相山铀矿化蚀变矿物组合的成像光谱特征识别

张川，叶发旺，武鼎，王建刚，郭帮杰

（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）

相山是我国最大的火山岩型铀矿基地，其铀矿化的富集是由含铀热液 （包括岩浆热液、变质热液、地下水热液以及混合热液）在适宜的物理化学和有利的地质条件下，经过充填或交代等方式产生，在此过程中不同程度上对围岩进行热改造，形成热液蚀变。因此，蚀变是相山铀矿找矿的重要标志之一。

围岩蚀变具有许多类型，每种类型均由多种蚀变矿物组合而成，传统的研究方法在不进行镜下鉴定和化学分析的条件下，难以进行准确的识别，尤其是蚀变的矿物组合特征。高光谱遥感是新兴的对地探测技术之一，在矿物类型识别方面具有独特的优势，高光谱矿物填图在许多热液型成矿区带开展了较为成功的应用［1-5］。相山铀矿田的热液作用是由深部引发，地表的线索十分有限。相对于航空或航天成像光谱，地面成像光谱在小范围矿床尺度的蚀变精细识别方面更具优势，通过对钻孔岩心的成像光谱测量，能够直接应用于深部探测，在热液型铀矿深部勘探中具有很大潜力［6-7］。本文利用相山铀矿钻孔岩心成像光谱数据，开展典型铀矿化蚀变组合特征的识别与分析，可为相山深部进一步勘探提供参考。

1 研究区地质概况

相山铀矿田位于我国江西省中部的乐安与崇仁县交界，隶属于华南铀矿省赣航成矿带，区内包含各种规模的铀矿床20 余个，是我国最大的火山热液型铀矿田。相山铀矿田产于中生代火山盆地内，盆地的基底为中元古代变质岩系，盖层为早白垩世先后经历两个旋回火山活动形成的两套中酸性火山岩：打鼓顶组和鹅湖岭组，岩性分别以流纹英安岩和碎斑流纹岩为主。区内构造主要为北东向、北西向和南北向，岩浆-构造活动复杂多变，具有多期次性，与铀成矿作用有关的蚀变主要有伊利石化、赤铁矿化、绿泥石化、钠长石化、碳酸盐化和萤石化等［8］。区内铀矿床主要位于相山破火山口的西部及北部，邹家山、居隆庵、河元背、牛头山等大、中型铀矿床均位于相山盆地西部（图1）。

根据流体性质和时间关系，相山铀成矿热液蚀变期分为碱性流体交代过程和酸性流体交代过程，分别为富钠离子流体交代和水合氢离子流体交代，前者先于后者发生。不同时期主要形成了两种类型的铀矿化，前人总结为碱交代型和水云母-萤石型铀矿化。碱交代型铀矿化的典型蚀变类型有钠长石化、绿泥石化、碳酸盐化等，水云母-萤石型铀矿化的典型蚀变类型主要为伊利石化、伊蒙混层化、萤石化等。由于流体活动的多阶段性，蚀变叠置改造现象在相山矿田十分普遍，具有酸、碱叠置和酸、酸叠置两类［8］。

图1 相山火山盆地地质简图（据林子瑜等，2013 修改）［9］Fig.1 Geology sketch of Xiangshan volcanic basin

2 数据获取与处理

2.1 数据获取

地面成像光谱仪将成像技术与光谱技术相结合，在探测物体表面结构特征的同时，对每个像元色散形成几十至上百个波段带宽10 nm 左右的连续光谱覆盖，对探测物体表面的精细光谱信息十分有利。本文的数据源来自HySpex 地面成像光谱仪，属世界上较为领先的成像光谱设备，适用于机载与地面两用（表1）。

