宝昌火山盆地骆驼山地区781矿点铀矿化三维模型与定位预测

2013-04-15薛伟李洪军彭云彪剡鹏兵黄宝峰

地质论评 2013年6期

薛伟 , 李洪军, 彭云彪, 剡鹏兵, 黄宝峰

1) 中国地质大学资源学院, 武汉, 430074; 2) 核工业二○八大队, 内蒙古包头, 014010

内容提要：宝昌火山盆地骆驼山地区781矿点位于燕辽构造岩浆活动带西段，是著名燕辽铀成矿带内新近勘查发现的重要矿化区之一。通过对矿区73个钻孔、地形、地层及剖面资料的综合研究，利用Surpac三维软件首次建立了781矿点铀矿化的可视化三维模型，直观地显示了地形、地层、构造、矿体的空间变化特征。地层、构造及矿体三维模型联合研究表明，新识别出的Fa隐伏断裂是最直接的导矿构造和控矿构造，上侏罗统玛尼吐组火山地层为重要含矿层和铀源层。掌握781矿点关键控矿因素，结合矿体空间赋存、分布规律等研究结果，利用Surpac软件在深部定位预测找矿靶区Ⅰ区和Ⅱ区，其具有较精确的空间三维坐标，对深部找矿具有重要指导意义。

宝昌火山盆地骆驼山地区位于燕辽火山岩铀成矿带西段，带内已发现火山岩型铀矿床3个(460、570和534铀矿床)，显示出良好的找矿前景。但目前控制的铀矿储量，难以满足矿山持续生产的需要，找矿的需求日益迫切。为此自1986年开展深揭工作以来，核工业二○八大队对宝昌火山盆地骆驼山地区781矿点断续投入了较大的工作量，共施工钻孔73个，完成钻探工作量18951.98m，在南、北两个地段找到了较好的工业矿体，展示了该区较好的找矿前景。但由于种种原因，勘查工作的范围及深度都比较局限，至今控矿因素尚不明朗并未能取得重大突破。因此，有必要对该点历年的资料进行综合整理，加强综合研究，重新判别关键控矿因素，指明找矿方向。

矿体的形态是在不同的物理、化学条件下，地质、构造、流体等综合作用的结果，矿体的形态、产状是矿床成因、构造作用等最重要的体现(修群业等，2005)。利用矿体三维建模软件实现地下矿体三维可视化，对研究矿体与构造、地层等控矿因素的关系具有重要意义(王雷等，2008)，对实现隐伏矿体定位预测具有重要指导作用(陈建平等，2008；毛先成等，2009)。本文首先研究总结铀矿化地质特征，然后利用781矿点现有钻探数据、勘探线剖面、地形和地质填图等实际资料，通过Surpac三维建模软件实现骆驼山地区781矿点的三维地质填图和矿体三维建模，探讨矿体在空间上分布特征以及与构造、地层存在的关系，最后实现隐伏矿体定位预测，以期为该区铀矿勘查提供重要依据。

1 地质背景

研究区位于大兴安岭—太行山构造岩浆活动带与燕辽构造岩浆活动带的复合交接部位，华北地块北缘，西拉木伦河断裂以南，属于东亚陆缘增生、陆—陆碰撞形成的东北亚造山带的一部分(Jahn et al., 2001；Fan Wei Ming et al., 2003；郭峰等，2001；图1)。区内构造复杂，断裂构造发育，中生代经历了古亚洲洋构造域向环太平洋构造域转换过程，表现出以裂陷作用为主导的构造活动，并发生了强烈的火山喷发活动及盆岭构造格局(李思田等，1987；郭峰等，2001；葛文春等，1999)。

火山盆地基底主要为太古宇、古元古界变质岩和混合岩，中—新元古界、古生界海相碳酸盐岩、碎屑岩、粘土岩等。盆地内部发育地层为上侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、玛尼吐组(J3mn)、白音高老组(J3b)，局部发育下白垩统义县组(K1y)和阜新组(K1f)，产铀地层主要为玛尼吐组和玛尼吐期潜火山岩体❶❷。满克头鄂博组：岩性组合为流纹岩、流纹质火山碎屑岩、石英粗面岩夹角砾熔结凝灰岩。玛尼吐组：分布局限，岩性为灰紫色粗面岩、粗面英安岩。白音高老组：主要岩性为石英粗面质熔结凝灰岩、流纹质凝灰岩、流纹岩、沸石化凝灰岩夹凝灰质砂岩、泥灰岩。

