MSCL巖心測量系統(tǒng)在鉆孔巖心分析中的應用
——以青海省楚多曲多金屬礦床ZK3201為例

童 鵬, 李 明, 劉鵬飛, 伊丕源, 史維新

(1.核工業(yè)北京地質研究院，北京 100029; 2.中國地質大學(北京)，北京 100083; 3.中國地質調查局 國土資源實物地質資料中心，河北 三河 065201)

巖心光譜掃描技術是近年來發(fā)展起來并逐步成熟的一種光譜填圖技術，廣泛應用于地質、礦產(chǎn)資源以及環(huán)境監(jiān)測中[1]。通常的高光譜掃描區(qū)域包含可見光—短波紅外區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，可探測波長區(qū)間大致為350～2 500 nm，包括可見光區(qū)段(350～700 nm)、近紅外區(qū)段(700～1 100 nm)以及短波紅外區(qū)段(1 100～2 500 nm)。在該波長范圍內(nèi)，巖石中含水或含氫氧根的礦物(主要為層狀硅酸鹽和粘土類)以及硫酸鹽和碳酸鹽礦物會有明顯的差異。因為這些礦物大多出現(xiàn)在與金屬礦床有關的熱液蝕變帶中，蝕變作用的發(fā)育范圍大于礦體的范圍或與礦體有固定的上下關系，因此通過對礦山巖心進行高光譜掃描，掌握重要蝕變作用的發(fā)育特征，從而在空間上預測礦體的產(chǎn)出位置[2-4]。

2016年3月，中國地質調查局實物地質資料中心購進英國GeoTEK公司生產(chǎn)的MSCL巖心測量系統(tǒng)，旨在通過對實物地質資料開展可見光—短波紅外光譜掃描，進行巖心的高光譜掃描及數(shù)據(jù)解譯，建立適合實物地質資料館藏機構,開展批量化掃描的工作，達到拓展實物地質資料數(shù)據(jù)化，豐富數(shù)據(jù)種類，為實物中心建設數(shù)字實物館做好前期技術儲備工作。本文以青海省楚多曲多金屬礦床ZK3201為基礎，結合此次工作的具體方案、工作方法及取得的結果進行相關總結，旨在應用蝕變礦物組合，并參考其他地質資料，建立相應的高光譜勘查模型,為找礦勘探提供更優(yōu)化的工作部署。

1 青海楚多曲多金屬礦區(qū)地質特征

青海楚多曲多金屬礦區(qū)位于北羌塘—昌都陸塊之雁石坪弧后前陸盆地中，地處小唐古拉山北坡，大地構造以南北向擠壓為特征[5-6]。

礦區(qū)出露地層主要有中晚侏羅世布曲組、夏里組、索瓦組和第四紀地層(圖1)。

布曲組(J2b)分布于礦區(qū)西南，以淺灰—深灰色的含生物碎屑不純灰?guī)r、微晶灰?guī)r、夾有灰白色長石石英砂巖組合為主。

夏里組(J2x)分布于礦區(qū)中部，為區(qū)內(nèi)重要的賦礦層位，其由砂巖灰?guī)r組合,為紫紅色—灰綠色細—中—粗粒巖屑長石石英砂巖與生物碎屑泥晶粉晶灰?guī)r互層，可分為上中下三個巖性段。下段巖性主要為青灰色—灰黑色層狀泥晶粉晶灰?guī)r、灰色長石石英砂巖、紫紅色泥質粉砂巖夾紫紅色中—薄層狀中細粒巖屑長石砂巖；中段巖性主要為紫紅色巖屑長石石英砂巖和生物碎屑泥晶粉晶灰?guī)r；上段巖性主要為紫紅色巖屑長石砂巖夾灰綠色長石石英砂巖。

索瓦組(J3s)分布于礦區(qū)東端，出露面積大，可分為上下兩個巖性段。下段巖性為灰綠色鈣質粉砂巖、泥巖夾生物鈣質粉砂巖與厚層泥晶灰?guī)r；上段巖性為深灰色中厚層泥晶灰?guī)r與薄層泥晶灰?guī)r。

