澳大利亞派因·克里克鈾礦區(qū)成礦能分析

賀 婷，林子瑜

(東華理工大學(xué)，江西 撫州344000)

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澳大利亞派因·克里克鈾礦區(qū)成礦能分析

賀 婷，林子瑜

(東華理工大學(xué)，江西 撫州344000)

筆者利用成礦能理論對(duì)澳大利亞派因·克里克地區(qū)不整合面型鈾礦進(jìn)行分析研究，根據(jù)航放U、Th、K信息結(jié)合濃度克拉克值(K)計(jì)算該區(qū)的成礦能力和梯度。研究結(jié)果顯示，該地區(qū)鈾礦床主要位于成礦能高低值的過(guò)渡帶及差值明顯的漏斗型區(qū)域。這為今后的探礦提供了新的依據(jù)。

成礦能；航放數(shù)據(jù)；濃度克拉克值；鈾礦床

“成礦能” 是礦床評(píng)價(jià)的一個(gè)重要參數(shù)，1978年首次由蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家薩弗隆諾夫等人提出，是指成礦元素由分散狀態(tài)組合成富集體(礦體或礦石)時(shí)的地球自然能[1]。濃度克拉克值表示某種元素在一定的礦床、巖體或礦物內(nèi)濃集的程度，利用礦區(qū)內(nèi)某幾種元素的含量同區(qū)域上該元素的背景值的比值來(lái)反映成礦時(shí)能量的變化。徐錫華(2002)就曾建立成礦能-克里格雙模型進(jìn)行化探數(shù)據(jù)的處理。成礦能直接針對(duì)主攻礦種及其與之正相關(guān)的元素， 反映了所查明元素含量信息的綜合指標(biāo)，且能描述元素的地球化學(xué)特征及分帶性，對(duì)于表征一個(gè)地區(qū)的地球化學(xué)綜合信息有著重要的意義。

本文利用航放U、Th、K數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)要素，對(duì)澳大利亞派因·克里克不整合面型鈾礦進(jìn)行單元素、元素組合及主分量(PCA)成礦能及成礦能梯度計(jì)算，綜合分析鈾成礦及礦床分布與成礦能的關(guān)系。

1 鈾礦區(qū)地質(zhì)概況

澳大利亞派因·克里克不整合面型鈾礦床以其富、大，尤其是高品位特性著稱(chēng)，一直被作為鈾礦探礦的主要目標(biāo)類(lèi)型。澳北P(pán)ine Creek(派因·克里克)造山帶由一套元古代沉積巖和火山巖組成，其不整合覆于新太古代花崗質(zhì)基底之上。鈾礦床產(chǎn)在新太古代花崗巖-片麻巖穹窿邊緣的古生代冒地槽凹陷帶中，礦體受北東東、北東向構(gòu)造控制，產(chǎn)在線性構(gòu)造密集區(qū)，鈾礦化年齡：主期1600Ma,次要期900～500Ma。

鈾礦區(qū)廣泛發(fā)育兩個(gè)時(shí)代的花崗巖，即：新太古代-古元古代花崗雜巖體和古元古代晚期-中元古代早期花崗巖。它們常呈穹丘產(chǎn)出，在成因上兼具S型和I型花崗巖特征，鈾含量平均達(dá)(9～13)×10-6，雜巖體(納納姆布)含晶質(zhì)鈾礦，構(gòu)成本區(qū)的重要鈾源。

P.D.Stuart-Smith等認(rèn)為，澳大利亞派因·克里克造山帶在古元古代是一個(gè)陸內(nèi)克拉通盆地，由早期的裂谷作用和太古代陸殼邊緣下沉所造成[2]。

新太古代結(jié)晶基底由花崗巖-片麻巖穹隆構(gòu)成，古元古界由變質(zhì)沉積巖夾少量火山巖組成(表1)。古元古代末期地槽封閉，之后轉(zhuǎn)入地臺(tái)發(fā)育階段[2，3]。

