基于遙感技術(shù)沙特阿拉伯地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦要素識別及潛力評價

郭幫杰， 潘蔚， 張闖， Abdullah I.Nabhan， Hassan Zowawi

(1.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院，北京 100048； 2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；3.沙特地質(zhì)調(diào)查局，吉達(dá) 21514)

0 引言

鈣結(jié)巖型鈾礦是一種重要的鈾礦類型，具有埋藏淺、開采成本低的優(yōu)勢。作為一種蒸發(fā)型鈾礦，該類型鈾礦主要發(fā)育于干旱—半干旱氣候條件下穩(wěn)定的大面積準(zhǔn)平原地區(qū)[1]，需要大面積的強烈風(fēng)化且鈾含量較高的地區(qū)作為鈾源，再通過間歇性河流將鈾(U)元素帶至湖盆或廢棄河道內(nèi)，最后通過大量蒸發(fā)作用，在鈣結(jié)巖和膏結(jié)巖中實現(xiàn)U元素的富集成礦[2]?，F(xiàn)已知發(fā)育具有經(jīng)濟(jì)價值的釩鉀鈾礦鈣結(jié)巖的沉積相主要有三角洲相、鹽湖相和河流相等。

目前，世界上已發(fā)現(xiàn)大量的鈣結(jié)巖型鈾礦[3-7]，其中最具代表性是澳大利亞伊爾崗(Yilgarn)地區(qū)的伊利里(Yeelirrie)鈾礦[3,8]、納米比亞檳榔湖地區(qū)的蘭格漢瑞奇(Langer Heinrich)和特雷科皮(Trekkopje)鈾礦[9]。國內(nèi)對鈣結(jié)巖型鈾礦也很重視，在西北地區(qū)進(jìn)行多次多地區(qū)勘查，總結(jié)了各地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦的成礦環(huán)境及其潛力[10-11]。但是使用遙感方法進(jìn)行鈣結(jié)巖型鈾礦勘查的研究較少。鈣結(jié)巖型鈾礦是印度和中東—北非地區(qū)重要的鈾礦種類[12]。Rishikesh等[13]曾利用高光譜遙感對印度的拉賈斯坦邦(Rajasthan)西部和古吉拉特邦(Gujarat)北部進(jìn)行了鈣結(jié)巖型鈾礦的含礦母巖研究，幫助鈣結(jié)巖型鈾礦勘查。但是，鈣結(jié)巖型成礦不僅與含礦母巖相關(guān)，還需具備良好的鈾源區(qū)、U元素遷移通道及U元素沉淀富集區(qū)3大關(guān)鍵要素[1]。由于完成U元素的遷移和沉淀多以水流為媒介完成，這3大成礦條件多被稱為補(水區(qū))-徑(流區(qū))-排(泄區(qū))。

本文以鈣結(jié)巖型鈾礦的成礦機(jī)理為基礎(chǔ)，從補-徑-排的角度，較全面地介紹遙感技術(shù)在鈣結(jié)巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用，為以后國內(nèi)鈣結(jié)巖型鈾礦勘查提供一些參考。

1 研究區(qū)地理地質(zhì)背景和鈾源概況

1.1 研究區(qū)自然地理地質(zhì)背景

鈣結(jié)巖型鈾礦多發(fā)育于干旱—半干旱地區(qū)，研究區(qū)位于沙特阿拉伯中部及北部，處于沙漠邊緣地帶，受熱帶沙漠氣候影響，夏季炎熱干燥，降雨以陣雨為主，河流以季節(jié)性河流為主。在干旱—半干旱的氣候條件影響下，研究區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育鈣結(jié)巖。區(qū)內(nèi)分布大量的第四紀(jì)玄武巖和元古代花崗巖，其中花崗巖風(fēng)化作用強烈，且遭受多組斷裂破壞，這種風(fēng)化強烈的花崗巖利于其內(nèi)U元素的析出遷移，成為良好鈾源。

