基于哨兵-2数据的白岗岩型铀矿构造蚀变特征研究——以纳米比亚罗辛矿区为例.pdf

第 40 卷 第 2 期2024年 3月Uranium Geology铀矿地质Vol.40 No.2Mar.2024DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2024.40.024基金项目 中核集团第四代勘查项目（编号：地 SD-05-03）资助。收稿日期 2023-07-05 改回日期 2023-09-13作者简介 武鼎（1985），男，高级工程师，主要从事遥感铀矿勘查方面的研究工作。E-mail:wuding-通信作者 周觅（1986），女，高级工程师，主要从事科研管理和遥感信息处理方面的工作。E-mail:基于哨兵-2数据的白岗岩型铀矿构造蚀变特征研究以纳米比亚罗辛矿区为例 武鼎1，周觅2，王俊虎1，郭帮杰3（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.中国核工业集团有限公司，北京 100822；3.中核战略规划研究总院，北京 100048）摘要 白岗岩型铀矿是重要的铀矿资源，但针对该类铀矿典型矿床遥感特征的研究还十分薄弱。文章以纳米比亚罗辛铀矿区为研究对象，获取了该矿区哨兵-2遥感影像，总结了矿区典型蚀变矿物的光谱吸收特征，建立了针对矿区地质体的增强与构造解译方法。在此基础上，对获取的遥感影像进行了大气校正与几何校正，并应用主成分分析、波段比值等方法，提取了铁染、羟基和碳酸盐化蚀变信息。结果表明，罗辛铀矿中碳酸盐化蚀变在空间上与卡里毕比组的分布较为一致。通过选取合理的阈值，识别出与铀成矿相关的含大理岩地层。同时，对图像进行增强，并利用建立的构造解译方法，对罗辛铀矿的构造进行了识别。经野外查证，发现遥感识别构造、蚀变与野外查证结果一致，说明利用哨兵-2数据可以对白岗岩型铀矿的成矿条件与控矿要素进行识别，进而为铀矿勘查提供参考。关键词 哨兵-2；罗辛铀成矿区；蚀变特征；构造文章编号 1000-0658（2024）02-0285-09 中图分类号 P619.14 文献标志码 A铀是重要的能源与战略矿产，对国家经济建设和国防事业发展具有重要的推动作用。遥感技术能在不接触目标物的前提下快速获取目标的影像和波谱信息，并以此为基础探究目标的属性与特征，因而在开展境外调查方面具有得天独厚的优势。在矿床学与地质调查领域，遥感技术可以快速识别与成矿有关的各类岩石、构造与蚀变信息，并追索这些信息的空间分布及异变特征，确定有利的成矿区段，进而为外围找矿和实现“增储”提供重要参考。利用遥感技术进行矿化蚀变信息识别已十分成熟1-5。针对典型矿床进行构造、蚀变的遥感特征剖析是实现遥感找矿的基础。白岗岩型铀矿是一类重要的铀矿资源，被誉为21 世纪全球最重要的铀矿发现6。该类铀矿最典型的矿床集中于非洲纳米比亚西部斯瓦克普蒙德东北约 65 km 处的纳米布沙漠中。虽然前人针对白岗岩型铀矿已开展相关的遥感特征研究7-8，但这些研究使用的遥感数据存在光谱分辨率和空间分辨率方面的不足，只能开展大区域尺度的宏观研究，而很难针对具体矿床进行系统且全面的构造、蚀变特征揭示，严重制约了遥感技术在白岗岩型铀矿找矿方面的应用效果。相比而言，哨兵-2卫星具有 10 m高空间分辨率和多达 12个波段，且具有较大幅宽，不仅能针对典型矿床开展详细分析，还能直接利用分析结果在外围区域开展预测，是一种经济实惠又不乏研究与找矿价值的遥感数据源。本文针对前人研究中存在的对典型白岗岩型铀矿遥感特征揭示不足的问题，以哨兵-2卫星的多光谱数据为数据源，选择纳米比亚罗辛铀矿区为研究对象，开展了系统的矿床构造、蚀变遥感特征研究，不仅完善了白岗岩型铀矿遥感找矿模型，也为该矿床外围和其他地区铀矿勘查提供参考。1 研究区概况纳米比亚的地质单元可以分为 3个主要部分：北部属于刚果板块，西部和中部属于达马拉造山带，东南部属于卡拉哈里克拉通北缘。达马拉造山带是世界重要的铀成矿带，是卡拉哈里克拉通与刚果板块碰撞的武鼎铀 矿 地 质第 40 卷产物（Coward，1983）9，分为北带、中央带和南带。中央带以广泛分布的白岗岩和穹盆结构为特征。纳米比亚所有白岗岩型铀矿点均位于中央带。在达马拉造山运动后，热液和岩浆流体在有利位置上，逐渐叠加、富集形成铀矿床。研究区地层由老到新依次为前阿巴比斯杂岩体、艾杜西斯组（NEt）、可汗组（NKn）、罗辛组（NRs）、楚斯组（NCh）、卡里毕比组（NKb）和卡塞布组（NKs）10（图1）。