基于高光谱技术的钻孔岩心蚀变信息研究：以新疆白杨河铀矿床为例

徐清俊，　叶发旺，　张　川，　刘洪成

(核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京　100029)



基于高光谱技术的钻孔岩心蚀变信息研究：以新疆白杨河铀矿床为例

徐清俊，叶发旺，张川，刘洪成

(核工业北京地质研究院 遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京100029)

新疆白杨河矿床是近年来发现的亚洲最大的次火山岩型铀铍矿床。应用美国ASD可见光—短波红外地面光谱仪对新疆白杨河铀矿床的三个钻孔进行全孔岩心光谱测量与分析，确定了矿体中热液蚀变矿物主要有高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母、绿泥石、蒙脱石、碳酸盐、赤铁矿和褐铁矿等。铀矿化富集部位的蚀变矿物组合为高铝绢云母+中铝绢云母+绿泥石(+少量高岭石与碳酸盐)+赤铁矿，铀矿化主要与赤铁矿化、高铝绢云母和中铝绢云母有关，尤其可能是三者共同存在的地段更是铀成矿的有利地段，这可以为白杨河矿床深部铀矿勘探提供参考与借鉴。同时，区域铀矿找矿中，要注意强烈发育低铝绢云母蚀变与高铝绢云母蚀变的过渡带，要注意有基性岩脉发育的地段，这些地段是铀矿找矿的有利地段。

ASD光谱仪；钻孔；蚀变矿物；绢云母

徐清俊，叶发旺，张川，等.2016.基于高光谱技术的钻孔岩心蚀变信息研究：以新疆白杨河铀矿床为例[J].东华理工大学学报：自然科学版，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年代以来，高光谱遥感技术被广泛地应用于地质、矿产资源以及环境监测中，至今已解决了一系列重大的技术问题，其矿物光谱测量技术更是日趋成熟。目前，常用的高光谱探测的波长区间位于380～2 500 nm，包括了整个可见光波长区间(380～760 nm)和近红外区间(760～2 500 nm)。利用高光谱遥感技术提取矿物的蚀变组合信息主要是利用短波红外区间的谱段观测含水或含O-H的矿物及高温、低温的硫酸盐矿物、碳酸盐矿物等(修连存等，2007)。

钻孔岩心是记录深部地质信息的有效载体，利用高光谱遥感技术开展钻孔岩心高光谱编录和蚀变信息识别，是岩心地学信息获取与信息挖掘研究的新方向(张杰林等，2013)。在国外，高光谱测量技术在深部钻孔岩心中的应用已经处于成熟阶段，尤其是在光谱数据获取，蚀变矿物识别、蚀变矿物填图、以及热液蚀变垂向空间分布特征分析等方面取得了显著的成果。Kruse(1996)将澳大利亚短波红外光谱仪PIMA用于钻孔岩心编录并根据编录采集的光谱数据的吸收峰深度和光谱类型填出了钻孔岩心中特殊矿物的空间分布，证实PIMA短波红外光谱测量技术可以提供详细的钻孔岩心矿物分布信息。当前，澳大利亚的CSIRO光谱岩心编录系统、英国的Spectra-Map高光谱岩心编录系统、德国的Multi-Sensor Core Logger(GEOTEK)高光谱岩心编录系统等都已经成功的应用到钻孔岩心编录中。在国内，高光谱遥感测量技术在钻孔岩心中的应用仍然处于起步阶段，胥燕辉(2006)利用ASD地物光谱仪对河北省昌黎县闫庄铁矿床钻孔岩心进行了高光谱编录研究，绘制了简单的光谱地质柱状图；郭娜等(2012)利用美国SVC HR1024便携式地物光谱仪对西藏甲玛斑岩—矽卡岩型铜多金属矿床钻孔岩心进行了基于高光谱短波红外技术的测量与分析，并根据绿泥石矿物波长的变化，推断岩浆活动的变化特征，进而指导找矿工作。总体来说，高光谱测量技术在钻孔岩心中的应用在国内的多金属矿产地质勘查领域应用较多，但在核地质系统的铀矿地质勘查中应用相对还比较少。

新疆白杨河矿床是我国目前已探明的铀铍共生的矿床。近年来，很多地质工作者对该矿床进行了不少研究(修晓茜等，2011；毛伟等，2013；陈浩等，2015；童旭辉等，2012)。本文基于高光谱技术，利用美国ASD公司生产的Terra spec可见光—短波红外地面光谱仪对白杨河铀矿床三个典型钻孔岩心进行光谱测量与分析，并结合地质背景资料，探讨白杨河铀矿床深部蚀变矿物类型及其空间分布特征，并提取与铀成矿相关性密切的蚀变信息。

