巴音戈壁盆地本巴图地区高光谱矿物信息提取及铀矿勘查有利区筛选

2022-11-21童勤龙张川杨燕杰叶发旺李新春淦清清

铀矿地质 2022年6期

童勤龙，张川，杨燕杰，叶发旺，李新春，淦清清

（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）

巴音戈壁盆地是中国北方重要的古生代—中新生代叠合盆地［1］，也是重要的产煤-油（气）-铀盆地［2-3］，在盆地内相继发现了测老庙小型泥岩型铀矿床、塔木素特大型砂岩型铀矿床和本巴图泥岩型铀矿产地及多个铀矿化异常点［3-6］。已有的铀矿地质研究主要集中在塔木素特大型砂岩型铀矿床，研究内容涉及区域构造演化对铀成矿的控制作用［5，7-8］、水岩作用及流体改造［9-13］、沉积相与层序地层［4，14-15］、矿床成因及铀成矿模式［3，16-17］、铀成矿条件及成矿预测［18-20］等，而盆地内其他地区铀矿地质研究偏少，特别是一些具有成矿潜力的地区，应加强相关研究。

本巴图地区被认为是巴音戈壁盆地最有成矿潜力的地区之一。前人对巴音戈壁盆地砂岩型铀矿潜力评价时，都将本巴图地区列为一级成矿远景区［21-22］，但多年来，该地区的铀矿勘查工作并未取得实质性突破，区内少有的研究也主要集中在白垩系下统巴音戈壁组物源分析［23］，巴音戈壁组上部油页岩、碳质页岩沉积环境［24］，以及图克木隆起晚古生代花岗岩侵入年龄和构造意义等［25］。随着勘查工作的深入，勘探的难度也逐渐增大，非常有必要引入一些新的勘查技术方法和手段，有助于该地区找矿突破。

遥感技术作为一种新的技术方法，在铀矿勘查中得到了广泛应用，可以利用遥感影像解译与铀矿化有关的地质体或构造［26-27］，但更多的是，利用不同的遥感数据提取与铀矿化有关的蚀变信息，然后结合遥感解译结果和已有的地质、物化探资料，综合分析提取的蚀变信息与铀矿化的关系［27-33］。本文利用航空高光谱SASI 数据和国产卫星GF-5 数据提取本巴图地区相关矿物异常信息，试图以铀成矿理论为基础，结合区内已有地质、物化探、矿产等资料，分析提取的矿物信息与铀矿化的关系，筛选有利成矿地段，为本巴图地区下一步铀矿勘查提供线索和方向。

1 研究区地质概况

巴音戈壁盆地位于塔里木板块、西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和华北板块4 个性质不同的大地构造单元结合部位，经历了复杂的构造运动和多期岩浆活动，在盆地内形成了多个隆起和坳陷相间出现的构造格局［34］，以宗乃山-沙拉扎山隆起为界，北部有拐子湖坳陷、苏红图坳陷和查干坳陷，南部有因格井坳陷和银根坳陷，研究区位于银根坳陷的东北部，主要包含新尼乌苏凹陷和图克木隆起两个次级构造单元（图1）。

图1 巴音戈壁盆地东部本巴图地区地质图（据1：20 万地质图银根幅修改）Fig.1 Geological map of Benbatu area，eastern Bayingebi basin（modified after 1：200000 geological map）

