江西相山铀矿田CUSD2-2 孔成像光谱编录与蚀变分带研究

潘蔚，张元涛，匡元平，张川，杨云汉

（1.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；2.江西省国土空间调查规划研究院，江西 南昌 330025）

岩心成像光谱（高光谱）编录是高光谱技术在地面平台应用中的重要研究内容之一，也是岩心地学信息获取与信息挖掘研究的新方向［1］，通过对岩心的无损探测获取岩心高光谱数据，结合图像处理及光谱分析提取各深度段岩心的蚀变矿物类型，编制蚀变矿物分布图，计算每段岩心各类蚀变的强度（蚀变像元百分比），并参考岩心柱状图编制各类蚀变强度随孔深变化的线条表示图［2-4］。该技术由于较传统人工地质编录具有快速、低成本的优势，同时其获取的岩心影像数据可作为宝贵的电子资料永久性地保存，因而受到国内、外学者的极大关注［2-7］。

岩心高光谱数据除了具有“图谱合一”的特点之外，还具有数据量大、冗余信息多等自身特有的属性。针对该数据，前人提出了一套行之有效的处理方法，其主要涉及辐射定标、反射率反演、图像裁切、图像去噪、端元光谱选取与匹配制图等步骤［2-3］。虽然取得良好效果，但岩心高光谱数据处理是一个复杂的过程，尤其是图像去噪、端元光谱选取与匹配制图等方面，如何高效地处理这类数据，提高蚀变矿物反演的精度，仍值得深入探讨。

相山铀矿田是我国最大的火山热液型铀矿田，矿田内围岩蚀变强烈，并具有多期次、多类型的特点［8-10］。本文以相山铀矿田科学深钻CUSD2-2 孔为研究对象，开展了岩心成像光谱扫描及高光谱编录，重点讨论了端元光谱筛选和匹配制图中存在的问题和有效解决方案，提高了岩心成像光谱编录的精度和实用性。同时，也可为该区热液蚀变与铀多金属成矿规律研究提供参考。

1 区域地质特征与钻孔位置

1.1 地质背景

相山矿田位于江西省抚州市，大地构造上属于赣杭构造带，靠近扬子板块和华夏板块的构造缝合带［11］。相山火山盆地总体上具有3 层结构，其盆地基底主要为早—中元古代和震旦纪的低绿片岩相和低角闪岩相的变质岩系，部分为下石炭统和上三叠统。盆地盖层为早白垩世火山岩-侵入杂岩，主要由下白垩统打鼓顶组和鹅湖岭组火山岩系组成。最上层为红层覆盖［12］。区域内岩浆-构造活动复杂，具有多期次性，与成矿作用关系密切。相山铀矿田受大型塌陷式火山盆地控制，已发现的各种规模的20 余个铀矿床均赋存在火山机构内部特定部位［8］。

相山CUSD2-2 科学深钻位于相山火山盆地西北部的王枧附近（图1），破火山口塌陷的边缘，且处于2 条NNE 向构造的夹持区，地表出露鹅湖岭组碎斑熔岩。钻遇岩性地层主要有下白垩统鹅湖岭组及打鼓顶组火山碎屑岩、火山熔岩，中元古界变质岩及似斑状花岗岩。

1.2 相山铀矿田蚀变特征

20世纪60—70年代铀矿勘探初期，相山地区就发现了红化、绿泥石化、绢云母化和碳酸岩化等蚀变。20 世纪70—80 年代蚀变分带与分类研究划分出交代钠长岩带、绿泥石方解石交代钠长岩带、绿泥石水云母化带和正常岩石带，并提出先酸性后碱性的蚀变理论；20 世纪80—90 年代进一步划分碱金属交代—碱土金属交代—酸交代演化系列指出蚀变不仅具有良好水平分带性，矿体内带为石英脉或萤石脉充填及硅化、碳酸盐化带，中带为绢云母化、黄铁绢英岩化、绿泥石化和绿帘石化带，外带则为长石化带，而且具有下碱上酸的垂直分布规律，认为大型矿床的形成必须发育强烈酸性蚀变。20 世纪90 年代以后，通过研究蚀变矿物组合分类，如泥岩化、绢英岩化、青磐岩化、钠长石化和钾长石等，提出共轭交代认识。

