廣東省仁化縣書樓丘鈾礦床三維地質(zhì)建模及成礦預(yù)測(cè)

俞嘉嘉，孫遠(yuǎn)強(qiáng)，周萬(wàn)蓬，范洪海，耿瑞瑞，孫雨鑫，李銘鯤

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013)

0 引言

勘探技術(shù)與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了礦產(chǎn)資源勘探模式的轉(zhuǎn)變，由經(jīng)驗(yàn)找礦、理論找礦和信息找礦3大傳統(tǒng)找礦方法向集成信息技術(shù)轉(zhuǎn)變(王功文和陳建平，2004)，利用地質(zhì)、物、化、遙等資料的多元信息綜合礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生(魏巍等，2016)。王功文和杜楊松(2000)運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法系統(tǒng)研究了玉龍銅礦帶內(nèi)各類斑巖的巖石化學(xué)成礦信息，并結(jié)合礦帶物、化和遙成礦信息處理，進(jìn)行了礦帶斑巖含礦性的多元信息綜合分析，建立了相應(yīng)的找礦數(shù)學(xué)模型，優(yōu)選了測(cè)欽拉、遵西和那馬卓巴3個(gè)找礦靶區(qū)；陳建平等(2008)以地質(zhì)異常致礦理論為指導(dǎo)，以赤峰地區(qū)為研究對(duì)象，提取了地質(zhì)、物、化、遙等多元地質(zhì)找礦信息，并利用航磁、重力資料進(jìn)行隱伏地質(zhì)體的推斷和解譯，豐富了深部找礦信息，并預(yù)測(cè)了赤峰地區(qū)北部3條成礦帶和南部1條成礦帶。

多元信息綜合找礦預(yù)測(cè)法已經(jīng)是現(xiàn)行主流礦產(chǎn)預(yù)測(cè)方法，諸多學(xué)者已將其運(yùn)用于很多地區(qū)并獲得較好的成果(李南生，2010；陳愛兵等，2011；陳慶等，2012；雷天賜等，2012；李天虎等，2012；王江霞等，2015；刁理品等，2018；何珊等，2018；許強(qiáng)平等，2019；王耀升等，2020)。

書樓丘礦床位于諸廣南鈾礦田北部，是長(zhǎng)江鈾礦田重要鈾礦床之一。前人在此進(jìn)行過研究，總結(jié)了書樓丘鈾礦床的地質(zhì)特征、礦床成因、找礦模型等①(張善果，2019)，并分別利用物化探方法和地質(zhì)類比方法研究表明書樓丘具有找礦潛力(徐文雄等，2017；王興明等，2017；張善果，2019；胡鵬等，2020)。本文綜合地質(zhì)、地化等信息，分析書樓丘鈾礦床的控礦因素和找礦標(biāo)志，建立找礦模型，利用信息量法，提取和分析成礦信息，進(jìn)行找礦預(yù)測(cè)研究，進(jìn)而圈定成礦靶區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及成礦模式

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于閩贛后加里東隆起西南緣與湘、桂、粵北海西-印支-坳陷的結(jié)合部位(圖1a)(黃國(guó)龍等，2006)，位于諸廣山巖體南部，長(zhǎng)江鈾礦田北部。區(qū)域上斷裂構(gòu)造發(fā)育，書樓丘礦床處于北北東向(塘洞斷裂、成公坳斷裂)、北東東向(城口斷裂、棉花坑斷裂、黃溪水?dāng)嗔?、近南北向(焦坪斷裂)及北西向(油洞斷裂)4組斷裂構(gòu)造交匯部位(圖1b)(郭春影等，2013；黃國(guó)龍等，2014)。礦區(qū)為諸廣山多階段復(fù)式巖體一部分，以花崗巖為主，出露主要巖性有印支期二云母花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖和燕山期黑云母花崗巖等，局部可見晚期中基性巖脈和堿交代巖出露(劉成東等，2010)。

