基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析_李晓楠.pdf

基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析李晓楠1，刘希军1,2*，贾志强1LI Xiao-Nan1,LIU Xi-Jun1,2*,JIAZhi-Qiang11.桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林541004；2.桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室&有色金属矿产勘查与资源高效利用协同创新中心，广西 桂林5410041.Guangxi Hidden Mineral Exploration Center,College of Earth Sciences,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi,China;2.Guilin University of Technology Guangxi Hidden Metal Mineral Exploration Key Laboratory&Collaborative InnovationCenter for Non-ferrous Metal Mineral Exploration and Resource Efficient Utilization,Guilin 541004,Guangxi,China摘要：稀土是重要的战略资源，全球90%以上的重稀土蕴藏在我国南岭花岗岩风化壳稀土矿床内，如何快速实现花岗岩风化壳型（也称离子吸附型）稀土找矿技术的突破是目前面临的难题。近年来随着遥感技术的快速发展，利用遥感数据的空间特征、光谱特征和纹理特征，结合地质背景、成矿母岩、气候和地形地貌等分析离子吸附型稀土矿床的成矿条件已成为该类矿产勘查的有效手段。本文在利用华南地区DEM数据提取高程因子及坡度、坡形、地表粗糙度等派生因子的基础上，分析研究地形地貌特征对离子吸附型稀土矿床成矿的影响。研究结果表明：离子吸附型稀土矿床（点）分布于高程500 m、坡度15 25、地形起伏度0 30 m、地表切割深度10 50 m、地形特征为山顶或山脊等有利于风化作用形成风化壳的地区，这些地形地貌特征对于离子吸附型稀土矿床成矿具有明显的约束和控制作用。关键词：离子吸附型稀土矿；遥感技术；地形因子；地形地貌；华南中图分类号：P618.7；P627文献标识码：A文章编号：2097-0013（2023）02-0376-11Li X N,Liu X J and Jia Z Q.2023.DEM Geomorphological Features and Topographical FactorAnalysis of Ion Adsorption Rare Earth Deposits in South China.South China Geology,39(2):376-386.Abstract:Rare earths are important strategic resources,and more than 90%of the worlds heavy rare earthsare contained in the granite weathering crust rare earth deposits in the South Ridge of China,how to quicklyrealize the breakthrough of granite weathering crust type（also called ion adsorption type）rare earth findingtechnology is the current challenge.With the rapid development of remote sensing technology in recent years,the analysis of mineralization conditions of ion-adsorbed rare earth deposits by using spatial,spectral and tex-tural characteristics of remote sensing data,combined with geological