基于ZY-3和Landsat-8影像的內蒙古北山地區地層-構造解譯

侯德華,張歡,潘志龍,張金龍,張立國,王碩

(河北省區域地質調查院(河北省地學旅游研究中心),河北 廊坊 065000)

0 引言

遙感技術涉及空間、電子、光學、計算機通信和地球科學等諸多學科,憑借其宏觀、準確、動態、綜合、豐富等優勢,成為區域地質調查中不可或缺的技術手段[1]。巖性填圖、蝕變礦物信息提取、巖性-構造解譯等系列成果為地質勘查、環境修復等提供了重要的技術支撐[2-4]。2013年以前,大比例尺地質調查所使用的衛星遙感數據主要依賴國外;2013年至今隨著國產衛星的崛起以及各省、市級遙感衛星數據應用中心的成立,國產遙感數據逐步取代同等分辨率的國外數據,在自然資源監管和地質調查中發揮重大作用[5-9]。

資源一號02C(ZY-1-02C)、高分一號(GF-1)、高分二號(GF-2)、資源三號(ZY-3)等數據,均適用于開展1∶5萬區域地質調查工作。GF-2作為國內首顆亞米級光學遙感衛星,在內部細節刻畫等方面具有天然優勢;GF-1和ZY-3衛星數據對內部細節的刻畫不如GF-2,但能夠清晰反映大型地質要素整體輪廓,在基礎地質調查中更具優勢[10]。但是,僅依靠GF-1和ZY-3單一數據,存在波段較少的問題,在分辨可見光-近紅外區間具有相似光譜和紋理特征的不同巖性仍存在較大困難;Landsat-8等更高光譜分辨率數據的加入,便能有效彌補該缺陷[11-12]。隨著遙感數據源的增多,利用數據協同技術,充分發揮多源遙感數據優勢,是遙感技術在地學領域應用的新課題[13]。

本次以內蒙古北山基東地區為研究區,利用ZY-3和Landsat-8遙感數據,以數據協同理論為基礎,有效發揮ZY-3數據空間分辨率對細節的刻畫優勢和Landsat-8在可見光-近紅外區域高光譜分辨率優勢,開展研究區巖性-構造解譯,力圖建立該地區地質體和構造遙感解譯標志,以期對地質填圖提供幫助。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古高原西北部,行政區劃主體隸屬內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗管轄。地理坐標范圍:E97°45′—98°00＇,N41°20′—42°00＇。該區屬低山丘陵和戈壁荒漠區,地表風蝕作用強烈;氣候惡劣,同時降水極為稀少,水系不發育;交通不便,人煙稀少,基礎地質工作程度偏低。

研究區地處北山造山帶東段中部,紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶和明水—石板井—小黃山構造帶分別在測區南部和北部通過(圖1)。自北向南分為旱山地塊、公婆泉巖漿弧帶、紅山頭早古生被動陸緣、咸水溝晚古生代陸內裂谷4個三級構造單元。地層較為發育,從太古界到新生界均有涉及。巖漿活動強烈,共發育加里東期、華力西期、燕山期3個侵入期次,38個填圖單位。

圖1 研究區大地構造位置圖(據文獻[14]改編)Fig.1 Tectonic location of the study area1.基性—超基性巖或蛇綠巖帶;2.研究區;3.推測斷裂;4.斷裂;5.結晶基底;6.研究區大地構造位置;7.高壓變質帶:8.板塊縫合線Ⅰ.紅石山—百合山—蓬勃山構造帶;Ⅱ.芨芨臺子—石板井—小黃山構造帶;Ⅲ.紅柳河—牛圈子—洗腸井蛇綠混雜巖帶;Ⅳ.輝銅山—帳房山構造帶

研究區出露地層由老到新依次有新太古-古元古界敦煌巖群(Ar3-Pt1D)、古元古界北山巖群(Pt1B)、長城系古硐井群(ChG)、薊縣-青白口系圓藻山群(Jx-QbY)、寒武系-奧陶系西雙鷹組(∈2-O3x)、下奧陶統羅雅楚山組(O1l)、中奧陶統橫巒山組(O2h),上奧陶統-下志留統公婆泉組(O3-S1g),下石炭統紅柳園組(C1hl)、上石炭統芨芨臺子組(C2j),侏羅系芨芨溝組(J1j)、龍鳳山組(J1l),白堊系赤金堡組(K1c)以及第四系(Qalp、Qpl)。

