基于遙感技術沙特阿拉伯地區鈣結巖型鈾礦成礦要素識別及潛力評價

郭幫杰， 潘蔚， 張闖， Abdullah I.Nabhan， Hassan Zowawi

(1.中核戰略規劃研究總院，北京 100048； 2.核工業北京地質研究院，北京 100029；3.沙特地質調查局，吉達 21514)

0 引言

鈣結巖型鈾礦是一種重要的鈾礦類型，具有埋藏淺、開采成本低的優勢。作為一種蒸發型鈾礦，該類型鈾礦主要發育于干旱—半干旱氣候條件下穩定的大面積準平原地區[1]，需要大面積的強烈風化且鈾含量較高的地區作為鈾源，再通過間歇性河流將鈾(U)元素帶至湖盆或廢棄河道內，最后通過大量蒸發作用，在鈣結巖和膏結巖中實現U元素的富集成礦[2]。現已知發育具有經濟價值的釩鉀鈾礦鈣結巖的沉積相主要有三角洲相、鹽湖相和河流相等。

目前，世界上已發現大量的鈣結巖型鈾礦[3-7]，其中最具代表性是澳大利亞伊爾崗(Yilgarn)地區的伊利里(Yeelirrie)鈾礦[3,8]、納米比亞檳榔湖地區的蘭格漢瑞奇(Langer Heinrich)和特雷科皮(Trekkopje)鈾礦[9]。國內對鈣結巖型鈾礦也很重視，在西北地區進行多次多地區勘查，總結了各地區鈣結巖型鈾礦的成礦環境及其潛力[10-11]。但是使用遙感方法進行鈣結巖型鈾礦勘查的研究較少。鈣結巖型鈾礦是印度和中東—北非地區重要的鈾礦種類[12]。Rishikesh等[13]曾利用高光譜遙感對印度的拉賈斯坦邦(Rajasthan)西部和古吉拉特邦(Gujarat)北部進行了鈣結巖型鈾礦的含礦母巖研究，幫助鈣結巖型鈾礦勘查。但是，鈣結巖型成礦不僅與含礦母巖相關，還需具備良好的鈾源區、U元素遷移通道及U元素沉淀富集區3大關鍵要素[1]。由于完成U元素的遷移和沉淀多以水流為媒介完成，這3大成礦條件多被稱為補(水區)-徑(流區)-排(泄區)。

本文以鈣結巖型鈾礦的成礦機理為基礎，從補-徑-排的角度，較全面地介紹遙感技術在鈣結巖型鈾礦勘查中的應用，為以后國內鈣結巖型鈾礦勘查提供一些參考。

1 研究區地理地質背景和鈾源概況

1.1 研究區自然地理地質背景

鈣結巖型鈾礦多發育于干旱—半干旱地區，研究區位于沙特阿拉伯中部及北部，處于沙漠邊緣地帶，受熱帶沙漠氣候影響，夏季炎熱干燥，降雨以陣雨為主，河流以季節性河流為主。在干旱—半干旱的氣候條件影響下，研究區內廣泛發育鈣結巖。區內分布大量的第四紀玄武巖和元古代花崗巖，其中花崗巖風化作用強烈，且遭受多組斷裂破壞，這種風化強烈的花崗巖利于其內U元素的析出遷移，成為良好鈾源。

1.2 鈾源概況

鈾源、轉移通道、沉積區和保礦層是沉積型鈾礦的4大關鍵要素[3]，由于鈣結巖型鈾礦多產于新生代地層中或是直接暴露于地表，故前3個要素更加重要。

根據鈾源、補-徑-排水動力體系的差異性和鈣結巖發育情況，本文選定了3個研究區： 片區1(Nibwan and Hulayfah)、片區2(Sabkhah Ad Dumathah)、片區3(Wadi as Sirhan)(圖1)。片區1鈾源良好，補-徑-排體系發育不完整； 片區2鈾源良好，補-徑-排體系發育完整； 片區3鈾源較差，補-徑-排體系發育完整但不太良好。

