2023/3/31 15:33:33 阅读：155 发布者：
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基于遥感技术沙特阿拉伯地区钙结岩型铀矿成矿要素识别及潜力评价
郭帮杰1, 潘蔚2, 张闯2
1．中核战略规划研究总院,北京 100048
2．核工业北京地质研究院,北京 100029
3．沙特地质调查局,吉达 21514
摘要:
为研究沙特阿拉伯地区钙结岩型铀矿成矿要素识别及潜力评价,以中沙铀矿勘查项目中的钙结岩型铀矿勘查为例,利用ASTER等卫星遥感数据和数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,采取目视判别、水文分析和主成分分析等方法,应用辅助铀源评价、补-径-排体系划分和含矿母岩识别等技术,对比分析了3个钙结岩区铀成矿条件。结果显示,片区2的铀源和补-径-排等铀成矿条件最完善,片区1缺乏良好的沉积盆地作为排泄区,片区3缺乏良好的铀源。研究表明: 补-径-排体系的完整性对钙结岩型铀矿的成矿作用至关重要,缺一不可,且优质的铀源和沉积环境利于形成大规模的钙结岩型铀矿; 铀元素富集累积时间的长短直接影响钙结岩型铀矿的规模大小; 沙特阿拉伯研究区内钙结岩型铀矿成矿的有利沉积环境为周边有大片铀源的蒸发型湖(干盐湖)相沉积。研究结果可为在类似地区寻找钙结岩型铀矿提供重要参考。
0 引言
钙结岩型铀矿是一种重要的铀矿类型,具有埋藏浅、开采成本低的优势。作为一种蒸发型铀矿,该类型铀矿主要发育于干旱—半干旱气候条件下稳定的大面积准平原地区[1],需要大面积的强烈风化且铀含量较高的地区作为铀源,再通过间歇性河流将铀(U)元素带至湖盆或废弃河道内,最后通过大量蒸发作用,在钙结岩和膏结岩中实现U元素的富集成矿[2]。现已知发育具有经济价值的钒钾铀矿钙结岩的沉积相主要有三角洲相、盐湖相和河流相等。
目前,世界上已发现大量的钙结岩型铀矿[3⇓⇓⇓-7],其中最具代表性是澳大利亚伊尔岗(Yilgarn)地区的伊利里(Yeelirrie)铀矿[3,8]、纳米比亚槟榔湖地区的兰格汉瑞奇(Langer Heinrich)和特雷科皮(Trekkopje)铀矿[9]。国内对钙结岩型铀矿也很重视,在西北地区进行多次多地区勘查,总结了各地区钙结岩型铀矿的成矿环境及其潜力[10-11]。但是使用遥感方法进行钙结岩型铀矿勘查的研究较少。钙结岩型铀矿是印度和中东—北非地区重要的铀矿种类[12]。Rishikesh等[13]曾利用高光谱遥感对印度的拉贾斯坦邦(Rajasthan)西部和古吉拉特邦(Gujarat)北部进行了钙结岩型铀矿的含矿母岩研究,帮助钙结岩型铀矿勘查。但是,钙结岩型成矿不仅与含矿母岩相关,还需具备良好的铀源区、U元素迁移通道及U元素沉淀富集区3大关键要素[1]。由于完成U元素的迁移和沉淀多以水流为媒介完成,这3大成矿条件多被称为补(水区)-径(流区)-排(泄区)。
本文以钙结岩型铀矿的成矿机理为基础,从补-径-排的角度,较全面地介绍遥感技术在钙结岩型铀矿勘查中的应用,为以后国内钙结岩型铀矿勘查提供一些参考。
1 研究区地理地质背景和铀源概况
1.1 研究区自然地理地质背景
钙结岩型铀矿多发育于干旱—半干旱地区,研究区位于沙特阿拉伯中部及北部,处于沙漠边缘地带,受热带沙漠气候影响,夏季炎热干燥,降雨以阵雨为主,河流以季节性河流为主。在干旱—半干旱的气候条件影响下,研究区内广泛发育钙结岩。区内分布大量的第四纪玄武岩和元古代花岗岩,其中花岗岩风化作用强烈,且遭受多组断裂破坏,这种风化强烈的花岗岩利于其内U元素的析出迁移,成为良好铀源。
1.2 铀源概况
铀源、转移通道、沉积区和保矿层是沉积型铀矿的4大关键要素[3],由于钙结岩型铀矿多产于新生代地层中或是直接暴露于地表,故前3个要素更加重要。
根据铀源、补-径-排水动力体系的差异性和钙结岩发育情况,本文选定了3个研究区: 片区1(Nibwan and Hulayfah)、片区2(Sabkhah Ad Dumathah)、片区3(Wadi as Sirhan)(图1)。片区1铀源良好,补-径-排体系发育不完整; 片区2铀源良好,补-径-排体系发育完整; 片区3铀源较差,补-径-排体系发育完整但不太良好。
