DEM 紋理增強(qiáng)在松遼盆地南部控鈾斷裂識(shí)別中的應(yīng)用

易敏 ,邱駿挺 ,葉發(fā)旺 ,王建剛 ,郭強(qiáng)

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033;3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 100029)

松遼盆地是我國(guó)東北部一個(gè)大型的中、新生代沉積盆地,蘊(yùn)含有豐富的鈾礦資源,已相繼發(fā)現(xiàn)了錢家店、白興吐等砂巖型鈾礦床和一系列鈾礦化點(diǎn)、異常點(diǎn)等[1--3]。近年研究表明,松遼盆地后生改造作用和構(gòu)造反轉(zhuǎn)對(duì)鈾礦形成具有重要作用,其中新生代產(chǎn)生的斷裂構(gòu)造為成礦流體的運(yùn)移、排泄以及深部還原物質(zhì)的活動(dòng)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(gòu)造樣式、性質(zhì)及其組合特征對(duì)開展區(qū)域性鈾成礦預(yù)測(cè)工作具有積極意義。

遙感已成為地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作中不可或缺的技術(shù)手段,廣泛應(yīng)用于構(gòu)造解譯、巖性識(shí)別、地質(zhì)填圖、找礦預(yù)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域[5--12]。應(yīng)用研究學(xué)者已發(fā)現(xiàn)綜合利用多源數(shù)據(jù)解譯能大大提高遙感解譯成果的可信度與準(zhǔn)確度[13--15]。本文以松遼盆地為例探討了一種基于數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的地形紋理增強(qiáng)技術(shù),并用于斷裂構(gòu)造的識(shí)別。

1 地質(zhì)背景

1.1 地層

松遼盆地由基底和蓋層沉積兩部分構(gòu)成:基底由一套前寒武世至古生代的變質(zhì)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(guò)11 000 m,以白堊系最為發(fā)育,包含沙河子組、登樓庫(kù)組、泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組等,厚度超過(guò)7 000 m[16--17](圖1)。從沙河子組到四方臺(tái)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(kù)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(tái)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(yè)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(huán)境的紅色、紫紅色、黃色以及代表還原環(huán)境的黑色、灰色等。

圖1 松遼盆地南部區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Regional geology map of the southern Songliao Basin

1.2 構(gòu)造

松遼盆地以正斷層的廣泛發(fā)育為特征,分兩種類型:一種是同沉積的生長(zhǎng)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(gòu)造樣式——張性斷塊。生長(zhǎng)斷層在斷裂活動(dòng)時(shí)期影響和控制著上、下盤沉積巖性和厚度的發(fā)育,其上、下盤沉積環(huán)境可能不同,因而兩盤地層不易對(duì)比。后生斷層與沉積作用無(wú)關(guān),通常發(fā)生在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)短暫的強(qiáng)烈活動(dòng)期,兩盤的地層可以對(duì)比。張性斷塊在平面上可與其他樣式相區(qū)分。松遼盆地壓性構(gòu)造主要是在白堊紀(jì)末—第四紀(jì)時(shí)期形成。在第四紀(jì)時(shí)期,大陸邊緣出現(xiàn)突發(fā)性的彈性收縮,擠壓顯著,使盆地發(fā)育一系列背斜構(gòu)造帶,表現(xiàn)為逆斷層和波狀褶皺。松遼盆地的剪性構(gòu)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(xiàn)為明顯的線狀特征,而且在剖面上也呈現(xiàn)出花狀構(gòu)造。

