分形理论识别粤北澄江地区铀矿潜力评价中的异常

刘国安，王兴明，罗 强，阮 昆，孙中瑞，龙志强

(核工业二九0研究所，广东韶关 512026)



分形理论识别粤北澄江地区铀矿潜力评价中的异常

刘国安，王兴明，罗 强，阮 昆，孙中瑞，龙志强

(核工业二九0研究所，广东韶关 512026)

以粤北澄江地区地面γ能谱测量、土壤Rn测量及分量化探测量数据为基础，应用分形理论研究三种(放射性)物化探方法所测数据的异常下限，并与传统方法所求的异常下限对比。研究表明，分形理论能更好地反应异常分布和富集的规律。分析三种(放射性)物化探方法的异常特征，推测了该区可能存在4条(隐伏)断裂构造，预测了可能的赋矿部位，为该区进一步的铀矿找矿工作提供了依据和建议。

分形理论 异常下限 断裂构造 成矿潜力评价

Liu Guo-an, Wang Xing-ming, Luo Qiang, Ruan Kun, Sun Zhong-rui, Long Zi-qiang. Abnormal recognition based on fractal theory in evaluation of uranium ore potential in the Chengjiang area, northern Guangdong Province [J]. Geology and Exploration, 2016, 52(1):0139-0145

0 前言

在矿产资源勘查中，科学划分物化探数据的异常下(上)限是圈定和解释异常的先决条件。广义上讲，地面γ能谱测量、土壤Rn测量等放射性测量属于地球化学勘查的范畴，其测量数据的处理方法与地球化学勘查的数据处理方法类似或相同。在地球化学勘查中，所测的元素含量值或相关测定值的空间分布及统计特征往往具有分形结构，而传统的地球化学数据处理方法并不考虑其空间分布和统计特征随空间度量尺度的变化性(成秋明，2000；侯春秋等，2013)，因而具有一定的局限性。分形理论是研究具有自相似性(标度不变性)或统计自相似性场的分布规律和场的变异性的有效方法(邹林等，2004；刁海等，2011)，能较细致地对正常值和异常值进行刻划。笔者在粤北澄江地区应用地面γ能谱测量、土壤Rn测量、分量化探测量对铀成矿潜力进行评价时，以分形理论为手段研究数据异常下限。实践表明，分形理论确定地面γ能谱测量、土壤Rn测量和分量化探测量异常下限具有很大的优越性，在此基础上研究异常对指导找矿工作有明确的现实意义。

1 地质概况

澄江地区位于龙岩坝岩体南西部。龙岩坝岩体处于贵东东部岩体下庄铀矿田北东部，赣南隆起的南缘，南岭褶皱带的东部及诸广南部复合岩体的南东部(张彦春，2002)。区内主要有白垩系上统、白垩系下统、泥盆系上统、泥盆系中统、泥盆系中下统、寒武系和震旦系等地层。工作区内燕山期早期第一阶段粗中粒斑状黑云母花岗岩和燕山期早期第三阶段中细粒黑云母花岗岩广泛发育，后期有石英正长岩、花岗闪长岩、花岗斑岩脉、中基性岩脉等的侵入和多期次构造热液活动，因而岩脉分枝复合、穿切分布(陈佑纬等,2009；王军等，2011)。工作区位于北东向南雄深大断裂的南东缘，紧邻南雄断陷盆地。北东、北东东向构造密集发育，规模大(邓平等，2003)，其中，北东向构造呈50°～55°走向展布，形成一系列挤压带和冲断面，充填物主要有硅质角砾、硅化碎裂岩、硅化糜棱岩。其次为北西向构造，充填物多数为呈岩墙状的辉绿岩、煌斑岩；近东西和近南北二组构造，主要分布于岩体南部及南西缘，规模较小。铀矿化异常主要受北东向、北东东向的断裂构造控制，成矿条件非常有利(邓平等，2003)。澄江地区具备复式岩体、构造、蚀变“三位一体”的成矿条件，且其勘查程度低，具有较大的找矿潜力和空间。工作区地质简图如图1所示。

2 测量方法原理及工作部署

地面γ能谱测量是通过测量铀系214Bi 1.76MeV谱线，钍系208Tl 2.62 MeV谱线，40K 1.46 MeV谱线，分别测定被测测点物质中U、Th、K的含量(吴慧山等,1994)，用于捕获蚀变区域、铀的地球化学晕及土壤、岩石中铀的分散晕等。土壤Rn测量的对象主要是U系衰变产生的氡气在土壤中的短寿衰变子体，而断层(构造)、破碎带为氡气的释放与运移提供了良好的通道，在断层(构造)、破碎带上方一般会出现氡气的异常，因此，土壤Rn测量可厘定断裂(构造)尤其是隐伏断层(构造)、破碎带的位置与展布方向(吴慧山,1994;程业勋等，2005)。地球内部存在排气作用，在压力差、温度差等的作用下会形成以垂向上升为主的气流，这种上升气流经过矿(化)体时会把矿(化)体释放的纳米级元素吸附携带至地表(童纯菡等，1997)，分量化探用于捕获这种上升气流吸附携带至地表并积累于土壤中的包含铀元素在内的多种深部痕量元素(张善明等，2011；尹金双等，2012)，因而可反映深部的铀成矿信息。三种(放射性)物化探方法组合可以捕获从地面到地下数百米深的主要找矿信息。地面γ能谱测量和土壤Rn测量分别采用上海申核仪器厂生产的FD-3022型能谱仪和FD-3017A型测氡仪。分量化探测量的流程是在野外采集B层土壤，经实验室特效提取剂提取来至深部的铀等元素后应用ICP-MS分析其含量。

