張川，葉發(fā)旺，武鼎，王建剛，郭幫杰

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

相山是我國最大的火山巖型鈾礦基地，其鈾礦化的富集是由含鈾熱液 （包括巖漿熱液、變質(zhì)熱液、地下水熱液以及混合熱液）在適宜的物理化學(xué)和有利的地質(zhì)條件下，經(jīng)過充填或交代等方式產(chǎn)生，在此過程中不同程度上對圍巖進(jìn)行熱改造，形成熱液蝕變。因此，蝕變是相山鈾礦找礦的重要標(biāo)志之一。

圍巖蝕變具有許多類型，每種類型均由多種蝕變礦物組合而成，傳統(tǒng)的研究方法在不進(jìn)行鏡下鑒定和化學(xué)分析的條件下，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的識別，尤其是蝕變的礦物組合特征。高光譜遙感是新興的對地探測技術(shù)之一，在礦物類型識別方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，高光譜礦物填圖在許多熱液型成礦區(qū)帶開展了較為成功的應(yīng)用［1-5］。相山鈾礦田的熱液作用是由深部引發(fā)，地表的線索十分有限。相對于航空或航天成像光譜，地面成像光譜在小范圍礦床尺度的蝕變精細(xì)識別方面更具優(yōu)勢，通過對鉆孔巖心的成像光譜測量，能夠直接應(yīng)用于深部探測，在熱液型鈾礦深部勘探中具有很大潛力［6-7］。本文利用相山鈾礦鉆孔巖心成像光譜數(shù)據(jù)，開展典型鈾礦化蝕變組合特征的識別與分析，可為相山深部進(jìn)一步勘探提供參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

相山鈾礦田位于我國江西省中部的樂安與崇仁縣交界，隸屬于華南鈾礦省贛航成礦帶，區(qū)內(nèi)包含各種規(guī)模的鈾礦床20 余個，是我國最大的火山熱液型鈾礦田。相山鈾礦田產(chǎn)于中生代火山盆地內(nèi)，盆地的基底為中元古代變質(zhì)巖系，蓋層為早白堊世先后經(jīng)歷兩個旋回火山活動形成的兩套中酸性火山巖：打鼓頂組和鵝湖嶺組，巖性分別以流紋英安巖和碎斑流紋巖為主。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為北東向、北西向和南北向，巖漿-構(gòu)造活動復(fù)雜多變，具有多期次性，與鈾成礦作用有關(guān)的蝕變主要有伊利石化、赤鐵礦化、綠泥石化、鈉長石化、碳酸鹽化和螢石化等［8］。區(qū)內(nèi)鈾礦床主要位于相山破火山口的西部及北部，鄒家山、居隆庵、河元背、牛頭山等大、中型鈾礦床均位于相山盆地西部（圖1）。

根據(jù)流體性質(zhì)和時間關(guān)系，相山鈾成礦熱液蝕變期分為堿性流體交代過程和酸性流體交代過程，分別為富鈉離子流體交代和水合氫離子流體交代，前者先于后者發(fā)生。不同時期主要形成了兩種類型的鈾礦化，前人總結(jié)為堿交代型和水云母-螢石型鈾礦化。堿交代型鈾礦化的典型蝕變類型有鈉長石化、綠泥石化、碳酸鹽化等，水云母-螢石型鈾礦化的典型蝕變類型主要為伊利石化、伊蒙混層化、螢石化等。由于流體活動的多階段性，蝕變疊置改造現(xiàn)象在相山礦田十分普遍，具有酸、堿疊置和酸、酸疊置兩類［8］。

圖1 相山火山盆地地質(zhì)簡圖（據(jù)林子瑜等，2013 修改）［9］Fig.1 Geology sketch of Xiangshan volcanic basin

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

地面成像光譜儀將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，在探測物體表面結(jié)構(gòu)特征的同時，對每個像元色散形成幾十至上百個波段帶寬10 nm 左右的連續(xù)光譜覆蓋，對探測物體表面的精細(xì)光譜信息十分有利。本文的數(shù)據(jù)源來自HySpex 地面成像光譜儀，屬世界上較為領(lǐng)先的成像光譜設(shè)備，適用于機(jī)載與地面兩用（表1）。

表1 HySpex 傳感器技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specification of HySpex

