基于重力資料的國家灣砂巖型鈾礦床成礦地質(zhì)條件研究

張偉盟，彭莉紅，程莎莎，孫棟華，駱燕，陳偉，劉彥濤

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002）

重力勘探是通過測量和研究因巖石密度差異而產(chǎn)生的重力場變化，以此來獲得地下空間結(jié)構(gòu)和地質(zhì)體分布狀態(tài)的一種地球物理勘查方法［1-2］。在重力勘探應(yīng)用的過程中，反演是地球物理特征解釋的關(guān)鍵和重點(diǎn)。隨著重力測量裝備精度和數(shù)據(jù)處理技術(shù)水平的提升，重力三維反演技術(shù)成為精細(xì)化查明地質(zhì)體在三維空間分布特征和規(guī)律的重要手段，為研究成礦地質(zhì)條件和深部找礦提供了參考［3］。近年來，越來越多的學(xué)者采用重力三維反演技術(shù)在大地構(gòu)造區(qū)劃、巖體圈定、基底埋深探測、地下空間可視化等多個(gè)領(lǐng)域開展了研究和應(yīng)用［4-8］。

目前，重力場資料在鈾資源勘查中應(yīng)用較少，尤其是產(chǎn)在中新生代沉積盆地的砂巖型鈾礦，重力資料通常無法作為直接的找礦信息進(jìn)行應(yīng)用，但重力場特征往往能有效地反映深部構(gòu)造和巖性差異，這對于砂巖型鈾成礦地質(zhì)條件研究具有重要意義［9-10］。鄂爾多斯盆地是我國重要的砂巖型鈾礦產(chǎn)地之一，同時(shí)蘊(yùn)含著十分豐富的石油、天然氣和煤炭等礦產(chǎn)資源［11-12］。在數(shù)十年的勘查實(shí)踐中，前人運(yùn)用多種勘查技術(shù)手段在盆地內(nèi)探明了十余個(gè)砂巖型鈾礦床及一大批鈾礦化異常點(diǎn)，對盆地內(nèi)的砂巖型鈾礦床進(jìn)行了鈾成礦地質(zhì)背景、成礦規(guī)律、成礦模式及時(shí)空分布特征等方面的研究［13］。國家灣鈾礦床位于鄂爾多斯盆地西南緣，礦床及周邊地區(qū)具有巨大的找礦潛力［14-15］。本文通過對收集到的國家灣及周邊地區(qū)的重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和反演處理，總結(jié)了國家灣地區(qū)的重力場特征，為探索重力資料在砂巖型鈾成礦地質(zhì)條件研究及深部找礦中的應(yīng)用提供了參考。

1 地質(zhì)及地球物理概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

國家灣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣，處于鄂爾多斯盆地次級構(gòu)造——西緣沖斷帶內(nèi)［14-15］。盆地的結(jié)晶基底為新太古界-古元古界中高級變質(zhì)巖系，直接基底由古生界海相沉積巖構(gòu)成。盆地蓋層主要為三疊系、侏羅系、下白堊統(tǒng)［16-17］。盆地基底呈“多隆多坳、隆坳相間”的構(gòu)造格局，構(gòu)造線展布主要為近SN 向和NE 向，基底構(gòu)造包括北部隆起區(qū)、西部坳陷區(qū)、中部隆起區(qū)、東部隆坳相間區(qū)和東南隆起區(qū)；蓋層構(gòu)造包括鄂爾多斯盆地的西緣沖斷構(gòu)造帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶和渭北隆起五個(gè)次級構(gòu)造單元和渭河盆地的北部斜坡區(qū)、南部坳陷區(qū)兩個(gè)次級構(gòu)造單元，各構(gòu)造單元均以深大斷裂相圍限［16，18］。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育SN 向斷裂、NE 向斷裂和近EW 向斷裂。地層出露較齊全，除太古宇、古元古界外，其余地層均有不同程度出露。巖漿巖主要出露于秦嶺山脈和六盤山脈［13，18］。

1.2 鈾成礦特征

國家灣鈾礦床為典型的層間氧化帶型鈾礦床（圖1）［14］。該礦床位于李家河NW-SE 向向斜南西翼。該向斜兩翼斷續(xù)出露古生界、三疊系和侏羅系，核部的下白堊統(tǒng)六盤山群構(gòu)成向斜的主體。向斜兩翼的斜坡是鈾礦化發(fā)育的有利部位，為層間氧化帶的形成提供了有利的補(bǔ)給、徑流、排泄條件［19］。國家灣礦床鈾礦化產(chǎn)在六盤山群上旋回的馬東山組。該組地層以河流相為主，厚200～240 m，其內(nèi)發(fā)育多層厚度不等的砂體，“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。秦祁昆造山系的元古宇和印支期中酸性侵入巖體為鈾礦化提供了鈾源［14，19］。國家灣礦床礦石中鈾的賦存形式以鈾礦物為主，主要為瀝青鈾礦，礦化與晚白堊世古含氧含鈾水層間氧化作用有關(guān)［14，19］。

