基于高光譜技術(shù)的鉆孔巖心蝕變信息研究：以新疆白楊河鈾礦床為例

徐清俊，　葉發(fā)旺，　張　川，　劉洪成

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

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基于高光譜技術(shù)的鉆孔巖心蝕變信息研究：以新疆白楊河鈾礦床為例

徐清俊，葉發(fā)旺，張川，劉洪成

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

新疆白楊河礦床是近年來發(fā)現(xiàn)的亞洲最大的次火山巖型鈾鈹?shù)V床。應(yīng)用美國ASD可見光—短波紅外地面光譜儀對(duì)新疆白楊河鈾礦床的三個(gè)鉆孔進(jìn)行全孔巖心光譜測量與分析，確定了礦體中熱液蝕變礦物主要有高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母、綠泥石、蒙脫石、碳酸鹽、赤鐵礦和褐鐵礦等。鈾礦化富集部位的蝕變礦物組合為高鋁絹云母+中鋁絹云母+綠泥石(+少量高嶺石與碳酸鹽)+赤鐵礦，鈾礦化主要與赤鐵礦化、高鋁絹云母和中鋁絹云母有關(guān)，尤其可能是三者共同存在的地段更是鈾成礦的有利地段，這可以為白楊河礦床深部鈾礦勘探提供參考與借鑒。同時(shí)，區(qū)域鈾礦找礦中，要注意強(qiáng)烈發(fā)育低鋁絹云母蝕變與高鋁絹云母蝕變的過渡帶，要注意有基性巖脈發(fā)育的地段，這些地段是鈾礦找礦的有利地段。

ASD光譜儀；鉆孔；蝕變礦物；絹云母

徐清俊，葉發(fā)旺，張川，等.2016.基于高光譜技術(shù)的鉆孔巖心蝕變信息研究：以新疆白楊河鈾礦床為例[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(2)：184-190.

Xu Qing-jun,Ye Fa-wang,Zhang Chuan,et al.2016.Alteration information of drill core in Baiyanghe uranium deposit, Xinjiang using hyperspectral technology[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(2)：184-190.

自1980年代以來，高光譜遙感技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、礦產(chǎn)資源以及環(huán)境監(jiān)測中，至今已解決了一系列重大的技術(shù)問題，其礦物光譜測量技術(shù)更是日趨成熟。目前，常用的高光譜探測的波長區(qū)間位于380～2 500 nm，包括了整個(gè)可見光波長區(qū)間(380～760 nm)和近紅外區(qū)間(760～2 500 nm)。利用高光譜遙感技術(shù)提取礦物的蝕變組合信息主要是利用短波紅外區(qū)間的譜段觀測含水或含O-H的礦物及高溫、低溫的硫酸鹽礦物、碳酸鹽礦物等(修連存等，2007)。

鉆孔巖心是記錄深部地質(zhì)信息的有效載體，利用高光譜遙感技術(shù)開展鉆孔巖心高光譜編錄和蝕變信息識(shí)別，是巖心地學(xué)信息獲取與信息挖掘研究的新方向(張杰林等，2013)。在國外，高光譜測量技術(shù)在深部鉆孔巖心中的應(yīng)用已經(jīng)處于成熟階段，尤其是在光譜數(shù)據(jù)獲取，蝕變礦物識(shí)別、蝕變礦物填圖、以及熱液蝕變垂向空間分布特征分析等方面取得了顯著的成果。Kruse(1996)將澳大利亞短波紅外光譜儀PIMA用于鉆孔巖心編錄并根據(jù)編錄采集的光譜數(shù)據(jù)的吸收峰深度和光譜類型填出了鉆孔巖心中特殊礦物的空間分布，證實(shí)PIMA短波紅外光譜測量技術(shù)可以提供詳細(xì)的鉆孔巖心礦物分布信息。當(dāng)前，澳大利亞的CSIRO光譜巖心編錄系統(tǒng)、英國的Spectra-Map高光譜巖心編錄系統(tǒng)、德國的Multi-Sensor Core Logger(GEOTEK)高光譜巖心編錄系統(tǒng)等都已經(jīng)成功的應(yīng)用到鉆孔巖心編錄中。在國內(nèi)，高光譜遙感測量技術(shù)在鉆孔巖心中的應(yīng)用仍然處于起步階段，胥燕輝(2006)利用ASD地物光譜儀對(duì)河北省昌黎縣閆莊鐵礦床鉆孔巖心進(jìn)行了高光譜編錄研究，繪制了簡單的光譜地質(zhì)柱狀圖；郭娜等(2012)利用美國SVC HR1024便攜式地物光譜儀對(duì)西藏甲瑪斑巖—矽卡巖型銅多金屬礦床鉆孔巖心進(jìn)行了基于高光譜短波紅外技術(shù)的測量與分析，并根據(jù)綠泥石礦物波長的變化，推斷巖漿活動(dòng)的變化特征，進(jìn)而指導(dǎo)找礦工作?？傮w來說，高光譜測量技術(shù)在鉆孔巖心中的應(yīng)用在國內(nèi)的多金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查領(lǐng)域應(yīng)用較多，但在核地質(zhì)系統(tǒng)的鈾礦地質(zhì)勘查中應(yīng)用相對(duì)還比較少。

