沙特阿拉伯吉达东北部地质构造与蚀变信息提取及找矿有利部位预测

马鸿霖， 贾伟洁， 付长亮， 李伟

(1.中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083； 3.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

随着遥感、地理信息系统以及卫星成像等技术领域的不断突破，通过航天飞行器所携载的传感器系统获取地物反射、发射的电磁波谱信息，采用图像处理、信息提取和遥感解译等技术和方法，研究地质体的空间分布、结构构造和矿化蚀变等特征，已成为区域地质调查工作中的一种重要技术手段[1-3]。近年来，随着国产高分卫星影像的投入使用，可以对某些重点区域的地质矿产进行更深入的分析研究，更有利于快速开展地质找矿工作[4-7]。

沙特阿拉伯西部地区地质背景极其复杂，但矿产资源十分丰富，在吉达东北部存在大面积的找矿空白区，现有资料已经反映出该地区具有一定的多金属矿产资源开发潜力； 但国内关于该地区已有地质背景资料较少，且这些资料年代久远、比例尺较小，外文资料信息不全，基础地质工作内容较少。为响应国家“一带一路”战略号召，为国内矿业公司境外投资项目提供沙特阿拉伯地区遥感地质基础数据资料，本文选取吉达东北部地区作为研究区，以Landsat8和高分二号(GF-2)等不同空间分辨率的卫星遥感影像数据和数字高程模型(digital elevation model，DEM)，运用辐射定标、大气校正、假彩色合成、主成分分析和密度分割等方法对影像进行处理； 基于该区域已有地质资料分析，对全区内的线性-环形构造进行遥感解译，提取铁化蚀变信息等矿化蚀变遥感异常； 综合遥感解译得到的构造信息与蚀变信息来分析该地区已开采矿床的矿产特征及其构造环境，研究成矿部位与线性-环形构造之间的关系，圈定研究区内多金属矿的找矿远景区； 通过高空间分辨率的GF-2和Google Earth影像数据对所圈定的找矿远景区进行验证，完成对找矿有利部位的预测[8-9]，旨在为该地区的进一步找矿预测提供参考。

1 研究区概况

研究区位于沙特阿拉伯中西部地区，毗邻红海，处于非洲板块北部边缘(图1)。

图1 沙特阿拉伯吉达东北部研究区范围示意图Fig.1 Study area of northeast Jeddah，Saudi Arabia

研究区内常规地质找矿工作开展较少，已有资料表明区内裸露的基岩为前寒武纪变质岩及侵入其中的花岗岩，还有大面积覆盖的新近系和第四系玄武岩。泛非运动后，地壳伸展，导致地壳减薄、断裂，岩浆活动频发，使地表覆盖大量岩浆岩； 一些地区发生较为明显的围岩蚀变作用，变质岩为尚保留着原岩结构、构造的低变质岩系。地质反演过程表明，研究区内铜、铅、锌、金、铁等多金属成矿作用主要与岩浆活动有关，在已发现的部分矿点和矿化点中，有许多金属矿床。已开采的位于阿齐济耶北部迈赫德宰海卜金矿伴生多金属矿床，距该矿约40 km的赛伊德山岛铜矿为热液或火山喷发矿床，这些热液蚀变型矿床一般都产在距原生矿床或矿源岩不远的范围内，是目前矿产开发的主要对象[10]，也是可以通过提取铁化蚀变信息来提取的热液蚀变型多金属矿床，为本文的重点研究对象。

该区气候干旱、植被覆盖率极低，非常有利于遥感调查，但目前国内尚未对该区开展过遥感解译工作。受复杂地形条件限制，仅在吉达、麦加和伊塔夫等地形平坦且交通较为便利的地区有较多的矿产开发活动。因此，通过遥感影像对比分析已开采矿点与周围地层岩性及构造情况，有利于开展研究区整体的遥感找矿研究。

2 数据源及其预处理

2.1 遥感数据源

2.1.1 Landsat8影像

Landsat8卫星搭载有陆地成像仪和热红外传感器2种传感器，成像幅宽为185 km。本文主要应用2017年9月获取的吉达东北部地区4景Landsat8可见光—近红外波段(空间分辨率为30 m)和全色波段(空间分辨率为15 m)影像进行遥感线性-环形构造解译和矿化蚀变遥感信息提取。

