桂东北苗儿山中段向阳坪铀矿床钻孔岩心高光谱特征分析

张川，叶发旺，王建刚，邱骏挺，孟树

（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）

向阳坪铀矿床是当前我国南方正在勘查的主要硬岩型铀矿床之一，位于广西壮族自治区东北部的资源县境内。向阳坪矿床产出于苗儿山复式岩体中段，是核工业二三〇研究所在沙子江大型铀矿床外围勘查中逐步开辟的找矿新区，属于典型的花岗岩型铀矿床。近年来，通过对成矿地质条件、控矿因素、地球化学特征、矿化富集规律等方面的系列研究，为向阳坪地区铀矿找矿工作奠定了良好的基础［1-4］。

已有的资料表明，该地区的铀矿受构造蚀变作用影响强烈，存在多种热液蚀变，他们均与铀成矿具有直接或间接的联系［1-2］。在遥感地质找矿方面，高光谱技术对热液蚀变尤为敏感，并能够利用同类矿物的细微光谱差异挖掘出传统地质编录难以识别或区分的蚀变新类型［5-6］。为了系统研究向阳坪深部的蚀变类型、分带特征及其与铀矿化的关系，本文利用高光谱测量技术对向阳坪矿区的含矿钻孔进行了全孔岩心光谱测量、数据处理、编录及空间分布特征分析，以期为该地区的热液蚀变与铀成矿规律研究提供新的参考。

1 研究区概况

向阳坪矿床大地构造位置处于华南扬子板块江南被动大陆边缘隆起带的南缘，苗儿山-越城岭花岗岩穹窿构造西翼的苗儿山岩体中段。受NE 向天金断裂影响，发育一系列NE 向、NNE 向次级断裂，控制着豆乍山地区的沙子江、向阳坪、双滑江、白毛冲、孟公界等一系列铀矿床，向阳坪矿床位于香草坪岩体与豆乍山岩体接触带的西南侧（图1）。香草坪岩体形成于印支期，U-Pb 同位素年龄为211±2 Ma，岩性主要为中粗粒斑状黑云母花岗岩［7］；豆乍山岩体形成于燕山早期，岩性主要为中细粒二云母花岗岩［4］，但亦有学者测得的U-Pb 同位素年龄为228±11 Ma、220±6 Ma、211±7 Ma，属于印支期［8-9］。

向阳坪地区构造岩浆活动强烈，自东向西发育一系列断裂带，已发现的铀矿床大多受断裂带控制，矿体主要赋存在破碎强烈的断裂构造及其上、下盘次级断裂带内，构造岩主要分为碎裂花岗岩、硅化碎裂岩、硅质脉及硅质胶结角砾岩，局部见初糜棱岩、糜棱岩。断裂构造上下盘蚀变作用强烈，常见钾长石化、水云母化、绿泥石化、硅化和碱交代等蚀变［10］。本次研究选择了核工业二三〇研究所在向阳坪地区施工的两个含矿钻孔，空间上均处于向阳坪东北部香草坪岩体与豆乍山岩体接触带附近的NE 向断裂带旁侧（图1），对于反映这一区域的深部蚀变空间特征较为有利。

2 数据获取

2.1 数据源

本次岩心高光谱数据获取设备为美国ASD 公司设计制造的FieldSpec 便携式地物光谱仪，目前在国内高光谱遥感应用中相对普遍，应用范围包括精准农业、林业、水环境、地质与矿产等领域，可以获取可见光—短波红外的高光谱分辨率数据（表1）。

2.2 采集方法

图1 苗儿山中段地质简图（据胡欢等，2013 修改）Fig.1 Sketch geological map of the middle Miaoershan mountain

表1 ASD FieldSpec 地物光谱仪技术指标Table 1 Technical Specification of ASD FieldSpec spectrometer

为了避免光照条件不稳定对光谱质量的影响，本次岩心高光谱测量采用ASD FieldSpec 设备配套的接触式探头（内置稳定光源）进行测量。测量之前先利用标准参考板对光谱仪的接触式探头进行反射率校准，之后的测量过程中每隔30 分钟进行一次校准。岩心光谱数据以相对固定的间隔进行采集，本次研究中，每1 m 岩心采集10 条光谱数据，其中，每条光谱数据为25 次平均后所得。

