苗培森，张博，张红亮 ，李建国 ，卢燕 ，奥琮，曹民强，薛磊，轩一撒

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局天津地质调查中心非化石能源矿产实验室，天津300170；3.中科遥感科技集团有限公司，天津300384；4.辽河石油勘探局新能源开发公司，辽宁盘锦124010）

砂岩型铀矿蚀变矿物研究中的岩心光谱扫描技术

苗培森1，2，张博1，2，张红亮3，李建国1，2，卢燕3，奥琮1，2，曹民强4，薛磊3，轩一撒3

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局天津地质调查中心非化石能源矿产实验室，天津300170；3.中科遥感科技集团有限公司，天津300384；4.辽河石油勘探局新能源开发公司，辽宁盘锦124010）

以松辽盆地典型砂岩型铀矿钻孔岩心归档资料为基础,系统总结了岩心光谱扫描技术在砂岩型铀矿中的应用流程，并在前人光谱强度与矿物含量研究的基础上，补充开展了不同时间域的矿物扫描结果对比。研究结果表明，岩心光谱扫描技术能快速、有效地提取岩心中的蚀变矿物空间分布信息，开展蚀变矿物填图，包括常见的粘土矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物和Fe3+氧化物等；沉积岩长期放置带来的风化作用对光谱数据的影响主要反映在蚀变矿物的整体含量变化上，对蚀变矿物种类未产生明显变化；利用岩心光谱扫描技术完成的蚀变矿物填图，获取的宏观蚀变矿物及其组合变化对砂岩型铀矿地层划分、氧化还原分带、成矿流体特征反演和矿床勘查等具有重要意义，应用前景广阔。

岩心光谱扫描技术；砂岩型铀矿；蚀变矿物；工作流程；应用前景

前人对国内外典型砂岩型铀矿的研究结果表明，砂岩型铀矿蚀变主要以低温蚀变矿物为主，蚀变类型一般包括粘土矿化、碳酸盐化、硫酸盐化、赤铁矿化等[1-10]，它们是研究砂岩型铀矿古流体特征的最重要信息源。目前，对于蚀变矿物的研究主要以传统的肉眼观察、镜下岩相学分析和X射线衍射分析等为主，受限于样品数量、个人识别能力以及测试经费等因素，往往难以获取宏观的蚀变矿物分布信息，因此也制约了对流体运移方向、区分沉积-成岩与成矿流体作用差异等方面的研究。

岩心光谱扫描技术是近年来发展起来并逐步成熟的一种光谱填图技术，广泛应用于地质、矿产资源以及环境监测中。尤其是在光谱数据获取、蚀变矿物识别、蚀变矿物填图以及热液蚀变垂向空间分布特征分析等方面取得了显著的成果[11]。它集成可见光、近红外（VNIR）、短波红外（SWIR）等光谱范围，通过对岩心快速自动连续扫描，能够在无损样品的前提下，获得地质样品的光谱数据并且自动解译为定性或半定量的矿物信息。由于热液型矿床往往具有更为明显的蚀变矿物特征，因此在过去几年，该技术主要被成功应用于与热液有关的铜、金以及硬岩型铀矿等领域[11-15]，但对以表生作用为主的砂岩型铀矿床是否适用，鲜见报道。本文以松辽盆地典型砂岩型铀矿钻孔岩心为对象，针对岩心特点，总结了岩心光谱扫描技术在砂岩型铀矿中的应用流程，初步研究了风化作用对矿物扫描的影响，展望了该技术在砂岩型铀矿理论研究与实际找矿中的应用前景。

1 技术原理

1.1 基本原理

岩心光谱扫描技术实质是高光谱矿物识别技术。当光谱进入物质内部时，会产生吸收行为。这种吸收行为是物质内部结构、微量元素以及具有指示类型的离子等物质的光谱表现[16-20]。对于可见光-近红外和短波红外遥感来说，分子的振动和电子跃迁是物质与电磁波作用的主要方式。当光谱粒子与矿物中的原子、分子互相作用后，某些具有选择作用的物质原子、分子中的电子获得能量在（400～1 000 nm）波长范围上产生电子能级跃迁，形成特征谱带，在（1 000～2 500 nm）波长范围内某些具有选择作用的原子或分子中的电荷耦合极性就要发生变化，导致原子或分子产生振动而形成特征谱带，它们是识别矿物或矿物组合的基础。岩心光谱扫描使用的光谱波长范围在350～2 500 nm之间，对该范围内光谱吸收的官能团主要包括C-H（甲基、亚甲基、甲氧基、羧基、芳基等）、羟基O-H、巯基S-H、氨基N-H等，它们的合频和一级倍频位于1 300～2 500 nm波段[12，21，22]。

