赵佳琪，董新丰，李 娜，闫柏琨，甘甫平，王文东，鹿传磊
(1.中国地质调查局哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江哈尔滨 150086；
2.中国地质调查局自然资源航空物探遥感中心，北京 100083；
3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)
花牛山矿集区位于中亚造山成矿域南部花牛山地体，属于花牛山岛弧和敦煌地块的衔接地带，是花牛山-金场沟金、银、铅、锌、钼、钨等多金属成矿带的重要组成部分(杨建国等，2011)，区内金矿显示出良好的找矿前景(何智祖，2015)。该区矿产勘查工作程度相对较高，但实现找矿突破的难度越来越大。区内金矿床与岩浆热液活动关系密切，蚀变相对发育，且基岩出露好，非常适合开展遥感找矿预测应用(鲁立辉等，2019)。前人在研究区开展过较多的基础地质工作(聂凤军等，2002；
杨建国等，2007；
杨兴吉，2009；
王春女等，2019)，认为区内与金矿化关系密切的蚀变带均发育绢云母化。但区内岩浆、变质作用强烈，地层岩石中的绢云母化也很发育，而区内金矿床的蚀变范围相对较小，这些因素为遥感找矿预测应用增加了难度。机载高光谱数据因其高空间分辨率、高信噪比等特点，能够识别较小范围的矿化蚀变信息(闫柏琨等，2016；
温利刚等，2017)，同时还可区分不同成分云母信息(梁树能，2012)。因此，机载高光谱数据为该区域的遥感找矿提供了良好的数据支持。
自20世纪90年代后期以来，机载高光谱仪在矿物信息识别、地质找矿应用等方面开展了大量的应用研究(Cocks et al.,1998;Rowan et al.,2004;Cunningham et al.,2005;Kruse et al.,2006;Rockwell et al.,2006;Agar and Coulter,2007)，在识别蚀变矿物、界定划分蚀变带、圈定找矿预测区及解释成矿热液系统等多个方面发挥了重要作用①(Huntington,1996;Bierwirth et al.,2002;Kruse et al.,2006;Bell et al.,2010；
Frank et al.,2012;Graham et al.,2018;Thais et al.,2018)。21世纪以来，国内利用引进的CASI/SASI/TASI、HyMap等机载高光谱仪在西部重要成矿区带开展了大量应用研究，在矿物信息提取、蚀变异常信息筛选及区域找矿预测等方面取得一系列成果(闫柏琨等，2016；
刘德长等，2016；
董新丰等，2018；
孙雨等，2022)。
同时，在20世纪90年代末期，野外便携式光谱仪已广泛应用于热液蚀变填图工作中(Thompson et al.,1999)，用于采集矿区地表和钻孔内岩矿样品的光谱信息。其一方面可以准确识别蚀变矿物；
另一方面能探测关键蚀变矿物化学成分的细微变化，为研究矿床蚀变矿物组合、分析热液流体、建立矿产勘查模型提供重要依据(Thompson et al.,1999;Herrmann et al.,2001;Cudahy et al.,2009;Thompson et al.,2009;Chang et al.,2011;杨建国等，2011；
Haest et al.,2012;Harraden et al.,2013;Arne et al.,2016;郭娜等，2018)。本文结合航空及地面高光谱遥感技术的优势，首先利用便携式光谱仪获取地表样品光谱信息，并利用CASI/SASI航空高光谱遥感数据提取矿区及周边的蚀变矿物信息，以剖析花西山金矿床的高光谱蚀变矿物种类及其分布特征；
然后结合区内金矿床成/控地质背景和蚀变信息等成矿要素，构建基于高光谱蚀变信息的金矿找矿预测模型，开展找矿预测；
最后通过野外查证，验证找矿效果，为该地区今后的金矿找矿预测提供技术支撑。
花牛山矿集区大地构造分区位于中亚造山带南缘的甘肃北山地区，为星星峡断裂以南的花牛山岛弧和敦煌地块的衔接地带(李增达，2018)(图1a)。区内地层隶属于天山-兴蒙地层区北山地层分区印尼喀拉-红柳园地层小区(代文军，2010)，主要地层有震旦系洗肠井群(Zx)和中奥陶统花牛山群(O2hn)。以花西滩-花牛山大断裂为界，北侧出露震旦系洗肠井群(Zx)第二、三、四岩组，呈东西向带状展布，总体上属于浅变质的浅海相泥岩、碳酸盐岩建造(张洲远，2016)，岩性主要为板岩、角岩、大理岩、石英片岩、千枚岩等，其第三岩组下岩性段为区内铅锌等多金属的重要含矿层位(朱江等，2014)。南侧以奥陶系中统花牛山群(O2hn)为主(潘振杰，2017)，主要岩性为变质砂岩、角岩、蚀变玄武岩和大理岩等(孙雨等，2022)。区内构造复杂，褶皱、断裂均较发育，主要断裂为花西滩-花牛山深大断裂及其控制的次级断裂，按展布方向可分为北西、北东向两组，是重要的导/控矿构造(代文军，2010)；
