湘赣边界鹿井铀矿床三维定量预测研究

2021-03-30耿瑞瑞范洪海孙远强何德宝俞嘉嘉

地质论评 2021年2期

耿瑞瑞，范洪海，孙远强，何德宝，俞嘉嘉

核工业北京地质研究院，北京，100029

内容提要: 湘赣边界鹿井铀矿床是一个大型的花岗岩型铀矿床，位于鹿井矿田的中部。本文系统收集及整合鹿井铀矿床的三维空间多源信息，包括地质、钻探、地球物理及地球化学信息等，构建了地质数据库及三维地质模型，实现地质空间的三维可视化。在此基础上，根据研究区赋矿地层、含矿岩体、控矿构造等地质要素与矿化空间的耦合关系，以及地化异常等找矿标志，构建了该区找矿模型。通过三维距离场、三维形态场等三维空间信息分析方法，确立含矿构造带、不同岩性接触界面，以及岩体隆起与凹陷的致矿影响范围，并对控矿要素信息进行提取。结合区内地球物理、地球化学等矿化识别标志，建立预测评价模型。利用三维证据权法开展定量预测，圈定了3处成矿有利靶区，为指导研究区深部及外围铀矿找矿工作提供支撑。

近年来，随着地表矿产的消耗殆尽，其找矿难度越来越大，找矿方向转向深部，深部隐伏矿体的定量预测需求开始增长(陈建平等，2002，2014)。矿床资源定量预测方法是基于多元统计分析的统计学原理，将数学模型应用于地质找矿的资源预测方法，综合分析区域地质、成矿规律和数学地质信息，最早由Agterberg(1974)提出，20世纪70年代由赵鹏大院士等(1983)引进国内并开展应用，系统总结了完善的理论和方法，定量预测开始得到广泛关注。随着计算机性能的提高以及三维建模技术的发展，三维定量预测方法开始获得关注，并取得了重要进展。三维地质建模的概念首先由Houlding(1994)提出，通过计算机来处理地学信息，将地质信息综合表达，实现三维可视化。在此基础上，发展了多种适用于三维地质建模的空间数据结构体，作为地质属性的载体，应用最广泛的为栅格数据。随着三维地质建模技术的深入研究，三维成矿预测技术的应用也在逐步发展，现在三维定量预测的研究对象从重点区域逐渐向矿床尺度扩展，以钻孔和勘探线剖面为基础数据构建矿床三维地质模型(陈建平等，2007；吕鹏，2007；李晓晖等，2014)。肖克炎等(2012)利用三维信息技术解决成矿预测中存在的难题，探讨三维预测软件的开发技术难点，提出大尺度三维定量预测的工作流程。毛先成等(2016)就深部隐伏矿体定位题，提出了概念模型—成矿信息—三维预测的技术方法。随着理论和技术的不断更新完善，三维定量预测方法可进行找矿信息的精确分析，包括多源地学空间信息、地球物理和地球化学等识别标志信息，最大限度地提取找矿信息，实现深部三维成矿预。

湘赣边界鹿井矿田现已经落实铀矿床10个，具有良好的成矿地质条件以及成矿潜力。该区总体勘查深度仍较浅，对深部找矿空间和潜力控制程度不够，需要借助应用数学地质等新兴边缘交叉学科的理论方法，如三维成矿预测方法，进行深部矿产资源成矿预测与评价，以实现铀矿攻深找盲及找矿成果的新突破。

1 地质背景、成矿地质特征及控矿因素

1.1 地质背景

鹿井铀矿田位于江西省与湖南省交界处，在大地构造位置上，位于华南活动带(华夏地块；图1a)武功—诸广断隆区、诸广复式岩体中段最窄部位(张万良等，2010; 洪斌跃等, 2016)，北东向的遂川断裂与热水走滑断裂的叠接区。在诸广岩体内外接触带附近，尤其丰洲至南雄一带，分布着多个大型铀矿床(刘翔等，1998；张万良等，2011)，除此之外，岩体还分布有铅锌矿床、钨锡矿床以及中—大型钨矿床等。