1　矿床地质概况

白杨河铀矿床位于新疆西准噶尔地区雪米斯坦(谢米斯台))火山岩带内，大地构造上处于哈萨克斯坦-准噶尔板块西北缘古生代陆缘活动带内晚古生代成熟岛弧之上(董莲慧等，2012)。矿区内出露的地层包括：上泥盆统塔尔巴哈台组、下石炭统和布克河组、下石炭统黑山头组，其展布方向总体呈近东西向，岩性主要为中性—酸性火山岩以及火山碎屑岩。

矿区内的侵入岩为早二叠世的花岗斑岩，包括杨庄岩体、阿苏达岩体、小白杨河岩体(图1)。岩体整体呈近东西向展布，东西长约10 km，南北宽度变化较大，最宽达1.8 km，最窄0.1 km，面积约6.9 km2。岩体的侵入方向由南东向西北，在横断面上似镰刀形。岩体内部穿插有闪长玢岩、辉石闪长岩、辉绿岩等岩脉。据目前钻探查证，在杨庄岩体、阿苏达岩体均发现了工业铀矿化，但主要的工业铀铍矿体集中在杨庄岩体的东北缘和中西部。

该矿床中铀矿化体分布于花岗斑岩与上泥盆统塔尔巴哈台组中酸性火山岩的接触带附近，矿体形态简单，主矿体为似层状沿杨庄花岗斑岩体底接触面展布，其中内接触带是主要矿体的赋存部位，部分矿体亦处于外接触带(肖燕东等，2011)。

图1　白杨河铀矿床地质简图Fig.1　Geological map of the Biyanghe Uranium deposit

2　数据采集与矿物识别

利用ASD可见光—短波红外地面非成像光谱仪对白杨河矿床三个钻孔岩心进行接触式的光谱测量与光谱特征分析，钻孔岩心光谱测量点距约为30 cm，蚀变强烈地段加密测量，其间距约为10 cm左右。本次工作使用的ASD光谱仪光谱测量范围为350～2 500 nm，光谱分辨率在350～1 050 nm为3nm；1 050～2 500 nm为10 nm，可用于识别含羟基的硅酸盐矿物、硫酸盐矿物和碳酸盐矿物、以及赤铁矿化信息等。测量的三个钻孔为ZK5432，ZK3310，ZK2710，其在矿区的分布见图1。其中，ZK5432是一个矿化很好的工业孔，位于矿区中西部，ZK3310和ZK2710分别为工业孔和异常孔，两孔相近，均位于矿区中东部。从三个钻孔岩心中共获取光谱曲线5 709条，其中ZK5432为1 941条、ZK3310为2 156条、ZK2710为1 612条。

由于矿物中一些元素含量的变化会造成该矿物中心吸收波长的移动，一般情况下，中心吸收波长会左右偏移几个纳米左右，因此在光谱识别与分析时，选取10 nm范围内的中心波长位置进行波谱曲线的匹配分析，找寻特征吸收峰值，进而确定蚀变矿物种类以及分布。根据前人研究结果(Herrmann et al.,2001)和研究区的实际情况，本文利用高光谱技术识别的高铝绢云母(注：此处光谱识别的绢云母是白云母、绢云母、伊利石、伊/蒙混层等矿物中的一种或多种混合物，不同于地质显微薄片研究中的绢云母，与地质上的水云母相似)以在2 192～2 203 nm存在强烈吸收，在2 345 nm附近存在次级吸收为特征；中铝绢云母以在2 204～2 212 nm存在强烈吸收，在2 345 nm附近存在次级吸收为特征；低铝绢云母以在2 213～2 220 nm存在强烈吸收，在2 345 nm附近存在次级吸收为特征；蒙脱石在2 200～2 215 nm附近存在强烈吸收，在2 345 nm附近没有次级吸收；高岭石的特征吸收峰位于2 165 nm和2 205 nm左右，呈现双峰形态；绿泥石的特征吸收峰位于2 250～2 260 nm之间和2 340～2 350 nm之间；碳酸盐的特征吸收峰位于2 320～2 340 nm之间；赤铁矿的光谱吸收位置主要在870 nm附近，而褐铁矿光谱吸收位置主要在950 nm附近。

根据上述矿物的光谱特征，本次光谱测试在白杨河铀矿床三个钻孔ZK5432，ZK3310，ZK2710中共识别出九种蚀变矿物，即高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母、蒙脱石、绿泥石、碳酸盐、高岭石、赤铁矿与褐铁矿(图2)。

图2　白杨河矿区钻孔岩心ASD地面光谱仪识别的矿物曲线图Fig.2　The mineral graph of Core drilling identified by ASD in Baiyanghe Uranium deposit

