岩心高光谱技术在铀矿找矿中的应用及其地质意义

刘雨佳 ,田雅楠 ,剡鹏兵

（1.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010；2.包钢勘察测绘研究院，内蒙古 包头 014010）

高光谱遥感技术最早兴起于20世纪80年代［1］，而其在地质领域的应用是较为成功的，近几十年来基于高光谱技术在矿山环境监测、地质环境形成分析、岩矿辨别以及岩心分类、蚀变矿化带的识别以及油气勘探等方面的应用，极大推动了地质现代化的步伐。便携式光谱仪的出现使岩矿光谱测试相关工作为更多遥感地质工作者所熟知［2］，并随着该仪器的逐渐普及，岩矿光谱技术也日趋成熟，形成了一套较完整的岩心光谱测试与分析流程。

围岩蚀变是确定矿体位置的重要标志，如果发生较强烈且范围较大的围岩蚀变，其周围往往存在较大规模的矿床，这种规律在热液型矿床中更为明显。而在地质勘探过程中钻探手段是必不可少的，将岩矿高光谱技术与钻探岩心相结合，无疑把岩矿高光谱技术引入到了地下［3］，让岩矿高光谱技术拥有了更广阔的发展空间。通过岩心高光谱技术可对其所含矿物种类以及含量进行定性和定量分析，进而总结与矿化有关的蚀变矿物，结合实验室化学分析反演对矿化规律以及判断铀等矿物的成矿环境、成矿因素都具有十分重要的指导意义。

1 与矿化相关的蚀变矿物光谱组合识别

现实中的矿物围岩蚀变为多种蚀变类型叠加，需要以主要特征光谱吸收带和次要光谱吸收带的组合来识别单体矿物，并且考虑到特征光谱吸收带在不同岩矿中的漂移［4］。通过野外采集的岩心光谱数据与ENVI光谱数据库中USGS（美国地质调查局）光谱库进行分层矿物谱系识别，先识别出其蚀变类型，再与野外岩心实测照片进行对比，最后得出岩心主要蚀变矿物类型。

1.1 硬岩型铀矿相关蚀变矿物的识别

在与硬岩型铀矿成矿相关的蚀变类型中，由于萤石化、云英岩化、硅化光谱曲线没有其特殊的主副吸收带，且容易与其他石英类矿物混淆，所以不能直接识别。而黄铁矿大部分由铁的氧化物和铁硫化物构成，受其矿物颜色的影响，以及不透明的矿物性质，出现的光谱吸收带很有限，近乎于一条直线，如果与其他矿物混合，其光谱的特征曲线很容易被掩盖，只有轻微的蚀变或氧化才能使黄铁矿铁的特征波谱曲线显现出来。所以这里重点分析方解石（碳酸盐类）、绿泥石、黑云母、黄铁矿、褐铁矿这5种与矿化联系密切的蚀变矿物，取ENVI光谱库中以上5 种蚀变矿物的光谱曲线作对比显示（图1）。

图1 与热液型矿体相关的蚀变矿物光谱曲线Fig.1 Spectral curves of altered minerals related to hydrothermal ore bodies

1.2 砂岩型铀矿相关蚀变矿物的识别

在砂岩型铀矿中以沉积型砂岩为主，黏土矿物较为发育，而不同种类的黏土矿物代表的形成沉积或经变质的环境也各不相同，所以这里单独将ENVI光谱库中黏土矿物光谱曲线放在一起作为对比，由上至下分别为高岭石、蒙脱石、伊利石（图2）。

图2 与砂岩型铀矿相关的黏土矿物光谱曲线Fig.2 Spectral curves of clay minerals related to sandstone-type uranium deposits

2 岩心高光谱在铀矿中的应用

2.1 热液型（硬岩）铀矿

绢云母中的铝离子的含量变化常常是由于地质学上组分相互替代造成的。组分替代的过程常伴随着温度、压力以及流体酸碱度（pH 值）的变化，因此，绢云母Al-OH 吸收峰位置可以用来讨论流体成矿条件，对矿产勘查、地质成因分析有重要的指导作用。前人的一些研究发现，对于许多热液矿床来说，越靠近矿体和强蚀变岩处，绢云母的Al-OH 吸收峰波长位置越靠前。因此高Al 绢云母反映了成矿流体处于相对高温的环境，而低Al 绢云母则反映成矿流体处于相对低温的环境［5-8］。

铀与其他元素（如钼、锗、钍、铍和铼等）在同一期地质作用中易形成伴生或共生矿产，而且这些元素具有相同的成矿要素和预测要素，所以可将其划分为同一预测类型，尽管属于不同的矿种［9］。

以下以ASD 光谱仪在内蒙古东部某热液型钼矿实际应用为例，验证围岩标志性蚀变矿物特征光谱曲线对热液型矿体的指示作用以及绢云母Al-OH 吸收峰位置与矿体之间的关系。将一孔深470～550 m（化学取样分析已知含矿）岩心进行切样处理，使测试表面平整以便详细、密集测量，测点布置平均间隔为10 cm。由于仪器探头采用自带光源，测试时应尽量保持探头与岩心测样紧密贴合，防止外界光进入干扰测试。每次测量结束后，对所测岩心进行局部拍照以便日后对比，整盒岩心完成测试后整体拍照留存记录（图3）。