圖1 研究區分布示意圖(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.1 Location of study areas

3個研究區中片區2有完整的含礦層； 片區1幾乎沒有大片成層的鈣結巖； 片區3則發現有大片的鈣結巖，但含礦情況比片區2差。片區1和片區2皆有大面積的元古代花崗巖、流紋巖等酸性巖漿巖出露，亦可見大面積新生代玄武巖； 片區3則多為新生代地層覆蓋，且伴有新生代玄武巖巖漿流。研究區出露的花崗巖及中酸性火山巖為晚元古代泛非運動時期形成的[12,14-15]。花崗巖為二次侵入活動產物，第一次主要形成英云閃長巖-花崗閃長巖，第二次主要形成堿性花崗巖-花斑巖[16]。這二次酸性侵入活動為研究區鈣結巖型鈾礦成礦提供了豐富的鈾源。

鈾源的好壞直接影響初始氧化水中鈾的濃度和鈾成礦前期的預富集作用，進而影響鈾礦床的規模。根據前人研究，U元素在玄武巖平均含量為0.9 ppm，在花崗巖平均含量為3.5 ppm，在二長花崗巖平均含量為7.5 ppm，地殼中花崗巖的Th/U均值為3.3[1]。研究區內，包括片區1、片區2和片區3，玄武巖鈾含量普遍低于1 ppm。片區1和片區2中花崗巖U和Th含量信息如表1所示。從表1中數據可以看出，新鮮的或風化弱的花崗巖U元素含量相對較高，Th/U值相對較低，而風化嚴重的花崗巖U元素含量相對比較低，Th/U值相對較高。片區1和片區2內花崗巖大多處于遭受強烈風化的狀態，U元素明顯表現出大量流失的狀態，能夠為鈣結巖等沉積地層提供較多U元素。因此，片區1和片區2的鈾源條件比較好。

表1 研究區花崗巖U和Th含量信息Tab.1 The U and Th contents of granite in study areas

根據WorldView-2遙感影像(圖2)顯示，可以目視判別出片區1和片區2花崗巖的完整性特別差，被多組斷裂切割，破碎嚴重，風化作用強烈，這是其U元素流失的重要原因之一。

(a) 片區1區域1 (b) 片區1區域2 (c) 片區2 (d) 片區1區域3圖2 鈾源區花崗巖紋理(WorldView-2 B3(R)，B2(G)，B1(B)真彩色合成圖像)Fig.2 Granite texture in uranium source areas

片區3以玄武巖和大面積的沉積巖為主，玄武巖為巖漿分異早期形成的基性巖石，而U元素在巖漿巖分異系列中具有較多長英質、堿質和晚期分異物中含量高于早期形成的較基性巖石[1,17]。因此，該片區缺乏鈾含量較高的巖體作為鈾源，鈾源條件相對于片區1和片區2較差。當然，不排除有好的鈾源被剝蝕完，或是被第四紀噴發的玄武巖所覆蓋，但由于研究區鈣結巖形成于第四紀，過早被剝蝕掉的鈾源對該地鈣結巖型鈾礦成礦影響較小。

2 補-徑-排體系劃分及評價

沉積環境對沉積型鈾礦床的形成具有非常重要的作用，如何快速有效地劃分補-徑-排等不同的沉積環境區段對鈣結巖型等沉積型鈾礦勘查具有重要意義。

補-徑-排體系因水流的原因與高程關系緊密。利用數字高程模型(digital elevation model，DEM)數據，通過地面高程數據信息，在ArcGIS軟件平臺上進行分析，可以提取出分水嶺和水系等信息，進而快速有效地劃分出補-徑-排等不同的沉積環境條件。

