張博， 司慶紅*， 苗培森， 趙華雷， 朱強， 陳印， 陳路路

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心， 天津 300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局鈾礦地質(zhì)重點實驗室， 天津 300170)

砂巖型鈾礦床是一種具有重要工業(yè)價值的鈾礦類型，因其儲量規(guī)模大、開采成本低和相對環(huán)保等特點,已成為目前世界上鈾礦資源勘查的主攻方向[1-3]。與其他類型鈾礦床相比，砂巖型鈾礦具有明顯的后生成礦特點，主要與后期流體作用密切相關(guān)，在流體改造的過程中,會形成可能記錄成礦流體信息的礦物[4-5]。對礦物類型、組合、空間分布特征及反演流體作用等進行研究，將有助于深入認識礦床成因及提高地質(zhì)找礦勘查效率[6-7]。

近紅外巖心光譜掃描技術(shù)作為一種面向巖心的光譜測量技術(shù)，具有使用簡單方便、分析快速、不破壞樣品等特點，為礦物精確識別、礦化分帶特征等研究提供了一種更為成熟、有效的方法[8-13]。該技術(shù)在巖心掃描中的應(yīng)用逐漸成熟，已經(jīng)成為各類礦床勘查與研究中一種重要的工作手段，并取得了很好的應(yīng)用效果[14-16]。它主要利用礦物在可見光、近紅外(VNIR)和短波紅外(SWIR)波段的特征反射光譜識別礦物，通過對巖心開展連續(xù)掃描,能夠在自動掃描和無損樣品的前提下,快速地獲得地質(zhì)樣品的光譜數(shù)據(jù)，從而定性或半定量的礦物信息[16-17]。陳華勇等[18]利用該技術(shù)在鄂東南礦集區(qū)確定了主要蝕變礦物的類型、形成期次、分帶，揭示了主要蝕變礦物的SWIR特征值的指示規(guī)律；史維鑫等[16]利用該技術(shù)研究了福建馬坑鐵礦的主要蝕變礦物及組合特征，劃分了蝕變分帶及礦床類型，等等。

a—彭陽鈾礦床大地構(gòu)造背景； b—研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖及研究鉆孔位置。圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置及區(qū)域地質(zhì)簡圖[27]Fig.1 Geotectonic location and regional geological sketch of the study area[27]

近年來，在鄂爾多斯盆地西南緣彭陽地區(qū)新發(fā)現(xiàn)一處深部鈾異常區(qū)及礦體，并開展鉆探驗證(ZK1鉆孔)[19-20]。本文以ZK1鉆孔為例，基于近紅外巖心光譜掃描技術(shù)對彭陽鈾礦的伊利石(伊/蒙混層)、高嶺石、綠泥石、碳酸鹽礦物、鐵氧化物、石膏、蒙脫石等礦物類型及其分布特征進行研究，并探討了礦物分布特征與鈾成礦的空間及成因關(guān)系。研究結(jié)果有助于認識該礦床的成礦流體作用，對鈾成礦規(guī)律研究和下一步找礦工作提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北陸塊西部，是中國中生代典型的大型內(nèi)陸沉積盆地之一，地貌上為一南北走向、東緩西陡的不對稱向斜盆地。盆地蘊藏有豐富的石油、天然氣、煤炭、鈾礦、油氣等多種能源礦產(chǎn)，為中國重要的能源礦產(chǎn)基地之一。鄂爾多斯盆地是發(fā)育在華北克拉通之上的多旋回疊合型盆地[21-23]，具有雙重基底結(jié)構(gòu)。蓋層為中新生界陸相沉積碎屑巖[24]，主要由上三疊統(tǒng)延長群、侏羅系、下白堊統(tǒng)、漸新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系組成[23,25-26]。