表1 派因·克里克造山帶地層巖性及形成時(shí)代

該區(qū)有3套構(gòu)造層，即：中元古代構(gòu)造層——科姆波爾吉建造(紅層)，古元古代構(gòu)造層——努爾蘭吉片巖和卡希爾建造，新太古代構(gòu)造層——納納姆布花崗雜巖、變質(zhì)巖等(圖1)。

圖1 澳大利亞派因·克里克鈾礦區(qū)地質(zhì)示意圖Fig.1 Geological sketch of Pine Creek uranium metallogenic area1—新生界；2—中生界；3—古生界； 4—元古界；5—古元古-太古界；6—Nour langie(努爾蘭吉)片巖；7—Cahill(卡希爾)建造；8—Nanambu(納納姆布)混雜巖；9—斷裂構(gòu)造；10—鈾礦床、礦點(diǎn)；11—研究區(qū)；12—地名。

2 成礦能計(jì)算

為了找到一個(gè)既能反映成礦演化過(guò)程本質(zhì)，又相對(duì)合理簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)模型，筆者借助于熱力學(xué)理論基礎(chǔ)，利用反映成礦元素集中或分散程度的濃度克拉克值(K)，計(jì)算研究區(qū)的成礦能力，探討成礦能量的變化和分布。成礦能的大小即可定量反映出區(qū)域成礦作用的相對(duì)強(qiáng)弱[4]，它對(duì)了解成礦規(guī)律和控制因素，進(jìn)行成礦預(yù)測(cè)有很重要的意義。

趙鵬大院士在上世紀(jì)80年代初指出，地質(zhì)體的實(shí)際結(jié)構(gòu)，反映了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和不同地質(zhì)體的組合特征[5]。研究地質(zhì)體的非均質(zhì)性或異常需要?jiǎng)澐值刭|(zhì)背景場(chǎng)，這與元素的濃度克拉克值有密切關(guān)系，單位面積或體積內(nèi)各種地質(zhì)體或同一地質(zhì)體不同屬性組合的變化，是地質(zhì)異常最基本的表現(xiàn)形式[6,7]。

無(wú)論成礦、成暈過(guò)程如何復(fù)雜，作為一個(gè)體系，可將其過(guò)程簡(jiǎn)化為元素從最初的分散狀態(tài)到最終的富集狀態(tài)，這種富集程度(成礦能的變化)可以用元素的濃度克拉克值來(lái)表示。這種由元素濃度克拉克值計(jì)算出的成礦能只反映元素富集到現(xiàn)有程度的能量增加或減少的相對(duì)值，而不反映元素富集或分散所消耗的能量的絕對(duì)值。同時(shí)也不反映具體到哪一種(期)地質(zhì)作用對(duì)能量場(chǎng)發(fā)生了什么影響，僅是最終形成現(xiàn)有狀態(tài)的能量的分布狀態(tài)。這對(duì)于表征一個(gè)地區(qū)的地球化學(xué)綜合信息有著實(shí)際意義[8]。

在有n個(gè)元素參與成礦過(guò)程的理想化假定條件下，形成一定濃集克拉克值的單位體積礦石(暈)所耗費(fèi)的成礦能En為：

(1)

式中n為成礦、成暈的元素種類(lèi)個(gè)數(shù)；Ki為組成礦石或地球化學(xué)暈的第i個(gè)元素的濃度克拉克值(該元素含量/該元素的區(qū)域背景值)[9,10]。

