大兴安岭中段火山岩型铀矿多源信息分析与成矿预测

2021-11-27卢辉雄董双发张恩冯博朱林程旭魏本赞李瑞炜牛海威范芳

铀矿地质 2021年6期

卢辉雄，董双发，张恩，冯博，朱林，程旭，魏本赞，李瑞炜，牛海威，范芳

（1.核工业航测遥感中心，河北石家庄 050002；2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北石家庄 050002；3.高分辨率对地观测系统河北应用技术支持中心，河北石家庄 050002；4.中国冶金地质总局一局，河北三河 065201）

成矿预测是一个综合分析评价的过程，能为地质找矿、矿产资源潜力评价等工作提供科学参考，基于多源数据开展成矿预测评价研究，一直是地质学者关注的热点［1-5］。近年来，国内外学者在成矿预测研究方面取得了较大进展，大量的新方法技术在成矿预测中得到了较好应用，实现了多源信息的提取和综合，神经网络、证据权重、聚类分析、特征分析等多种算法，为高效科学开展成矿预测研究提供了方法手段［6-8］。层次分析法在成矿预测研究中也取得了较大进展，2005 年，彭省临等利用层次分析法，针对安徽凤凰山铜矿开展的矿床定位预测研究，取得了较好效果［9］；2007 年，王永军等在张家口北部以金矿为目标，利用层次分析法开展成矿预测研究，发现大部分已知金矿床均位于预测靶区内［10］；2009 年，王永军等在塔里木盆地北缘，利用层次分析法开展了铀成矿预测应用研究，发现该方法可较好地用于预测分析和成矿预测单元的分级评价［11］；2018 年，何珊等在西藏洛扎地区，利用层次分析法，基于多源信息开展了成矿预测研究，预测的远景区通过验证发现铜铅矿化［12］。上述研究表明，层次分析法在成矿预测中具有较好的应用效果。

大兴安岭中段，构造-岩浆活动强烈，火山岩分布广泛。前人在该区开展的铀矿勘查、铀矿远景预测等工作，取得了一定成果，但以往铀矿工作主要围绕铀矿（化）点、铀异常开展，铀矿工作程度总体偏低；另一方面，以往铀成矿预测工作，多为基于成矿要素空间叠加的定性分析，对多源数据利用不充分，特别是最新的航空放射性（简称航放）资料，尚未系统开展精细化定量成矿预测研究工作［13-18］。

综合地质、航放、航磁、遥感等资料，在典型铀矿点控矿因素分析的基础上，进一步挖掘大兴安岭中段铀成矿多源信息，基于层次分析法，利用GIS 平台，开展火山岩型铀成矿预测，以期为进一步铀矿工作部署提供依据。

1 研究区地质背景

研究区大地构造位置位于天山-兴蒙造山系大兴安岭弧盆系，处于古亚洲洋构造域与中生代滨太平洋构造域复合部位，是我国中生代火山岩最为发育的区域之一［13-14］。前中生代基底主要由太古宇变质岩，古生界浅变质岩、酸性火山岩及碎屑岩组成；盖层主要以中生代陆相中酸性火山岩、火山碎屑岩为主，其中上侏罗统满克头鄂博组火山岩为区内主要赋矿层位，其次为玛尼吐组、白音高老组火山岩（图1）。

图1 研究区主要赋矿火山岩分布图Fig.1 Distribution map of main uranous volcanic rocks in the study area

研究区位于两个古板块的结合部位，构造活动强烈，历经多期构造活动，区域性构造以NE-NNE向为主，其次为NW、近EW 向断裂，构成网格状断裂构造格局。深大断裂规模大、活动期次多，为含铀热液上涌提供了通道，区内铀矿化空间分布明显受区域性深大断裂、火山机构控制。

