硅化

高光譜遙感在硅化帶識別中的應用

郭幫杰;張杰林;武鼎;張川

【摘要】硅化帶是多個礦種的找礦指示性信息，快速地大面積探測硅化帶信息是

遙感技術在地質找礦應用領域一項重要的應用。隨著遙感技術的不斷發展，針對不

同的遙感數據，出現了多種不同的硅化帶提取方法。首先通過分析JHU（約翰霍

普金斯大學）波譜庫中10多種不同SiO2的巖性光譜特征，研究與SiO2含量密

切相關的波段；其次，使用熱紅外地面光譜儀102F實測的樣品光譜和樣品的地球

化學數據（SiO2含量），通過線性回歸方程統計出SiO2含量的計算公式；最后，

使用該公式對TA－SI航空高光譜熱紅外數據進行處理，獲取研究區SiO2含量圖，

提取高SiO2條帶；并在進行野外驗證。實驗結果表明：8.62m和9.25～9.5m

是SiO2含量相關性極大的波段；TASI（thermalairbornehyperspectral

imager）數據中有多個SiO2對應的波譜特征，B6（8.62m）的發射峰、B6兩

側的斜坡及B14、B17左側的斜坡與SiO2呈正相關關系；該方法提取研究區高

SiO2條帶非常精確，在花崗巖區亦能識別出硅化帶。%Silicifiedzoneisclo

toveralkindsofores,andextractingspectralinformationofsilification

fastandlargelyisasignificantapplicationofremotensingingeological

edevelopmentofremotensingtechnology,kindsof

methodsarepropodtoextractsilicifiedzonebecauofdifferent

y,morethan10kindsofrockswithdifferentSiO2ofJHU(Johns

HopkinsUniversity)SpectralLibrarywereanalyzed,andpointoutveral

ly,102Fwasud

tomeasurespectrumofsamplesandformulatocomputeSiO2wasobtain

bylinearregressionwiththespectrumandSiO2contentofsam-

y,TASIdatawasudtoextractsilicifiedzonetoverifythe

relationbetweenthe事業單位考試公共基礎知識 bandsandSiO2con-tent,SiO2contentmapofstudy

areawasobtained,highSiO2beltswereextractedfromthemapandfield

,conclusionsaredrawnthat(1)8.62m

and9.25-9.5mareclolyrelatedtoSiO2content,(2)thatveralspectral

featureofSiO2areinTASIdata,(3)thattheemissionpeakatB6(8.6感恩媽媽的作文 2m),

theslopeatbothsideofB6andtheleftsideofB14andB17havepositive

correlationwithSiO2content,(4)andthatthismethodisveryprecito

extracthighSiO2bel高考電子檔案 tsinstudyarea,includinggranitearea.

【期刊名稱】《科學技術與工程》

【年(卷),期】2017(017)003

【總頁數】5頁(P154-158)

【關鍵詞】高光譜遙感;TASI數據;硅化帶;波譜特征;喀木斯特

【作者】郭幫杰;張杰林;武鼎;張川

【作者單位】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;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;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;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