主要褶皱构造为近东西向的石人子井-五井河复式向斜褶皱组合(杨合群等，2008)。区内主要岩体为印支期花牛山正长-二长花岗岩体，出露于花西滩-花牛山大断裂北部，呈不规则状近东西向分布，具工业意义的金、钨、钼矿化基本上分布在该岩体外接触带或岩枝上(王春女等，2019)。
图1 甘肃花牛山矿集区地质简图Fig.1 Generalized geologic map of the Huaniushan ore-concentrated area in Gansu Provincea-大地构造位置简图(据李增达，2018)；
b-矿产地质简图(据聂凤军等，2002；
王春女等，2019修绘)；
1-印支期花牛山正长-二长花岗岩体；
2-海西期花岗闪长岩；
3-震旦系洗肠井群；
4-奥陶系花牛山群；
5-煌斑岩脉；
6-花岗岩脉；
7-向斜；
8-断层及方向；
9-推测断层；
10-金矿；
11-钼矿；
12-铅锌矿a-tectonic position map(after Li,2018);b-simplified map of geology and mineral resources(modified from Nie et al.,2002;Wang et al.,2019);1-Indosinian Huaniushan syenite-monzonitie;2-Hercynian granodiorite;3-Sinian Xichangjing Group;4-Ordovician Huaniushan Group;5-lamprophyres;6-granite veins;7-syncline;8-fault and direction;9-supposed fault;10-gold deposit;11-molybdenum deposit;12-lead-zinc deposit
花西山金矿位于花牛山矿集区中南部花西滩-花牛山深大断裂的断裂带中(图1b)，共圈出金(金银)矿体20余条，主要赋存于印支期花牛山岩体花岗斑岩、蚀变花岗斑岩的构造裂隙和破碎带中，属中低温热液型金矿(李世龙等，2017)(图2)。矿体形态为脉状和透镜体状，受控于断裂构造，多倾向北东，个别倾向南西，倾角近直立，有沿倾向深延品位变富的趋势(李世龙等，2017)，与含金脉体有关的围岩蚀变有硅化、黄铁矿化、绢云母化等(张新虎等，2015)。
图2 花西山金矿床地质简图(据李世龙等，2017)Fig.2 Generalized geologic map of the Huaxishan gold deposit(modified from Li et al.,2017)1-第四系冲洪积层；
2-第四系残坡积层；
3-中奥陶统花牛山群三岩组一岩段；
4-中奥陶统花牛山群三岩组二岩段；
5-中奥陶统花牛山群二岩组；
6-震旦系洗肠井群二岩组；
7-印支期第一次花岗斑岩(边缘相)；
8-印支期第一次细粒斑状花岗岩(中心相)；
9-印支期第一次蚀变花岗斑岩；
10-华力西早期第一次超基性岩；
11-华力西中期第二次石英闪长岩；
12-斜长花岗岩脉；
13-石英脉；
14-方解石石英脉；
15-次安山岩脉；
16-金矿体；
17-正断层；
18-逆断层；
19-性质不明断层；
20-地层产状；
21-取样位置1-Quaternary alluvial-proluvial layer;2-Quaternary diluvium layer;3-Middle Ordovician Huaniushan Group third rock formation first rock section;4-Middle Ordovician Huaniushan Group third rock association second rock section;5-Middle Ordovician Huaniushan Group second rock formation;6-Sinian Xichangjing Group second rock formation ;7-Indosinian first period granite-porphyry(marginal facies);8-Indosinian first period fine-grained porphyritic granite(central facies);9-Indosinian first period altered