图1 宝昌火山盆地骆驼山地区地质—构造简图Fig. 1 Geological and tectonic sketch map of the Luotuoshan area, Baochang volcanic basin

2 铀矿化地质特征

骆驼山地区781矿点位于宝昌火山盆地北部东缘，受石硼沟火山机构控制。区域内断裂构造、火山构造系统较为复杂，主要有北东向(F1、F3、F9)、东西向(F4、F5、F6、F7、F8)和近南北向(F0、F2)三组断裂，与铀矿化关系最密切的可能是火山机构形成的环状断裂和北东向断裂。铀矿体赋存于玛尼吐组粗面质构造角砾岩中，矿体多为盲矿体，主要呈透镜状或不规则状产出，矿体埋深80～150m，矿体顶底板围岩界线清楚。矿石物质成分较为简单，矿石矿物以沥青铀矿、钛铀矿和含铀白铁矿为主，另有少量铀的次生矿物。伴生的脉石矿物以玉髓、石英、水云母、萤石、沸石和方解石为主，除黄铁矿和赤铁矿外，其它伴生多金属硫化物少见。围岩蚀变较为发育，其中高温热液蚀变有钾长石化、含钛的金属矿化(白钛矿)、赤铁矿化和磷灰石化；中低温热液蚀变有粘土化、硅化、萤石化、黄铁矿化等。与铀矿化关系密切的蚀变主要有黄绿色水云母化、黑色硅化、紫黑色萤石化和胶状黄铁矿化。

3 铀矿化三维建模

3.1 地质数据库建立

图2 宝昌火山盆地骆驼山地区781矿点钻孔三维模型(a)和勘探线剖面(b)Fig. 2 Three-dimensional model (a) and profile of exploration lines (b) for 781 uranium ore spot in Luotuoshan area, Baochang volcanic basinJ3b—上侏罗统白音高老组；J3mn—上侏罗统玛尼吐组；J2-3—中—下侏罗统J3b—Upper Jurassic Baiyingaolao Formation; J3mn—Upper Jurassic Manitu Formation; J2-3—Lower and Middle Jurassic

澳大利亚Surpac公司开发的Surpac6.1.4三维建模软件吸收了多用户的开放数据库技术(ODDC)优势，能够直接与许多流行的数据库存储和管理地质信息，如Access、SQL Server、Oracle等数据库(王雷等，2008)。地质数据库是矿床三维建模的基础，汇集了所有必要的地质信息，实际原始资料数字化过程中包括钻孔定位表、钻孔测斜表、测井解释表和岩性表4个基础数据表。数据库的基本要素为“表”和“字段”。一个数据库由若干表组成，每个表中有若干字段，各个字段有对应的数据格式。这些表和字段都要与实际的数据相匹配。根据建模需要，收集骆驼山地区781矿点73个钻孔数据、大比例尺地形资料和若干勘探线剖面。以钻孔数据为数据源，结合73个钻孔平面分布密集情况，将781矿点南、北两个地段划分为“立1三维建模区”和“立2三维建模区”，并按照Surpac数据库的数据格式，建立以下数据表：

钻孔定位表：描述钻孔的空间具体位置信息，数据字段包括钻孔号、Y、X、Z、最大深度、孔迹线、勘探线号。

钻孔测斜表：描述钻孔的空间位置变化信息，数据字段包括钻孔号、测斜深度、角度、方位。

测井解释表：描述铀工业矿段、矿化段、异常段、无矿段地质信息，数据字段包括钻孔号、解释段编号、解释段起始位置、解释段终止位置、铀品位、样柱。

岩性表：描述不同深度岩性变化信息，数据字段包括钻孔号、归属层位、岩性起始位置、岩性终止位置、岩性代码。

将所有原始数据录入到相应上述文件中，并导入到Surpac中检验数据是否存在错误，如：缺少孔口坐标、存在重叠样品、钻孔测斜表中的孔深大于孔口表中的最大深度等。数据检验完后对出错部分进行修正，最终形成地质数据库。地质数据库建成后，存储在Surpac数据库中的坐标、高程、岩性、解释段等地质数据信息，均可以图形的方式显示和查询，也能够直接在图形和数据库中修改更新。通过Surpac软件，可以快速浏览781矿点钻孔信息和三维图示(图2a)，也可以按勘探线切割不同类型的剖面(图2b)，查看剖面上的矿化信息和岩性揭露情况，为铀矿化区三维建模提供基础数据。