【正文語種】中文

【中圖分類】P627

硅化帶是熱液型礦床的找礦標志，包括金、錫等多金屬礦床；也包括熱液型鈾礦床。

遙感技術的不斷發展使得遙感在硅化帶提取方面不斷有新的方法出現。近十年來，

從TM影像數據、ETM影響數據到ASTER影像數據，不同的數據進行提取硅化帶

的拔罐黑紫色 方法不同，使用的波段也千差萬別[1—9]，為遙感在地質應用方面做出了重要貢

獻。但這些方法多止步于多光譜遙感和高光譜遙感的定性分析，楊杭(2012)對高

光譜遙感于SiO2定量反演做了大量工作，但沒有對應的航空高光譜數據或星載數

據驗證其在實際應用中的精度和效果。本文在前人的研究基礎上，通過對光譜數據

的分析總結，尋找與SiO2含量密切相關的波段，并利用航空高光譜數據

TASI(thermalairbornehyperspectralimager)數據進行驗證，填補了高光譜遙

感對SiO2定量識別在實際應用中的空白。

硅化帶，即硅化蝕變形成的條帶型區域，為熱液活動形成的蝕變條帶的一種，主要

成分為SiO2。遙感技術識別硅化帶的關鍵是識別出Si—O鍵振動形成的特征吸收

譜帶?？梢姽狻⒔t外及短波紅外不具備識別Si—O鍵的特征譜帶，熱紅外波段

可以反映該鍵的特征吸收譜帶。因此，硅化帶提取的遙感數據多選擇具有熱紅外波

段的數據。

因為Si—O鍵振動出現的特征吸收譜帶位于熱紅外區，因而其特征波段處于6～

15m。由于ASTER數據的光譜分辨率較低，前人研究結果認為ASTER影像數

據的B13(第13波段，下同)和B14與SiO2含量呈正相關關系，B10、B11及

B12與其呈負相關[6]。二宮芳樹(2003)、閆柏琨(2006)、陳江(2007)及楊長保

(2009)等將研究重點放在了B12豆渣的做法大全 、B13及B14，B11則沒有參與SiO2含量的估算

及硅化帶的提取。

隨著遙感技術的發展，高光譜遙感的出現開始促使了人們對光譜曲線細節的關注。

楊杭(2012)認為，與SiO2含量關系密切的波段為11.18、12.82、12.36和9.38，

其中11.18m和12.36m的歸一化光譜指數與SiO2的含量的相關性最高。

但根據不同巖石及礦物的光譜曲線特征，與SiO2含量相關的不是某個波段的值高

低，而是某個波段區域內的波段變化趨勢及劇烈程度。為了更好的顯示出SiO2相

關的波段特征，從JHU波譜庫中選取14種巖石光譜，巖性從超基性巖到酸性巖。

將巖性分成中酸性巖和基性超基性巖兩不負韶華只爭朝夕的意思 部分，進行分別研究。

如圖1所示，中酸性巖石在9.25～9.5m光譜范圍內有向右遞增的趨勢特征。中

酸性巖中除閃長巖外，在8.62m都有一個極大值，即發射峰，且隨著酸性程度

增加而愈加明顯；中性巖中的閃長巖在8.62m處未出現發射峰，但表現為其左

側向右遞增趨勢的特征。

圖2所示的為基性巖和濕疹是什么原因造成的 超基性巖的光譜曲線。如圖所示，該類巖石在8.62m不

存在發射峰，而且在9.25～9.5m范圍內沒有遞增趨勢。純橄巖和苦橄巖因結晶

程度的不同，在8.62m以左表現出不同的變化趨勢。

為了更好的驗證這兩個特征波段，在沉積巖中選取了海綠石砂巖、長石砂巖、頁巖、

灰巖、炭質頁巖5種巖石，其中海綠石砂巖、長石砂巖、炭質頁巖及頁巖與圖1

所示的酸性巖特征一致，炭質頁巖和頁巖的波段變化幅度較小?；規r則與其他四種

特征完全相反，在8.62m處出現發射谷，9.25～9.5m范圍內和基性超基性巖

相似，為向右遞減趨勢。

因此，通過8.62m的發射峰和9.25～9.5m范圍的光譜特征，能夠識別出高

SiO2條帶和區域。

本次研究的區域為老鴨泉北部、喀木斯特巖體及其周邊地區，巖性包括花崗巖、凝

灰質砂巖和砂巖。采用的遙感數據為核工業北京地質研究院獲取的航空熱紅外高光

譜數據TASI數據。TASI數據波段數為32，波譜范圍為8～11.5m，能夠比較

精準的反映出SiO2含量相關的波段變化特征。

3.1經驗公式的波段選擇

在喀木斯特地區采得多個樣品，包括流紋斑巖脈、正長花崗巖、二長花崗巖、硅化

帶、巖脈與凝灰質砂巖接觸帶等巖性。使用熱紅外地面光譜儀102F獲取這些樣品

的熱紅外光譜曲線，經過TASI數據重采樣后以SiO2含量的高低進行分離(圖3)。

如圖所示，8.62m處的發射峰是SiO2含量高低的重要標志，以往的研究把該處

忽略或認為其與SiO2含量負相關[3—8，10]。另外，9.25～9.5m之間的斜坡

坡度與SiO2含量也呈正相關關系。因此，選擇B3、B5、B6、B12、B14和B17

等波段進行經驗公式構建實驗。

3.2經驗公式的構建

因為不同的溫度條件，樣品的發射率會有所變化，進而影響各波段發射率值之間的

差異值。所以，選了幾個樣品進行了不同溫度條件下的發射率光譜測量，之后對各

