鄂尔多斯盆地南部彬长地区砂岩型铀矿三维地质建模及意义

曹珂，朱鹏飞，阿的阿加，刘琳莹，白芸，王思宇，尹锦宇，孔维豪

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国地质大学（北京），北京 100083；3.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心，北京 100055）

铀矿是我国经济发展和国防建设的重要矿产资源，是发展核工业的基础原料和战略资源［1-3］。我国铀矿床类型主要为砂岩型、花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型，其中砂岩型铀矿是所有铀矿类型中经济成本最低的一种。近年来先后在鄂尔多斯盆地东部、北部和中部多个地区相继发现了多个大型砂岩型铀矿［4-7］。前人对鄂尔多斯盆地铀矿的研究主要集中在盆地北部、东部，特别是盆地北部东胜地区，然而对盆地南部铀矿床的研究及找矿勘查工作相对薄弱，缺乏系统性和综合性的研究。

随着找矿勘查及预测研究的不断深入，传统的二维找矿方法在寻找深部隐伏矿体过程中遇到更多的困难和巨大的挑战。三维地质建模技术的发展为打破深部找矿预测困局提供了新的机遇和技术手段。通过建立三维数字地质模型可以进行多源地学信息融合和综合表达，实现区域或矿床的数字化、可视化，进行找矿异常信息的分析和定量提取，挖掘矿床深部及外围隐伏矿体，从而达到深部找矿预测的目的［8-11］。因此，开展大比例尺三维地质建模研究工作对于已知矿床深部及外围寻找深部隐伏矿体及找矿预测研究具有重要的意义。

随着我国找矿勘查及找矿预测研究的不断深入，近些年来在鄂尔多斯盆地的边缘相继发现了一系列砂岩型铀矿床［5-7］，表明盆地的边缘具有优越的成矿地质条件，是寻找隐伏砂岩型铀矿的有利地区。然而受多方面不确定因素影响，前期有关砂岩型铀矿找矿工作主要集中于盆地的北部和西北部，而盆地南部找矿预测研究相对薄弱。近年来随着铀矿找矿研究工作的加强，在盆地南部黄陵-焦坪-彬县一带发现店头砂岩型铀矿床及焦坪、庙湾、炭店等铀矿点，赋矿砂体位于中侏罗统直罗组下段［12］。因此，本文拟在对鄂尔多斯盆地南部砂岩型铀矿成矿地质特征、矿床成因、成矿规律等方面认识的基础上，选取鄂尔多斯盆地南部具有良好的砂岩型铀矿成矿潜力的彬县-长武（简称“彬长”）地区为研究区，开展砂岩型铀矿三维地质建模研究，以便更直接地了解地下复杂的地层、构造及矿体空间分布特征，以期为该区域下一步铀矿勘查及找矿预测研究等工作提供新的证据。

1 研究区地质概况

鄂尔多斯盆地是以太古代—早元古代基底发育而来的克拉通盆地，盆地边缘主要经历了寒武纪—早奥陶世离散边界克拉通盆地、中奥陶世—中三叠世汇聚板块边界克拉通盆地及晚三叠世—早白垩世残余克拉通盆地等3 个主要盆地演化阶段［13-15］。盆地特定的地质发展历史造就了其独特的盆地结构，总体上可划分为3 个大的构造层：太古界和下元古界变质结晶岩系构成的下部构造层（华北地台的结晶基底），中元古界—古生界地台型海相、海陆交互相碳酸盐岩建造和碎屑岩建造构成的中构造层（中新生代陆相沉积盆地的直接基底），以及中、新生界碎屑岩建造及含煤建造构成的上构造层（盆地盖层）。鄂尔多斯盆地富集石油、天然气、铀矿等诸多能源矿产，是我国重要的能源产地之一［3-4］，特别在盆地的边缘相继发现了一系列砂岩型铀矿床［5-7］，具有优越的成矿条件，是寻找隐伏砂岩型铀矿的有利地区。

