桂東北苗兒山中段向陽(yáng)坪鈾礦床鉆孔巖心高光譜特征分析

張川，葉發(fā)旺，王建剛，邱駿挺，孟樹

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

向陽(yáng)坪鈾礦床是當(dāng)前我國(guó)南方正在勘查的主要硬巖型鈾礦床之一，位于廣西壯族自治區(qū)東北部的資源縣境內(nèi)。向陽(yáng)坪礦床產(chǎn)出于苗兒山復(fù)式巖體中段，是核工業(yè)二三〇研究所在沙子江大型鈾礦床外圍勘查中逐步開辟的找礦新區(qū)，屬于典型的花崗巖型鈾礦床。近年來，通過對(duì)成礦地質(zhì)條件、控礦因素、地球化學(xué)特征、礦化富集規(guī)律等方面的系列研究，為向陽(yáng)坪地區(qū)鈾礦找礦工作奠定了良好的基礎(chǔ)［1-4］。

已有的資料表明，該地區(qū)的鈾礦受構(gòu)造蝕變作用影響強(qiáng)烈，存在多種熱液蝕變，他們均與鈾成礦具有直接或間接的聯(lián)系［1-2］。在遙感地質(zhì)找礦方面，高光譜技術(shù)對(duì)熱液蝕變尤為敏感，并能夠利用同類礦物的細(xì)微光譜差異挖掘出傳統(tǒng)地質(zhì)編錄難以識(shí)別或區(qū)分的蝕變新類型［5-6］。為了系統(tǒng)研究向陽(yáng)坪深部的蝕變類型、分帶特征及其與鈾礦化的關(guān)系，本文利用高光譜測(cè)量技術(shù)對(duì)向陽(yáng)坪礦區(qū)的含礦鉆孔進(jìn)行了全孔巖心光譜測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、編錄及空間分布特征分析，以期為該地區(qū)的熱液蝕變與鈾成礦規(guī)律研究提供新的參考。

1 研究區(qū)概況

向陽(yáng)坪礦床大地構(gòu)造位置處于華南揚(yáng)子板塊江南被動(dòng)大陸邊緣隆起帶的南緣，苗兒山-越城嶺花崗巖穹窿構(gòu)造西翼的苗兒山巖體中段。受NE 向天金斷裂影響，發(fā)育一系列NE 向、NNE 向次級(jí)斷裂，控制著豆乍山地區(qū)的沙子江、向陽(yáng)坪、雙滑江、白毛沖、孟公界等一系列鈾礦床，向陽(yáng)坪礦床位于香草坪巖體與豆乍山巖體接觸帶的西南側(cè)（圖1）。香草坪巖體形成于印支期，U-Pb 同位素年齡為211±2 Ma，巖性主要為中粗粒斑狀黑云母花崗巖［7］；豆乍山巖體形成于燕山早期，巖性主要為中細(xì)粒二云母花崗巖［4］，但亦有學(xué)者測(cè)得的U-Pb 同位素年齡為228±11 Ma、220±6 Ma、211±7 Ma，屬于印支期［8-9］。

向陽(yáng)坪地區(qū)構(gòu)造巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，自東向西發(fā)育一系列斷裂帶，已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床大多受斷裂帶控制，礦體主要賦存在破碎強(qiáng)烈的斷裂構(gòu)造及其上、下盤次級(jí)斷裂帶內(nèi)，構(gòu)造巖主要分為碎裂花崗巖、硅化碎裂巖、硅質(zhì)脈及硅質(zhì)膠結(jié)角礫巖，局部見初糜棱巖、糜棱巖。斷裂構(gòu)造上下盤蝕變作用強(qiáng)烈，常見鉀長(zhǎng)石化、水云母化、綠泥石化、硅化和堿交代等蝕變［10］。本次研究選擇了核工業(yè)二三〇研究所在向陽(yáng)坪地區(qū)施工的兩個(gè)含礦鉆孔，空間上均處于向陽(yáng)坪東北部香草坪巖體與豆乍山巖體接觸帶附近的NE 向斷裂帶旁側(cè)（圖1），對(duì)于反映這一區(qū)域的深部蝕變空間特征較為有利。

