松遼盆地西南部寶龍山鈾礦三維地質(zhì)建模

耿英英，劉章月，2，黃少華，何中波

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083）

鈾資源是我國核工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)原料，也是我國不可或缺的戰(zhàn)略資源［1-3］。新時代對鈾資源安全的保障工作，在充分利用海外資源的同時，首先要立足國內(nèi)，加大勘查力度，增強資源儲備。我國鈾資源較為豐富，礦床類型多樣，目前已查明的鈾資源主要以砂巖型、花崗巖型、火山巖型和碳硅泥巖型為主。已探明的砂巖型鈾礦有50余個，主要分布在北方沉積盆地［4-5］，砂巖型鈾礦數(shù)量占鈾礦床總數(shù)的14.5%，但其資源量則占總探明資源量的43.1%。

典型的砂巖型鈾礦床成因模式為層間氧化帶型，可以描述為：來源于蝕源區(qū)的含氧含鈾氧化水流經(jīng)盆地中的還原性砂體時，使砂體產(chǎn)生氧化，在氧化還原前鋒線處氧化態(tài)鈾被還原沉淀，形成礦體，礦體形態(tài)一般呈卷狀或不規(guī)則的卷曲狀，在空間位置上，一般產(chǎn)于盆地邊緣斜坡帶地下水“補-徑-排”體系中的徑流區(qū)。而寶龍山鈾礦床則明顯有別于典型層間氧化帶型鈾礦床，其是在盆地腹部隆起帶發(fā)育，形態(tài)主要呈板狀的砂巖型鈾礦床。該類形態(tài)的鈾礦床地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在勘探工作中難以觀察分析和控制砂體、層間氧化帶、氧化還原過渡帶、礦體的空間展布與位置等條件。三維建模技術(shù)能夠?qū)⒌叵碌刭|(zhì)構(gòu)造直觀地展示出來，便于研究人員更直接地了解地下復(fù)雜的地層、礦體展布及其空間特征，從而為進一步的成礦預(yù)測提供技術(shù)上的支持。

近年來，在IAEA 的支持下，國際鈾礦三維建模技術(shù)迅速發(fā)展，而我國鈾資源勘查技術(shù)還處于二維階段，三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)在鈾礦領(lǐng)域尚處于探索階段［6-10］。本文以松遼盆地寶龍山典型鈾礦床為研究對象，依托三維礦業(yè)工程軟件（3Dmine）和綜合地質(zhì)與儲層建模軟件平臺（GoCad），采用三維可視化地質(zhì)建模技術(shù)，開展多尺度三維綜合地質(zhì)建模，揭示了砂巖型鈾礦床的成礦環(huán)境和成礦地質(zhì)條件，為我國鈾資源定量預(yù)測評價工作提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和礦床地質(zhì)

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

松遼盆地是一個大型內(nèi)陸“斷-坳”雙層結(jié)構(gòu)的陸相盆地［11］，盆地內(nèi)多處發(fā)現(xiàn)鈾異常。作為勘查重點，前人已對位于盆地西南緣的開魯坳陷與西南隆起過渡部位的寶龍山礦區(qū)進行了詳細研究［12-17］。研究區(qū)包括烏蘭花凸起、錢家店凹陷和架瑪吐隆起3 個次級構(gòu)造單元（圖1 a）。主要發(fā)育3 組不同方向的斷裂，其中近東西向的西拉木倫河斷裂被后期NE、NNE 向斷裂錯位。這些晚期斷裂作為開魯坳陷的控盆構(gòu)造，控制了凹陷的空間展布形態(tài)。開魯坳陷呈現(xiàn)典型的“下斷-上坳”的結(jié)構(gòu)，錢家店凹陷位于開魯坳陷的東北部，為開魯坳陷內(nèi)的次級構(gòu)造單元，在空間上呈NNE-NE 向狹窄條帶狀展布。寶龍山鈾礦床位于錢家店凹陷北端［13］，錢家店凹陷出露地層自下而上依次為白堊統(tǒng)青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n）和第四系（Q）。其中姚家組為主要含礦層位，可分為上下兩段，下段為辮狀河道沉積環(huán)境，是主要賦礦層，巖性以中-細砂巖為主，含有少量粗砂巖及礫巖，常見泥巖透鏡體夾層。地層中發(fā)育的砂體為鈾成礦提供了良好的成礦環(huán)境。

1.2 礦床地質(zhì)