2.1.2 DEM数据

本文应用的DEM数据为2009年获取的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model，ASTER GDEM)加工的6景产品，空间分辨率为30 m。通过DEM数据制作晕染图，优化视觉效果，减少视觉误差对研究区内线性-环形构造解译的干扰。

2.1.3 GF-2影像

GF-2卫星搭载有2台空间分辨率为1 m(全色)和4 m(多光谱)的相机，观测幅宽达到45 km，可以很好地用于观察地层影纹特征。本文应用2016年1—3月获取的吉达地区31景GF-2多光谱波段影像进行矿点观测及解译结果验证。

2.1.4 Google Earth影像

Google Earth可以提供1～30 m空间分辨率的高精度影像。以Landsat卫星数据居多，还包括IKONOS和SPOT卫星影像等数据，本文通过该影像进行模拟野外验证。

2.2 影像预处理

为了改善影像的清晰度、色彩和光谱信息的丰富度，获取遥感信息更丰富、地理位置更准确的基础遥感影像，需对影像进行预处理，影像预处理步骤如下： 首先，运用ENVI5.1软件对Landsat8可见光—近红外波段影像进行辐射定标、大气校正； 其次，对4景影像进行镶嵌； 然后，选取Landsat8 B7(R)，B5(G)，B2(B)波段组合进行假彩色合成，该组合信息量大，具有兼容中红外、近红外及可见光波段信息的优势，层次感好，具有极为丰富的地质构造信息； 最后，运用ArcGIS软件对下载的30 m空间分辨率DEM数据进行处理，生成DEM晕染图。

3 线性-环形构造解译

3.1 线性构造解译

研究区内线性断裂构造的走向大致分为NE，NEE，NNW及NW向。发育于太古界—古元古界地层裸露岩石中的断裂构造沿NE向展布，而NW向断裂构造则受非洲板块与印度洋板块的拉张控制[11]； 西部地区线性断裂构造较为发育，主要沿NE向展布。根据对已有地质构造信息的研究，基于对Landsat8假彩色合成影像的目视解译分析，建立线性构造的遥感解译标志如下： ①在该假彩色合成影像中，断裂构造表现为线性构造的不连续、地层界面走向斜交、地层沿走向被错移、界面两侧褶皱构造发育以及构造破碎带直接出露(图2(a))； ②标志层缺失、重复、被错开或者切断，形成破碎带的直线出露或被松散沉积物覆盖的断裂构造呈线(带)状分布(图2(b))。

(a) 地层界面走向斜交影像 (b) 松散沉积物覆盖的断裂构造呈线状分布影像

图2 线性构造遥感解译图

(Landsat8 B7(R)，B5(G)，B2(B)假彩色合成)

Fig.2Linearstructuresinremotesensinginterpretationmap

将研究区内所解译断裂分为2级： 主断裂和次级断裂。主断裂为该地区新发育的、深切地表的断裂，共48条，其中1条具有代表性的断裂为NNW向深切地表的深大断裂，其余主断裂为NE和NNW向挤压断裂或走滑断裂。次级断裂一般延伸不远或被主断裂错断，主要受挤压应力控制，共有247条，多为NNE和NW走向； NW向断裂形成较早，NE向断裂为后期构造运动形成。

3.2 环形构造解译

研究区东北部和东南部环形构造较为发育，通过对DEM晕渲图的观察发现，边缘脊凸出的负地形环形构造(图3(a))是该地区环形构造的主要特征，地表高差悬殊。前人对该地区环形构造的研究结果表明，该地区发育的环形构造与金属矿产关系密切，尤其是侵入岩体形成的环形构造是寻找多金属矿床的重要线索[12]。本文共解译出环形构造55个，在研究区东北部的乌穆奥多姆地区岩浆侵入型环形构造分布较为密集，表明该地区岩浆活动强烈。根据环形构造成因将环形构造解译标志分为地壳构造运动形成的环形构造和岩浆活动形成的环形构造2类，前者包括旋扭构造形成的环形、椭圆形断裂、隆起和拗陷盆地、褶皱构造等成因形成的环形构造； 后者包括火山机构环形构造、岩株和岩枝等中小型岩浆岩体、岩浆杂岩体及变质岩区由混合岩化作用或古老侵入体反映的环形构造[13-14]。对研究区内典型环状构造进行重点分析： ①在阿齐济耶东南部出露的环形岩体，是在岩浆演化后期突入地表形成的火山口(图3(b))； ②位于塔伊夫北部的拗陷盆地为地壳运动形成的环形构造，周围地层受挤压构造应力形成拗陷盆地，内部充填第四系覆盖物，内环与外环有明显色差(图3(c))； ③分布在研究区东部、由岩浆活动形成的环形构造，突出的环形岩体，色调、纹理与周围地层不同，形成一种嵌套模式，其形成与多金属矿床关系比较密切(图3(d))。