3 派因·克里克(賈比魯)鈾礦區(qū)成礦能分析

3.1 賈比魯鈾礦區(qū)地質(zhì)體信息提取

賈比魯鈾礦區(qū)主要鈾礦化位于古元古界卡希爾組和卡卡都群，在科姆波爾吉組中偶見(jiàn)礦化，賦礦地層為一巨厚的冒地槽沉積?？ǘ既翰徽细采w在納納姆布雜巖之上，由片麻狀石英巖、雜色片麻巖和片巖組成；卡希爾組(Cahill)與下伏卡卡都群整合接觸；努爾蘭吉(Nourlangie)片巖與下伏卡希爾組(Cahill)整合接觸，古元古界廣泛出現(xiàn)在納納姆布雜巖東南地區(qū)。鈾礦體位于中元古界與古元古界不整合面下方，產(chǎn)在由泥巖、碳酸鹽巖和含炭巖石變質(zhì)形成的特定巖系之內(nèi)。鈾礦體與地層產(chǎn)狀基本一致，向深部延伸離不整合面的距離不超過(guò)300～500m[11]。本文通過(guò)GIS系統(tǒng)，對(duì)中元古界科姆波爾吉建造、古元古界努爾蘭吉片巖和卡希爾建造、太古界納納姆布花崗雜巖等地質(zhì)體進(jìn)行研究。

3.2 航放數(shù)據(jù)處理及技術(shù)流程

地質(zhì)體中元素的含量可以用在一定范圍內(nèi)變化的一組隨機(jī)變量來(lái)表示，其滿(mǎn)足：

(2)

式中，f(c)為概率密度函數(shù)，P(c≤x)是含量小于等于給定x值的概率。

但在地質(zhì)實(shí)踐中，成礦能往往是不穩(wěn)定的，即其數(shù)學(xué)期望值并不是常數(shù)，而是空間位置的函數(shù)，表現(xiàn)為：

Z(x)=m(x)+R(x)

(3)

其中，Z(x)為成礦能，m(x)為背景值，R(x)為異常值。

如圖2，通過(guò)投放大批區(qū)域性實(shí)測(cè)的成礦元素含量或礦化能量值，形成一條有高值也有低值的不規(guī)則曲線Z(x)。如果在研究中我們把背景值m(x)看成是一個(gè)常數(shù)，m(x)=K， 從地球化學(xué)意義上K是成礦元素在調(diào)查區(qū)內(nèi)的背景值，運(yùn)用傳統(tǒng)方法即背景值加二倍均方差來(lái)勾繪異常，則一級(jí)異常就在最大值Zmax(x)(即線段①)處。通過(guò)投放大批區(qū)域性致礦元素含量獲得礦化能量值，其可形成一條既有高值又有低值的不規(guī)則曲線Z(x)[15]。在點(diǎn)x0處Z(x0)

圖2 成礦能與元素含量背景值和異常值關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic relation of ore-forming energy to background and abnormal value注：Z(x)—元素成礦能；R(x)—異常值；m(x)—背景值。

本次研究通過(guò)不同的信息提取方法，獲取派因·克里克礦區(qū)不同層次的致礦異常信息，并在此基礎(chǔ)上嘗試探索基于地質(zhì)異常的多尺度聚焦找礦方法的實(shí)際應(yīng)用。筆者采用航放U、Th、K數(shù)據(jù)，通過(guò)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和多重濾波方法分析處理，研究成礦元素的區(qū)域地質(zhì)背景，獲取與礦化有關(guān)的深層次礦化異常信息。具體的技術(shù)路線如下(圖3)。

3.3 航放U、Th、K成礦能及其成礦能梯度計(jì)算

由于U、Th和K在地殼中的平均豐度分別為2.6×10-6、10×10-6和1%，因此Th與U的平均比值約為4。在自然界中，Th僅有一種氧化價(jià)態(tài)，即Th4+，而鈾則以U4+和U6+兩種價(jià)態(tài)形式存在。在還原環(huán)境中，鈾釷均以四價(jià)狀態(tài)存在，且離子半徑相似，因此它們常以類(lèi)質(zhì)同象形式在礦物中共生，也不易于遷移。鈾易于在還原環(huán)境中沉積，在地表風(fēng)化或氧化環(huán)境下，四價(jià)鈾離子通常易被氧化并形成鈾酰礦物，鈾酰礦物又具有異常高的溶解度，鈾酰離子具有很強(qiáng)的遷移能力，容易遷移或流失，如在氧化的紅層沉積物中鈾含量通常不足1×10-6。