新世纪以来，随着科学深钻一期发现了深源流体作用和高温蚀变现象，提出了相山铀成矿存在3 期热蚀变交代作用：分别是伊利石交代期（123～125 Ma）的多金属-钼矿化；伊蒙混层黏土或绿蒙混层交代期（115～118 Ma）的钼矿化和铀矿化叠加交代期；伊蒙混层黏土矿物、伊利石交代期（90～108 Ma）为铀矿化期［15］。近年来，相山CUSD-1 科学深钻碎斑流纹岩中矿化段与无矿化强烈蚀变段的地质观察和分析，发现矿化段存在3 期蚀变：矿前期碱性钠长石化交代蚀变、成矿期酸性伊利石化交代蚀变和晚期碱性碳酸盐化交代蚀变。

综合前人工作可知，相山地区存在酸性和碱性热液蚀变，铀矿床（化）发育酸性蚀变是共识，但具体的蚀变矿物及其组合分带，则可能由于不同地区和深度原岩的岩性差别而有所不同。

2 岩心成像光谱编录方法及改进

2.1 岩心成像光谱扫描流程

岩心扫描与编录将是数字化时代地质调查和矿产资源勘查的重要研究内容。目前岩心扫描主要有光谱仪（密度磁性参数测量仪）逐点测量、彩色数字相机连续拍照、光谱（物性参数）仪结合数字相机照相和成像光谱扫描4 种方式。本次研究采用的岩心高光谱扫描是最新一代技术，包括数据获取、数据预处理和蚀变填图及编录三方面工作，具体技术流程如图2 所示。

图2 岩心成像光谱编录技术流程Fig.2 Flowchart of mineral logging based on core imaging spectral data

本次研究采用了挪威NEO公司生产的HySpex地面成像光谱仪进行岩心成像光谱扫描。该仪器由两部独立工作的可见-近红外和短波红外高光谱相机组成。实际中利用短波红外探测器SWIR-320 m-e 进行数据采集，所获256 个波段的短波红外成像光谱数据覆盖1 000～2 500 nm 光谱范围，光谱分辨率达到6.25 nm。其主要技术指标见表1。

岩心成像光谱扫描主要包括6 个步骤：1）岩心清洁；2）岩心整理与深度标识；3）探测距离调整；4）光源调整；5）信号积分时间调试；6）扫描行程调试。获得高质量的成像光谱数据后，对数据处理的关键是图像裁切和噪声去除，前者在一定程度上影响后续基于像元占比的蚀变统计，后者决定蚀变类型的识别。

2.2 噪声处理方法的改进

传统岩心高光谱图像去噪一般采用最小噪声分离变换（Minimum Noise Fraction，MNF）进行［2-3］，针对获取的岩心图像光谱由于信噪比的差别造成部分数据在经过MNF 处理后光谱中仍然存在噪声的问题。本此研究引入了Savitzky-Golay（SG）滤波开展噪声去除。SG 滤波通过对移动窗口内所有点进行最小二乘拟合，以实现对中间点的平滑，具有确保信号的形状、宽度不变的优点。由于蚀变矿物的特征吸收明显，采用SG 滤波后，比较明显的吸收特征被有效保留，而较宽吸收肩上的毛刺状噪声被有效去除。

图3 是MNF 和SG 滤波去噪效果对比，可以看出两者均能较好地消除原始光谱中的齿状噪声，但效果略不同。MNF 在去除多数锯齿状噪声的同时，产生了几处明显的毛刺状噪声。这些毛刺状噪声会干扰后期光谱匹配的相似度匹配，从而影响提取分类结果的准确性。而SG 滤波既去除了原始光谱中的锯齿状噪声使得光谱曲线平滑，同时有效地保留了光谱曲线的吸收特征，较MNF 效果更好。

图3 原始光谱、MNF 去噪和SG 去噪光谱Fig.3 Comparison of original spectrum，spectra after MNF denoising and SG denoising