研究區中北部巖漿活動強烈,侵入體呈巨大的復式巖基帶狀產出;南部巖漿活動稍弱,侵入體呈巖株狀產出。加里東期侵入巖中北部發育透入性變形特征的石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖-二長花崗巖組合,南部早-中志留世發育變形特征不明顯的輝長巖-二長花崗巖-正長花崗巖組合;華力西期侵入巖包括輝長巖-石英閃長巖-英云閃長巖-花崗閃長巖等;燕山期僅發育斑狀二長花崗巖。

2 遙感數據源及預處理

2.1 數據源

本次研究以ZY-3多光譜及全色波段影像為主要數據源,Landsat-8 OLI多光譜及全色波段影像為輔助數據,開展研究區巖性-構造解譯。ZY-3衛星正視多光譜相機分辨率為5.8 m,包括4個波段,分別為藍色波段450～520 nm,綠色波段520～590 nm,紅色波段630～690 nm,近紅外波段770～890 nm;正視全色相機分辨率為2.1 m,波段范圍為450～800 nm。Landsat 8 OLI數據共有7個多光譜波段,包括1個海岸波段,3個可見光波段,1個近紅外波段,2個短波紅外波段,分辨率為30 m;1個全色波段,分辨率為15 m。

ZY-3數據獲取時間為2012年9月2日和2012年9月7日,Landsat-8 OLI獲取時間為2020年9月20日。研究區植被不發育,兩種遙感數據的獲取均在夏季,避免積雪覆蓋,且無云覆蓋,影像清晰,成像質量高,能夠滿足解譯精度。

2.2 遙感數據處理

遙感數據處理在ENVI5.3平臺下進行,分為影像預處理和圖像增強等,遙感影像預處理包括輻射校正、正射校正、幾何校正、影像鑲嵌;圖像增強包括圖像融合、彩色合成、主成分分析(PCA)、空間濾波等。

(1)影像預處理

輻射校正包括輻射定標和大氣校正,先對原始遙感數據進行輻射定標,將原始影像像元的亮度值轉換為地物輻射強度,然后利用ENVI自帶的FLAASH模塊對輻射定標數據進行大氣校正[15]。正射校正使用有理多項式系數(Rational Polynomial Coefficient, RPC)模型,以RPC文件和DEM為輔助,消除地形偏差。幾何校正以1∶5萬地形圖為基準數據,采用3次卷積內插法進行幾何校正,校正精度控制在一個像元內。對完成幾何校正的ZY-3影像需要進行鑲嵌拼合,采用直方圖匹配、亮度匹配等方法,完成無縫拼接,并盡量使所有影像的色調趨于一致。

(2)圖像增強

分別將Landsat-8 OLI和ZY-3號數據多光譜和全色波段采用高保真GS(Gram-Schmidt spectral sharpening)融合,獲得的影像兼具較高的空間分辨率和彩色多光譜優勢,融合的ZY-3 3(R)2(G)1(B)真彩色影像和Landsat-8 OLI 7(R)5(G)2(B)圖像見圖2a、圖2b。為充分發揮數據協同優勢,將ZY-3全色波段與Landsat 8 OLI多光譜波段進行融合,相對于圖2a和圖2b,既具備Landsat-8 OLI多光譜豐富色彩的特點,又保證ZY-3高空間分辨率、細節突出的優勢[13](圖2c)。利用主成分分析,可以有效剔除不同波段之間的冗余信息,并達到突出信息、抑制噪聲、圖像增強的效果(圖2d)。

圖2 遙感影像增強處理Fig.2 Remote sensing data enhancement processing a.Landsat-8 7(R)5(G)2(B)假彩色影像;b.ZY-3 3(R)1(G)1(B)真彩色影像;c.Landsat-8 OLI和ZY-3協同數據7(R)5(G)2(B)假彩色影像;d.協同數據PCA 3(R)4(G)5(B)影像

