相山铀矿田物化探找矿模式研究

2022-10-18程纪星刘祜李必红吴国东陈聪张濡亮

世界核地质科学 2022年3期

程纪星，刘祜，李必红，吴国东，陈聪，张濡亮

（核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

相山火山盆地作为中国最大的火山岩型铀矿田已经勘探开发六十余年，期间开展了航磁、航放、地面伽马能谱、氡及其子体、重力、高精度磁法、音频大地电磁法（AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、大地电磁法（MT）、地电化学、分量化探等多种物化探勘探方法的应用［1-12］。从以往各物化探方法的应用看，除航空物探和重磁方法对全盆地进行了1：5万比例尺面积性测量工作外，其他物化探工作大多以已知矿床和重点地区的物化探剖面测量或小范围面积测量为主，总体上没有系统地对相山铀矿田物化探异常特征及找矿模式进行过研究。

2014—2016年期间，核工业北京地质研究院针对相山火山盆地实施了1：5万物化探勘查工作，其中应用的物化探方法主要包括高精度磁法、AMT、土壤氡气测量、伽马能谱测量、土壤地球化学测量等。加之前人完成的1：5万重力测量工作［13］，系统建立了相山火山盆地1：5万物化探数据库，绘制形成相山火山盆地物化探异常图。本文在此成果基础上，系统归纳总结了相山铀矿田铀矿床（体）上的物化探异常特征，建立了异常模型及相应找矿模式，希望能够为相山地区的铀成矿预测，特别是靶区优选提供技术支撑，为相山地区物化探勘查方法的找矿应用提供指导。

1 研究区概况[14-19]

1）自然地理

相山火山盆地位于中国江西省中部，属中低山区，大部分地区海拔高度500～800 m，最高峰为相山，其海拔约1 200 m。

2）地层结构

相山火山盆地总体上为三层结构，基底主要为中元古界，部分为下石炭统、上三叠统；基底之上为下白垩统火山岩；盆地北西侧火山岩之上为上白垩统红层覆盖。其中，中元古界变质岩多为中低变质程度，岩性以千枚岩、片岩为主，局部见深层变质变形的糜棱岩和热变质作用的角岩；下石炭统为石英砂岩，上三叠统为含燧石石英砂岩夹碳质页岩。下白垩统火山岩经历了Ⅰ、Ⅱ两个火山亚旋回，形成了下部打鼓顶组和上部鹅湖岭组火山岩，打鼓顶组主要为溢流相的流纹英安岩，鹅湖岭组主要为侵出相的碎斑流纹岩及花岗斑岩。上白垩统红层主要为红色砂岩和砂砾岩，与火山岩系呈不整合接触。

3）铀矿床特征

相山铀矿田的铀矿床主要分布在相山火山盆地内，多产在酸性火山岩和花岗岩类岩石中，在外围的变质岩和砂体中也有铀矿体产出。其中，北部的铀矿化主要受推覆体构造、区域断裂、次火山岩体、火山岩系中的层间界面和与基底的不整合面等因素联合控制；西部的铀矿化主要受区域断裂和火山塌陷构造控制，在塌陷构造旁侧产生的裙边褶皱、拖曳褶曲和层间破碎带是深部富矿体的主要赋存部位，主要含矿主岩为碎斑流纹岩及流纹英安岩，矿化类型属密集裂隙带型。

2 已知矿床物化探异常特征

以往已知矿床物化探异常特征的建立以典型剖面分析为主，本次研究除开展已知矿床典型剖面分析外，还归纳总结了矿床在平面上的规律特征，分析了矿体平面投影处的物化探异常特征，进而对相山铀矿田的物化探异常特征进行了全面系统地总结。

2.1 已知铀矿床物化探异常剖面特征

为了研究已知铀矿床上的物化探异常剖面特征，在相山铀矿田西部的居隆庵矿床上部署了试验剖面，剖面东西方向，长度1 600 m，测量点距20 m，开展的物化探测量方法包括AMT、高精度磁法、土壤氡气测量、伽马能谱测量、土壤地球化学测量等。据钻孔揭露（图1），该剖面基底为云母石英片岩，呈西浅东深，深度变化较大；基底之上为打鼓顶组，厚度变化较大，主要受下段流纹英安岩影响；上部火山岩主要为鹅湖岭组上段碎斑流纹岩，厚度较大，一般大于500 m，表现为西薄东厚。此外，剖面上揭露到4条构造，3条东倾，1条西倾，倾角均较大。铀矿体位于鹅湖岭组与打鼓顶组界面附近，且主要在鹅湖岭组上段碎斑流纹岩内。