3 CUSD2-2 孔岩心蚀变特征

3.1 端元光谱提取

端元光谱是蚀变信息提取的依据，通过计算光谱图像上每个像元与端元光谱的相似或匹配程度，便可识别光谱图像的蚀变类型和空间分布。端元光谱选取的方式主要有两种：1）根据矿物种类直接从USGS 或JPL 标准波谱库中挑选或从实测光谱中筛选。2）利用数学原理，计算出图像中的纯净像元类别，然后将每类纯净像元的光谱和光谱库进行比较后，确定端元光谱。本次研究采用第2 种方法。

CUSD2-2 成像光谱数据纯净像元计算后初步得到6 类像元光谱。这6 个纯净像元谱经光谱分析初步确定特诊吸收位置后（图4），参考USGS 标准波谱库，并结合矿物光谱学知识，筛选出6 种矿物端元光谱：短波云母、长波云母、绿泥石+云母、蒙脱石、方解石和赤铁矿。

图4 利用纯净像元算法与光谱学原理提取的CUSD2-2 孔的端元波谱Fig.4 The spectral endmembers of borehole CUSD2-2 extracted by PPI algorithm and spectroscopy

根据相山地区前期高光谱编录成果，钻孔岩心中识别的蚀变有高岭石和迪开石、赤铁矿、伊利石、绿泥石和方解石［3-5］。而地质蚀变研究成果中，发现的蚀变很少见到高岭石、迪开石。因此，根据光谱吸收位置相近与多位置组合，认为短波云母应为绢云母（白云母）、长波云母为伊利石（水云母），绿泥石+云母是转化不彻底的绿泥石。

最终利用成像光谱技术，在CUSD2-2 孔岩心中识别出6 类蚀变：绢云母化、伊利石化、绿泥石化、方解石化、蒙脱石化和赤铁矿化。

3.2 岩心蚀变的发育特征

基于上述提取的6 类端元，结合光谱角匹配（SAM）开展了蚀变填图，获取各类蚀变矿物的空间展布特征。

3.2.1 赤铁矿化

CUSD2-2 孔岩心总体上赤铁矿化不发育，仅出现在孔深350 m 以浅的鹅湖岭组火山岩中（图5），且蚀变较弱，在孔深930 和960 m 附近的变质岩中有零星赤铁矿化。已发现的赤铁矿化主要沿裂隙面发育。

图5 CUSD2-2孔典型岩心段蚀变类型与分布特征Fig. 5 The types and distribution characteristics of alterations in typical segment of borehole CUSD2-2

3.2.2 绿泥石化

绿泥石化出现在钻孔的不同深度，发育强度明显强于赤铁矿化和方解石化，在钻孔的不同岩性中均有发育，属于面型蚀变。当岩石发生破碎或出现裂隙时，蚀变明显，如孔深474.5～475.5 m 似斑状花岗岩中出露于裂隙中的绿泥石（图5）。

3.2.3 方解石化

方解石化出现在钻孔的不同深度，蚀变强度一般低于10 %，但是在孔深250～270 m 处有明显的加强。方解石化经常与绿泥石化相伴生，呈独立条带或块状，如孔深248 m 附近鹅湖岭组碎斑流纹岩中沿裂隙发育的方解石晶体或微晶，以及孔深326.5～327.4 m 裂隙带内的方解石化和绿泥石化（图5）。

3.2.4 蒙脱石化

本次提取的蒙脱石化属最不发育的蚀变类型，蚀变强度在1 %以内，分布于不同的岩性，但主要分布在岩石明显破碎地段。如孔深2 607.6 m 强烈破碎的炭质板岩中出现了比较明显的蒙脱石化（图5）。