2 典型铀矿点特征及控矿因素分析

研究区内分布铀矿（化）点、铀异常点108 处，多处于基底隆起与火山盆地的接触带附近，主要集中于南木-巴林-雅鲁（南木、东沟营、尖山子盆地）、龙兴-蘑菇气-新林（龙兴、蘑菇气、新林盆地）、代合-乌兰毛都-介拉斯台（白音套海、塔林白兴、介拉斯台、榆树屯盆地）等地，受大兴安岭主脊-林西（F8）、五叉沟-哈玛尔（F7）、大架子山-诺智山（F9）、巴伦楚鲁吐-龙兴（F10）断裂带控制（图1），铀矿化类型主要为火山热液型。

2.1 典型铀矿点特征

为了综合分析研究区内铀矿点特征、控矿因素，为区域铀成矿预测因子选取提供依据，本次选取区内具有代表性的火山岩型铀矿（化）点，对其特征进行归纳，见表1。

2.2 铀控矿因素分析

在对区内典型铀矿（化）点特征分析的基础上，结合区域成矿地质条件，对区内铀控矿因素进行了分析，区内主要控矿因素归纳如下：

1）控矿地层：区内基底林西组、大石寨组、哲斯组分布较广，历经不同程度的褶皱变质，铀含量较高，为铀成矿提供了有利铀源条件；盖层上侏罗统中酸性火山岩具有多旋回、多韵律特征，铀矿化主要产于上侏罗统满克头鄂博组中酸性火山岩中，其次为白音高老组、玛尼吐组中酸性火山岩。

2）控矿构造：铀矿化异常多沿NE 向五叉沟-哈玛尔、大兴安岭主脊-林西、大架子山-诺智山、巴伦楚鲁吐-龙兴等深大断裂分布，多处于NE 向、NW 向断裂的交汇部位，受NE 向深大断裂的次级断裂构造破碎带及火山机构控制。铀矿化主要赋存在裂隙带、层间破碎带。

3）控矿潜火山岩：区内潜火山岩发育，与成矿关系较为密切的主要有潜流纹斑岩、正长斑岩、石英正长斑岩等潜火山岩体，铀矿（化）点、铀异常点多分布于潜火山岩边缘。

4）控矿热液蚀变：主要为硅化、钾长石化、黄铁矿化、绿泥石化、绢云母化、水云母化、萤石化、赤铁矿化和褐铁矿化。

3 铀成矿多源信息分析

3.1 航放信息分析

为提取与铀成矿相关的信息，依据钾、铀、钍含量分布的基本特点和已知铀矿（化）点、铀异常点的分布特征，在航放铀异常及铀高场信息提取的基础上，引入了铀增量（ΔU）、活性铀（Hu）、铀*钾/钍比值（F）、铀／钾比值（U/K）等放射性特征参数［19-20］，通过对比发现该类参数能较好指示铀成矿相关信息（表1）。

表1 研究区典型铀矿（化）点特征一览表［15-16］Table 1 Characteristics of typical uranium mineralization occurrences in the study area

3.1.1航放铀异常及铀高场

研究区内分布航放铀异常277 处，航放铀高场388 处。

航放铀异常及铀高场（U≥2.6×10-6）主要位于上侏罗统中酸性火山岩中，少数处于晚古生代—中生代中酸性侵入岩及接触带附近，受断裂构造控制作用明显，局部存在热液蚀变或矿化蚀变带。经统计，航放铀异常及高场区分布有铀矿（化）点、铀异常点101 处，除乌布林-乌兰毛都-白音套海外，多数火山岩型铀矿（化）点、铀异常点均位于航放异常或高场中，表明其具备较好的找矿指示意义。

3.1.2航放铀增量高值晕

研究区内分布铀增量（ΔU=Ui－Ū，ΔU 为铀增量值，Ui为测点铀含量值，Ū 为同一地质单元铀含量平均值）高值晕（ΔU≥0.65×10-6）985 处。铀增量高值晕主要位于上侏罗统中酸性火山岩区，受NE向F5、F6、F7、F8、F9、F10、F12断裂、NW向F18、F19、F20、F22 断裂及其次级断裂控制，构造交汇部位尤为突出（图2a）。铀增量高值晕区覆盖有铀矿（化）点、铀异常点102 处，表明铀增量高值晕的发育与空间分布制约着区内铀矿化的发育和产出范围，对铀成矿预测有较重要指示意义。