鹿井矿田内地层除第四系外，主要分布有上白垩统、奥陶系、寒武系和震旦系(陶意等，2019)，岩浆活动从印支期到燕山期在逐渐加强，岩体主要为印支期、燕山期花岗岩(图1b)。该矿田已发现铀矿床10个，产于印支期、燕山期花岗岩体内，以及外围寒武系浅变质岩中(张振华等，1999)。

鹿井铀矿床位于鹿井矿田的中部，产于花岗岩与浅变质岩接触带附近。矿床范围内广泛出露中寒武统茶园头组，与岩体呈侵入接触，其接触部位常发生热变质而发育角岩化、强硅化。北部出露的上白垩统红色碎屑沉积岩为丰州盆地部分。岩浆岩主要为印支早期第二阶段中粗粒似斑状黑云母花岗岩(γ51-2)，其次为燕山早期第二阶段中细粒二云母花岗岩(γ52-2)和燕山早期第三阶段细粒少斑黑云母花岗岩(γ52-3)。此外，少量石英斑岩呈北东向短脉状分布在寒武系中(图2)。区内断裂构造十分发育，北北东向的QF2、北东东向F2、北西向F1、北东向F3和北东东向F5构成矿区内基本构造格架(任洁，2019)。

图1 湘赣边界鹿井矿田地质图(周肖华等，2014修改)Fig. 1 Geological map of Lujing uranium ore-field in Hunan—Jiangxi border (modified after Zhou et al., 2014&)K2g—上白垩统赣州群；O1m—下奥陶统茅坪组；3s—上寒武统水石组；2cy—中寒武统茶园头组；1x—下寒武统香楠组；Z—震旦系；γ51-2—印支早期第二阶段花岗岩；γ52-2—燕山早期第二阶段花岗岩；γ52-3—燕山早期第三阶段花岗岩；βμ—辉绿岩；γπ—花岗斑岩K2g—Upper Cretaceous Ganzhou Group；O1m—Lower Ordovician Maoping Formation； 3s—Upper Cambrian Shuishi Formation；2cy—Middle Cambrian Chayuantou Formation；1x—Lower Cambrian Xiangnan Formation；Z—Sinian(Ediacarean) System； γ51-2—the second stage granite of early Indosinian；γ52-2—the second stage granite of early Yanshanian；γ52-3—the third stage granite of early Yanshanian；βμ—diabase；γπ—granite porphyry

矿床东部矿体基本赋存于寒武系浅变质岩中，西部矿体主要赋存于印支早期第二阶段和燕山早期第三阶段岩体中，并有少量矿体赋存于寒武系浅变质岩中。矿体形态较为复杂，多呈脉状、透镜状，向西部有品位升高，规模变大的趋势。

图2 湘赣边界鹿井铀矿床地质简图Fig. 2 Geological simplified map of the Lujing uranium deposit in Hunan—Jiangxi borderQ—第四系；K2g—上白垩统赣州群；—寒武系；γ51-2—印支早期第二阶段花岗岩；γ52-2—燕山早期第二阶段花岗岩；γ52-3—燕山早期第三阶段花岗岩；πλ—石英斑岩脉体Q—Quaternary ；K2g—Ganzhou Group of Upper Cretaceous；—Cambrian；γ51-2—The second stage granite of early Indosinian；γ52-2—The second stage granite of early Yanshanian；γ52-3—The third stage granite of early Yanshanian；πλ—quartz porphyry vein

1.2 成矿地质特征1.2.1 地质体特征

地层为中寒武统的茶园头组，是一套灰绿色巨厚的石英砂岩、长石石英砂岩，夹多层炭质板岩、含炭粉砂质板岩，且富含黄铁矿，厚约140 m，其中石英砂岩、碳质板岩等是铀富集沉淀部位。物质组成以石英为主，其次为长石和岩屑，呈硅质和泥质胶结。地层的铀含量为4×10-6～7×10-6。