圖1 楚多曲鉛鋅礦區(qū)地質圖Fig.1 Geological map Chuduoqu lead-zinc mining area1.第四系;2.索瓦組;3.夏里組;4.布曲組;5.晶屑巖屑凝灰?guī)r;6.花崗細晶巖;7.輝綠巖;8.實測斷層;9.推測斷層;10.礦化蝕變破碎帶及編號;11.銅礦體;12.鉛鋅礦體及編號;13.勘探線及編號;14.鉆孔位置及編號。

該礦床主要賦礦地層為夏里組(J2x)的蝕變破碎帶以及部分灰?guī)r中，主蝕變破碎帶巖石破碎程度差別大，碎裂的灰?guī)r、砂巖中礦化蝕變明顯，弱碎裂或未碎裂巖石含礦性較差。主要發(fā)育蝕變類型有碳酸鹽化、絹云母化、硅化、伊利石化以及重晶石化。礦石礦物主要有方鉛礦、閃鋅礦、黃鐵礦、黃銅礦、硫砷銀銅礦、鏡鐵礦、白鉛礦、褐鐵礦、藍銅礦。脈石礦物主要為重晶石、石英、方解石、絹云母[7]。

2 MSCL巖心測量系統(tǒng)

MSCL(Multi-Sensor Core Logger)巖心測量系統(tǒng)是目前世界上功能最全的巖心地球物理和化學綜合測試集成系統(tǒng)，應用于海底沉積物柱狀樣、湖泊沉積物柱狀樣、巖石巖心等領域。它是一個傳感器移動式的單個巖心記錄儀，專門應用于測量剖開的巖心。系統(tǒng)集成一系列傳感器，主要包括：點狀磁化率、ASD光譜儀、XRF、伽馬儀等。其特點是不破壞樣品，多種測量同步、快速、準確、高效率、全自動的測量(10種參數(shù)包括P波速度、伽瑪密度、電阻率、磁化率、彩色分光光度計、自然伽瑪射線、光學照相系統(tǒng)、XRF元素濃度分布、遠紅外溫度、X射線三維立體成像等)，本次所使用MSCL巖心測量系統(tǒng)包含磁化率、XRF元素濃度分布、光譜儀三種模塊。

3 工作方法

3.1 礦床數(shù)據(jù)采集

本次研究選取青海省楚多曲多金屬礦床第32勘探線剖面的01號鉆孔(ZK3201)，使用MSCL巖心測量系統(tǒng),進行1 cm間隔連續(xù)采樣。礦床巖心掃描實現(xiàn)在無損樣品的前提下快速獲得地質樣品的高光譜數(shù)據(jù)，以達到數(shù)字化地質編錄的進行。數(shù)據(jù)采集過程必須嚴格依據(jù)巖心深度,自上由下按順序掃描，獲取鉆孔巖心數(shù)據(jù),同時需要做好現(xiàn)場的記錄工作。該鉆孔巖心長266 m，其中富礦層位(含蝕變破碎帶)107.3 m，共獲取光譜曲線22 684條。該鉆孔經(jīng)過M9-1、2、3三個礦層，主要分別是Pb、Ag和Pb、Zn、Ag礦體。M9礦體為主礦體，分為三個礦層，產(chǎn)于區(qū)內(nèi)主控礦構造SBⅢ′蝕變破碎帶內(nèi)，似層狀，傾向南，傾角20°，在傾向上具有膨大—縮小—尖滅—再現(xiàn)的現(xiàn)象，礦體延長800 m以上，厚度3～25 m，Pb平均品位2.22%，最高21.13%，Zn平均品位1.41%，最高8.69%，Ag平均品位49.5 g/t，最高220 g/t，顯示良好的找礦潛力。

3.2 數(shù)據(jù)處理與解譯

鉆孔巖心數(shù)據(jù)采集掃描之后，先進行數(shù)據(jù)檢查、整理、合并、備份，確保數(shù)據(jù)無誤之后，使用TSG光譜處理專家系統(tǒng),結合ENVI軟件進行蝕變礦物提取，確定出該鉆孔蝕變礦物。