光譜曲線的B6和B5、B17和B12等進行了差值運算和比值運算，結果表明差值

運算的結果因溫度的變化而變化的幅度較大，比值運算的結果與溫度的高低無必然

關系，而且不同溫度條件下的值基本保持一致。

如圖4所示，將B3、B5、B6、B12、B14和B17進行比值、開方、對數等運算，

得出多個與SiO2含量相關性較好的關系式，并與ASTER方法運用于TASI數據所

得結果進行對比。其中相關性最好的關系式經過變換，獲得以下公式：

SiO2=10.2ln|lg[B6B17/(B5B12)]|+107.78

相關性系數為0.944。公式系數會因為樣品數量的增減稍有變化。

4.1TASI數據處理

TASI數據使用Modtran4.0模擬的大氣透過率和上下行輻射進行大氣校正。由于

數據獲取時間是10月底，地點為準噶爾盆地東緣喀姆斯特地區，因此大氣廓線的

參數選擇中緯度-冬季。地面高度1.2km，飛行離地面高度1.5km。大氣透過率

和上下行輻射數據模擬后，依TASI數據的波段數和波段位置進行重采樣，然后進

行大氣校正。

大氣校正后，使用ENVI提供的歸一化法進行發射率和溫度分離，獲取研究區發射

率圖像。發射率圖像獲取后，使用本文獲得的經驗公式進行遙感數據處理，得出如

圖5(b)所示的結果圖，并與目前比較先進的使用ASTER數據提取硅化帶的經驗方

法進行對比[圖5(a)]。

4.2實驗結果

本文方法與上文的ASTER方法分別對喀木斯特地區進行硅化帶提取。對比結果表

明，式(1)的結果圖更能精確的提取出高SiO2條帶，如喀木斯特小巖體中的硅化帶，

并且能夠從亮度值更高上顯示出硅化帶的硅含量比酸性巖脈的高。

另外，通過對比可以發現，圖5(b)能夠很好的區分出花崗巖區、凝灰質砂巖區和

砂巖區三大巖性區域。SiO2含量的劃分受水的影響相對小很多。而且，在花崗巖

區內也能夠識別出高SiO2條帶，大大擴大了高SiO2條帶的巖性范圍。

最后，通過CASI-SASI(前者VNIRAirborneHyperspectralImager，后者SWIR

AirborneHyperspectralImager)，即可見光-短波紅外高光譜數據的彩色合成圖

像(圖6)，可以明顯的看出酸性巖脈與周圍巖石顏色的差異性，酸性巖脈的顏色呈

橙黃色，圍巖多為暗紫色。而硅化帶的顏色與圍巖相近，從顏色上難以將硅化帶區

別開。所以，結合可見光-短波紅外數據，從巖石的顏色、形狀和紋理上，可以輔

助熱紅外圖像對硅化帶進行更加精確的區分。

針對上述提取的酸性巖脈、硅化帶(花崗巖區和凝灰質砂巖區)進行了野外實地驗證

(圖7)。

5.1酸性巖脈

研究區酸性巖脈主要出現在凝灰質砂巖區，主要巖性為流紋斑巖，其次為花崗斑巖，

斑晶一般為細粒，少見有中粒。巖脈顏色與遙感圖像顯示基本一致，呈現肉紅色、

橙黃色，相對于紫黑色、紫檀色的圍巖顏色較淺。本次查證50余條酸性巖脈，皆

與提取結果一致。

5.2硅化帶

研究區硅化帶分為花崗巖區和凝灰質砂巖區兩個部分，主要分布于花崗巖與凝灰質

砂巖接觸帶附近。

花崗巖區硅化帶主要表現為云英巖化、石英巖化、偉晶巖化及石英脈引起的硅化。

顏色一般呈現白色、灰白色，褐鐵礦化不明顯。

凝灰質砂巖區硅化帶則表現為石英細脈的充填，褐鐵礦化非常明顯，巖體非常破碎。

地表風化嚴重的硅化碎石孔洞非常發育。

本次查證硅化帶6條，分別為1條凝灰質砂巖區，5條花崗巖區，查證結果與提

取結果一致，但有2條花崗巖區邊部硅化帶長度比提取結果的長度偏短。

綜上，野外驗證結果表明，本文使用的高光譜定量識別高SiO2條帶及之后的硅化

帶提取效果好，精度高。

通過對波譜庫不同SiO2含量的10多種巖漿巖和沉積巖的光譜曲線分析，以及研

究區樣品的光譜測量和SiO2含量測定，建立了特征波段與SiO2含量的定量計算

公式，并利用TASI航空高光譜數據進行研究區硅化帶的提取及野外驗證，結果表

明：

(1)8.62m處的發射峰和9.25～9.5m范圍內的光譜變化是SiO2含量的指示性

波段，可依據這兩個波譜特征進行SiO2含量填圖及高SiO2條帶的提取。

(2)TASI數據中有多個SiO2對應的波譜特征，B6的發射峰、B6兩側的斜坡及

B14、B17左側的斜坡與SiO2呈正相關關系。

(3)硅化帶的提取需要綜合熱紅外遙感和可見光-近紅外遙感，以此區分不同類型的

高SiO2條帶。

但是，本方法對研究區地物SiO2含量普遍偏低(除硅化帶和酸性巖脈)，根據野外

驗證查明，該現象有兩點：一是研究區被稀疏植被覆蓋以及風化等因素影響；二是

樣品皆取新鮮巖石樣品，沒有考慮風化因素。但該影響因素不影響硅化帶和酸性巖

脈的提取。下一步工作應針對植被和風化影響，提高SiO2含量精度。

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