HySpex成像光谱技术矿床深部成矿规律研究.pdf

第 44 卷 第 8 期2023 年 8 月自 动 化 仪 表PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATIONVol.44 No.8Aug.2023收稿日期:2021-11-23作者简介:孙伟光(1982),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为地质勘查、地质找矿,E-mail:shenhua8070 HySpex 成像光谱技术矿床深部成矿规律研究孙伟光(辽宁省第四地质大队有限责任公司,辽宁 阜新 123000)摘 要:由于特殊的岩体特性,深部铀矿成矿规律复杂。为了提高对深部矿床蚀变发展规律的勘探精度,将 HySpex 成像光谱技术应用于钻孔岩芯蚀变的解译。结合钻孔的空间地理信息参数,形成钻孔在不同深度的蚀变数据模型,对某铀矿深部成矿规律进行精细化分析与预测。研究发现:研究区蚀变标志矿物主要为伊利石、绿泥石和碳酸盐类;长波反射光谱是一个重要信号,可作为寻找深部铀矿的重要标志;短波中伊利石是最为强烈的铀矿成因信号。研究区铀矿发育受断裂构造交互影响作用强烈,深部铀矿找矿工作应重点关注这一现象。断裂交互构造影响中的不连续性是形成铀矿的重要光谱特征。这一特点能够为我国深部铀矿精细化勘探手段提供一定参考。关键词:热液矿产;深部找矿;成像光谱;铀矿;成矿规律;蚀变;三维建模中图分类号:TH867 文献标志码:A DOI:10.16086/ki.issn1000-0380.2021110062HySpex Imaging Spectroscopy Techniques Study of Deep Mineralization Pattern of Mineral DepositsSUN Weiguang(Liaoning Fourth Geological Brigade Co.,Ltd.,Fuxin 123000,China)Abstract:Due to the special rock properties,the deep uranium ore mineralization pattern is complex.In order to improve the exploration accuracy of alteration development pattern of deep deposits,HySpex imaging spectroscopy technology is applied to the interpretation of alteration of drill hole cores.Combined with the spatial geographic information parameters of the drill holes,the alteration data models of the drill holes at different depths are formed to refine the analysis and prediction of the deep mineralization pattern of a uranium mine.It is found that:the alteration marker minerals in the study area are mainly illite,chlorite and carbonates;the long-wave reflection spectrum is an important signal,can be used as an important symbol for finding deep uranium ore;illite is the strongest signal for uranium ore genesis in short wave.The uranium ore development in the study area is strongly influenced by fracture-tectonic interaction,and the deep uranium ore search should focus on this phenomenon.The discontinuity in the fracture interaction tectonic influence is an important spectral feature in the formation of uranium ore.The feature can provide centain reference for the means of deep uranium ore refinement exploration in China.Keywords:Hydrothermal minerals;Deep searching;Imaging spectroscopy;Uranium ore;Mineralization pattern;Alteration;Three-dimensional modeling0 引言铀矿作为重要的矿产资源,在国家新能源战略背景下需求量巨大,受到国家重视。经过几十年的勘查,我国的浅层铀矿资源基本被查明,但仍远远无法满足今后国家的战略资源需求。