3.2 地形三维建模

地表模型是矿山数字化重要的一部分，对于矿床勘查、采矿工程设计、切割平剖面具有重要的实际意义(王雷等，2008)。建立矿床地表模型可以直观而形象地显示矿体和地表之间的关系，将地表填图、坑道工程、槽探工程及地表地球化学异常图投影至地表上，为矿床地质综合分析提供依据。为此有必要建立781矿点地表模型，为矿点三维填图和矿体建模提供地表地质信息。

图3 781矿点矿区地形模型(a)、三维地质图(b)和地层三维模型(c、d)Fig. 3 Three-dimensional topography model (a), geological map (b) and stratigraphic model (c and d) for 781 uranium ore spot (c)—与钻孔相交；(d)—隐藏钻孔；Q—第四系；J3b—上侏罗统白音高老组；J3mn—上侏罗统玛尼吐组；J2-3—中—下侏罗统(c)— drill cores displayed; (d)—drill cores undisplayed; Q—Quaternary; J3b—Upper Jurassic Baiyingaolao Formation; J3mn—Upper Jurassic Manitu Formation; J2-3—Lower and Middle Jurassic

骆驼山地区781矿点已完成1：2000大比例尺地形图测量工作，以此地形图为原始资料，在Mapgis中提取地形等高线数据，按照以下步骤进行处理，完成地表三维模型的构建。首先，在Mapgis中为提取出的地形等高线数据增加高程属性；然后，通过文件转换格式将Mapgis识别的线文件转换成AUTOCAD识别的“.dxf”格式线文件，导入到Surpac中另存为“.str”格式的三维等高线文件；最后，清理线文件中的重复点、错误点、跨接点，利用线文件生成DTM三维模型，根据高程值为地形着色，完成地表三维模型的构建(图3a)。将地表三维模型与相应比例尺地质图以贴图的方式融合，即可形成781矿点三维地形地质图(图3b)，技术员可以直观而形象看到不同标高钻孔的位置、构造的地表空间走向、地层的地表空间分布特征等，同时可为钻探工程设计部署提供外部环境参考。

3.3 地层三维建模

地层模型是将矿区的三维模型细化成不同的地质单元，可以直观地表达矿区地层和矿体的空间关系，将矿体与地层结合起来，研究其空间赋存规律及矿体展布特征。地层模型建立的依据主要是矿区勘探线剖面图和钻孔揭露的地层界线，实际构建过程将其与三维地形地质图结合，由浅及深、由表及里完成地层三维建模。

根据钻孔在勘探线上的密集程度，选择骆驼山地区781矿点11～19和8～26号勘探线作为地层三维模型区范围，本文重点论述后者，按照以下步骤进行处理，完成地层三维模型的构建。首先，确定781矿点勘探线间距为40m，在Surpac中定义剖面中新建剖面，步距与勘探线间距一致，按勘探线方位切割剖面；然后，在单个剖面上将单个钻孔不同地层界线依次连接，在充分综合考虑火山地质成因与机制的基础上形成闭合地层界线，不同的地层用不同颜色显示，同时与三维地形地质图结合，圈定地表不同地层界线，形成Surpac软件可以识别的“.str”格式地层界线；最后，在Surpac软件实体模型界面利用“创建三角网”功能完成地层三维模型的构建。骆驼山地区781矿点形成的不同旋回、不同时代的三维火山岩地层(图3c和图3d)，充分展示了其三维空间变化规律和展布特征，其与石硼沟火山机构的形成与演化关系密切。将钻孔中构造角砾岩提取出来，与地表硅化—构造带相连，利用已知断裂产状进行构造三维模型的构建。硅化—构造带三维建模显示，F1、F2、F9均向北东向延伸，倾向北西(在300°～310°之间)，倾角较陡，控制规模较大；通过三维建模过程识别出2条北东向隐伏构造，编号为Fa和Fb，其产状与前者相似，夹于前者之间，应同属北东向构造体系(图4a)。