3　分析与解释

在白杨河铀矿床三个钻孔ZK5432，ZK3310，ZK2710中，蚀变矿物种类多，一共有9种，其中绢云母(包括三个亚类：高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母)含量最多，空间上几乎贯穿整个钻孔，其次为绿泥石与蒙脱石，其他的蚀变矿物则相对较少。为了分析钻孔各深度段的蚀变矿物强度信息、空间分布规律以及与铀成矿的关系，需要对全孔岩心蚀变矿物进行编录，并通过Origin、CorelDraw X4等相关制图软件绘制整个钻孔的蚀变矿物编录图(包括三部分：钻孔岩性柱状简图、蚀变矿物垂向空间分布图、蚀变矿物Al—OH光谱吸收位置变化图)，如图3所示。

3.1蚀变矿物空间分布规律

图3为ZK5432全孔岩心蚀变矿物编录图，其中最左边为钻孔岩性柱状简图，中间部分为高光谱识别的蚀变矿物垂向空间分布图，右边部分为钻孔中蚀变矿物Al—OH光谱吸收位置变化图。

图3　钻孔ZK5432全孔岩心蚀变矿物编录图Fig.3　Altered minerals logging chart of the whole bore of ZK5432

从图3最左边的钻孔岩性柱状简图可以看出，整个钻孔岩心的岩性变化规律，即由浅部至深部，岩性由花岗斑岩变为致密的火山凝灰岩，在不同岩性的接触部位则有一个大约4～5 m的破碎带，在花岗斑岩的内带则出现大约10 m左右的工业化铀矿段。从图3中间部分的蚀变矿物空间分布图可以看出，深度0～330 m左右，主要蚀变矿物为低铝绢云母、中铝绢云母、蒙脱石，其次为褐铁矿与赤铁矿则较少；330～370 m左右，主要的蚀变矿物为高、中铝绢云母、赤铁矿与绿泥石，并且夹有少量高岭石与碳酸盐，碳酸盐多以脉状存在于岩石中；370 m之后蚀变矿物为高铝绢云母与绿泥石，且高铝绢云母逐渐减少直至消失，绿泥石增多。从图3右边部分的绢云母Al—OH特征吸收峰波长位置随深度的变化规律图可以看出，自地表至地下依次整个钻孔绢云母蚀变Al—OH光谱吸收位置总体具有逐渐降低的趋势，即0～180 m，Al—OH吸收位置几乎均大于2 213 nm，主要处于2 213～2 218 nm；180～325 m，Al—OH吸收位置处于2 203～2 213 nm，而且分布比较均匀，由浅及深变化不大；325 m～398 m，Al—OH吸收位置随军深度的增加呈明显的变小，由2 213 nm逐渐减少到2 196 nm附近。根据上述Al—OH吸收位置的变化，可以判断出整个ZK5342的绢云母蚀变的变化规律，即自浅部到深部出现以低铝绢云母为主→以中铝绢云母为主+少量低铝绢云母→以中铝绢云母为主→接触带→中高铝绢云母为主→高铝绢云母的变化规律。

根据以上描述与分析，可以对钻孔ZK5432岩心蚀变矿物划分组合，即0～300 m，蚀变矿物组合主要有：低铝绢云母+赤铁矿或褐铁矿组合，中铝绢云母+赤铁矿化或褐铁矿组合，蒙脱石+赤铁矿或褐铁矿组合；300～370 m，蚀变矿物组合主要为：中铝绢云母+绿泥石+赤铁矿组合，高铝绢云母+绿泥石+赤铁矿+高岭石组合；370 m之后，蚀变矿物组合为绿泥石+高铝绢云母+碳酸盐组合。铀矿化异常段位于325～355 m左右，发育高铝绢云母+中铝绢云母+绿泥石+赤铁矿化+少量高岭石的组合。

上述蚀变矿物空间分布特征在ZK3310，ZK2710中亦有相类似的表现，但在Al—OH吸收位置变化规律方向稍有点不同。

3.2蚀变与成矿分析

从蚀变组合与铀成矿关系来看，无矿化地段的花岗斑岩中出现的蚀变矿物主要是比较单一的低铝绢云母蚀变，或低铝绢云母与赤铁矿、或褐铁矿、及其他矿物的混合；矿化异常段出现的蚀变矿物组合主要为高铝绢云母、中铝绢云母、绿泥赤铁矿等多种蚀变矿物较为复杂的组合，尤其是叠加了少量的高岭石等明显反映酸性蚀变的矿物，反映成矿地段具有明显的酸性蚀变作用的叠加。

从云母类蚀变矿物的特征来看，铀矿化段主要位于强烈的低铝绢云母蚀变与高铝绢云母蚀变的过渡带中，铀矿化地段的绢云母蚀变主要以中铝绢云母与高铝绢云母为主，即铀矿化与高光谱识别的高铝绢云母、中铝绢云母关系更加密切。