background,ore-forming parent rocks,climate and topography has become an effective tool for this type of mineral exploration.In this paper,the in-fluence of topographic and geomorphological features on the mineralization of ion-adsorption rare earth de-收稿日期：2023-2-28；修回日期：2023-3-19基金项目：国家自然科学基金（92055208）、广西自然科学基金杰出青年科学基金（2019GXNSFFA245005）、广西自然科学基金项目（2022GXNSFBA035538）、广西科技创新基地建设类项目（桂科ZY21195031)、广西八桂学者项目（2018，有色金属成矿理论与勘查技术）第一作者：李晓楠（1998），女，硕士研究生，主要从事岩石地球化学研究，E-mail:通讯作者：刘希军（1980），男，博士，教授，主要从事岩石地球化学研究，E-mail:第39卷 第2期2023年6月华 南 地 质South China GeologyVol.39,No.2,376-386Jun.,2023doi:10.3969/j.issn.2097-0013.2023.02.014第39卷 第2期稀土是重要的战略性矿产资源（European Com-mission,2018；蒋少涌等,2019；翟明国等,2019），在制导武器、航空航天等诸多尖端军事和高科技领域具有尤为宝贵的价值（许成等，2015;Yang M J etal.,2019）。华南地区风化壳广泛发育，蕴藏了全球90%以上的重稀土矿产资源（张培善，1989）。华南离子吸附型稀土矿具有分布地广、储量大、放射性低、开采容易、提取稀土工艺简单、成本低、产品质量好等特点。目前常见的稀土找矿勘查技术有地球化学方法以及地球物理方法，但存在耗时久、成本高、无法获取矿产的空间分布信息等问题，因此，需要研发更为快速有效的勘查找矿方式。与传统地质方法相比，高光谱遥感勘查技术具有全面、实时、高效、无破坏性等监测优势（要红杰，2020），这将会是未来稀土矿床找矿勘探的一个发展方向。地形地貌是离子吸附型稀土矿床非常重要的成矿条件，可根据其与稀土成矿的关系建立找矿标志（刘新星等，2016）；邹新勇等（2016）研究了华南离子吸附型稀土矿地貌与风化壳特征，以期对华南离子吸附型稀土矿床的特征有一个较为完整的了解；刘新星等（2016）采用 DEM数据通过提取坡度、地形起伏度等地形因子，研究了稀土矿点在宏观地貌上的分布特征。但前人主要对南岭东段的离子吸附型稀土矿地形地貌进行研究，缺少对整个华南地区以及其他地形因子的研究。因此，本文基于DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型，是描述地表起伏形态特征的空间数据模型）数据研究地形因子的统计特征对华南地区离子吸附型稀土矿的影响和控制作用，以期指导区域内该类型矿床的勘探工作。1 研究区概况华南地区由江西省、台湾省、海南省、福建省中南部、广东省和广西壮族自治区的中南部、云南省南部和西南部等部分组成。本区域常年基本平均气温10，大部分地区年均降水量为14002000mm，属于高温多雨、四季常绿的热带-亚热南带雨林气候，植物生长茂盛，种类繁多，该地区地带性植被特征包括热带雨林、季雨林和南亚热带季风常绿阔叶林等。1.1 离子吸附型稀土矿风化壳的特征离子吸附型稀土矿在成矿条件上受母岩、气候、构造、地貌、水文和时间等内、外生地质环境因素的综合制约（Bao Z W and Zhao Z H,2008;冯梦等，2015；Fu W et al.,2019；李瑞等，2021）。其成矿母岩的风化壳类型也发挥了重要作用，根据具体的山头、山腰、山脚等微地貌因素可以将风化壳划分为三类：（1）全复式，其在低丘地貌类型的母岩中广泛存在；（2）裸脚式，其在中丘或高丘地貌类型的母岩中分布较广，且风化壳、矿体的厚度较大；（3）残留式，其在高丘或陡峭地貌母岩中分布较广泛，且基岩出露的部位除山脚外，在山腰和山头也较为常见。风化壳完整的垂直剖面从上到下可分为表土层、全风化层、半风化层几种（周贺鹏等，2022），其具体的厚度受母岩地貌类型等因素的影响而不同，但在相接的部位均为渐变过渡。