基于ASTER数据的蛇绿岩组分识别：以德尔尼矿区为例

书书书基于ＡＳＴＥＲ数据的蛇绿岩组分识别：以德尔尼矿区为例李培军　龙玄耀　刘立ＬＩＰｅｉＪｕｎ，ＬＯＮＧＸｕａｎＹａｏａｎｄＬＩＵＬｉ北京大学地球与空间科学学院，北京　１００８７１ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈａｎｄＳｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｎｇ１００８７１２００７０４１３收稿，２００７０５１０改回．ＬｉＰＪ，Ｌｏｎｇ，ＸＹａｎｄＬｉｕＬ．２００７．ＯｐｈｉｏｌｉｔｅｍａｐｐｉｎｇｕｓｉｎｇＡＳＴＥＲｄａｔａ：ａｃａｓｅｓｔｕｄｙｏｆＤｅｒｎｉｏｐｈｉｏｌｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘ．ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２３（５）：１１７５－１１８０Ａｂｓｔｒａｃｔ　　ＴｈｅＡＳＴＥＲ（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ）ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｄａｔａｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｉｎｔｈｅｍａｐｐｉｎｇｏｆｍａｉｎｒｏｃｋｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄａｌｔｅｒｅｄｍｉｎｅｒａｌｏｆｔｈｅｏｐｈｉｏｌｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘｉｎＤｅｒｎｉａｒｅａ，ＱｉｎｇｈａｉＰｒｏｖｉｎｃｅ．ＴｈｅＳｐｅｃｔｒａｌＡｎｇｌｅＭａｐｐｅｒｗａｓｕｓｅｄｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｃｋｔｙｐｅｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｍｉｎｅｒａｌｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｕｒｖｅｓｆｒｏｍｅｘｉｓｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒａｌｌｉｂｒａｒｙａｓｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｐｅｃｔｒａ．Ｔｈｅｍａｐｐｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｅｖａｌｕａｔｅｄｂｙｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｓｅｏｆＡＳＴＥＲｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｄａｔａａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｆｒｏｍｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｌｉｂｒａｒｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｄｅｔｅｃｔｔｈｅｍａｉｎｒｏｃｋｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｍｉｎｅｒａｌｓｏｆｔｈｅｏｐｈｉｏｌｉｔｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｃｋｓｈａｖｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｐｐｉｎｇａｃｃｕｒａｃｉｅｓ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｎｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｏｃｋｓａｎｄｍｉｎｅｒａｌｓｈａｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　Ｏｐｈｉｏｌｉｔｅ，ＡＳＴＥＲ，Ｓｐｅｃｔｒａｌｆｅａｔｕｒｅ，Ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｐｉｎｇ摘　要　　本文运用高级星载热辐射和反射探测器（ＡＳＴＥＲ）反射率数据对青海德尔尼蛇绿岩的主要岩石组成和蚀变矿物进行探测。以现有的标准光谱库数据作为参照，采用光谱角制图法来提取感兴趣的岩性和矿物信息，并通过与现有地质图对比，验证结果的精度。