基于遥感技术的断裂构造分形特征及其地质意义研究

第５８卷　第３期２０１２年５月　　地　质　论　评　　　ＧＥＯＬＯＧＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ　　Ｖｏｌ．５８　Ｎｏ．３Ｍａｙ　２０１２注：本文为中国地质调查局“南岭地区钨锡多金属矿找矿靶区优选与验证”（编号Ｋ２０１０２５）的成果。收稿日期：２０１１０３２９；改回日期：２０１２０３２７；责任编辑：章雨旭。作者简介：雷天赐，男，１９７７年生。硕士，矿产普查与勘探专业。通讯地址：４３０２０５，武汉市东湖新技术开发区光谷大道６９号武汉地质调查中心；Ｅｍａｉｌ：[e-mail]。基于遥感技术的断裂构造分形特征及其地质意义研究———以湘南九嶷山地区为例雷天赐，崔放，余凤鸣，徐宏根武汉地质调查中心，武汉，４３０２０５内容提要：以九嶷山地区ＥＴＭ＋遥感影像数据为信息源，通过信息提取与解译快速获取该区断裂构造。运用分形理论的盒维数法对断裂构造体系进行分形研究，结果表明，区内断裂构造在００５～２７５ｋｍ尺度范围内具有良好的自相似性和分形特征，总体分维值Ｄ＝１１１５５、Ｒ２＝０９９６４，分维值接近中国大地构造单元稳定区分维值；不同走向断裂分维值Ｄ在０９１８４～１０４４１间、Ｒ２介于０９９８３～０９９９６间，各分维值Ｄ不仅定量描述了各走向断裂分布的复杂性和构造演化的成熟度，而且还反映了断裂的成矿作用：ＮＥ向断裂分维值最大，Ｄ值在１０４４１附近时主要表现为导矿构造；ＳＮ向断裂分维值次之，Ｄ在０９８７０附近时主要表现为控矿构造；ＮＷ向断裂分维值偏小，Ｄ在０９５０２附近时主要表现为含矿构造。关键词：分形；分维值；遥感；九嶷山；断裂　　２０世纪７０年代中期，Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ创立了分形几何学理论。其作为现代非线性科学的一个重要分支，深入到自然科学与社会科学的多个领域，用来解释自然界中各种不规则、不稳定和具有高度复杂结构的现象。８０年代初，分形理论被逐渐引入地质领域并得到广泛应用，尤其是在岩石孔隙结构、大地构造分析、成矿动力学、地球化学、矿石品位与储量、成矿规律与成矿预测等方面，并且对于地质现象的分形研究已经由单分形过渡到了多重分形。如金强等（１９９５）、陈传仁等（１９９６）研究了储层砂岩粒度、孔隙的分形特征与砂岩的成分、结构及成岩作用的关系；Ｏｋｕｂｏ（１９８７）和Ｈｉｒａｔａ（１９９５）分别研究证实了断裂构造都具有分形结构特征；连长云等（１９９５）、谭凯旋等（１９９８）研究总结了中国大陆深大断裂构造的分形特征及其大地构造意义；谢焱石等（２００２）从成矿动力学角度研究得出了断裂分维值越高越有利于流体流动汇聚和矿床的形成；陈建国等（１９９８）、成秋明等（２０００）、徐明钻等（２０１０）通过多重分形方法提取化探隐蔽信息并圈定出地球化学异常；秦长兴等（１９９２）、沈步明等（１９９３）、程小久等（１９９４）、王祖伟（１９９９）研究了矿床中的若干自相似现象及矿体中金属品位分布的分形结构特征；申维（１９９７）发表了成矿预测的分形模型、成秋明等（２００６）采用多重分形矿产资源预测理论和ＧｅｏＤＡＳＧＩＳ技术，对国内外多个金属成矿区带进行了矿产资源勘查与评价。