澳大利亚派因·克里克铀矿区成矿能分析

贺 婷，林子瑜

(东华理工大学，江西 抚州344000)



澳大利亚派因·克里克铀矿区成矿能分析

贺 婷，林子瑜

(东华理工大学，江西 抚州344000)

笔者利用成矿能理论对澳大利亚派因·克里克地区不整合面型铀矿进行分析研究，根据航放U、Th、K信息结合浓度克拉克值(K)计算该区的成矿能力和梯度。研究结果显示，该地区铀矿床主要位于成矿能高低值的过渡带及差值明显的漏斗型区域。这为今后的探矿提供了新的依据。

成矿能；航放数据；浓度克拉克值；铀矿床

“成矿能” 是矿床评价的一个重要参数，1978年首次由苏联地质学家萨弗隆诺夫等人提出，是指成矿元素由分散状态组合成富集体(矿体或矿石)时的地球自然能[1]。浓度克拉克值表示某种元素在一定的矿床、岩体或矿物内浓集的程度，利用矿区内某几种元素的含量同区域上该元素的背景值的比值来反映成矿时能量的变化。徐锡华(2002)就曾建立成矿能-克里格双模型进行化探数据的处理。成矿能直接针对主攻矿种及其与之正相关的元素， 反映了所查明元素含量信息的综合指标，且能描述元素的地球化学特征及分带性，对于表征一个地区的地球化学综合信息有着重要的意义。

本文利用航放U、Th、K数据，结合区域地质要素，对澳大利亚派因·克里克不整合面型铀矿进行单元素、元素组合及主分量(PCA)成矿能及成矿能梯度计算，综合分析铀成矿及矿床分布与成矿能的关系。

1 铀矿区地质概况

澳大利亚派因·克里克不整合面型铀矿床以其富、大，尤其是高品位特性著称，一直被作为铀矿探矿的主要目标类型。澳北Pine Creek(派因·克里克)造山带由一套元古代沉积岩和火山岩组成，其不整合覆于新太古代花岗质基底之上。铀矿床产在新太古代花岗岩-片麻岩穹窿边缘的古生代冒地槽凹陷带中，矿体受北东东、北东向构造控制，产在线性构造密集区，铀矿化年龄：主期1600Ma,次要期900～500Ma。

铀矿区广泛发育两个时代的花岗岩，即：新太古代-古元古代花岗杂岩体和古元古代晚期-中元古代早期花岗岩。它们常呈穹丘产出，在成因上兼具S型和I型花岗岩特征，铀含量平均达(9～13)×10-6，杂岩体(纳纳姆布)含晶质铀矿，构成本区的重要铀源。

P.D.Stuart-Smith等认为，澳大利亚派因·克里克造山带在古元古代是一个陆内克拉通盆地，由早期的裂谷作用和太古代陆壳边缘下沉所造成[2]。

新太古代结晶基底由花岗岩-片麻岩穹隆构成，古元古界由变质沉积岩夹少量火山岩组成(表1)。古元古代末期地槽封闭，之后转入地台发育阶段[2，3]。

表1 派因·克里克造山带地层岩性及形成时代

该区有3套构造层，即：中元古代构造层——科姆波尔吉建造(红层)，古元古代构造层——努尔兰吉片岩和卡希尔建造，新太古代构造层——纳纳姆布花岗杂岩、变质岩等(图1)。

图1 澳大利亚派因·克里克铀矿区地质示意图Fig.1 Geological sketch of Pine Creek uranium metallogenic area1—新生界；2—中生界；3—古生界； 4—元古界；5—古元古-太古界；6—Nour langie(努尔兰吉)片岩；7—Cahill(卡希尔)建造；8—Nanambu(纳纳姆布)混杂岩；9—断裂构造；10—铀矿床、矿点；11—研究区；12—地名。

2 成矿能计算

为了找到一个既能反映成矿演化过程本质，又相对合理简洁的数学模型，笔者借助于热力学理论基础，利用反映成矿元素集中或分散程度的浓度克拉克值(K)，计算研究区的成矿能力，探讨成矿能量的变化和分布。成矿能的大小即可定量反映出区域成矿作用的相对强弱[4]，它对了解成矿规律和控制因素，进行成矿预测有很重要的意义。

赵鹏大院士在上世纪80年代初指出，地质体的实际结构，反映了其内部的结构和不同地质体的组合特征[5]。研究地质体的非均质性或异常需要划分地质背景场，这与元素的浓度克拉克值有密切关系，单位面积或体积内各种地质体或同一地质体不同属性组合的变化，是地质异常最基本的表现形式[6,7]。

无论成矿、成晕过程如何复杂，作为一个体系，可将其过程简化为元素从最初的分散状态到最终的富集状态，这种富集程度(成矿能的变化)可以用元素的浓度克拉克值来表示。这种由元素浓度克拉克值计算出的成矿能只反映元素富集到现有程度的能量增加或减少的相对值，而不反映元素富集或分散所消耗的能量的绝对值。同时也不反映具体到哪一种(期)地质作用对能量场发生了什么影响，仅是最终形成现有状态的能量的分布状态。这对于表征一个地区的地球化学综合信息有着实际意义[8]。