利用TSG軟件對獲取的光譜進行信息提取。首先增強光譜特征的差異對比性，一般常用的信息增強方法有光譜求導、比值、去包絡線等手段，對于不同類型的礦物采用不同的光譜增強方法，例如一般光譜的波峰波谷差異不大的曲線利用求導的方法,增強會有不錯的效果。

一般來說，為了保證蝕變礦物提取結果的精度，需要提前對當前巖心的地質資料進行查閱，確認其主要的礦物。同時，結合ENVI中USGS光譜庫，人工大致區(qū)分了解巖心蝕變礦物后，再進行光譜解混工作。

以礦物標準波譜庫為參考，依據(jù)蝕變礦物類型診斷可吸收的光譜，建立光譜識別標志。診斷光譜可識別標志主要包括：吸收峰波長位置、吸收峰深度、吸收對稱性、完全波形特征參數(shù)等，利用這些參數(shù)進行光譜形狀匹配，輸出最優(yōu)匹配結果，得到蝕變礦物的含量分布。

光譜特征擬合是選擇包含目標礦物特定吸收的光譜區(qū)間，利用最小二乘擬合方法，比較測量光譜與目標光譜吸收特征的整體形態(tài)和吸收深度,從而識別地物的一種方法。它在計算擬合前都要對像元光譜以及參考光譜或者實驗光譜進行包絡線去除,目的是為了突出礦物光譜的吸收特征。通常在計算過程中會引入一個常量k值來調整實驗光譜或者參考光譜的曲線形狀，使得擬合狀態(tài)達到最佳。其計算公式如下：

圖2 巖心光譜解譯結果Fig.2 Core spectrum of interpretation result注:*表示正確的提取結果。

q1=(q+k)/(1.0+k)

∑[pi-(a×qi+b)]2=min

由極值原理，解得：

其中，a、b系數(shù)是標準光譜和測量光譜利用最小二乘計算后的擬合系數(shù)，兩種光譜間的擬合度f為：

設定一個閾值后，我們一般認為大于該值的可以判定為某種礦物，小于該值的繼續(xù)重新判定[8]。

本鉆孔ZK3201識別出主要礦物4類：高嶺石類、云母類、碳酸鹽、硫酸鹽。其中相對含量>5%的礦物有白云母、鈉云母、石膏、高嶺石、方解石、鐵白云石,相對百分含量<5%的礦物有地開石、多硅白云母、白云石，極少量蒙脫石；而綠泥石、黑云母、金云母提取數(shù)量極少，可忽略不計。最后將光譜提取結果出圖,巖心編錄,測井資料信息結合;從而進行系統(tǒng)分析(圖2)。

3.2.1 高嶺石亞族礦物

高嶺石亞族礦物為高嶺石Al4[Si4O10](OH)8，地開石是高嶺石亞族礦物的一種屬于典型的低溫蝕變礦物。

高嶺石主要分布于10～70 m晶屑凝灰?guī)r帶、96～114 m灰?guī)r及破碎蝕變帶、127～130 m破碎蝕變帶、156～158 m黃鐵礦化灰?guī)r帶、175～180 m蝕變破碎帶、191～204 m蝕變破碎帶以及248～254 m礦化灰?guī)r帶內(nèi)；地開石主要分布在40～70 m晶屑凝灰?guī)r帶、136～138 m蝕變破碎帶、150～158 m黃鐵礦化灰?guī)r帶、247～254 m礦化灰?guī)r帶區(qū)段內(nèi)。鉆孔粘土化蝕變也較為顯著。

3.2.2 白云母亞族礦物

三是加強社會治理創(chuàng)新，廣泛動員社會力量參與社區(qū)矯正，切實“打造共建共治共享的社會治理格局”。加強區(qū)域執(zhí)法協(xié)作，按照京津冀社區(qū)矯正執(zhí)法協(xié)作啟動儀式上所提出的《關于社區(qū)矯正區(qū)域執(zhí)法協(xié)作工作的指導意見》，深入推進京津冀三地區(qū)域協(xié)作，實現(xiàn)更全面地信息互通、資源共享，維護京津冀三地社會和諧穩(wěn)定，更好地服務于京津冀一體化建設。同時，繼續(xù)堅持專群相結合的工作模式，明確不同類型工作人員在社區(qū)矯正心理矯治工作中的定位和職責。