新疆白楊河礦床是我國目前已探明的鈾鈹共生的礦床。近年來，很多地質(zhì)工作者對(duì)該礦床進(jìn)行了不少研究(修曉茜等，2011；毛偉等，2013；陳浩等，2015；童旭輝等，2012)。本文基于高光譜技術(shù)，利用美國ASD公司生產(chǎn)的Terra spec可見光—短波紅外地面光譜儀對(duì)白楊河鈾礦床三個(gè)典型鉆孔巖心進(jìn)行光譜測量與分析，并結(jié)合地質(zhì)背景資料，探討白楊河鈾礦床深部蝕變礦物類型及其空間分布特征，并提取與鈾成礦相關(guān)性密切的蝕變信息。

1　礦床地質(zhì)概況

白楊河鈾礦床位于新疆西準(zhǔn)噶爾地區(qū)雪米斯坦(謝米斯臺(tái)))火山巖帶內(nèi)，大地構(gòu)造上處于哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊西北緣古生代陸緣活動(dòng)帶內(nèi)晚古生代成熟島弧之上(董蓮慧等，2012)。礦區(qū)內(nèi)出露的地層包括：上泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺(tái)組、下石炭統(tǒng)和布克河組、下石炭統(tǒng)黑山頭組，其展布方向總體呈近東西向，巖性主要為中性—酸性火山巖以及火山碎屑巖。

礦區(qū)內(nèi)的侵入巖為早二疊世的花崗斑巖，包括楊莊巖體、阿蘇達(dá)巖體、小白楊河巖體(圖1)。巖體整體呈近東西向展布，東西長約10 km，南北寬度變化較大，最寬達(dá)1.8 km，最窄0.1 km，面積約6.9 km2。巖體的侵入方向由南東向西北，在橫斷面上似鐮刀形。巖體內(nèi)部穿插有閃長玢巖、輝石閃長巖、輝綠巖等巖脈。據(jù)目前鉆探查證，在楊莊巖體、阿蘇達(dá)巖體均發(fā)現(xiàn)了工業(yè)鈾礦化，但主要的工業(yè)鈾鈹?shù)V體集中在楊莊巖體的東北緣和中西部。

該礦床中鈾礦化體分布于花崗斑巖與上泥盆統(tǒng)塔爾巴哈臺(tái)組中酸性火山巖的接觸帶附近，礦體形態(tài)簡單，主礦體為似層狀沿楊莊花崗斑巖體底接觸面展布，其中內(nèi)接觸帶是主要礦體的賦存部位，部分礦體亦處于外接觸帶(肖燕東等，2011)。