空間濾波可以突出邊緣和紋理信息,通過采用空間域中鄰域的處理方法,可以增強圖像的空間信息。定向濾波可以選擇性地增強特定方向的邊緣和線性特征,使本具有線性特征的地質體更加易于識別,是遙感地質解譯中提取線性構造的常用手段[16]。本次研究中對融合數據主成分分析PC1影像進行定向濾波,考慮到研究區線性構造以NW向和NE向為主,卷積濾波器方向為NW-SE和NE-SW向,采用3×3的濾波矩陣。圖3a為研究區局部PC1原始影像,圖3b和圖3c分別為NW-SE和NE-SW定向濾波后的影像,線性形跡明暗相間,增強效果明顯。

圖3 定向濾波示意圖Fig.3 Schematic diagram of directional filtering a.PC1原始影像;b.NW-SE濾波后影像;c.NE-SW濾波后影像

3 遙感地質解譯結果

高空間分辨率的遙感影像能夠清晰反映地物的大小、形態、陰影、紋理、展布特征及與其他地物的關系等精細空間特征[17]。遙感地質解譯則需根據巖石反射光譜形成的色調、形態、結構、紋理影像特征劃分不同的巖石類型或巖石組合,并進一步對地層、巖體、構造等地質要素的幾何形態、紋理特征及各地質體的疊置關系進行分析[9],建立各地質體的直接遙感解譯標志。但由于“異物同譜、同物異譜”的存在,以及地質填圖工作的復雜性,雖然間接解譯標志具有一定的主觀性,也往往適用于遙感地質解譯工作。根據研究區線性構造和各地質體遙感解譯標志,編制遙感解譯圖。

本次遙感地質解譯使用ZY-3全色波段與Landsat-8 OLI多光譜波段融合數據,與融合數據主成分分析結果配合使用,建立多重地質單元解譯標志,采用人機交互解譯方法完成了研究區遙感地質解譯。

3.1 地質體遙感解譯標志

新太古界-古元古界敦煌巖群(Ar3-Pt1D)。系區內最古老的地層單元,為一套中深變質巖系,巖性為片麻巖、變粒巖、石英巖、大理巖等。在遙感影像上,主體色調呈紫褐色;影像結構整體較為粗糙,局部呈疙瘩狀;影紋呈細小的斑點狀不均勻鑲嵌其中,地貌低緩,山脊渾圓,陰影較少;水系不發育,少量樹枝狀水系。該巖群內部遙感影像可分性差。該巖群巖石構造變形強烈,在影像上可見早期微弱的NW-SE向片麻理和明顯的NNE-SSW向片麻理發育(圖4a)。

圖4 部分地層影像特征Fig.4 Partial stratigraphic image features a.敦煌巖群;b.北山巖群北部;c.北山巖群南部;d.圓藻山群

古元古界北山巖群(Pt1B)。巖石類型豐富,主要有石英片巖類、石英巖類、鈣硅酸鹽巖類及大理巖類,經多期次變質、變形改造,原生組構多遭破壞,是一套成層無序的變質地體。該巖群在北部色調豐富,表現為墨綠色夾褐色的斑雜狀特征,影像表面粗糙,近東西展布條紋狀影紋發育(圖4b),并可見褐色影紋發生褶曲;在南部成層性良好,在影像上成灰色,影像表面粗糙,NE-SW向條紋狀平直影紋發育,并可見巖層三角面,發育稀疏的樹枝狀水系(圖4c)。

長城系古硐井群(ChG)。該群為一套淺變質的海相陸源碎屑巖,巖性為中厚層狀變質砂巖夾紋層狀大理巖。在遙感影像中該群棕紅色色調,影紋結構粗糙,局部呈疙瘩狀,山脊渾圓,陰影較少,具有微弱的定向影紋特征,發育稀疏的樹枝狀水系,其內可見透鏡狀的變質灰巖。

薊縣-青白口系圓藻山群(Jx-QbY)。為一套碳酸鹽巖,巖性為灰色厚層狀白云巖、灰質白云巖。該套巖石在地貌上易于識別,多呈棕黃色的高山。在遙感影像上,成黃褐色,形成截然的陡峻山峰,巖層走向與山脊方向一致,巖層面出露一側可見帶狀影紋發育,北西側陰影較多,由于覆蓋等原因,影紋相對光滑(圖4d)。

寒武系-奧陶系西雙鷹組(∈2-O3x)。由灰綠色長石巖屑砂巖、粉砂巖、中薄層狀硅質巖組成,韻律性層序發育。在遙感影像上,該組成紫褐色,發育明顯的條帶狀影紋,地層產狀較陡,山脊渾圓-半尖棱,南部可見巖層三角面發育(圖5a)。