表1 HySpex 传感器技术指标Table 1 Technical specification of HySpex

本次研究用于铀矿化蚀变组合分析的岩心高光谱数据来自相山西部深钻CUSD 2 号孔和CUSD 3 号孔，均位于牛头山矿床和河元背矿床相邻部位，区域上处于东西向基底断陷带与盖层控矿断裂交汇部位，对反映区域热液铀成矿环境较为有利。2 号孔为碱交代型铀矿化，深度约1 050 m，3 号孔为水云母-萤石型铀矿化，深度约294 m。岩心成像光谱数据通过推扫式扫描方式采集，分别利用HySpex VNIR-1600 和SWIR-320 m-e 成像光谱仪获取岩心段可见光-近红外（0.4～1.0 μm）和短波红外（1.0～2.5 μm）成像光谱数据，扫描同步获取标准板数据用于数据预处理。

2.2 数据处理

对于成像光谱数据来说，光谱重建是后续信息提取的基础。0.4～2.5 μm 在电磁波谱中属于反射光的范畴，因此反射率的反演是首先要解决的问题。航天和航空成像光谱数据的反射率反演通过大气校正模型来实现，主要包括相对校正模型、经验线性模型和大气辐射传输模型［10］，这些方法对于地面成像光谱数据的处理亦可作为借鉴。相对而言，大气辐射传输模型对地面传感器接收的成像光谱数据并不适用，若要获得较为准确的反射率数据，经验线性模型是相对更理想且可行的方案。首先，基于扫描同步获取标准板数据，对辐射定标后的岩心成像光谱数据进行经验线性反射率反演计算，再经过反射率图像数据去噪处理实现光谱重建，最后，对处理后的反射率图像进行裁剪，获得岩心段反射率图像，作为岩心蚀变信息识别的基础数据（图2）。

3 铀矿化蚀变组合特征识别

3.1 光谱特征识别

岩矿标型反射光谱特征源自阳离子和阴离子基团，离子化合价、配位数、离子质量、离子间距等不同均会导致光谱特征出现差异，Fe3＋、Fe2＋、Mn3＋等金属阳离子的电子跃迁往往在0.4～1.3 μm 形成吸收谱带，OH-、CO32-等阴离子基团振动产生的倍频和合频往往在1.3～2.5 μm 形成吸收谱带［11-12］。这些吸收谱带的波长位置较为稳定，因此，每类矿物具有特有的吸收谱带，可作为识别的依据。根据波长范围，HySpex VNIR 数据主要识别具有电子跃迁吸收谱带的矿物类型，SWIR 数据主要识别的是基团振动吸收谱带的矿物类型。

图2 HySpex 岩心成像光谱数据处理流程图Fig.2 The processing flowchart of HySpex core imaging spectrum data

光谱曲线特征能同时对单矿物和混合矿物进行特征识别，反映矿物组合特征。通过对钻孔铀矿化段岩心成像光谱数据的识别分析，分别获取水云母-萤石型和碱交代型铀矿化蚀变光谱特征曲线。针对水云母-萤石型铀矿化附近岩心HySpex SWIR 反射率光谱曲线，结合标准光谱库分析，除出现典型的伊利石、蒙脱石、高岭石单矿物光谱特征外（萤石在反射光波段内不具备可诊断性光谱特征），还具有一定的矿物组合光谱特征，高岭石在2 165 nm 附近的吸收肩转移至2 180 nm附近的吸收谷表明高岭石中存在一定程度的地开石混合（图3）。高岭石属于黏土矿物，具有风化和热液两种成因类型，而地开石一般为热液成因，这表明水云母-萤石型铀矿化附近发育的高岭石应为酸性热液活动所致。

图3 水云母-萤石型铀矿化段SWIR 光谱识别Fig.3 SWIR spectral recognition of fluorite-hydromica type uranium mineralization core

通过分析碱交代型铀矿化附近HySpex SWIR 反射率光谱曲线，发现存在绿泥石、碳酸盐 （主要是方解石）、伊利石，亦具有绿泥石与蒙脱石混层的混合光谱特征，说明存在酸、碱叠置改造（图4）。VNIR 反射率光谱中出现670 nm 附近吸收肩和870 nm 附近三价铁的宽缓吸收特征，说明有赤铁矿存在（图5）。