本次研究用于鈾礦化蝕變組合分析的巖心高光譜數(shù)據(jù)來自相山西部深鉆CUSD 2 號孔和CUSD 3 號孔，均位于牛頭山礦床和河元背礦床相鄰部位，區(qū)域上處于東西向基底斷陷帶與蓋層控礦斷裂交匯部位，對反映區(qū)域熱液鈾成礦環(huán)境較為有利。2 號孔為堿交代型鈾礦化，深度約1 050 m，3 號孔為水云母-螢石型鈾礦化，深度約294 m。巖心成像光譜數(shù)據(jù)通過推掃式掃描方式采集，分別利用HySpex VNIR-1600 和SWIR-320 m-e 成像光譜儀獲取巖心段可見光-近紅外（0.4～1.0 μm）和短波紅外（1.0～2.5 μm）成像光譜數(shù)據(jù)，掃描同步獲取標(biāo)準(zhǔn)板數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對于成像光譜數(shù)據(jù)來說，光譜重建是后續(xù)信息提取的基礎(chǔ)。0.4～2.5 μm 在電磁波譜中屬于反射光的范疇，因此反射率的反演是首先要解決的問題。航天和航空成像光譜數(shù)據(jù)的反射率反演通過大氣校正模型來實(shí)現(xiàn)，主要包括相對校正模型、經(jīng)驗(yàn)線性模型和大氣輻射傳輸模型［10］，這些方法對于地面成像光譜數(shù)據(jù)的處理亦可作為借鑒。相對而言，大氣輻射傳輸模型對地面?zhèn)鞲衅鹘邮盏某上窆庾V數(shù)據(jù)并不適用，若要獲得較為準(zhǔn)確的反射率數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)線性模型是相對更理想且可行的方案。首先，基于掃描同步獲取標(biāo)準(zhǔn)板數(shù)據(jù)，對輻射定標(biāo)后的巖心成像光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)線性反射率反演計算，再經(jīng)過反射率圖像數(shù)據(jù)去噪處理實(shí)現(xiàn)光譜重建，最后，對處理后的反射率圖像進(jìn)行裁剪，獲得巖心段反射率圖像，作為巖心蝕變信息識別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖2）。

3 鈾礦化蝕變組合特征識別

3.1 光譜特征識別

巖礦標(biāo)型反射光譜特征源自陽離子和陰離子基團(tuán)，離子化合價、配位數(shù)、離子質(zhì)量、離子間距等不同均會導(dǎo)致光譜特征出現(xiàn)差異，F(xiàn)e3＋、Fe2＋、Mn3＋等金屬陽離子的電子躍遷往往在0.4～1.3 μm 形成吸收譜帶，OH-、CO32-等陰離子基團(tuán)振動產(chǎn)生的倍頻和合頻往往在1.3～2.5 μm 形成吸收譜帶［11-12］。這些吸收譜帶的波長位置較為穩(wěn)定，因此，每類礦物具有特有的吸收譜帶，可作為識別的依據(jù)。根據(jù)波長范圍，HySpex VNIR 數(shù)據(jù)主要識別具有電子躍遷吸收譜帶的礦物類型，SWIR 數(shù)據(jù)主要識別的是基團(tuán)振動吸收譜帶的礦物類型。

圖2 HySpex 巖心成像光譜數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 The processing flowchart of HySpex core imaging spectrum data

光譜曲線特征能同時對單礦物和混合礦物進(jìn)行特征識別，反映礦物組合特征。通過對鉆孔鈾礦化段巖心成像光譜數(shù)據(jù)的識別分析，分別獲取水云母-螢石型和堿交代型鈾礦化蝕變光譜特征曲線。針對水云母-螢石型鈾礦化附近巖心HySpex SWIR 反射率光譜曲線，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)光譜庫分析，除出現(xiàn)典型的伊利石、蒙脫石、高嶺石單礦物光譜特征外（螢石在反射光波段內(nèi)不具備可診斷性光譜特征），還具有一定的礦物組合光譜特征，高嶺石在2 165 nm 附近的吸收肩轉(zhuǎn)移至2 180 nm附近的吸收谷表明高嶺石中存在一定程度的地開石混合（圖3）。高嶺石屬于黏土礦物，具有風(fēng)化和熱液兩種成因類型，而地開石一般為熱液成因，這表明水云母-螢石型鈾礦化附近發(fā)育的高嶺石應(yīng)為酸性熱液活動所致。

圖3 水云母-螢石型鈾礦化段SWIR 光譜識別Fig.3 SWIR spectral recognition of fluorite-hydromica type uranium mineralization core

通過分析堿交代型鈾礦化附近HySpex SWIR 反射率光譜曲線，發(fā)現(xiàn)存在綠泥石、碳酸鹽 （主要是方解石）、伊利石，亦具有綠泥石與蒙脫石混層的混合光譜特征，說明存在酸、堿疊置改造（圖4）。VNIR 反射率光譜中出現(xiàn)670 nm 附近吸收肩和870 nm 附近三價鐵的寬緩吸收特征，說明有赤鐵礦存在（圖5）。