1.2 鈾源概況

鈾源、轉(zhuǎn)移通道、沉積區(qū)和保礦層是沉積型鈾礦的4大關(guān)鍵要素[3]，由于鈣結(jié)巖型鈾礦多產(chǎn)于新生代地層中或是直接暴露于地表，故前3個要素更加重要。

根據(jù)鈾源、補-徑-排水動力體系的差異性和鈣結(jié)巖發(fā)育情況，本文選定了3個研究區(qū)： 片區(qū)1(Nibwan and Hulayfah)、片區(qū)2(Sabkhah Ad Dumathah)、片區(qū)3(Wadi as Sirhan)(圖1)。片區(qū)1鈾源良好，補-徑-排體系發(fā)育不完整； 片區(qū)2鈾源良好，補-徑-排體系發(fā)育完整； 片區(qū)3鈾源較差，補-徑-排體系發(fā)育完整但不太良好。

圖1 研究區(qū)分布示意圖(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.1 Location of study areas

3個研究區(qū)中片區(qū)2有完整的含礦層； 片區(qū)1幾乎沒有大片成層的鈣結(jié)巖； 片區(qū)3則發(fā)現(xiàn)有大片的鈣結(jié)巖，但含礦情況比片區(qū)2差。片區(qū)1和片區(qū)2皆有大面積的元古代花崗巖、流紋巖等酸性巖漿巖出露，亦可見大面積新生代玄武巖； 片區(qū)3則多為新生代地層覆蓋，且伴有新生代玄武巖巖漿流。研究區(qū)出露的花崗巖及中酸性火山巖為晚元古代泛非運動時期形成的[12,14-15]?；◢弾r為二次侵入活動產(chǎn)物，第一次主要形成英云閃長巖-花崗閃長巖，第二次主要形成堿性花崗巖-花斑巖[16]。這二次酸性侵入活動為研究區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦提供了豐富的鈾源。

鈾源的好壞直接影響初始氧化水中鈾的濃度和鈾成礦前期的預(yù)富集作用，進(jìn)而影響鈾礦床的規(guī)模。根據(jù)前人研究，U元素在玄武巖平均含量為0.9 ppm，在花崗巖平均含量為3.5 ppm，在二長花崗巖平均含量為7.5 ppm，地殼中花崗巖的Th/U均值為3.3[1]。研究區(qū)內(nèi)，包括片區(qū)1、片區(qū)2和片區(qū)3，玄武巖鈾含量普遍低于1 ppm。片區(qū)1和片區(qū)2中花崗巖U和Th含量信息如表1所示。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，新鮮的或風(fēng)化弱的花崗巖U元素含量相對較高，Th/U值相對較低，而風(fēng)化嚴(yán)重的花崗巖U元素含量相對比較低，Th/U值相對較高。片區(qū)1和片區(qū)2內(nèi)花崗巖大多處于遭受強烈風(fēng)化的狀態(tài)，U元素明顯表現(xiàn)出大量流失的狀態(tài)，能夠為鈣結(jié)巖等沉積地層提供較多U元素。因此，片區(qū)1和片區(qū)2的鈾源條件比較好。

表1 研究區(qū)花崗巖U和Th含量信息Tab.1 The U and Th contents of granite in study areas

根據(jù)WorldView-2遙感影像(圖2)顯示，可以目視判別出片區(qū)1和片區(qū)2花崗巖的完整性特別差，被多組斷裂切割，破碎嚴(yán)重，風(fēng)化作用強烈，這是其U元素流失的重要原因之一。

(a) 片區(qū)1區(qū)域1 (b) 片區(qū)1區(qū)域2 (c) 片區(qū)2 (d) 片區(qū)1區(qū)域3圖2 鈾源區(qū)花崗巖紋理(WorldView-2 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像)Fig.2 Granite texture in uranium source areas