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，地處寧夏、甘肅兩省交界。大地構(gòu)造位置位于盆內(nèi)天環(huán)坳陷南緣，西鄰西緣逆沖帶，東鄰伊陜斜坡，構(gòu)造條件較為有利(圖1a)。區(qū)域構(gòu)造較為發(fā)育，以北西向、近南北向斷裂構(gòu)造為主。彭陽鈾礦成礦遠景區(qū)呈南北走向的長條形，南北長約60.9km，東西寬約33.5km，面積達2049.4km2，深度在700～1500m之間。該區(qū)中新生代蓋層保存相對齊全，發(fā)育有上三疊統(tǒng)延長群、侏羅系、下白堊統(tǒng)、漸新統(tǒng)、上新統(tǒng)和第四系。其中下白堊統(tǒng)自下而上為：宜君組、洛河組、環(huán)河—華池組、羅漢洞組、涇川組。賦鈾礦層位為洛河組，也是本文重點研究地層，是區(qū)域重要的含礦、含水層，頂?shù)拙鶠楹嗄鄮r和粉砂巖，構(gòu)成了巨型泥-砂-泥沉積組合，屬風(fēng)成沉積體系下發(fā)育的一套巨厚紅色砂體[20,27-28]。該地層呈單斜產(chǎn)出，傾角較平緩，砂體多發(fā)育交錯層理或斜層理，巖性以紅褐色、淺黃色、灰色的中、細砂巖為主，局部為含礫粗砂巖、砂礫巖或薄層粉砂質(zhì)泥巖，鈾礦體主要位于洛河組下部的淺灰色的中、細砂巖中。

2 實驗部分

2.1 光譜數(shù)據(jù)采集

對彭陽鈾礦ZK1鉆孔巖心開展了近紅外光譜掃描，鉆孔位置見圖1b。近紅外光譜掃描工作是在完鉆后一個月內(nèi)完成，巖心較新鮮，基本未遭受后期風(fēng)化。光譜數(shù)據(jù)采集使用的儀器為中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心研發(fā)的數(shù)字化巖心光譜掃描儀(CMS350B型)。該儀器使用的光譜儀為ASD FieldSpec4可見光-短波紅外地面光譜儀，波譜范圍為400～2500nm。在400～1050nm范圍內(nèi)的光譜分辨率為3nm，在1050～2500nm范圍內(nèi)的光譜分辨率為10nm。本文數(shù)據(jù)采集是利用穩(wěn)定的外置光源，外置光源為20W鹵素?zé)簦墙佑|式測量，測量點間距設(shè)置為5cm。測試前儀器需開機預(yù)熱20～30min，每次開機后均使用標(biāo)準(zhǔn)白板進行定標(biāo)，每采集一盒巖心數(shù)據(jù)時，測試一次標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜數(shù)據(jù)。此外，光譜數(shù)據(jù)采集前還要對巖心進行清潔，保證待測巖心的表面干燥、無塵、無遮擋。

2.2 光譜數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括深度數(shù)據(jù)校正和光譜數(shù)據(jù)解譯兩部分。深度數(shù)據(jù)校正是以回次為單元，對光譜儀連續(xù)采集的深度數(shù)據(jù)進行校正，使數(shù)據(jù)每個數(shù)據(jù)采集點深度更接近于真實深度，減小由于巖心采取率引起的誤差。本研究采用的光譜數(shù)據(jù)解譯方法，是采用TSG軟件直接從光譜吸收和反射特征提取礦物信息。TSG軟件是用于分析巖心、礦物等樣品光譜信息的軟件，涵蓋了多種巖心、礦物光譜數(shù)據(jù)的分析算法、提取方法[29]，針對光譜庫內(nèi)礦物的提取方法構(gòu)建了多種模型[30]。

在光譜數(shù)據(jù)解譯過程中，要將野外現(xiàn)場采集的巖心光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入TSG軟件中，該軟件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)礦物光譜庫中的標(biāo)準(zhǔn)曲線對光譜數(shù)據(jù)進行自動尋峰、最佳匹配，并計算出可識別礦物的相對含量和擬合誤差等。同時，使用TSG構(gòu)建的其他標(biāo)量來進一步驗證這些礦物的識別結(jié)果[31]。通過光譜數(shù)據(jù)解譯，彭陽鈾礦床共識別出高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、碳酸鹽礦物、石膏、鐵氧化物(包括赤鐵礦、針鐵礦)等礦物。各種礦物的提取參數(shù)見表1。

表1 各種礦物的提取參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品光譜特征

本文對彭陽鈾礦ZK1鉆孔開展了連續(xù)的巖心樣品近紅外光譜掃描，提取高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、碳酸鹽礦物、石膏、鐵氧化物等礦物信息，分析了上述礦物的光譜特征，編制礦物分布圖。