圖5 部分地層影像特征Fig.5 Partial stratigraphic image features a.西雙鷹組;b.羅雅楚山組和橫巒山組;c.公婆泉組;d.紅柳園組

下奧陶統羅雅楚山組(O1l)。為一套陸源碎屑巖夾硅質巖,巖性為砂巖、礫巖、泥巖夾硅質巖。該組在遙感影像上呈深灰色調,成層性特征不明顯,條帶狀影紋不發育,山脊尖棱,水系稀疏(圖5b)。

中奧陶統橫巒山組(O2h)。為海相火山沉積,巖性為灰綠色安山質晶屑巖屑凝灰巖夾少量硅質巖。該組在遙感影像上呈紫色,東側發育近東西向條帶狀影紋,地形相對平緩,山脊渾圓,水系稀疏(圖5b)。

上奧陶統-下志留統公婆泉組(O3-S1g)。巖性為變粒巖、片巖夾變質玄武巖、變質砂巖及大理巖。在遙感影像上,該組呈灰色夾棕紅間色調,條帶狀影紋發育,樹枝狀水系,地形起伏不大(圖5c)。

下石炭統紅柳園組(C1hl)。巖性為灰綠—墨綠色細碧巖、玄武巖夾少量流紋巖、巖屑長石砂巖。該組在遙感影像上呈紫色、紫褐色,表面粗糙,疙瘩狀,呈團塊狀影紋特征,成層性不佳(圖5d)。

上石炭統芨芨臺子組(C2j)。宏觀呈NW向展布,呈孤立的飛來峰地貌構造就位于中侏羅世龍鳳山組之上,巖石以生物碎屑灰巖為主。在遙感影像上該組呈黃綠色、黃色色調,形成典型的脊狀突起,表面粗糙,水系幾乎不發育。

侏羅系芨芨溝組(J1j)。巖性主要為灰紫色細礫巖、含礫粗砂巖、粗粒巖屑砂巖夾粉砂巖等。該組在影像上呈綠灰色、墨綠色,相對負地形產出,影紋較為光滑,強硬層與軟弱層相間分布,形成明顯的帶狀影紋特征,并可見巖層發生了褶曲(圖6a)。

圖6 部分地層影像特征Fig.6 Partial stratigraphic image features a.芨芨溝組;b.赤金堡組

白堊系赤金堡組(K1c)。巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖夾細礫巖。該組出露極差、產狀平緩,且后期受風化剝蝕等作用改造嚴重,多呈殘丘狀出現,基巖出露良好的區域條帶狀影紋發育,巖層發生褶曲(圖6b)。

第四系(Q)。主要為沖積物和沖洪積物,廣泛分布在區內間歇性河流及其支流的河床兩側,大致呈對稱的不規則條帶狀分布,與暫時性水流的流線一致。在遙感影像上易于區分,呈明顯的淺色調,影紋光滑,并可見清晰的流水痕跡。

研究區展布大量中酸性侵入巖,其中以華力西期晚泥盆世最為廣泛。巖性、結構構造特征相似的同一期侵入巖多呈相變接觸,影像特征類似,難以區分;反之,結構構造差異較大或不同期的侵入巖往往影像特征差異明顯,易于區分。晚泥盆世細?；◢忛W長巖(xγδD3)在影像上呈灰白色夾褐色,影紋結構粗糙,形成正地形,發育稀疏的近平行狀水系,NW-SE向和NE-SW向兩期明顯區域性節理發育,將基巖切割成斑塊狀(圖7a)。晚泥盆世中粗粒二長花崗巖(zcηγD3)在影像上呈淺灰白色,平面近似橢圓狀,與圍巖具有明顯的色調差異,相對負地形產出,影紋相對光滑,基巖破裂嚴重,基巖出露區域形成團塊狀、姜塊狀影紋(圖7b)。而中基性巖體在影像中一般具有明顯的深色調,如晚泥盆世細粒輝長巖(xνD3)在影像中呈灰色、灰黑色、灰綠色,與圍巖存在明顯色調異常,其北東側和南西側邊界明顯受斷裂控制,影紋結構粗糙,巖體發育透入性的變形構造,條帶狀影紋發育(圖7c)。