图4 碱交代型铀矿化段SWIR 光谱识别Fig.4 SWIR spectral recognition of alkali metasomatism type uranium mineralization core

图5 碱交代型铀矿化段VNIR 光谱识别Fig.5 VNIR spectral recognition of alkali metasomatism type uranium mineralization core

通过对比，笔者发现水云母-萤石型和碱交代型铀矿化附近均出现伊利石，经进一步分析，发现他们的伊利石光谱亦具有细微差异，存在光谱学意义上的多型伊利石。红色和黄色为水云母-萤石型铀矿化附近的伊利石在2 000～2 400 nm 的特征光谱，蓝色和绿色为碱交代型铀矿化附近的伊利石2 000～2 400 nm的特征光谱，同时发现2 200 nm 附近的Al-OH 吸收谷波长位置存在细微变化，水云母-萤石型铀矿化附近的伊利石Al-OH 吸收谷波长位置相对偏短波，将其命名为Ⅰ型伊利石，而碱交代型铀矿化附近的伊利石Al-OH吸收谷波长位置相对偏长波，命名为Ⅱ型伊利石（图6）。尽管受到HySpex 数据光谱分辨率的影响，吸收谷位置无法精确到1 nm，但通过对大量光谱曲线的分析发现，Ⅰ型与Ⅱ型Al-OH 吸收谷波长变化大致在2 204～2 216 nm，在2 210 nm 附近有重叠和过渡的特点，有极少量Ⅱ型偏移至2 222 nm。有研究表明Al-OH 波长差异为Al 在矿物晶格中配位数的增减所导致［12-13］，也有研究认为其与结晶度有关［14］，其形成关系还有待进一步的深入研究。通过上述光谱分析，总结出铀矿化段附近蚀变矿物及组合光谱特征识别标志（表2）。

图6 两类铀矿化附近伊利石Al-OH 光谱特征对比Fig.6 The contrast of illite spectrum near the two types of uranium mineralization

表2 铀矿化蚀变矿物及组合光谱识别标志Table 2 Spectral recognition marks of altered minerals and combination for uranium mineralization

3.2 结构特征识别

成像光谱的优势是 “图谱合一”，与常用的非成像光谱抽样点测量方式相比，对整根岩心的表达更为全面、精细。基于相山铀矿化段蚀变单矿物和矿物组合的标志性光谱特征曲线，采用光谱角度匹配填图技术，实现了整根岩心的高光谱信息填图，为矿化段蚀变结构和分布特征的分析提供了直观的素材。

在水云母-萤石型铀矿化段岩心高光谱信息图中可见，矿化中心区主要分布蒙脱石＋Ⅰ型伊利石＋高岭石＋地开石，以酸性蚀变为主，中心向外各种蚀变呈现一定的分带性，依次逐渐分布蒙脱石→Ⅰ型伊利石→高岭石＋地开石→高岭石，整段岩心的Ⅰ型伊利石分布最广，是热液活动的主体蚀变，高岭石和地开石可能为后期酸性流体进一步交代伊利石和蒙脱石形成（图7）。

在碱交代型铀矿化段岩心高光谱信息图上，矿化中心区蚀变类型有赤铁矿、绿泥石、碳酸盐、绿蒙混层和Ⅱ型伊利石，以碱性蚀变为主，前人将这种类型的铀矿化命名为赤铁矿-绿泥石型，此段铀矿化中心向外亦具有碳酸盐→赤铁矿+绿泥石→绿蒙混层→Ⅱ型伊利石的分布特征，Ⅱ型伊利石处于矿化区外围分布不广，可能为后期酸性流体交代绿泥石的结果（图8）。