铀矿资源的成矿演化条件复杂,成矿环境和系统是导致成矿空间差异性的主要原因。因此,成矿必须采用新技术对矿山深部进行预测和分析。目前,铀矿的成矿复杂性和热液变异性使得现阶段的勘察技术远远无法满足深部找矿的精度要求。深部铀矿找矿过于依赖成矿理论分析和预测经验指导。深部找矿已有相关研究成果。林效宾等1利用空间分布模型对二连盆地铀矿成矿规律进行了研究,提出了二连盆地的铀矿成因。彭胜龙等2利用综合物探手段对鄂尔多斯高勒地区砂岩类型铀矿特征进行了综合研究,获取了该类型铀矿的三维模型。李英宾3认为深部铀矿主要的成因与火山活动密切相关,而火山自 动 化 仪 表第 44 卷环境条件下的热液铀矿蚀变是铀矿形成的重要标志。曹云等4-5分析发现,在深部铀矿的形成过程中,热液蚀变现象是铀矿周围的物理化学环境、热液特性和矿产元素迁移重要的影响因素。成像光谱技术作为 1 种遥感对地监测技术,目前在地球物理探测方面已有长足发展和应用,同时也已在地质学地表测绘方面成功实践,为我国的地矿找矿工作提供了新的思路6-8。目前,关于成像光谱技术对于岩性的识别研究成果主要集中在对浅表层地质的分析判定层面,对于深部热液型矿床的研究成果大多停留在理论研究层面。针对这一问题,本文以某大型铀矿为研究对象,利用 HySpex 成像光谱技术进行岩芯的高光谱扫描,开展某铀矿地区的矿床深部成矿规律研究。该研究为铀矿矿床深部的找矿提供了新的思路和方法。1 地质背景与概况1.1 区域地质与构造本文研究区横跨 2 个地层分区,分别为鲁西地层分区和胶南地层分区,以安丘断裂为主要分界线。地层从太古宙到显生宙均有出露,总体上以古生代地层较为发育,其次为新生代和中生代。受大地构造运动影响,沉积地层的叠覆模式以复杂的侧向冲积为主。在梁邱剪切带以东,包含有零星出露的变质岩。其规模较小,一般为几十米,最小厚度不足 5 m。沉积地层受韧性变形叠加作用,使角闪岩发生变质。岩性组合以黑云变粒岩为主,夹杂少量角闪磁铁矿,上部为二云变粒岩夹少量的黑云片岩。侵入岩在研究区极发育,出露面积超过200 km2,受近南北向发育的燕甘断裂及北西向的长隆断裂控制。研究区多为中酸性、酸性侵入岩。研究区在大地构造上属华北断块区。区域范围跨鲁西断块、胶辽断块(山东部分称鲁东断块)、冀东-渤海断块、苏北-南黄海断块。其中:鲁西断块、鲁东断块、冀东-渤海断块隶属于华北断块区;苏北-南黄海断块隶属于扬子断块区。1.2 热液铀矿蚀变特征研究区铀矿成矿作用主要分为水云母化、绿泥石化、碳酸盐化和钾长石化。其中,前两者在研究区矿脉中广泛发育于流纹岩和流纹玢岩中。根据研究区的深部铀矿特征,其主要分为碱交代型和水云母交代型。碱交代型在交代过程中为碱性蚀变,蚀变后的产物包括钠长石、钾长石和绿泥石等。水云母交代型呈现强烈的水云母化特征,以酸性蚀变为主,过程中产生了部分黑云母化和萤石矿物质。研究区矿床目前的主要浅表层铀矿分布在研究区的中部和东部,而深部矿体分布于北部和西部。其中,北部矿脉受近南北向基底断裂和推覆构造控制,分布较为集中;西部的矿脉受北东向轴式断裂与火山塌陷共同控制,导致菱形隆起断块发育较多。2 HySpex 成像光谱获取与处理2.1 HySpex 光谱成像技术HySpex 光谱成像技术采用图谱合一的方式进行数据采集。本文对不同光谱的波段进行细分,以获取图像中所有光谱的完整光谱曲线;完成扫描后,通过计算机对光谱进行处理以获取三维光谱数据;对被测试岩芯的光谱测量数据进行比对以获取成像岩芯段的直观光谱图像。本次光谱成像分析过程从高空间和高光谱这 2 个方面进行9。仪器设备为挪威 NEO 公司生产的光谱成像仪。本文在该光谱成像仪基础上改进了扫描系统,主要增加了可见光的近地表红外设备(VNIR1600)、短波红外仪(SWIR330)、滑轨、距离传感器、样品加工台、光源稳定器和计算处理器。光谱成像仪主要技术参数如表 1所示。表 1 光谱成像仪主要技术参数表Tab.1 Spectral imager main technical parameters table传感器信号传感器尺寸/mm频谱范围/um像素等级/ppi扫描视角/()采样宽度/nm扫描频率/fpsVNIR1600 1 6001 600 0.51.51 600183.5145SWIR3303303301.52.5330156.51002.2 数据处理岩芯扫描光谱成像技术需要对钻孔数据进行预处理,分为辐射校准、光谱重分布和噪点去除这 3 个步骤。辐射校准。辐射校准对光谱仪输出值与标准值进行比对,利用记录仪所产生的原始辐射亮度值(digital number,DN)与真实值进行转换,以统一物理意义和单位。校准过程以标准辐射探测器为基础,对不同精度等级的传递链进行试验,从而获取输出光谱数据与实际光谱亮度之间的量化计算式。光谱重分布。光谱重分布的目的是获取目标物的反射光谱,形成重建式10。本文采用经验线性校准(empirical line calibrat,ELC)进行光谱重分布。ELC 由Smith 等于 1999 年提出11-12。ELC 假定辐射进行校准后的辐射值为 H,并给定其与反射光谱 L 之间的线性关系。线性关系表达式为:42第 8 期HySpex 成像光谱技术矿床深部成矿规律研究 孙伟光Lj(i)=aj Hj(i)bj(1)式中:j 为光谱的波段,Hz;i 为某波段的像素元,ppi;a和 b 分别为不同方向的光谱回归结果;H(i)为某方位的辐射值,mSv/h。本文以线性回归技术对不同波动进行重分布对比转化。