3.1.1高嶺石

沉積地層中的高嶺石一般認為是由長石等硅酸鹽礦物經(jīng)蝕變作用所形成的，主要形成于酸性環(huán)境。高嶺石的反射光譜以1400nm(O—H的一級倍頻)的雙吸收譜帶和2160nm、2200nm(Al—OH和O—H的組合頻)附近的兩個吸收峰為特征(圖2a)，極易與其他種類的黏土礦物分辨。此外，高嶺石結(jié)晶度的差異也會導(dǎo)致上述雙吸收峰的寬度和吸收深度發(fā)生變化。高嶺石以獨有的2160nm附近的吸收為高嶺石的鑒定特征，本文提取該譜帶的吸收深度(D2160)作為高嶺石的含量指標(biāo)。由于伊利石和蒙脫石均無2160nm附近的吸收，所以利用近紅外光譜掃描技術(shù)提取的高嶺石信息的可靠性很高。

3.1.2蒙脫石

蒙脫石是一種在低溫、堿性環(huán)境下形成的礦物。反射光譜顯示主要是2210nm(Al—OH和O—H的組合頻)附近強烈的單吸收(圖2b)，輔1410nm和1910nm附近明顯的不對稱吸收帶(OH和H2O吸收)。因為高嶺石中的水和Al—OH吸收也是在1900nm和2210nm附近，所以，如果有兩種黏土礦物同時存在，采用1900nm水或者2210nm的Al—OH譜帶深度(吸收強度)難以分開不同的黏土礦物。但是本研究區(qū)蒙脫石2210nm附近的吸收明顯寬于高嶺石或者伊利石2210nm附近的吸收，蒙脫石與高嶺石混合后Al—OH譜帶顯示寬度增加。本文采用寬度指標(biāo)W2210值作為蒙脫石的指示，W2210值的測定是提取Al—OH譜帶的“半深寬”。

圖2 彭陽鈾礦床典型礦物的近紅外光譜特征Fig.2 Near infrared spectral characteristics of typical minerals in Pengyang uranium deposit

3.1.3伊利石

伊利石也稱含水絹云母，屬于水云母族，其組成與白云母略有不同，其層間K更低，而四面體中Si和Al置換的程度不及白云母高，含更多的水，是常見的一種低溫?zé)嵋撼梢虻V物，在各種成因的巖石地層中均可見到。伊利石的光譜特征的主要吸收位置在1400、1910、2350、2440nm附近(圖2c)，這些特征與白云母、絹云母等相似，較難區(qū)分，主要區(qū)分于伊利石在1460nm和1910nm附近有深的吸收帶[30]。此外，伊利石的吸收深度會隨著結(jié)晶度的變化而變化，同時，由于K+、Na+、Al3+等陽離子的替代會引起吸收位置的位移。在含量指標(biāo)提取時，采用TSG軟件中的自動解混功能獲得伊利石的占比。鑒于伊利石與伊/蒙混層在近紅外波段的特征吸收位置相似，本文未作區(qū)分。

3.1.4綠泥石

綠泥石一般包括鐵綠泥石和鎂綠泥石兩類，前者主要以2260nm、2350nm的吸收為特征，同時受Fe2+的影響，在1400～1600nm波段存在明顯的波谷；后者以2250nm和2330～2340nm附近吸收為特征[18]。本文測試的數(shù)據(jù)反射光譜顯示特征主要是在1900nm附近含水的吸收峰，F(xiàn)e—OH在2260nm附近有明顯的吸收峰，Mg—OH在2350nm附近有明顯的吸收峰(圖2d)。提取結(jié)果中以該譜帶的吸收深度D2250作為綠泥石的含量標(biāo)志。

3.1.5碳酸鹽礦物

沉積地層中的碳酸鹽礦物一般包括方解石和白云石，光譜特征為在2300～2400nm之間有單一的吸收特征，吸收峰左寬右窄(圖2e)。方解石在2340nm附近有一個強烈的吸收峰，表現(xiàn)出明顯的不對稱性，在2300nm附近一般也會有一個肩狀峰。白云石的吸收峰位置在2320～2325nm，比方解石的特征吸收峰波長位置值要小[13]。研究區(qū)碳酸鹽礦物特征峰吸收位置主要在2340nm附近，為較典型的方解石。本文主要是采用TSG軟件中的自動解混功能提取碳酸鹽礦物，以2240nm處的高吸收值為光譜特征進行識別。微觀礦物學(xué)研究結(jié)果也表明研究區(qū)主要的碳酸鹽礦物為方解石，且與鈾礦化關(guān)系較為密切。