从蚀变形成的流体温度来看，铀矿化最好的ZK5342在325～350(接触带)～398 m，绢云母蚀变的Al—OH吸收位置随着深度的增加由2 213 nm逐渐减少到2 196 nm附近，深度与波长呈现明显的正相关(图4左)，而铀矿化较好的ZK33310孔中，从300～336 m(接触带)～380 m，绢云母蚀变的Al—OH吸收位置随着深度的增加先由2 210 nm逐渐减少到2 196 nm附近，然后又增加到了2 213 nm，形成了一个“V”字的变化规律(图4中)。只有铀异常没有铀矿化的ZK2710孔中，绢云母蚀变的Al—OH吸收位置虽然随着深度的增加亦有变化，但在接触带附近上下两侧，并没有明显的变化，尤其是接触带上部附近缺失相对较短波长的绢云母蚀变(图4右)。

图4　绢云母特征吸收峰位变化图(从左至右依次为ZK5432、3310、2710)Fig.4　The changes figure about Characteristic absorption peaks of white mica

绢云母Al—OH光谱吸收波长位置的变化反映了矿物中AlⅥ含量的变化，该变化常常是地质作用过程中物质组分的相互替代造成的。随着AlⅥ含量增高，2 200 nm附近的吸收谱带逐渐向短波方向移动，随着Na替代K，2 200 nm附近的吸收谱带逐渐向短波方向轻微移动，反之则向长波方向(Frank et al.,2012)。组分替代过程又常常与温度压力及流体酸碱性相关，高铝绢云母一般代表相对高温低压的流体环境；低铝绢云母代表相对低温高压的热液流体环境。因此，ZK5342中绢云母蚀变的Al—OH吸收位置由深至浅逐斩变大，由高铝绢云母向中铝绢云母变化，反映热液蚀变温度由深部—接触带—接触带上方逐渐降低，成矿热液可能直接来源于深部，故温度较高。这一流体特征可能与该钻孔附近发育大量基性岩脉有关，因为基性岩脉直接由深部穿插到浅部，并可带来大量相对温度较高的热液；ZK33310孔中从300～336(接触带)～380 m绢云母蚀变的Al—OH吸收位置随着深度的增加先减少后增加的变化规律，反映该孔的成矿热液是由接触带向上下两侧流动的规律，故流体从是沿接触带由其他地方运移而来，不是直接来源于深部，故温度相对较低。从这个角度来说，好的铀矿化可能与相对温度较高的流体更具密切关系。同时，上述的钻孔的Al—OH变化规律也可能是多期不同温度的热液作用的反映和叠加。

上述铀矿化与蚀变的关系研究成果可以为铀矿找矿提供重要信息，即铀矿化富集部位是发育高铝绢云母、中铝绢云母、绿泥石、赤铁矿等多种蚀变矿物组合的地段，尤其是叠加有高岭石等明显反映酸性蚀变的地段；同时，区域铀矿找矿中，要注意强烈发育低铝绢云母蚀变与高铝绢云母蚀变的过渡带，要注意有基性岩脉发育、且发育高铝绢云母、中铝绢云母的地段，这些都是铀矿找矿的有利地段。

4　结论

(1)本次工作利用ASD可见光—短波红外地面光谱仪识别了白杨河铀铍矿钻孔中的高铝绢云母、中铝绢云母、低铝绢云母、蒙脱石、绿泥石、碳酸盐、高岭石、赤铁矿化与褐铁矿化等信息。

(2)确定出了铀矿化富集部位的蚀变矿物组合为高铝绢云母+中铝绢云母+绿泥石(夹少量高岭石与碳酸盐)+赤铁矿。铀矿化主要与赤铁矿化、高铝绢云母和中铝绢云母有关，尤其可能是三者共同存在的地段更是铀成矿的有利地段，这可以为白杨河矿床深部铀矿勘探提供参考与借鉴。同时，区域铀矿找矿中，要注意强烈发育低铝绢云母蚀变与高铝绢云母蚀变的过渡带，要注意有基性岩脉发育、且发育高铝绢云母、中铝绢云母的地段，这些地段是铀矿找矿的有利地段。

(3)钻孔岩心中不同波长绢云母的出现，反应了白杨河铀矿床在形成过程中热液活动频繁，经历了多期次的热液流体活动，这与地质上所得出的结论得到了很好的印证。

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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

中核集团优先发展技术项目资助(中核科发〔2010〕269号)

徐清俊(1987—)，男，在读研究生，主要从事遥感地质研究。E-mail:15210964889@163.com。通讯作者：叶发旺(1974—)，男，高级工程师(研究员级)，主要从事遥感地质与高光谱研究。E-mail:yfwbeijing2008@sina.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.02.013

P691;TP79

A

1674-3504(2016)02-0184-07