图3 测试后的带有编号的岩心整体照Fig.3 Overall photo of the core with a code after the test

通过对该工业孔含矿段岩心的测量并处理数据后，得出含矿段岩心测试光谱曲线（图4）。由图4 可见，以646 曲线为代表，可以看出正方形区域，存在绢云母Al-OH 较为清晰的特征吸收谱带（2 194～2 197 nm），解译为该处所含绢云母为高铝绢云母，位于蚀变较强且接近矿体的接触带［10］。再与实验室取样化学分析结果对比，得出孔深470～550 m 含矿段岩心品位曲线与Al-OH吸收峰位散点图（图5）。与其化学分析结果的矿体含量最高处位置基本一致。该段岩心其余区域绢云母Al-OH的特征吸收谱带为2 297～2 210 nm，为中铝绢云母属矿体的接触带外围，越接近矿体接触带，绢云母的Al-OH 特征吸收谱带越靠近短波方向，反映出相对高温的流体环境。

图4 含矿段岩心测试光谱曲线Fig.4 Spectrum curve of ore-bearing cores

图5 470～550 m 含矿段岩心品位曲线与Al-OH 吸收峰位散点对比图Fig.5 Comparison chart of grade curve and Al-OH absorption peak position scatter point in depth of 470～550m

前人曾在湖南的鹿井铀矿和江西的相山铀矿等地的铀矿勘查中，开展过钻孔岩心高光谱编录和光谱特征研究。研究结果表明，铀的含量与三价铁离子在490 nm、870 nm 的吸收峰位置和反射率值以及Mg-OH 类和Al-OH 类矿物的反射率值有较强的正相关关系［11］。

2.2 砂岩型铀矿

鄂尔多斯盆地是我国重要的砂岩型铀矿基地，其东胜地区岩石和蚀变带具有较为显著的光谱特征，一般在Al-OH、Mg-OH 以及Fe2＋和Fe3＋等离子团对应位置具有明显的吸收峰。该地区较为典型的几种岩石，例如，经蚀变的氧化砂岩、灰绿和蓝绿色还原蚀变砂岩、发生高岭土化岩石、以及产于不同年代的煤层，光谱特征均具差别，这就为利用高光谱数据进行蚀变分带以及定性区分岩石提供了物性基础［12］。

2.2.1 砂岩型铀矿常见蚀变类型

砂岩型铀矿沉积围岩常见的叠加蚀变类型除褐铁矿化（氧化）之外，还有黄铁矿化、赤铁矿化、绢云母化、硅化、灰色碳化、绿泥石化和高岭石化等，这已成为含矿带的标志特征。早期阶段的热液蚀变包括高岭土化-绿泥石化-绢云母蚀变、赤铁矿-碳酸盐蚀变，这些蚀变在垂向剖面上都表现出分带性；其强度指示他们的近源性。但是对砂岩层的成矿作用来说，晚期阶段的蚀变是最有意义的：砂层碳化带（变灰）和褐铁矿化带（变黄）在区内广泛发育，其旁条带中大量的放射性异常是大规模成矿作用的直接标志。

2.2.2 与成矿密切相关的吸收光谱特征

基于鄂尔多斯盆地油气钻孔样品光谱分析结果，烃类物质作为常见的还原剂在2 310 nm和2 350 nm 处具有双吸收的特征，而重烃与2 270 nm 和2 460 nm 处反射率有密切联系［13］。直罗组矿化岩石和次生铀矿物在碳酸盐化和黏土化蚀变条件下，其光谱曲线普遍在1 700～1 800 nm 有碳质吸收峰［13］。利用1 730 nm 和2 310 nm 吸收平均值作为度量油气含量的指标，可以较好的提取出样品中微弱的油气信息［14］（图6）。由图6 可见，图中显示的光谱是吸收率A，而本文所做研究的光谱是反射率R，对于如岩石等不透明物体表面，吸收率A 与反射率R 的关系为A＋R≈1

图6 油烃吸收光谱（据参考文献［14］修改）Fig.6 Oil hydrocarbon absorption spectrum（modified according to reference［14］）

2.2.3 砂岩铀矿优势层位的确立

通过岩心高光谱设备对已发现的砂岩型铀矿床钻孔岩心进行高光谱扫描，将岩心高光谱扫描数据进行岩矿种类从大类到精确定名识别，通过软件分析同样可以做到定量测试，获得所含有机物、总黏土、高岭石和三价铁的数值，再利用测算有机物、总黏土、高岭石和三价铁等含量数据，反演出矿物含量随深度变化的关系曲线，进而利用矿物含量随钻孔深度变化曲线筛选出该地区砂岩铀矿的优势层位［15］。

3 结论

根据对含矿段岩心蚀变矿物的识别与光谱曲线分析，总结蚀变分带规律以及区内找矿标志如下：

1）通过内蒙古东部某热液型钼矿的岩心高光谱测量，分析其钼矿段岩心特征光谱曲线，总结在成矿带附近的岩矿绢云母Al-OH 的特征吸收谱带区域为2 194～2 200 nm，且越靠近矿体处，绢云母的Al-OH 特征吸收谱带区域越向短波方向漂移。

2）通过高光谱分析与实验室取样化学测试结果对比，得出Al-OH 吸收峰位散点图中高铝绢云母特征吸收峰位与含矿段岩心品位曲线最高处位置基本一致，通过分析反映其相对高温的流体环境。

3）在砂岩型铀矿中，通过分析特征蚀变矿物光谱的曲线，并结合多种油气流体（烃类气体）、碳质等还原剂的光谱特征，可以得出一个区域的成矿优势地层以及氧化还原前锋线的位置信息，进而指明下一步的工作方向。