3.4 矿体三维建模

图4 宝昌火山盆地骆驼山地区781矿点构造、矿体三维模型Fig. 4 Three-dimensional model of structures and orebodies for the 781 uranium ore spot in Luotuoshan area, Baochang volcanic basin(a) 构造三维模型；(b) 矿体三维模型；(c) 三维矿体在地表(X、Y平面)投影；(d) 铀矿体与构造的关系；F1、F2和F9—矿区已编号构造；Fa和Fb—新识别的隐伏构造(a) Three-dimensional model of structures; (b) Three-dimensional model of orebodies; (c) projection map of orebodies on the topographic surface (X and Y planes); (d) The relationship of structures and orebodies; F1、F2 and F9— numbered structures; Fa and Fb—recently identified structures

矿体模型是矿区的三维模型中特殊的地质单元，它是达到工业矿化块段的三维集合体，其空间形态分布特征显示了在不同的物理、化学条件下，地质、构造、流体等综合作用的结果。实际三维建模过程中，首先依据铀矿三五工业指标(边界品位：0.03%，最低工业品位：0.05%)确定单孔矿体顶底板边界；然后将同一勘探线剖面相同矿体顶底板界线相连，无矿孔按照1/4外推方法相连，形成闭合“.str”格式界线；最后在Surpac软件实体模型界面中利用“创建三角网”功能完成矿体三维模型的构建，且需检验实体模型，形成实心矿体，最终完成矿体三维模型的构建(图4b)。可将三维矿体模型与钻孔相交(图4c)，把地下近百米深的矿体直观地展现在地质工作者面前。

4 讨论

4.1 铀矿化与构造的关系

骆驼山地区781矿点铀矿体呈板状或透镜状产出，长70～90m，宽45～60m，厚0.70～9.00m，产状较陡，集中在35°～50°之间(图4b)，所有单矿体空间形态相近，走向和倾向相似，说明其可能受同一控矿因素制约。矿体在长轴方向(北东向)中部部位变厚变富，产状较陡，向两翼逐渐变薄、尖灭，产状较缓，总体上矿体北东翼上倾，南西翼下扬，铀矿化带有向南西偏移的趋势。矿体在垂向上呈陡倾斜雁列式分布，分为上、下两个矿群，上部矿群矿体密集且品位较富，下部矿群矿体稀疏且品位较低(图4b)，受钻探揭露深度限制，深部矿体发育情况尚不清楚。整体上，矿体走向和倾向与硅化—构造带三维模型相近(图4a、b)，且空间赋存规律类似(单线式分布)，说明二者无不关联，很可能指示北东向构造体系控制了铀矿体产出与分布。

硅化—构造带三维模型显示，北东向构造体系均向北西倾(图4a)，这与石硼沟火山机构断陷构造作用的结果相吻合，表明781矿点构造体系应归属于火山机构演化构造域。因此认为火山机构晚期构造体域控制了781矿点的铀矿化。将三维矿体模型与硅化—构造带模型空间叠加研究显示，所有铀矿体均与Fa隐伏构造呈一定角度斜交，且矿体的绝大部分体积位于Fa断裂的上盘、北西侧(图4d)，表明二者空间形态具有成因关系，符合空间赋存规律，Fa断裂是最直接的导矿构造和控矿构造。火山活动晚期，富含钾质的热液沿Fa构造缓慢向上运移，在深部对围岩进行钾交代和去硅作用，逐渐形成富硅的弱酸性热液，铀元素随之萃取、活化出来并沿该构造向上迁移，遇到还原剂时在侧翼开放空间富集沉淀。因此高温钾化蚀变作用为矿前期蚀变，铀矿化主要富集在Fa断裂的北西侧，且以一定角度斜交。研究证明，硅化—构造带可能是还原成矿热液运移沉淀的有效途径。