3.1.3航放活性铀低值晕

研究区内分布活性铀（Hui=（Thi/b）－Ui，Thi、Ui为测点的铀、钍实测含量，b 为同一地质单元各测点钍/铀比值的平均值；Hui为正表示活性铀迁出，反之为迁入）低值晕（Hu≤-0.2×10-6）897 处。主要分布于胡稍庙-大时尼奇林场火山喷发带北部及中南部、五十家子-碾子山火山喷发带中部，受NE 向F6、F7、F8、F9、F10、F11断裂、NW 向F17、F18、F19、F21断裂及其次级断裂控制。活性铀低值晕区覆盖有铀矿（化）点、铀异常点98 处（图2b），表明活性铀值应为区内岩石活性铀含量相对高低的反映，且活性铀低值晕的存在应是研究区成矿的重要条件甚至是必要条件。

3.1.4航放铀*钾/钍比值高值晕

铀*钾/钍比值参数（F）对钾化蚀变带具有较好的指示作用，非蚀变F 参数小，蚀变岩F 参数大［19］。区内分布F高值晕（F≥0.48×10-2）1055处，F高值晕区分布有铀矿（化）点、铀异常点100处（图2c），表明其对找矿具有一定的指示意义。

3.1.5航放铀/钾比值高值晕

研究区内分布铀/钾比值高值晕（U/K≥1.3×10-4）966处，铀/钾比值高值晕区覆盖96处铀矿（化）点、铀异常点（图2d），表明其对找矿具有一定的指示意义。

图2 研究区航放综合异常分布图Fig.2 Distribution of comprehensive airborne radioactive anomalies in the study area

3.2 航磁信息分析

研究区铀矿（化）点所处部位的磁场特征可归为三类：处于或紧邻升高场与降低场之间的梯度带部位、处于狭窄带状和不规则小片状负磁场或磁场显著减弱区、处于正负磁场分界线部位，反映区域深大断裂、中小型断裂破碎带、潜火山岩对铀成矿的控制作用。总体而言，区内铀矿（化）点、铀异常点多分布在磁场-150～150 nT 值域范围内，其中86.22%的铀矿（化）点分布在磁场-100～125 nT 范围区（图3）。

图3 研究区航磁ΔT 化极等值线平面图Fig.3 Contour map of aeromagnetic ΔT data reducted to the pole in the study area

3.3 遥感信息分析

3.3.1遥感构造解译

区内遥感解译线性构造分布较多，主要为NNE 向、NE 向、NW 向及EW 向，构成该区主要构造格架，构造相互交切呈网格状。其中NNE向、NE 向构造规模宏大，数量多，密度大，影像特征明显，为区内主要控盆、控矿构造；NW 向构造规模相对较小，数量仅次于NE 向，多错断NE 向断裂，与NE 向断裂形成菱形断裂构造格局；EW 向构造多被其它方向断裂错切。区内铀矿（化）点多处于不同方向构造的交汇部位，特别是NE-NNE 向构造与近EW 向或NW 向构造交汇部位（图4a）。

研究区域内环形构造发育，在火山盆地及其边缘均有分布。遥感解译环形构造主要集中在南木、柴河林场、白音套海、乌布林、楚鲁达坂地区。区内铀矿（化）点多处于大型环弧形构造边缘，线状与环形断裂复合部位。

3.3.2遥感蚀变异常

区内铀矿化区硅化、钾长石化、黄铁矿化、绿泥石化等热液蚀变发育。利用ETM 数据提取研究区羟基、铁染异常，羟基异常主要分布于伊敏林场-大黑沟、雅鲁、柴河；铁染异常主要分布于乌兰毛都、巴音套海-扎兰屯等地带，蚀变异常总体沿断裂、火山机构或岩体接触带展布，断裂交汇区、密集区蚀变规模大、强度高。区内铀矿（化）点、铀异常点多位于或邻近遥感蚀变异常（图4b）。