3.2.5 绢云母化

绢云母化成面状分布，主要发育在似斑状花岗岩破碎地段，在浅变质岩中，也有少量分布（图5）。当出现在似斑状花岗岩与变质岩接触带时，岩体一侧蚀变更强。

3.2.6 伊利石化

伊利石化在岩心中分布比较广泛，以面状的形态发育，但在裂隙破裂面附近发育程度也会增强（图5），且受似斑状花岗岩控制比较明显。

综合分析，CUSD2-2 孔的6 类蚀变具有不同的发育特征，蚀变类型虽然与岩性有关，但蚀变强度明显受断裂造成的破碎带控制。

3.3 蚀变分带

相山铀矿田热液蚀变具有面上的分带性，矿前期蚀变主要有钠长石化和水云母化，矿田北、东部以钠长石化为特征，西部以水云母化为主。成矿期蚀变主要有：赤铁矿化、水云母化、绿泥石化、方解石化、萤石化和黄铁矿化等。矿化蚀变受构造控制明显，具分带特点和叠加现象，北、东部的蚀变中心为赤铁矿化带，向两侧依次出现钠长石化、方解石化、绿泥石化带及水云母化带；西部的蚀变中心为萤石、水云母化，旁侧为成矿早阶段的赤铁矿化，最外侧为矿前期大面积发育的水云母化带。成矿后蚀变叠加于成矿期蚀变之上，多以小脉体充填裂隙为特征，主要有方解石化、硅化、水云母化、萤石化和绿泥石化等。

根据岩心成像光谱提取的蚀变信息结果，编制了CUSD2-2 孔蚀变标型剖面（图6），对蚀变的纵向分布特征进行了研究。根据剖面不同深度蚀变矿物及其强度组合，将整孔由浅至深划分为3 个大的地球化学带：浅部（0～980 m）碱性蚀变带，中部（980～1 230 m）原生带，深部（1 230～2 600 m）弱酸-碱蚀变带。

图6 CUSD2-2 岩心成像光谱扫描蚀变信息标型剖面Fig.6 The alteration information profile of CUSD2-2 by imaging spectral logging

3.3.1 浅部碱性蚀变带

属于碱性蚀变为主的酸-碱蚀变带。孔深0～385 m 属于碱性蚀变，由赤铁矿化、绿泥石化、方解石化和蒙脱石化等4 种蚀变组成；其中0～251 m 鹅湖岭组发育整孔中最强的蒙脱石化，同时发育中等强度赤铁矿化；251～320 m打鼓顶组发育整孔最强的方解石化，并有少量绿泥石化；320～325 m 打鼓顶组发育整孔最强的赤铁矿化，同时发育有弱的方解石化和绿泥石化；325～385 m 打鼓顶组发育明显的方解石化和弱绿泥石化。

孔深385～600 m 属于弱酸性蚀变带，以似斑状花岗岩中发育微弱的水云母（伊利石）为标志。孔深600～980 m 属于弱碱性蚀变带，以中元古界变质岩发育弱的碳酸岩化和赤铁矿化为特点。

3.3.2 原生带

本带由中元古界炭质板岩和千枚状板岩等岩性构成，岩石中仅出现极其少量绿泥石化。由于强度和分布非常有限，推测很可能是变质作用过程中形成的绿泥石，而非后期热液蚀变的产物，说明该节没有遭受热液作用。

3.3.3 深部酸碱蚀变带

本带具有酸-碱耦合及下碱上酸的分带特征。孔深1 230～1 310 m 为弱酸性蚀变带，以发育强烈的水云母（伊利石）和明显的绢云母为主，伴生发育弱的绿泥石化和赤铁矿化为特点。孔深1 310～2 140 m 为混合蚀变带，以同时出现比较明显水云母（伊利石）化和绿泥石化为特征，并伴生有弱赤铁矿化和绢云母化为特点。孔深2 140～2 600 m 为弱碱性蚀变带，以出现蒙脱石化为标志，同时绿泥石化明显加强并有弱赤铁矿化。

可见，深部酸碱蚀变带具有酸碱蚀变共存，下部碱性蚀变逐渐过渡为酸性蚀变的分带特征。

3.4 蚀变分带与铀成矿作用

根据岩心成像光谱扫描信息，CUDSD2-2孔包含了3 个地球化学蚀变带。

根据钻孔地质编录的结果，CUSD2-2 发现的铀矿化分布在孔深321～325 m，与构造破碎带和明显的赤铁矿化相伴生，具有一定的成矿前景。根据高光谱蚀变标型剖面，其下部470～570 m 岩心段有比较明显的水云母（伊利石）化，但强度一般。根据区内铀矿化富集需要强酸性蚀变的认识，CUSD2-2 孔本身铀成矿作用不强，但由于470～570 m 岩心段酸性蚀变明显，有必要利用其他信息对其邻区蚀变与成矿作用开展研究。