印支—燕山期的花岗岩，以中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中粗粒二云母花岗岩为主，均有矿体赋存。印支期中粗粒似斑状黑云母花岗岩呈灰白色。主要矿物为斜长石、钾长石、石英和黑云母等。岩体铀含量19×10-6。燕山期中细粒二云母花岗岩其矿物组成主要为钾长石、斜长石和石英，少量黑云母和白云母。岩体铀含量20×10-6。印支—燕山期的花岗岩均表现为SiO2、Al2O3和K2O 含量高, 碱质指数>2.8, ANKC 值>1.1, 轻稀土富集，稀土总量高, 具明显Eu 负异常, 富集Rb 和Th, 贫Ba 和Nb, 属富钾过铝的钙碱系列S 型花岗岩，具有典型产铀岩体特征，可为铀成矿提供铀源(祁家明等，2020)。

1.2.2构造特征

QF2：北东向的石英硅化断裂带，其规模大、形态复杂，延伸近2.5 km，宽数米至数十米，倾向305°～335°，倾角80°，充填粗粒乳白色石英，在矿区内属一级构造，呈现膨胀收缩和分支现象，其上下盘均有矿化发育。

F2：北东东向的角砾岩带，长约2000 m，宽3～6 m，倾向335°，倾角65°，与QF2在区内北东角相交，长约2 km，厚1～3 m，倾向北西，带内充填围岩角砾，上下盘发育构造泥，为主要控矿断裂。

F1：北西向角砾岩带，长1200 m，宽1～3 m，倾向约为220°，近直立，见分支复合现象，充填硅质胶结角砾岩，与QF2之间的地段以及断裂本身发育铀矿化。

图3 湘赣边界鹿井铀矿床矿体赋存部位示意图(据张万良，2011修改)Fig. 3 Orebody hosting schematic map of Lujing uranium deposit in Hunan—Jiangxi border (modified after Zhang et al.， 2011&)—寒武系；γ51-2—印支早期第二阶段期花岗岩；γ52-3—燕山早期第三阶段花岗岩—Cambrian；γ51-2—The second stage granite of early Indosinian；γ52-3—The third stage granite of early Yanshanian

F3：北北东向角砾岩带，长200～250 m，宽0.2～2 m，倾向295°～300°，倾角55°，呈斜列式带组产出，充填物以角砾摩棱岩为主，矿化较弱。

F5：近东西向的角砾岩带，走向80°，挤压较强烈，带内发育糜棱岩化角砾岩，并充填数十毫米宽的晚期白色石英脉，显示弱矿化。

1.3 控矿因素1.3.1 富铀地层控矿

地层中赋矿岩层主要为石英砂岩和碳质板岩，性质硬脆，易产生节理和裂隙，有利于含矿热液的渗入，成为矿体赋存的有利部位。与此同时，岩层中低价铁和有机炭起到还原和吸附的作用，使铀发生沉淀富集(任洁，2019)。地层中的铀在成岩过程中发生初步富集，为成矿提供了铀源。

1.3.2岩体接触带控矿

区内发生多期多阶段的岩浆活动，形成不同期次的花岗岩体，这就导致不同岩性的岩体之间界面、岩体与地层之间的界面构成构造薄弱带，其岩石力学性质更不稳定，尤其是岩体界面变形严重部位，为铀的沉淀提供有利空间。

矿床西部部分矿体规模较大，延伸稳定，可穿越燕山早期岩体、印支期岩体和寒武系浅变质岩，呈“三层楼”特点(图3)，寒武系浅变质岩、印支早期岩体和燕山早期岩体之间形成的复杂接触带控制着矿体的产出，矿化在空间上与界面变形严重的部位吻合度较好。

1.3.3断裂构造控矿

矿床中大部分矿体产状与断裂产状一致，由此可见矿体在空间上除受接触带控制外，还受断裂构造控制(图3)。

北东向硅化带QF2和北东东向角砾岩带F2控制矿床的产出位置，QF2构造带虽不含矿，但对矿床的铀矿化有着明显的控制作用。矿体赋存在QF2的上盘，随着构造向西南延伸矿化有向 QF2靠拢的趋势。F2角砾岩带与QF2在区内北东角相交，在成矿时起导矿作用。北西向F1断裂角砾岩带被 QF2与F2切割断开，起到良好的沟通作用，并控制着部分矿体，但其主要矿化赋存于两侧围岩中，与F5在矿区东南方向有相交的趋势。矿体主要赋存于QF2、F2、F1、F3、所构成的断裂构造系统上下盘次级断裂裂隙。