区域主要构造线沿北东向和北北东向，其次为西北向、近东西向和南北向，以一系列断层和褶皱为主，具有多期（次）活动的特征。研究区侵入岩主要为前达马拉时期的阿巴比斯杂岩体和达马拉期的白岗岩。达马拉白岗岩可分为 5个侵入序列，其中第五序列为罗辛序列，主要由不同类型的花岗岩和伟晶岩组成。伟晶岩结构粗细不一，含碱量高，常出现在背斜穹窿内或脉状侵入体，是白岗岩型铀矿床的矿石母岩。根据岩石结构、野外接触关系和矿化特征，将纳米比亚地区白岗岩按形成早晚顺序划分为A、B、C、D、E、F 6种类型，其中铀矿化主要赋存于D、E两类白岗岩中。各类白岗岩的地质特征如表1所示。其中D和E阶段伟晶岩是主要的含铀岩体11。图 1 纳米比亚欢乐谷地区地质简图及铀异常点分布图（Chen Jinyong et al.，2013）Fig.1 Geological diagram of Gaudeanmus Area Namibia and showing the location of significant uranium anomalies（after Chen Jinyong et al.，2013）2 数据源与数据处理方法2.1 数据获取与预处理哨兵-2是由欧洲空间局于2015年发射的一组卫星星座，由哨兵-2A和哨兵-2B两颗完全相同的卫星组成。该星座将重访时间缩短到5天，旨在作为Landsat系列卫星的延续，与 Landsat组合可实现全球观测，重访周期为23天。可以获取13个波段的影像，包括6个可见光波段，4个近红外短波波段和3个近红外长波 286武鼎，等：基于哨兵-2数据的白岗岩型铀矿构造蚀变特征研究以纳米比亚罗辛矿区为例 第 2期波段，分辨率为10 m、20 m和60 m。其参数见表 2。本研究所使用的数据为哨兵-2的L1C级数据，分别于 2023年 4月 19日和 2023年 1月 9日获取。数据质量良好，无云雪等干扰。L1C级数据已进行过地图投影、辐射校正等预处理，但仍需进行大气校正。本文使用欧空局开发的 SNAP软件中的 Sen2Cor模块进行大气校正。图2展示了典型地物大气校正前与大气校正后的哨兵-2数据的光谱曲线图。为便于后期数据处理，将大气校正后的影像使用Sen2Res插件，该插件通过估算各波段相邻像素间的通用信息，利用高分辨率波段拟合混合模型12，通过相邻像素的通用信息的几何信息对低分辨率波段进行解混，可在保持光谱特征不变的前提下，实现哨兵-2低分辨率波段分辨率重建至 10 m，最后利用 ENVI软件的 Layer Stacking功能进行波段合成。表 2 哨兵-2数据波段参数表Table 2 Band parameters of Sentinel-2 data波段号123456788a9101112波段名深蓝蓝绿红红边 1红边 2红边 3近红外窄近红外水汽波段卷云短波红外 1短波红外 2中心波长/m0.4430.4900.5600.6650.7050.7400.7830.8420.8650.9451.3751.6102.190分辨率/m60101010202020102060602020 a b图 2 大气校正前后波谱曲线Fig.2 Spectrum curves before and after atmospheric correctiona大气校正前光谱曲线；b大气校正后光谱曲线。2.2 波段比值运算比值法是遥感信息提取的常用方法之一。该方法根据地物的光谱特征，选取某些峰值和谷值进行波段运算，通常是将具有较高反射率的波段除以具有较低反射率的波段（Ali etal，2014）13，以突出特定地物的光谱差异。该方法还可以消除由于斜坡方向和太阳光照产生的地形阴影和植被影响，但对于光谱曲线差异较小的矿物提取效果一般较差。表 1 纳米比亚不同类型白岗岩地质特征Table 1 The geological characteristics of different types Alaskite in Namibia白岗岩类型ABCDEF岩石特征浅灰白、淡粉色，细-中粒，糖粒状结构，以白色长石为主，副矿物很少，在达马拉变沉积岩中常发生褶皱和石香肠构造白色，中粒至伟晶状，常发育平行层理、褶皱和石香肠构造，含有石榴子石、电气石和黑云母，以石榴子石为标志矿物白色、浅红色，中粒至伟晶状，石英洁净，发育节理、面理等，含有磁铁矿、褐铁矿和电气石，以电气石和磁铁矿为标志矿物白色，中粗粒至伟晶状，烟灰色石英，可见-硅钙铀矿等黄色次生铀矿物以红色氧化晕圈为标志，细粒至伟晶状，圈内为灰白色，圈外为粉红色，含有烟灰色石英红色，粗粒至伟晶状，含有红色粗粒-伟晶状钾长石、乳白色石英，副矿物为磁铁矿和褐铁矿注：AF代表形成顺序由早到晚。