图1 居隆庵矿床试验剖面地层结构示意图Fig.1 Sketch of strata structure of the test profile in Julong’an deposit

1）电性异常特征

由试验剖面AMT反演结果看（图2），虽然电阻率整体上表现为“高阻”特征，一般大于1 000 Ω·m，但在垂向上还是呈现出相对的“低-高-低”电性特征。依据剖面地层结构，深部的“低阻”异常主要反映的是打鼓顶组和基底；鹅湖岭组上段碎斑流纹岩表现为“高阻”异常特征，浅部“低阻”异常则是由于构造破碎、氧化及风化作用产生，而不是岩性变化反映。此外，F21构造由于破碎带发育，在浅部表现出明显的“低阻”异常，深部则表现为电阻率等值线的陡变及密集分布；F7构造在电性特征上变化明显，表现为电阻率等值线的间断变化或陡变；F18和F13构造仅在浅部表现出局部的电性差异，电阻率等值线呈间断变化，而深部电性差异则不明显，推断破碎带不发育。矿体主要位于由“高阻”向“低阻”过渡的区域，且相对偏“低阻”异常内，而且该区域附近的电阻率等值线有明显的陡变现象。电阻率的这种变化特征就是已知铀矿床在剖面上表现出的垂向与横向上的电性异常特征。

图2 居隆庵矿床试验剖面AMT反演电阻率断面图Fig.2 Resistivity cross-section from AMT data inversion of the test profile in Julong’an deposit

2）磁异常特征

由试验剖面上的磁测结果看（图3），磁场总体上呈跳跃式变化，一般变化小于50 nT，但有3处变化大于100 nT，分别位于剖面100～160 m、400～480 m、1 180～1 280 m处，此外由西向东磁场有逐渐变大的趋势。其中，磁场的跳跃变化是因火山岩的岩性不均一导致，特别是碎斑流纹岩内暗色矿物含量的变化是产生磁场跳跃变化的主因；3处磁异常推断由构造产生，400～480 m和1 180～1 280 m处构造向东倾，100～160 m处构造向西倾，且规模较大；磁场由西向东呈现逐渐变大的趋势，这是由于火山岩厚度增大的原因，特别是碎斑流纹岩的厚度增加所致，因为相山地区的磁性体主要是碎斑流纹岩［20］。对比钻探剖面可见，铀矿体上方没有特殊或具有标志性的磁异常，但其附近的构造通常会有明显的异常反映。

图3 居隆庵矿床试验剖面磁异常曲线Fig.3 Magnetic anomaly curve of the test profile in Julong’an deposit

3）放射性异常特征

由试验剖面上的伽马能谱和土壤氡气测量结果看（图4），剖面上存在多处氡浓度异常，如140、380、640、840、960、1 380、1 500 m等附近处，并且铀矿体上方明显存在高氡异常。在测量的伽马能谱铀（U）、钍（Th）、钾（K）含量中，Th含量明显整体偏高于U的含量，但Th的含量变化不大，剖面上没有明显的异常；K含量整体上非常低，一般小于5%，剖面上也未见任何的异常变化；U含量虽然也整体偏低，但剖面上还是存在着一定的变化，如剖面西侧0～500 m范围U含量略有偏高，在剖面1 200 m和1 500 m附近处存在高值异常。对比图1可见，铀矿体上方明显存在氡浓度异常，而伽马能谱中仅U含量的变化与铀矿体存在一定的对应关系，表现为剖面东侧矿体上方U含量的高值异常。所以，已知铀矿床在剖面上的标志性放射性异常特征就是高氡异常。

图4 居隆庵矿床试验剖面放射性异常曲线Fig.4 Radioactive anomaly curve of the test profile in Julong’an deposit

4）地球化学元素特征

从试验剖面上分析的U、Th、锂（Li）、锌（Zn）、钼（Mo）、铅（Pb）、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）等10种地球化学元素含量变化看，Zn、Cr、Co、Ni、Cu等元素变化均不明显；U元素含量虽然整体偏低，但相对变化明显，在剖面上表现出多处的异常变化，如剖面460～560、840～960、1 300、1 520 m等（图5）；Th元素总体变化平稳，仅在剖面800～1 020 m范围略有偏高；Li元素含量相对较高，异常变化也明显，在剖面280～480、1 020 m处呈现出高值异常；Mo元素含量整体偏低，但在剖面1 020 m处明显存在一个高值异常；Pb元素异常特征明显，表现为剖面960、1 280～1 340、1 540 m处的高值异常。对比钻探揭露的铀矿体位置可知，剖面1 500～1 600 m范围铀矿体上方Pb元素异常明显，U元素略有微弱异常显示；剖面700～900 m范围铀矿体上方无明显具有标志性的地球化学元素异常，但在其旁侧存在U、Th、Mo、Pb、Li等地球化学元素的组合异常。所以，已知铀矿床在剖面上的地球化学元素异常特征是具有U、Th、Mo、Pb、Li等地球化学元素的组合异常，该异常具有指示作用，但不能作为设计钻探工程的依据，因为异常位置与矿体并非完全对应。