3.1.6石膏

石膏是一種沉積地層和蒸發(fā)沉積物中典型的硫酸鹽礦物。石膏在短波紅外波段的光譜特征主要是1750nm、1940nm附近明顯的吸收峰，更為特征的是1449nm、1490nm、1535nm附近的“三臺階”(圖2f)。本文以1940nm附近的吸收譜帶深度作為石膏的含量指標(biāo)。整體上洛河組上部的石膏含量總體較低，但在含礦段，石膏與成礦有著明顯的空間關(guān)系。

3.1.7鐵氧化物礦物

鐵氧化物礦物主要包括赤鐵礦、針鐵礦，是沉積地層中常見的礦物，可以作為氧化環(huán)境的指示礦物。赤鐵礦的特征吸收峰位置在660nm、750nm、860～930nm，其中750nm附近的吸收峰可指示赤鐵礦的顏色。針鐵礦的特征吸收峰位置在660nm、910～940nm附近。研究區(qū)主要發(fā)育赤鐵礦，針鐵礦相對較少，本文選擇860～930nm段的吸收深度作為提取鐵氧化物礦物的參數(shù)。

3.2 礦物組合特征

礦物類型、礦物組合及分帶特征是地質(zhì)找礦的重要標(biāo)志，是成礦成巖過程中水-巖相互作用等因素的產(chǎn)物[32]。礦物種類及分布規(guī)律通常與巖性之間存在著一定的相關(guān)關(guān)系[16,33]。白堊系洛河組是ZK1鉆孔主要的含鈾層位，主體上為一套風(fēng)成砂巖。巖性組合為灰色、淺灰綠色、淺黃色、淺紅色細砂巖，灰色、淺灰綠色、淺黃色中細粒砂巖、中粒砂巖和灰色復(fù)合成分礫巖等。與地質(zhì)編錄結(jié)果相比較，近紅外巖心光譜掃描結(jié)果更精細地展示了鉆孔中垂向上各類礦物的分布，并且從半定量的角度反映了礦物在各個層位的發(fā)育強度。洛河組識別出的礦物主要包括：伊利石、高嶺石、綠泥石、碳酸鹽、石膏、鐵氧化物、蒙脫石(極少量)等。其中，伊利石在洛河組由頂?shù)降拙蟹植?；綠泥石在1130～1320m深度范圍內(nèi)分布，且強度較弱；碳酸鹽礦物在洛河組均有發(fā)育，主要是鈣質(zhì)膠結(jié)物的顯示，在砂礫巖段含量最高；石膏分布范圍較廣，但在鈾礦化段較發(fā)育，與鈾礦化表現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系；鐵氧化物礦物與巖心顏色密切相關(guān)，在紅色、淺紅色、黃色砂巖、泥巖段均有發(fā)育，在灰色砂巖段消失；高嶺石在1215～1320m深度較為發(fā)育；蒙脫石極少，僅在局部發(fā)育。

表2 基于近紅外光譜技術(shù)的洛河組礦物組合特征

本文將含鈾礦層洛河組由頂?shù)降讋澐譃?個巖性組合，不同巖性段對應(yīng)不同的礦物組合(表2)。結(jié)果表明，礦物具有較規(guī)律的分帶性，礦物類型及其組合受巖性控制比較明顯?？傮w上，洛河組的礦物組合為“伊利石+石膏+碳酸鹽+鐵氧化物+高嶺石+綠泥石”。

3.3 礦物組合與鈾礦化的關(guān)系

與洛河組沉積背景相比，ZK1鉆孔發(fā)育多個鈾礦化段(圖3)，其中，洛河組底部Ⅰ段(1384.75～1414.94m)和Ⅱ段(1432.35～1435.05m)兩段為主要的工業(yè)礦含礦部位，其余為礦化段。通過自然伽馬(GR)數(shù)值與礦物分布對比分析發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)含礦段存在大量的高含量石膏與之對應(yīng)，其余礦化區(qū)段與石膏的對應(yīng)關(guān)系也較為明顯。