287铀 矿 地 质第 40 卷2.3 主成分分析主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是一种线性变换方法，通过对多光谱影像特定波段组合进行正交线性变换，得到的各主分量之间相互独立、互不相关，从而实现数据降维和降低冗余。各个波段表征高、维数高的信息集中到前几个特征信息分量中。使用PCA方法进行矿化蚀变异常信息提取研究时，通常选用 PC3或 PC4特征信息分量。3 罗辛铀矿蚀变、构造信息提取3.1 黏土蚀变信息提取黏土化是水云母化、蒙脱石化、高岭石化的总称。本研究典型黏土化矿物有高岭土、绿泥石、白云母、水云母等。羟基是黏土矿物的重要组分，而羟基只有一个 O-H 伸缩基本振动，伸缩振动与晶格振动的合频谱带出现在 2.12.5 m 之间，其中 2.2 m 的吸收带是羟基的典型吸收谱带。根据USGS 光谱库中羟基蚀变矿物的特征曲线进行分析得出：羟基蚀变矿物一般在 0.5 m 出现第一个反射峰，在 1.51.6 m 处出现较为明显的吸收谷，在 2.2 m 处出现第二个较强的吸收谷。图 2b 展示了黏土矿物的哨兵-2 曲线特征。通过分析该曲线特 征，选 择 哨 兵-2 的 Band3、Band8a、Band11 和Band12 4 个波段进行主成分分析，得到表 3 的特征向量。根据羟基蚀变光谱曲线，选择符号与Band3和Band12相同且与Band11相反的主分量PC3进行阈值分割，以主分量标准差R为阈值，按照R2、R2.5和R3作为分级阈值，然后进行黏土蚀变填图（图3a）。表 3 哨兵-2A数据 Band3、Band8a、Band11、Band12波段主成分特征向量矩阵 Table 3 PCA eigenvector matrix of Band3,Band8a,Band11,Band12 of Sentinel-2 data主成分PC1PC2PC3PC4Band30.3410.6410.573-0.379Band8a0.5120.423-0.3360.668Band110.5790.185-0.529-0.593Band120.5350.6130.5280.2433.2 铁染蚀变信息提取铁染蚀变是一种常见的蚀变信息，由含铁氧化物发生蚀变产生的 Fe2+和 Fe3+元素引起，而含有 Fe2+和Fe3+铁离子的铁染蚀变通常存在于岩脉周围，随着矿化作用而形成。根据 USGS 光谱库中含铁矿物的特征 曲 线，Fe2+的 吸 收 特 征 位 于 0.43 m、0.45 m、0.51 m、1.0 m和 1.8 m波段。通过分析该曲线特征，发现铁离子的特征波段对应于哨兵-2的 Band3、Band4、Band8a和 Band11。由于 Fe2+光谱曲线在第 4和第11波段具有反射峰，在第8a波段有吸收谷，因此第 4和第 11波段的特征信息分量与 Band8a特征值的符号相反，并且贡献率最大。从表4中可以看出，PC4满足上述要求14。以主分量标准差R为阈值，分级阈值设为2.5倍和3倍的R，进行铁染蚀变填图（图3b）。表 4 哨兵-2A数据 Band3、Band4、Band8a、Band11波段主成分特征向量矩阵Table 4 PCA eigenvector matrix of Band3,Band4,Band8a,Band11 of Sentinel-2 data主成分PC1PC2PC3PC4Band30.3620.5660.603-0.430Band40.4900.368-0.0780.787Band8a0.5330.086-0.716-0.443Band110.588-0.7330.3420.0103.3 碳酸盐蚀变信息提取由于罗辛地区白岗岩侵入体的位置、规模和铀含量与 Swakop群下大理岩带密切相关，尤其是矿化白岗岩侵入中含有大理岩地层的罗辛组和卡里毕比组地层。因此，大理岩带可能在罗辛地区控制铀成矿中具有重要作用。根据大理岩中碳酸根的光谱曲线特征，碳酸盐蚀变矿物一般在 0.70.8 m 波段出现第一个反射峰，在 1.71.8 m 波段处出现第二个反射峰，对应于哨兵-2 的 Band7 和 Band12（图2b）。经查阅相关文献与 worldview-3卫星数据碳酸盐蚀变提取结果对比，采用 Band12/Band8+Band7/Band414混合比值法可较好展示罗辛地区碳酸盐化蚀变信息（图 3c）。3.4 遥感构造解译构造解译是遥感地质学应用的重要方向之一。