白云母亞族礦物在整個鉆孔均勻分布，為主要蝕變礦物。其中多硅白云母分布區(qū)間為76～87 m灰?guī)r含角礫巖帶、118～120 m蝕變破碎帶及265 m泥質粉砂巖帶附近；鈉云母主要分布在10～34 m晶屑凝灰?guī)r帶，49～54 m鐵錳礦化晶屑凝灰?guī)r帶，130～132 m蝕變破碎帶內(nèi)；白云母是該鉆孔分布最為廣泛的礦物，其在0～10 m殘坡積層及流砂層、44 m以下均廣泛分布。

3.2.3 蒙脫石亞族礦物

蒙脫石是由顆粒極細的含水鋁硅酸鹽構成的層狀礦物，是堿性介質中形成的外生礦物，火山灰及凝灰?guī)r的風化分解產(chǎn)物。在該鉆孔中分布含量非常少，只集中在129～132 m蝕變破碎帶內(nèi)出現(xiàn)，其含量與該區(qū)段的鈉云母對應密切，成正相關。從圖形上來看，該段處于蝕變破碎帶上，位于SBIII蝕變破碎帶中3個礦層的上方。

3.2.4 碳酸鹽礦物

碳酸鹽礦物方解石、白云石及鐵白云石在整個鉆孔中分布較為廣泛，主要分布在鉆孔前20 m和60 m以下。以方解石及鐵白云石為主，白云石含量較少，鐵白云石在該鉆孔中以熱液成因為主，主要分布于0～10 m殘坡積層、76～116 m灰?guī)r層及蝕變破碎帶內(nèi)、152～160 m賦礦層、188～197 m蝕變破碎帶內(nèi)、218～220 m灰?guī)r層內(nèi)及248～256 m賦礦層內(nèi)；方解石多分布于58～64 m凝灰?guī)r帶、84～100 m灰?guī)r帶、114～122 m蝕變破碎帶、164～168 m礦化灰?guī)r及176～264 m區(qū)段內(nèi)。

3.2.5 硫酸鹽礦物

硫酸鹽礦物石膏Ca[SO4]·H2O在該鉆孔中分布較為離散，在28～64 m凝灰?guī)r區(qū)段分布較少，而在165～168 m、188～194 m、198～200 m賦礦灰?guī)r及破碎蝕變帶中出現(xiàn)。

本鉆孔中另有黑云母、綠泥石在8～15 m、250～260 m之間區(qū)段有極少量出現(xiàn)，因其量過少且未在賦礦帶內(nèi)有出現(xiàn)，不作為分析依據(jù)。

4 結果與解釋

云母是楚多曲多金屬礦床中分布最為廣泛的礦物，它廣泛地分布在整個蝕變系統(tǒng)中；特別是深度在70 m之后，它是最主要的礦物。這表明本鉆孔除了沉積巖中泥巖段存在沉積成因的白云母外，還可能疊加有絹云母。絹云母化是一種分布廣泛的熱液蝕變，是尋找Pb、Zn、Ag、Cu和某些稀有金屬的重要標志。結合該礦床主要礦石礦物為黃鐵礦、黃銅礦、方鉛礦、閃鋅礦等硫化物礦物組合,可以判斷該礦床極可能是中溫熱液成因的硫化物礦床。

根據(jù)Thompson在短波紅外波段總結出的不同形成環(huán)境下的特征礦物[9]，鐵白云石、方解石、白云石、白云母這一組合指示的是中溫成礦環(huán)境，證明該礦床為中溫熱液成因的硫化物礦床。

在本鉆孔巖心中，云母主要形成在角礫巖帶內(nèi)及其附近，且與角礫巖帶的空間關系密切，特別是在破碎蝕變帶和黃鐵礦化、鉛鋅礦化角礫巖中，云母大量分布;因此可以初步認為云母與礦化作用關系密切。