对于砂岩型铀矿的主要蚀变矿物，绝大多数不同程度地含有金属离子，如Fe2+、Fe3+、Mn2+等阳离子和等阴离子基团。蚀变矿物多数含有基团结构，如：含Al-OH基团矿物—白云母、高岭石、地开石、叶蜡石、蒙脱石、伊利石；含Fe-OH基团矿物—黄钾铁矾；含Mg-OH基团矿物—绿泥石、绿帘石、滑石；含基团矿物—方解石、白云石、菱铁矿等，这些矿物在350～2 500 nm均具有各自的诊断性特征光谱吸收带。光谱的吸收特征包括波长位置、深度和半波长宽度等，它们取决于基团中原子的数量和质量，原子的几何排布、原子间的结合力，直接反映了矿物的组成和晶体结构[23]，而矿物的结晶度既与矿化作用过程中的温度和化学环境有关，又与蚀变体系中的粘土风化有关[22]。特征光谱吸收带的形态及深度往往是判定矿物种类及含量的最主要依据。理论上说，根据Beer定律，矿物的吸收强度与吸收物质含量间的正相关关系是确定的，这种关系在前人工作已经得到了充分验证和普遍应用（图1）[24-25]。部分关于矿物含量检出限的研究表明，尽管光谱解译结果反映的是多个矿物的混合含量，但明矾石含量在大约1%时就可被检出，而高岭石、蒙脱石的检出限分别为1%～2%、2%～3%[26-28]。

1.2 砂岩型铀矿常见蚀变矿物的光谱特征

综合国内外多个砂岩型铀矿的文献资料，常见的蚀变矿物主要包括高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、方解石、白云石、石膏、赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿、黄钾铁矾、绿脱石等。有关蚀变矿物的光谱学特征，前人已经做了大量的研究[16，18-20，22，29]。本文列出沉积盆地砂岩中几种常见矿物的光谱吸收峰位（表1）。

图1 蚀变矿物吸收强度与含量分布图（据参考文献[24、25]）Fig.1 Alteration mineral absorption intensity and content distribution

表1 砂岩型铀矿常见蚀变矿物光谱特征（据参考文献[22、29]修改）Tab.1 Spectral characteristics of common altered minerals in sandstone type uranium deposits

由表1可以明显看出，各类蚀变矿物多具有诊断意义的特征谱。例如，粘土矿物高岭石反射光谱以1 400 nm（O-H的一级倍频）和2 200 nm（Al-OH和OH的组合频）附近的两个双吸收谱带为特征（图2a），极易与其它粘土矿物分辨，以独有的2 160 nm吸收为高岭石的鉴定特征，且1 400 nm为对称峰，2 160 nm不对称，结果可靠性高。随着结晶度的增加，肩峰向长波方向移动，原地型高岭石结晶度好，峰形尖锐；搬运型高岭石结晶度低，峰形缓；蒙脱石反射光谱显示主要是2 200 nm（Al-OH和O-H的组合频）附近的单吸收（图2b），伊利石反射光谱显示主要是2 200 nm（Al-OH和O-H的组合频）的单吸收，辅以稍强的2 345 nm吸收作为特征（图2c），二者的峰位基本一致，在1 410 nm、1 910 nm和2 210 nm附近有吸收峰，2 210 nm处是Al-OH特征峰，只是伊利石在2 400 nm处多了一个吸收峰，通常实际测量过程中两者很难区分，一般的蒙脱石在1 410 nm、1 910 nm结晶水和吸附水吸光度较高。

图2 主要粘土矿物的标准光谱曲线Fig.2 Standard spectral curves of the main clay minerals

2 主要工作流程

岩心光谱扫描工作流程主要包括岩心预处理、评估试验、数据采集、蚀变信息提取、数据后处理及成果应用等。

2.1 岩心预处理与评估试验

岩心的预处理工作主要包括岩心表面清洁和岩心摆放整理两项。岩心的光谱特征较为复杂，除主要受组成、结构控制外，还受到表面泥浆、尘土、长时间风化等诸多因素的影响[30]，因此在测试前必须对岩心进行清洁处理。岩心清洁的主要手段包括水洗、钢刷清扫和岩心表面切除等。与硬岩型铀矿主要采用水洗不同，由于砂岩型铀矿岩石相对较松散，加上野外供水难等因素，多不采用水洗清洁方法。一般对松散、无明显泥浆层覆盖的岩心主要采用钢刷清扫，而对明显泥浆覆盖或风化较为严重的岩心，则可采用手持岩心切割机进行岩心切割或表层泥浆去除。同时，为保证与地质、测井等数据的综合对比，还必须对岩心及岩心箱进行整理、排序和记录等，为后续深度校正奠定基础。