porphyry granite;10-Early Variscan first period ultrabasic rock;11-Middle Variscan second period quartz diorite;12-plagiogranite vein;13-quartz vein;14-calcite-quartz vein;15-sub-andesite vein;16-gold body;17-normal fault;18-reverse fault;19-unidentified fault;20-stratum attitude;21-sample position
2.1 数据源
本次研究使用的数据源分别是通过FieldSpec Pro FR便携式光谱辐射计获取的地面光谱测试数据和机载CASI/SASI高光谱数据(机载高光谱数据由核工业北京地质研究院获取)。
FieldSpec Pro FR便携式光谱辐射计可采光谱范围为350～2500 nm，覆盖了可见光光谱(350～700 nm)、近红外光谱(700～1100 nm)和短波红外光谱(1100～2500 nm)三个区段，对应光谱分辨率分别为3 nm、8.5 nm、6.5 nm。
CASI数据共36个波段，光谱分辨率18.8 nm，覆盖范围378.7～1044.6 nm，空间分辨率0.9 m；
SASI数据共101个波段，光谱分辨率15 nm，覆盖范围950～2450 nm，空间分辨率2.25 m。数据获取时间为2010年9月8日。
2.2 数据处理
地面样品的光谱测试工作在室内进行。为使测试结果更能反映实际情况，对每块样品都选取了3～14个不同位置作为测试点(一般为方向不同的三个新鲜面)，每个测试点获取5条光谱曲线，并在后续数据处理时将5条曲线的平均值作为该点的地面光谱数据。随后，用ViewSpec Pro软件对地面光谱数据进行合并、求平均值、修正和导出；
在此基础上，利用地质光谱专家软件(The Spectral Geologist 8)对处理后的光谱数据进行解译；
最后分析总结金矿床蚀变类型及其分布特征，进而建立蚀变分带模型。
对CASI/SASI航空高光谱遥感数据，经过空间重采样、几何校正、波段拼接和大气校正四个步骤的预处理，获得地表反射率数据产品。结合地面样品光谱测量分析提取出的蚀变矿物类型，采用基于混合调谐匹配滤波(MTMF)的混合像元分解法对CASI/SASI高光谱遥感数据进行了蚀变矿物信息提取(邓书斌和陈秋锦，2010)。
3.1 地面光谱仪测量结果及蚀变特征分析
本次研究共实施2条光谱测试剖面，采集样品21块。所采样品均为地表岩石捡块样，对矿体、近矿围岩、远矿围岩、外围正常围岩进行了控制(取样位置见图2)。需要说明的是，本次仅对赋存在蚀变花岗斑岩中的金矿化体进行了采样研究，原因是通过野外对比，发现蚀变岩型矿体的蚀变相较于石英脉型矿体更为发育，类型也更加全面。
根据测试结果，在样品中识别出钠云母、白云母、多硅白云母(下文将以上三种云母统称为绢云母)、蒙脱石、黄钾铁矾、伊利石、石膏、水铝石、绿帘石、皂石、方解石、铁镁绿泥石(下文简称为绿泥石)、明矾石、针铁矿、赤铁矿等蚀变矿物(图3)。
图3 主要蚀变矿物光谱示意图Fig.3 Spectra of main alteration minerals
由图4可见，在大多数样品中均出现2200 nm附近的Al-OH吸收峰，即典型的绢云母特征吸收。但矿体和围岩的特征吸收位置略有不同，且呈一定变化趋势：矿体样品(hxstc1-5、-7、-8；
hxxtc2-2、-3)集中在2206～2215 nm之间，而围岩样品(hxstc1-1、-3、-4、-6、-9、-k；
hxstc2-4、-5、-6、-7、-8、-9)集中在2190～2206 nm之间。已有研究表明，绢云母2200 nm处的特征吸收会随Al、Na、K、Si几种元素的含量变化而移动，向2190 nm移动代表Na含量增加(即钠云母)，而向2206 nm方向移动则代表K含量增加(即白云母)，若出现在2210～2225 nm之间则代表Al被Si取代，Si:Al大于3:1(即多硅白云母)(郭娜等，2019)。从围岩到矿体，绢云母特征吸收由2190 nm逐渐向右漂移，这一变化趋势即代表钠云母逐渐被白云母和多硅白云母取代。
图4 样品光谱与USGS典型绢云母光谱对比图Fig.4 Contrast between sample spectra and USGS standard spectraa-矿化体样品；
b-赋矿围岩样品a-sample of orebody;b-sample of ore-hosting rock