3 数据处理

3.1 光谱转图像处理

鉴于传统的、基于专家解释的光谱分析手段对于处理大批量岩心光谱曲线数据来说效率太低，故利用ENVI（The Environment for Visualizing Images）平台下的IDL（Interactive Data Language）语言二次开发方式，将顺序测量的钻孔岩心光谱曲线数据转化为“图谱合一”的钻孔高光谱图像立方体柱，以便于利用ENVI 平台中的高光谱处理模块，对整个钻孔的光谱数据进行光谱分析和信息提取，大幅提高岩心光谱数据的处理和分析效率。

3.2 光谱分析

通过分析转换后的光谱像元，对岩心中的蚀变矿物组分进行识别，主要包括高岭石、蒙脱石、富铝绢云母、贫铝绢云母、赤铁矿、碳酸盐、绿泥石与绢云母的混合矿物等（图2）。其中，富铝绢云母与贫铝绢云母是铀矿地质领域常提到的水云母化蚀变类型。

图2 岩心中典型矿物光谱图Fig.2 Spectral curves of typical minerals in cores

高、中、低铝绢云母是高光谱遥感技术能够识别的特色蚀变矿物类型之一，是以Al-OH 在2 200 nm 附近吸收峰位的漂移程度作为区分依据，对地质成因研究具有十分重要的意义［6］。以往的研究表明，高铝绢云母的Al-OH 吸收峰位在2 190～2 202 nm，中铝绢云母的Al-OH 吸收峰位在2 202～2 212 nm，低铝绢云母的Al-OH 吸收峰位在2 212～2 225 nm。通过对本次测量的云母类矿物进行光谱特征分析，其Al-OH 吸收峰位范围大约在2 198～2 213 nm 之间，以在2 202～2 208 nm 之间的中铝绢云母出现最多，因此，为了更好地反映水云母化蚀变在本区的高光谱特征及可能的规律，在蚀变信息提取中将云母类矿物分为富铝绢云母和贫铝绢云母两类，分别以Al-OH吸收峰位在2 198 nm 和2 213 nm 的光谱作为富铝绢云母和贫铝绢云母的端元光谱来进行信息提取，以最大程度地区分相似光谱。

光谱分析表明，岩心中的绿泥石化大多吸收峰较浅且均含有Al-OH，因此，多为绿泥石与绢云母的混合矿物，这可能与区内普遍发育的云母花岗岩有关，是一类背景组分。此外，由于钾长石化、硅化在ASD 地物光谱仪的波长范围内无吸收特征，故此次未做提取。

3.3 光谱匹配

光谱匹配识别模型根据光谱特征度量参数来进行匹配识别，是高光谱数据处理分析的特色之一。针对光谱转换后的钻孔高光谱立方体柱，采用ENVI 中的光谱角匹配（SAM，spectral angle mapping）方法进行岩心中端元组分的识别和提取。光谱角匹配是一种经典的光谱匹配算法，通过计算一个待识别光谱与参考光谱之间的角度来估算两者之间的相似度，通过下式来计算测试光谱ti与实验室光谱ri之间的相似性：

式中：nb—波段数；α—0°～90°。前人在用光谱角匹配技术进行遥感矿物填图时，只要选择波段合理，就能达到很高的精度［11］。因此，本文在进行岩心光谱匹配时，依据各类矿物的诊断性特征所在的波长位置，选择500～1 000 nm 的波段进行赤铁矿的匹配计算，其他矿物均选择2 000～2 500 nm 之间的波段进行匹配计算。

4 结果分析

4.1 编录制图结果

用光谱角匹配结果作为每一类矿物的量化指标参量，并对其进行0～1 的标准化处理，然后将其导入数据库中进行整理，据此对整个钻孔进行编录。利用可视化工具对编录结果进行制图，获得钻孔岩心高光谱编录的表征蚀变矿物相对含量或发育程度的曲线图，并与地质编录的岩性柱状图及构造、矿化位置进行对比（图3，图4）。

图3 ZK1 钻孔岩心高光谱编录曲线图Fig.3 The hyperspectral logging curves of core in borehole ZK1

图4 ZK2 钻孔岩心高光谱编录曲线图Fig.4 The hyperspectral logging curves of core in borehole ZK2