表面清洁工作的评估主要是通过对比评估试验完成的，它需要随机采集若干组处理后的表层和内部岩心样品进行对比，特别是特征谱的吸收位置、深度和宽度等，它们决定了矿物的类型和含量信息反演。以钱家店铀矿床岩心为例，主要采用钢刷清扫方式进行处理。为检验岩心内外光谱差别，利用CSD350A光谱仪或便携式ASD光谱仪测定了岩心内部与外部样品的光谱数据，评估钻探泥浆等异物及表面风化对岩心矿物成分的影响。

图3是部分试验样品的内部和表面光谱测试结果。可以看出，经过清洁处理的岩心，其内部与外表的光谱特征总体变化较小。a与b两个样品内外矿物成分基本一致，其中蒙脱石在外表面未见有增高迹象；而c和d两个样品内部和外表均不含蒙脱石，说明即便有钻探泥浆污染，其蒙脱石的残留低于检测限也可以忽略。对比评估试验表明岩心清洁处理较好，岩心内外部测试的矿物种类、含量基本一致。

2.2 数据采集及处理

2.2.1 数据采集

利用CMS350A型全自动数字化岩心扫描仪，进行岩心光谱数据扫描采集（图4），可见光和近红外（VNIR）波段（400～1 100 nm）光谱分辨率为3 nm，短波红外（SWIR）波段（1 100～2 500 nm）光谱分辨率要求为10 nm。

数据采集过程主要包括以下4个环节：1）ASD光源和相机光源的最佳角度调试；2）白板定标；3）岩心光谱数据的扫描采集；4）工作记录及质量监控。其中，岩心光谱数据扫描的采样间距设置主要根据研究的精细程度要求而定，一般可采用5 cm。

图3 CSD350A型光谱仪测定岩心内与外部矿物成分对比结果Fig.3 The core and the external mineral composition contrast results by the CSD350A

图4 岩心光谱扫描数据采集现场及主要环节Fig.4 Core spectrum scanning data acquisition and main steps

2.2.2 数据处理

主要分为数据预处理及蚀变信息提取两部分。

数据预处理：野外岩心光谱扫描获得的数据包括很多误差因素，需要进行数据预处理，主要包括深度值重复判断处理、深度值校正、光谱数据降噪及归一化（消除亮度效应）等处理。

蚀变信息提取及后处理：主要利用TSG等数据处理软件直接利用预处理后的光谱吸收和反射特征提取矿物信息[31，32]。它主要以矿物标准波谱库为参考，依据蚀变矿物类型的可诊断吸收光谱特征，识别并建立标志，它主要包括：吸收峰波长位置、吸收峰深度、吸收对称性、完全波形特征参数等，利用这些参数进行光谱形状匹配，并输出最优匹配结果。例如：含Al-OH矿物的诊断谱带一般位于2 165～2 205 nm附近；含CO32-矿物诊断谱带一般位于2 335～2 386 nm之间；含Mn2+矿物诊断谱带一般位于450～600 nm附近。吸收谱带的深度D和宽度W（半深位置）通常可以用作矿物的含量和多种矿物混合的评价指标，它们可以在剔除了反射背景之后测量获得（图5）。

值得注意的是，由于不同矿物之间的光谱叠加效应是常见现象，因此无论是在单矿物的蚀变信息提取过程还是信息的后处理，掩膜技术都是一种十分常用的手段，它能简单而有效地剔除叠加效应或杂乱信息。

3 风化作用对蚀变矿物的影响

钻探岩心经过长时间暴露空气，会发生一系列物理化学反应（风化及氧化还原反应等）。它会使原始岩石的成分、结构产生改变，从而有可能导致岩石光谱特征的变异。正常岩心保管条件下的蚀变矿物随时间变化特征对应用该技术开展流体特征研究具有重要意义。因此选取了同一钻孔岩心分两个时间段用相同仪器和方法进行重复扫描。第一次光谱扫描时间为2016年10月初，标记为5D901-1；第二次扫描时间为2017年6月，标记为5D901-1_rescan。两次扫描的时间差为8个月，期间样品主要由岩心箱保管存放于室外，具体分析结果见图6。