片區(qū)3以玄武巖和大面積的沉積巖為主，玄武巖為巖漿分異早期形成的基性巖石，而U元素在巖漿巖分異系列中具有較多長英質(zhì)、堿質(zhì)和晚期分異物中含量高于早期形成的較基性巖石[1,17]。因此，該片區(qū)缺乏鈾含量較高的巖體作為鈾源，鈾源條件相對于片區(qū)1和片區(qū)2較差。當(dāng)然，不排除有好的鈾源被剝蝕完，或是被第四紀(jì)噴發(fā)的玄武巖所覆蓋，但由于研究區(qū)鈣結(jié)巖形成于第四紀(jì)，過早被剝蝕掉的鈾源對該地鈣結(jié)巖型鈾礦成礦影響較小。

2 補-徑-排體系劃分及評價

沉積環(huán)境對沉積型鈾礦床的形成具有非常重要的作用，如何快速有效地劃分補-徑-排等不同的沉積環(huán)境區(qū)段對鈣結(jié)巖型等沉積型鈾礦勘查具有重要意義。

補-徑-排體系因水流的原因與高程關(guān)系緊密。利用數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，通過地面高程數(shù)據(jù)信息，在ArcGIS軟件平臺上進(jìn)行分析，可以提取出分水嶺和水系等信息，進(jìn)而快速有效地劃分出補-徑-排等不同的沉積環(huán)境條件。

通過水系的提取，確定水域界限(圖3)，即分水嶺，獲取該區(qū)水文信息。結(jié)合該區(qū)DEM數(shù)據(jù)提取的等高線信息和三維圖像信息，疊加上ETM遙感影像數(shù)據(jù)，最終確定補-徑-排體系。片區(qū)1(圖3(a))的補水區(qū)為大面積的花崗巖、酸性火山巖及火山碎屑巖，徑流區(qū)非常發(fā)育，但沒有發(fā)育很好的沉積盆地。片區(qū)2(圖3(b))的補水區(qū)(鈾源區(qū))為元古代花崗巖及酸性火山巖山區(qū)； 排泄區(qū)為山間盆地，是一個良好的鈣結(jié)巖型鈾礦沉淀富集區(qū)； 補水區(qū)和沉積區(qū)之間為徑流區(qū)，是間歇性山間沖溝。片區(qū)3(圖3(c))補水區(qū)為地勢較高的玄武巖區(qū)和部分沉積巖區(qū)，徑流發(fā)育，徑流匯集的沉積盆地發(fā)育，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，沉積區(qū)周邊灌溉區(qū)非常多，皆以地下水為水源，說明地下水非常豐富，這在一定程度上稀釋了沉積盆地地層中的U元素。

(a) 片區(qū)1

(b) 片區(qū)2

(c) 片區(qū)3圖3 3個片區(qū)水系與三維地形疊合圖(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.3 Images of drainage and 3D topography of three subareas

綜上，片區(qū)2和片區(qū)3發(fā)育有完整的補-徑-排體系，片區(qū)1補-徑-排體系不健全，缺少較好的沉積盆地。

3 含礦母巖遙感評價

圖4 方解石和石膏的反射率光譜曲線及ASTER重采樣光譜曲線Fig.4 Reflectance spectrum and resampled reflectance spectrum as ASTER of calcite and gypsum

(a) 片區(qū)1 (b) 片區(qū)2 (c) 片區(qū)3圖5 3個片區(qū)碳酸鹽巖和石膏分布情況(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.5 Carbonate and gypsum distribution in three subareas