1.2 离子吸附型稀土矿的地貌特征成矿母岩地貌对离子吸附型稀土矿具有显著的影响，同时也影响到地表、地下水的迁移方向，进而影响稀土元素的分布特征。研究区地表侵蚀程度posits is analyzed and studied based on the extraction of elevation factors and derived factors such as slope,slope shape and surface roughness using DEM data in South China.The results show that ion-adsorption rareearth deposits（sites）are distributed in areas with elevation 500 m,slope 15 25,topographic relief030 m,surface cut depth 10 50 m,and topographic features such as hilltops or ridges,which are condu-cive to the formation of weathering crusts by weathering,and these topographic features have obvious con-straining and controlling effects on ion-adsorption rare earth deposit mineralization.Key words:ion-adsorbed rare earth ore;remote sensing technology;terrain factor;terrain topography;SouthChina李晓楠等：基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析377华 南 地 质2023 年强烈，丘陵广布，在长期高温多雨的气候条件下，丘陵台地上发育有深厚的红色风化壳。结合成矿母岩的出露高程、切割深度等条件，分为低山-丘陵和丘陵两种地貌，而丘陵地貌按照高度可以划分为300 m以下的低丘、300 400 m的中丘、400 450 m的高丘三种类型（邹新勇等，2016）。一般认为，离子吸附型稀土矿床主要分布在海拔低于550 m的丘陵地带、山顶坡度一般30、且地形起伏小的缓坡、山脊、山顶、山腰处（张祖海，1990）。其中，高程能够直观反映地形形态，坡度是影响水土流失的关键，地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度等反映地表的起伏变化和侵蚀程度，这些地形因子的特征均影响风化壳的发育与保存。2 数据来源及研究方法2.1 遥感数据源及矿点数据本文基于Google Earth 平台采用由NASA（美国国家航空航天局）和NIMA（美国国家地球空间情报局）联合绘制而成的SRTM3数据（Shuttle Ra-dar Topography Mission 3 arc-second）作为数据源来获取DEM数据，其空间分辨率为90 m，绝对高程精度为 16 m（董佳丹等，2019），其栅格图像清晰、信息量大、便于理解，可以满足各种目标对象的要求。通过DEM数据与GIS的空间分析功能来获取高程等地形因子，坐标系统采用“WGS-84坐标系”，投影方式采用高斯-克吕格投影，高程基准采用“1985国家高程基准”（王洪娜和廖敏杰，2022）。华南地区存在大量已知的离子吸附型稀土矿床（点），为总结成矿地貌条件提供了基础。本文主要从江西省、安徽省、广东省、福建省、广西壮族自治区、海南省、湖南省、云南省、浙江省收集稀土矿床（点）数据，共收集到研究区内175个矿床（点）数据（袁忠信等，2012；Li et al.,2017），其中存在一些矿床（点）重复、信息不全等问题。经整理矿床（点）名称、地理位置等信息后，最终筛选出116个轻、重稀土矿床（点），部分省份例如台湾省未收集到稀土矿床（点）数据，因此本次未做分析研究。另外，由于矿点采集所用地图参数的差异或人为因素的影响，其坐标往往偏离主矿体位置，多数落在矿区的边部或者周边，用ArcGIS软件通过WGS-84坐标系校正矿点中心位置，参考研究区内的矿权范围精确地限定了部分稀土矿床（点）的坐标，提高了位置的精确度。2.2 研究方法地形表面是不规则的曲面，而DEM是地形的一个数学模型，包含多个函数的和，许多地形因子就是从这些函数中推导出来的（江帆等，2005）。