彬长地区所处的鄂尔多斯盆地基底为太古代—早元古代变质岩、混合岩、花岗片麻岩等，以酸性、中酸性岩为主，具有较高的铀丰度。盆地的盖层主要由侏罗系（J）和白垩系下统（K1）、古近系渐新统（E3）、新近系上新统（N2）、第四系（Q）构成，其中侏罗系和白垩系是盆地沉积盖层主体。侏罗系自下而上分为下侏罗统富县组（J1f），中侏罗统延安组（J2y）、直罗组（J2z）及安定组（J2a），主要为一套地台型海相、海陆交互相碳酸盐岩建造和碎屑岩建造。其中中侏罗统直罗组（J2z）和延安组（J2y）常发育铀矿（化）体，具有明显的层控型特征。

彬长地区主要发育NE 和NW 向断裂，其中NE 向为主干断裂，控制着区域铀矿床的分布（图1）。构造运动以平稳的升降运动为主，主要表现为一个总体向NW 倾斜，倾角平缓（约10°～20°）的单斜构造，其中斜坡带上宽缓的背、向斜有利于地下水渗入，是成矿的部位。

图1 鄂尔多斯南部彬长地区地质简图（据文献［16］修改）Fig.1 Geology sketch of Binchang area of the southern Ordos Basin（modified after reference ［16］）

鄂尔多斯盆地及周边岩浆岩具有多期次，多阶段演化的特点，主要为元古代、早古生代、晚古生代及中生代酸性、中酸性岩类。其中盆地东北缘出露晚侏罗世富铀中酸性火山岩，是区域上含矿建造（J2z）铀成矿的外部铀源之一。鄂尔多斯盆地为一向斜自流水盆地，地下水接受周缘山系地下水的补给并向盆地径流、排泄，具有完整的补给、径流、排泄系统。盆地在J3、K2、E2—E1和N1时期出现沉积间断，属于渗入型水动力盆地发育期，到了第四纪由于新构造运动转变为开放渗出型盆地发育期。在沉积间断、构造抬升掀斜期，形成了次造山作用地带的构造斜坡带，盆地以适度抬升为主，发生渗入作用。水由补给区地表或断裂渗入含水层形成地下径流，矿化度逐步增高，氧在径流中消耗，形成层间氧化带和铀矿化。因此鄂尔多斯盆地具备良好的铀成矿的水文地质条件。

2 三维地质模型构建

综合考虑研究区赋矿层（J2z1）的层位、控矿构造的展布及成矿期沉积相位等因素，结合已收集到的钻孔、勘探线剖面等综合资料，选取面积为3 180 km2的矩形区域（图1）为建模区，深度为地表以浅1 600 m（海拔范围为-300～1 300 m）。

2.1 建模平台及多源数据处理

将收集到的彬长地区铀矿相关的地质、物探、化探、遥感等资料进行预处理，为三维综合地质建模做数据准备。主要将收集到的研究区相关的资料进行数字化、格式化、规范化处理，将其整理成建模所需要的统一数据格式以待建模。本文选取SKUA-GOCAD 软件平台开展三维地质建模，该软件具有强大的三维建模、可视化、地质解译和分析功能，已广泛应用于采矿、石油勘查、地球物理工程等领域［17-21］。本文将收集处理的有关彬长地区铀矿床的基础地质数据导入到SKUA-GOCAD 软件中，并使用该软件建模功能建立了地形地貌模型、钻孔模型、地层模型、断裂构造模型、含矿目的层直罗组下段辫状河推测河道中心线模型、氧化—还原过渡带模型、矿体模型。

2.2 地形地貌模型

地形地貌模型可真实地反映出研究区地表地形特征，本文建模采用研究区高程数据DEM（30 米分辨率）生成。基于SKUA-GOCAD 软件，利用等高线数据构建地形模型，并用数字地形模型（Digitial Territory Mode，简称DTM）来表达。利用软件的面集（Surface）构建保证了所建层面的光滑度和真实度。利用插值功能生成研究区地形，并利用已知钻孔坐标进行表面拟合，使其无限接近真实地表形态，建立了地形地貌模型（图2）。

图2 鄂尔多斯南部彬长地区地形地貌三维模型Fig.2 Terrain and landform 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.3 钻孔实体模型