3个研究区中片区2有完整的含矿层; 片区1几乎没有大片成层的钙结岩; 片区3则发现有大片的钙结岩,但含矿情况比片区2差。片区1和片区2皆有大面积的元古代花岗岩、流纹岩等酸性岩浆岩出露,亦可见大面积新生代玄武岩; 片区3则多为新生代地层覆盖,且伴有新生代玄武岩岩浆流。研究区出露的花岗岩及中酸性火山岩为晚元古代泛非运动时期形成的[12,14-15]。花岗岩为二次侵入活动产物,第一次主要形成英云闪长岩-花岗闪长岩,第二次主要形成碱性花岗岩-花斑岩[16]。这二次酸性侵入活动为研究区钙结岩型铀矿成矿提供了丰富的铀源。
铀源的好坏直接影响初始氧化水中铀的浓度和铀成矿前期的预富集作用,进而影响铀矿床的规模。根据前人研究,U元素在玄武岩平均含量为0.9 ppm,在花岗岩平均含量为3.5 ppm,在二长花岗岩平均含量为7.5 ppm,地壳中花岗岩的Th/U均值为3.3 [1]。研究区内,包括片区1、片区2和片区3,玄武岩铀含量普遍低于1 ppm。片区1和片区2中花岗岩U和Th含量信息如表1所示。从表1中数据可以看出,新鲜的或风化弱的花岗岩U元素含量相对较高,Th/U值相对较低,而风化严重的花岗岩U元素含量相对比较低,Th/U值相对较高。片区1和片区2内花岗岩大多处于遭受强烈风化的状态,U元素明显表现出大量流失的状态,能够为钙结岩等沉积地层提供较多U元素。因此,片区1和片区2的铀源条件比较好。
表1 研究区花岗岩U和Th含量信息
根据WorldView-2遥感影像(图2)显示,可以目视判别出片区1和片区2花岗岩的完整性特别差,被多组断裂切割,破碎严重,风化作用强烈,这是其U元素流失的重要原因之一。
图2 铀源区花岗岩纹理
片区3以玄武岩和大面积的沉积岩为主,玄武岩为岩浆分异早期形成的基性岩石,而U元素在岩浆岩分异系列中具有较多长英质、碱质和晚期分异物中含量高于早期形成的较基性岩石[1,17]。因此,该片区缺乏铀含量较高的岩体作为铀源,铀源条件相对于片区1和片区2较差。当然,不排除有好的铀源被剥蚀完,或是被第四纪喷发的玄武岩所覆盖,但由于研究区钙结岩形成于第四纪,过早被剥蚀掉的铀源对该地钙结岩型铀矿成矿影响较小。
2 补-径-排体系划分及评价
沉积环境对沉积型铀矿床的形成具有非常重要的作用,如何快速有效地划分补-径-排等不同的沉积环境区段对钙结岩型等沉积型铀矿勘查具有重要意义。
补-径-排体系因水流的原因与高程关系紧密。利用数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,通过地面高程数据信息,在ArcGIS软件平台上进行分析,可以提取出分水岭和水系等信息,进而快速有效地划分出补-径-排等不同的沉积环境条件。
通过水系的提取,确定水域界限(图3),即分水岭,获取该区水文信息。结合该区DEM数据提取的等高线信息和三维图像信息,叠加上ETM遥感影像数据,最终确定补-径-排体系。片区1(图3(a))的补水区为大面积的花岗岩、酸性火山岩及火山碎屑岩,径流区非常发育,但没有发育很好的沉积盆地。片区2(图3(b))的补水区(铀源区)为元古代花岗岩及酸性火山岩山区; 排泄区为山间盆地,是一个良好的钙结岩型铀矿沉淀富集区; 补水区和沉积区之间为径流区,是间歇性山间冲沟。片区3(图3(c))补水区为地势较高的玄武岩区和部分沉积岩区,径流发育,径流汇集的沉积盆地发育,从图中可以发现,沉积区周边灌溉区非常多,皆以地下水为水源,说明地下水非常丰富,这在一定程度上稀释了沉积盆地地层中的U元素。
综上,片区2和片区3发育有完整的补-径-排体系,片区1补-径-排体系不健全,缺少较好的沉积盆地。
3 含矿母岩遥感评价
图5 3个片区碳酸盐岩和石膏分布情况