(a) 塔伊夫北部拗陷盆地DEM (b) 研究区东部火山机构环形构造

图3-1 研究区典型环形构造

Fig.3-1Typicalringstructureinthestudyarea

(c) 塔伊夫北部拗陷盆地 (d) 阿齐济耶东南部环形岩体

图3-2 研究区典型环形构造

Fig.3-2Typicalringstructureinthestudyarea

4 蚀变信息提取

研究区成矿作用多种多样，包括与活动板块边缘共生的岛弧型火山成因多金属矿床、与增生作用和走滑构造有关的剪切带容矿的中温铁、铜、金矿化。在热液成矿过程中，近矿围岩与热液在一定条件下发生化学反应，而产生Fe2+和Fe3+的一系列物质成分变化，通过提取铁化蚀变信息可有效预测研究区内的找矿有利部位[15-16]。

4.1 掩模处理

为了减少干扰信息的影响，在提取铁化蚀变信息前，需要对影像中云雾覆盖区、城市人工建筑区、农田及植被覆盖区、地形及云阴影覆盖区、盐碱地(白泥地)分布区和海洋等进行必要的掩模处理，以防止影响提取结果的准确性。

4.2 主成分分析

铁化蚀变在Landsat8光谱区具有2个明显的吸收带和1个反射带，第1个吸收带位于0.4～0.5 μm，对应于B2； 第2个吸收带位于0.8～1.0 μm，对应于B5； 反射带位于0.63～0.69 μm附近，对应于B3[17]； Fe3+在B7也具有一个明显的反射带。而在主要造岩矿物中，各主要化学成分(Si，Al，Mg和O)没有像铁化蚀变那样明显的反射带和吸收带，故可以将铁化蚀变与未蚀变岩石区分开来[18]。因此，最后选择B2，B3，B5和B7这4个波段进行主成分分析(表1)。

表1 Landsat8波段主成分分析特征向量Tab.1 Eigenvector of principal componentanalysis of Landsat8 band

根据含铁矿物反射波谱特征，当主成分分量满足B3的系数符号与B7符号相同、且与B2和B5符号相反时[19]，该主成分分量可用来提取铁化蚀变信息。从表1可以看出，PC3为提取铁化蚀变信息的主成分分量。

4.3 最优密度分割

PC3的数值在-192～185之间，满足正态分布规律，但大部分值集中在3.13左右，为分割出信息量大、段内含有的地物信息与段间距满足最优划分关系，采用最优密度分割法对PC3进行密度分割，段内离差平方和可以作为衡量段内像元差异性的指标，段内离差平方和越小，表示段内像元的差异性越小，反之则相反[20]。最优密度分割将PC3的数值(最小值到最大值)作为有序量，利用费歇尔准则进行分割[21]。

计算所有可能分割段的段内离差平方和，设max为最大值，min为最小值，将max-min+1个数值分割成k段{2≤k≤(max-min+1)}，如[min，…，i2]，[i2+1，…，i3] … [ik+1，…，max]，则段内的离差平方和为

(1)

式中：k为密度分割的段数；i为分割间断点处的值；D(ik)为段内的离差平方和。

取k为在[2，16]范围内的正整数，将数值平均分为2～16段，计算每次均分后D(ik)值的离差与离差平方和，发现将数值从小到大划分为6段时，段内离差平方和最小，段间离差最大。通过分析这6段数值代表的矿物信息，发现数值最大的第6段包含的矿物信息为铁化蚀变信息(图4)。

图4 吉达东北部地区东南部矿区铁化蚀变信息提取结果(GF-2 B3(R)，B2(G)，B1(B)彩色合成)Fig.4 Extraction of iron mineralization alteration insoutheast mining area of northeast of Jeddah