其中多硅白云母分布區(qū)間在69～92 m區(qū)段、118～120 m區(qū)段、250～265 m區(qū)段，表明該三個區(qū)段發(fā)生較強硅化，較多的Si以類質同象的形式替代了Al，使白云母硅氧四面體中n(Si)∶n(Al)>3∶1,從而形成多硅白云母。多硅白云母與白云母的交替出現(xiàn)證明了巖漿熱液的多期次侵入作用，同時它也是比較典型的熱液標型礦物和高壓標型礦物。

從礦物角度看，地開石和高嶺石都形成于酸性條件下，其中溫度相對較高的地開石在該鉆孔中主要分布于40～70 m凝灰?guī)r區(qū)段，200～202 m蝕變破碎帶內(nèi)以及248 m以下的賦礦灰?guī)r內(nèi)，顯示出很強的泥化特征。

硫酸鹽礦物石膏和硬石膏在該鉆孔中也有少量分布，是碳酸鹽化和高硫化環(huán)境的產(chǎn)物。從石膏的分布特點來看，該鉆中的石膏應以沉積為主，但可能存在熱液蝕變作用的產(chǎn)物?？讎鷰r蝕變發(fā)育廣泛，結合礦體分布情況來看，M9號礦體三個礦層都產(chǎn)于SBⅢ′蝕變破碎帶內(nèi)，受構造作用非常明顯，形成溫度200～300 ℃之間，成礦深度淺，熱液多期次侵入，受巖漿活動影響明顯，具有熱液型礦床的典型特征。

在對鉆孔的光譜數(shù)據(jù)進行分析中，項目組同時也收集了Pb、Zn、Ag、Cu四種金屬元素含量。其具體的結果如圖3。

圖3 青海楚多曲多金屬礦床鉛鋅銀銅金屬元素含量圖Fig.3 Content diagram of lead,zinc,silver and copper of Chuduoqu polymetallic deposit,Qinghai Province

對比四種元素在該鉆孔中的金屬元素濃度，可以得到各個元素的分布富集情況。其中，鉛在166～169 m區(qū)段、174.6～178.8 m區(qū)段、191.4～211 m區(qū)段、218～223.5 m區(qū)段、248.7～251.7 m區(qū)段富集，元素濃度明顯增大；鋅在174.6～178.8 m區(qū)段、191.4～211 m區(qū)段富集；銀在193～205 m區(qū)段,濃度達到極值；銅在127～130 m區(qū)段,濃度達到最大。說明這些區(qū)段是富礦層位。

圖4 鉆孔巖性與蝕變礦物分布圖Fig.4 Distribution diagram of borehole lithology and altered minerals

5 結論

根據(jù)鉆孔巖性與蝕變礦物分布圖(圖4)，結合它們在鉆孔剖面的分布特征和規(guī)律，可以分析出對于楚多曲多金屬礦床主要蝕變礦物為地開石、高嶺石、白云母、鈉云母，硅白云母、蒙脫石、方解石、白云石、鐵白云石、石膏等10種礦物。

結合鉆孔的Pb、Zn、Ag、Cu的含量結果和指示礦物組合，參考收集到的相關資料和研究成果，利用礦物分布特征及其元素含量的對應關系，總結青海楚多曲多金屬礦找礦模型,如表1。

表1 青海楚多曲多金屬礦床找礦模型Table 1 Ore prospecting model of Chuduoqu polymetallic deposit

(1) 蒙脫石、高嶺石、鈉云母可以有效地指示Cu元素的存在。根據(jù)測量結果分析，當高嶺石含量出現(xiàn)密集分布的時候，Cu元素含量會有明顯增加，特別是在有蒙脫石、鈉云母同時出現(xiàn)時候，Cu元素含量最高，如圖4中129 m附近。

(2) 鐵白云石、白云石、高嶺石可以有效地指示Pb、Zn、Ag元素的存在。高嶺石的分布與金屬元素密集區(qū)域相關，同時鐵白云石、白云石的大量密集分布直接指示著金屬元素含量高，圖4中220 m、250 m附近。

(3) 高嶺石、方解石、石膏可以有效地指示Pb、Zn元素的存在。方解石自160 m以下區(qū)段有大量分布，其礦化作用比較明顯。圖4中深度在168 m、190 m附近，高嶺石、方解石、石膏出現(xiàn)的區(qū)域，Pb、Zn元素的含量明顯增加。

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