研究区主要出露白垩系，包括白垩系下统巴音戈壁组（K1b）、苏红图组（K1s）和白垩系上统（K2）。巴音戈壁组分为下段（K1b1）和上段（K1b2），下段主要岩性为紫褐、灰白色砾岩夹砂砾岩、含砾粗砂岩；上段上部主要为灰绿色页岩、紫红色泥岩、泥质砂岩、夹油页岩、碳质页岩、生物灰岩，局部相变为灰色隐晶质灰岩、砂屑灰岩；下部主要为黄褐色钙质砂砾岩、中粗粒长石砂岩。苏红图组主要由灰绿、褐红色安山岩、安山玄武岩，夹火山碎屑岩及泥页岩、泥灰岩、砂岩、砂砾岩组成；白垩系上统主要由桔黄色砂岩、粉砂岩、含砾砂岩、砂砾岩组成，顶部含钙质结核，底部含玄武岩砾石。其次，在研究区西北部和东南部图克木隆起局部出现石炭系阿木山组（C3a），主要岩性包括浅灰、灰绿色英安质岩屑凝灰岩、细砂岩、变质长石砂岩、泥质粉砂岩等。区内岩浆岩主要出露在东南部图克木隆起区，包括华力西期花岗岩（γ43）、花岗闪长岩（γδ43）；印支期花岗岩（γ51）；燕山期石英斑岩（λπ52）等，岩体中多发育闪长玢岩脉、石英斑岩脉等脉体（图1）。

巴音戈壁组上段（K1b2）是研究区内主要的含矿目的层，已发现的铀矿化类型主要为砂岩型和泥岩型，前期勘查结果表明砂岩型铀矿化主要受巴音戈壁组上段扇三角洲分流河道砂体的层间氧化带控制，泥岩型铀矿化主要发育在巴音戈壁组上段扇三角洲分流河道间和前三角洲相中［35］。其次，在图克木隆起区有少量花岗岩型铀异常点。

2 数据源与预处理

本次研究所用的主要数据源为利用SASI航空高光谱测量系统采集的“图谱合一”的航空高光谱SASI 数据，采集时间为2021 年10 月。其次，本研究还利用了国产卫星高光谱GF-5数据，采集时间为2019 年10 月16 日。两种高光谱数据的主要指标参数见表1。

表1 SASI 航空高光谱数据和GF-5 卫星高光谱数据主要指标参数Table 1 The main parameters of airborne hyperspectral SASI and satellite GF-5 sensors

根据航空高光谱SASI数据的特点，预处理采用配套的软件系统实现系统级辐射校正，获得校正后的DN 值图像，并剔除一些坏波段。大气校正基于飞行期间准同步获取的黑、白布和明暗地物光谱之间的组合文件，不同的组合校正效果有所不同，通过对比各种组合校正得到的反射率光谱曲线效果，发现基于黑布＋明地物的经验线性法反射光谱重建效果相对更好，故采用此组合进行大气校正，获得高光谱数据的反射率图像。GF-5 号数据预处理包括波段合成、辐射校正、坏线修复、大气校正等，具体步骤见文献［36］。

3 矿物信息提取

3.1 地面成矿要素波谱测量

获取航空高光谱数据的同时，在研究区开展了地面成矿要素波谱测量，主要调查含矿目的层岩性、蚀变、光谱和放射性值变化特征，大致查明区内的主要蚀变类型及其与铀矿化的关系，为后续航空高光谱数据处理和信息提取提供参考。综合考虑研究区道路交通、地形地貌、岩石地层出露等情况，在新尼乌苏凹陷东北部布置了一条穿过目的层巴音戈壁组上段的剖面（图1），进行地质、能谱和光谱测量（图2，图3）。

巴音戈壁组下段（K1b1）主要出露红色含砾粗砂岩、砂砾岩、砾岩等，地表可见明显赤铁矿化，以及随处可见的片状白云母，其光谱曲线在870 nm附近有明显的三价铁吸收峰，在2 215 nm 附近有明显的黏土化吸收峰，另外在2 350 nm 附近有碳酸盐吸收特征（如210922-01）（图2a）。巴音戈壁组上段（K1b2）主要出露黄色含砾粗砂岩，夹薄层细砂岩和泥岩，底部黄色粗砂岩中发育片状白云母（图2b），地表多见黄色褐铁矿化，紫红色或者玫瑰红赤铁矿化（图2b，c），中上部白云母含量减少，碳酸盐含量增加（图2d）。异常值较高地段黄色砂岩光谱曲线在870 nm 附近有三价铁吸收特征，在2 350 nm 附近有明显碳酸盐吸收峰，在2 215 nm附近有弱的黏土吸收峰（如210922-08）（图2b-d）。