结果显示（图6），尽管经历了8个月的室外放置风

图5 剔除反射背景的岩心光谱曲线Fig.5 Core spectral curve after reflection background removed

图6 CSD350A型光谱仪重复测定岩心主要蚀变矿物结果对比Fig.6 The core mineral composition contrast results at different time using the CSD350A sample

4 测试结果与应用分析

本次实验共选取钱家店铀矿NE、NW两个剖面，共计9 000余米岩心进行光谱扫描测试，涵盖无矿孔、铀异常钻孔、铀矿化孔、铀工业孔等。通过对研究区钻孔进行全孔光谱扫描，获得采集间距5 cm的连续蚀变矿物光谱数据，结合地质情况提取了高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、碳酸盐、硫酸盐、Fe3+氧化物等信息，并经过深度校正后编制了各个钻孔的蚀变矿物综合柱状图（图7）。它们可以清楚地反映不同区带、不同深度蚀变矿物的种类及矿物组合、变化，以及蚀变矿物分布与岩性、铀矿化等信息的相互关系。

钻孔岩心中的粘土矿物组成是沉积-成岩与后生流体共同作用的结果，与沉积、成岩环境水介质及后期流体的物理化学性质关系极为密切，尤其是对次生粘土矿物而言，水介质环境的酸碱度（pH值）、Eh值、气候、主要阳离子的含量、温度等条件成为主要的控制因素[34]。如图7，粘土矿物在垂向的变化规律明显，不同地层岩石往往呈现不同的蚀变矿物组合特征，如青山口组的砂岩化过程，但5D901-1号钻孔岩心的矿物类型未发生变化。对不同时间段实测矿物含量数据进行统计，结果显示，蚀变矿物的相对含量变化率均小于5%，其中，Fe3+氧化物变化最大，变化率约4.25%；高岭石几乎未发生变化，变化率为-0.06%；蒙脱石变化率为2.3%；绿泥石变化率为-1.9%；石膏变化率为-1.95%。总体反映不同时间域对矿物种类及含量的影响较小，这与田庆久等[33]关于沉积岩风化面与新鲜面的光谱特性对比结果较为一致。在各蚀变矿物中，铁的氧化物变化相对较大，这可能与长期暴露在空气中有关，但一个显著的特征是，风化并没有造成矿物类型及其组合特征发生明显变化，这对以此为基础的成矿流体特征研究十分重要，这一特性使得一些存放时间相对较长的岩心也可以被用于开展蚀变矿物研究工作。与姚家组的砂岩相比，前者的蒙脱石（或伊蒙混层）含量要远远高于后者，突变的位置与前人的地层划分基本一致。这主要反映了沉积环境和深度对粘土矿物的影响。这使得他们可以成为砂岩型铀矿研究中地层划分的又一证据。同样通过对比，我们也可以发现，在成矿段的位置，一些矿物含量有明显的增加，这一点可以直接用于反演成矿流体的性质。

编制的连井剖面图往往能更好的反映蚀变矿物的空间宏观变化特征。图8是Fe3+氧化物的NE向连井剖面，从图中可以看出Fe3+氧化物的分布主要与浅红色细砂岩、红色泥质岩有关，反映红色调主要是Fe3+染色所致，局部灰色砂岩也检测到Fe3+氧化物，可能表明灰色砂岩中也遭受过氧化作用，但氧化程度较弱，还不足以将砂体颜色改变。根据Fe3+氧化物含量这一主要指标的空间分布可以显著地判别研究区氧化、还原带的空间分布位置。另一个重要的应用意义是，由于可以获取连续的蚀变矿物信息，通过横向和纵向对比，成矿段与非成矿段对比，还有可能区分沉积-成岩作用与成矿流体作用的蚀变矿物差异，为成矿流体的运移方向和流体性质研究提供重要数据，这对砂岩型铀矿研究及找矿具有重要意义。

图7 基于岩心光谱扫描技术的蚀变矿物综合柱状图Fig.7 The altered mineral distribution comprehensive histogram based on the spectral scanning technology

图8 Fe3+氧化物的NE向连井剖面（红色代表Fe3+氧化物）Fig.8 NE aligned well section of Fe3+oxide(red represents Fe3+oxide)

