巖心高光譜技術(shù)在鈾礦找礦中的應(yīng)用及其地質(zhì)意義

劉雨佳 ,田雅楠 ,剡鵬兵

（1.核工業(yè)二〇八大隊，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包鋼勘察測繪研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

高光譜遙感技術(shù)最早興起于20世紀(jì)80年代［1］，而其在地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用是較為成功的，近幾十年來基于高光譜技術(shù)在礦山環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)環(huán)境形成分析、巖礦辨別以及巖心分類、蝕變礦化帶的識別以及油氣勘探等方面的應(yīng)用，極大推動了地質(zhì)現(xiàn)代化的步伐。便攜式光譜儀的出現(xiàn)使巖礦光譜測試相關(guān)工作為更多遙感地質(zhì)工作者所熟知［2］，并隨著該儀器的逐漸普及，巖礦光譜技術(shù)也日趨成熟，形成了一套較完整的巖心光譜測試與分析流程。

圍巖蝕變是確定礦體位置的重要標(biāo)志，如果發(fā)生較強烈且范圍較大的圍巖蝕變，其周圍往往存在較大規(guī)模的礦床，這種規(guī)律在熱液型礦床中更為明顯。而在地質(zhì)勘探過程中鉆探手段是必不可少的，將巖礦高光譜技術(shù)與鉆探巖心相結(jié)合，無疑把巖礦高光譜技術(shù)引入到了地下［3］，讓巖礦高光譜技術(shù)擁有了更廣闊的發(fā)展空間。通過巖心高光譜技術(shù)可對其所含礦物種類以及含量進(jìn)行定性和定量分析，進(jìn)而總結(jié)與礦化有關(guān)的蝕變礦物，結(jié)合實驗室化學(xué)分析反演對礦化規(guī)律以及判斷鈾等礦物的成礦環(huán)境、成礦因素都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 與礦化相關(guān)的蝕變礦物光譜組合識別

現(xiàn)實中的礦物圍巖蝕變?yōu)槎喾N蝕變類型疊加，需要以主要特征光譜吸收帶和次要光譜吸收帶的組合來識別單體礦物，并且考慮到特征光譜吸收帶在不同巖礦中的漂移［4］。通過野外采集的巖心光譜數(shù)據(jù)與ENVI光譜數(shù)據(jù)庫中USGS（美國地質(zhì)調(diào)查局）光譜庫進(jìn)行分層礦物譜系識別，先識別出其蝕變類型，再與野外巖心實測照片進(jìn)行對比，最后得出巖心主要蝕變礦物類型。

1.1 硬巖型鈾礦相關(guān)蝕變礦物的識別

在與硬巖型鈾礦成礦相關(guān)的蝕變類型中，由于螢石化、云英巖化、硅化光譜曲線沒有其特殊的主副吸收帶，且容易與其他石英類礦物混淆，所以不能直接識別。而黃鐵礦大部分由鐵的氧化物和鐵硫化物構(gòu)成，受其礦物顏色的影響，以及不透明的礦物性質(zhì)，出現(xiàn)的光譜吸收帶很有限，近乎于一條直線，如果與其他礦物混合，其光譜的特征曲線很容易被掩蓋，只有輕微的蝕變或氧化才能使黃鐵礦鐵的特征波譜曲線顯現(xiàn)出來。所以這里重點分析方解石（碳酸鹽類）、綠泥石、黑云母、黃鐵礦、褐鐵礦這5種與礦化聯(lián)系密切的蝕變礦物，取ENVI光譜庫中以上5 種蝕變礦物的光譜曲線作對比顯示（圖1）。

圖1 與熱液型礦體相關(guān)的蝕變礦物光譜曲線Fig.1 Spectral curves of altered minerals related to hydrothermal ore bodies

1.2 砂巖型鈾礦相關(guān)蝕變礦物的識別

在砂巖型鈾礦中以沉積型砂巖為主，黏土礦物較為發(fā)育，而不同種類的黏土礦物代表的形成沉積或經(jīng)變質(zhì)的環(huán)境也各不相同，所以這里單獨將ENVI光譜庫中黏土礦物光譜曲線放在一起作為對比，由上至下分別為高嶺石、蒙脫石、伊利石（圖2）。

圖2 與砂巖型鈾礦相關(guān)的黏土礦物光譜曲線Fig.2 Spectral curves of clay minerals related to sandstone-type uranium deposits