图1 工作区地质简图

根据工作区的地质概况，以控制区内有利找矿区域及构造为目的，布设了15条测量剖面，按20m点距布设测量点，15条测量剖面总计完成测点974个。三种(放射性)物化探方法共线同点进行。

3 分形理论模型及应用结果

3.1 分形理论模型

分形理论创立于20世纪70年代，其研究对象是无序而具有自相似性的系统(刁海等，2011；申维，2011)。分形是指观测对象的局部(部分)与整体在结构、形态、功能等方面具有统计意义上的相似性(自相似性)，适当放大和缩小观测对象的几何尺寸，其整体结构不会改变(刘二永等，2002；邹林等，2004；申维，2011)。分维数D是描述分形结构的一种参数，根据D的数值差异，可求得异常的位置和范围(申维，2011)。

设分形模型为:N(r)=Cr-D。其中，r为特征尺度，C为比例常数，D为分维数，N(r)表示尺度大于等于特征尺度r的数目或和数(刘二永等，2002；刁海等，2011)。若数据(N(r1),N(r2),…N(rn))和(r1,r2,…,rn)的散点图大致分布在一条直线上，利用斜率求出分维数D；若散点大致分布在二段直线上，对分形模型两边取对数得到：lgN(r)=-Dlgr+lgC,采用分段拟合的办法找出二段直线的最佳分界点,此分界点需满足拟合直线与原始数据点之间的剩余平方和在两个区间的总和最小的要求(刘二永等，2002；疏志明等，2009；刁海等，2011；申维，2011)。

3.2 确定异常下限

设地面γ能谱铀当量含量值为{xi},i=1,2,…N。应用求和法记,得到观测数据(N(r1)，N(r2),…N(rn))和(r1,r2,…,rn)，将上述数据代入分形模型，分界点对应的r值即为异常下限。地面γ能谱钍及钾当量含量值、土壤Rn测量值及分量化探测量铀含量值亦然。求和法求出地面γ能谱铀当量含量值的N(r)如表1所示。地面γ能谱铀、钍、钾当量含量值、土壤Rn测量值及分量化探铀含量值的lgr-lgN(r)图如图2所示。

根据图2，求出地面γ能谱铀、钍、钾，土壤Rn测量及分量化探测量铀含量的异常下限分别11(10-6g/g)、50(10-6g/g)、3.7(%)、27000(Bq/m3)、4400(10-6g/g)。

表1 和法求伽玛能谱铀当量含量值的N(r)图

Table 1 TheN(r) map of summation method for gamma spectrum equivalent uranium value

r(ppm)1.11.41.61.81.92.12.22.3N(r)9.29.19.08.98.88.78.58.2r(ppm)2.42.52.62.62.72.82.82.9N(r)7.87.47.06.66.25.95.65.6r(ppm)2.93.03.13.33.43.43.6N(r)5.25.15.04.84.64.23.6

4 传统方法确定异常下限

以地面γ能谱铀当量含量值为例。对全区所测数据循环剔除大于平均值加3倍均方差的值，直到剩下的数据均小于平均值加3倍均方差为止，此时平均值加3倍均方差即为异常下限(刘斌，2013；侯春秋，2013；佟依坤等，2014)。地面γ能谱钍及钾当量含量值、土壤Rn测量值及分量化探铀含量值亦然。传统方法确定的地面γ能谱测量铀、钍、钾，土壤Rn测量及分量化探测量铀的异常下限分别为16.4 (10-6g/g)、72.9 (10-6g/g)、6.1(%) 、46638(Bq/m3)、6849(10-6g/g)。根据分形理论及传统方法确定的异常下限绘制的地面γ能谱测量铀、钍、钾等值线图如图3((a)、(b)、(c))所示，土壤Rn测量值及分量化探铀含量值等值线图如图4((a)、(b))所示。

5 综合分析

5.1 异常下限分析

根据图4(a)，基于传统方法的土壤Rn异常下限作等值线图，在已知断裂(小陂断裂、王洞断裂、马江断裂、F5断裂)上方，异常面积小且呈零星状分布，无法说明氡异常是由断裂引起的；而基于分形理论的异常下限作等值线图，异常面积较大，呈带状沿已知断裂走向分布，与已知断裂吻合。由图2可知，地面γ能谱测量、土壤Rn测量、分量化探测量均具有两个分维数，而在统计学上，当观测数据服从正态分布，才可以将偏差超出合理误差限(2倍或3倍标准差)的值判为异常值(韩东昱等，2004)，显然三种(放射性)物化探方法测量数据均不服从正态分布而具有分形结构。