然而，在地表風(fēng)化或氧化環(huán)境下，釷(四價(jià))的化合物卻難溶于水，含釷礦物相當(dāng)穩(wěn)定，主要以碎屑物形成搬運(yùn)，沉積地層和土壤中一般不產(chǎn)生分散和富集。

自然界中，鉀元素的絕大部分(90%～98%)被束縛在長(zhǎng)石、云母等礦物中。在地表風(fēng)化或氧化環(huán)境下，含鉀礦物(或鹽類(lèi))發(fā)生分解并使K離子易于遷移和流失。因此，在地表氧化條件下，U、Th、K三者的地球化學(xué)性質(zhì)差別明顯，從而導(dǎo)致它們?cè)诘厍蚧瘜W(xué)過(guò)程中相互分離。它們?cè)诘乇硌趸h(huán)境下的這種地球化學(xué)差異，是深入挖掘U、Th、K元素信息的地球化學(xué)基礎(chǔ)。

已有的U、Th、K數(shù)據(jù)由于其投影坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，故將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一在WGS_1984_UTM_Zone_53投影坐標(biāo)系統(tǒng)下，使用ArcGIS軟件操作，具體步驟如下：

(1)通過(guò)ERDAS建模，將U、Th、K的數(shù)據(jù)處理到0至均值+3倍方差范圍內(nèi)(表2)，并將背景值統(tǒng)一賦為-1。

(2)設(shè)立基于單位體積礦石(暈)上成礦能消耗(En)的計(jì)算公式：

圖3 派因·克里克鈾礦區(qū)綜合成礦信息預(yù)測(cè)技術(shù)路線流程圖Fig.3 Technical flowchart of comprehensive prognosis for uranium metallization in Pine Creek

(3)求出克拉克濃度值K。已知柵格影像的像元大小為221m，分析提取出與鈾成礦有關(guān)的地質(zhì)體單元面積，進(jìn)行濾波窗口的選擇，最后選擇了41×41的濾波窗口，即為元素背景值(或降噪點(diǎn))。將原始U、Th、K數(shù)據(jù)做一個(gè)5×5的低通濾波。K值即為：

(4)由K值求出成礦能E。

(6)分析U、Th、K單元素的成礦能和成礦能梯度?？紤]到成礦作用并非單元素作用，本文通過(guò)元素含量×原子量進(jìn)行U、Th、K的組合分析，主要分為U、Th、K組合和U、Th組合，即成礦元素(U×238+Th×232)-(K×39)和(U×238+Th×232)進(jìn)行成礦能和成礦梯度運(yùn)算。

(7)由于航空伽瑪能譜測(cè)量所提供的U、Th、K放射性參數(shù)之間通常存在著明顯的相關(guān)性，從而掩蓋了一些有用的信息。F.L.Pirkle(1980)提出主成分分析方法，能較好地識(shí)別有利于鈾礦沉積的環(huán)境，故本文通過(guò)對(duì)U、Th、K進(jìn)行主成分分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該地區(qū)航放數(shù)據(jù)的去相關(guān)性，提取異常地球物理信息。

在進(jìn)行成礦能和成礦能梯度處理時(shí)，影像數(shù)據(jù)存在極大值，故通過(guò)μ+3δ和對(duì)數(shù)(log)運(yùn)算進(jìn)行去極大值處理，最后得到成礦能和成礦能梯度影像，并據(jù)此模式對(duì)每個(gè)影像進(jìn)行相應(yīng)的地質(zhì)解釋。