圖1　白楊河鈾礦床地質(zhì)簡圖Fig.1　Geological map of the Biyanghe Uranium deposit

2　數(shù)據(jù)采集與礦物識(shí)別

利用ASD可見光—短波紅外地面非成像光譜儀對(duì)白楊河礦床三個(gè)鉆孔巖心進(jìn)行接觸式的光譜測量與光譜特征分析，鉆孔巖心光譜測量點(diǎn)距約為30 cm，蝕變強(qiáng)烈地段加密測量，其間距約為10 cm左右。本次工作使用的ASD光譜儀光譜測量范圍為350～2 500 nm，光譜分辨率在350～1 050 nm為3nm；1 050～2 500 nm為10 nm，可用于識(shí)別含羥基的硅酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和碳酸鹽礦物、以及赤鐵礦化信息等。測量的三個(gè)鉆孔為ZK5432，ZK3310，ZK2710，其在礦區(qū)的分布見圖1。其中，ZK5432是一個(gè)礦化很好的工業(yè)孔，位于礦區(qū)中西部，ZK3310和ZK2710分別為工業(yè)孔和異常孔，兩孔相近，均位于礦區(qū)中東部。從三個(gè)鉆孔巖心中共獲取光譜曲線5 709條，其中ZK5432為1 941條、ZK3310為2 156條、ZK2710為1 612條。

由于礦物中一些元素含量的變化會(huì)造成該礦物中心吸收波長的移動(dòng)，一般情況下，中心吸收波長會(huì)左右偏移幾個(gè)納米左右，因此在光譜識(shí)別與分析時(shí)，選取10 nm范圍內(nèi)的中心波長位置進(jìn)行波譜曲線的匹配分析，找尋特征吸收峰值，進(jìn)而確定蝕變礦物種類以及分布。根據(jù)前人研究結(jié)果(Herrmann et al.,2001)和研究區(qū)的實(shí)際情況，本文利用高光譜技術(shù)識(shí)別的高鋁絹云母(注：此處光譜識(shí)別的絹云母是白云母、絹云母、伊利石、伊/蒙混層等礦物中的一種或多種混合物，不同于地質(zhì)顯微薄片研究中的絹云母，與地質(zhì)上的水云母相似)以在2 192～2 203 nm存在強(qiáng)烈吸收，在2 345 nm附近存在次級(jí)吸收為特征；中鋁絹云母以在2 204～2 212 nm存在強(qiáng)烈吸收，在2 345 nm附近存在次級(jí)吸收為特征；低鋁絹云母以在2 213～2 220 nm存在強(qiáng)烈吸收，在2 345 nm附近存在次級(jí)吸收為特征；蒙脫石在2 200～2 215 nm附近存在強(qiáng)烈吸收，在2 345 nm附近沒有次級(jí)吸收；高嶺石的特征吸收峰位于2 165 nm和2 205 nm左右，呈現(xiàn)雙峰形態(tài)；綠泥石的特征吸收峰位于2 250～2 260 nm之間和2 340～2 350 nm之間；碳酸鹽的特征吸收峰位于2 320～2 340 nm之間；赤鐵礦的光譜吸收位置主要在870 nm附近，而褐鐵礦光譜吸收位置主要在950 nm附近。

根據(jù)上述礦物的光譜特征，本次光譜測試在白楊河鈾礦床三個(gè)鉆孔ZK5432，ZK3310，ZK2710中共識(shí)別出九種蝕變礦物，即高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母、蒙脫石、綠泥石、碳酸鹽、高嶺石、赤鐵礦與褐鐵礦(圖2)。

圖2　白楊河礦區(qū)鉆孔巖心ASD地面光譜儀識(shí)別的礦物曲線圖Fig.2　The mineral graph of Core drilling identified by ASD in Baiyanghe Uranium deposit

3　分析與解釋

在白楊河鈾礦床三個(gè)鉆孔ZK5432，ZK3310，ZK2710中，蝕變礦物種類多，一共有9種，其中絹云母(包括三個(gè)亞類：高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母)含量最多，空間上幾乎貫穿整個(gè)鉆孔，其次為綠泥石與蒙脫石，其他的蝕變礦物則相對(duì)較少。為了分析鉆孔各深度段的蝕變礦物強(qiáng)度信息、空間分布規(guī)律以及與鈾成礦的關(guān)系，需要對(duì)全孔巖心蝕變礦物進(jìn)行編錄，并通過Origin、CorelDraw X4等相關(guān)制圖軟件繪制整個(gè)鉆孔的蝕變礦物編錄圖(包括三部分：鉆孔巖性柱狀簡圖、蝕變礦物垂向空間分布圖、蝕變礦物Al—OH光譜吸收位置變化圖)，如圖3所示。