从蚀变矿物空间分布与组合上可看出，在矿(化)体部位主要发育白云母、多硅白云母、黄钾铁矾、针铁矿(褐铁矿)和赤铁矿几种蚀变矿物，且越靠近矿体蚀变强度越大，表现为在岩矿光谱上矿物特征吸收程度变深。在矿(化)体赋矿围岩中，蚀变矿物主要为钠云母、蒙脱石(蒙脱石+皂石)、绿帘石、绿泥石、水铝石和方解石(图5)。
图5 花西山金矿蚀变矿物分布图Fig.5 Distribution of altered minerals in the Huaxishan gold deposita-蚀变矿物分布图(hxs-pm1)；
b-蚀变矿物分布图(hxs-pm2)；
1-金矿(化)体；
2-蚀变花岗斑岩；
3-断层；
4-白云母；
5-钠云母；
6-多硅白云母；
7-伊利石；
8-蒙脱石；
9-皂石；
10-水铝石；
11-绿泥石；
12-绿帘石；
13-方解石；
14-石膏；
15-明矾石；
16-黄钾铁矾；
17-赤铁矿；
18-褐铁矿；
19-取样位置a-distribution of altered minerals(hxs-pm1);b-distribution of altered minerals(hxs-pm2);1-gold body;2-altered porphyry granite;3-faults;4-muscovite;5-paragonite;6-phengite;7-illite;8-montmorillonite;9-saponite;10-gibbsite;11-chlorite;12-epidote;13-calcite;14-gypsum;15-alunite;16-jarosite;17-hematitization;18-goethition;19-sample position
由矿物组合特征可将花西山金矿蚀变带分为中心带和外围带两个蚀变带。中心带主要为绢英岩化，分布于矿(化)体部位，是蚀变的中心区域，代表蚀变矿物组合为绢云母(白云母+多硅白云母)+黄钾铁矾+赤铁矿+针铁矿。中心带与金矿化关系密切，是金矿化的重要指示标志。外围带分布于矿(化)体外围，发育范围相对中心带较大，是矿(化)体与围岩的过渡区域，主要蚀变矿物组合为绢云母(钠云母)+绿帘石+绿泥石+蒙脱石+水铝石。
3.2 航空高光谱遥感蚀变特征
利用CASI-SASI高光谱遥感数据共提取了褐铁矿、高岭石、蛇纹石、角闪石、绿帘石/绿泥石、绢云母、白云石和方解石等矿物信息，并据此绘制了研究区矿物分布图(图6)。
图6 花牛山地区机载高光谱遥感蚀变矿物分布图Fig.6 Distribution of alteration minerals extracted from airborne hyperspectral remote sensing data in the Huaniushan areaa-花牛山矿集区(局部)；
b-花西山金矿及周边地区；
Zx-震旦系洗肠井群；
O2h-奥陶系花牛山群；
γ-花岗岩;1-花西山金矿及周边地区位置；
2-花西山金矿；
3-白云石；
4-蛇纹石；
5-方解石；
6-多硅白云母；
7-白云母；
8-钠云母；
9-褐铁矿；
10-角闪石；
11-高岭石；
12-绿帘石/绿泥石a-Huaniushan ore-concentrated area(local part);b-Huaxishan gold deposit and surrounding area;Zx-Sinian Xichangjing Group;O2h-Ordovician Huaniushan Group;γ-granite;1-location of Huaxishan gold deposit and surrounding area;2-Huaxishan gold deposit;3-dolomite;4-serpentine;5-calcite;6-phengite;7-muscovite;8-paragonite;9-limonite;10-hornblende;11-kaolinite;12-epidote/chlorite
从图6中可以看出，褐铁矿信息主要分布在岩脉与地层的接触带附近，在花西山金矿附近发育明显。同时，区内可见大面积绢云母化和绿泥石/绿帘石化信息，多呈面状和脉状分布，其中绢云母化以白云母为主，多硅白云母相对较少。从绢云母的丰度图上看(图7)，绢云母在花西山矿区存在明显富集现象，且呈脉状发育，与矿区已知矿化范围一致。
图7 花牛山地区机载高光谱遥感绢云母丰度图Fig.7 Abundance of sericite extracted from airborne hyperspectral remote sensing data in the Huaniushan areaa-花牛山矿集区(局部)；