通過(guò)對(duì)U、Th、K各個(gè)元素進(jìn)行主成分分析，得到3個(gè)主分量，其特征向量如下(表3)：

表2 航放數(shù)據(jù)分析及計(jì)算處理結(jié)果

表3 U、Th、K主成分特征向量表

由特征向量(表3)可知，第1主分量與Th元素的相關(guān)關(guān)系最大，與U、K相關(guān)關(guān)性依次遞減，但都是顯著性的正相關(guān)關(guān)系，故其能較好擬合各元素的變化趨勢(shì)。第2主分量U、K呈負(fù)相關(guān)，且U的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較高，Th、K的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較低，其主要反映了區(qū)域內(nèi)鈾含量的變化趨勢(shì)。尤其是U和Th呈相反的變化趨勢(shì)，可以解釋為指示活動(dòng)性較大的鈾元素的表生富集或貧化特點(diǎn)。第3主分量U、Th負(fù)相關(guān)，K呈正相關(guān)，且K的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值較高，能很好的反映K含量的變化趨勢(shì)。

由于成礦能反映元素富集到現(xiàn)有程度能量增加或減少的相對(duì)值，其實(shí)質(zhì)是成礦元素U、Th增加和成巖元素K減少的過(guò)程。故通過(guò)主成分分析的方法，可以很好的還原成礦作用過(guò)程中元素含量的變化。通過(guò)上述公式對(duì)這3個(gè)主分量的成礦能和成礦能梯度進(jìn)行計(jì)算并成圖(圖4)如下：

4 結(jié)果討論

(1)不整合面型鈾礦床主要分布于PC1計(jì)算出的E高值場(chǎng)和偏高值場(chǎng)的邊緣，有少數(shù)分布于偏高值場(chǎng)與低值場(chǎng)的過(guò)渡帶上。

(2)存在一NNW向條帶狀的、由PC2計(jì)算出的E超低值場(chǎng)，不整合面型鈾礦床主要分布于與PC2相關(guān)的E低值場(chǎng)，有少數(shù)分布于偏高值場(chǎng)與低值場(chǎng)的過(guò)渡帶上。

(3)由PC3計(jì)算的成礦能，表現(xiàn)出明顯的高-中-低分帶性；鈾礦床主要分布于成礦能內(nèi)低外高、差值明顯的“漏斗”型區(qū)域(圖4)，其表明成礦過(guò)程是U、Th分離的過(guò)程。

圖4 派因·克里克鈾礦區(qū)局部航放U、Th、K成礦能綜合分析圖Fig.4 Comprehensive ore-forming energy map of airborne U, Th, K in part of Pine Creek area1—Nourlangie(努爾蘭吉)片巖；2—Cahill(卡希爾)建造；3—Nanambu(納納姆布)混雜巖；4—分帶線；5—E值高場(chǎng)區(qū)(1)；6—E值低場(chǎng)區(qū)(-90)；7—鈾礦床、礦點(diǎn)；8—地名。

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(，Continuedonpage43)(，Continuedfrompage18)

Analysis of Ore-forming Energy of Pine Creek Uranium Metallogenic Area, Australia

HE Ting, LIN Zi-yu

(EastChinaInstituteofTechnology,Fuzhou,Jiangxi344000,China)

Ore-forming energy theory was used to studied unconformity-type uranium deposits in Pine Creek of north Australia.Airborne U,Th,K data and geochemical information was combined with the concentration of clark value K to calculate the ore-forming energy and gradiant. The study result indicate that the uranium deposits are mainly located in the transition part of low and high ore-forming energy and the filter area of energy difference.

ore-forming energy；airborne data；concentration Clarke values；uranium deposit

10.3969/j.issn.1000-658.2015.01.002

東華理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào)：DYCA13015)。

2014-05-28 [改回日期]2014-06-12

賀 婷(1990—)，女，在讀碩士研究生，地質(zhì)工程GIS應(yīng)用專(zhuān)業(yè)。E-mail：ht1072771698@163.com

1000-0658(2015)01-0012-07

P575.6,P611.5

A