5 找矿远景预测

5.1 遥感提取铁化蚀变区及其构造分析

通过观察遥感影像中地层颜色的差异，分析矿点地质构造信息和所提取蚀变信息的关系，排除“假蚀变”信息，对整个研究区内筛选的蚀变信息进行划分，将研究区内铁化蚀变信息集中部位划分为7个铁化蚀变区(图5)。

图5 研究区内解译的断裂构造、提取的蚀变信息与已知矿点分布Fig.5 Fault structure, alteration information and knownmineral points distribution in study area

1)哈杰尔西南地区。该区发育1条NNE向主断裂构造，5条NNE及NE向次级断裂构造，1个旋扭构造形成的环状构造。主要岩性为新元古代超基性侵入岩； 在其南部2条主级断裂之间有2个正在开采的铜、铅、锌矿。

2)阿齐济耶东部地区。该区地层岩性较为均一，发育有1个呈负地形和2个侵入体形成的环形构造； 侵入体围岩蚀变发育明显，负地形环形构造被一条NW向小断裂切开。从影像上看，该区所属断裂带与其北部正在开采的迈赫德宰海卜金矿为同一断裂带。

3)欧谢拉岩浆岩覆盖区。该区有1条NE向主断裂，若干条NE和NNW向次级断裂，2个拗陷盆地和1个岩浆侵入体形成的环形构造。该区东侧被大面积新近纪和第四纪玄武岩覆盖，地层缺失，被构造运动挤压抬高。

4)乌穆奥多姆东部地区。该区没有明显的断裂构造，有大量火山口及侵入体，地表大面积被玄武岩覆盖； 在该区东部有3个正在开采的铜、锌、银、金矿。

5)特班西南地区。该区环形构造发育，有3个侵入岩体和1个由地层褶皱形成的环形构造，构造运动使地层呈S型弯曲，褶皱构造较为发育。北部分布有大面积的基性火成岩，在其南部有1个大型铁矿。

6)塔伊夫地区。该区发育有若干条NE，NNE，NNW和NW向次级断裂构造，地层缺失严重； 有4个旋扭构造形成的环形构造，2个岩浆侵入体形成的环形构造，影纹结构较为复杂。

7)吉达东部地区。该区蚀变带沿1条NE向主断裂分布，周围有若干NNW，NW和NE向次级断裂，1个褶皱构造形成的环状构造； 北部被新近纪和第四纪玄武岩覆盖。在该地区有2个正在开采的多金属矿(图4)。

5.2 找矿远景区圈定

研究区内矿产资源多分布于构造发育区，地层色调以红色、浅黄色、绿色和粉色为主，纹理清晰，尤其是在研究区西部的已知金属矿田密度之大、数量之多在世界其他成矿带都是少见的[22]。对影像构造解译与蚀变提取信息进行对比，分析9个已知多金属矿点(图5)，发现一些已知多金属矿床与构造活动具有很好的拟合关系，尤其是那些附近具有断裂构造交汇的环形构造与现有的矿床具有更好的对应关系，表现为以下3个特点：

1)岩浆热液活动强烈，这些岩浆热液往往携带有丰富的矿物质沿着断裂通道运移，贮存并富集于侵入岩体的顶端、岩体边缘、断裂带和构造裂隙等部位，是寻找地下多金属矿床的重要解译标志；

2)遥感解译的环形构造大多与岩浆侵入及其喷出活动关系密切，尤其有些侵入体停留在地表下一定深度，对多金属矿床的形成更加有利，也可能涌出地表形成各种特征的环形构造；

3)各种线性断裂构造尤其是其交汇部位往往是地下岩浆上侵有利的通道，很多多金属矿床往往与岩浆的多期次侵入作用关系密切，发生结晶分异作用形成矿床。

综合上述地质构造遥感解译及蚀变信息提取结果，并结合“沙特地区多金属矿的形成主要是元古宙晚期洋陆交汇部位在大洋的闭合消失过程中，古大洋板块向大陆板块边缘俯冲后重熔形成新的岩浆折返上侵，通过与陆壳混染、自身结晶分异等过程形成了Fe，Cu，Pb，Zn，Cr，Ni，Au等一系列多金属矿床”这一特征[23]，在7个铁化蚀变区内根据遥感影像解译出的岩浆成矿有利位置，划分出3个找矿远景区(图6)。