图5 居隆庵矿床试验剖面土壤地球化学U、Th、Li、Mo、Pb元素含量变化曲线Fig.5 Variation curve of soil geochemical content of U，Th，Mo，Li and Pb along the test profile in Julong’an deposit

2.2 已知铀矿床物化探异常平面特征

为了系统研究已知矿床的物化探异常特征，除开展上述已知矿床剖面方法试验外，还对比研究了相山火山盆地内主要铀矿体平面投影处的物化探异常特征，包括重力异常、磁异常、放射性异常、地球化学元素异常等，各异常特征表现如下：

1）重力异常特征

由图6可见，相山火山盆地铀矿床在重力场上的最显著平面特征是绝大多数铀矿均分布在重力梯度带附近，且多位于重力低值一侧。重力梯度带的变化一方面反映了深大构造，另一方面也是密度界面发生陡变的反映，因为相山地区的密度界面变化主要指的是基底深度变化，所以重力梯度带的陡变表明两侧基底深度有较大变化。此外，相山火山盆地北部铀矿床基本分布于重力高场的相对低值区内，这是由于盆地北部基底变质岩出露，所以重力场在盆地北部的局部变化主要受变质岩内花岗斑岩分布影响，而花岗斑岩是该区铀成矿的重要控矿要素，这就意味着有矿的地方就可能有花岗斑岩，而花岗斑岩的存在就会产生局部的重力场变化，从而使得矿床在重力场上表现出高场中的相对低值异常特征。

图6 相山火山盆地布格重力异常与铀矿体平面投影图Fig.6 Bouguer gravity anomaly and plane projection of uranium ore bodies in Xiangshan volcanic basin

2）磁异常特征

由图7可见，相山火山盆地铀矿床在磁异常上的平面特征是大多数铀矿分布于磁异常的高场或者相对高场中，如盆地东部矿体明显位于磁高场内、盆地西部大多数矿体位于磁高场或者相对高场中、盆地北部矿体也主要位于磁场的相对高场中。因相山地区磁场的强弱主要由火山岩的厚度变化决定，所以一般情况下磁场强度越大，则表示火山岩厚度越大，而局部地段磁场的相对高值变化可能是由碎斑流纹岩中暗色矿物含量的增加产生，对于北部变质岩区内的磁高场变化，则是由不同变质岩岩性变化导致。

图7 相山火山盆地化极磁异常等值图Fig.7 Contour map of magnetic reduction to pole anomaly in Xiangshan volcanic basin

3）放射性异常特征

由相山火山盆地放射性异常与铀矿床的分布特征看［21］，矿体基本位于Rn的高场、次高场和相对高场内，大多数矿体位于Rn异常内，表现出明显的Rn高值异常特征；矿体对应于伽马能谱U含量的高场和次高场，基本上位于U的异常内；大多数矿体对应于伽马能谱Th含量的高场和次高场，位于Th的异常内，仅盆地北部部分矿体对应于Th的局部相对高场；盆地西部和东部的矿体明显对应于伽马能谱K含量的高场和次高场，位于K的异常内，在盆地北部虽然大多数矿体对应于K的高场或者相对高场，但还是有较多矿体未包含在伽马能谱K异常内。总体上看，相山火山盆地铀矿床在平面上具有明显的放射性异常特征，矿体主要分布在土壤氡浓度的高值异常区和伽马能谱U、Th、K含量的高值异常区内。

4）地球化学元素特征

从相山盆地U、Th、Li、Zn、Mo、Pb、Cr、Co、Ni、Cu等10种地球化学元素含量变化看，Co、Cr、Cu、Ni、Zn等元素的高场主要集中分布在盆地的外围，即在盆地周边基底变质岩中较为富集，而在火成岩中相对亏损，如图8所示的以Zn元素为代表的异常分布特征，这些元素的分布与矿体关系不密切，是不同岩性元素背景含量差异的反映；Li、Pb元素在盆地内外均存在异常，但与矿体无明显对应规律；Th元素分布特点是盆地内火山岩覆盖区整体偏高，除盆地北部矿体位于相对高场外，大多数矿体均位于Th元素的高场中；U、Mo元素含量虽然整体偏低，但矿体大多仍对应于其高场和次高场，位于异常区内（图9、10）。所以，相山火山盆地铀矿床在平面上的地球化学元素特征是具有高U、Mo、Th的地球化学元素组合特征。