此外，测试结果也可以直观地反映碳酸盐、硫酸盐的空间分布规律。但是，该技术也存在一些不足之处，比如目前还不能很好地区分碳酸盐（方解石、白云石、铁白云石等）、Fe3+氧化物（赤铁矿、褐铁矿等）的各种亚类。

但不可否认，与传统的取样分析方法相比，岩心光谱扫描技术可以在几乎无损岩心的情况下，快速有效地获取岩心蚀变矿物的连续分布特征。尽管还主要是定性-半定量精度，但在宏观上对地层划分、氧化还原分带、成矿流体特征反演等研究提供了重要依据，这在常规研究方法中是难以实现的。结合X射线衍射、扫描电镜等多种定量、微观研究方法，将大大提高对砂岩型铀矿的蚀变矿物及其流体研究水平。

5 结论与展望

岩心光谱扫描技术是在高光谱技术基础上发展起来的岩心蚀变矿物识别技术，它在砂岩型铀矿调查研究中具有广阔的应用前景：

（1）岩心光谱扫描技术能无损、快速、有效地提取岩心中的蚀变矿物空间分布信息，包括常见的粘土矿物，硫酸盐矿物、碳酸盐矿物和Fe3+氧化物等；

（2）常规保存的岩心在风化作用下，除铁的氧化物外，各蚀变矿物类型及含量变化较小，相对含量变化率均小于5%，且呈整体变化特征，一般不影响宏观的蚀变矿物空间分布规律研究，这一特性使得一些存放时间相对较长的岩心也可以被用于开展蚀变矿物研究工作。

（3）通过蚀变矿物填图，编制连井或三维蚀变矿物分布图，可直接应用于地层划分、氧化还原分带和成矿流体特征反演和矿床勘查等工作中，加上该技术具有快速自动扫描、无损样品和测试结果稳定等诸多优点，在我国北方砂岩型铀矿成矿理论研究和找矿实践中具有广阔的应用前景。

致谢：在野外岩心光谱扫描测试操作中得到中国地质调查局南京地质调查中心修连存研究员的指导；中科遥感科技集团有限公司杨凯博士在光谱数据解译中给予了帮助；辽河油田新能源开发公司提供了野外作业基地，在此一并致以诚挚的谢意！

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Automated drill core spectral scanning technique in the study of altered minerals in sandstone-type uranium deposits

MIAO Pei-sen1,2,ZHANG Bo1,2,ZHANG Hong-liang3,LI Jian-guo1,2,LU Yan3,AO Cong1,2,CAO Min-qiang4,XUE Lei3,XUAN Yi-sa3
（1.Tianjin Centre,China Geological Survey,Tianjin 300170,China;2.Laboratory of Non-Fossil Energy Minerals,Tianjin Center of China Geological Survey,Tianjin 300170,China;3.China RS Geoinformatics Co.,Ltd,Tianjin 300384,China;4.Development Company of New Energy Sources of Liaohe Petroleum Exploration Bureau,Panjin Liaoning 124010,China)

Taking the drilling core of typical sandstone-type uranium deposit in Songliao Basin as the object,we summarize the application process of core spectral scanning technology in sandstone-type uranium deposits.And on the basis of previous research and the spectral intensity of mineral content,the contrast of mineral scan results are made in different time domain.The results show that the core spectral scanning technique can rapidly and effectively extract the spatial distribution information of altered minerals in the core of the rock,including common clay minerals,sulfate minerals and carbonate minerals and Fe3+oxide.The influence from long-term core weathering on the spectral data is mainly only less than 5%change of the total content of altered minerals,and has no obvious change in the types of altered minerals.The alteration minerals and their combination changes obtained by core spectrum scanning technique are of great significance for stratigraphic division,redox zoning and characteristics inversion of ore-forming fluids,and have wide application prospects.

core spectrum scanning technology;sandstone-type uranium deposit;altered mineral;technological process;Qianjiadian uranium deposit

P619.14;P627

A

1672－4135（2017）03－0210-09

2017-07-10

国家重点基础研究发展计划（973计划）“中国北方巨型砂岩铀成矿带陆相盆地沉积环境与大规模成矿作用（2015CB453000）”；国家地质调查项目“油气田勘查区砂岩型铀矿调查与勘查示范（DD20160128）”

苗培森（1958-），男，博士，教授级高级工程师，近年主要从事砂岩型铀矿地质调查研究，E-mail：tjmpeisen@sina.com；通讯作者：李建国（1980-），男，博士，高级工程师，近年主要从事砂岩型铀矿地质调查研究，E-mail：jianguo_lee@126.com。