从图5(a)可以看出,片区1整体以碳酸盐岩(方解石)为主,石膏含量相对较少,而且主要分布于花岗岩(黄白色-橙色)、火山岩(紫黑色)及火山碎屑岩(紫色)等基岩区或风化壳部位,难以形成成层的含矿母岩; 河道中有零星分布,不成规模,钙结岩整体不发育。野外观察发现,该区钙质层有2种,其中一种分布占比较高,为基岩表层的钙质壳,相对位置较高,致密坚硬,且放射性值极低; 另一种为花岗岩近地表风化碎屑层,距离花岗岩基底2~3 m,呈窝状分布的石膏层,局部可见表生作用形成的黄绿色次生铀矿,野外验证照片如图6所示。从图5(b)可以发现,片区2的山间盆地含有大量的石膏,局部含有碳酸盐岩,说明盆地内的钙结岩以石膏为主,碳酸盐岩(方解石)次之,石膏主要出露于沉积盆地靠山的一侧,而远离山的一侧出露较少。根据野外观察和槽探挖掘,发现随着与山的距离增大,石膏层埋深加大,而不是尖灭,石膏层发育比较完整,至东部或东北部边缘,埋深可达5~6 m。对于整个石膏含矿层,西部含矿量大于东部,中部最佳,但矿体不连续。从图5(c)可以发现,片区3地表出现的主要为碳酸盐岩,未提取出来石膏信息。碳酸盐岩的分布特征明显,自然地表出露主要出现在玄武岩表面,沉积岩及第四系地表出露,主要是因为使用地下水浇灌造成的圆形水浇地上,且碳酸盐岩的分布形状亦主要为圆形,叠加在水浇地上。根据提取的碳酸盐岩分布信息特点,可以看出在富水区(图5(c)中蓝色部分)中下游及周边位置地表以下富含碳酸盐岩,甚至有碳酸盐岩层,进而可以认为富水区中下游及周边为钙结岩的蒸发沉积区。沉积区地表的碳酸盐岩未出露,则说明近期为钙结岩沉积的间歇期或终止期,这也从侧面反映了玄武岩及周边的沉积岩不是很好的钙结岩型铀矿的物源和铀源。
图6 野外验证照片
4 研究区钙结岩型铀矿成矿条件综合分析
片区1的新生代沉积层整体是河流相沉积(图3(a)),发育于元古代花岗岩、火山岩及碎屑岩和变质岩等矮山丘陵之山沟内。大面积的含铀花岗岩为该区提供了良好的铀源条件,并因其受风化作用强烈,U元素析出能力较强,且引起了学者对当地U元素的环境污染的担心和关注[14]; 水系较发育,径流条件较好; 但是河道内沉积物厚度薄,难以形成层状钙结岩,方解石及石膏多成团块状或粉末状聚集在碎石表面; 气候为干旱型气候,雨季短促,但短时间雨量较大。在花岗岩周边,因第四纪玄武岩的喷发,与花岗岩局部形成微型湖泊,其中可见大量钒钾铀矿等次生铀矿物发育在石膏层内,但因沉积时间相对比较短暂,未形成规模。附近地层中的石盐、钙结(砾)岩中含有较高的铀[14],但远未达到形成矿床的规模。
片区2为一个多湖盆山区(图3(b)),四周为酸性火山岩及花岗岩,可见第四纪玄武岩喷发岩流。四周相对高程较高的大面积酸性岩浆岩含铀量大,距此地不远的贾巴尔赛义德(Jabal Sayid)地区更是形成了碱性花岗岩型铀矿[25-26],为该区提供了良好的铀源条件; 山间盆地为U元素的汇集沉淀提供良好的沉积环境,径流多汇聚于这几个山间小盆地内,盆地内沉积巨厚的沉积物,钙结岩多坚硬,多为白色致密的层状钙结岩,夹于泥岩或泥层之间; 铀源区和沉积区之间巨大的高差,为U元素迁移提供良好的条件; 同时,沙特阿拉伯地区的干旱气候为该区大量蒸发提供条件。良好的铀源条件、补-径-排条件和气候条件,为该地区钙结岩型铀矿的发育提供了良好的基础条件。
片区3(图3(c))的情况介于片区1和片区2之间,处于一个狭长的断陷盆地内。水系则以自NW向SE的河流为主,比片区1的汇聚,但比片区2发散。但是,该区以玄武岩和大面积的沉积岩为主,缺乏U元素含量较高的岩体作为铀源,铀源条件比片区1和片区2差。另外,片区3的沉积区含水量大,甚至可作为当地农业水源地,在一定程度上带走和稀释了钙结岩层内的U元素。因此,该区发育的钙结岩具有一定的层位,但厚度相比于片区2较差,铀矿发育情况也较差。
