基于重力资料的国家湾砂岩型铀矿床成矿地质条件研究

2022-10-09张伟盟彭莉红程莎莎孙栋华骆燕陈伟刘彦涛

铀矿地质 2022年5期

张伟盟，彭莉红，程莎莎，孙栋华，骆燕，陈伟，刘彦涛

（1.核工业航测遥感中心，河北石家庄 050002；2.中核铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），河北石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北石家庄 050002）

重力勘探是通过测量和研究因岩石密度差异而产生的重力场变化，以此来获得地下空间结构和地质体分布状态的一种地球物理勘查方法［1-2］。在重力勘探应用的过程中，反演是地球物理特征解释的关键和重点。随着重力测量装备精度和数据处理技术水平的提升，重力三维反演技术成为精细化查明地质体在三维空间分布特征和规律的重要手段，为研究成矿地质条件和深部找矿提供了参考［3］。近年来，越来越多的学者采用重力三维反演技术在大地构造区划、岩体圈定、基底埋深探测、地下空间可视化等多个领域开展了研究和应用［4-8］。

目前，重力场资料在铀资源勘查中应用较少，尤其是产在中新生代沉积盆地的砂岩型铀矿，重力资料通常无法作为直接的找矿信息进行应用，但重力场特征往往能有效地反映深部构造和岩性差异，这对于砂岩型铀成矿地质条件研究具有重要意义［9-10］。鄂尔多斯盆地是我国重要的砂岩型铀矿产地之一，同时蕴含着十分丰富的石油、天然气和煤炭等矿产资源［11-12］。在数十年的勘查实践中，前人运用多种勘查技术手段在盆地内探明了十余个砂岩型铀矿床及一大批铀矿化异常点，对盆地内的砂岩型铀矿床进行了铀成矿地质背景、成矿规律、成矿模式及时空分布特征等方面的研究［13］。国家湾铀矿床位于鄂尔多斯盆地西南缘，矿床及周边地区具有巨大的找矿潜力［14-15］。本文通过对收集到的国家湾及周边地区的重力异常数据进行分析和反演处理，总结了国家湾地区的重力场特征，为探索重力资料在砂岩型铀成矿地质条件研究及深部找矿中的应用提供了参考。

1 地质及地球物理概况

1.1 区域地质

国家湾地区位于鄂尔多斯盆地西南缘，处于鄂尔多斯盆地次级构造——西缘冲断带内［14-15］。盆地的结晶基底为新太古界-古元古界中高级变质岩系，直接基底由古生界海相沉积岩构成。盆地盖层主要为三叠系、侏罗系、下白垩统［16-17］。盆地基底呈“多隆多坳、隆坳相间”的构造格局，构造线展布主要为近SN 向和NE 向，基底构造包括北部隆起区、西部坳陷区、中部隆起区、东部隆坳相间区和东南隆起区；盖层构造包括鄂尔多斯盆地的西缘冲断构造带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带和渭北隆起五个次级构造单元和渭河盆地的北部斜坡区、南部坳陷区两个次级构造单元，各构造单元均以深大断裂相围限［16，18］。区域内主要发育SN 向断裂、NE 向断裂和近EW 向断裂。地层出露较齐全，除太古宇、古元古界外，其余地层均有不同程度出露。岩浆岩主要出露于秦岭山脉和六盘山脉［13，18］。

1.2 铀成矿特征

国家湾铀矿床为典型的层间氧化带型铀矿床（图1）［14］。该矿床位于李家河NW-SE 向向斜南西翼。该向斜两翼断续出露古生界、三叠系和侏罗系，核部的下白垩统六盘山群构成向斜的主体。向斜两翼的斜坡是铀矿化发育的有利部位，为层间氧化带的形成提供了有利的补给、径流、排泄条件［19］。国家湾矿床铀矿化产在六盘山群上旋回的马东山组。该组地层以河流相为主，厚200～240 m，其内发育多层厚度不等的砂体，“泥-砂-泥”结构稳定。秦祁昆造山系的元古宇和印支期中酸性侵入岩体为铀矿化提供了铀源［14，19］。国家湾矿床矿石中铀的赋存形式以铀矿物为主，主要为沥青铀矿，矿化与晚白垩世古含氧含铀水层间氧化作用有关［14，19］。

图1 国家湾地区地质简图（据参考文献［19］修改）Fig.1 Geological sketch map of the Guojiawan area（modified after reference［19］）

1.3 岩石物性特征

通过对鄂尔多斯盆地西南缘各地层岩石密度进行统计，国家湾地区地层岩石密度从老到新呈现逐渐变小的趋势，中生界岩石密度一般为2.32～2.56 g/cm3；古生界岩石密度一般为2.36～2.69 g/cm3；元古界岩石密度在2.66～2.85 g/cm3。岩体密度从基性到酸性同样呈现逐渐变小的趋势，酸性岩密度均值为2.63 g/cm3；中性岩密度均值为2.73 g/cm3；基性岩密度均值为2.80 g/cm3［19］。区内地层密度变化基本遵循地层时代越老岩石密度越大的规律，反之地层时代越新岩石密度越小。

表1 国家湾地区岩石密度统计［19］Table 1 Statistics of rock density in the Guojiawan area[19]

2 重力异常特征与地质推断

2.1 剩余重力异常

剩余重力异常是布格重力异常经过区域异常分离后的剩余部分，通常蕴含着地层褶皱、局部隆凹、沉积盆地等地质信息，对地下横向分布的密度不均匀地质体也有良好的反映［20-22］。