基于GIS空间分析技术，利用DEM数据，在ArcGIS软件中使用表面分析工具，生成高程、坡度、坡向、地表切割深度、地形起伏度等地形因子，然后统计分析所有收集到的稀土矿床（点）叠加地形因子的分布特征，总结华南地区有利于稀土成矿的地貌条件，为后续实现利用高光谱遥感技术寻找稀土矿提供理论基础。遥感数字图像处理主要包括遥感数字图像处理，主要是通过修改符号、设置渲染、裁剪、格式转换等工作对图像配准、镶嵌来进行数据预处理（图1）。本文数据处理后的图像清晰、色彩协调、信息量大、易于判读（江思义等，2019）。图1 遥感数字图像处理流程图Fig.1 Remote sensing digital image processing flow chart3 稀土成矿地貌条件分析3.1 地形因子汤国安等（2005）根据尺度将地形因子分为宏观和微观地形因子，然后根据坡面形态特征进一步378第39卷 第2期分为坡度与坡向因子、坡形（宏观坡形、地面曲率、地面变率）因子、坡长以及坡面复杂度（地形起伏度、地表粗糙度、地表切割深度、高程变异系数）因子等。基于DEM数据可以高效精确地提取地形因子数据，本文主要提取八种地形因子，包括基于邻域分析的局部地形因子提取和宏观地形因子的提取。局部地形因子包括反映微观单元地形特征的坡度、坡向等因子；宏观地形因子包括反映宏观区域地形特征的地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度等因子。3.2 微观地形因子分析3.2.1 高程分析高程是指地面点沿铅垂线到大地水准面的距离，是地形表面最基本的属性，反映地貌的高低，高程因子在DEM数据上直接获取（王婷等，2018）。本次把研究区116个稀土矿床（点）叠加到DEM数据上，利用GIS的地形分析功能提取各个点位的高程值，根据已有资料，稀土矿床一般分布在高程小于500 m的丘陵山区。因此，本文按500 m，500 1000 m，1000 1500 m，1500 2000 m，2000 2500 m，2500 3000 m，3000 3500 m共分七级，生成高程分布图（图2），并进行统计分析，绘制了稀土矿点的微观地形因子分布直方图（图3）。结果表明稀土矿床（点）在500 m范围内达到最多，为85个，占总数的73%，之后开始下降，直至1100 m仍有稀土矿床（点）。近年来在云南南部等高海拔地区也发现富含重稀土的离子吸附型稀土矿，高海拔区同时富含轻、重稀土的离子吸附型稀土矿与气候和地形地貌等因素的共同影响有关，有待于进一步研究（李余华等,2019；王学求等，2022）。通过归纳总结，得出研究区内高程在500 m时，成矿地貌条件最为有利。高程45共分六级，并生成坡度分布图图2 华南稀土矿床（点）高程分布图Fig.2 Elevation distribution map of rare earth deposits(points)in South China李晓楠等：基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析379华 南 地 质2023 年（图4）。研究区内稀土矿床（点）的平均坡度为15，通过稀土矿床（点）的微观地形因子分布直方图（图3）可以发现：从0起，随着坡度的增加，稀土矿床（点）逐渐增多，在15 25范围内达到最大，之后开始下降，直至45仍有成矿。通过归纳总结，坡度在15 25范围内对成矿最为有利，坡度远大于25时，风化壳容易被流水侵蚀，破坏矿体的保存。反之，则风化壳过多堆积，不利于风化作用向基岩方向推进，阻碍了稀土元素富集成矿。研究区内坡度在 5 15、15 25之间的矿床（点）分别占31%、38%，分别有36、45个。因此，把坡度在15 25范围作为成矿的有利坡度，结果表明在此坡度图3 华南稀土矿床（点）的微观地形因子分布直方图Fig.3Histogram of microtopographic factor distribution of rare earth deposits(points)in South China图4 华南稀土矿床（点）坡度分布图Fig.4 Slope distribution map of rare earth deposits(points)in South China380第39卷 第2期范围内坡度越小，地形越平坦，越利于风化壳形成，低缓山丘形成富重、轻稀土风化壳；坡度大的山坡、山脚形成富重稀土风化壳。3.2.3 坡向分析坡向指地表面上某一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。