原生晕垂向分带模型找矿法及其在铀矿勘查中的应用

2014-11-12叶庆森方适宜欧阳平宁陶志军

铀矿地质 2014年2期

叶庆森，方适宜，欧阳平宁，陶志军

（核工业230研究所，湖南长沙 410007）

随着矿床勘查活动的日益深入，地表矿、浅部矿已被基本探明，矿床勘查工作者已把注意力转向地下深部。攻深找盲的方法应运而生。上世纪50年代前苏联学者提出了原生晕垂向分带模型找矿方法，已成为寻找矿床最主要的地球化学找矿方法之一。该方法在寻找铜、铅、锌、钨、金、银、钼等盲矿床（体）方面发挥了巨大的作用，预测深部盲矿体的成功率达84%以上[1]。自上世纪60年代该方法引入我国后，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所谢学锦教授、邵跃教授，中国有色金属北京矿产地质研究所欧阳宗圻教授，中国冶金地质总局地球物理勘查院李惠教授等率先做了大量的科学研究和找矿应用工作，取得了非常显著的找矿效果和巨大的经济效益；上世纪80年代，笔者等人在铀矿勘查领域对该方法进行了深入研究及找矿应用试验[2－3]，结果表明，攻深找盲效果明显。

1 原生晕垂向分带模型找矿法

原生晕垂向分带模型找矿法是通过发现、研究并应用基岩中原生晕指示元素垂向分带规律、建立指示元素垂向分带模型进行原生晕找矿或延伸到次生晕找矿的勘查地球化学方法。

1.1 矿床原生晕及其分带性

矿床（体）原生晕的成因与相应矿床（体）是一致的，但其范围很广，一般可超过矿体很多倍，矿体前缘的原生晕可向上延伸几百米，并与矿体物质成分类似，含有大量的伴生元素，其中成矿元素和部分伴生元素可作为寻找该类矿床的特征指示元素。矿体四周的原生晕中，伴生元素的赋存形式通常与矿体相同。成矿元素和伴生元素存在明显的分带现象，按空间关系，可分为垂向（轴向）分带、水平（横向）分带。其中，垂向分带对指导找矿意义重大，是矿床勘查研究和应用的重点。

原生晕指示元素呈现垂向（空间）分带性是由元素地球化学活动性差异引起的。由于成矿溶液在运移过程中物化性质发生渐变或突变，相伴生的物质成分依次在相应的物化条件下沉淀出来，从而造成了不同矿物组合分带或指示元素组分分带。通常在成矿元素沉淀之前，活泼性弱的元素先沉淀下来，形成尾晕；在成矿元素析出沉淀后，活泼性强或挥发性元素，如As、Sb、Hg等，仍沿构造向上迁移一定距离才沉淀，在矿体前缘形成前缘晕；与成矿元素同时或近于同时沉淀的元素形成近矿晕。

1.2 指示元素垂向分带序列及分带模型

前苏联学者格里戈良和奥浦钦尼科夫等[4]根据200多个不同类型热液矿床原生晕指示元素垂向分带规律研究表明，对于不同成分的热液矿床，其原生晕元素垂向分带序列的性质基本相近。他们总结并确定了具有普遍意义的矿床原生晕指示元素垂向分带序列（自下而上）：W－Be－As1－Sn1－U－Mo－Co－Ni－Bi－Cu1－Au－Sn2－Zn－Pb－Ag－Cd－Cu2－As2－Sb－Hg－Ba。

根据垂向分带序列可以建立指示元素垂向分带模型，图1是金矿床原生晕垂向分带理想模型示意图[5]。在该模型中，可根据各指示元素异常相对矿体垂向上的空间位置，将指示元素分成：（1）前缘元素——指示元素的异常主要位于矿体前缘或上方（相应的异常晕称前缘晕，如图1中的 Hg、As、Sb等）；（2）近矿元素——指示元素异常主要靠近矿体或位于矿体中部（相应的异常晕称近矿晕，如图1中的Au、Ag、Cu等）；（3）尾部元素——指示元素异常主要位于矿体尾部或下方（相应的异常晕称尾晕，如图1中的Mo、Bi、Mn等）。当勘查区的地表发育有较强的前缘元素异常时，表明其深部可能赋存盲矿体；当勘查区的地表仅发育有较强的尾部元素异常时，表明矿体可能已基本被剥蚀；当勘查区的地表仅发育有较强的近矿元素异常时，表明矿体出露地表或可能赋存在浅部。