2 技術(shù)方法

數(shù)字高程模型(DEM)是地表形態(tài)的數(shù)字化模擬,其中蘊(yùn)含了地學(xué)應(yīng)用分析所必需的地形地貌信息[18]。地表形態(tài)是由地球內(nèi)、外力作用產(chǎn)生,是內(nèi)外力協(xié)同合作的結(jié)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(jìn)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(xiàn)為地形的起伏,原始圖像的視覺(jué)效果相對(duì)較差,因此需要對(duì)DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)改善圖像的視覺(jué)效果,能更有針對(duì)性的提取所需信息。本文采用的影像增強(qiáng)原理就是通過(guò)模擬太陽(yáng)對(duì)地照射,進(jìn)行人為制造陰影,達(dá)到增強(qiáng)與突出地形起伏效果的一種信息增強(qiáng)方法。通過(guò)對(duì)陰影進(jìn)行建模,計(jì)算局部照明度以及像元是否落入陰影內(nèi),即通過(guò)假想一個(gè)太陽(yáng)(固定光源)的位置,再根據(jù)實(shí)際地形的變化,計(jì)算每個(gè)像元的DN 值。

首先對(duì)DEM 圖像進(jìn)行3×3卷積操作,計(jì)算圖像中各個(gè)像元沿著行列方向的坡度值,根據(jù)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(diào)節(jié)因子,常量,根據(jù)地形的不同設(shè)置不同的值;Zx、Zy為中心像元行列方向的坡度值。再通過(guò)兩個(gè)正交方向的坡度值計(jì)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(guò)建模公式計(jì)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(wàn)為假想光源的象限角,rad;P X為像元坡向角,rad。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

本研究使用的數(shù)字高程數(shù)據(jù)為空間分辨率15 m 的ASTER DEM 數(shù)據(jù),下載自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局EarthExplorer數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(https:∥earthexplorer.usgs.gov),由105 幅圖件鑲嵌而成,覆掩了整個(gè)松遼盆地及部分盆地周邊地區(qū),面積約35×104km2(圖2)。

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

利用紋理增強(qiáng)方法,以松遼盆地的數(shù)字地形圖作為對(duì)象,開展陰影模擬,將陰影結(jié)果同數(shù)字高程結(jié)果進(jìn)行疊合,獲得了松遼盆地全盆及周圍地區(qū)的紋理信息增強(qiáng)圖(圖3)。

4 地形紋理增強(qiáng)結(jié)果的應(yīng)用

4.1 發(fā)現(xiàn)光學(xué)遙感不易觀察到的斷裂

松遼盆地西緣盆山結(jié)合帶地區(qū)的地勢(shì)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(shù)字地形圖上可以明顯看出,扎賚特旗西部的地勢(shì)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(shì)從西向東平緩過(guò)渡,很難看出西部與東部之間有間斷的跡象。

通過(guò)紋理增強(qiáng)后可以看出,西部地區(qū)的紋理特征十分明顯,東部地區(qū)的紋理特征則相對(duì)較弱,這是由于西部地區(qū)地勢(shì)較高,受水流下蝕作用明顯,經(jīng)紋理增強(qiáng)后則更為明顯(圖5)。與此同時(shí),發(fā)現(xiàn)扎賚特旗東部不遠(yuǎn)處有一條北北東走向的線狀構(gòu)造,以此為界,將西部較強(qiáng)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(gòu)造后戛然而止,并未向東部繼續(xù)延伸,說(shuō)明該線狀構(gòu)造可能為一條斷裂構(gòu)造。

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

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

進(jìn)一步對(duì)比遙感影像圖后發(fā)現(xiàn),利用紋理增強(qiáng)圖解譯出的線狀構(gòu)造正好經(jīng)過(guò)一個(gè)沖積扇,且沖積扇覆蓋處的線狀構(gòu)造特征最弱,此外還發(fā)現(xiàn)線狀構(gòu)造經(jīng)過(guò)處,沖積扇的地表形態(tài)有明顯變化,具體表現(xiàn)為線狀構(gòu)造以西沖積扇弧口緊閉,而線狀構(gòu)造以東沖積扇弧口突然向外擴(kuò)張(圖6)。以上特征說(shuō)明,利用紋理增強(qiáng)圖解譯的線狀構(gòu)造很可能是一條斷裂構(gòu)造,其形成時(shí)間位于沖積扇形成之前,且很可能為一條同沉積構(gòu)造,控制了沖積扇的形成。