图2 下白垩统巴音戈壁组部分岩石照片及其光谱曲线Fig.2 Photographs and spectral curves of some rocks in the Lower Cretaceous Bayingebi formation

巴音戈壁组下段放射性值普遍较低，地面能谱测量铀含量（eU）多小于5 cps。巴音戈壁组上段中的eU 值明显增高，从底部往上部有逐渐增高的趋势，eU 值最高大于100 cps，而eTh/eU 值具有明显递减趋势，表明该地段巴音戈壁组内部发生了明显的铀迁移和富集（图3）。

图3 新尼乌苏凹陷东北部下白垩统巴音戈壁组地质、能谱剖面叠加图Fig.3 Stacked profiles of eU and eTh/eU along the geological profile in the Bayingebi formation of the Lower Cretaceous in the northeast of Xinniwusu sag

因此，从地面地质、能谱和光谱剖面测量的结果来看，研究区主要富铀地层为巴音戈壁组上段（K1b2），发育的蚀变类型有赤铁矿化、褐铁矿化、黏土化、碳酸盐化等，与铀矿化关系密切的蚀变主要为赤铁矿化、褐铁矿化和碳酸盐化。

3.2 矿物信息提取方法

端元是高光谱信息提取的基准，端元提取通常有两种方法，一是利用高光谱数据，采用高光谱“沙漏”模型逐步提取，二是参考野外实测光谱或特征光谱库的标准光谱［37］。本研究主要利用“沙漏”模型对本巴图地区明显的矿物富集区进行端元识别和提取，提取了研究区高、中、低铝绢云母、高岭石、石膏、铁绿泥石、镁绿泥石、碳酸盐类等共9 类矿物端元光谱，形成需要提取的矿物光谱库。高岭石在2 165 nm和2 210 nm 具有典型双吸收特征（图4 a）；高、中、低铝绢云母的Al-OH 吸收峰位置分别位于2 195 nm、2 210 nm 和2 225 nm（图4 b）；铁绿泥石的Fe-OH 和Mg-OH 吸收峰位置分别位于2 270 nm 和2 360 nm，镁绿泥石的Fe-OH 和Mg-OH吸收峰位置分别位于2 255 nm和2 345 nm（图4 c）；碳酸盐吸收峰位置分别在2 345 nm 和2 360 nm（图4 d），其中吸收峰位置在2 345nm 附近的代表性碳酸盐矿物为方解石，在2 360 nm 附近的代表性矿物为含铁白云石和菱铁矿；石膏主吸收位置位于2 225 nm，形态呈中心向外V字形发散（图4 e）。另外，利用卫星高光谱GF-5数据提取的三价铁信息主要参考的USGS 光谱库中的光谱，代表性矿物有赤铁矿、针铁矿和褐铁矿，特征性吸收峰位置在波长870 nm 附近（图4 f）。

图4 研究区高光谱提取矿物光谱图Fig.4 Spectral curves of minerals extracted by hyperspectral data in the study area

本次矿物信息提取的方法采用的是光谱角填图技术（SAM，Spectral Angle Mapper），他是通过计算一个测试光谱（像元光谱）与参考光谱之间的角度来估算两者之间的相似度［38］。这种方法本质上是比较地物光谱形态特征的相似性，通过选择具有不同诊断性光谱特征的光谱波段范围，从而获得更好的信息提取结果。假定图像数据已转换为暗辐射或路径辐射偏差消除后的视反射率，光谱维数与波段数相等。SAM 通过下式来计算测试光谱ti与参考光谱ri之间的相似性：