圖1 國家灣地區(qū)地質(zhì)簡圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［19］修改）Fig.1 Geological sketch map of the Guojiawan area（modified after reference［19］）

1.3 巖石物性特征

通過對鄂爾多斯盆地西南緣各地層巖石密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，國家灣地區(qū)地層巖石密度從老到新呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，中生界巖石密度一般為2.32～2.56 g/cm3；古生界巖石密度一般為2.36～2.69 g/cm3；元古界巖石密度在2.66～2.85 g/cm3。巖體密度從基性到酸性同樣呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，酸性巖密度均值為2.63 g/cm3；中性巖密度均值為2.73 g/cm3；基性巖密度均值為2.80 g/cm3［19］。區(qū)內(nèi)地層密度變化基本遵循地層時(shí)代越老巖石密度越大的規(guī)律，反之地層時(shí)代越新巖石密度越小。

表1 國家灣地區(qū)巖石密度統(tǒng)計(jì)［19］Table 1 Statistics of rock density in the Guojiawan area[19]

2 重力異常特征與地質(zhì)推斷

2.1 剩余重力異常

剩余重力異常是布格重力異常經(jīng)過區(qū)域異常分離后的剩余部分，通常蘊(yùn)含著地層褶皺、局部隆凹、沉積盆地等地質(zhì)信息，對地下橫向分布的密度不均勻地質(zhì)體也有良好的反映［20-22］。

本文采用趨勢分析法對布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行位場分離，獲得了研究區(qū)的剩余布格重力異常數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2 所示。區(qū)內(nèi)剩余重力異常值在（-4.1～8.0）×10-5m/s2之間，異常幅值相差12.1×10-5m/s2，區(qū)內(nèi)異常整體表現(xiàn)為四周高、中間低的特點(diǎn)，變化較為寬緩。剩余重力異常形態(tài)顯示為環(huán)狀，長軸軸向?yàn)镹W 向。

剩余重力異常的不同形態(tài)反映了不同的地質(zhì)信息，環(huán)狀剩余重力異常的內(nèi)部或是邊部常常有鈾及多金屬礦床（點(diǎn)）的分布，對斷裂、褶皺等控礦地質(zhì)構(gòu)造有良好的反映［23］。向斜構(gòu)造是層間氧化帶型鈾礦床形成的有利成礦地質(zhì)條件，通過與地質(zhì)資料進(jìn)行對比，本區(qū)的重力低異常區(qū)域與區(qū)內(nèi)的李家河向斜具有空間上的對應(yīng)關(guān)系，環(huán)狀異常的形態(tài)較好地反映了李家河向斜的展布特點(diǎn)，重力梯級帶則是向斜斜坡帶的反映，在重力梯級帶梯度值變化較大的區(qū)域可能有NW 向斷裂的發(fā)育。國家灣鈾礦床位于重力梯度帶上，對應(yīng)李家河向斜翼部，向斜翼部的形成為層間氧化帶的形成提供了有利的“補(bǔ)-徑-排”條件，通常是鈾成礦發(fā)育的有利部位［19］。而且，根據(jù)鈾礦床（點(diǎn)）在區(qū)內(nèi)的分布情況，研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的鈾礦床（點(diǎn)）基本上都分布在環(huán)狀異常由高值向低值變化的過渡帶中。

2.2 剩余重力異常斜導(dǎo)數(shù)

對于相鄰地質(zhì)體引起的疊加異常，將重力異常轉(zhuǎn)換成其異常導(dǎo)數(shù)能更好地對異常進(jìn)行解釋和分類。重力異常斜導(dǎo)數(shù)是通過零值線及其附近的等值線劃分地質(zhì)體或地質(zhì)構(gòu)造的邊界位置，能突出由淺部小地質(zhì)體引起的異常，在判斷地質(zhì)體邊界上具有一定的優(yōu)越性。為突出地質(zhì)體邊界及構(gòu)造信息，有效獲取目標(biāo)地質(zhì)體形態(tài)特征，對本區(qū)的剩余重力異常求取了斜導(dǎo)數(shù)，繪制國家灣鈾礦床及周邊地區(qū)剩余重力異常斜導(dǎo)數(shù)圖（圖3）。結(jié)合國家灣地區(qū)的地質(zhì)資料，可以推斷本區(qū)斜導(dǎo)數(shù)零值線可能為中生界地層的邊界，空間位置上對應(yīng)李家河向斜的核部。國家灣鈾礦床則位于斜導(dǎo)數(shù)零值線附近，對應(yīng)李家河向斜翼部，與剩余重力異常圖（圖2）顯示的特征基本一致。