本文采用趋势分析法对布格重力异常数据进行位场分离，获得了研究区的剩余布格重力异常数据，结果如图2 所示。区内剩余重力异常值在（-4.1～8.0）×10-5m/s2之间，异常幅值相差12.1×10-5m/s2，区内异常整体表现为四周高、中间低的特点，变化较为宽缓。剩余重力异常形态显示为环状，长轴轴向为NW 向。

剩余重力异常的不同形态反映了不同的地质信息，环状剩余重力异常的内部或是边部常常有铀及多金属矿床（点）的分布，对断裂、褶皱等控矿地质构造有良好的反映［23］。向斜构造是层间氧化带型铀矿床形成的有利成矿地质条件，通过与地质资料进行对比，本区的重力低异常区域与区内的李家河向斜具有空间上的对应关系，环状异常的形态较好地反映了李家河向斜的展布特点，重力梯级带则是向斜斜坡带的反映，在重力梯级带梯度值变化较大的区域可能有NW 向断裂的发育。国家湾铀矿床位于重力梯度带上，对应李家河向斜翼部，向斜翼部的形成为层间氧化带的形成提供了有利的“补-径-排”条件，通常是铀成矿发育的有利部位［19］。而且，根据铀矿床（点）在区内的分布情况，研究区已发现的铀矿床（点）基本上都分布在环状异常由高值向低值变化的过渡带中。

2.2 剩余重力异常斜导数

对于相邻地质体引起的叠加异常，将重力异常转换成其异常导数能更好地对异常进行解释和分类。重力异常斜导数是通过零值线及其附近的等值线划分地质体或地质构造的边界位置，能突出由浅部小地质体引起的异常，在判断地质体边界上具有一定的优越性。为突出地质体边界及构造信息，有效获取目标地质体形态特征，对本区的剩余重力异常求取了斜导数，绘制国家湾铀矿床及周边地区剩余重力异常斜导数图（图3）。结合国家湾地区的地质资料，可以推断本区斜导数零值线可能为中生界地层的边界，空间位置上对应李家河向斜的核部。国家湾铀矿床则位于斜导数零值线附近，对应李家河向斜翼部，与剩余重力异常图（图2）显示的特征基本一致。

图2 国家湾地区剩余重力异常图Fig.2 Residual gravity anomaly in Guojiawan area

图3 国家湾地区剩余重力异常斜导数图Fig.3 Oblique derivative of residual gravity anomaly in Guojiawan area

3 三维重力反演研究与岩性空间分布推测

重力场场值的变化除了可能是地质构造引起外，还可能是由于地质体物质成分变化所致。测点的重力异常数据通过反演可以获得该测点下一定范围内的密度体的空间分布信息，根据反演结果可以分为物性反演和形态反演，重力三维物性反演主要应用于推断地下密度体的空间分布。为了更直观地显示和探明研究区内岩性空间分布，根据剩余重力数据及已知地质资料对研究区进行三维物性反演分析。

3.1 重力场源体的空间分布

本文基于空间导数约束的重力物性三维反演方法对研究区密度体分布进行了反演，该方法能够加入多种约束条件并可实现大数据量的快速反演，本文在研究区的反演深度达3 km。对反演后不同数值的密度和深度在一定范围内进行划分，图4 为1 200、0、-1 200 m 深度的反演成果切面图。根据三维反演结果，研究区内反演密度值范围大致为2.570～2.706 g/cm3，主要集中在2.665～2.675 g/cm3，密度分布整体表现为四周高、中间低，并随深度增加显示特征越来越明显。

图4 国家湾地区重力三维反演成果切片图Fig.4 The density slices of the 3D residual gravity inversion in Guojiawan area

3.2 异常体圈定

对重力三维反演数据提取低密度值和高密度值数据，得到本区相对低密度值和高密度值分布图（图5），蓝色为低密度值分布范围（2.570～2.669 g/cm3），红色为高密度值分布范围（2.670～2.706 g/cm3）。低密度范围主要集中在研究区中部区域，规模较大，在东北角、西北角、西南角有少量分布。根据本区的岩石密度特征，低密度区域推断为中生界的反映［23］。其中，研究区中部面积最大的低密度区对应李家河向斜的主体，地表出露的地层为下白垩统六盘山群，推测该区低密度为走向呈NW 向的向斜构造引起。区内的高密度范围规模较小，主要集中在研究区推断李家河向斜位置的两侧，高密度异常可能是向斜两翼断续出露的古生界、三叠系和侏罗系引起，该区域是铀矿化发育的有利部位。

图5 国家湾地区不同密度体三维显示图Fig.5 The 3D presentation of the low density and high density distribution in Guojiawan area

三维重力反演的密度差异反映了李家河向斜主体及两翼在平面的展布情况，前人研究表明，控制国家湾铀矿床及外围成矿的李家河向斜，为叠加在天环向斜西翼构造斜坡带之上的负向构造［15］。该向斜是沿基底凹陷发育的矿前构造，在白垩系形成之后，受西缘断褶带和渭北隆升挤压的影响发生抬升和掀斜运动，形成向盆内缓倾的宽缓向斜构造［17，19］。这为含矿目的层的后生蚀变及铀矿化形成提供了必要的构造条件。在实际砂岩型铀矿勘探过程中，构造及含矿地层等有利成矿地质条件的位置划定具有十分重要的意义。