4.2 铀矿化与地层的关系

骆驼山地区781矿点火山地层三维模型研究显示，不同火山喷发旋回的火山岩地层单元叠置关系非常清晰，所有地层均向北西倾斜，并按喷发旋回、以高角度斜向上覆在老地层之上(图3c、d)。火山地层单元南东端上扬，甚至出露地表，与地表相连，北西端下沉，与火口相接，受石硼沟火山机构喷发—溢流系列影响明显，由此推测整个781矿点火山地层应以火山机构为中心呈花状、蘑菇状向外溢流、固结成岩。因为研究区位于石硼沟火山机构的东南端，且属于火山机构边部的构造活动带，所以这里构造作用尤为发育，火山地层向南东上覆而倾向指向北西。又因为铀矿化主要赋存在这些火山地层单元中，所以石硼沟火山机构对铀矿化的产出与分布具有一定的控制作用。

地层与矿体三维模型联合研究表明，铀矿化主要赋矿于上侏罗统玛尼吐组中，远离白音高老组，玛尼吐组可能是铀成矿的重要铀源层(图5a、b)。另外，矿区粗面质岩石和流纹质岩石中普遍发育存在两种锆石，长柱状锆石年龄为晚侏罗世产物，代表了矿区火山岩成岩年龄；浑圆状锆石年龄为2010.8±4.3Ma，与基底乌拉山群的时代基本相当，表明它们具有壳源重熔成因的特点(罗毅，1994)，而且其铀的平均含量达13×10-6～15×10-6，供铀能力达60%～70%，说明上侏罗统火山岩，尤其玛尼吐组应是极为重要的铀源供体。研究区北东向构造体系截穿白音高老组(图5c)，所以该构造体系应晚于上侏罗统形成时间。综上文所述，推断Fa断裂控制的铀矿化成矿时间应更晚，至少晚于晚侏罗世。这些认识与781矿点沥青铀矿铅同位素年龄为60.6±26 Ma❸的成矿作用事实相吻合。因此，Fa隐伏构造控制铀矿化时间应在燕山晚期—喜马拉雅早期，且该构造长期处于活动状态。多次构造活动复活、叠加利于富含钾质的热液向上运移，利于铀源不断获取，最终形成富铀热液，在开放的空间、还原条件下富集成矿，并导致硅化—构造带的形成。Fa隐伏断裂延伸方向是下一步重要的找矿方向。

4.3 成矿定位预测

图5 781矿点矿区矿体、构造、地层和矿体定位预测三维模型Fig. 5 Three-dimensional model of structures, stratigraphy, orebodies and prediciton for orebodies position for the 781 uranium ore spot(a) 铀矿体与其它地层的关系；(b) 赋矿层位；(c) 地层与构造的关系；(d) 铀矿体定位预测三维模型；红色—已知铀矿体；绿色块体—预测隐伏矿体；Ⅰ和Ⅱ—预测区编号(a) the relationship of uranium orebody and neighbouring strata; (b) ore-bearing horizon; (c) the relationship of structures and sratigraphy; (d) three-dimensional model of orebodies position prediction. Red color—identified uranium orebody; green color—indicated concealed orebody;Ⅰ and Ⅱ—Numbers of indicating areas

矿床三维模型是数字化的信息模型，可依据钻探校正、地形校正等处理方法正确显示矿体三维空间位置特征和赋存规律，依据此矿床模型进行成矿定位预测是近年来探寻隐伏矿体的重要手段(陈建平等，2007)。掌握矿体的关键控矿因素或者矿体延伸富集规律，在已有矿床模型的基础上可以实现隐伏矿体定位预测。骆驼山地区781矿点铀矿化严格受隐伏断裂Fa控制，铀矿体均产在该断裂上盘、北西侧，与Fa断裂以一定角度斜交，即Fa断裂应作为成矿定位预测第一控制因素。上侏罗统玛尼吐组火山地层是781点铀矿化的重要含矿层和铀源层，对铀矿化的发生具有一定的贡献意义，成矿预测的过程中将其作为第二控制因素。综上铀矿化第一、第二控制因素，结合铀矿体三维模型的空间赋存规律和展布特征，定位预测隐伏矿体Ⅰ区和Ⅱ区(图5d)。预测的Ⅰ区和Ⅱ区具有较精确的空间三维坐标，可进行工程验证，应是781矿点下一步铀矿勘查主要靶区。