当仪器扫描获取岩芯的光谱数据后,本文根据标准板定光谱与反射标定光谱确定式中的关联参数 a和 b 建立图像辐射值与反射谱之间的关联式,并以该式为基础建立光谱数据的全波段反射图像。噪点去除。噪点去除前,本文首先对原始光谱数据进行逆变换,得到所有波动的噪声统计参数;然后,以变换后的特征参数为基础进行维度分析,选取3040 个特征值;最后,除去特征值外的噪声波段,再进行 1 次逆变换,并将数据重新投影至原光谱空间中。噪点去除前后光谱图像对比如图 1 所示。图 1 噪点去除前后光谱图像对比Fig.1 Comparison of spectral images before and after noise removal 由图 1 可知,噪点去除前噪声波段曲线差异较为明显,尤其在波长 1 400 nm 左右,上部曲线呈现明显的异常情况;在 2 2002 400 nm 波段,2 条曲线重合较为明显。在去除噪声波段之后进行比对分析,成像光谱异常值明显变少。这基本与实际验证结果吻合。2.3 岩心蚀变统计与编录本文根据 2.1 和 2.2 节所确定的岩芯成像光谱方案,对岩芯图像中的蚀变带进行信息提取。提取过程为:首先生成彩色索引图和索引矩阵,然后利用 Matlab软件进行蚀变统计计算,最后获取不同颜色比例。岩芯蚀变光谱提取过程如图 2 所示。图 2 岩芯蚀变光谱提取过程Fig.2 Extraction process of core alteration spectrum 3 成矿规律与预测3.1 三维建模本文通过建立三维模型实现热液蚀变型铀矿的预测。建模过程的主要思路为:首先,将地质要素信息进行数字化,包括光谱成像信息、钻孔深度位置信息、地质测绘信息以及地层和构造信息等;然后,形成空间数据和属性数据,合成蚀变信息三维数据库;最后,以该数据库为基础进行三维建模。本文的建模区域集中在具备深部钻孔条件的区域。建模过程为:首先将钻孔的空间信息包括编号、坐标、孔深、孔口高程、倾斜方位和角度等收集和录入到数据库中;然后建立钻孔的空间数据模型;接着,将高光谱成像技术编录后的不同深度的钻孔蚀变矿物相对含量数据对照其所在的孔深和编号进行整合,建立钻孔蚀变信息相对含量数据库;最后,通过钻孔在不同深度的相对蚀变强度空间分布形成三维模型。三维模型中共计采用深部钻孔 5 个(编号为 ZK 01ZK 05)。首先通过地质测绘和编录对地层进行精细化分层,依据地形数据建立地层模型网格;然后根据钻孔内地层岩性建立地层模型曲面;最后采用 civil3D 软件对曲面建立实体模型,从而得到矿区三维地质实体。3.2 铀矿成矿规律和预测根据本文建立的三维铀矿实体模型,可以发现研究区山体总体蚀变规律表现为高岭石蚀变低、伊利石蚀变高。这种现象与岩芯编录成果基本一致。研究区规模较大的蚀变以绿泥石蚀变为主。绿泥石蚀变分带较弱,52自 动 化 仪 表第 44 卷其碳酸盐化随着深度变深而不断增强,并逐渐形成蚀变组合。蚀变与地层关联性不大。为更清晰地研究铀矿的深部成矿规律,本文在模型中沿东西向和北北东向切2 条地质剖面并成图。2 条剖面相对位置如图 3 所示。图 3 2 条剖面相对位置Fig.3 Relative position of the two profiles 不同方向2 处剖面铀矿蚀变分布情况如图4 所示。图 4 不同方向 2 处剖面铀矿蚀变分布情况Fig.4 Distribution of uranium alteration in two profiles in different directions 由图 4 可知,研究区短波所指示的绿泥石和碳酸盐化蚀变发育具有一定的重复发育规律,尤其在深度为 200 m 的区域,呈现叠加发育态势。高岭石蚀变在研究区不甚发育,长波所指示的伊利石蚀变同样发育程度较弱。研究区断裂带交叉部位发现大量蚀变带,根据组间光谱干扰特性分析认为,研究区铀矿受断裂构造交互影响作用强烈,深部找矿工作应遵循断裂发育空间展布。通过对铀矿的蚀变光谱分析发现,铀矿蚀变发育带附近主要的标志矿物有伊利石、绿泥石和碳酸盐类。长波反射光谱是一个重要信号,可以作为寻找深部铀矿的重要标志。短波中伊利石是最为强烈的铀矿成因信号。4 结论蚀变特征是热液型铀矿深部成矿的重要特征。本文以 HySpex 光谱成像技术为基础,开展了岩芯成像光谱技术分析和矿床三维建模研究,并选取某铀矿深部成矿为研究对象,结合钻孔资料、岩芯光谱成像和地表地形地质测绘,生成了研究地区的深部铀矿成矿模型。基于模型,本文对研究区铀矿矿床的成矿标志特征和今后的找矿规律进行了总结。本文为某铀矿深部蚀变型热液矿床的预测提供了新的应用思路,但是依然存在不足。今后的研究中将重点关注成像精度方面。参考文献:1 林效宾,李西得,刘武生.二连盆地铀矿床成矿类型及时空分布特征J.铀矿地质,2021,37(6):1 013-1 026.2 彭胜龙,田家鹏,郭晓宇,等.鄂尔多斯盆地塔然高勒地区砂岩型铀矿含矿层砂岩特征及成矿作用J/OL.中国地质:2020-12-14 2022-10-22.http:/ 李英宾,谢明宏,张占彬,等.综合物探方法在上杭盆地古石背地区铀矿勘查中的应用J.物探与化探,2020,44(6):1 283-1 293.4 夏正龙,邓斌.基于 PLC 的智能仪表通信协议解析设计与实现J.自动化仪表,2020,41(6):17-19,23.5 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