1.4 找矿模型

找矿模型的构建基于成矿地质特征及控矿因素的总结，尽可能的寻找与矿化相关的地质体或地质体组合，其往往在构造或成因上与周围环境有着较大差异 (赵鹏大等， 1991，1993)。华南花岗岩热液型铀矿床的形成与断裂构造密切相关(李先福等，1999；杜乐天，2001；范洪海等，2012)，断裂构造为流体的运移提供通道和储存空间，花岗岩体和富铀地层中的铀在后期流体的作用下发生活化迁移，为成矿提供铀源(夏宗强等，2015)。富铀地层和岩体组合以及断裂构造等作为有利成矿要素，尽可能多角度的挖掘其控矿变量，缩小预测结果的范围，以求更为精准定位隐伏矿体(朱裕生， 1993)。

根据鹿井铀矿床的控矿因素以及找矿标志建立找矿模型(表1)，包括地层、岩体、构造、地球物理和地球化学异常五个方面。寒武系浅变质岩和印支—燕山期花岗岩是该矿床的赋矿岩石，其特征表现在含矿性、岩体接触面影响范围以及岩体曲面形态三个变量类型。构造是控矿最重要的因素，与成矿关系最为密切，通过确定其最佳缓冲距离、交点缓冲距离以及异常方位等变量来定量分析构造与矿化的空间关系。地球物理和地球化学异常主要是由伽玛偏高场等值线、放射性水化学偏高场等值线确定。

表1 湘赣边界鹿井铀矿床地质找矿模型Table 1 Geological prospecting model of the Lujing uranium deposit in Hunan—Jiangxi border

2 三维地质建模

2.1 三维建模数据

三维地质建模的过程就是多元数据的融合及表达，多元数据的最大的特点是异构，包括地质、地球物理、地球化学等(何紫兰等，2018)。本次研究收集到的资料数据主要分为基础地质资料、铀矿勘查各阶段勘查附图、附表以及物探和放射性测量成果等资料(表2)。

表2 三维建模数据数量及精度Table 2 Quantity and scale of data for 3D modelling

2.2 三维地质模型

三维地质建模以计算机为平台，通过地质资料的处理、提取，观察已知数据的分布，确定建模范围(图4a)，在此基础上，构建模型实现矿床的三维动态可视化(薛伟等，2013)，清晰地表达地下复杂空间的地质耦合关系。随着该研究区地质研究的深入，模型可以随时更新和完善，为成矿预测提供基础。本次研究基于GOCAD三维地质建模软件的DSI算法构建了鹿井铀矿床的三维地质模型，包括地层模型和岩体模型(图4b)、断裂构造模型和矿体模型(图4c)等。

图4 湘赣边界鹿井铀矿床三维地质模型图及断裂构造模型图：(a)空间数据分布图；(b)三维地质模型；(c)断裂构造模型Fig. 4 3D geological model and fault structure model of the Lujing uranium deposit in Hunan—Jiangxi border：(a) spatial data distribution；(b) 3D geological model；(c) fault structure model

3 成矿信息三维空间分析

三维地质实体模型可据勘探网度以及计算机CPU处理能力被分割成相同尺寸的立方块，将预测参数作为属性赋给每一个立方块，通过对立方块单元进行各种地学统计分析，实现三维成矿有利信息的定量提取，完成三维矿产定量预测评价(陈建平等，2008a；肖克炎等，2012；向杰等，2016；陈进等，2020)。该研究区的建模坐标范围南北方向为 2833580～2835200 m，东西方向为 495000～497200 m，标高为-300～547 m，立方块尺寸为10 m×10 m ×10 m，共划分2572686个块体，其中已知矿体为 9264个块体。

图5 成矿有利信息分析：(a) 地质体含矿性分析；(b) 岩体曲面含矿性；(c) 断层缓冲分析；(d) 接触带缓冲分析Fig. 5 Analysis of favorable information for minerlization：(a) analysis of ore bearing property of geological body；(b) analysis of ore bearing property of intrusive rock curved surface；(c) fault buffer analysis；(d) buffer analysis of contact zone