(a) 找矿远景区位置(b) 乌穆奥多姆东北部找矿远景区

(c) 阿齐济耶东部找矿远景区 (d) 特班找矿远景区

图6 研究区找矿远景预测

(Landsat8 B7(R)，B5(G)，B2(B)假彩色合成)

Fig.6Predictionoforeprospectinginresearcharea

1)乌穆奥多姆东北部找矿远景区。该区内有许多由岩浆喷发形成的环形构造，部分呈线性排列，表明该地区地层被拉张变薄，深部有较多裂缝，是矿床形成的有利位置； 岩浆期后作用突入地表形成火山口，周围的岩石含有许多热液矿物，与围岩发生交代作用产生矿床，这些都为找矿提供了有力证据(图6(b))。

2)阿齐济耶东部找矿远景区。该区南部靠近岩浆覆盖区，地表被NE和NW向断裂切断，侵入岩的围岩蚀变强烈，遥感蚀变信息异常明显。地层岩性为新元古代超基性岩，尽管目前周围尚未发现大型矿区，但可以列为找矿远景区(图6(c))。

3)特班找矿远景区。该区地层破碎，处于断裂交汇处，从遥感影像上看影纹杂乱，但地层层序界限较为明显，大致呈平行状排列，这表明该地区具有利于热液存储的空间； 而且在该区发育有3个侵入体，围岩蚀变较为明显，说明蚀变作用较为发育，是一个很好的找矿场所(图6(d))。

5.3 找矿远景区验证

因在境外开展实地验证工作比较困难，故本文运用对比验证方法，利用高空间分辨率的GF-2影像及Google Earth影像，分别分析乌穆奥多姆东北部、阿齐济耶东部和特班等3个找矿远景区内的构造影纹特征和矿点开采情况。验证结果如下：

1)在乌穆奥多姆东北部找矿远景区东南部有2个正在开采的小矿区(图7(a))；

2)在阿齐济耶东部找矿远景区北部有迈赫德宰海卜金矿(图7(b))，与该远景区所属同一断裂构造带；

3)在特班找矿远景区东部有1个正在开采的小矿区，与该远景区所属同一时期的侵入体，之后又被一条NNW向断层错开(图7(c))。

(a) 乌穆奥多姆内矿区 (b) 迈赫德宰海卜西部矿区 (c) 特班远景区东部矿区

图7 找矿远景区验证(Google Earth影像)

Fig.7VerificationimagesfromGoogleEarthofprospectingperspectivearea

在吉达地区，通过GF-2影像可以清楚地看到矿床位于断裂构造特别发育的位置，地层影纹呈不协调接触，在NNW向主断裂西侧呈雁列式组合分布，NNW向断裂穿插于NNE向断裂间； 在区内的矿点开采处，地层非常明显地被交叉错断(图8)，断层在地表破碎后被第四纪覆盖物填充，形成了很好的热液上升通道。通过矿点GF-2影像验证，所提取的蚀变信息和矿点构造特征情况也说明研究区内矿床发育于断裂交汇处，进一步验证了矿床的形成特点。

图8 吉达东南部地区构造分布(GF-2 B3(R),B2(G),B1(B)彩色合成)Fig.8 Structural distribution map of Southeast Jeddah

6 结论

基于Landsat8影像，本文对研究区内线性-环形构造和蚀变遥感信息进行了提取，并开展找矿有利部位预测分析。研究得到如下结论：

1)总结出沙特中西部地区矿床的形成特点，矿床与成矿带主要存在于环形构造及断层交错位置。

2)通过对比已有矿点的地质构造特征，在7个铁化蚀变区内找出了岩浆热液矿化蚀变带、岩浆侵入的环形构造区及断裂交汇处，圈定出3处找矿远景区。

3)通过GF-2影像和Goolge Earth影像数据的验证，进一步证明了3处找矿远景区的找矿潜力。

4)本文的分析表明，预测的3处找矿远景区及总结出的研究区矿床形成特征对沙特阿拉伯中西部地区找矿工作具有一定的启示作用。

建议下一步对本文提出的有利成矿部位进行深入研究，加强对3个找矿远景区的基础地质调查，以提高找矿工作的准确性。