式中：nb—波段数。两个光谱之间的相似性不受向量长度及增益的影响，因而可以减少地形对照度的影响，α 为0 到90°。

SAM 方法可以快速识别所建光谱库中的已知矿物，并能够用分类彩色影像显示，便于肉眼直接观察各种矿物的分布位置和范围。大量研究表明，只要选择波段合理，SAM 方法进行矿物填图的准确度较高，具有很好的效果［39-41］。

3.3 矿物信息提取结果与分析

本次利用SAM 方法提取了赤铁矿、褐铁矿、高、中、低铝绢云母、高岭石、铁绿泥石、镁绿泥石、碳酸盐类1、碳酸盐类2、石膏等矿物（图5）。

需要说明的是，高、中、低铝绢云母主要是根据白云母、绢云母、伊利石、多硅白云母等矿物在Al-OH 吸收峰位置（2 200 nm 附近）的偏移而划分的，如果Al-OH 吸收峰位置向短波方向（2 190 nm）偏移，则为高铝绢云母，如果向长波方向（2 215 nm）偏移，则为低铝绢云母［42］。因此，高、中、低铝绢云母不是特指某一种矿物，而是代表一类矿物。另外，碳酸盐类1 主要是在2 345 nm 附近具有吸收特征的碳酸盐，代表矿物为方解石；碳酸盐类2 主要是在2 360 nm 附近具有吸收特征的碳酸盐，代表矿物有含铁白云石、菱铁矿等。

3.3.1高光谱提取矿物信息整体分布特征

从提取的矿物信息空间分布来看，主要集中在研究区东南部图克木隆起区，广泛分布中铝绢云母、低铝绢云母、镁绿泥石、铁绿泥石、褐铁矿、赤铁矿和碳酸盐类2 等矿物。其次，分布在新尼乌苏凹陷北部和东部边缘地区，主要包括褐铁矿、赤铁矿、中铝绢云母、高岭石和碳酸盐类2 等矿物。另外，在新尼乌苏凹陷西南局部地区分布有褐铁矿、赤铁矿、碳酸盐类2、绿泥石等矿物（图5）。

图5 巴音戈壁盆地东部本巴图地区高光谱矿物填图结果Fig.5 Result of hyperspectral mineral mapping in Benbatu area，eastern Bayingebi basin

从提取的矿物信息在岩石地层中的分布来看，区内不同层位中分布的矿物类型不尽相同。东南部图克木隆起华力西期（γ4）和印支期（γ5）花岗质岩石矿物信息最为丰富，广泛分布中铝绢云母、低铝绢云母、镁绿泥石、铁绿泥石、赤铁矿、褐铁矿、碳酸盐类2、白云石等矿物，其次为高岭石和碳酸盐类1。

白垩系下统巴音戈壁组下段（K1b1）中的主要矿物类型为中铝绢云母、褐铁矿、赤铁矿和高岭石，其次为碳酸盐类1、碳酸盐类2 和高铝绢云母，这些矿物信息主要分布在新尼乌苏凹陷北部和东部边缘地区。

白垩系下统巴音戈壁组上段（K1b2）作为区内的含矿目的层，其中的主要矿物类型有褐铁矿、赤铁矿、碳酸岩类，其次为中铝绢云母、铁绿泥石和石膏，其中石膏主要分布在新尼乌苏凹陷中部套海地区，属于该套地层上部湖湘沉积，其余矿物信息多分布在新尼乌苏凹陷东部边缘盆山结合部位，在凹陷北缘和南缘局部呈条带状、块状或零星点状分布。

白垩系下统苏宏图组（K1s）中的典型矿物为石膏，其次为碳酸盐类1，属于湖湘沉积［25，36］，主要分布在套海地区。

白垩系上统（K2）中提取的矿物信息较少，主要在研究区西部提取少量的褐铁矿、中铝绢云母和铁绿泥石。本巴图地区白垩系高光谱提取矿物信息分布规律如表2。

表2 本巴图地区白垩系矿物信息分布规律总结Table 2 Summary of the minerals distribution in the Cretaceous strata in Benbatu area