图4 研究区遥感解译构造图、遥感蚀变异常分布图Fig.4 Map of remote sensing structure and remote sensing alteration in the study area

4 铀成矿远景预测

4.1 铀成矿预测模型构建

4.1.1层次分析法原理

层次分析法（AHP），是一种多准则决策方法，该方法将独立因素分组成递阶层次结构，通过判断矩阵，进行两两比较得到各因子相对权重，最后通过计算最底层因子对于目标层的相对权重值，得到综合评价指标［21-22］。

4.1.2预测因子选取

在典型铀矿（化）点控矿要素剖析、区域铀成矿多源信息分析的基础上，确定研究区铀成矿预测因子17 个（表2）。

表2 研究区火山岩型铀矿成矿预测因子一览表Table 2 Prediction factors for volcanic-type uranium deposits in the study area

4.1.3建立层次分析结构

根据研究区铀成矿多源信息分析，将铀成矿预测层次结构分为目标层、准则层、指标层三个层次（图5）。

图5 研究区铀成矿预测层次结构分析模型Fig.5 Analytic hierarchy processing model for uranium metallogenic prediction in the study area

4.1.4构建判断矩阵

建立层次分析结构之后，利用1～9 标度，对预测因子之间的影响强弱进行标示（表3），并通过两两比较，构建判断矩阵。

根据表3 的规则，建立指标层对准则层C1—B1、C2—B2、C3—B3 的所有因子的成对比较矩阵，为表4、表5、表6 所示。

表3 判断矩阵标度及其含义Table 3 Judgment matrix scale and its meaning

表4 C1—B1 权重判断矩阵Table 4 Weight judgment matrix of C1-B1

表5 C2—B2 权重判断矩阵Table 5 Weight judgment matrix of C2-B2

表6 C3—B3 权重判断矩阵Table 6 Weight judgment matrix of C3-B3

4.1.5计算因子权重及一致性检验

计算研究区铀成矿预测中各因子对上一层排序权重的计算，可分以下步骤：

1）计算判断矩阵每一行因子的乘积Ai，即

2）计算Ai的n 次方根Mi，即

3）进行归一化处理，确定权重ai，即ai=

4）计算最大特征值 λmax，即 λmax=

对求得的权重系数按以下公式计算进行一致性检验：CR=

式中：CR表示判断矩阵的随机一致性比例；为判断矩阵一般一致性指标；RI为平均一致性指标（表7）。

表7 平均随机一致性指标RITable 7 Average random consistency index RI

当CR＜0.1 时或λmax=n、CI=0 时，认为具有一致性，当不符合时重新调整矩阵赋值，直到符合一致性要求。

根据上述计算公式，对判断矩阵C1-B1、C2-B2、C3-B3的权重计算过程见表4、表5、表6所示。

同时，求出C1-B1、C2-B2、C3-B3 判断矩阵CR分别为0.07、0.05、0，均满足一致性检验。

4.1.6确定综合权重

指标层C 各元素相对于目标层A 的总排序权重，利用以下公式求得：

第k-1 层上mk-1 个元素的权重向量：

第k 层上mk 各元素相对于k-1 层上准则层中的j准则的权重向量：

第k 层上元素对k-1 层上各元素的排序用nk*nk-1 阶矩阵P(k)=

则k 层指标相对于目标层的总权重W（k）为：

公式中（W（k））是第k层上元素的总排序向量。

根据上述步骤，确定了研究区铀成矿预测各评价指标的综合权重（表8），其中区域性NE-NNE向断裂、NW、EW 向断裂、航放异常因子、综合权重均大于0.1，赋矿火山岩盆地、潜火山岩、铀高场综合权重大于0.5，该类因子在预测中起重要作用。