综上所述,钙结岩型铀矿成矿需要丰富的铀源条件和便利的径流条件,将U元素转移至有利的沉积区,通过有利的气候条件进行大量的蒸发,促使U元素沉淀富集。片区2满足了以上所有的条件,且有足够的时间沉积成较厚的含矿层,因此能够发育成一定规模的钙结岩型铀矿。片区3由于铀源条件的不足,从源头上限制了该区形成大规模钙结岩型铀矿的可能,加上沉积区较大的含水量,进一步减小了铀成矿的规模。片区1因没有良好的沉积环境,即水系分散,没有一个集中的沉积区(排泄区),U元素因水流在径流区即被蒸发掉而沉淀在径流区,致使含矿层位发育不全,无法满足U元素的沉淀富集,难以形成钙结岩型铀矿,只能形成大量的比较发散的铀异常点; 另外,该区第四系整体沉积时间较短,沉积厚度太薄,U元素沉淀富集的时间太短,难成规模。Khaybar玄武岩熔岩流[14]为第四纪玄武岩,距今仅几百年,同期玄武岩在片区1内花岗岩边上局部发育的微型湖盆内可见钒钾铀矿等次生矿物,但由于一是沉积范围较小且铀源局限,二是沉积时间短暂,没有形成足够厚度的含矿层,因此也难以形成一定规模的铀矿。所以,虽然具有良好的铀源条件和气候条件,但恶劣的沉积区条件和短暂的沉积时间限制了片区1的钙结岩型铀矿的发育。
5 讨论
本研究的结果显示,钙结岩型铀矿成矿条件苛刻,除了良好的干旱—半干旱气候条件和充足的富集沉淀时间外,必须具备良好的补-径-排体系,充足的铀源,集中的沉淀富集区等成矿条件。通过蚀变信息提取、DEM三维显示、水系提取和目视判别等,遥感技术在钙结岩型铀矿勘查中不仅可以在含矿母岩识别中发挥作用,在铀源、补-径-排等成矿条件的识别和评价中亦可发挥一定作用。而在钙结岩铀成矿潜力评价方面,发育良好的钙结岩或膏结岩层是必要条件,但仅此一项是不充分的,需要结合铀源条件、水系条件和U元素沉淀条件综合分析评价。总的来说,U元素的迁出、转移和沉淀富集是铀成矿的过程,也是钙结岩型铀矿勘查评价的必要切入口。
由于研究条件所限,从图3(a)可以看出,目前片区1的水系流向大体上是自西向东,该区西侧是大片的新生代岩浆湖。根据岩浆湖的展布情况判断,在玄武岩未喷发之前,水系是自东向西流入岩浆湖所在位置。因此,在玄武岩下面是否存在发育良好的钙结岩,又是否含有一定规模的钙结岩型或是其他沉积类型的铀矿,需要进一步勘查研究去证实。另外,片区3的铀源问题,即铀源是否已剥蚀完,若铀源很好且已剥蚀完,现今铀成矿不良是否还有其他原因破坏该区的铀成矿。
6 结论
1)通过DEM和ASTER数据处理,从地表信息确定了3个研究片区补-径-排体系和钙结岩发育情况,其中片区2的补-径-排体系体系最完整,钙结岩发育最好; 片区1补-径-排体系发育不完整,钙结岩发育较好; 片区3补-径-排体系发育较完整,钙结岩发育较差。所以补-径-排体系和钙结岩皆发育良好的片区2产有良好的钙结岩型铀矿层。
2)补-径-排体系的完整性对钙结岩型铀矿的成矿作用至关重要,缺一不可,且优质的铀源和沉积环境利于形成大规模的钙结岩型铀成矿,U元素富集累积时间的长短直接影响钙结岩型铀矿的规模大小,因此沙特阿拉伯研究区内钙结岩型铀矿成矿的有利沉积环境为周边有大片铀源的蒸发型湖(干盐湖)相沉积。
由于使用ASTER数据无法区分石膏和羟基蚀变异常信息,本文只能通过野外查证来确定,建议在今后的研究中,使用更高光谱分辨率的遥感数据(例如国产高分5号卫星数据、Hyperion卫星数据及航空高光谱数据等),以便能够区分出石膏和羟基蚀变异常信息的光谱特征差异,弥补ASTER数据的不足。
志谢：
感谢核工业北京地质研究院遥感重点实验室叶发旺主任、李瀚波高级工程师,地质矿产所陈金勇高级工程师和李治兴高级工程师在数据处理方面的帮助和支持。
（原文有删减）
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【作者简介】郭帮杰(1988-),男,博士,高级工程师,主要从事遥感地质学及铀矿地质研究。Email: 695483383@qq.com。
【】国防科工局核能开发项目“基于航空高光谱与伽玛能谱的铀矿勘查技术研究”([2021]88);“塔里木巨型复合盆地砂岩铀矿预测评价技术与资源突破方向研究”(地HTLM2101)
【】郭帮杰, 潘蔚, 张闯. 基于遥感技术沙特阿拉伯地区钙结岩型铀矿成矿要素识别及潜力评价[J]. 自然资源遥感, 2022, 34(4): 299-306.
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