本次研究共收集341 个钻孔的数据，主要为煤田钻孔，将这些钻孔数据编录整理后导入建模软件，在软件中通过数据处理生成钻孔数据库，建立钻孔实体模型（图3）。

图3 鄂尔多斯南部彬长地区钻孔三维模型Fig.3 The borehole 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.4 地层模型

在SKUA-GOCAD 软件中利用钻孔数据建立地层模型，首先将钻孔数据库里的分层数据导入到建模软件，并利用克里金插值法对原始分布不均匀的数据进行加密处理，生成地层的顶底面，利用这些层面建立彬长地区地层模型（图4）。

图4 鄂尔多斯南部彬长地区地层三维模型Fig.4 The stratum 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.5 褶皱模型

彬长地区地层整体产状稳定，以发育宽缓褶皱为主，在褶皱形成过程中岩层的连续性未受到明显的破坏。研究区中侏罗统直罗组（J2z）形成的褶皱是铀矿的重要控矿要素，为铀矿赋存提供了良好的空间。区域成矿特征显示，彬长地区铀矿主要赋存于向斜的核部和两翼。因此，本文根据地层剖面中褶皱的枢纽、转折端等信息，提取了直罗组向斜核部和两翼的形态（图5）。

图5 鄂尔多斯南部彬长地区褶皱两翼形态三维模型Fig.5 The fold 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.6 直罗组辫状河推测河道中心线模型

根据区域地层、岩相资料，建模区直罗组主辫状河砂体厚度为30～40 m。提取了辫状河河道的中心线模型，并用地层顶底板去约束生成的河道中心线模型。建立的研究区直罗组河道中心线模型如图6所示。

图6 鄂尔多斯南部彬长地区直罗组河道中心线模型Fig.6 The center line model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

2.7 直罗组辫状河推测心滩模型

在直罗组地层的砂体和辫状河河道推测河道中心线模型基础上，将含沙率＞70%的部位推测为河道的心滩范围，建立了直罗组地层的河道心滩模型（图7）。

图7 鄂尔多斯南部彬长地区直罗组辨状河河道心滩模型Fig.7 The riverbank model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

2.8 氧化—还原过渡带模型

氧化—还原过渡带在岩性上主要为浅灰色粗砂岩，发育弱蚀变，其中蚀变位置位于因油气二次还原所呈现的灰白-灰绿色砂体与其围岩原生灰色砂体之间。本文根据平面推测的氧化前锋线展布特征，以剖面图为基础圈连出直罗组地层氧化—还原过渡带模型（图8）。

图8 鄂尔多斯南部彬长地区直罗组氧化—还原过渡带模型Fig.8 The oxidation-reduction transition model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

3 模型综合分析及成矿远景预测

3.1 三维地质模型的建立及找矿意义

将前述的地形地貌模型、钻孔模型、地层模型、断裂构造模型、含矿目的层直罗组下段辫状河推测河道中心线模型、氧化—还原过渡带模型、矿体模型叠合起来，集成彬长地区数字地质模型（图9）。通过三维数字模型的建立，可以更加直观地展示整个彬长地区地形、构造、地层、氧化还原带等三维空间展布特征及其相互关系。同时可以根据研究需要提取任何切面各地质要素图件，分析成矿的有利区域。根据三维地质模型开展找矿预测综合研究、圈定找矿远景区和找矿靶区，开展深钻选址等工作，具有重要的理论和实际应用意义。

图9 鄂尔多斯南部彬长地区各实体模型叠合展示图及找矿远景区位置Fig.9 3D presentation of solid models of the Binchang area in southern Ordos Basin and the ocation of prospecting prospect area

3.2 成矿远景预测

鄂尔多斯盆地南部地区砂岩型铀矿总体上沿盆地边缘分布，矿（化）体主要赋存于中侏罗统直罗组，是关键成矿因素。含矿目标层直罗组发育的辫状河道砂体、单斜构造及其内部发育的褶皱和断裂、沿斜坡带发育的层间氧化带是控制铀矿化的关键因素。区域上构造单一，主要发育向西北倾斜的单斜构造，铀矿化主要沿斜坡带上的层间氧化带发育。研究区及周边区域的铀矿主要赋存于侏罗纪直罗组下段河道中心部位的厚层砂体中，砂体成因为辫状河沉积。此外，河道心滩部位砂体较厚，由于含砂率高从而成为铀矿赋矿有利部位。因此，本文对辫状河沉积相中心线及河道心滩部位定量提取及三维构建可为找矿预测提供重要信息。