在有n个元素参与成矿过程的理想化假定条件下，形成一定浓集克拉克值的单位体积矿石(晕)所耗费的成矿能En为：

(1)

式中n为成矿、成晕的元素种类个数；Ki为组成矿石或地球化学晕的第i个元素的浓度克拉克值(该元素含量/该元素的区域背景值)[9,10]。

3 派因·克里克(贾比鲁)铀矿区成矿能分析

3.1 贾比鲁铀矿区地质体信息提取

贾比鲁铀矿区主要铀矿化位于古元古界卡希尔组和卡卡都群，在科姆波尔吉组中偶见矿化，赋矿地层为一巨厚的冒地槽沉积。卡卡都群不整合覆盖在纳纳姆布杂岩之上，由片麻状石英岩、杂色片麻岩和片岩组成；卡希尔组(Cahill)与下伏卡卡都群整合接触；努尔兰吉(Nourlangie)片岩与下伏卡希尔组(Cahill)整合接触，古元古界广泛出现在纳纳姆布杂岩东南地区。铀矿体位于中元古界与古元古界不整合面下方，产在由泥岩、碳酸盐岩和含炭岩石变质形成的特定岩系之内。铀矿体与地层产状基本一致，向深部延伸离不整合面的距离不超过300～500m[11]。本文通过GIS系统，对中元古界科姆波尔吉建造、古元古界努尔兰吉片岩和卡希尔建造、太古界纳纳姆布花岗杂岩等地质体进行研究。

3.2 航放数据处理及技术流程

地质体中元素的含量可以用在一定范围内变化的一组随机变量来表示，其满足：

(2)

式中，f(c)为概率密度函数，P(c≤x)是含量小于等于给定x值的概率。

但在地质实践中，成矿能往往是不稳定的，即其数学期望值并不是常数，而是空间位置的函数，表现为：

Z(x)=m(x)+R(x)

(3)

其中，Z(x)为成矿能，m(x)为背景值，R(x)为异常值。

如图2，通过投放大批区域性实测的成矿元素含量或矿化能量值，形成一条有高值也有低值的不规则曲线Z(x)。如果在研究中我们把背景值m(x)看成是一个常数，m(x)=K， 从地球化学意义上K是成矿元素在调查区内的背景值，运用传统方法即背景值加二倍均方差来勾绘异常，则一级异常就在最大值Zmax(x)(即线段①)处。通过投放大批区域性致矿元素含量获得矿化能量值，其可形成一条既有高值又有低值的不规则曲线Z(x)[15]。在点x0处Z(x0)

图2 成矿能与元素含量背景值和异常值关系示意图Fig.2 Schematic relation of ore-forming energy to background and abnormal value注：Z(x)—元素成矿能；R(x)—异常值；m(x)—背景值。

本次研究通过不同的信息提取方法，获取派因·克里克矿区不同层次的致矿异常信息，并在此基础上尝试探索基于地质异常的多尺度聚焦找矿方法的实际应用。笔者采用航放U、Th、K数据，通过地质统计学和多重滤波方法分析处理，研究成矿元素的区域地质背景，获取与矿化有关的深层次矿化异常信息。具体的技术路线如下(图3)。

3.3 航放U、Th、K成矿能及其成矿能梯度计算

由于U、Th和K在地壳中的平均丰度分别为2.6×10-6、10×10-6和1%，因此Th与U的平均比值约为4。在自然界中，Th仅有一种氧化价态，即Th4+，而铀则以U4+和U6+两种价态形式存在。在还原环境中，铀钍均以四价状态存在，且离子半径相似，因此它们常以类质同象形式在矿物中共生，也不易于迁移。铀易于在还原环境中沉积，在地表风化或氧化环境下，四价铀离子通常易被氧化并形成铀酰矿物，铀酰矿物又具有异常高的溶解度，铀酰离子具有很强的迁移能力，容易迁移或流失，如在氧化的红层沉积物中铀含量通常不足1×10-6。

然而，在地表风化或氧化环境下，钍(四价)的化合物却难溶于水，含钍矿物相当稳定，主要以碎屑物形成搬运，沉积地层和土壤中一般不产生分散和富集。

自然界中，钾元素的绝大部分(90%～98%)被束缚在长石、云母等矿物中。在地表风化或氧化环境下，含钾矿物(或盐类)发生分解并使K离子易于迁移和流失。因此，在地表氧化条件下，U、Th、K三者的地球化学性质差别明显，从而导致它们在地球化学过程中相互分离。它们在地表氧化环境下的这种地球化学差异，是深入挖掘U、Th、K元素信息的地球化学基础。

已有的U、Th、K数据由于其投影坐标系统不一致，故将其进行转换，统一在WGS_1984_UTM_Zone_53投影坐标系统下，使用ArcGIS软件操作，具体步骤如下：