寶龍山鈾礦床為近年來在松遼盆地落實的一處中型可地浸砂巖型鈾礦床，位于松遼盆地西南緣錢家店凹陷北端、白興吐構(gòu)造天窗的東翼［11，13］（圖1 b）。賦礦層為姚家組下段，巖性為一套干旱氣候條件形成的辮狀河相雜色碎屑巖建造，其中下部氧化還原過渡帶內(nèi)的灰色砂巖是鈾礦化的直接儲層，工業(yè)鈾礦體均產(chǎn)于上、下兩層氧化帶之間的氧化還原過渡帶的灰色砂體中。

圖1 松遼盆地西南部大地構(gòu)造位置（a）及寶龍山鈾礦地質(zhì)圖（b）（據(jù)參考文獻［15］修改）Fig.1 Tectonic map of the southwestern Songliao Basin（a）and geological map of the Baolongshan uranium deposit（b）（modified from［15］）

晚白堊世嫩江運動后，構(gòu)造運動方式由張性轉(zhuǎn)為壓性、壓扭性，產(chǎn)生擠壓褶皺及斷裂（F1、F2、F3和F4），這一期構(gòu)造反轉(zhuǎn)使得斷裂的上盤由于擠壓、牽引作用，形成規(guī)模較大的背斜隆起，由于隆升過程中的張應(yīng)力和風(fēng)化剝蝕作用，造成地層剝蝕，以含礦層姚家組為代表的下部層位被長期剝露地表，形成白興吐剝蝕天窗構(gòu)造，構(gòu)造天窗呈NE向展布，長約17 km，寬約10 km，面積約170 km2。而同期及其派生的斷裂構(gòu)造切穿基底，溝通了深部流體，在礦區(qū)及周邊形成大量NE 向展布的呈巖枝（墻）狀穿插在姚家組中的輝綠巖體。前人獲得該區(qū)輝綠巖脈的年齡主要集中在45.8～53 Ma之間［18-19］，略早于寶龍山鈾礦區(qū)的主成礦階段（28～53 Ma）［20］，輝綠巖的侵入不僅會導(dǎo)致大量的還原性熱流體上升進入含礦砂體，為后生砂巖型鈾成礦的進行提供還原劑，本身亦可作為良好的滯水層，延長水-巖反應(yīng)時間，使大量的鈾聚集在灰色殘留砂體周邊沉淀富集［21-23］，形成架瑪吐古隆起西側(cè)長達十幾公里的鈾礦化帶。

2 多源數(shù)據(jù)預(yù)處理及三維建模流程

2.1 多源數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文采用法國NANCY 大學(xué)開發(fā)的綜合地質(zhì)與儲層建模軟件平臺（GoCad）進行三維可視化地質(zhì)建模。GoCad 是以工作流程為核心的新一代地質(zhì)建模軟件，實現(xiàn)了高水平的半智能化建模，具有功能強，界面友好，易學(xué)易用，并能在幾乎所有硬件平臺上（Sun，SGI，PC-Linux，PC-Windows）運行的特點［24-25］。離散平滑內(nèi)插方法（Discrete Smooth Interpolation，簡稱DSI）是GoCad 地質(zhì)建模軟件的核心技術(shù)，具有如自由選擇格網(wǎng)模型、自動調(diào)整格網(wǎng)模型、實時交互操作、能夠處理一些不確定的數(shù)據(jù)等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其在地質(zhì)建模和可視化中占有重要的地位［9］。

本次收集到的松遼盆地西南緣寶龍山鈾礦床主要資料包括：區(qū)域地質(zhì)圖、工程布置圖、鉆孔巖心資料、勘探線剖面圖以及其他相關(guān)的原始地質(zhì)資料。這些資料因來源單位不同、時間跨度大、規(guī)范不統(tǒng)一等原因，導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)具有多源、多尺度、多分辨率等特點，為了充分利用已有數(shù)據(jù)，需依照建模軟件所支持的格式，將原始數(shù)據(jù)進行規(guī)范化數(shù)據(jù)預(yù)處理，導(dǎo)入GoCad 綜合地質(zhì)與儲層建模軟件平臺，構(gòu)建綜合地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，針對不同控礦要素和數(shù)據(jù)情況，基于3S 技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維可視化技術(shù)和虛擬實現(xiàn)技術(shù)，構(gòu)建研究區(qū)鉆孔、構(gòu)造-地層、層間氧化帶、礦體等三維模型，實現(xiàn)各地質(zhì)體、構(gòu)造系統(tǒng)的三維空間展布。