图8 相山火山盆地土壤Zn含量等值图Fig.8 Contour map of soil Zn element content in Xiangshan volcanic basin

图9 相山火山盆地土壤U含量等值图Fig.9 Contour map of soil U element content in Xiangshan volcanic basin

图10 相山火山盆地土壤Mo含量等值图Fig.10 Contour map of soil Mo element content in Xiangshan volcanic basin

3 相山铀矿床物化探异常模型及找矿模式

3.1 相山铀矿床物化探异常模型

综合上述已知铀矿床的剖面和平面物化探异常特征认为，虽然有些物化探异常在剖面上规律性不明显，如磁异常、伽马能谱U、Th、K异常，但如果从全盆尺度上看，这些异常在平面上还是存在着明显的规律特征。由此，基于剖面上的物化探异常特征，从全盆尺度归纳总结出的相山铀矿床物化探异常特征为：

①铀矿床上方一般存在高氡异常、伽马能谱U、Th、K等放射性高场，U、Th、Mo等地球化学元素高场，磁场的高值异常或局部的跳跃异常；

②矿床所处位置一般是重力场陡然变化的部位，即重力梯度带附近；

③铀矿体一般位于由“高阻”向“低阻”过渡的偏“低阻”异常内，且其附近的电阻率等值线呈现出明显的陡变现象。

基于以上特征，建立了如图11所示的相山火山盆地铀矿床物化探异常模型。虽然该模型是基于相山火山盆地西部居隆庵矿床构建，但也同样适用于盆地内其他矿床，只是需要根据相应矿床的成矿环境特征修改下部的地质模型。

图11 相山铀矿床物化探异常模型示意图Fig.11 Schematic map of geophysical and geochemical anomaly model of Xiangshan uranium deposit

3.2 相山铀矿田物化探找矿模式

由上述分析可知，相山铀矿床不论是在平面上还是在剖面上均存在着明显的物化探异常，这些异常的规律特征为物化探勘查技术方法的应用提供了依据。从成矿预测角度，可以利用物化探异常的平面规律特征，筛选成矿远景区，辅助决策重点勘查区范围；从重点勘查区钻探工程部署角度，可以利用物化探异常的剖面规律特征，圈定重点勘查靶区，辅助钻孔设计。基于此目标，结合相山铀矿床的物化探异常模型，建立了相山铀矿田“三高二陡一低”物化探找矿模式。其中，三高是指高放射性异常、高地球化学元素异常和高磁异常，二陡是指电阻率异常陡变和重力异常陡变，一低是指低阻异常。具体含义为：

①高放射性异常：即具有高氡浓度，高伽马能谱U、Th、K含量的放射性异常特征；

②高地球化学元素异常：即具有高土壤地球化学元素U、Th、Mo异常的地球化学元素组合异常特征；

③高磁异常：即具有偏高磁的异常特征；④重力异常陡变：即重力场上具有陡然变化的特征，多表现为重力梯度带；

⑤电阻率异常陡变：即电性上具有陡然变化的特征，表现为电阻率等值线的梯度变化或方向转变；

⑥低阻异常：即电性上具有低电阻率特征。

3.3 找矿模式的地质意义

上述建立的物化探找矿模式并不是简单的物化探异常的表象，而是具有实际地质意义的。铀矿床上方存在高放射性异常是由于深部的铀及其衰变子体等放射性元素通过断裂构造及裂隙迁移至浅表，从而引起地表的放射性异常。高地球化学元素异常是铀成矿作用引起的原生晕异常在风化过程中形成了土壤次生分散晕异常，或是近地表铀矿化及蚀变的直接反映。高磁异常说明矿床处的火山岩盖层厚度相对大，代表火山活动前为负地形特征，是构造或者裂隙密集地段。而矿床常位于重力场的陡变部位，一方面意味着存在深大断裂构造，而深大断裂导通了深部热液，含铀热液才能够沿断裂上升至一定部位成矿；另一方面，重力场陡变代表的是基底隆凹变化，是基底塌陷部位，也是易于富集成矿的地方。矿体处呈现低电阻率，且附近电阻率有陡变现象，这主要与局部的裂隙构造和蚀变有关，因为矿体处即意味着相应部位存在蚀变或者构造，那么根据岩石物性特征知其电阻率一定降低；而电阻率的陡变处意味着是完整岩石与蚀变或者破碎岩石的分界处，抑或是不同岩性之间的接触界面，都是成矿有利部位。