实验结果表明，运用ＡＳＴＥＲ数据和标准的光谱库数据，可较有效地识别蛇绿岩的主要岩性和相关矿物成分，但不同岩性的识别精度不同。关键词　　蛇绿岩；ＡＳＴＥＲ；光谱；岩性制图中图法分类号　　Ｐ５８８．１２５；Ｐ５８７１　引言探索从遥感图像上提取岩石矿物成分信息的方法一直是遥感地质研究的主要目的之一（ＲｏｗａｎａｎｄＭａｒｓ，２００３）。许多现有的岩性及矿物成分探测研究，借助于高光谱遥感数据、地面地质和实测光谱数据（ｉｎｓｉｔｕｄａｔａ）支持来探测岩性和矿物成分（Ｇｏｍｅｚ，ｅｔａｌ．，２００５），但对一些偏远地区或交通不便地区，探讨在没有地面参考数据的情况下识别岩性和矿物成分的方法，具有重要意义。蛇绿岩代表了古代大洋岩石圈的残片，它是由于逆冲作用而暴露于造山带中。蛇绿岩的研究认识大洋岩石圈的构造、岩石学和地球化学特征以及板块构造演化提供了有利直接证据。对蛇绿岩的研究，除了直接的地面地质调查与分析，还可以利用遥感图像来提取其成分信息及其空间展布（如Ａｂｒａｍｓｅｔａｌ．，１９８８；Ｈａｒｄｉｎｇｅｔａｌ．，１９８９；ｖａｎｄｅｒＭｅｅｒｅｔａｌ．，１９９７；Ｎｉｎｏｍｉｙａｅｔａｌ．，２００５）。现有的基于遥感的蛇绿岩探测研究多采用多光谱数据，如ＬＡＮＤＳＡＴＴＭ，同时需要地面实测光谱数据。但这些多光谱数据光谱分辨率有限，尤其在识别岩性和矿物成分非常有效的短波红外和热红外波长区域，仅有１～２个波段，一些重要的岩性和矿物成分在这些图像上难以区分开。近年来高光谱数据的获取，为进一１００００５６９／２００７／０２３（０５）１１７５８０ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ　岩石学报国家自然科学基金重点项目（４０３３４０４４）资助。第一作者简介：李培军，男，１９６６年生，博士，副教授，主要从事遥感信息处理与应用方面的研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]表１　ＡＳＴＥＲ和ＬＡＮＤＳＡＴＴＭ数据光谱波段比较Ｔａｂｌｅ１　ＳｐｅｃｔｒａｌｂａｎｄｐａｓｓｅｓｏｆＡＳＴＥＲａｎｄＬＡＮＤＳＡＴＴＭｄａｔａＡＳＴＥＲＬａｎｄｓａｔＴＭ波长区域波段光谱范围（μｍ）波段光谱范围（μｍ）可见光近红外（ＶＮＩＲ）１０４５～０５２１０５２～０６０２０５２～０６０２０６３～０６９３０６３～０６９３０７６～０８６４０７６～０９０短波红外（ＳＷＩＲ）４１６０～１７０５１５５～１７５５２１４５～２１８５６２１８５～２２２５７２２３５～２２８５８２２９５～２３６５９２３６０～２４３０７２０８～２３５热红外（ＴＩＲ）１０８１２５～８４７５１１８４７５～８８２５１２８９２５～９２７５１３１０２５～１０９５１４１０９５～１１６５６１０４～１２５步准确识别蛇绿岩成分提供了可能，但现有的卫星高光谱数据（ＥＯ１Ｈｙｐｅｒｉｏｎ）覆盖范围有限（空间分辨率也较低），难以广泛应用。ＡＳＴＥＲ（ＡｄｖａｎｃｅｄＳｐａｃｅｂｏｒｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ，高级星载热辐射和反射探测器）数据同时具有较高的光谱和空间分辨率，而且具有全球覆盖范围，数据容易获得，因此，探索基于ＡＳＴＥＲ数据的岩性及矿物成分识别探测方法，具有重要的意义。ＡＳＴＥＲ传感器是一个高分辨率的多光谱成像仪，并具有立体成像功能。携带ＡＳＴＥＲ的Ｔｅｒｒａ卫星于１９９９年１２月８日发射，２０００年２月２４日开始获取数据，２０００年１２月１日开始发布数据。ＡＳＴＥＲ共提供了１４个波段的数据（表１），分别位于３个光谱区域，包括３个可见光近红外波段（１５ｍ分辨率），６个短波红外波段（３０ｍ分辨率），５个热红外波段（９０ｍ分辨率）。ＡＳＴＥＲ数据在短波红外和热红外波段较高的光谱分辨率，为识别矿物和岩石成分提供了可能，因此，被成功地应用于岩性和矿物成分的识别与探测中（如ＲｏｗａｎａｎｄＭａｒｓ，２００３；ＨｕｂｂａｒｄａｎｄＣｒｏｗｌｅｙ，２００５；Ｇｏｍｅｚｅｔａｌ．，２００５）。本文探讨在不借助地面实测资料和高光谱数据支持的情况下，运用ＡＳＴＥＲ数据来探测蛇绿岩的岩性及矿物成分的可能性和精度。２　研究区及地质背景研究区位于青海省果洛藏族自治州玛沁县德尔尼山一带，德尔尼蛇绿岩出露于玛沁县德尔尼铜矿附近（图１）。该地区出露的地层包括上元古界、古生界、中生界和新生界。上元古界主要出露于德尔尼蛇绿岩的北侧，包括两个岩性段，分别以夹大理岩片岩和大理岩为主。下古生界主要为一套浅海相－半浅海相沉积的生物碎屑灰岩和砂板岩沉积（青海省地质局，１９９１），包括上石炭统的灰岩和下二叠统的灰岩和砂板岩。德尔尼蛇绿岩呈构造岩块侵位于其中（图１）。上石炭统的灰岩与周围地层均为断层接触，成窄条状。三叠纪地层为厚度很大的复理石建造。侏罗纪德尔尼地区已转为陆相湖盆沉积。白垩纪该地区已完全演化为露地，接受一套干旱条件下的山间盆地沉积，岩石组合为粗碎屑岩组合。蛇绿岩北侧为德－恰花岗杂岩体。