2 巖心高光譜在鈾礦中的應(yīng)用

2.1 熱液型（硬巖）鈾礦

絹云母中的鋁離子的含量變化常常是由于地質(zhì)學(xué)上組分相互替代造成的。組分替代的過程常伴隨著溫度、壓力以及流體酸堿度（pH 值）的變化，因此，絹云母Al-OH 吸收峰位置可以用來討論流體成礦條件，對礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)成因分析有重要的指導(dǎo)作用。前人的一些研究發(fā)現(xiàn)，對于許多熱液礦床來說，越靠近礦體和強蝕變巖處，絹云母的Al-OH 吸收峰波長位置越靠前。因此高Al 絹云母反映了成礦流體處于相對高溫的環(huán)境，而低Al 絹云母則反映成礦流體處于相對低溫的環(huán)境［5-8］。

鈾與其他元素（如鉬、鍺、釷、鈹和錸等）在同一期地質(zhì)作用中易形成伴生或共生礦產(chǎn)，而且這些元素具有相同的成礦要素和預(yù)測要素，所以可將其劃分為同一預(yù)測類型，盡管屬于不同的礦種［9］。

以下以ASD 光譜儀在內(nèi)蒙古東部某熱液型鉬礦實際應(yīng)用為例，驗證圍巖標(biāo)志性蝕變礦物特征光譜曲線對熱液型礦體的指示作用以及絹云母Al-OH 吸收峰位置與礦體之間的關(guān)系。將一孔深470～550 m（化學(xué)取樣分析已知含礦）巖心進(jìn)行切樣處理，使測試表面平整以便詳細(xì)、密集測量，測點布置平均間隔為10 cm。由于儀器探頭采用自帶光源，測試時應(yīng)盡量保持探頭與巖心測樣緊密貼合，防止外界光進(jìn)入干擾測試。每次測量結(jié)束后，對所測巖心進(jìn)行局部拍照以便日后對比，整盒巖心完成測試后整體拍照留存記錄（圖3）。

圖3 測試后的帶有編號的巖心整體照Fig.3 Overall photo of the core with a code after the test

通過對該工業(yè)孔含礦段巖心的測量并處理數(shù)據(jù)后，得出含礦段巖心測試光譜曲線（圖4）。由圖4 可見，以646 曲線為代表，可以看出正方形區(qū)域，存在絹云母Al-OH 較為清晰的特征吸收譜帶（2 194～2 197 nm），解譯為該處所含絹云母為高鋁絹云母，位于蝕變較強且接近礦體的接觸帶［10］。再與實驗室取樣化學(xué)分析結(jié)果對比，得出孔深470～550 m 含礦段巖心品位曲線與Al-OH吸收峰位散點圖（圖5）。與其化學(xué)分析結(jié)果的礦體含量最高處位置基本一致。該段巖心其余區(qū)域絹云母Al-OH的特征吸收譜帶為2 297～2 210 nm，為中鋁絹云母屬礦體的接觸帶外圍，越接近礦體接觸帶，絹云母的Al-OH 特征吸收譜帶越靠近短波方向，反映出相對高溫的流體環(huán)境。

圖4 含礦段巖心測試光譜曲線Fig.4 Spectrum curve of ore-bearing cores

圖5 470～550 m 含礦段巖心品位曲線與Al-OH 吸收峰位散點對比圖Fig.5 Comparison chart of grade curve and Al-OH absorption peak position scatter point in depth of 470～550m

前人曾在湖南的鹿井鈾礦和江西的相山鈾礦等地的鈾礦勘查中，開展過鉆孔巖心高光譜編錄和光譜特征研究。研究結(jié)果表明，鈾的含量與三價鐵離子在490 nm、870 nm 的吸收峰位置和反射率值以及Mg-OH 類和Al-OH 類礦物的反射率值有較強的正相關(guān)關(guān)系［11］。

2.2 砂巖型鈾礦

鄂爾多斯盆地是我國重要的砂巖型鈾礦基地，其東勝地區(qū)巖石和蝕變帶具有較為顯著的光譜特征，一般在Al-OH、Mg-OH 以及Fe2＋和Fe3＋等離子團(tuán)對應(yīng)位置具有明顯的吸收峰。該地區(qū)較為典型的幾種巖石，例如，經(jīng)蝕變的氧化砂巖、灰綠和藍(lán)綠色還原蝕變砂巖、發(fā)生高嶺土化巖石、以及產(chǎn)于不同年代的煤層，光譜特征均具差別，這就為利用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變分帶以及定性區(qū)分巖石提供了物性基礎(chǔ)［12］。