圖7 侵入巖影像特征Fig.7 Image characteristics of intrusive rocks a.晚泥盆世細?；◢忛W長巖;b.晚泥盆世中粗粒二長花崗巖;c.晚泥盆世細粒輝長巖; d.輝綠巖脈和花崗巖脈

此外,研究區脈巖較發育,分布廣泛,規模較大,主要為輝綠巖脈和花崗巖脈。脈巖以其線狀產出形態相對易于區分,部分脈巖在圍巖兩側或一側發育烘烤邊,在影像上具有明顯的色調異常面。輝綠巖脈(ν)多呈灰色、深灰色調;而花崗巖脈(γ)多呈灰白色、淺灰白色,以淺色調為主(圖7d),地貌上脈巖均形成線性的脊狀突起。

3.2 構造解譯

研究區經歷了多期構造運動,不同規模、不同性質的斷裂構造極為發育,包括區域性深大斷裂、走滑斷層、逆沖推覆構造、韌性剪切帶等。這些斷層以NW向及NWW向為主,尚有NE向和EW向,它們彼此交切、錯斷,共同構成了測區復雜的構造格局。

研究區內斷裂構造解譯標志有:(1)地質體的突然截止,出現明顯的色調異常面(圖8a);(2)可識別的構造破碎帶,影像上表現為異常密集的帶狀影紋(圖8b);(3)標志性地質體明顯的錯動(圖8c);(4)兩種地貌單元的直線狀相接(圖8d);(5)地質體出現筆直的線性邊界(圖8e);(6)直線排列的山前沖洪積扇(圖8f);(7)斷層三角面的直線狀延伸(圖8g);(8)平直、線性延伸的溝谷(圖8h);(9)弧形的線狀山脊(圖8i)等。

圖8 斷裂影像特征Fig.8 Fracture image features a.地質體的突然截止;b.構造破碎帶;c.地質體錯動;d.兩種地貌單元的直線狀相接;e.筆直的地質體線性邊界;f.直線排列的山前沖洪積扇;g.斷層三角面;h.線狀溝谷;i.弧形的線狀山脊

在單個構造解譯標志的基礎上,本次在研究區識別3條大型構造帶,分別為基東構造帶、尖山構造帶、三道明水構造帶。以基東構造帶為例,呈NWW-SEE向展布,區內延伸約16 km,由5條彼此近于平行的大型脆性斷層(F58—F62)及韌性剪切帶構成,寬約4 km。這些斷層整體上近于平行展布,局部存在彼此分支復合,該斷層系走向與韌性變形帶走向保持高度一致。韌性剪切帶按照空間展布特征可見變形劃分為2條次級韌性剪切帶,即北帶和南帶。北帶延伸入測區,向北西西295°延伸至F58中部尖滅,呈NWW楔狀展布,最大寬度約1.1 km,區內延伸9 km左右。南帶呈NWW向帶狀展布,規模較北帶大,其最寬可達2.6 km,區內延伸16 km左右,其北邊界均被脆性斷層(F60)破壞,南邊界被晚期脆性斷層(F62)破壞(圖9)。

圖9 基東構造帶Fig.9 Jidong structural belt1.右行走滑斷層;2.逆沖走滑斷層及編號;3.韌性剪切帶

4 結語

本次研究利用ZY-3和Landsat-8 OLI數據,以數據協同理論為基礎,綜合運用多種數字圖像增強技術,在內蒙古北山地區展開地層-構造解譯,得出以下認識:

(1)運用圖像融合、彩色合成、主成分分析、定向濾波等技術方法對ZY-3和Landsat-8 OLI協同數據進行處理,得到層次分明、信息豐富的遙感影像。

(2)建立研究區地質單元-構造解譯標志,經野外驗證,絕大多數遙感解譯標志準確有效,解譯地質界線和構造信息與野外實際情況吻合度較高,極大地提高了填圖工作效率。尤其是構造解譯,本次研究共識別斷裂81條、韌性剪切帶4條、構造帶3條,為研究區構造格架的確立提供了豐富的原始資料。

(3)研究區位于我國西北部,屬于典型的戈壁荒漠區,植被不發育,基巖裸露,地質構造復雜,自然資源豐富,遙感技術在該地區地質調查中發揮舉足輕重的作用,具有廣闊的應用前景。