3.1蝕變礦物空間分布規(guī)律

圖3為ZK5432全孔巖心蝕變礦物編錄圖，其中最左邊為鉆孔巖性柱狀簡圖，中間部分為高光譜識(shí)別的蝕變礦物垂向空間分布圖，右邊部分為鉆孔中蝕變礦物Al—OH光譜吸收位置變化圖。

圖3　鉆孔ZK5432全孔巖心蝕變礦物編錄圖Fig.3　Altered minerals logging chart of the whole bore of ZK5432

從圖3最左邊的鉆孔巖性柱狀簡圖可以看出，整個(gè)鉆孔巖心的巖性變化規(guī)律，即由淺部至深部，巖性由花崗斑巖變?yōu)橹旅艿幕鹕侥規(guī)r，在不同巖性的接觸部位則有一個(gè)大約4～5 m的破碎帶，在花崗斑巖的內(nèi)帶則出現(xiàn)大約10 m左右的工業(yè)化鈾礦段。從圖3中間部分的蝕變礦物空間分布圖可以看出，深度0～330 m左右，主要蝕變礦物為低鋁絹云母、中鋁絹云母、蒙脫石，其次為褐鐵礦與赤鐵礦則較少；330～370 m左右，主要的蝕變礦物為高、中鋁絹云母、赤鐵礦與綠泥石，并且夾有少量高嶺石與碳酸鹽，碳酸鹽多以脈狀存在于巖石中；370 m之后蝕變礦物為高鋁絹云母與綠泥石，且高鋁絹云母逐漸減少直至消失，綠泥石增多。從圖3右邊部分的絹云母Al—OH特征吸收峰波長位置隨深度的變化規(guī)律圖可以看出，自地表至地下依次整個(gè)鉆孔絹云母蝕變Al—OH光譜吸收位置總體具有逐漸降低的趨勢，即0～180 m，Al—OH吸收位置幾乎均大于2 213 nm，主要處于2 213～2 218 nm；180～325 m，Al—OH吸收位置處于2 203～2 213 nm，而且分布比較均勻，由淺及深變化不大；325 m～398 m，Al—OH吸收位置隨軍深度的增加呈明顯的變小，由2 213 nm逐漸減少到2 196 nm附近。根據(jù)上述Al—OH吸收位置的變化，可以判斷出整個(gè)ZK5342的絹云母蝕變的變化規(guī)律，即自淺部到深部出現(xiàn)以低鋁絹云母為主→以中鋁絹云母為主+少量低鋁絹云母→以中鋁絹云母為主→接觸帶→中高鋁絹云母為主→高鋁絹云母的變化規(guī)律。

根據(jù)以上描述與分析，可以對(duì)鉆孔ZK5432巖心蝕變礦物劃分組合，即0～300 m，蝕變礦物組合主要有：低鋁絹云母+赤鐵礦或褐鐵礦組合，中鋁絹云母+赤鐵礦化或褐鐵礦組合，蒙脫石+赤鐵礦或褐鐵礦組合；300～370 m，蝕變礦物組合主要為：中鋁絹云母+綠泥石+赤鐵礦組合，高鋁絹云母+綠泥石+赤鐵礦+高嶺石組合；370 m之后，蝕變礦物組合為綠泥石+高鋁絹云母+碳酸鹽組合。鈾礦化異常段位于325～355 m左右，發(fā)育高鋁絹云母+中鋁絹云母+綠泥石+赤鐵礦化+少量高嶺石的組合。