從圖5(a)可以看出，片區(qū)1整體以碳酸鹽巖(方解石)為主，石膏含量相對較少，而且主要分布于花崗巖(黃白色-橙色)、火山巖(紫黑色)及火山碎屑巖(紫色)等基巖區(qū)或風(fēng)化殼部位，難以形成成層的含礦母巖； 河道中有零星分布，不成規(guī)模，鈣結(jié)巖整體不發(fā)育。野外觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)鈣質(zhì)層有2種，其中一種分布占比較高，為基巖表層的鈣質(zhì)殼，相對位置較高，致密堅硬，且放射性值極低； 另一種為花崗巖近地表風(fēng)化碎屑層，距離花崗巖基底2～3 m，呈窩狀分布的石膏層，局部可見表生作用形成的黃綠色次生鈾礦，野外驗證照片如圖6所示。從圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，片區(qū)2的山間盆地含有大量的石膏，局部含有碳酸鹽巖，說明盆地內(nèi)的鈣結(jié)巖以石膏為主，碳酸鹽巖(方解石)次之，石膏主要出露于沉積盆地靠山的一側(cè)，而遠(yuǎn)離山的一側(cè)出露較少。根據(jù)野外觀察和槽探挖掘，發(fā)現(xiàn)隨著與山的距離增大，石膏層埋深加大，而不是尖滅，石膏層發(fā)育比較完整，至東部或東北部邊緣，埋深可達(dá)5～6 m。對于整個石膏含礦層，西部含礦量大于東部，中部最佳，但礦體不連續(xù)。從圖5(c)可以發(fā)現(xiàn)，片區(qū)3地表出現(xiàn)的主要為碳酸鹽巖，未提取出來石膏信息。碳酸鹽巖的分布特征明顯，自然地表出露主要出現(xiàn)在玄武巖表面，沉積巖及第四系地表出露，主要是因為使用地下水澆灌造成的圓形水澆地上，且碳酸鹽巖的分布形狀亦主要為圓形，疊加在水澆地上。根據(jù)提取的碳酸鹽巖分布信息特點，可以看出在富水區(qū)(圖5(c)中藍(lán)色部分)中下游及周邊位置地表以下富含碳酸鹽巖，甚至有碳酸鹽巖層，進(jìn)而可以認(rèn)為富水區(qū)中下游及周邊為鈣結(jié)巖的蒸發(fā)沉積區(qū)。沉積區(qū)地表的碳酸鹽巖未出露，則說明近期為鈣結(jié)巖沉積的間歇期或終止期，這也從側(cè)面反映了玄武巖及周邊的沉積巖不是很好的鈣結(jié)巖型鈾礦的物源和鈾源。

(a) 地表及下部地層中鈣結(jié)巖 (b) 地下鈣結(jié)巖 (c) 黃綠色為鈣結(jié)巖中發(fā)育的次生鈾礦物圖6 野外驗證照片F(xiàn)ig.6 Field verification photos

4 研究區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦條件綜合分析

片區(qū)1的新生代沉積層整體是河流相沉積(圖3(a))，發(fā)育于元古代花崗巖、火山巖及碎屑巖和變質(zhì)巖等矮山丘陵之山溝內(nèi)。大面積的含鈾花崗巖為該區(qū)提供了良好的鈾源條件，并因其受風(fēng)化作用強烈，U元素析出能力較強，且引起了學(xué)者對當(dāng)?shù)豒元素的環(huán)境污染的擔(dān)心和關(guān)注[14]； 水系較發(fā)育，徑流條件較好； 但是河道內(nèi)沉積物厚度薄，難以形成層狀鈣結(jié)巖，方解石及石膏多成團(tuán)塊狀或粉末狀聚集在碎石表面； 氣候為干旱型氣候，雨季短促，但短時間雨量較大。在花崗巖周邊，因第四紀(jì)玄武巖的噴發(fā)，與花崗巖局部形成微型湖泊，其中可見大量釩鉀鈾礦等次生鈾礦物發(fā)育在石膏層內(nèi)，但因沉積時間相對比較短暫，未形成規(guī)模。附近地層中的石鹽、鈣結(jié)(礫)巖中含有較高的鈾[14]，但遠(yuǎn)未達(dá)到形成礦床的規(guī)模。