本文以九嶷山地区的遥感影像数据为信息源，通过人机交互式解译快速获取线性构造并进行分形研究。结果表明，不同走向断裂分维值Ｄ不仅反映了断裂构造的成因、复杂程度及其时空演化关系，而且还体现了断裂的成矿作用，即控矿特征与分维值的相关性。１　区域地质背景九嶷山地区位于湘南地区西南部、湘粤交界处，我国著名的有色金属成矿区，也是南岭地区重要的锡成矿远景区之一。研究区地理座标：东经１１１°４１′１６″～１１２°０３′５６″，北纬２５°０９′３５″～２５°２５′５１″，面积１１０２ｋｍ２。在大地构造上，处于华夏板块与扬子板块接合带附近，南岭纬向构造带中段北缘、ＮＥ向炎陵—蓝山基底断裂与ＥＷ向都庞岭—九嶷山断隆带交汇部位。区内构造经历了加里东、印支、燕山等多期构造活动，不同期次形成的构造形迹彼此交截、叠加、改造，呈现以ＥＷ向隆起为基底，ＮＮＥ—近ＳＮ向断裂为主体，伴随ＮＥ、ＮＷ、近ＥＷ向断裂的复杂构造格局（付建明等，２００７）。其中ＮＥ、近ＳＮ向断裂为区内的重要控矿构造，控制了该区锡多金属矿及Ｓｎ、Ｗ、Ｍｏ、Ｂｉ、Ｐｂ和Ｚｎ等高中温元素异常的分布。出露地层以边缘海槽盆相砂泥质岩石为主的震旦系—志留系和以浅海台地相碳酸盐岩为主的泥盆系—中三叠统，在一些断陷盆地中发育晚三叠世—侏罗纪和白垩系的陆相沉积岩，区域地质略图如图１所示。图１湘南九嶷山地区区域地质略图Ｆｉｇ．１ＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｍａｐｏｆｔｈｅＪｉｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎａｒｅａ，ｓｏｕｔｈｅｒｎＨｕｎａｎＫ—白垩系；Ｄ—泥盆系；∈—寒武系；Ｚ—震旦系Ｋ—Ｃｒｅｔａｃｅｏｕｓ；Ｄ—Ｄｅｖｏｎｉａｎ；∈—Ｃａｍｂｒｉａｎ；Ｚ—Ｓｉｎｉａｎ区内岩浆岩相当发育，岩性以酸性、超酸性为主，另有少量的中性、碱性及基性岩。形成时代为志留纪、中三叠世及中、晚侏罗世，以中侏罗世金鸡岭岩体及晚侏罗世螃蟹木岩体活动最强烈，演化最完全，与锡多金属成矿关系密切。花岗质岩体出露广泛，沿隆起核部呈近东西向展布，自西向东由雪花顶、金鸡岭、螃蟹木、砂子岭、西山等５个岩体组成。２　断裂构造的遥感影像机理及信息提取本次研究采用的遥感信息源为美国陆地资源卫星Ｌａｎｄｓａｔ７接收的ＥＴＭ＋数据，其空间分辨率在可见光、近红外、中红外及远红外波段为３０ｍ，热红外波段为６０ｍ。覆盖研究区的ＥＴＭ＋涉及两景数据，其轨道号分别为Ｐ１２２Ｒ４２和Ｐ１２２Ｒ４３，成像时间为２０００年１０月３０日。遥感影像色彩鲜明，层次感强，影像中纹理细节都有清晰的显示，区内影像没有积云。通过相关系数和优化指数分析，选取信息量最丰富的ＥＴＭ＋７４２假彩色组合图像作为人机交互式解译基础图像（图２ａ），并选择局部增强和二维空间域定向卷积滤波相结合的数据处理方法。２．１　断裂构造形成的影像机理断裂构造遥感解译，主要是借助光谱特征和形状特征分析而判定的（程飞，２００４；张志等，１９９９；魏永明等，２００５）。