上述蝕變礦物空間分布特征在ZK3310，ZK2710中亦有相類似的表現(xiàn)，但在Al—OH吸收位置變化規(guī)律方向稍有點(diǎn)不同。

3.2蝕變與成礦分析

從蝕變組合與鈾成礦關(guān)系來看，無礦化地段的花崗斑巖中出現(xiàn)的蝕變礦物主要是比較單一的低鋁絹云母蝕變，或低鋁絹云母與赤鐵礦、或褐鐵礦、及其他礦物的混合；礦化異常段出現(xiàn)的蝕變礦物組合主要為高鋁絹云母、中鋁絹云母、綠泥赤鐵礦等多種蝕變礦物較為復(fù)雜的組合，尤其是疊加了少量的高嶺石等明顯反映酸性蝕變的礦物，反映成礦地段具有明顯的酸性蝕變作用的疊加。

從云母類蝕變礦物的特征來看，鈾礦化段主要位于強(qiáng)烈的低鋁絹云母蝕變與高鋁絹云母蝕變的過渡帶中，鈾礦化地段的絹云母蝕變主要以中鋁絹云母與高鋁絹云母為主，即鈾礦化與高光譜識(shí)別的高鋁絹云母、中鋁絹云母關(guān)系更加密切。

從蝕變形成的流體溫度來看，鈾礦化最好的ZK5342在325～350(接觸帶)～398 m，絹云母蝕變的Al—OH吸收位置隨著深度的增加由2 213 nm逐漸減少到2 196 nm附近，深度與波長呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)(圖4左)，而鈾礦化較好的ZK33310孔中，從300～336 m(接觸帶)～380 m，絹云母蝕變的Al—OH吸收位置隨著深度的增加先由2 210 nm逐漸減少到2 196 nm附近，然后又增加到了2 213 nm，形成了一個(gè)“V”字的變化規(guī)律(圖4中)。只有鈾異常沒有鈾礦化的ZK2710孔中，絹云母蝕變的Al—OH吸收位置雖然隨著深度的增加亦有變化，但在接觸帶附近上下兩側(cè)，并沒有明顯的變化，尤其是接觸帶上部附近缺失相對(duì)較短波長的絹云母蝕變(圖4右)。

圖4　絹云母特征吸收峰位變化圖(從左至右依次為ZK5432、3310、2710)Fig.4　The changes figure about Characteristic absorption peaks of white mica

絹云母Al—OH光譜吸收波長位置的變化反映了礦物中AlⅥ含量的變化，該變化常常是地質(zhì)作用過程中物質(zhì)組分的相互替代造成的。隨著AlⅥ含量增高，2 200 nm附近的吸收譜帶逐漸向短波方向移動(dòng)，隨著Na替代K，2 200 nm附近的吸收譜帶逐漸向短波方向輕微移動(dòng)，反之則向長波方向(Frank et al.,2012)。組分替代過程又常常與溫度壓力及流體酸堿性相關(guān)，高鋁絹云母一般代表相對(duì)高溫低壓的流體環(huán)境；低鋁絹云母代表相對(duì)低溫高壓的熱液流體環(huán)境。因此，ZK5342中絹云母蝕變的Al—OH吸收位置由深至淺逐斬變大，由高鋁絹云母向中鋁絹云母變化，反映熱液蝕變溫度由深部—接觸帶—接觸帶上方逐漸降低，成礦熱液可能直接來源于深部，故溫度較高。這一流體特征可能與該鉆孔附近發(fā)育大量基性巖脈有關(guān)，因?yàn)榛詭r脈直接由深部穿插到淺部，并可帶來大量相對(duì)溫度較高的熱液；ZK33310孔中從300～336(接觸帶)～380 m絹云母蝕變的Al—OH吸收位置隨著深度的增加先減少后增加的變化規(guī)律，反映該孔的成礦熱液是由接觸帶向上下兩側(cè)流動(dòng)的規(guī)律，故流體從是沿接觸帶由其他地方運(yùn)移而來，不是直接來源于深部，故溫度相對(duì)較低。從這個(gè)角度來說，好的鈾礦化可能與相對(duì)溫度較高的流體更具密切關(guān)系。同時(shí)，上述的鉆孔的Al—OH變化規(guī)律也可能是多期不同溫度的熱液作用的反映和疊加。