通過水系的提取，確定水域界限(圖3)，即分水嶺，獲取該區水文信息。結合該區DEM數據提取的等高線信息和三維圖像信息，疊加上ETM遙感影像數據，最終確定補-徑-排體系。片區1(圖3(a))的補水區為大面積的花崗巖、酸性火山巖及火山碎屑巖，徑流區非常發育，但沒有發育很好的沉積盆地。片區2(圖3(b))的補水區(鈾源區)為元古代花崗巖及酸性火山巖山區； 排泄區為山間盆地，是一個良好的鈣結巖型鈾礦沉淀富集區； 補水區和沉積區之間為徑流區，是間歇性山間沖溝。片區3(圖3(c))補水區為地勢較高的玄武巖區和部分沉積巖區，徑流發育，徑流匯集的沉積盆地發育，從圖中可以發現，沉積區周邊灌溉區非常多，皆以地下水為水源，說明地下水非常豐富，這在一定程度上稀釋了沉積盆地地層中的U元素。

(a) 片區1

(b) 片區2

(c) 片區3圖3 3個片區水系與三維地形疊合圖(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.3 Images of drainage and 3D topography of three subareas

綜上，片區2和片區3發育有完整的補-徑-排體系，片區1補-徑-排體系不健全，缺少較好的沉積盆地。

3 含礦母巖遙感評價

圖4 方解石和石膏的反射率光譜曲線及ASTER重采樣光譜曲線Fig.4 Reflectance spectrum and resampled reflectance spectrum as ASTER of calcite and gypsum

(a) 片區1 (b) 片區2 (c) 片區3圖5 3個片區碳酸鹽巖和石膏分布情況(ETM B7(R)，B4(G)，B2(B)假彩色合成影像)Fig.5 Carbonate and gypsum distribution in three subareas

從圖5(a)可以看出，片區1整體以碳酸鹽巖(方解石)為主，石膏含量相對較少，而且主要分布于花崗巖(黃白色-橙色)、火山巖(紫黑色)及火山碎屑巖(紫色)等基巖區或風化殼部位，難以形成成層的含礦母巖； 河道中有零星分布，不成規模，鈣結巖整體不發育。野外觀察發現，該區鈣質層有2種，其中一種分布占比較高，為基巖表層的鈣質殼，相對位置較高，致密堅硬，且放射性值極低； 另一種為花崗巖近地表風化碎屑層，距離花崗巖基底2～3 m，呈窩狀分布的石膏層，局部可見表生作用形成的黃綠色次生鈾礦，野外驗證照片如圖6所示。從圖5(b)可以發現，片區2的山間盆地含有大量的石膏，局部含有碳酸鹽巖，說明盆地內的鈣結巖以石膏為主，碳酸鹽巖(方解石)次之，石膏主要出露于沉積盆地靠山的一側，而遠離山的一側出露較少。根據野外觀察和槽探挖掘，發現隨著與山的距離增大，石膏層埋深加大，而不是尖滅，石膏層發育比較完整，至東部或東北部邊緣，埋深可達5～6 m。對于整個石膏含礦層，西部含礦量大于東部，中部最佳，但礦體不連續。從圖5(c)可以發現，片區3地表出現的主要為碳酸鹽巖，未提取出來石膏信息。碳酸鹽巖的分布特征明顯，自然地表出露主要出現在玄武巖表面，沉積巖及第四系地表出露，主要是因為使用地下水澆灌造成的圓形水澆地上，且碳酸鹽巖的分布形狀亦主要為圓形，疊加在水澆地上。根據提取的碳酸鹽巖分布信息特點，可以看出在富水區(圖5(c)中藍色部分)中下游及周邊位置地表以下富含碳酸鹽巖，甚至有碳酸鹽巖層，進而可以認為富水區中下游及周邊為鈣結巖的蒸發沉積區。沉積區地表的碳酸鹽巖未出露，則說明近期為鈣結巖沉積的間歇期或終止期，這也從側面反映了玄武巖及周邊的沉積巖不是很好的鈣結巖型鈾礦的物源和鈾源。