在Ⅰ段(1384.75～1414.94m)，巖性主要為淺灰色細砂巖、淺灰色中砂巖、綠灰色細砂巖，局部為淺灰色粗砂巖。野外現(xiàn)場巖心編錄為泥質(zhì)膠結(jié)，局部為鐵質(zhì)膠結(jié)，可見黃鐵礦顆粒。近紅外巖心光譜掃描結(jié)果顯示該區(qū)段發(fā)育石膏、伊利石、碳酸鹽礦物，可見少量高嶺石，幾乎不發(fā)育鐵氧化物。在Ⅱ段(1432.35～1435.05m)，巖性均為淺灰色細砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，礦物組合與Ⅰ段基本一致。鈾礦化段與非鈾礦化段相比，主要差別是石膏的增加和鐵氧化物礦物的消失。這與砂巖型鈾礦主要形成于還原環(huán)境密切相關(guān)，還原環(huán)境的主要標(biāo)志就是赤鐵礦、褐鐵礦等氧化物礦物的減少[34]?？傊诮t外巖心光譜掃描技術(shù)，彭陽鈾礦床洛河組鈾礦段的礦物組合為“伊利石(伊/蒙混層)+石膏+碳酸鹽”，局部可見高嶺石。

圖3 ZK1鉆孔洛河組的礦物分布圖Fig.3 Mineral distribution map of the Luohe Formation in Borehole ZK1 drilling core

除此之外，利用掃描電鏡等技術(shù)方法還在洛河組含鈾礦段發(fā)現(xiàn)黃鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石、碳酸鹽等礦物與鈾礦物關(guān)系密切[27]。掃描電鏡下可見：星點狀瀝青鈾礦周邊發(fā)育銳鈦礦、蒙脫石、伊/蒙混層(圖4a)；瀝青鈾礦與黃鐵礦共生，周邊發(fā)育綠泥石、蒙脫石等黏土礦物(圖4b)；星點狀瀝青鈾礦分布于細晶柱狀磷灰石的周圍(圖4c)；星點狀瀝青鈾礦與銳鈦礦、綠泥石(圖4d)；星點狀瀝青鈾礦圍繞銳鈦礦邊緣產(chǎn)出(圖4e)；瀝青鈾礦集合體發(fā)育在銳鈦礦、綠泥石孔隙中(圖4f)等。洛河組砂巖中黏土礦物含量總體較低，鈾礦物與伊/蒙混層、綠泥石、高嶺石等黏土礦物共生，這主要是黏土礦物對鈾的吸附作用形成的。

Ant—銳鈦礦； Ap—磷灰石； Chl—綠泥石； Kfs—鉀長石； I/S—伊/蒙混層； Pit—瀝青鈾礦； Py—黃鐵礦； Qtz—石英； Sme—蒙脫石。各小圖a～d樣品均取自ZK1鉆孔洛河組含鈾礦段，樣品深度為1384.75～1414.94m。圖4 與鈾礦物共生的礦物Fig.4 Minerals associated with uranium minerals

3.4 礦物組合的流體指示意義

4 結(jié)論

本文利用近紅外光譜掃描技術(shù)，研究了彭陽鈾礦床洛河組碳酸鹽巖礦物的光譜特征，識別了洛河組主要的礦物類型以及組合特征。在垂向上，礦物呈現(xiàn)出較明顯的分帶性，不同礦物的分布嚴格受巖性和后期流體作用的控制。鈾礦段礦物組合為“伊利石(伊/蒙混層)+石膏+碳酸鹽”，局部可見少量高嶺石，表明沉積期含鈾礦段主要是一套堿性環(huán)境，成礦期存在還原性酸性流體的注入。

近紅外巖心光譜掃描技術(shù)能無損、快速、有效地提取巖心中礦物的空間分布信息，為砂巖型鈾礦及其他礦種的礦物學(xué)及流體作用方面的研究提供了一種新的思路和方法。但是，該方法也存在局限性，如解譯結(jié)果半定量、易受巖心條件影響等，需要結(jié)合掃描電鏡、X射線衍射等其他實驗手段開展綜合研究。

致謝：本文光譜數(shù)據(jù)野外采集過程中得到中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心修連存研究員及其團隊的支持，光譜數(shù)據(jù)解譯得到中科遙感集團有限公司楊凱博士、張紅亮博士等大力指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！