上述鈾礦化與蝕變的關(guān)系研究成果可以為鈾礦找礦提供重要信息，即鈾礦化富集部位是發(fā)育高鋁絹云母、中鋁絹云母、綠泥石、赤鐵礦等多種蝕變礦物組合的地段，尤其是疊加有高嶺石等明顯反映酸性蝕變的地段；同時(shí)，區(qū)域鈾礦找礦中，要注意強(qiáng)烈發(fā)育低鋁絹云母蝕變與高鋁絹云母蝕變的過渡帶，要注意有基性巖脈發(fā)育、且發(fā)育高鋁絹云母、中鋁絹云母的地段，這些都是鈾礦找礦的有利地段。

4　結(jié)論

(1)本次工作利用ASD可見光—短波紅外地面光譜儀識(shí)別了白楊河鈾鈹?shù)V鉆孔中的高鋁絹云母、中鋁絹云母、低鋁絹云母、蒙脫石、綠泥石、碳酸鹽、高嶺石、赤鐵礦化與褐鐵礦化等信息。

(2)確定出了鈾礦化富集部位的蝕變礦物組合為高鋁絹云母+中鋁絹云母+綠泥石(夾少量高嶺石與碳酸鹽)+赤鐵礦。鈾礦化主要與赤鐵礦化、高鋁絹云母和中鋁絹云母有關(guān)，尤其可能是三者共同存在的地段更是鈾成礦的有利地段，這可以為白楊河礦床深部鈾礦勘探提供參考與借鑒。同時(shí)，區(qū)域鈾礦找礦中，要注意強(qiáng)烈發(fā)育低鋁絹云母蝕變與高鋁絹云母蝕變的過渡帶，要注意有基性巖脈發(fā)育、且發(fā)育高鋁絹云母、中鋁絹云母的地段，這些地段是鈾礦找礦的有利地段。

(3)鉆孔巖心中不同波長絹云母的出現(xiàn)，反應(yīng)了白楊河鈾礦床在形成過程中熱液活動(dòng)頻繁，經(jīng)歷了多期次的熱液流體活動(dòng)，這與地質(zhì)上所得出的結(jié)論得到了很好的印證。

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Alteration Information of Drill Core in Baiyanghe Uranium Deposit,Xinjiang Using Hyperspectral Technology

XU Qing-jun,YE Fa-wang,ZHANG Chuan,LIU Hong-cheng

(National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029,China)

The Baiyanghe deposit is the largest sub-volcanic U-Be deposit discovered recently in Asia. The hydrothermal alteration minerals of the ore body mainly include Al-rich muscovite, Al-mid muscovite, Al-poor muscovite, Chlorite, Montmorillonite, Carbonate, Kaolinite, Hematite and Limonite et al, as identified by American ASD visible-shortwave infrared spectrometer in three core drilling holes. The results show that the minerals of Uranium enrichment site are Al-rich muscovite+Al-mid muscovite+Chlorite(+little Kaolinite and Carbonate)+Hematite, and the Al-rich muscovite, Al-mid muscovite and Hematization have close relations with uranium mineralization in the drilling cores, especially the section they coexist may be in favor of uranium mineralization. Therefore, this can provide information and reference to the deep Uranium exploration. Simultaneously, both the transitional zone with numerous Al-rich muscovite+Al-mid muscovite and the zone with mafic dikes are beneficial to uranium prospecting in the area.

ASD spectrometer；core drilling holes；alteration mineral；muscovite

2015-10-07

中核集團(tuán)優(yōu)先發(fā)展技術(shù)項(xiàng)目資助(中核科發(fā)〔2010〕269號(hào))

徐清俊(1987—)，男，在讀研究生，主要從事遙感地質(zhì)研究。E-mail:15210964889@163.com。通訊作者：葉發(fā)旺(1974—)，男，高級(jí)工程師(研究員級(jí))，主要從事遙感地質(zhì)與高光譜研究。E-mail:yfwbeijing2008@sina.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.02.013

P691;TP79

A

1674-3504(2016)02-0184-07