圖4 堿交代型鈾礦化段SWIR 光譜識別Fig.4 SWIR spectral recognition of alkali metasomatism type uranium mineralization core

圖5 堿交代型鈾礦化段VNIR 光譜識別Fig.5 VNIR spectral recognition of alkali metasomatism type uranium mineralization core

通過對比，筆者發(fā)現(xiàn)水云母-螢石型和堿交代型鈾礦化附近均出現(xiàn)伊利石，經(jīng)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)他們的伊利石光譜亦具有細(xì)微差異，存在光譜學(xué)意義上的多型伊利石。紅色和黃色為水云母-螢石型鈾礦化附近的伊利石在2 000～2 400 nm 的特征光譜，藍(lán)色和綠色為堿交代型鈾礦化附近的伊利石2 000～2 400 nm的特征光譜，同時發(fā)現(xiàn)2 200 nm 附近的Al-OH 吸收谷波長位置存在細(xì)微變化，水云母-螢石型鈾礦化附近的伊利石Al-OH 吸收谷波長位置相對偏短波，將其命名為Ⅰ型伊利石，而堿交代型鈾礦化附近的伊利石Al-OH吸收谷波長位置相對偏長波，命名為Ⅱ型伊利石（圖6）。盡管受到HySpex 數(shù)據(jù)光譜分辨率的影響，吸收谷位置無法精確到1 nm，但通過對大量光譜曲線的分析發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型與Ⅱ型Al-OH 吸收谷波長變化大致在2 204～2 216 nm，在2 210 nm 附近有重疊和過渡的特點(diǎn)，有極少量Ⅱ型偏移至2 222 nm。有研究表明Al-OH 波長差異為Al 在礦物晶格中配位數(shù)的增減所導(dǎo)致［12-13］，也有研究認(rèn)為其與結(jié)晶度有關(guān)［14］，其形成關(guān)系還有待進(jìn)一步的深入研究。通過上述光譜分析，總結(jié)出鈾礦化段附近蝕變礦物及組合光譜特征識別標(biāo)志（表2）。

圖6 兩類鈾礦化附近伊利石Al-OH 光譜特征對比Fig.6 The contrast of illite spectrum near the two types of uranium mineralization

表2 鈾礦化蝕變礦物及組合光譜識別標(biāo)志Table 2 Spectral recognition marks of altered minerals and combination for uranium mineralization

3.2 結(jié)構(gòu)特征識別

成像光譜的優(yōu)勢是 “圖譜合一”，與常用的非成像光譜抽樣點(diǎn)測量方式相比，對整根巖心的表達(dá)更為全面、精細(xì)?；谙嗌解櫟V化段蝕變單礦物和礦物組合的標(biāo)志性光譜特征曲線，采用光譜角度匹配填圖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整根巖心的高光譜信息填圖，為礦化段蝕變結(jié)構(gòu)和分布特征的分析提供了直觀的素材。

在水云母-螢石型鈾礦化段巖心高光譜信息圖中可見，礦化中心區(qū)主要分布蒙脫石＋Ⅰ型伊利石＋高嶺石＋地開石，以酸性蝕變?yōu)橹?，中心向外各種蝕變呈現(xiàn)一定的分帶性，依次逐漸分布蒙脫石→Ⅰ型伊利石→高嶺石＋地開石→高嶺石，整段巖心的Ⅰ型伊利石分布最廣，是熱液活動的主體蝕變，高嶺石和地開石可能為后期酸性流體進(jìn)一步交代伊利石和蒙脫石形成（圖7）。

在堿交代型鈾礦化段巖心高光譜信息圖上，礦化中心區(qū)蝕變類型有赤鐵礦、綠泥石、碳酸鹽、綠蒙混層和Ⅱ型伊利石，以堿性蝕變?yōu)橹?，前人將這種類型的鈾礦化命名為赤鐵礦-綠泥石型，此段鈾礦化中心向外亦具有碳酸鹽→赤鐵礦+綠泥石→綠蒙混層→Ⅱ型伊利石的分布特征，Ⅱ型伊利石處于礦化區(qū)外圍分布不廣，可能為后期酸性流體交代綠泥石的結(jié)果（圖8）。

兩類鈾礦化巖心高光譜蝕變結(jié)構(gòu)特征反映了分別為酸性流體和堿性流體主導(dǎo)，均不同程度地存在蝕變疊置改造現(xiàn)象，水云母-螢石型鈾礦化屬于酸、酸疊置改造，堿交代型鈾礦化局部具有酸、堿疊置改造的特點(diǎn)。