整体而言，利用高光谱遥感数据在研究区提取的矿物信息分布具有一定的规律性，可以归纳为以下3 点：

1）矿物信息分布受岩石地层控制明显。主要分布在东南部隆起区和凹陷边缘的盆山结合带，与地层的走向和岩体的分布较为一致，表明矿物信息整体受岩石地层控制明显。

2）不同次级构造单元矿物组合差异明显。隆起区矿物组合主要为低铝绢云母、中铝绢云母、绿泥石等，凹陷区（主要集中在凹陷边缘）的矿物组合主要为褐铁矿、赤铁矿、碳酸盐类和石膏。

3）含矿目的层不同地段蚀变强度有差异。含矿目的层巴音戈壁组上段（K1b2）中的蚀变信息主要集中在新尼乌苏凹陷北缘和东北缘盆山结合部位，凹陷南部地区蚀变信息分布相对较弱。在北部地区不同地段蚀变信息分布强弱也存在差别，在断裂和褶皱构造发育地段，相关蚀变信息发育更强，主要为褐铁矿化和赤铁矿化。

3.3.2高光谱提取矿物信息与砂岩型铀矿化的关系

将已知的矿化点和异常点与高光谱提取的矿物信息叠加，发现新尼乌苏凹陷多数砂岩型矿化点附近分布着明显的褐铁矿、赤铁矿和碳酸盐类矿物（包括方解石、白云石、含铁白云石、菱铁矿等）。其次，在部分矿化点附近还提取出铁绿泥石和中铝绢云母，铁绿泥石呈小的斑块状或点状，如新尼乌苏凹陷东部边缘的砂岩型矿化点，以及凹陷南缘额勒斯台地区矿化点附近，中铝绢云母主要分布在凹陷北缘的矿化点附近，呈块状或带状。研究区东部图克木隆起唯一花岗岩型异常点附近，同样也提取出褐铁矿、中铝绢云母和少量碳酸盐类矿物（图5）。

因此，从高光谱提取的矿物与已知矿化点和异常点的空间分布关系来看，与铀矿化较为密切的矿物信息主要为褐铁矿、赤铁矿、碳酸盐类，其次为铁绿泥石和中铝绢云母，这与前期地面地质调查和剖面测量工作初步判定的研究区与铀矿化有关的蚀变主要为褐铁矿化、赤铁矿化和碳酸盐化的结论基本一致。

3.3.3高光谱提取矿物信息组合分带特征

在新尼乌苏凹陷北部边缘至东部边缘出露的下白垩统巴音戈壁组中，高光谱提取的矿物信息多沿地层走向呈带状分布，并且从山往盆的方向表现出两种不同的矿物组合。第一种组合（Ⅰ）靠近山的方向，位于巴音戈壁组底部，主要矿物组合为赤铁矿、褐铁矿、高岭石、中铝绢云母等（图6），地表大面积出露红色含砾粗砂岩（图7 a，b），显示氧化特征；第二种组合（Ⅱ）往盆内的方向，地层中的主要矿物有褐铁矿、赤铁矿、碳酸盐类和铁绿泥石（图6），地表岩石多呈黄色，夹杂红色、绿色，主要岩性为黄色含砾粗砂岩（图7 c）、红、黄杂色粗砂岩（图7 d）和含碳屑灰色泥质细砂岩（图7 e），显示既有氧化也有还原作用；靠近盆内，即巴音戈壁组中上部，主要出露灰绿色破碎状泥岩（图7 f），由于地表多被第四系覆盖，高光谱提取的矿物信息并不明显。野外调查发现区内砂岩型铀矿化和异常主要分布在第二种矿物组合的分布区域，二者具有较好的空间关系。因此，根据高光谱数据提取的矿物信息组合分布，可为研究区有利成矿地段筛选提供重要线索。