圖1 諸廣巖體南部地質(zhì)略圖②Fig.1 Simplified geological map of the southern part of Zhuguang rock mass②1-第四系；2-古近系；3-白堊系；4-二疊系；5-石炭系；6-泥盆系；7-奧陶系；8-寒武系；9-震旦系；10-燕山期細(xì)粒二云母或石榴子石二云母花崗巖；11-燕山早期第三階段中、細(xì)粒二云母花崗巖；12-燕山早期第二階段中粒斑狀二云母花崗巖；13-燕山早期第一階段粗中粒斑狀黑云母花崗巖；14-印支期第三階段中粒(斑狀)二云母花崗巖；15-印支期第二階段中粗粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖；16-印支期第一階段粗粒斑狀黑云母花崗巖；17-海西期第三階段細(xì)粒含斑黑云母二長(zhǎng)花崗巖；18-海西期第二階段中粒斑狀花崗閃長(zhǎng)巖；19-加里東期第二階段花崗巖；20-加里東期第一階段花崗巖；21-輝綠巖脈；22-蝕變碎裂巖；23-主干斷裂及次級(jí)斷裂；24-不整合接觸界線；25-省界線；26-城市；27-研究區(qū)1-Quaternary；2-Paleogene；3-Cretaceous；4-Permian；5-Carboniferous；6-Devonian；7-Ordovician；8-Cambrian；9-Sinian；10-fine-grained two-mica or garnet two-mica granite of Yanshanian；11-medium and fine-grained two-mica granite of the third stage of early Yanshanian；12-middle-grained porphyritic two-mica granite of the second stage of early Yanshanian；13-coarse and medium-grained porphyritic biotite granite of the first stage of early Yanshanian；14-medium-grain (porphyritic) two-mica granite of the third stage of Indosinian；15-mediumand coarse-grained porphyritic biotite monzonitic granites of the second stage of Indosinian；16-coarse-grained porphyritic biotite granite of the first stage of Indosinian；17-fine-grained biotite monzonitic granites of the third stage of Hercynian；18-medium-grained porphyritic granodiorite of the second stage of Hercynian；19-granite of the second stage of Caledonian；20-granite of the first stage of Caledonian；21-diabase dike；22-altered cataclastic rock；23-main and secondary faults；24-unconformable contact boundary；25-provincial boundaries；26-city；27-research area

1.2 鈾成礦模式

根據(jù)前人資料，在構(gòu)造條件下，生成富堿、富揮發(fā)分的地幔流體并上侵進(jìn)入幔殼過渡區(qū)，發(fā)生重熔作用，促使鈾元素活化并轉(zhuǎn)移到新巖漿流體中。印支-燕山期拉張構(gòu)造背景下，部分酸性富鈾巖漿流體上侵到地殼形成富鈾花崗巖體，為后期鈾成礦提供鈾源。中生代中晚期，多期多階段構(gòu)造活動(dòng)，使巖體發(fā)生破裂、錯(cuò)動(dòng)位移，發(fā)育層間裂隙帶、巖石空隙等熱液通道，熱液運(yùn)移中與大氣降水混合，形成混合循環(huán)熱液。熱液運(yùn)移過程中，流體與圍巖發(fā)生水合反應(yīng)，萃取巖體中鈾元素，形成富鈾熱液。富鈾流體運(yùn)移致成礦有利空間，在適宜的物化條件下，礦質(zhì)沉淀，形成鈾礦床(圖2)(鄧平等，2003；王軍等，2014；沈以輝，2017；許麗麗等，2017)。

圖2 鈾成礦模式圖(據(jù)許麗麗等，2017修改)Fig.2 Uranium metallogenic model(modified from Xu et al.，2017)

2 三維地質(zhì)建模

2.1 地形地表-鉆孔模型

地表地形模型是賦有空間位置屬性和地形屬性特征的數(shù)字化表達(dá)，該模型可以直觀地反映礦區(qū)地表上的地形、鉆孔以及其他勘探工程的布置情況(樊忠平等，2010；王磊等，2013；李欣欣和劉保順，2019)。基于研究區(qū)1∶2000大比例尺地形測(cè)量，利用MapGIS軟件矢量化及賦值，借用3DMine軟件進(jìn)行錯(cuò)誤檢查并轉(zhuǎn)為dxf.格式，將其文件導(dǎo)入GOCAD中，通過構(gòu)造流程生成地表地形面；然后將遙感衛(wèi)星影像(*.tiff)導(dǎo)入GOCAD中進(jìn)行Voxet圖層，通過Voxet中的點(diǎn)功能將其校正，使遙感衛(wèi)星影像正確貼合在生成的地表地形面上。

鉆孔是現(xiàn)行最有效的深部找礦工程，鉆孔數(shù)據(jù)通過四個(gè)屬性表控制，包括鉆孔位置、鉆孔測(cè)斜、巖性信息、品位信息，本次研究共有35個(gè)鉆孔，鉆孔主要分布于礦區(qū)，最深鉆達(dá)460 m左右。將四個(gè)屬性表按格式字段錄入后，以文本形式保存并導(dǎo)入GOCAD。