德尔尼蛇绿岩以产出特殊的大型铜钴锌硫化物矿床而著名，对该蛇绿岩进行过许多岩石学、地球化学研究（如陈亮等，２００１；杨经绥等，２００４）。德尔尼蛇绿岩由变质橄榄岩、基性超基性堆晶岩、辉绿岩墙群和基性喷出岩组成（杨经绥等，２００４）。其中以变质橄榄岩为主，而堆晶岩、辉绿岩岩墙群和玄武岩规模不大。原始的层序已经被构造破坏，均以构造岩块（或岩片）的形式产出。变质橄榄岩主要由纯橄岩、方辉橄榄岩、二辉橄榄岩等组成；堆晶岩包括纯橄岩、异剥橄榄岩、辉石岩和辉长岩。蛇绿岩成分遭受强烈的蛇纹石化和碳酸盐化，并伴随块状硫化物矿床的形成。德尔尼地区地表植被覆盖较多，因此，难以通过遥感方法来探测蛇绿岩的组成和成分。２００４年８月德尔尼铜矿开发项目开工建设，开展了一些地面工程，揭露了部分基岩（图２），为进行遥感探测提供了条件。本文就是针对德尔尼矿区出露的基岩，运用ＡＳＴＥＲ数据对蛇绿岩进行成分探测。３　方法采用ＡＳＴＥＲ的地面反射率数据（ＡＳＴ０７）作为试验数据，该数据包括经大气纠正的可见光近红外（ＶＮＩＲ）和短波红外（ＳＷＩＲ）波段反射率数据，共９个波段。从ＡＳＴＥＲ反射率图像中获得的像元光谱曲线可与标准光谱库中的典型矿物岩石光谱曲线直接进行对比，以从图像提取相关岩性和矿物成分信息。所采用的图像获取时间为２００６年１０月１４日。尽管ＡＳＴＥＲ热红外（ＴＩＲ）域的多光谱数据对于提取蛇绿岩带的岩石信息非常有效（Ｎｉｎｏｍｉｙａｅｔａｌ．，２００５），由于研究区蛇绿岩出露范围小，在热红外图像（空间分辨率为９０ｍ）上，许多像元均为混合像元，难以分辨，因此，本研究未采用ＡＳＴＥＲ的热红外图像。首先对不同波段区的图像进行配准，以可见光近红外图像（１５ｍ）为参考图像，将６个短波红外图像与可见光近红外图像精确配准，并重采样为１５ｍ的像元大小。这样，对任何一个像元即可获得由９个不同波段反射率组成的ＡＳＴＥＲ图像光谱曲线（可见光短波红外波段），便于与标准的光谱库中的光谱曲线进行对比和定量匹配。６７１１ＡｃｔａＰｅｔｒｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ　岩石学报２００７，２３（５）图１　研究区地质图（据１２０万地质图简化）１地层整合界线；２地层不整合界线；３断层；４河流；５城镇；６蛇绿岩；Ｓｇ蛇绿岩；Ｇｒ花岗岩Ｆｉｇ．１　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｏｆｓｔｕｄｙａｒｅａ（ｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍ１：２０００００Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐ，ＱｉｎｇｈａｉＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙ，１９９１）１Ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅｃｏｎｔａｃｔ；２Ｕｎｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅｃｏｎｔａｃｔ；３Ｆａｕｌｔ；４Ｒｉｖｅｒ；５Ｔｏｗｎ；６ＯｐｈｉｏｌｉｔｅＣｏｍｐｌｅｘ；Ｓｇ，Ｓｅｒｐｅｎｔｉｔｅ；Ｇｒ，Ｇｒａｎｉｔｅ．图２　研究区ＡＳＴＥＲ图像（３２１波段）Ｆｉｇ．２　ＡＳＴＥＲｉｍａｇｅｏｆｓｔｕｄｙａｒｅａ（Ｂａｎｄｓ３，２，１ａｓＲ，Ｇ，Ｂ）　　本文采用约翰霍普金斯大学（ＪｏｈｎＨｏｐｋｉｎｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪＨＵ）的岩石光谱库和美国地质调查局的矿物光谱库作为参考，来进行有关蛇绿岩岩性及蚀变矿物的探测。首先，对光谱曲线进行连续统去除（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍｒｅｍｏｖａｌ），以突出细微的光谱差异（Ｃｌａｒｋ，１９９９），有利于目标识别；然后将光谱库中的光谱曲线进行光谱重采样（Ｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓａｍｐｌｉｎｇ），使之具有和ＡＳＴＥＲ数据一致的光谱范围（可见光近红外、短波红外）和光谱分辨率。由于ＪＨＵ岩石光谱库中能够只有几种常见的基性超基性岩光谱曲线，没有其它的更具体的岩石（如方辉橄榄岩），因此只采用这几种光谱曲线作为参照。图３为从ＪＨＵ光谱库得到的几种岩性的原始光谱曲线和经重采样后得到的ＡＳＴＥＲ光谱曲线。从图３ａ中可以看出，这４种岩性均在１０μｍ附近显示出吸收特征，尽管各自的幅度不同，这主要是由于这些基型超基性岩含有大量的不透明矿物以及含Ｆｅ２＋矿物（Ｇｕｐｔａ，２００３）。其中，几乎完全由橄榄石组成（９０％）的纯橄岩在１０μｍ附近的吸收谷宽阔而显著。此外，玄武岩还在０７μｍ附近显示出吸收特征，而辉长岩和辉