两类铀矿化岩心高光谱蚀变结构特征反映了分别为酸性流体和碱性流体主导，均不同程度地存在蚀变叠置改造现象，水云母-萤石型铀矿化属于酸、酸叠置改造，碱交代型铀矿化局部具有酸、碱叠置改造的特点。

图7 水云母-萤石型铀矿化段岩心高光谱信息分布图Fig.7 Hyperspectral information distribution of fluorite-hydromuscovite type uranium mineralization core

图8 碱交代型铀矿化段岩心高光谱信息分布图Fig.8 Hyperspectral information distribution of alkali metasomatism type uranium mineralization core

4 空间特征分析

岩心高光谱填图从微观上反映了与铀成矿作用相关的热液蚀变矿物类型及其结构特征，也为钻孔蚀变信息编录提供了相较于传统地质编录更为精细的基础资料。传统地质编录一般将蚀变分为强、中、弱几个等级，岩心成像光谱识别信息不仅能够更好的指导蚀变强弱分级，还使蚀变的定量化编录成为可能。成像光谱识别结果是多维数字栅格图像，在空间统计运算方面具有优势，通过对岩心高光谱填图的不同矿物类型进行统计，能够获得与测井曲线相类似的高光谱编录曲线，这对反映宏观上的蚀变空间特征十分有利（图9）。高光谱编录曲线与蚀变填图相结合的新型钻孔岩心成像光谱编录方式在未来的综合找矿勘探方面有很大的应用前景［15］。

图9 相山某钻孔岩心成像光谱蚀变信息编录图Fig.9 Alteration information logging chart of a borehole in Xiangshan

根据图9 的几种蚀变矿物的空间分布及强度，可以很直观的发现Ⅰ型伊利石与高岭石-地开石矿物组合的空间相关性高，而Ⅱ型伊利石与绿泥石及碳酸盐的空间相关性高。其他几个钻孔的编录结果亦表明具有相似的特点。

根据多个钻孔的成像光谱编录结果，建立了相山西部某铀矿床的伊利石三维模型，直观地展示了两种伊利石的上、下分带特点和发育的强弱规模（图10）。从成像光谱识别出的铀矿化蚀变矿物组合特征来看，Ⅰ型伊利石主体分布在500 m 以浅的第一找矿空间，Ⅱ型伊利石主体分布于深度＞500 m 的第二找矿空间，这种分带性预示着水云母-萤石型铀矿化和碱交代型铀矿化亦具有类似的空间分布特征，在未来的钻探中可作为不同类型铀矿找矿的参考依据。需要说明的是，在构造活动强烈的区域，深部亦有Ⅰ型伊利石发育，且深部蚀变叠置改造更为明显，因此，这些区域的深部具有多种铀成矿潜力，值得进一步探索。

图10 相山西部某铀矿床伊利石三维模型Fig.10 3-D illite model of a uranium deposit in the west of Xiangshan

5 结论

本文基于岩心成像光谱数据对相山铀矿化热液蚀变组合特征进行了分类识别，结果表明：

1）水云母-萤石型铀矿化段发育蒙脱石、热液成因的高岭石、地开石和特征波长较短的Ⅰ型伊利石，碱交代型铀矿化段主要发育绿泥石、绿蒙混层、赤铁矿、碳酸盐和特征波长较长的Ⅱ型伊利石；

2）水云母-萤石型铀矿化中心至外围具有蒙脱石→Ⅰ型伊利石→高岭石＋地开石→高岭石的分布特征，呈现酸、酸叠置改造的特点，碱交代型铀矿化中心至外围具有碳酸盐→赤铁矿＋绿泥石→绿蒙混层→Ⅱ型伊利石的分布特征，呈现酸、碱叠置改造的特点；

3）宏观上的Ⅰ型伊利石和Ⅱ型伊利石的上、下分带特点预示着两种铀矿化亦具有类似的分布特征。

上述结论对指导相山地区进一步找矿勘探具有一定参考价值。