2.2 巖體模型

巖體是預(yù)測(cè)要素中重要的一環(huán)。研究區(qū)出露巖體以酸性侵入巖為主，主要為燕山早期第一階段中粒黑云母花崗巖和燕山早期第三階段不等粒黑云母花崗巖，局部可見煌斑巖脈和石英正長(zhǎng)巖脈出現(xiàn)(圖3b)。根據(jù)已知礦體的產(chǎn)出位置，可知中粒黑云母花崗巖和不等粒黑云母花崗巖是主要的含礦巖體，巖體中的斷層破碎帶以及巖性接觸帶是礦體賦存的主要空間位置。

2.3 構(gòu)造模型

斷裂是含礦熱液的主要運(yùn)移通道，也是主要儲(chǔ)存空間。研究區(qū)構(gòu)造廣泛發(fā)育，呈大規(guī)模群組出現(xiàn)，其斷裂走向較多，明顯呈多期次活動(dòng)的特點(diǎn)，其中主要控礦斷裂為北北東向、北東東向、北西向、北北西向及南北向斷裂，其中又以北北西向和南北向斷裂為主要控礦斷裂(圖3c)。

2.4 礦體模型

礦體模型是三維建模工作的核心和難點(diǎn)，已知礦體模型的構(gòu)建影響著后續(xù)的成礦預(yù)測(cè)過程及其結(jié)果可信度。書樓丘礦床礦體主要受南北向和北北西向斷裂控制，礦體主要形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀均與構(gòu)造帶一致，呈單脈狀、群脈狀平行分布，礦脈厚度不大，具膨脹彎曲和分枝現(xiàn)象(圖3d)。

圖3 書樓丘礦床三維地質(zhì)模型Fig.3 3D geological models of Shulouqiu deposita-地表地形-鉆孔模型；b-巖體模型；c-斷層模型；d-礦體模型a-surface topography-borehole model；b-rock mass model；c-fault model；d-ore body model

3 立方塊體模型及成礦有利信息提取

3.1 構(gòu)建立方塊體模型

立方塊體模型是成礦預(yù)測(cè)中基礎(chǔ)部分，其原理是：將實(shí)體模型分割成有限個(gè)規(guī)則的立方體小塊組成的模型，每個(gè)單元小塊都含有對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息，對(duì)每個(gè)立方體附上地質(zhì)屬性信息，結(jié)合已知的樣點(diǎn)立方體上的信息，進(jìn)而綜合分析各個(gè)立方體的深部定量化信息，建立研究區(qū)的三維地質(zhì)找礦模型，最后對(duì)研究區(qū)的礦體空間分布特征進(jìn)行三維預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)(吳炳生，2014)。本次研究區(qū)工作范圍長(zhǎng)1.60 km，寬0.71 km，高0.95 km；單元塊體按行×列×層為5 m×5 m×5 m，共4513002個(gè)立方體單元。

3.2 提取成礦有利信息

3.2.1 有利地質(zhì)體信息

書樓丘礦床處于諸廣復(fù)式雜巖體，其鈾礦體主要產(chǎn)于燕山早期中粒黑云母花崗巖和不等粒黑云母花崗巖中，局部煌斑巖和石英正長(zhǎng)巖可見少許含礦。礦化形態(tài)受晚期巖體的形態(tài)和埋深控制。基于三維地質(zhì)模型和已知礦體信息，選用中粒黑云母花崗巖和不等粒黑云母花崗巖、石英正長(zhǎng)巖和煌斑巖作為含礦有利巖體。

3.2.2 有利構(gòu)造信息

鈾礦化嚴(yán)格受近南北向和北北西向的斷裂構(gòu)造控制，礦體主要產(chǎn)于斷裂構(gòu)造帶的中心部位；其礦化和礦體垂深均隨構(gòu)造帶向下延伸而延伸；礦體產(chǎn)狀隨斷裂帶或破碎帶收縮膨脹部位或產(chǎn)狀變化部位的變化而變化，并有隨構(gòu)造帶寬度增大部位其礦體變富、變大，反之礦體變貧、變薄的規(guī)律。基于構(gòu)造帶對(duì)礦體的作用，本文通過構(gòu)建構(gòu)造緩沖區(qū)來反映其與礦體之間的空間關(guān)系特征。