圖7 水云母-螢石型鈾礦化段巖心高光譜信息分布圖Fig.7 Hyperspectral information distribution of fluorite-hydromuscovite type uranium mineralization core

圖8 堿交代型鈾礦化段巖心高光譜信息分布圖Fig.8 Hyperspectral information distribution of alkali metasomatism type uranium mineralization core

4 空間特征分析

巖心高光譜填圖從微觀上反映了與鈾成礦作用相關(guān)的熱液蝕變礦物類型及其結(jié)構(gòu)特征，也為鉆孔蝕變信息編錄提供了相較于傳統(tǒng)地質(zhì)編錄更為精細(xì)的基礎(chǔ)資料。傳統(tǒng)地質(zhì)編錄一般將蝕變分為強(qiáng)、中、弱幾個等級，巖心成像光譜識別信息不僅能夠更好的指導(dǎo)蝕變強(qiáng)弱分級，還使蝕變的定量化編錄成為可能。成像光譜識別結(jié)果是多維數(shù)字柵格圖像，在空間統(tǒng)計運(yùn)算方面具有優(yōu)勢，通過對巖心高光譜填圖的不同礦物類型進(jìn)行統(tǒng)計，能夠獲得與測井曲線相類似的高光譜編錄曲線，這對反映宏觀上的蝕變空間特征十分有利（圖9）。高光譜編錄曲線與蝕變填圖相結(jié)合的新型鉆孔巖心成像光譜編錄方式在未來的綜合找礦勘探方面有很大的應(yīng)用前景［15］。

圖9 相山某鉆孔巖心成像光譜蝕變信息編錄圖Fig.9 Alteration information logging chart of a borehole in Xiangshan

根據(jù)圖9 的幾種蝕變礦物的空間分布及強(qiáng)度，可以很直觀的發(fā)現(xiàn)Ⅰ型伊利石與高嶺石-地開石礦物組合的空間相關(guān)性高，而Ⅱ型伊利石與綠泥石及碳酸鹽的空間相關(guān)性高。其他幾個鉆孔的編錄結(jié)果亦表明具有相似的特點(diǎn)。

根據(jù)多個鉆孔的成像光譜編錄結(jié)果，建立了相山西部某鈾礦床的伊利石三維模型，直觀地展示了兩種伊利石的上、下分帶特點(diǎn)和發(fā)育的強(qiáng)弱規(guī)模（圖10）。從成像光譜識別出的鈾礦化蝕變礦物組合特征來看，Ⅰ型伊利石主體分布在500 m 以淺的第一找礦空間，Ⅱ型伊利石主體分布于深度＞500 m 的第二找礦空間，這種分帶性預(yù)示著水云母-螢石型鈾礦化和堿交代型鈾礦化亦具有類似的空間分布特征，在未來的鉆探中可作為不同類型鈾礦找礦的參考依據(jù)。需要說明的是，在構(gòu)造活動強(qiáng)烈的區(qū)域，深部亦有Ⅰ型伊利石發(fā)育，且深部蝕變疊置改造更為明顯，因此，這些區(qū)域的深部具有多種鈾成礦潛力，值得進(jìn)一步探索。

圖10 相山西部某鈾礦床伊利石三維模型Fig.10 3-D illite model of a uranium deposit in the west of Xiangshan

5 結(jié)論

本文基于巖心成像光譜數(shù)據(jù)對相山鈾礦化熱液蝕變組合特征進(jìn)行了分類識別，結(jié)果表明：

1）水云母-螢石型鈾礦化段發(fā)育蒙脫石、熱液成因的高嶺石、地開石和特征波長較短的Ⅰ型伊利石，堿交代型鈾礦化段主要發(fā)育綠泥石、綠蒙混層、赤鐵礦、碳酸鹽和特征波長較長的Ⅱ型伊利石；

2）水云母-螢石型鈾礦化中心至外圍具有蒙脫石→Ⅰ型伊利石→高嶺石＋地開石→高嶺石的分布特征，呈現(xiàn)酸、酸疊置改造的特點(diǎn)，堿交代型鈾礦化中心至外圍具有碳酸鹽→赤鐵礦＋綠泥石→綠蒙混層→Ⅱ型伊利石的分布特征，呈現(xiàn)酸、堿疊置改造的特點(diǎn)；

3）宏觀上的Ⅰ型伊利石和Ⅱ型伊利石的上、下分帶特點(diǎn)預(yù)示著兩種鈾礦化亦具有類似的分布特征。

上述結(jié)論對指導(dǎo)相山地區(qū)進(jìn)一步找礦勘探具有一定參考價值。