1.3 工作方法简介

原生晕垂向分带模型找矿方法遵循从已知到未知的工作思路，其关键技术是在已知矿床建立垂向分带理想模型和在未知区矿床（体）预测。建立理想模型是基础，矿床（体）预测是目的。

建立模型的一般步骤：

（1）确定工作区矿床的指示元素；

（2）选取区内有代表性的已知矿床，并选择有深部工程（如钻孔、坑道等）控制且有代表性的垂向剖面（如钻探剖面）按照一定的间距取样，矿段部位可适当加密取样；

（3）分析样品指示元素含量，确定指示元素的垂向分带序列，对不同期次成矿作用进行分解，建立原生晕垂向分带理想模型。

（4）根据垂向分带模型进行矿床（体）预测。

原生晕指示元素垂向分带模型找矿方法可用于定性或定量判别矿体埋深、盲矿体定位、推断矿体剥蚀程度，是构造地球化学叠加晕找矿的基础。

2 方法研究主要进展

多年来，在确定矿床原生晕垂向分带序列的定量计算研究和应用垂向分带模型进行异常评价、矿床预测方面，取得了长足进步。

2.1 原生晕垂向分带序列计算方法研究主要进展

为通过定性定量方法客观地建立原生晕垂向分带模型，国内外化探界在前苏联学者格里戈良创立的分带指数计算法[6]的基础上，先后提出了多种计算原生晕指示元素分带序列的方法，主要有广义衬值法、浓集重心法、浓集指数法、比重指数法、含量梯度法[2，7－11]等，不断发展和完善了原生晕分带序列计算方法，在矿床地球化学勘查中发挥了重要的作用。

笔者对上述计算方法进行了较为系统的剖析、比较和研究[12]，认为：

（1）虽然广义衬值法、浓集重心法、浓集指数法、比重指数法、含量梯度法一般都能克服格里戈良分带指数计算法中当指示元素的异常在某截面不连续时，分带指数梯度值ΔG无法直接计算的弊端，但由于浓集指数法中各指示元素浓集指数值的计算并非相互独立，即同一矿床原生晕指示元素的浓集指数值可因参与计算的元素多寡或种类而变，而且其计算过程较复杂；含量梯度法仅考虑指示元素在各截面的含量，忽略了各采样点指示元素含量的有效控制长度，因而该方法尚需完善和改进。对比研究结果显示，广义衬值法、浓集重心法相对合理和客观，其计算方法比较简单，值得推广。

（2）格里戈良的分带指数法虽然比较经典，但由于异常不连续，即某截面无异常时，其分带指数梯度值ΔG无法直接计算而影响排序；而且，某指示元素在分带序列中的位置会因参与计算的指示元素不同或多寡而改变。因此不宜采用。

2.2 分带序列及分带性研究主要进展[1]

根据我国矿床元素地球化学分布特点，邵跃对前苏联学者格里戈良确定的矿床原生晕指示元素垂向分带序列进行了修改、补充和完善，于1997年将该序列自下而上定义为：Cr－Ni（Co、Cu1）－Ti－V－P－Nb－Be－Fe－Sn－W1－Zn1－Ga－In－Mo－Re－Co1－（Au1－As1）－Bi－Cu2－Ag－Zn2－Cd－Pb－W2－Au2－As2－Sb－Hg－Ba－Sr。并认为热液成矿作用过程是一个沉淀作用的过程，由于各种矿物结晶温度不同，因而造成了元素的沉淀分带。矿床原生晕是在矿石结晶沉淀过程中与矿体同时形成的。矿床原生分带的元素分带与矿石原生分带应具有一致性。

2.3 矿床（体）预测方面的主要进展

（1）以前缘元素组合或尾部元素组合的累加值、累乘值来评价异常、区分分散矿化。前苏联学者别乌斯与格里戈良发现分散矿化中前缘元素或尾部元素的累加值或累乘值随深度很少有变化，而有价值的异常则变化明显。