3.2.3 巖性接觸帶信息

巖性物化差異易使接觸部位發(fā)生破碎，提供有利空間和物質(zhì)交換的環(huán)境，有助于元素的遷移富集。書樓丘礦床鈾礦化多富集于巖性接觸部位，且厚大礦體常富集于接觸界面的構(gòu)造帶中；主礦體的厚大中心部位與巖性接觸面起伏基本一致(徐文雄等，2017；伏順成等，2019)。結(jié)合已知礦體信息和不同距離的緩沖區(qū)特征，確定巖體最佳緩沖距離。

3.3 找礦預(yù)測(cè)模型

在基于構(gòu)建的立方體模型及已知礦體信息，將已知礦體與提取的成礦有利信息(巖體、構(gòu)造和巖性接觸帶)進(jìn)行疊加統(tǒng)計(jì)(圖4)，獲取各個(gè)證據(jù)因子的最佳含礦單元數(shù)。進(jìn)而根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合礦床成礦條件和找礦標(biāo)志分析，對(duì)書樓丘礦床的致礦因素進(jìn)行了綜合評(píng)定，提出與書樓丘礦床有關(guān)的礦床預(yù)測(cè)的證據(jù)因子有：巖漿巖條件、構(gòu)造條件、接觸面條件,進(jìn)而總結(jié)了書樓丘礦床找礦模型如表1。

圖4 各含礦塊體數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Statistical results of ore-bearing block number

表1 書樓丘礦床找礦模型

4 三維成礦預(yù)測(cè)及靶區(qū)圈定

4.1 三維預(yù)測(cè)方法

信息量法由E.B.維索科奧斯特羅夫斯卡婭于1968年、N.N恰金于1969年先后提出(趙鵬大等，1983)。信息量法用信息量的大小來評(píng)價(jià)地質(zhì)因素、找礦標(biāo)志與研究對(duì)象的關(guān)系密切程度，其原理與證據(jù)權(quán)法大同小異(肖克炎等，1999；王勇和陳邦國(guó)，2004；陳廣洲等，2010；陳廣洲等，2013)，從各地質(zhì)因素中挑選有利成礦要素，將要素?cái)?shù)值化，以數(shù)值大小來評(píng)價(jià)各地質(zhì)因素對(duì)礦化影響的程度；信息量法用信息量值來指示，"信息量值"是用以表達(dá)影響程度的變量，由塊體單元中各地質(zhì)要素的信息和，來指示塊體單元具有的找礦意義(張權(quán)平等，2018)。

4.2 有利找礦要素信息量值計(jì)算

信息量值基本計(jì)算公式如下：

(1)

IA(B)為A標(biāo)志情況下具B礦的信息量值；Nj是區(qū)內(nèi)具有標(biāo)志A情況下的含礦單元數(shù)；N是研究區(qū)內(nèi)含礦的總單元數(shù)；Sj是研究區(qū)內(nèi)具有A標(biāo)志的單元數(shù)；S為研究區(qū)內(nèi)的總單元數(shù)。

應(yīng)用式(1)，通過GOCAD獲取相應(yīng)的塊單元數(shù)，記錄于Excel表格，并在Excel中計(jì)算找礦模型中的各成礦有利信息量值；依據(jù)信息量值結(jié)果，篩選有利找礦要素，進(jìn)一步總結(jié)出預(yù)測(cè)模型。信息量值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 成礦有利要素信息量結(jié)果

續(xù)表2

基于信息量值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，在巖漿巖條件上，礦體主要存在于燕山早期中粒黑云母花崗巖和不等粒黑云母花崗巖中，煌斑巖和石英正長(zhǎng)巖含礦較少；巖性接觸帶是主要的賦礦區(qū)域。構(gòu)造條件上，斷層緩沖帶是證據(jù)因子中賦存礦體最多的，這與書樓丘礦床的構(gòu)造控礦情況一致。考慮到后續(xù)找礦概率問題，將信息量值為負(fù)證據(jù)因子剔除，即剔除中粒黑云母花崗巖、煌斑巖、放射性水化學(xué)異常，并利用其余找礦要素形成找礦預(yù)測(cè)模型(表3)。