3.1 赋矿地质体含矿性分析

3.2 三维空间距离场分析3.2.1 断裂三维空间缓冲分析

研究区铀矿化与断裂密切相关，断裂构造是矿体形成的主要控矿因素，断裂带及其周围裂隙是矿化发育的有利部位。因此，将断裂作为主要的预测要素进行分析。对于区内主要的控矿断裂QF2、F2、F1、F3、F5进行三维空间缓冲距离分析(图5c)，通过分析已知矿块数与断裂缓冲距离的关系，确定断裂带的最佳空间缓冲距离为60 m，包含了80%的已知矿体，含矿率为1.675%。且随缓冲距离的增加，已知矿块数的增幅迅速减小，通过距离属性建立断裂带60 m缓冲区模型(图6a)。对含矿构造和控矿构造的构造交点作为局部裂隙的特征进行缓冲分析，通过距离与含矿块之间的分析，认为60 m是交点的最佳缓冲距(图6b)。

图6 鹿井铀矿床三维成矿有利信息提取：(a) 断裂及缓冲区模型；(b) 断裂交点缓冲区；(c) 断裂异常方位模型；(d) 岩体接触界面及缓冲区；(e) 鞍脊面模型；(f) 鞍谷面模型；(g) 伽玛异常模型； (h) 放射性水化学异常模型； (i) 矿体模型Fig. 6 Extraction of favorable 3D information for minerlization in the Lujing uranium deposit：(a) fault and buffer model；(b) fault intersection buffer；(c) fault anomaly orientation model；(d) rock contact interface and buffer zone model；(e) saddle ridge model；(f) saddle valley model； (g) gamma anomaly model；(h) radioactive water chemistry anomaly model； (i) orebody model

3.2.2岩性接触界面三维空间缓冲分析

岩体接触带两侧岩石一般具有较大的地球物理和地球化学反差，是良好的铀成矿地球化学障，是构造薄弱带，对成矿有利。鹿井矿床的铀矿化与接触带关系密切，形成该矿床特有的“三层楼”的成矿模式，从下而上依次为燕山早期第二阶段花岗岩、印支期第二阶段花岗岩和寒武系浅变质岩，矿体赋存在接触带上下两侧，将接触带作为一个预测要素，挖掘矿化与接触带的空间关系，对其进行缓冲区距离分析(图5d)，当缓冲距离到达80 m时，其含矿比例达80%，根据距离属性，通过面域运算建立接触带缓冲区模型(图6d)。

3.3 三维空间形态场分析3.3.1 岩体接触面形态分析

岩体顶面形态分析是分析岩体曲面的隆起、凹陷形态的一种方法(李晓辉等，2014；廖宝胜，2018)，本次研究应用曲面的高斯曲率与平均曲率，两者不同的组合方式表达出不同的曲面形态(图7)。

鹿井铀矿床的岩体与岩体、岩体与地层之间的接触带就是岩体顶底面，本次分析了三个阶段花岗岩的接触面，将高斯曲率和平均曲率分别定义为两个属性，通过属性运算，得到鞍脊面、鞍谷面、顶面和凹陷面四种曲面形态，并对各曲面的含矿性进行了分析(图5b)，接触面上的矿体表面模型的鞍脊面和鞍谷面相对较多，均为45%和26%，将鞍脊面和鞍谷面作为预测因子，建立其立方体模块(图6e、6f)，用于定量预测。

图7 高斯曲率与平均曲率联合表达曲面形态(据廖宝胜，2018修改)Fig. 7 Surface morphology from combining Gaussian curvature and average curvature(modified after Liao Baosheng，2018&)

3.3.2断层面形态分析

断层的曲面分析主要通过其方位角进行分析，将断层曲面与已知矿体曲面模型做成玫瑰图加以分析(图8)，选取断层与已知矿体尽可能重合的方位区间60°～80°和200°～260°，将其视为最可能成矿的断层方位(图6c)，在寻找未知矿体时，重视此走向的断裂。