片區(qū)2為一個多湖盆山區(qū)(圖3(b))，四周為酸性火山巖及花崗巖，可見第四紀(jì)玄武巖噴發(fā)巖流。四周相對高程較高的大面積酸性巖漿巖含鈾量大，距此地不遠(yuǎn)的賈巴爾賽義德(Jabal Sayid)地區(qū)更是形成了堿性花崗巖型鈾礦[25-26]，為該區(qū)提供了良好的鈾源條件； 山間盆地為U元素的匯集沉淀提供良好的沉積環(huán)境，徑流多匯聚于這幾個山間小盆地內(nèi)，盆地內(nèi)沉積巨厚的沉積物，鈣結(jié)巖多堅硬，多為白色致密的層狀鈣結(jié)巖，夾于泥巖或泥層之間； 鈾源區(qū)和沉積區(qū)之間巨大的高差，為U元素遷移提供良好的條件； 同時，沙特阿拉伯地區(qū)的干旱氣候為該區(qū)大量蒸發(fā)提供條件。良好的鈾源條件、補-徑-排條件和氣候條件，為該地區(qū)鈣結(jié)巖型鈾礦的發(fā)育提供了良好的基礎(chǔ)條件。

片區(qū)3(圖3(c))的情況介于片區(qū)1和片區(qū)2之間，處于一個狹長的斷陷盆地內(nèi)。水系則以自NW向SE的河流為主，比片區(qū)1的匯聚，但比片區(qū)2發(fā)散。但是，該區(qū)以玄武巖和大面積的沉積巖為主，缺乏U元素含量較高的巖體作為鈾源，鈾源條件比片區(qū)1和片區(qū)2差。另外，片區(qū)3的沉積區(qū)含水量大，甚至可作為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水源地，在一定程度上帶走和稀釋了鈣結(jié)巖層內(nèi)的U元素。因此，該區(qū)發(fā)育的鈣結(jié)巖具有一定的層位，但厚度相比于片區(qū)2較差，鈾礦發(fā)育情況也較差。

綜上所述，鈣結(jié)巖型鈾礦成礦需要豐富的鈾源條件和便利的徑流條件，將U元素轉(zhuǎn)移至有利的沉積區(qū)，通過有利的氣候條件進(jìn)行大量的蒸發(fā)，促使U元素沉淀富集。片區(qū)2滿足了以上所有的條件，且有足夠的時間沉積成較厚的含礦層，因此能夠發(fā)育成一定規(guī)模的鈣結(jié)巖型鈾礦。片區(qū)3由于鈾源條件的不足，從源頭上限制了該區(qū)形成大規(guī)模鈣結(jié)巖型鈾礦的可能，加上沉積區(qū)較大的含水量，進(jìn)一步減小了鈾成礦的規(guī)模。片區(qū)1因沒有良好的沉積環(huán)境，即水系分散，沒有一個集中的沉積區(qū)(排泄區(qū))，U元素因水流在徑流區(qū)即被蒸發(fā)掉而沉淀在徑流區(qū)，致使含礦層位發(fā)育不全，無法滿足U元素的沉淀富集，難以形成鈣結(jié)巖型鈾礦，只能形成大量的比較發(fā)散的鈾異常點； 另外，該區(qū)第四系整體沉積時間較短，沉積厚度太薄，U元素沉淀富集的時間太短，難成規(guī)模。Khaybar玄武巖熔巖流[14]為第四紀(jì)玄武巖，距今僅幾百年，同期玄武巖在片區(qū)1內(nèi)花崗巖邊上局部發(fā)育的微型湖盆內(nèi)可見釩鉀鈾礦等次生礦物，但由于一是沉積范圍較小且鈾源局限，二是沉積時間短暫，沒有形成足夠厚度的含礦層，因此也難以形成一定規(guī)模的鈾礦。所以，雖然具有良好的鈾源條件和氣候條件，但惡劣的沉積區(qū)條件和短暫的沉積時間限制了片區(qū)1的鈣結(jié)巖型鈾礦的發(fā)育。