（2）以前缘元素组合累加值或累乘值与尾部元素组合的累加值或累乘值之比值来推断深部盲矿体、判断矿体剥蚀程度。如果该比值很大，即使地表未见矿化，也可推断地下深部有盲矿。如果该比值较高，且地表已见矿化露头，可推测矿化在深部仍有较大的延伸。若该比值很低，且地表已见矿化，可以推断矿体已被剥蚀到尾（根）部。

（3）上世纪90年代，以中国冶金地质总局地球物理勘查院李惠教授为首的化探专家深入研究和发展了原生晕垂向分带模型找矿方法，提出了原生叠加晕理论[13]。

李惠等在研究和应用原生晕垂向分带模型找盲矿时，发现很多矿床原生晕垂向分带有 “反常、反分带”现象，即前缘元素不仅出现在矿体前缘，而且在矿体中部或尾部也有出现，若用热液矿床一次成矿或一个主成矿作用形成的原生晕垂向分带理论是无法解释的，因而严重影响了应用原生晕垂向分带模型找矿方法预测盲矿的效果。他们根据热液矿床成矿晕严格受构造控制，热液矿床具有多期多阶段叠加成矿成晕特点，创造性地提出了原生叠加晕理论及其技术方法：热液矿床每次成矿作用都有自己的前缘晕、近矿晕和尾晕，不同期次成矿形成的原生晕在空间上互相叠加。因此不仅要研究每次（单次）成矿形成的原生晕垂向分带特征，而且还要研究与识别不同成矿阶段（多次）形成的原生晕在空间上叠加呈现的结构形态，建立典型矿床垂向分带的原生叠加晕模型，确定盲矿的预测标志。

（4）构造叠加晕——构造地球化学原生叠加晕评价技术[14]。这是近年来在地球化学找矿（原生晕垂向分带模型找矿方法）方面取得的最大进展之一，是原生叠加晕理论和方法的又一发展，是原生晕垂向分带模型找矿方法与构造地球化学找矿方法的融合。该方法研究构造蚀变带中矿床原生叠加晕垂向分带特征并应用于盲矿体预测，因而可大大减小工作量、降低勘查费用、缩短勘查周期。该技术特别适用于工作程度较高的地区，如矿床外围等地区。近年来，该理论和方法被广泛应用。

3 在铀矿预测中的应用

我国将原生晕指示元素垂向分带模型找矿法应用于铀矿预测起步于上世纪80年代中期，主要在湘南桂北花岗岩地区开展了系统的试验和应用研究，取得了显著的成果。

3.1 SHJ地区铀矿床原生晕垂向分带模型及其找矿意义[2]

SHJ地区位于桂北苗儿山岩体中段的西南部，主要出露印支期中－中粗粒斑状黑云母花岗岩、燕山早期中细粒二云母花岗岩、第四系残积坡积层。该区岩浆活动频繁，断裂发育，铀矿床主要产于不同期次的花岗岩接触带附近，受断裂控制。铀矿化主要与黄铁矿化、赤铁矿化、水云母化、绢云母化有关。

大量岩矿石样品分析统计研究表明：U、Hg、Sb、As、W、Pb、Zn、Cu、Co、Mo、Be、Bi可作为该地区花岗岩型铀矿的指示元素。

在该区SH矿床90号钻探剖面上系统采集各钻孔的岩矿心样品，定量分析各指示元素的含量。应用笔者研发的广义衬值法确定该矿床原生晕指示元素垂向分带序列（自上而下）为：Hg－Bi－Pb－Sb－Cu－Mo－Zn－Be－U－Co－As－W，与苏联学者奥弗钦尼科夫和格里戈良所建立的分带序列基本类似[4]。据此，建立了垂向分带模型，其中：Hg、Bi、Sb、Mo是代表性的前缘元素，U、Co、Be是代表性的近矿元素，W是尾部元素。应用该分带模型评价了研究区的两个地段：

（1）TM地段。位于SHJ地区的东北部。该区断裂、围岩蚀变较发育，地质条件与SHJ矿区类似，但地表伽玛测量、氡测量、径迹测量的异常发育并不好。然而，地表残积层化探取样分析结果表明，前缘元素异常发育，异常浓度分带完整，异常浓集重心明显，推断深部赋存有盲矿体。钻探结果表明，在深达300多米处见到了厚1.75m，铀品位较高的富矿体。