2.2 建模流程

基于鉆孔數(shù)據(jù)和系列勘探線剖面的構(gòu)造-地層格架建模，可以采用層面建模和巖（礦）體建模相結(jié)合的方法［26-27］。這種方法即適合小比例尺、大范圍的區(qū)域三維地質(zhì)建模，也適用于大比例尺、鈾礦床的三維模型構(gòu)建。

建模流程如下：

首先，從鉆孔巖心資料內(nèi)提取鉆孔位置信息表和鉆孔屬性表等，鉆孔位置信息表用于存放鉆孔位置信息，包括定位表、測斜表，鉆孔屬性表包括地層表、巖性表、層間氧化帶表、礦體品位表等，將信息表按規(guī)范整理成表文件并導(dǎo)入GoCad 軟件內(nèi)，建立鉆孔數(shù)據(jù)庫，提取地層、巖性離散點；

第二，逐一從勘探線剖面圖內(nèi)提取地層、氧化還原過渡帶、礦體及斷層的輪廓線框，根據(jù)空間位置、幾何形態(tài)及鉆孔信息，對建模層面進行約束；

第三，根據(jù)氧化還原過渡帶、礦體及斷層等線框，依次在相鄰兩個輪廓線框之間構(gòu)建出實體三角網(wǎng)。若線框幾何形態(tài)差別過大，可在相鄰線框之間增加多條輔助線框；

第四，氧化還原過渡帶、礦體等閉合線框進行封閉處理，邊界線框進行外推封閉處理，形成一個封閉的空間，完成氧化還原過渡帶、礦體模型；

第五，在斷層等開放線之間構(gòu)建實體三角網(wǎng)，完成斷層面模型；

第六，對面模型的有效性和封閉性進行校驗，得到最終的面模型和實體模型（圖2）。

圖2 三維綜合地質(zhì)建模流程Fig.2 Flow chart of 3D integrated geological modeling

3 白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層三維重建

這是小比例尺的區(qū)域性概略三維構(gòu)造-地層-礦體格架建模，目的是通過分析和重建寶龍山礦區(qū)內(nèi)白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，揭示寶龍山鈾礦床的構(gòu)造環(huán)境和沉積環(huán)境，及其對鈾礦床的控制作用（圖3）。

圖3 白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造地質(zhì)剖面示意圖（據(jù)參考文獻［20］修改）Fig.3 Structural profile of the Baixingtu structural denudation window（modified from［20］）

松遼盆地白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層三維地質(zhì)模型顯示了嫩江運動使控盆斷裂再次活化，并發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，使礦區(qū)地層大幅度抬升，形成白興吐剝蝕天窗構(gòu)造和獨特的水文地質(zhì)環(huán)境，控制著層間氧化帶和鈾礦化的發(fā)育（圖4）。

圖4 白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層三維地質(zhì)模型Fig.4 Structural-stratigraphic 3D geological model of the Baixingtu structural denudation window

4 寶龍山鈾礦床三維建模及可視化

4.1 鉆孔模型

鉆孔巖心數(shù)據(jù)是三維地質(zhì)建模的重要資料，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為鉆孔位置信息表、鉆孔屬性表等［9，28］。鉆孔位置信息表用于存放鉆孔位置信息，包括定位表、測斜表，鉆孔屬性表包括地層表、巖性表、構(gòu)造表、礦體品位表、氧化蝕變表等，導(dǎo)入GoCad 軟件平臺，在后期對象建模中約束層面，保證建模質(zhì)量（圖5）。

圖5 寶龍山鈾礦床三維鉆孔模型Fig.5 3D drilling model of the Baolongshan uranium deposit

4.2 氧化還原過渡帶模型

礦區(qū)的氧化砂體總體呈NE-SW 向展布，可明顯地分為兩個獨立單元：一是受白興吐構(gòu)造剝蝕天窗控制的氧化砂體，向SW向延伸而向剝蝕天窗區(qū)呈減薄尖滅趨勢，表明層間氧化作用向天窗減弱；二是架瑪吐隆起控制的厚度薄的氧化性砂體，南起架瑪吐隆起，尖滅于反轉(zhuǎn)構(gòu)造軸部東側(cè)（圖6）。且區(qū)內(nèi)鈾礦床具有自身的成礦地質(zhì)特征［15］，即發(fā)育上下兩層紅色氧化帶，上厚（60～100 m）、下?。?0～20 m），礦體均呈平躺的板狀、層狀產(chǎn)于紅色氧化帶與灰色原生帶過渡部位——氧化還原過渡帶內(nèi)［11］，具有“兩紅夾一灰”的典型成礦特征。因此，該區(qū)三維地質(zhì)建模選擇氧化還原過渡帶作為控礦要素，構(gòu)建氧化還原過渡帶模型。由于氧化還原過渡帶的發(fā)育明顯受地層、砂體展布和架瑪吐隆起的控制，因而用層狀巖體來構(gòu)建氧化還原過渡帶模型（圖7）。