5 討論

本研究的結(jié)果顯示，鈣結(jié)巖型鈾礦成礦條件苛刻，除了良好的干旱—半干旱氣候條件和充足的富集沉淀時間外，必須具備良好的補-徑-排體系，充足的鈾源，集中的沉淀富集區(qū)等成礦條件。通過蝕變信息提取、DEM三維顯示、水系提取和目視判別等，遙感技術(shù)在鈣結(jié)巖型鈾礦勘查中不僅可以在含礦母巖識別中發(fā)揮作用，在鈾源、補-徑-排等成礦條件的識別和評價中亦可發(fā)揮一定作用。而在鈣結(jié)巖鈾成礦潛力評價方面，發(fā)育良好的鈣結(jié)巖或膏結(jié)巖層是必要條件，但僅此一項是不充分的，需要結(jié)合鈾源條件、水系條件和U元素沉淀條件綜合分析評價?？偟膩碚f，U元素的遷出、轉(zhuǎn)移和沉淀富集是鈾成礦的過程，也是鈣結(jié)巖型鈾礦勘查評價的必要切入口。

由于研究條件所限，從圖3(a)可以看出，目前片區(qū)1的水系流向大體上是自西向東，該區(qū)西側(cè)是大片的新生代巖漿湖。根據(jù)巖漿湖的展布情況判斷，在玄武巖未噴發(fā)之前，水系是自東向西流入巖漿湖所在位置。因此，在玄武巖下面是否存在發(fā)育良好的鈣結(jié)巖，又是否含有一定規(guī)模的鈣結(jié)巖型或是其他沉積類型的鈾礦，需要進(jìn)一步勘查研究去證實。另外，片區(qū)3的鈾源問題，即鈾源是否已剝蝕完，若鈾源很好且已剝蝕完，現(xiàn)今鈾成礦不良是否還有其他原因破壞該區(qū)的鈾成礦。

6 結(jié)論

1)通過DEM和ASTER數(shù)據(jù)處理，從地表信息確定了3個研究片區(qū)補-徑-排體系和鈣結(jié)巖發(fā)育情況，其中片區(qū)2的補-徑-排體系體系最完整，鈣結(jié)巖發(fā)育最好； 片區(qū)1補-徑-排體系發(fā)育不完整，鈣結(jié)巖發(fā)育較好； 片區(qū)3補-徑-排體系發(fā)育較完整，鈣結(jié)巖發(fā)育較差。所以補-徑-排體系和鈣結(jié)巖皆發(fā)育良好的片區(qū)2產(chǎn)有良好的鈣結(jié)巖型鈾礦層。

2)補-徑-排體系的完整性對鈣結(jié)巖型鈾礦的成礦作用至關(guān)重要，缺一不可，且優(yōu)質(zhì)的鈾源和沉積環(huán)境利于形成大規(guī)模的鈣結(jié)巖型鈾成礦，U元素富集累積時間的長短直接影響鈣結(jié)巖型鈾礦的規(guī)模大小，因此沙特阿拉伯研究區(qū)內(nèi)鈣結(jié)巖型鈾礦成礦的有利沉積環(huán)境為周邊有大片鈾源的蒸發(fā)型湖(干鹽湖)相沉積。

由于使用ASTER數(shù)據(jù)無法區(qū)分石膏和羥基蝕變異常信息，本文只能通過野外查證來確定，建議在今后的研究中，使用更高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)(例如國產(chǎn)高分5號衛(wèi)星數(shù)據(jù)、Hyperion衛(wèi)星數(shù)據(jù)及航空高光譜數(shù)據(jù)等)，以便能夠區(qū)分出石膏和羥基蝕變異常信息的光譜特征差異，彌補ASTER數(shù)據(jù)的不足。

志謝：感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感重點實驗室葉發(fā)旺主任、李瀚波高級工程師，地質(zhì)礦產(chǎn)所陳金勇高級工程師和李治興高級工程師在數(shù)據(jù)處理方面的幫助和支持。