2 數(shù)據(jù)獲取

2.1 數(shù)據(jù)源

本次巖心高光譜數(shù)據(jù)獲取設(shè)備為美國(guó)ASD 公司設(shè)計(jì)制造的FieldSpec 便攜式地物光譜儀，目前在國(guó)內(nèi)高光譜遙感應(yīng)用中相對(duì)普遍，應(yīng)用范圍包括精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水環(huán)境、地質(zhì)與礦產(chǎn)等領(lǐng)域，可以獲取可見光—短波紅外的高光譜分辨率數(shù)據(jù)（表1）。

2.2 采集方法

圖1 苗兒山中段地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)胡歡等，2013 修改）Fig.1 Sketch geological map of the middle Miaoershan mountain

表1 ASD FieldSpec 地物光譜儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical Specification of ASD FieldSpec spectrometer

為了避免光照條件不穩(wěn)定對(duì)光譜質(zhì)量的影響，本次巖心高光譜測(cè)量采用ASD FieldSpec 設(shè)備配套的接觸式探頭（內(nèi)置穩(wěn)定光源）進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量之前先利用標(biāo)準(zhǔn)參考板對(duì)光譜儀的接觸式探頭進(jìn)行反射率校準(zhǔn)，之后的測(cè)量過程中每隔30 分鐘進(jìn)行一次校準(zhǔn)。巖心光譜數(shù)據(jù)以相對(duì)固定的間隔進(jìn)行采集，本次研究中，每1 m 巖心采集10 條光譜數(shù)據(jù)，其中，每條光譜數(shù)據(jù)為25 次平均后所得。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 光譜轉(zhuǎn)圖像處理

鑒于傳統(tǒng)的、基于專家解釋的光譜分析手段對(duì)于處理大批量巖心光譜曲線數(shù)據(jù)來說效率太低，故利用ENVI（The Environment for Visualizing Images）平臺(tái)下的IDL（Interactive Data Language）語(yǔ)言二次開發(fā)方式，將順序測(cè)量的鉆孔巖心光譜曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為“圖譜合一”的鉆孔高光譜圖像立方體柱，以便于利用ENVI 平臺(tái)中的高光譜處理模塊，對(duì)整個(gè)鉆孔的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜分析和信息提取，大幅提高巖心光譜數(shù)據(jù)的處理和分析效率。

3.2 光譜分析

通過分析轉(zhuǎn)換后的光譜像元，對(duì)巖心中的蝕變礦物組分進(jìn)行識(shí)別，主要包括高嶺石、蒙脫石、富鋁絹云母、貧鋁絹云母、赤鐵礦、碳酸鹽、綠泥石與絹云母的混合礦物等（圖2）。其中，富鋁絹云母與貧鋁絹云母是鈾礦地質(zhì)領(lǐng)域常提到的水云母化蝕變類型。

圖2 巖心中典型礦物光譜圖Fig.2 Spectral curves of typical minerals in cores

高、中、低鋁絹云母是高光譜遙感技術(shù)能夠識(shí)別的特色蝕變礦物類型之一，是以Al-OH 在2 200 nm 附近吸收峰位的漂移程度作為區(qū)分依據(jù)，對(duì)地質(zhì)成因研究具有十分重要的意義［6］。以往的研究表明，高鋁絹云母的Al-OH 吸收峰位在2 190～2 202 nm，中鋁絹云母的Al-OH 吸收峰位在2 202～2 212 nm，低鋁絹云母的Al-OH 吸收峰位在2 212～2 225 nm。通過對(duì)本次測(cè)量的云母類礦物進(jìn)行光譜特征分析，其Al-OH 吸收峰位范圍大約在2 198～2 213 nm 之間，以在2 202～2 208 nm 之間的中鋁絹云母出現(xiàn)最多，因此，為了更好地反映水云母化蝕變?cè)诒緟^(qū)的高光譜特征及可能的規(guī)律，在蝕變信息提取中將云母類礦物分為富鋁絹云母和貧鋁絹云母兩類，分別以Al-OH吸收峰位在2 198 nm 和2 213 nm 的光譜作為富鋁絹云母和貧鋁絹云母的端元光譜來進(jìn)行信息提取，以最大程度地區(qū)分相似光譜。