4.2 编录特征分析与讨论

钻孔岩心高光谱编录的蚀变矿物空间分布特征分析结果表明，向阳坪矿区不同岩性对上述提取的矿物类型的影响均不明显，无论是豆乍山二云母花岗岩，还是香草坪黑云母花岗岩，均有强蚀变发育。构造活动对蚀变类型及其发育程度的影响较大。相对来说，构造带对高岭石、富铝绢云母和赤铁矿化蚀变发育的控制作用较为显著，而对蒙脱石、贫铝绢云母、绿泥石＋绢云母以及碳酸盐的控制作用不甚明显。其中，绿泥石＋绢云母应为花岗岩中普遍存在的黑云母蚀变而来，蒙脱石可在富Mg2＋的环境下发生离子交换后与绿泥石形成混层矿物。通过野外对岩心的观察发现，富铝绢云母发育的地段蚀变程度较高，常伴有高岭石化，少部分伴有蒙脱石化，与斑岩系统中的泥化带特征相似；贫铝绢云母发育的地段蚀变程度相对较低，保留了一定的原岩组分，常伴有绿泥石化，以及蒙脱石化，与斑岩系统中的青磐岩化带特征相似。国外对热液矿床的一些研究表明，Al-OH 吸收峰位较小的云母类矿物产出于褪色泥质蚀变带中，Fe、Mg 含量较低，而Al-OH 吸收峰位较大的云母类矿物则具有相对更高的Fe、Mg 含量［12-13］，这与文中的高光谱编录特征是相符的。

铀矿化均发育在豆乍山岩体的构造带内，与热液活动密切相关。铀矿化附近的矿物组合有高岭石、蒙脱石、富铝绢云母、赤铁矿和碳酸盐，其中高岭石、富铝绢云母、赤铁矿与铀矿化的空间相关性较高，属各矿化段共性组合，高岭石呈白、灰白色，富铝绢云母呈灰白、黄白色，赤铁矿呈赤红、紫红色（图5）。

图5 构造带矿化段岩心照片Fig.5 The photo of mineralization core across fault belt

上述特征表明，向阳坪矿区断裂构造控制的热液活动是铀矿化产生的主要因素，与铀矿化相关的蚀变作用主要有高岭石化、水云母化中的富铝绢云母化和赤铁矿化。根据前人的研究，向阳坪矿床铀成矿作用经历了多阶段的演化，成矿前蚀变主要是绿泥石化和水云母化，成矿期蚀变有赤铁矿化、黄铁矿化、硅化、钾长石化，成矿后蚀变主要是高岭石化［4］。赤铁矿化被认为是与铀成矿关系最为密切的蚀变类型［3］。近年来，还有学者提出了诸广岩体中段软碱—硬碱—酸性流体作用“3 阶段”铀成因模式［14］。

综合上述研究，笔者根据本次钻孔岩心高光谱蚀变空间特征，依托酸碱理论，将提取的蚀变信息进行了梳理。早期流体为碱性时，绿泥石＋绢云母、蒙脱石、贫铝绢云母等均是矿前期蚀变类型；当流体开始由碱性向酸性过渡时，铀矿化开始富集，富铝绢云母、赤铁矿均为成矿期蚀变类型，碳酸盐化亦在这一阶段发生；当流体变为酸性时，铀矿化进一步富集，从空间特征来看，高岭石不一定属于与成矿无关的矿后期蚀变，而可能形成于成矿晚期—矿后期过渡阶段。因此，当赤铁矿、富铝绢云母和高岭石密集伴生发育的构造带中时，附近可能出现铀矿化，他们的组合可作为铀矿化标型矿物组合。

5 结论

1）利用高光谱测量与光谱分析技术获取了广西向阳坪铀矿区钻孔岩心中的高岭石、蒙脱石、富铝绢云母、贫铝绢云母、赤铁矿、绿泥石＋绢云母、碳酸盐等7 类蚀变矿物信息，实现了不同种类蚀变矿物在钻孔垂向上发育程度的半定量编录，为热液蚀变空间特征分析提供了参考。

2）向阳坪矿区断裂构造是蚀变类型及其发育程度的主要影响因素。高光谱识别的富铝绢云母与高岭石的空间相关性较高，具有泥化蚀变组合特征；贫铝绢云母与绿泥石＋绢云母的空间相关性较高，具有青磐岩化蚀变组合特征。

3）绿泥石+绢云母、蒙脱石、贫铝绢云母形成于矿前期，赤铁矿、富铝绢云母、高岭石及碳酸盐形成于成矿期—成矿晚期，构造带中的赤铁矿＋富铝绢云母＋高岭石可作为向阳坪地区铀矿化标型矿物组合。