表8 研究区各指标值综合权重一览表Table 8 Comprehensive weight of all index values in the study area

4.1.7分析模型的运算

基于建立的层次分析模型，引入铀成矿预测综合指数Y，构建火山岩型铀成矿预测评价数学模型，开展成矿远景预测。

Y为铀成矿预测评价综合指数，Ci为第i个预测因子，当图中存在该预测因子时Ci为1，否则为0；ai为第i个预测因子的综合权重值。预测单元格按500 m×500 m 进行划分。

4.2 铀成矿远景预测

基于GIS 平台，将研究区17 个铀成矿预测因子图层全部转换为ArcGis 支撑的Shape（*.shp）格式文件，统一坐标系统和比例尺，将预测因子中点、线文件，通过buffer 建立缓冲区文件，最终形成格式统一的预测数据库文件。

利用建立的分析模型，在ArcGis 软件支撑下，计算铀成矿预测评价综合指数Y，获得成矿预测综合有利度分布图（图6）。通过统计，综合指数Y值域在0.000 24～0.82 之间，根据综合指数Y频率拟合曲线突变点，确定研究区铀成矿预测综合指数Y的阈值为0.35，即当Y≥0.35时为成矿有利区，利用包络线将成矿有利区圈出，即为预测成矿远景区（图6）。针对预测的铀成矿远景区，根据铀成矿预测综合指数Y划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级：Ⅰ级铀成矿预测综合指数Y≥0.6，Ⅱ级铀成矿预测综合指数0.6＞Y≥0.5，Ⅲ级铀成矿预测综合指数0.5＞Y≥0.35。本次共圈出成矿远景区13 处，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级铀成矿远景区分别为1 处、7 处、5 处（图6），区内绝大部分已知铀矿（化）点、铀异常点均位于预测远景区内。

图6 研究区铀成矿预测图Fig.6 Map of uranium metallogenic prediction in the study area

预测的铀成矿远景区，主要位于区域性NE向大时尼奇林场-大黑沟（F6）断裂带和NE 向务大哈气-介拉斯台（F9）断裂带夹持部位，其次位于区域性NE 向龙兴-乌兰毛都（F10）断裂带与NW 向断裂的交汇部位。其中南木Ⅰ级铀成矿远景区，位于南木火山岩盆地，处于区域性NE向、NW 向、EW 向多组断裂交汇区，次级断裂极为发育；满克头鄂博组中酸性火山岩分布较广，航放异常分布较多，航放铀增量高值晕、活性铀低值晕、铀*钾/钍比值高值晕、U/K 高值晕沿NE向断裂展布，规模较大，且各因子空间位置吻合程度好；弧环构造较为发育；遥感提取的羟基异常分布较多，蚀变程度较强，受构造控制；区内已发现2 个铀矿点、多个铀矿化点、铀异常点，铀成矿潜力极大。三七林场（Ⅱ-1）、乌布林场（Ⅱ-2）、乌兰毛都（Ⅱ-3）、草根台（Ⅱ-4）、沟底山（Ⅱ-5）、龙兴（Ⅱ-6）、古家屯（Ⅱ-7）7 个Ⅱ级铀成矿远景区，铀成矿地质条件较为优越，多处于区域性NE 向、NW 向、EW 向多组断裂交汇区，航放异常信息分布较多、吻合程度较好，区内分布有铀矿（化）点或铀异常点，成矿潜力大。后白音套海（Ⅲ-1）、大时尼奇林场（Ⅲ-2）、扎兰屯（Ⅲ-3）、巴升河（Ⅲ-4）、哈玛尔（Ⅲ-5）5 个Ⅲ级铀成矿远景，以往工作程度较低，除大时尼奇林场远景区分布有1 个铀矿化点外，其他4 个远景区尚未发现铀矿化，其铀成矿地质条件与已知铀矿化集中区较为相似，航放异常信息分布较多、吻合程度较好，具有较好的成矿潜力。