光譜分析表明，巖心中的綠泥石化大多吸收峰較淺且均含有Al-OH，因此，多為綠泥石與絹云母的混合礦物，這可能與區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育的云母花崗巖有關(guān)，是一類背景組分。此外，由于鉀長(zhǎng)石化、硅化在ASD 地物光譜儀的波長(zhǎng)范圍內(nèi)無吸收特征，故此次未做提取。

3.3 光譜匹配

光譜匹配識(shí)別模型根據(jù)光譜特征度量參數(shù)來進(jìn)行匹配識(shí)別，是高光譜數(shù)據(jù)處理分析的特色之一。針對(duì)光譜轉(zhuǎn)換后的鉆孔高光譜立方體柱，采用ENVI 中的光譜角匹配（SAM，spectral angle mapping）方法進(jìn)行巖心中端元組分的識(shí)別和提取。光譜角匹配是一種經(jīng)典的光譜匹配算法，通過計(jì)算一個(gè)待識(shí)別光譜與參考光譜之間的角度來估算兩者之間的相似度，通過下式來計(jì)算測(cè)試光譜ti與實(shí)驗(yàn)室光譜ri之間的相似性：

式中：nb—波段數(shù)；α—0°～90°。前人在用光譜角匹配技術(shù)進(jìn)行遙感礦物填圖時(shí)，只要選擇波段合理，就能達(dá)到很高的精度［11］。因此，本文在進(jìn)行巖心光譜匹配時(shí)，依據(jù)各類礦物的診斷性特征所在的波長(zhǎng)位置，選擇500～1 000 nm 的波段進(jìn)行赤鐵礦的匹配計(jì)算，其他礦物均選擇2 000～2 500 nm 之間的波段進(jìn)行匹配計(jì)算。

4 結(jié)果分析

4.1 編錄制圖結(jié)果

用光譜角匹配結(jié)果作為每一類礦物的量化指標(biāo)參量，并對(duì)其進(jìn)行0～1 的標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行整理，據(jù)此對(duì)整個(gè)鉆孔進(jìn)行編錄。利用可視化工具對(duì)編錄結(jié)果進(jìn)行制圖，獲得鉆孔巖心高光譜編錄的表征蝕變礦物相對(duì)含量或發(fā)育程度的曲線圖，并與地質(zhì)編錄的巖性柱狀圖及構(gòu)造、礦化位置進(jìn)行對(duì)比（圖3，圖4）。

圖3 ZK1 鉆孔巖心高光譜編錄曲線圖Fig.3 The hyperspectral logging curves of core in borehole ZK1

圖4 ZK2 鉆孔巖心高光譜編錄曲線圖Fig.4 The hyperspectral logging curves of core in borehole ZK2

4.2 編錄特征分析與討論

鉆孔巖心高光譜編錄的蝕變礦物空間分布特征分析結(jié)果表明，向陽(yáng)坪礦區(qū)不同巖性對(duì)上述提取的礦物類型的影響均不明顯，無論是豆乍山二云母花崗巖，還是香草坪黑云母花崗巖，均有強(qiáng)蝕變發(fā)育。構(gòu)造活動(dòng)對(duì)蝕變類型及其發(fā)育程度的影響較大。相對(duì)來說，構(gòu)造帶對(duì)高嶺石、富鋁絹云母和赤鐵礦化蝕變發(fā)育的控制作用較為顯著，而對(duì)蒙脫石、貧鋁絹云母、綠泥石＋絹云母以及碳酸鹽的控制作用不甚明顯。其中，綠泥石＋絹云母應(yīng)為花崗巖中普遍存在的黑云母蝕變而來，蒙脫石可在富Mg2＋的環(huán)境下發(fā)生離子交換后與綠泥石形成混層礦物。通過野外對(duì)巖心的觀察發(fā)現(xiàn)，富鋁絹云母發(fā)育的地段蝕變程度較高，常伴有高嶺石化，少部分伴有蒙脫石化，與斑巖系統(tǒng)中的泥化帶特征相似；貧鋁絹云母發(fā)育的地段蝕變程度相對(duì)較低，保留了一定的原巖組分，常伴有綠泥石化，以及蒙脫石化，與斑巖系統(tǒng)中的青磐巖化帶特征相似。國(guó)外對(duì)熱液礦床的一些研究表明，Al-OH 吸收峰位較小的云母類礦物產(chǎn)出于褪色泥質(zhì)蝕變帶中，F(xiàn)e、Mg 含量較低，而Al-OH 吸收峰位較大的云母類礦物則具有相對(duì)更高的Fe、Mg 含量［12-13］，這與文中的高光譜編錄特征是相符的。