如图3所示，在工作区南部F4断裂处，即分形理论增加的伽玛能谱铀异常区域内，经槽探工程(深度为2.5m)揭露发现工业矿体1处。若应用传统方法确定异常下限，此处异常将被遗漏。

图2 lgr-lgN(r)图

图3 地面γ能谱测量等值线图

经分析，认为基于分形理论所确定的异常下限更合理。以下分析均基于分形理论确定异常下限而论。

5.2 成果分析

根据土壤Rn测量成果图(如图4(a)所示)，先分析已知断裂：土壤Rn异常呈带状分布，且基本分布在断裂上方,有零星异常高值区在断裂上方或附近均产出。根据已知断裂即土壤Rn异常特点，推测本工作区还存在4条(隐伏)断裂构造，即F1、F2、F3、F4断裂。

在γ能谱测量中，几乎所有的工业铀矿床都具有铀相对于钍高度富集、铀相对于钾相对富集的特征。真正的铀异常，除了铀含量较高外，同时又伴随铀相对钍、钾的增高，这可能是铀矿化赋存的直接标志(吴慧山等,1994)。如图3所示，根据地面γ能谱测量铀的异常情况，在工作区北部紧邻小陂断裂呈现两处能谱铀异常，同时呈现能谱钍高异常产出的特点；在工作区南部，紧邻马江断裂与F5断裂交汇处的异常和王洞断裂与F5断裂交汇处的异常呈现能谱铀高、钍低、钾低的特点；王洞断裂与F3交汇处及其南部的异常呈现铀较高、钍较高、钾低的特点。经分析，认为工作区南部紧邻马江断裂与F5断裂交汇处的异常及王洞断裂与F5断裂交汇处的异常具有较好的地表铀矿找矿标志。

图4 土壤Rn测量、分量化探铀等值线图

在粤北花岗岩岩体内，断裂及构造破碎带的存在为铀矿体的富集和赋存提供了有利的空间，尤其是构造的交汇部位(杨亚新等，2007)。在本工作区中，分量化探铀异常和土壤Rn异常(即断裂及构造破碎带)吻合较好的地方，是深部隐伏铀矿体的良好赋存部位。根据图4所示，工作区南部的马江断裂与F5断裂、F5断裂与王洞断裂、王洞断裂与F3断裂、王洞断裂与F4断裂交汇区域是探寻深部隐伏铀矿体的重点。

6 结论

(1) 在粤北澄江地区，地面γ能谱测量、土壤Rn测量及分量化探测量铀元素具有分形特征；基于分形理论确定的异常下限圈定异常更合理，且与已知地质现象更吻合。在本工作区应用分形理论确定异常下限能一定程度克服传统方法的局限性，是研究放射性(异常)及分量化探(异常)的有效方法。

(2) 基于分形理论处理放射性测量数据及分量化探数据能有效识别相对较低的异常。

(3) 根据土壤Rn测量结果，推测本工作区还存在F1、F2、F3、F4等(隐伏)断裂构造。

(4) 结合三种物化探方法工作成果，工作区南部找矿前景较工作区北部好，是铀矿体的有利赋存部位。建议下一步的攻深找盲工作重点部署在工作区南部，尤其是断裂及构造破碎带的交汇部位。

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Abnormal Recognition based on Fractal Theory in Evaluation of Uranium Ore Potential in the Chengjiang Area, Northern Guangdong Province

LIU Guo-an, WANG Xing-ming, LUO Qiang, RUAN Kun, SUN Zhong-rui, LONG Zi-qiang

(ResearchInstituteNo.290CNNC,Shaoguan,Guangdong512026)

Based on the data of gamma spectrometry, soil radon measurement and component of the geochemical exploration in the Chengjiang area, northern Guangdong Province, this study applied the fractal theory to determine the lower limits of anomalies measured by three (radioactive) geophysical-geochemical methods, and compared them with those from traditional methods. The results show that the fractal theory can better reflect the laws of anomaly distribution and element enrichment. We also made analysis of the anomaly features from the three (radioactive) geochemical exploration methods, and speculate the possible existence of four (concealed) faults. We then forecasted the possible location of ore occurrence to provide evidence for the further prospecting uranium ore in the study area.

fractal theory, abnormal lower limit, fracture structure, metallogenic potential evaluation

2015-06-07；

2015-08-12；[责任编辑]郝情情。

“典型矿集区潜力评价示范项目”：南岭中段青嶂山矿集区铀矿找矿预测(编号：12120115035701)资助。

刘国安(1987年-)男，从事铀矿资源勘查工作。E-mail:1972704497@qq.com。

P593,P598

A

0495-5331(2016)01-0139-07