地质体的构造变形在遥感影像上会表现为有规律的线性、曲形或环形特征。为更好地解译构造，可先对地质体进行影像增强，再根据增强地质体的变形特征进行解译。哨兵-2影像数据的 Band2/Band1可体现含 Fe2+及暗色矿物的地质体，Band12/Band11可突出含羟基矿物的地质体。因此，本研究采用哨兵-2 卫 星 的 Band2/Band1、Band12/Band11 以 及Band12 作为红、绿、蓝通道，生成假彩色合成图像，对地质体进行了增强，之后利用目视解译方法进行构造解译，并最终开展野外查证。288武鼎，等：基于哨兵-2数据的白岗岩型铀矿构造蚀变特征研究以纳米比亚罗辛矿区为例 第 2期 图 3 罗辛铀矿及外围地区哨兵-2遥感数据提取蚀变信息结果Fig.3 Extracted alteration information from Sentinel-2 data in Rossing deposit and the periphery areaa黏土（-OH羟基）异常信息分布图；b铁染（Fe2+）异常信息分布图；c碳酸盐蚀变信息分布图；d碳酸盐蚀变沿卡里毕比组分布图。289铀 矿 地 质第 40 卷3.4.1 断裂（线性）构造解译研究区断裂构造发育强且复杂，在哨兵-2影像上，断裂构造具有如下特征：1）沿断裂两侧地质体发生明显错动、错位、截断、缺失等现象2，或呈现出明显的地形起伏和地表形态变化。2）沿断裂有明显的线性延伸现象，这些线性在遥感影像上具有一定的方向性，延伸较远，有时成组出现、互相平行且色调与周围地质体差异明显。3）沿断裂周围地层有破碎的现象，在遥感影像上表现为高反射率或低反射率的斑块。根据上述特征，对断裂构造开展目视解译（图4a）。解译出的断裂按走向可分为北东向断裂、北西向断裂、近东西向断裂和近南北向断裂。对解译断裂进行野外查证，发现楚斯组和卡塞布组受北东向构造影响（图 4a），地层破碎严重（图 4b）。此外，发现研究区至少存在3期（次）张性断裂活动，沿断裂发育基性岩脉、石英脉，裂隙空洞中形成方解石晶簇。构造带内发育大量构造岩，包括构造角砾岩、碎岩和碎斑岩等。图 4 断裂构造影像解译图（a）和构造带内地层破碎野外照片（b）Fig.4 Interpretation faults（a）and the photo shattered strata（b）in sentinel-2 image3.4.2 褶皱构造解译研究区由于受到多期构造挤压活动影响，发育一系列背向斜，一般背斜出露较宽，而向斜发育规模相对较小。背斜和向斜枢纽近平行展布，走向北东，向西南倾伏。经野外踏勘发现，罗辛组和楚斯组地层发生倒转，造成了背斜北翼的倒转。欢乐谷地区显示的构造形式是穹-褶式，许多花岗岩的定位与穹隆相伴，并见环形构造。岩石中各种片理、片麻理和节理发育。多期褶皱在该区可识别，最早期褶皱为北西向，后期的褶皱方向为北东向（图5）15。图 5 褶皱构造解译（a）和大理岩穹状褶皱（b）Fig.5 Interpretation of fold structure（a）with Sentinel image and dome outcrop photo of marble（b）4 讨论本文提取了研究区构造信息、铁染蚀变等 3 类蚀变信息，结果显示铁染蚀变在研究区分布较少，在研究区北部及东北部呈团块状、条带状分布。羟基蚀变呈团块状分布于研究区正北方，呈斑状分布 290武鼎，等：基于哨兵-2数据的白岗岩型铀矿构造蚀变特征研究以纳米比亚罗辛矿区为例 第 2期于研究区西南部。在研究区内羟基蚀变分布在一定程度上受褶皱构造影响。碳酸盐化蚀变主要呈条带状分布在北方和研究区南部，其中南部碳酸盐化蚀变主要出露于罗辛组和卡里毕比组之中。在彩色合成影像中含大理岩地层整体偏黄色，成北东走向（图 6）。鉴于白岗岩侵入体的位置、规模和铀含量与大理岩带有着密切的空间关系，因此，大理岩带可能对该区铀成矿具有重要的指示作用。该大理岩带对侵入的白岗岩具有圈闭作用，侵入白岗岩与大理岩发生反应，造成沸腾结晶，有利于铀的富集，后期热液对铀成矿叠加改造，使得已矿化白岗岩发生蚀变，矿化品位进一步提高。研究区整体地貌起伏较大，区内岩体被构造错断严重，通过遥感构造解译提取了研究区多个线性构造，研究区位于区域控矿断裂带：千岁兰断裂的北部，总体呈北东或北北东向，宽约 60300 m，部分地段受构造运动影响，地层褶皱弯曲现象明显，局部发育赤铁矿化、碳酸盐化、高岭石化等热液蚀变，表明在岩体破碎部位有后期热液的叠加，有利于铀的再富集。