根据岩心高光谱蚀变矿物标型剖面，CUSD2-2 孔深1 230～2 600 m 出现了酸-碱耦合蚀变带，表明存在深部流体或热液作用的过程。蚀变带顶部1 230～1 310 m 为弱酸性蚀变，以发育强烈的水云母（伊利石）化和明显的绢云母化为主，伴生有弱绿泥石化和赤铁矿化，体现了酸碱蚀变空间耦合作用。这种酸碱蚀变空间耦合与已知多金属矿空间分布相对应，体现了蚀变与多金属矿化的成因关系。此外，由于CUSD2-2 孔位于相山盆地的北部，总体上处于铀成矿区内。

4 讨 论

4.1 端元光谱吸收特征与蚀变类型的关系

本文从相山铀矿田CUSD2-2 孔岩心成像光谱反射率数据中，根据反射光谱学中矿物特征吸收位置，提取了短波云母、长波云母、绿泥石+云母、蒙脱石、方解石和赤铁矿共6 种矿物端元光谱。其中，蒙脱石、方解石和赤铁矿是相山铀矿田已发现的蚀变矿物类型，而长波云母、短波云母和绿泥石+蒙脱石前期没有发现此类蚀变，地质类型和成因有必要进行进一步讨论。

长波云母和短波云母是近年来部分学者在对云母类矿物中Al-OH 的吸收位置在2 200 nm附近左右移动时提出的，认为当其中六配位铝（AlVI）含量较高时，其吸收中心位置向更短波长方向移动，即称为短波（富铝）云母；当AlVI的含量降低时，其吸收中心向长波方向移动，则称之为长波（低铝）云母［3-4，16］。本文认为，除了类质同像效应外，同质多像、晶变和多型等都有可能造成云母类矿物Al-OH 的吸收波长和强度的变化，进而造成光谱吸收特征的变化。因而短波（高铝）云母和长波（低铝）云母吸收位置的变化很可能是云母类矿物在不同形成温度、压力和应力等条件下的产物。

本文提取的长波和短波云母，都在2 342.9 nm附近有次要吸收特征（图4a、b），在USGS、JPL 和IGCP 三个标准光谱库中没有找到完全一致的吸收位置，与之接近的是JPL库中伊利石在2 344 nm的吸收和USGS 库中白云母在2 345 nm 的吸收特征。短波云母主吸收位置2 198.7 nm（图4a）分别与IGCP 库中伊利石在2 200 nm 的吸收和JPL 库中白云母在2 196 nm 的吸收接近。由于本文识别的短波云母在2 198.7 和2 342.9 nm 的吸收组合与USGS 库中白云母2 195 和2 344 nm 的组合最接近，同时USGS 库中特别标出该白云母与红宝石共生，属于绢云母可能性最大，因此认为本文提取的短波云母应为绢云母。而本文提取的长波云母在2 216.8 与2 342.9 nm 组合（图4b）与USGS 库中伊利石的2 215和2 345 nm 组合最为接近。考虑到相山地区广泛分布的伊利石化和钻孔中长波云母的面状发育特征，判断CUSD2-2 孔长波云母应为伊利石。

提取的绿泥石+云母端元光谱中出现2 216.8、2 252.8 和2 348.9 nm3 个特征吸收位置组合（图4c），经与三大光谱库对比，发现2 216.8 和2 348.9 nm 组合与USGS 库中伊利石的2 215 和2 345 nm 的组合接近，而2 252.8 nm 的特征吸收与JPL 库中的烧绿石和铁绿泥石2 252 nm 的吸收特征完全一致。考虑到绿泥石族的不同矿物在2 328、2 340、2 344 和2 352 nm 也存在吸收特征，故此综合判断CUSD2-2 孔中提取的在2 216.8、2 252 和2348.9 nm 有特征吸收的光谱端元，主要代表了绿泥石的光谱特征，也可能有极少量含有伊利石。