2.2.1 砂巖型鈾礦常見蝕變類型

砂巖型鈾礦沉積圍巖常見的疊加蝕變類型除褐鐵礦化（氧化）之外，還有黃鐵礦化、赤鐵礦化、絹云母化、硅化、灰色碳化、綠泥石化和高嶺石化等，這已成為含礦帶的標(biāo)志特征。早期階段的熱液蝕變包括高嶺土化-綠泥石化-絹云母蝕變、赤鐵礦-碳酸鹽蝕變，這些蝕變在垂向剖面上都表現(xiàn)出分帶性；其強度指示他們的近源性。但是對砂巖層的成礦作用來說，晚期階段的蝕變是最有意義的：砂層碳化帶（變灰）和褐鐵礦化帶（變黃）在區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育，其旁條帶中大量的放射性異常是大規(guī)模成礦作用的直接標(biāo)志。

2.2.2 與成礦密切相關(guān)的吸收光譜特征

基于鄂爾多斯盆地油氣鉆孔樣品光譜分析結(jié)果，烴類物質(zhì)作為常見的還原劑在2 310 nm和2 350 nm 處具有雙吸收的特征，而重?zé)N與2 270 nm 和2 460 nm 處反射率有密切聯(lián)系［13］。直羅組礦化巖石和次生鈾礦物在碳酸鹽化和黏土化蝕變條件下，其光譜曲線普遍在1 700～1 800 nm 有碳質(zhì)吸收峰［13］。利用1 730 nm 和2 310 nm 吸收平均值作為度量油氣含量的指標(biāo)，可以較好的提取出樣品中微弱的油氣信息［14］（圖6）。由圖6 可見，圖中顯示的光譜是吸收率A，而本文所做研究的光譜是反射率R，對于如巖石等不透明物體表面，吸收率A 與反射率R 的關(guān)系為A＋R≈1

圖6 油烴吸收光譜（據(jù)參考文獻(xiàn)［14］修改）Fig.6 Oil hydrocarbon absorption spectrum（modified according to reference［14］）

2.2.3 砂巖鈾礦優(yōu)勢層位的確立

通過巖心高光譜設(shè)備對已發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦床鉆孔巖心進(jìn)行高光譜掃描，將巖心高光譜掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行巖礦種類從大類到精確定名識別，通過軟件分析同樣可以做到定量測試，獲得所含有機物、總黏土、高嶺石和三價鐵的數(shù)值，再利用測算有機物、總黏土、高嶺石和三價鐵等含量數(shù)據(jù)，反演出礦物含量隨深度變化的關(guān)系曲線，進(jìn)而利用礦物含量隨鉆孔深度變化曲線篩選出該地區(qū)砂巖鈾礦的優(yōu)勢層位［15］。

3 結(jié)論

根據(jù)對含礦段巖心蝕變礦物的識別與光譜曲線分析，總結(jié)蝕變分帶規(guī)律以及區(qū)內(nèi)找礦標(biāo)志如下：

1）通過內(nèi)蒙古東部某熱液型鉬礦的巖心高光譜測量，分析其鉬礦段巖心特征光譜曲線，總結(jié)在成礦帶附近的巖礦絹云母Al-OH 的特征吸收譜帶區(qū)域為2 194～2 200 nm，且越靠近礦體處，絹云母的Al-OH 特征吸收譜帶區(qū)域越向短波方向漂移。

2）通過高光譜分析與實驗室取樣化學(xué)測試結(jié)果對比，得出Al-OH 吸收峰位散點圖中高鋁絹云母特征吸收峰位與含礦段巖心品位曲線最高處位置基本一致，通過分析反映其相對高溫的流體環(huán)境。

3）在砂巖型鈾礦中，通過分析特征蝕變礦物光譜的曲線，并結(jié)合多種油氣流體（烴類氣體）、碳質(zhì)等還原劑的光譜特征，可以得出一個區(qū)域的成礦優(yōu)勢地層以及氧化還原前鋒線的位置信息，進(jìn)而指明下一步的工作方向。