(1)通过ERDAS建模，将U、Th、K的数据处理到0至均值+3倍方差范围内(表2)，并将背景值统一赋为-1。

(2)设立基于单位体积矿石(晕)上成矿能消耗(En)的计算公式：

图3 派因·克里克铀矿区综合成矿信息预测技术路线流程图Fig.3 Technical flowchart of comprehensive prognosis for uranium metallization in Pine Creek

(3)求出克拉克浓度值K。已知栅格影像的像元大小为221m，分析提取出与铀成矿有关的地质体单元面积，进行滤波窗口的选择，最后选择了41×41的滤波窗口，即为元素背景值(或降噪点)。将原始U、Th、K数据做一个5×5的低通滤波。K值即为：

(4)由K值求出成矿能E。

(6)分析U、Th、K单元素的成矿能和成矿能梯度。考虑到成矿作用并非单元素作用，本文通过元素含量×原子量进行U、Th、K的组合分析，主要分为U、Th、K组合和U、Th组合，即成矿元素(U×238+Th×232)-(K×39)和(U×238+Th×232)进行成矿能和成矿梯度运算。

(7)由于航空伽玛能谱测量所提供的U、Th、K放射性参数之间通常存在着明显的相关性，从而掩盖了一些有用的信息。F.L.Pirkle(1980)提出主成分分析方法，能较好地识别有利于铀矿沉积的环境，故本文通过对U、Th、K进行主成分分析，实现了对该地区航放数据的去相关性，提取异常地球物理信息。

在进行成矿能和成矿能梯度处理时，影像数据存在极大值，故通过μ+3δ和对数(log)运算进行去极大值处理，最后得到成矿能和成矿能梯度影像，并据此模式对每个影像进行相应的地质解释。

通过对U、Th、K各个元素进行主成分分析，得到3个主分量，其特征向量如下(表3)：

表2 航放数据分析及计算处理结果

表3 U、Th、K主成分特征向量表

由特征向量(表3)可知，第1主分量与Th元素的相关关系最大，与U、K相关关性依次递减，但都是显著性的正相关关系，故其能较好拟合各元素的变化趋势。第2主分量U、K呈负相关，且U的相关系数绝对值较高，Th、K的相关系数绝对值较低，其主要反映了区域内铀含量的变化趋势。尤其是U和Th呈相反的变化趋势，可以解释为指示活动性较大的铀元素的表生富集或贫化特点。第3主分量U、Th负相关，K呈正相关，且K的相关系数的绝对值较高，能很好的反映K含量的变化趋势。

由于成矿能反映元素富集到现有程度能量增加或减少的相对值，其实质是成矿元素U、Th增加和成岩元素K减少的过程。故通过主成分分析的方法，可以很好的还原成矿作用过程中元素含量的变化。通过上述公式对这3个主分量的成矿能和成矿能梯度进行计算并成图(图4)如下：

4 结果讨论

(1)不整合面型铀矿床主要分布于PC1计算出的E高值场和偏高值场的边缘，有少数分布于偏高值场与低值场的过渡带上。

(2)存在一NNW向条带状的、由PC2计算出的E超低值场，不整合面型铀矿床主要分布于与PC2相关的E低值场，有少数分布于偏高值场与低值场的过渡带上。

(3)由PC3计算的成矿能，表现出明显的高-中-低分带性；铀矿床主要分布于成矿能内低外高、差值明显的“漏斗”型区域(图4)，其表明成矿过程是U、Th分离的过程。

图4 派因·克里克铀矿区局部航放U、Th、K成矿能综合分析图Fig.4 Comprehensive ore-forming energy map of airborne U, Th, K in part of Pine Creek area1—Nourlangie(努尔兰吉)片岩；2—Cahill(卡希尔)建造；3—Nanambu(纳纳姆布)混杂岩；4—分带线；5—E值高场区(1)；6—E值低场区(-90)；7—铀矿床、矿点；8—地名。

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(，Continuedonpage43)(，Continuedfrompage18)

Analysis of Ore-forming Energy of Pine Creek Uranium Metallogenic Area, Australia

HE Ting, LIN Zi-yu

(EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou,Jiangxi344000,China)

Ore-forming energy theory was used to studied unconformity-type uranium deposits in Pine Creek of north Australia.Airborne U,Th,K data and geochemical information was combined with the concentration of clark value K to calculate the ore-forming energy and gradiant. The study result indicate that the uranium deposits are mainly located in the transition part of low and high ore-forming energy and the filter area of energy difference.

ore-forming energy；airborne data；concentration Clarke values；uranium deposit

10.3969/j.issn.1000-658.2015.01.002

东华理工大学研究生创新基金项目(编号：DYCA13015)。

2014-05-28 [改回日期]2014-06-12

贺 婷(1990—)，女，在读硕士研究生，地质工程GIS应用专业。E-mail：ht1072771698@163.com

1000-0658(2015)01-0012-07

P575.6,P611.5

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