坡向因子是造成局部地区气候特征差异的重要地形因子，受光照、湿度、热量、风量等影响，会造成土壤水分、植被生长适宜性程度等指标的不同，进而影响风化作用的进行（汤国安等，2010）。本文按北，北东，东，南东，南，南西，西，西北共分八级，并生成坡向分布图（图5）。从图3可以看出，坡向分布较为均匀，坡向为南东方向的稀土矿床（点）最多，为25个，占21%，表明该坡向对成矿有利。另外，稀土矿床（点）在多个坡向分布较多，多集中在朝南东、南西的坡向范围内。一般南坡、南东坡、南西坡的日照时间长，太阳光热量大，温度相对较高。稀土矿床（点）在江西、广东、福建等地分布较多，夏季多东南季风，山地会阻挡气流的前进，风速较小，延长了降雨持续时间，因而在迎风坡上降雨增加，背风坡因空气下沉，雨量较小。但是，北坡水分蒸发量少,土壤状态好，植被茂盛，风化作用也较为有利。因而，对于成矿有利坡向还未能得出更确切的结论。图5 华南稀土矿床（点）坡向分布图Fig.5 Slope aspect distribution map of rare earth deposits(points)in South China3.2.4 微观地形因子特征地形可以影响气流走向从而会影响该区域的降水量、湿度，进而影响植被的分布；坡度影响着土壤的发育，同样影响植被的分布；坡向影响太阳辐射量的多少，造成气候差异，同样影响风化作用的进行，这些地形因子对风化壳的发育具有重要影响。综合上述，本文把高程150 500 m、坡度 15 25范围作为研究区稀土成矿的有利地貌条件。3.3 宏观地形因子分析3.3.1 坡形分析坡形是各种不同坡面的凹凸状况，分为直线性坡形和曲线性坡形两类，曲线性坡形又分为凸形、凹形和S形坡等，地形特征主要包括山坡、山脊、谷坡等。本文统计了研究区稀土矿床（点）分布范围内的坡形，绘制了稀土矿点的宏观地形因子分布直方李晓楠等：基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析381华 南 地 质2023 年图（图6），结果表明坡形几乎都为凸形坡，表现形式是丘陵、小山居多，凸形坡地形排水方便，在南及东南向坡面，大陆热带-亚热带气候带内，冬季可受阳光直射，易形成风化壳。图6 华南稀土矿床（点）的宏观地形因子分布直方图Fig.6 Histogram of distribution of macro-topographic factors of rare earth deposits(points)in South China3.3.2 地形起伏度分析地形起伏度是一个区域内最大高程与最小高程的差（黎武等，2021），反映了地形的起伏程度。本文按0 30 m，30 200 m，200 m共分三级，计算每个像素点地形起伏度后，生成地形起伏度分布图（图7）。从叠加统计分析并绘制成的图6可以看出，62%的稀土矿床（点）分布在0 30 m区间内，该区间的地形起伏度对成矿有利。另外，30 200 m范围内的稀土矿点有45个，但200 m范围没有稀土矿点。统计结果表明稀土矿点分布的位置地形起伏度较小，主要是平原及丘陵区。因此，可以认为该地貌条件优势的情况下有利于发育离子吸附图7 华南稀土矿床（点）地形起伏度分布图Fig.7 Topographic relief distribution map of rare earth deposits(points)in South China382第39卷 第2期型稀土矿床。3.3.3 地表切割深度分析地表切割深度是一个区域内平均高程与最小高程的差，可以反映地表被切割的程度以及地表侵蚀发育的状况（黎武等，2021），切割深度过小，会导致基岩的风化作用受影响；切割深度过大，会导致风化壳被侵蚀，使稀土元素流失，对于成矿具有破坏作用。本文按1共分二级，计算每个稀土矿床（点）的地表粗糙度，生成地表粗糙度分布图（图9），并绘制分布直方图（图6）。结果表明地表粗糙度为1的有1个，其余均在1.6以下，占99%，表明稀土矿床（点）分布在地表侵蚀程度小的区域，反映了该区域地表起伏变化小，坡度小。在这种情况下，地表形态的变化相对缓慢，有利于风化壳的保存，可能稀土矿分布较为集中，易形成矿床。因此，地表粗糙度1.6的区域是稀土成矿的有利地区。3.3.5 高程变异系数分析高程变异系数是一个区域内高程标准差与平均值的比值，可以反映该区域内高程的变化情况以及地面的破碎程度，它是描述局部地形起伏变化的指标（张天柱等，2019）。