综上所述，在利用光谱吸收特征开展蚀变矿物提取与识别时，在凭吸收中心的位置来推断矿物种类的基础上，还要结合岩石产出的地质背景和共伴生组合等条件，通过综合分析方可得出最终的结论，从而可为岩心的蚀变信息提取和编录提供具有地质意义的信息。

4.2 蚀变强度与光谱角制图阈值关系

本次提取的蚀变信息强度是指统计单元内某种蚀变类型所占面积百分比。由于每个像元蚀变类型的判别取决于像元光谱与参考光谱的匹配程度，理论上同类蚀变矿物的光谱应该有相同的诊断特征。但这种相同是相对的，与判别模型和参数选择直接相关。本次光谱匹配采用了光谱角制图（SAM）方法，虽然是使用最多和最有效的方法，但仍存在一些问题。由于SAM 把像元的光谱看作N维向量，光谱匹配只是通过计算待分类光谱与参考光谱的夹角大小进行判别。夹角等于零，两者相同，夹角越小两者越接近。

只有当两者每个分量完全一致时，光谱角才能等于零。这在现实世界很难实现，因为即便是利用同一台仪器测量同一物体，其测量结果也会由于测量条件变化、仪器精度等产生测量误差，从而难以得到零度夹角。因此，光谱角阈值大小设定成为一个非常关键的问题。阈值过大会把相接近或类似蚀变算入本类别，而阈值过小又会把由于测量误差导致的计算夹角偏大的同种类别排除在外。这时需要先不断地调试光谱角阈值，然后利用地质知识判断识别计算结果是否合理。

本次研究发现：蚀变类型和蚀变强度的计算结果很大程度上依赖于地质知识。为提高计算准确性，首先要精确选定特征吸收的波段范围，不要把整个光谱测量范围纳入计算。然后就是不同的蚀变矿物采取的阈值，不能简单地将某个提取效果好的阈值用于所有的蚀变类别。

5 结 论

本文以相山铀矿田CUSD2-2 孔科学深钻岩心成像光谱数据为研究对象，以改进的噪声处理等图像处理算法对原始数据进行了预处理，并结合地质知识综合确定了蚀变矿物光谱端元，开展了蚀变矿物填图及蚀变强度半定量计算，编制了钻孔蚀变矿物典型剖面，主要结论如下：

1）由于矿物的反射光谱对成分和结构的变化极其敏感，而同种矿物可能由于不同的形成条件和多型特征等，其物理性质发生变化，常造成光谱吸收位置的偏移。这种偏移会造成相似矿物吸收位置的重叠交叉，影响利用纯净像元光谱吸收特征对矿物种类判别的准确性。钻孔岩心蚀变信息端元光谱提取需要采用纯净像元提取与先验知识相结合的方法，才能取得符合地质实际情况的蚀变矿物类型。

2）光谱角阈值大小对提取的蚀变矿物类型有无和强度具有决定性作用。阈值过大容易造成吸收特征相近的矿物类混合，而阈值过小会将误差放大而漏掉同类蚀变矿物。可通过对阈值的多次调试，并综合利用地质知识进行判断的方法完成。

3）岩心成像光谱编录结果表明：CUSD2-2孔总体蚀变不强，可以分为3 个地球化学带：浅部（0～980 m）中等碱性蚀变带，中部（980～1 230 m）原生带，深部（1 230～2 600 m）弱酸-碱蚀变带。根据酸碱共轭和相山地区成富矿必有强酸性蚀变的认识，本孔铀成矿作用不强。但本孔在孔深1 231～2 600 m 处出现了酸-碱耦合蚀变带，表明存在深部流体或热液作用过程，且酸碱蚀变空间耦合与已知多金属矿空间分布相对应。考虑到CUSD2-2 孔位于深大断裂附近，同时上部存在中等强度的碱性蚀变，不能排除其邻区存在更强的酸性蚀变和伴生较好铀矿化的可能。