4.2 確證斷裂并推斷斷裂活動(dòng)性質(zhì)

前文介紹了地勢(shì)差異大的地區(qū)紋理特征明顯,而地勢(shì)差異小的地區(qū)紋理特征不明顯這一常識(shí)。該特征同樣可以用來(lái)確證斷裂并推斷斷裂的活動(dòng)性質(zhì)。下述以雙遼地區(qū)為例進(jìn)行介紹。

圖5 松遼盆地西緣扎賚特旗附近紋理增強(qiáng)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(zhì)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(qū)位于松遼盆地的東南隆起區(qū)和西南隆起區(qū)的交界處,研究區(qū)內(nèi)蓋層僅見(jiàn)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(qū)的數(shù)字地形圖上可見(jiàn),該地區(qū)的地形差異較小,整體表現(xiàn)為西南高、東北低,紋理特征極不明顯(圖7)。經(jīng)過(guò)紋理增強(qiáng)后可見(jiàn),西南部的紋理特征明顯增強(qiáng),東北部有一小塊地區(qū)紋理特征也較為明顯,但東部地區(qū)紋理特征依然不明顯(圖8)。考慮到紋理特征與地勢(shì)差異之間的關(guān)系,認(rèn)為西南部的整體地勢(shì)要高于東部地區(qū)。

圖7 松遼盆地雙遼縣附近數(shù)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(qiáng)地質(zhì)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(jiǎn)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(shí)根據(jù)地質(zhì)圖發(fā)現(xiàn)兩塊體都處于嫩江組,具有相似的地質(zhì)特征(圖9)。兩者之間現(xiàn)被一北北西走向的線狀構(gòu)造分割。該線狀構(gòu)造在遙感影像上呈綠色條帶狀,是河流活動(dòng)后的產(chǎn)物,但究竟與河流下蝕作用有關(guān)還是與斷裂活動(dòng)有關(guān),通過(guò)遙感影像無(wú)法確定。

直接利用數(shù)字地形圖判別雙遼塊體與西部塊體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是很困難的,因?yàn)閮烧吆０胃叨认嗖畈淮?數(shù)字高程圖像上的DN 值差很小而不易被辨識(shí),為了突出這種差異性,需要對(duì)原始圖像進(jìn)行處理。從紋理增強(qiáng)圖上可見(jiàn),雙遼塊體的紋理特征明顯弱于西部塊體,說(shuō)明雙遼塊體地勢(shì)低而西部塊體地勢(shì)高。而從遙感影像上分析,兩者原為同一塊體,說(shuō)明雙遼塊體相對(duì)西部塊體發(fā)生下降,二者間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),分割兩者的線狀構(gòu)造應(yīng)為一斷裂構(gòu)造?？紤]到斷裂構(gòu)造兩側(cè)的巖性相同,推斷該斷裂構(gòu)造為后生斷裂構(gòu)造。

目前,在該構(gòu)造附近已發(fā)現(xiàn)多處鈾礦化異常,紅色虛線為斷裂、兩旁的紅點(diǎn)為鈾礦化點(diǎn),這很可能是由于該斷裂改變了地下水的遷移狀態(tài),為含鈾含氧水的滲入與循環(huán)創(chuàng)造了有利的構(gòu)造環(huán)境(圖9)。本例說(shuō)明,利用紋理增強(qiáng)技術(shù)可以間接的識(shí)別后生斷裂構(gòu)造,為快速確定區(qū)域鈾成礦要素提供了新的技術(shù)支持。

5 結(jié)論

本文以松遼盆地例,建立了基于數(shù)字地形的紋理增強(qiáng)方法,并在松遼盆地西部扎賚特旗地區(qū)和中部雙遼地區(qū)開展了試驗(yàn)應(yīng)用,對(duì)同沉積構(gòu)造和后生構(gòu)造進(jìn)行了識(shí)別,取得了較好的應(yīng)用效果,為覆蓋區(qū)開展遙感地質(zhì)構(gòu)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(shù)支持。