19.

[4]徐瑞松. 粵西、海南金礦生物地化效應(yīng)的遙感研究[J]. 地質(zhì)學報， 1992. 66（2）： 170-181.

[5]浦瑞良，宮鵬. 高光譜遙感及其應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社， 2000： 193-202.

[6]劉福江等. 遙感與化探數(shù)據(jù)融合技術(shù)在金礦預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 地質(zhì)與勘探， 2007（3）： 74-77.

[7]吳昀昭， 田慶久， 季峻峰.，遙感地球化學研究[J]. 地球科學進展， 2003.12（1）：56-59.

[8]孫衛(wèi)東等. 阿爾金地區(qū)高光譜遙感礦物填圖方法及應(yīng)用研究[J]. 新疆地質(zhì)， 2010（2）： 214-217.

[9]劉漢麗等. 結(jié)合MNF變換與灰值形態(tài)學的三江平原多光譜、多時相MODIS遙感影像分類[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2011（2）： 153-156.

[10]王旭紅等. 基于SAM遙感影像的分類技術(shù)研究[J]. 西北大學學報（自然科學版）， 2008（4）： 668-672.

[11]羅富生等. 金礦床遙感影像模式及證據(jù)權(quán)重法在找礦預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 國土資源遙感， 1994（4）.121-123.