图6 新尼乌苏凹陷东北部高光谱矿物填图结果及矿物组合分带Fig.6 Result of hyperspectral mineral mapping and minerals assemblage zonation in the northeast of Xinniwusu sag

图7 新尼乌苏凹陷东北缘下白垩统巴音戈壁组典型露头照片Fig.7 Photographs showing typical outcrops of the Lower Cretaceous Bayingebi formation in the northeast of Xinniwusu sag

4 铀矿勘查有利区筛选

基于砂岩型铀矿成矿理论，综合考虑岩性岩相、高光谱矿物信息提取结果、航放特征、已知矿化点和钻孔资料等，在新尼乌苏凹陷东北部筛选了一片砂岩型铀矿勘查有利区（预测区）（图8），选择该片地区考虑的因素主要有：

1）地表目的层发育，具备有利铀成矿的岩相条件

预测区内主要出露含矿目的层下白垩统巴音戈壁组上段，发育较完整的冲积扇相-扇三角洲相-滨浅湖相-深湖相的沉积相序［22，35］，其中扇三角洲沉积体系最为发育（图8），在扇三角洲平原及其前缘辫状河道涧湾沼化洼地和湖沼洼地，是铀预富集和成矿的有利沉积环境。

图8 本巴图地区铀矿勘查有利区预测图（沉积相资料据参考文献［22］修改）Fig.8 Predication of favorable area for uranium exploration in Benbatu area（Sedimentary facies data from reference［22］）

2）高光谱提取矿物信息分带特征明显

如前所述，利用航空高光谱SASI 和卫星高光谱GF-5 号数据在区内提取了多种矿物信息。根据这些矿物信息的分布，研究区东北部提取的矿物信息具有一定的组合特征，其中褐铁矿＋赤铁矿＋碳酸盐类＋铁绿泥石的矿物组合与铀矿化具有较好的空间对应关系，预测区的范围基本上包含了第二种矿物组合的分布范围。

3）地表航放异常明显

由于含矿目的层巴音戈壁组上段在研究区出露较好，特别是新尼乌苏凹陷北部，且地表矿化明显，所以该地区整体航放异常特征较为明显。航放总计数率等值线图显示，在新尼乌苏凹陷北缘和东南图克木隆起区存在明显的航放总计数率高场（图9 a）；航放钾含量等值线平面图显示，钾高场零星分布，但整体沿图克木隆起区分布，新尼乌苏凹陷内异常不明显（图9 b）；航放铀含量等值线平面图显示，铀高场主要集中在新尼乌苏凹陷北部和东部边缘远景区内（图9 c）；航放钍含量等值线平面图显示，钍异常主要集中在研究区北部和东南部图克木隆起区，以图克木隆起区最为明显（图9 d）。

图9 本巴图远景区航放总计数率（a）、钾（b）、铀（c）、钍（d）含量等值线平面图Fig.9 Contour map of total count rate（a），potassium（b），uranium（c），and thorium（d）of airborne gamma-ray spectrometry

4）地表矿化信息明显，深部发现多个铀矿化孔

预测区下白垩统巴音戈壁组地表发现多处铀矿化，主要赋存在黄色粗砂岩、灰白色钙质砂岩和泥岩中，其次在局部出露的暗紫红色砂岩中也有明显的铀富集，化学分析测试结果显示部分紫红色砂岩和白色钙质砂岩中铀含量大于100×10-6，高者大于1 000×10-6（待发表数据）。另外，核工业208 大队2006 年在该地区进行钻探工作时，在深部发现了工业铀矿体，在钻孔BZK5-1 中发现了18 层灰色泥岩异常，另外发现了4 段砂岩型铀矿化。在另外一个钻孔BZK4-1 中的浅灰色钙质砂岩中发现厚0.2 m 的铀矿化［21］（图6）。因此，从该地区地表和深部矿化情况来看，该预测区具有较好的成矿潜力。