鈾礦化均發(fā)育在豆乍山巖體的構(gòu)造帶內(nèi)，與熱液活動(dòng)密切相關(guān)。鈾礦化附近的礦物組合有高嶺石、蒙脫石、富鋁絹云母、赤鐵礦和碳酸鹽，其中高嶺石、富鋁絹云母、赤鐵礦與鈾礦化的空間相關(guān)性較高，屬各礦化段共性組合，高嶺石呈白、灰白色，富鋁絹云母呈灰白、黃白色，赤鐵礦呈赤紅、紫紅色（圖5）。

圖5 構(gòu)造帶礦化段巖心照片F(xiàn)ig.5 The photo of mineralization core across fault belt

上述特征表明，向陽(yáng)坪礦區(qū)斷裂構(gòu)造控制的熱液活動(dòng)是鈾礦化產(chǎn)生的主要因素，與鈾礦化相關(guān)的蝕變作用主要有高嶺石化、水云母化中的富鋁絹云母化和赤鐵礦化。根據(jù)前人的研究，向陽(yáng)坪礦床鈾成礦作用經(jīng)歷了多階段的演化，成礦前蝕變主要是綠泥石化和水云母化，成礦期蝕變有赤鐵礦化、黃鐵礦化、硅化、鉀長(zhǎng)石化，成礦后蝕變主要是高嶺石化［4］。赤鐵礦化被認(rèn)為是與鈾成礦關(guān)系最為密切的蝕變類型［3］。近年來，還有學(xué)者提出了諸廣巖體中段軟堿—硬堿—酸性流體作用“3 階段”鈾成因模式［14］。

綜合上述研究，筆者根據(jù)本次鉆孔巖心高光譜蝕變空間特征，依托酸堿理論，將提取的蝕變信息進(jìn)行了梳理。早期流體為堿性時(shí)，綠泥石＋絹云母、蒙脫石、貧鋁絹云母等均是礦前期蝕變類型；當(dāng)流體開始由堿性向酸性過渡時(shí)，鈾礦化開始富集，富鋁絹云母、赤鐵礦均為成礦期蝕變類型，碳酸鹽化亦在這一階段發(fā)生；當(dāng)流體變?yōu)樗嵝詴r(shí)，鈾礦化進(jìn)一步富集，從空間特征來看，高嶺石不一定屬于與成礦無關(guān)的礦后期蝕變，而可能形成于成礦晚期—礦后期過渡階段。因此，當(dāng)赤鐵礦、富鋁絹云母和高嶺石密集伴生發(fā)育的構(gòu)造帶中時(shí)，附近可能出現(xiàn)鈾礦化，他們的組合可作為鈾礦化標(biāo)型礦物組合。

5 結(jié)論

1）利用高光譜測(cè)量與光譜分析技術(shù)獲取了廣西向陽(yáng)坪鈾礦區(qū)鉆孔巖心中的高嶺石、蒙脫石、富鋁絹云母、貧鋁絹云母、赤鐵礦、綠泥石＋絹云母、碳酸鹽等7 類蝕變礦物信息，實(shí)現(xiàn)了不同種類蝕變礦物在鉆孔垂向上發(fā)育程度的半定量編錄，為熱液蝕變空間特征分析提供了參考。

2）向陽(yáng)坪礦區(qū)斷裂構(gòu)造是蝕變類型及其發(fā)育程度的主要影響因素。高光譜識(shí)別的富鋁絹云母與高嶺石的空間相關(guān)性較高，具有泥化蝕變組合特征；貧鋁絹云母與綠泥石＋絹云母的空間相關(guān)性較高，具有青磐巖化蝕變組合特征。

3）綠泥石+絹云母、蒙脫石、貧鋁絹云母形成于礦前期，赤鐵礦、富鋁絹云母、高嶺石及碳酸鹽形成于成礦期—成礦晚期，構(gòu)造帶中的赤鐵礦＋富鋁絹云母＋高嶺石可作為向陽(yáng)坪地區(qū)鈾礦化標(biāo)型礦物組合。