由于受断裂构造活动的影响，断裂带本身及其旁侧在含水性、岩石成分以及结构特征等方面与其外围均存在较明显的差异，这些差异通过地物波谱异常反映出来，微观上显示出不同的色调、纹理结构，宏观上主要表现为地表状况、地形地貌及水系特征等差异，通过这些个性特征建立目视解译的标志和信息提取模型。２．２　断裂构造信息提取与解译断裂构造线性特征提取，首先采用空间滤波消除噪声、增强边缘，使图像清晰化，边界、线段与周围的像元形成高反差；再在边缘增强图像上，对滤波图像进行二值化处理（方洪宾等，２００２）。本次空间滤波采用３×３的矩阵算子作为卷积函数：　ｇ（ｉ，ｊ）＝∑ｉ＋ｗＫ＝ｉ－ｗ　∑ｊ＋ｗＩ＝ｊ－ｗｆ（Ｋ，Ｉ）·ｈ（ｉ－Ｋ，ｊ－Ｉ）（１）二值化阈值由下式确定：Ｔ＝２５５－Ｚ５９５第３期雷天赐等：基于遥感技术的断裂构造分形特征及其地质意义研究图２（ａ）湘南九嶷山地区ＥＴＭ＋７４２遥感影像图；（ｂ）九嶷山地区断裂构造遥感解译图Ｆｉｇ．２（ａ）ＲｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｍａｇｅｏｆＥＴＭ＋７４２ｉｎｔｈｅＪｉｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎａｒｅａ，ｓｏｕｔｈｅｒｎＨｕｎａｎ；（ｂ）ＲｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｍａｐｏｆｆａｕｌｔｓｉｎＪｉｕｙｉｓｈａｎｒｅｇｉｏｎ６９５地　质　论　评２０１２年选择Ｚ使其满足：　　Ｓ＝∑Ｚｉ＝０Ｈ（２５５－ｉ）２０％（２）式（１）中，ｆ为输入图像、ｈ为滤波函数、ｇ为滤波后的输出图像；（２）式中，Ｈ为滤波图像的直方图函数。根据九嶷山地区ＥＴＭ＋图像线性体的方位分布特征，在目视解译基础上，设计ＮＥ、ＳＮ、ＮＷ向及近Ｅ—Ｗ向和全方位空间滤波卷积运算的方位模板（图３）；与此同时，还尝试了多方法综合使用：ＴＭ７／４、５／４、５合成＋局部增强＋动态反差变换，并进行空间滤波，增强并提取了线性体在不同方位上的空间分布信息，编制断裂构造遥感解译图（图２ｂ）。图３湘南九嶷山地区方位滤波算子卷积核Ｆｉｇ．３ＴｈｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎｋｅｒｎｅｌｏｆａｚｉｍｕｔｈｆｉｌｔｅｒｉｎｇｉｎＪｉｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎａｒｅａ，ｓｏｕｔｈｅｒｎＨｕｎａｎ３　九嶷山地区断裂构造空间分形特征３．１　分形理论简述众所周知，自然界大多数图形都是十分复杂而且不规则的，而传统的欧几里德几何学在绚丽多姿的大自然面前显得十分软弱无力。因此，人们一直希望能够找到一种描述这些复杂现象的几何工具。１９６７年，Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ在美国《科学》杂志上发表了一篇题为“英国的海岸线有多长？”的划时代论文，标志着他的分形思想萌芽，１９８２年他又进一步提出的分形理论为断裂构造的定量研究开辟了一条新的途径（Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ，１９６７，１９８２）。