图 6 研究区遥感地质解译图Fig.6 Remote sensing interpreted geology maps in the study area5 结论本文以罗辛铀矿及其周边地区为研究对象，通过分析该区域的蚀变光谱特征，提取了铁染、羟基和碳酸盐蚀变信息，并对构造进行了增强解译。研究得出以下结论：1）利用哨兵-2 影像采用比值法和主成分分析技术进行成矿遥感异常信息提取，发现现有铀矿床和大多数铀矿化点与大理岩具有密切的空间联系。因此，提取碳酸盐蚀变这一要素可对成矿预测起到重要作用。同时，结合野外调查，证实哨兵-2 影像提取的遥感蚀变异常可靠性较高。2）研 究 区 的 哨 兵-2 数 据 的 Band2、Band8 和Band12 的假彩色合成遥感影像能突出地质体的差异，这对识别构造具有积极作用。通过对研究区开展遥感地质解译和野外查证，认为哨兵-2遥感影像基本能够满足纳米比亚罗辛地区中比例尺找矿地质勘查工作的需要。参考文献1 张玉君，杨建民，陈薇.ETM+（TM）蚀变遥感异常提取方法研究与应用地质依据和波谱前提 J.国土资源遥感，2002，54（4）：30-36.ZHANG Yujun，YANG Jianmin，CHEN Wei.Research and application of ETM+（TM）alteration remote 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the remote sensing characteristics of this type is seldom reported.In this paper,Sentinel-2 remote sensing imagery was used to study the the spectral absorption characteristics of typical alteration minerals and structural feature in Rossing uranium mine.Sentine l-2 imagery of the mining area was collected and subjected to atmospheric and geometric correction.Principal component analysis and band ratio methods were applied to extract information related to ferric,hydroxyl and carbonate alteration.The extraction results indicated that carbonate alteration in Rossing uranium mine spatially correlated well with the distribution of the Karibib Formation.By selecting reasonable threshold values,the uranium-related host rocks,such as dolomitic units was extracted.Image enhancement techniques were studied to help the structural interpretation in the Rossing uranium deposit.Field verification confirmed the consistency between the remote sensing identified structures and alteration with the outcrops.This study demonstrated that the Sentinel-2 data are capable in the identification of mineralization controlling factors in white Alaskite uranium deposits and can provide valuable references for uranium exploration.Keywords：Sentinel-2；Rossing uranium area；alteration information；structure 293