圖6 寶龍山鈾礦床氧化還原過渡帶與礦體展布平面圖（據(jù)參考文獻［29］修改）Fig.6 Redox transitional zone and orebody distribution map of the Baolongshan uranium deposit（modified from［29］）

圖7 寶龍山鈾礦床氧化還原過渡帶與礦體空間關(guān)系圖Fig.7 The spatial relation of the redox transitional zone to orebody of the Baolongshan uranium deposit

4.3 礦體模型

寶龍山鈾礦床在姚家組下段主要發(fā)育2 層礦體［30-31］，分別賦存于含礦層的下部（I 號礦層）和含礦層上部（II號礦層），其中I號礦層礦體長約4.2 km，寬100～500 m，埋深309～350 m，厚度1.10～24.75 m；II 號礦層礦體整體呈近NW向展布，長約180～1 200 m，寬100～200 m，埋深255～289 m。區(qū)內(nèi)鈾礦床形態(tài)簡單且差異較小，以板狀、餅狀，似層狀、透鏡狀為主，在實際建模流程中一般會對小型礦體進行合理歸并（圖8）。依據(jù)勘探線剖面圖提取的礦體線框，構(gòu)建礦體的實體模型能更直觀形象的展示礦體的產(chǎn)狀、空間形態(tài)及其與輝綠巖體等其他地質(zhì)實體之間的三維空間展布特征，為該類型鈾礦床的成礦預(yù)測提供依據(jù)（圖9）。

圖8 松遼盆地寶龍山鈾礦床33 號勘探線剖面示意圖（據(jù)參考文獻［30］修改）Fig.8 Schematic section of the exploration line 33 of the Baolongshan uranium deposit in Songliao Basin（modified from［30］）

圖9 寶龍山鈾礦體三維模型Fig.9 3D model of the ore body in Baolongshan uranium deposit

5 對成礦遠景的指示

構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層模型可以清晰直觀的展示剝蝕天窗、構(gòu)造及地層的空間分布特征，了解有利成礦層位的相應(yīng)位置及深度，結(jié)合成礦規(guī)律及有利于成礦的構(gòu)造部位，進而圈定成礦遠景區(qū)。氧化-還原過渡帶模型和礦體模型可以直觀地展示氧化-還原過渡帶的范圍及其與礦體之間的相互關(guān)系，根據(jù)礦體的三維展布情況、礦石品位及成礦預(yù)測模型，能夠為鈾資源的定量預(yù)測提供依據(jù)。根據(jù)寶龍山鈾礦床的三維地質(zhì)模型，依托三維可視化技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)背景和成礦規(guī)律，認(rèn)為該區(qū)沿構(gòu)造剝蝕天窗具有較好的找礦前景。

6 結(jié)論

本文以寶龍山鈾礦床為例，開展多尺度建模方法，對白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層和寶龍山鈾礦床進行三維地質(zhì)建模研究。不同的三維地質(zhì)模型具有不同的用途和不同的精細程度：小比例尺的白興吐構(gòu)造剝蝕天窗-構(gòu)造-地層三維地質(zhì)模型，概略的展示了寶龍山鈾礦區(qū)關(guān)鍵的控礦要素、鈾礦形成時的具體構(gòu)造和成礦環(huán)境；大比例尺的寶龍山鈾礦床三維地質(zhì)模型，展示了鈾礦床的結(jié)構(gòu)特征、礦體形態(tài)，以及氧化還原過渡帶與礦體的空間展布特征。這有助于更詳細的認(rèn)識寶龍山鈾礦床的成礦機制、控礦要素和分布規(guī)律，為寶龍山礦區(qū)砂巖型鈾礦的三維成礦預(yù)測提供技術(shù)支撐，同時還能夠為該類鈾礦床的深部預(yù)測提供參考。