诸多研究表明，断裂构造具有随机自相似性，断裂的分布和几何形态具有明显的分形结构（金章东等，１９９８；方茂龙等，２０００；胡春明等，２００４）。Ｍａｎｄｅｌｂｒｏｔ（１９８６）把分形定义为：部分以某种形式与整体相似的形状叫做分形，用分维值Ｄ来定量描述分形的复杂程度。可以定义一个分形模型：Ｎｉ（ｒ）＝ＣｒＤｉ（３）式中，Ｎｉ（ｒ）为具有指定特征的物体数目，ｒｉ为特征物体的标度，Ｄ为分维值，Ｃ为比例常数。对（３）式两边取对数：ｌｇＮｉ（ｒ）＝ｌｇＣ－Ｄｌｇｒｉ（４）由（４）式可知，ｌｇＮｉ（ｒ）与ｌｇｒｉ呈线性关系，分维值Ｄ是直线斜率的绝对值。根据分维定义和（３）式，设计一个数学模型，从而求出分维值Ｄ。本文采用盒维数法测定九嶷山地区断裂构造的分维值Ｄ，该法的基本步骤为：用不同边长为ｒｉ的离散化的小正方形网格覆盖九嶷山地区，统计相应的Ｎｉ（ｒ）；以ｌｇｒｉ为横坐标，ｌｇＮｉ（ｒ）为纵坐标，在双对数坐标系中采用最小二乘法对统计数据进行线性回归分析；如果九嶷山地区具有自相似性分形结构特征，那么ｌｇＮｉ（ｒ）与ｌｇｒｉ应满足Ｄ＝ΔｌｇＮｉ（ｒ）Δｌｇｒｉ的线性关系。３．２　断裂构造空间分形特征研究数据选用九嶷山地区断裂构造遥感解译成果（图２ｂ），测量中采用了１５个单元尺度，ｒ位于００５～２７５ｋｍ的标度范围内。然后，利用ＡｒｃＶｉｅｗ３．２软件的空间分析模块（朱晓华，１９９８）（ＳｐａｔｉａｌＡｎａｌｙｓｔ）分别统计出某一尺度下有断裂构造进入的网格数Ｎｉ（ｒ）（表１），并在ｌｇＮｉ（ｒ）—ｌｇｒｉ双对数坐标系中进行线性拟合（图４）。可以看出，其分维值Ｄ＝１１１５５、相关系数的平方（Ｒ２）为０９９６４，说明ｌｇＮｉ（ｒ）—ｌｇｒｉ具有良好的相关性，反映了九嶷山地区断裂构造空间展布的统计自相似性特征，即断裂构造空间展布具有分形特征。研究区发育多组不同走向的断裂，由于其产生于不同的地质构造运动，具有不同的时代、规模及类型，并在成矿过程中起着不同的作用。为进一步研究各走向断裂构造空间展布的复杂性，利用ＡｒｃＶｉｅｗＧＩＳ的空间分析模块（ＳｐａｔｉａｌＡｎａｌｙｓｔ）分别统计ＮＥ、ＳＮ、ＮＷ及ＥＷ向各组断裂构造不同尺度下的网格数，并求得其对应的分维值Ｄ和相关系数７９５第３期雷天赐等：基于遥感技术的断裂构造分形特征及其地质意义研究的平方Ｒ２（见表２），关系曲线如图５所示。各走向断裂分维值在０９１８４～１０４４１间、相关系数的平方０９９８３～０９９９６，且ＤＮＥ＞ＤＳＮ＞ＤＮＷ＞ＤＥＷ、Ｒ２ＮＷ＞Ｒ２ＳＮ＞Ｒ２ＥＷ＞Ｒ２ＮＥ，反映了不同走向断裂各自的分维特征。由表２可知，断裂构造空间展布的复杂程度与其分维值大小成正相关，ＮＥ向分维值最大，相对应的断裂构造空间展布的复杂程度最高；依次为ＳＮ、ＮＷ和ＥＷ向断裂，其相对应的断裂构造空间展布的复杂程度也相应降低。表１湘南九嶷山断裂构造统计表Ｔａｂｌｅ１ＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｔａｏｆｆａｕｌｔｉｎｔｈｅＪｉｕｙｉＭｏｕｎｔａｉｎａｒｅａ，ｓｏｕｔｈｅｒｎＨｕｎａｎ尺度ｒ（ｋｍ）网格数Ｎ尺度ｒ（ｋｍ）网格数Ｎ２．７５１５７０．７５８９１２．５１８２０．５１３９４２．２５２１５０．２５２８７３２２４９０．１２５５７７８１．７５３１４０．１７２３６