（2）F3南部地段。位于SHJ地区西北部的3号硅化断裂带南部。该区断裂较发育，地表伽玛强度大，水铀异常较发育。残积层化探取样测量结果显示，U、W （尾部元素）异常强度大，浓度分带较明显，但近矿元素Co、Be的异常连续性差，异常范围小，前缘元素Hg、Pb、Sb的异常不发育，表征了矿根相的特点。结合地质条件推断，该地段的铀矿体已基本被剥蚀，即深部赋存铀矿的可能性很小。钻探揭露表明，只在浅部见到分散铀矿化。

上述应用成果表明，原生晕垂向分带模型找矿法不但可对放射性异常做出评价，而且可避免 “遗漏”深部盲矿体，这对扩大老矿区、提升铀资源掌控能力意义重大。

3.2 桂北沙子江铀矿床垂向分带模型及铀矿预测研究[15－16]

沙子江矿区位于苗儿山岩体内。该区除南部出露新元古界－下古生界浅变质岩系外，大面积出露加里东、印支、燕山期花岗岩。沙子江铀矿床位于豆诈山岩体西南缘F1断裂（双滑江断裂）与F9断裂（大坪里断裂）楔形夹持区敞开部位西侧的F8断裂带中，区内断裂发育，NNE向武穴－望城－资源深断裂通过本区东侧。主要构造为NE、NNE、近SN和近EW向四组构造，其中以NNE和NE向两组构造最为发育，也是主要控矿构造。自东向西主要分布有F7、F8、F9、F10、F11等断裂带，具有多期多阶段活动特点，是深源流体热扩散和矿质扩散通道，也是重要的含矿构造，控制了沙子江矿床铀矿化分布。

与铀矿化关系密切的蚀变为硅化、赤铁矿化、黄铁矿化、钾长石化、高岭土化，发育于含矿断裂上下盘，尤以上盘最发育。岩矿石样品系统分析统计研究表明，沙子江矿区的指示元素为：Hg、As、Mo、Sb、W、Pb、Sr、V、Co、Ni、Ag。

为了建立该矿床原生晕指示元素垂向分带模型，根据沙子江铀矿床的钻孔及坑道布局，选择多个典型钻孔和5个坑道中段进行系统取样，定量测定各样品的铀矿指示元素含量。根据广义衬值法等，确定原生晕指示元素分带序列为 Ni－As－Sb－Hg－Co－Pb－W－U－VMo－Sr。结合铀矿体的空间分布关系得到：Hg、As、Sb等为前缘元素，U、W、Pb等为近矿元素，Sr、Mo为尾部元素。据此，建立沙子江铀矿床地球化学原生晕指示元素垂向分带叠加模型。

应用所建立的沙子江铀矿床指示元素垂向分带模型在相邻的向阳坪地区进行了成矿预测。结果显示：前缘和近矿元素异常主要分布于F9号带、F10号带、F11号带和F805号带北部，此外在F7、F8号带南部，前缘和近矿元素异常也比较发育，推测这些异常地段的深部赋存有隐伏盲铀矿体，值得钻探揭露。

4 结论和展望

几十年来，随着原生晕垂向分带模型找矿法研究不断深入和推广应用，其找矿效果越来越显著，方法适应性更广：可用于资源潜力评价、预查、普查等阶段，也可用在矿床勘探阶段判断矿体剥蚀程度、预测盲矿体及其埋深；扩大增加矿产储量、延长矿山服务年限。实践证明，在铀矿勘查领域的应用效果良好，可用于评价放射性异常、追踪矿体延伸方向，为钻孔布置提供依据；也可用于指导矿区探深扩边。还可用于对成矿带上的矿点或异常进行评价，发现新矿床（体）。构造地球化学原生叠加晕评价技术的广泛应用，可大大减小工作程度较高地区的化探工作量、降低勘查费用、缩短勘查周期，从而有效提升掌控铀矿资源的水平和能力。因此，该方法值得进一步研究、推广和应用。

值得注意的是，根据原生晕指示元素垂向分带理论，同地区同类型矿床的原生晕指示元素垂向分带序列一般应基本一致，但本文中SHJ铀矿床和沙子江铀矿床的指示元素及其垂向分带序列有较大差别，可能与两者的成矿期次和伴生组分不同有关。因此，如何通过准确分解不同期次的成矿作用及其伴生组分来建立原生晕指示元素垂向分带理想模型，还有待进一步研究。

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