(a) 地表及下部地層中鈣結巖 (b) 地下鈣結巖 (c) 黃綠色為鈣結巖中發育的次生鈾礦物圖6 野外驗證照片Fig.6 Field verification photos

4 研究區鈣結巖型鈾礦成礦條件綜合分析

片區1的新生代沉積層整體是河流相沉積(圖3(a))，發育于元古代花崗巖、火山巖及碎屑巖和變質巖等矮山丘陵之山溝內。大面積的含鈾花崗巖為該區提供了良好的鈾源條件，并因其受風化作用強烈，U元素析出能力較強，且引起了學者對當地U元素的環境污染的擔心和關注[14]； 水系較發育，徑流條件較好； 但是河道內沉積物厚度薄，難以形成層狀鈣結巖，方解石及石膏多成團塊狀或粉末狀聚集在碎石表面； 氣候為干旱型氣候，雨季短促，但短時間雨量較大。在花崗巖周邊，因第四紀玄武巖的噴發，與花崗巖局部形成微型湖泊，其中可見大量釩鉀鈾礦等次生鈾礦物發育在石膏層內，但因沉積時間相對比較短暫，未形成規模。附近地層中的石鹽、鈣結(礫)巖中含有較高的鈾[14]，但遠未達到形成礦床的規模。

片區2為一個多湖盆山區(圖3(b))，四周為酸性火山巖及花崗巖，可見第四紀玄武巖噴發巖流。四周相對高程較高的大面積酸性巖漿巖含鈾量大，距此地不遠的賈巴爾賽義德(Jabal Sayid)地區更是形成了堿性花崗巖型鈾礦[25-26]，為該區提供了良好的鈾源條件； 山間盆地為U元素的匯集沉淀提供良好的沉積環境，徑流多匯聚于這幾個山間小盆地內，盆地內沉積巨厚的沉積物，鈣結巖多堅硬，多為白色致密的層狀鈣結巖，夾于泥巖或泥層之間； 鈾源區和沉積區之間巨大的高差，為U元素遷移提供良好的條件； 同時，沙特阿拉伯地區的干旱氣候為該區大量蒸發提供條件。良好的鈾源條件、補-徑-排條件和氣候條件，為該地區鈣結巖型鈾礦的發育提供了良好的基礎條件。

片區3(圖3(c))的情況介于片區1和片區2之間，處于一個狹長的斷陷盆地內。水系則以自NW向SE的河流為主，比片區1的匯聚，但比片區2發散。但是，該區以玄武巖和大面積的沉積巖為主，缺乏U元素含量較高的巖體作為鈾源，鈾源條件比片區1和片區2差。另外，片區3的沉積區含水量大，甚至可作為當地農業水源地，在一定程度上帶走和稀釋了鈣結巖層內的U元素。因此，該區發育的鈣結巖具有一定的層位，但厚度相比于片區2較差，鈾礦發育情況也較差。

綜上所述，鈣結巖型鈾礦成礦需要豐富的鈾源條件和便利的徑流條件，將U元素轉移至有利的沉積區，通過有利的氣候條件進行大量的蒸發，促使U元素沉淀富集。片區2滿足了以上所有的條件，且有足夠的時間沉積成較厚的含礦層，因此能夠發育成一定規模的鈣結巖型鈾礦。片區3由于鈾源條件的不足，從源頭上限制了該區形成大規模鈣結巖型鈾礦的可能，加上沉積區較大的含水量，進一步減小了鈾成礦的規模。片區1因沒有良好的沉積環境，即水系分散，沒有一個集中的沉積區(排泄區)，U元素因水流在徑流區即被蒸發掉而沉淀在徑流區，致使含礦層位發育不全，無法滿足U元素的沉淀富集，難以形成鈣結巖型鈾礦，只能形成大量的比較發散的鈾異常點； 另外，該區第四系整體沉積時間較短，沉積厚度太薄，U元素沉淀富集的時間太短，難成規模。Khaybar玄武巖熔巖流[14]為第四紀玄武巖，距今僅幾百年，同期玄武巖在片區1內花崗巖邊上局部發育的微型湖盆內可見釩鉀鈾礦等次生礦物，但由于一是沉積范圍較小且鈾源局限，二是沉積時間短暫，沒有形成足夠厚度的含礦層，因此也難以形成一定規模的鈾礦。所以，雖然具有良好的鈾源條件和氣候條件，但惡劣的沉積區條件和短暫的沉積時間限制了片區1的鈣結巖型鈾礦的發育。