图8 断裂与矿体的方位角分析Fig. 8 Structure and orebody azimuth analysis

3.4 地球物理与地球化学异常

地面伽玛(gamma)异常是矿化异常的识别标志，也是重要的预测要素，为预测工作提供依据，通过物探成果图提取地面伽玛U异常偏高场(>6×10-6～8×10-6)的线要素，延Z轴垂直向下延伸至-200 m，建立地面伽玛的异常场模型(图6g)。

放射性水化学测量是铀矿勘查的重要手段，缘于铀元素的特殊性，也是重要的铀矿化识别标志。通过提取水中U浓度异常值(>1.5×10-6μg/L)线要素，沿垂直方向纵深延伸至-300 m，建立其三维模型图(图6h)，挖掘放射性水化学异常与矿化(图6i)的空间关系，为找矿预测提供依据。

4 三维定量预测

4.1 三维证据权法

证据权法是由加拿大数学地质学家Agterberg(1974)提出，以统计学方法为模型，计算各成矿有利要素的权重值，对其进行叠加，根据后验概率值对研究区矿产资源进行预测评价，在国内外取得了广泛的应用(陈建平等， 2008b；李卫东等， 2009；Nielsen et al.，2015)。

首先设置研究区单元体总数为D，含矿体单元数为B，则先验概率为P(B) =B/D，转化为先验有利度为：

(1)

表3 湘赣边界鹿井铀矿床定量预测模型Table 3 Quantitative prediction model of the Lujing uranium deposit in Hunan—Jiangxi border

已知该区有n个证据因子e1、e2、……en，各证据因子的单元块体数为d1、d2、……dn，当第i个证据因子存在时，其正权值计算公式为：

(2)

当证据未出现时，其负权重值计算公式为：

(3)

该证据因子的显著性C的计算公式为：

(4)

当C> 0 时，该证据因子对于成矿是有利的；当C= 0 时，该证据因子与成矿无关；当C< 0 时，该证据因子对于成矿是不利的。

当证据因子全部出现时，假设各证据因子相互独立，其对数后验似然比计算公式为：

(k取+、-、0)

(5)

通过后验似然比计算得到后验概率，其公式为：

(6)

后验概率值代表各单元块体的成矿有利度，其值越大，成矿概率越大。

图9 后验概率分级依据及靶区圈定：(a) 后验概率分布图；(b) 后验概率分级依据；(c) 成矿有利区间分布； (d) 靶区圈定Fig. 9 Posterior probability classification based on cumulative frequency and prospecting targets for Lujing deposit：(a) posterior probability distribution；(b) basis of posterior probability classification；(c) distribution of favorable metallogenic zones；(d) target delineation

4.2 定量预测模型

鹿井铀矿床的岩体、地层和断裂构造等地质要素为铀矿化提供了物质来源以及成矿空间。在已构建找矿模型的基础上，通过地层、岩体的含矿性分析、接触带和断裂的三维距离场和三维曲面形态学分析，提取了各预测要素的定量特征值，构建研究区的三维预测模型，以证据权法作为理论基础，对各预测要素的权重值进行了计算，各成矿要素的权重值见表3。

由表3可以看出，所提取出来的证据因子的正权值均为正，说明证据选取的有效性。其中，构造交点、构造的方向以及伽玛异常等正权值明显偏高。一方面，深部铀矿体的产出与构造关系极为密切，尤其是北西向的构造以及不同构造及裂隙的相交部位；另一方面，深部铀矿体多产于地表伽玛高场或异常场区，这与研究区成矿地质特征及控矿因素相吻合。

4.3 靶区圈定

通过三维证据权法获得各立方块的后验概率值(图9a)，结合后验概率的含矿累积频率图(图9b)，将后验概率值分为0.87～0.97以及>0.97两个成矿有利区间(图9c)，在此基础上，进一步结合该矿床的成矿地质特征及成矿规律圈定了靶区3个(图9d)。其中，靶区A位于F5断裂与F1断裂的近相交部位，25号勘探线以东地区；靶区B位于F5断裂向西南延伸的矿床区域边部，该部位的已知钻孔的矿化品位较高，或为富集中心，其外围的区域或为有利部位。靶区C位于QF2断裂西南段的尾部，隐伏深度较大，为燕山期、印支期花岗岩接触带与断裂的相交处。预测靶区的矿体单元数为2310块，预测资源量为几百吨。