b-花西山金矿及周边地区；
Zx-震旦系洗肠井群；
O2h-奥陶系花牛山群；
γ-花岗岩;1-预测区；
2-花西山金矿a-Huaniushan ore-concentrated area(local part);b-Huaxishan gold deposit and surrounding area;Zx-Sinian Xichangjing Group;O2h-Ordovician Huaniushan Group;γ-granite;1-prediction area;2-Huaxishan gold deposit
4.1 找矿模型构建
从矿床蚀变分带模型和航空高光谱遥感矿物信息出发，综合区域内金矿床的成/控矿条件和找矿规律进行分析，本文建立了花西山式金矿高光谱找矿预测模型：(1)位于中酸性岩体内部和岩体与地层接触带处，且蚀变矿物也主要发育在上述部位；
(2)存在有利成矿的裂隙、断裂等构造环境，即位于区内深大断裂的构造破碎带以及次级小断裂中；
(3)具有绢云母(外围钠云母，中心白云母、多硅白云母)+褐铁矿的特征蚀变矿物组合，蚀变矿物有富集中心，且呈脉状产出，表现出断裂控制特点。
4.2 找矿预测区圈定与野外查证
根据构建的找矿预测模型，本次在研究区西南部圈定了1处金矿预测区(图8)。从遥感影像上可以看出，在花岗岩断裂带中可见脉状分布的褐铁矿+绢云母(白云母、多硅白云母)矿物组合，钠云母分布在周围，绿帘石/绿泥石呈串珠状零星分布于带上。
图8 高光谱遥感找矿预测区分布图Fig.8 Distribution of prospecting prediction area based on hyperspectral remote sensing dataa-预测区位置图；
b-预测区高光谱遥感矿物分布图；
1-预测区；
2-花西山金矿；
3-白云石；
4-多硅白云母；
5-白云母；
6-钠云母；
7-褐铁矿；
8-绿帘石/绿泥石a-location of prediction area;b-hyperspectral remote sensing mineral distribution of prediction area;1-prediction area;2-Huaxishan gold deposit;3-dolomite;4-phengite;5-muscovite;6-paragonite;7-limonite;8-epidote/chlorite
经野外实地查证发现1处矿化线索，该地地表沿断裂走向断续出露一条硅化带，呈北东向展布，地表可控制的长度100余米，宽约3～5 m(图9a)，多发育褐铁矿化、绢云母化(图9b)。沿硅化带走向进行连续取样化学分析，测得5块样品中Au的含量为(0.48～1.04)×10-6(表1)。
图9 预测区野外查证图Fig.9 Field verification photos of prediction areaa-硅化带产出特征；
b-硅化带局部特征a-occurrence characteristics of silicified belt;b-local feature of silicified belt
表1 预测区样品化学分析测试结果Table 1 Test results of chemical analysis of samples in the prediction area
本文采用地面样品光谱测量分析技术对花牛山矿集区内花西山金矿进行了精细的蚀变矿物综合研究，并利用机载高光谱遥感数据对研究区进行了矿物信息提取，综合获得如下认识：
(1)花西山金矿体及围岩发育的蚀变类型主要有绢云母化、褐铁矿化、绿帘石/绿泥石化等。其中钠云母和绿帘石/绿泥石是赋矿围岩的主要蚀变矿物类型，而褐铁矿和白云母/多硅白云母与金矿化关系更为密切，可作为圈定矿化或蚀变中心的指示信息。
(2)基于地面典型金矿床蚀变矿物研究，结合航空高光谱遥感蚀变矿物信息，建立了有针对性的高光谱遥感找矿预测模型。依据该模型圈定了一个金矿预测区，野外验证发现有金异常，该找矿预测模型可为该区域后续更大范围的找矿应用提供参考。
[注 释]
① Cudahy T,Jones M,Thomas M,Laukamp C,Caccetta M,Hewson R,Rodger A,Verrall M. 2008. Next generation mineral mapping:Queensland airborne HyMap and satellite ASTER surveys 2006-2008[R].
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