5 討論

本研究的結果顯示，鈣結巖型鈾礦成礦條件苛刻，除了良好的干旱—半干旱氣候條件和充足的富集沉淀時間外，必須具備良好的補-徑-排體系，充足的鈾源，集中的沉淀富集區等成礦條件。通過蝕變信息提取、DEM三維顯示、水系提取和目視判別等，遙感技術在鈣結巖型鈾礦勘查中不僅可以在含礦母巖識別中發揮作用，在鈾源、補-徑-排等成礦條件的識別和評價中亦可發揮一定作用。而在鈣結巖鈾成礦潛力評價方面，發育良好的鈣結巖或膏結巖層是必要條件，但僅此一項是不充分的，需要結合鈾源條件、水系條件和U元素沉淀條件綜合分析評價。總的來說，U元素的遷出、轉移和沉淀富集是鈾成礦的過程，也是鈣結巖型鈾礦勘查評價的必要切入口。

由于研究條件所限，從圖3(a)可以看出，目前片區1的水系流向大體上是自西向東，該區西側是大片的新生代巖漿湖。根據巖漿湖的展布情況判斷，在玄武巖未噴發之前，水系是自東向西流入巖漿湖所在位置。因此，在玄武巖下面是否存在發育良好的鈣結巖，又是否含有一定規模的鈣結巖型或是其他沉積類型的鈾礦，需要進一步勘查研究去證實。另外，片區3的鈾源問題，即鈾源是否已剝蝕完，若鈾源很好且已剝蝕完，現今鈾成礦不良是否還有其他原因破壞該區的鈾成礦。

6 結論

1)通過DEM和ASTER數據處理，從地表信息確定了3個研究片區補-徑-排體系和鈣結巖發育情況，其中片區2的補-徑-排體系體系最完整，鈣結巖發育最好； 片區1補-徑-排體系發育不完整，鈣結巖發育較好； 片區3補-徑-排體系發育較完整，鈣結巖發育較差。所以補-徑-排體系和鈣結巖皆發育良好的片區2產有良好的鈣結巖型鈾礦層。

2)補-徑-排體系的完整性對鈣結巖型鈾礦的成礦作用至關重要，缺一不可，且優質的鈾源和沉積環境利于形成大規模的鈣結巖型鈾成礦，U元素富集累積時間的長短直接影響鈣結巖型鈾礦的規模大小，因此沙特阿拉伯研究區內鈣結巖型鈾礦成礦的有利沉積環境為周邊有大片鈾源的蒸發型湖(干鹽湖)相沉積。

由于使用ASTER數據無法區分石膏和羥基蝕變異常信息，本文只能通過野外查證來確定，建議在今后的研究中，使用更高光譜分辨率的遙感數據(例如國產高分5號衛星數據、Hyperion衛星數據及航空高光譜數據等)，以便能夠區分出石膏和羥基蝕變異常信息的光譜特征差異，彌補ASTER數據的不足。

志謝：感謝核工業北京地質研究院遙感重點實驗室葉發旺主任、李瀚波高級工程師，地質礦產所陳金勇高級工程師和李治興高級工程師在數據處理方面的幫助和支持。