表3 書樓丘礦床預(yù)測(cè)模型

4.3 成礦預(yù)測(cè)結(jié)果分析

通過GOCAD軟件，生成預(yù)測(cè)模型中各預(yù)測(cè)要素對(duì)應(yīng)的Properties，應(yīng)用Property中Set Constant功能對(duì)相應(yīng)要素的Region進(jìn)行“二值化”(預(yù)測(cè)要素對(duì)應(yīng)Region取值為信息量值，研究區(qū)中其余部分Region取值為零)信息量賦值；再利用計(jì)算器(Apply Script Calculator)，對(duì)各預(yù)測(cè)要素Property求和，生成信息量和的Proprety，該信息量和代表整個(gè)研究區(qū)范圍的找礦有利信息量值，即各預(yù)測(cè)要素對(duì)成礦影響的耦合結(jié)果，可用于指示圈定成礦有利區(qū)。

根據(jù)信息量和值，利用GOCAD軟件中Region中From Property Range功能生成不同信息量值區(qū)間的Region，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)不同信息量值區(qū)間的塊體數(shù)和含已知礦塊數(shù)(表4)，并計(jì)算不同信息量區(qū)間的塊體比例、含礦比例和含礦率，并生成相應(yīng)曲線圖(圖5)。

表4 不同信息量分區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 三維找礦信息量分析Fig.5 Analysis of 3D prospecting information valuea-礦體比例和塊體比例曲線；b-含礦率曲線a-ore body proportion and block proportion curves；b-ore-bearing rate curve

礦塊比例曲線和塊體比例曲線隨著信息量值增大而降低，而含礦率曲線隨其增大而增大，可知最終剩余的塊體即是有利礦體。據(jù)含礦率曲線的變化情況，將曲線分為“三段式”，取0.1 ～ 0.6為找礦有利區(qū)間低值區(qū)，將0.6 ～ 0.9為找礦有利區(qū)間中值區(qū)，取大于0.9為找礦有利區(qū)間高值區(qū)。根據(jù)信息量值分級(jí)特征，將信息量值為0.6 ～ 0.9的預(yù)測(cè)區(qū)域定為II級(jí)成礦有利區(qū)，將信息量值大于0.9的區(qū)域定為I級(jí)成礦有利區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，I級(jí)成礦有利區(qū)其含已知礦塊數(shù)為35443塊，II級(jí)成礦有利區(qū)含已知礦塊數(shù)為6766塊；有利成礦區(qū)含礦占比之和共89.2%，說明預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況有較好的一致性，可知預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)下一步圈定成礦靶區(qū)具有較好的指示意義。

4.4 靶區(qū)圈定

利用已知的品位數(shù)據(jù)對(duì)塊體模型進(jìn)行品位插值，結(jié)合品位高值區(qū)和成礦有利區(qū)對(duì)礦床未知深部進(jìn)行疊加圈定，共圈定了4個(gè)預(yù)測(cè)靶區(qū)(圖6)。從圖6a可見，深色區(qū)域?yàn)镮級(jí)成礦有利區(qū)，其區(qū)域大體為已知礦體區(qū)。從圖6b可以看出，根據(jù)品位模型圈定的4個(gè)預(yù)測(cè)靶區(qū)中，靶區(qū)1其信息量值較低(剔除)，其余三個(gè)靶區(qū)的信息量值均在0.8左右，即位于II級(jí)成礦有利區(qū)，由此可確定預(yù)測(cè)結(jié)果有較高的可信度。

圖6 書樓丘礦床找礦靶區(qū)圖Fig.6 Prospecting target areas in the Shulouqiu deposit a-成礦有利區(qū)靶區(qū)分布；b-三維空間靶區(qū)分布a-target distribution of favorable metallogenic area；b-target distribution in 3D space

5 結(jié)論

(1)基于收集的資料，利用COCAD建模軟件，分別構(gòu)建了地表、巖體、構(gòu)造、礦體等三維地質(zhì)模型，為后續(xù)礦山開采等工作提供了三維可視化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)總結(jié)了礦床的成礦有利信息，建立了相應(yīng)的找礦概念模型和三維立方體模型，基于信息量法計(jì)算了不同成礦有利區(qū)間的信息量值，并劃定了3片靶區(qū)，為找礦工作提供了方向。

[注 釋]

①安鵬鑫. 2017. 粵北書樓丘鈾礦床地質(zhì)特征及成因淺析[C].第八屆全國(guó)成礦理論與找礦方法學(xué)術(shù)討論會(huì)論文摘要文集.

②核工業(yè)二九〇研究所.2005.廣東省仁化縣長(zhǎng)江地區(qū)書樓丘礦床調(diào)查與評(píng)價(jià)報(bào)告[R].