本文按0.05、0.05 0.4共分二级，计算每个稀土矿床（点）的高程变异系数，生成高程变异系数分布图（图10），并绘制分布直方图（图6）。结果表明：稀土矿床（点）在高程变异系数0.05的区域内数量占绝大多数，普遍稀土矿床（点）的高程变异程度小，地形平坦，稀土矿床（点）的分布也较为集中。因此，高程变异系数0.05的区域是稀土成矿的有利地区。李晓楠等：基于DEM的华南离子吸附型稀土矿床地形地貌特征分析383华 南 地 质2023 年3.3.6 宏观地形因子特征坡形作为影响风化壳形成的重要因素，反映了地形结构、形态以及地形起伏大小，不同坡形在风化过程中对物质迁移、沉积、成土过程的影响程度不同，从而形成不同类型的风化壳。地形起伏度直观反映了地形起伏特征，是研究地形地貌的重要指标，在研究时要考虑地形起伏度对水土流失的影响。地表切割深度则可以反映水土流失、地表被侵图9 华南稀土矿床（点）地表粗糙度分布图Fig.9 Distribution map of surface roughness of rare earth deposits(points)in South China图10 华南稀土矿床（点）高程变异系数分布图Fig.10 Distribution map of elevation variation coefficient of rare earth deposits(points)in South China384第39卷 第2期蚀的情况，地形起伏度、地表切割深度地形因子都影响着风化壳的保存。地表粗糙度是表征地貌复杂程度和地表侵蚀强度的指标之一。一方面，地表粗糙度高的区域通常也代表着该区域受侵蚀程度比较强烈，其地貌形态相对复杂；另一方面，地表粗糙度低的区域一般地貌形态相对简单。高程变异系数可以反映局部地形起伏变化，在一定范围内，高程变异系数越大，地形越复杂，地貌形态（类型）越复杂。因此，在研究稀土成矿的有利地貌条件时要考虑到这些宏观地形因子对风化壳发育的影响。综上所述，本文把凸形坡、地形起伏度 0 30 m、地表切割深度10 50 m、地表粗糙度1.6、高程变异系数0.05的区域作为有利于稀土成矿的地区。4 结论通过对研究区概况、风化壳特征及地貌特征分析可知，华南离子吸附型稀土矿的成因与成矿母岩的地貌条件及风化壳特征密切相关。因此，本文从地貌特征入手，以GIS空间分析技术为基础，利用DEM数据，计算高程、坡度、地形起伏度、地表切割深度等地形因子，统计分析所有稀土矿床（点）叠加地形因子的分布特征，认为稀土成矿对地貌具有一定的选择性。在一定的地貌条件下,有利于风化壳的发育及稀土矿床的保存。本文得出结论如下：（1）高程、坡度、坡向地形因子可以影响该区域的降水量、湿度以及土壤的发育情况，造成气候差异，进而会影响植被的分布，这些因素同时对风化壳的发育具有重要影响。研究区离子吸附型稀土矿分布的微观地貌特征为：海拔低、坡度小、地形平坦。（2）坡形、地形起伏度、地表切割深度、地表粗糙度、高程变异系数地形因子反映了地形结构与形态以及地形起伏大小，是研究地形地貌的重要指标，这些宏观地形因子都影响着风化壳的发育与保存。研究区离子吸附型稀土矿分布的宏观地貌特征为：凸形坡、地形起伏度较小、切割浅、地表粗糙度小、高程变异程度小，主要分布于平缓的低山、低丘顶部、丘陵区等。（3）华南离子吸附型稀土矿床成矿有利地形条件为：高程500 m、坡度15 25、对于坡向具有一定的选择性、坡形为凸形坡（山顶或山脊）、地形起伏度为0 30 m、地表切割深度10 50 m、地表粗糙度1.6、高程变异系数0.05；各个地貌条件的最佳区间可以达到利于成矿的地貌条件标准，但是不能排除只满足部分成矿地貌因子的可能性。（4）根据地质调查资料可知，影响离子吸附型稀土矿成矿的原因是多方面的，本文主要探讨了地貌与轻、重稀土矿床（点）的分布特征的联系，总结离子吸附型稀土矿成矿的地貌条件，实际上华南地区的气候、降雨量、生物作用等一定程度上也影响稀土成矿，有待下一步深入研究。感谢桂林理工大学地球科学学院实验室闫磊老师、代俊鸽老师对本文工作的支持，感谢审稿老师提出的宝贵意见。参考文献：董佳丹,陈晓玲,孙昆,徐强强.2019.利用MODIS资料监测湖北省PM 2.5的3种模型对比J.测绘科学,44(10):35-42.冯 梦,许 成,王 睿,康志强.2015.南岭西段姑婆山花山花岗岩基差异剥蚀机理与风化矿床分布特征J.大地构造与成矿学,39(4):670-679.江 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