本文在对鄂尔多斯盆地南部地区铀矿成矿规律及控矿要素分析和认识基础上，结合彬长地区三维数字地质模型，对研究区铀矿成矿潜力进行了分析，认为彬县西北部亭口镇附近具有较好的找矿前景，可为该区域下一阶段找矿勘查提供参考。成矿远景区划分的依据如下：

1）成矿构造方面，远景区位于彬县背斜的北翼，为一个NNW 向倾斜的单斜构造，属于稳定的构造斜坡带，并且斜坡带规模较大，沿着斜坡带上发育的层间氧化带构成铀矿成矿的有利部位。

2）远景区发育规模较大的直罗组辫状河道和砂体，其中河道心滩部位砂体厚度较大，含砂率高，是铀矿赋存的有利部位，本文圈定的远景区发育直罗组河道心滩，因此具备良好的成矿条件。

3）远景区广泛发育直罗组氧化—还原过渡带，岩性上以浅灰色的粗砂岩为主，发生弱蚀变。区域上直罗组下段的铀矿化主要位于氧化—还原过渡带，是重要的控矿因素，因此具备良好的成矿条件。

4）地表出露及钻孔揭示的直罗组下段中的砂体主要呈灰-灰白-紫红-黄褐色，后生氧化蚀变明显。此外，直罗组下段辨状河道砂体和延安组三角洲平原分支河道砂体含有较多的黄铁矿、炭质碎片等还原剂，完全具备了一定的还原能力，因此具备良好的成矿潜力。

5）远景区内地表出露及深部钻孔揭露的直罗组下段砂体以泥质胶结为主的疏松砂体，具有良好的渗透性，具备有利的铀矿成矿条件。

6）此外，远景区内直罗组下段砂体油气活动明显，以气态油气还原褪色为主。并且，在煤田钻孔揭露的直罗组下段砂体中（以疏松砂岩为主）发现较高的放射性异常，具备良好的砂岩型铀矿找矿标志。

3.3 基于三维地质模型的成矿有利部位分析

本文在三维地质模型建立基础上，结合区域砂岩型铀矿成矿条件分析，圈定彬县西北部亭口镇地区为成矿预测远景区。通过三维地质建模为鄂尔多斯盆地南部铀矿找矿预测研究及找矿靶区确定提供了更加直观的证据。侏罗纪直罗组下段辫状河河道中心部位及河道心滩部位发育较厚的砂体，是铀矿赋矿有利部位，因此三维地质模型直罗组河道中心模型和河道心滩模型直观地展示了成矿的有利部位。此外，氧化—还原过渡带是鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿的重要的控矿因素，因此在三维地质模型中，氧化—还原过渡带模型与河道中心线模型、河道心滩模型的叠加区域，是重要的成矿有利部位。

4 结论

1）在收集和处理彬长地区基础地质和铀矿相关资料基础上，利用SKUA-GOCAD 三维平台建立了地形地貌模型、钻孔模型、地层模型、断裂构造模型、含矿目的层直罗组下段辫状河推测河道中心线模型、氧化—还原过渡带模型、矿体模型，实现了各类成矿要素及其空间关系的三维可视化。

2）通过对彬长地区三维地质模型的建立，分析主要控矿要素，并结合区域砂岩型铀矿成矿地质背景及成矿规律，认为彬县西北区域亭口镇具有较好的铀矿成矿条件，是鄂尔多斯盆地南部彬长地区铀成矿远景区。并基于三维地质模型进行了成矿有利部位分析，认为河道中心线模型和河道心滩模型与氧化—还原过渡带模型的叠加区域为彬长地区最重要的成矿有利区。

3）通过对鄂尔多斯盆地南部彬长地区开展三维地质建模研究和分析，一方面便于更加直接地了解地下复杂的地质体、构造面及矿（化）体的空间分布特征，另一方面可以为该区域下一步找矿预测研究、铀矿勘查、钻探布设等工作提供新的证据和支撑，具有重要的理论和实际意义。