圖2 國家灣地區(qū)剩余重力異常圖Fig.2 Residual gravity anomaly in Guojiawan area

圖3 國家灣地區(qū)剩余重力異常斜導(dǎo)數(shù)圖Fig.3 Oblique derivative of residual gravity anomaly in Guojiawan area

3 三維重力反演研究與巖性空間分布推測

重力場場值的變化除了可能是地質(zhì)構(gòu)造引起外，還可能是由于地質(zhì)體物質(zhì)成分變化所致。測點(diǎn)的重力異常數(shù)據(jù)通過反演可以獲得該測點(diǎn)下一定范圍內(nèi)的密度體的空間分布信息，根據(jù)反演結(jié)果可以分為物性反演和形態(tài)反演，重力三維物性反演主要應(yīng)用于推斷地下密度體的空間分布。為了更直觀地顯示和探明研究區(qū)內(nèi)巖性空間分布，根據(jù)剩余重力數(shù)據(jù)及已知地質(zhì)資料對研究區(qū)進(jìn)行三維物性反演分析。

3.1 重力場源體的空間分布

本文基于空間導(dǎo)數(shù)約束的重力物性三維反演方法對研究區(qū)密度體分布進(jìn)行了反演，該方法能夠加入多種約束條件并可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的快速反演，本文在研究區(qū)的反演深度達(dá)3 km。對反演后不同數(shù)值的密度和深度在一定范圍內(nèi)進(jìn)行劃分，圖4 為1 200、0、-1 200 m 深度的反演成果切面圖。根據(jù)三維反演結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)反演密度值范圍大致為2.570～2.706 g/cm3，主要集中在2.665～2.675 g/cm3，密度分布整體表現(xiàn)為四周高、中間低，并隨深度增加顯示特征越來越明顯。

圖4 國家灣地區(qū)重力三維反演成果切片圖Fig.4 The density slices of the 3D residual gravity inversion in Guojiawan area

3.2 異常體圈定

對重力三維反演數(shù)據(jù)提取低密度值和高密度值數(shù)據(jù)，得到本區(qū)相對低密度值和高密度值分布圖（圖5），藍(lán)色為低密度值分布范圍（2.570～2.669 g/cm3），紅色為高密度值分布范圍（2.670～2.706 g/cm3）。低密度范圍主要集中在研究區(qū)中部區(qū)域，規(guī)模較大，在東北角、西北角、西南角有少量分布。根據(jù)本區(qū)的巖石密度特征，低密度區(qū)域推斷為中生界的反映［23］。其中，研究區(qū)中部面積最大的低密度區(qū)對應(yīng)李家河向斜的主體，地表出露的地層為下白堊統(tǒng)六盤山群，推測該區(qū)低密度為走向呈NW 向的向斜構(gòu)造引起。區(qū)內(nèi)的高密度范圍規(guī)模較小，主要集中在研究區(qū)推斷李家河向斜位置的兩側(cè)，高密度異?？赡苁窍蛐眱梢頂嗬m(xù)出露的古生界、三疊系和侏羅系引起，該區(qū)域是鈾礦化發(fā)育的有利部位。

圖5 國家灣地區(qū)不同密度體三維顯示圖Fig.5 The 3D presentation of the low density and high density distribution in Guojiawan area

三維重力反演的密度差異反映了李家河向斜主體及兩翼在平面的展布情況，前人研究表明，控制國家灣鈾礦床及外圍成礦的李家河向斜，為疊加在天環(huán)向斜西翼構(gòu)造斜坡帶之上的負(fù)向構(gòu)造［15］。該向斜是沿基底凹陷發(fā)育的礦前構(gòu)造，在白堊系形成之后，受西緣斷褶帶和渭北隆升擠壓的影響發(fā)生抬升和掀斜運(yùn)動(dòng)，形成向盆內(nèi)緩傾的寬緩向斜構(gòu)造［17，19］。這為含礦目的層的后生蝕變及鈾礦化形成提供了必要的構(gòu)造條件。在實(shí)際砂巖型鈾礦勘探過程中，構(gòu)造及含礦地層等有利成礦地質(zhì)條件的位置劃定具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

1）國家灣地區(qū)的重力異常特征整體表現(xiàn)為四周高、中間低。國家灣鈾礦床位于環(huán)狀重力異常由高值向低值過渡的位置及斜導(dǎo)數(shù)零值線附近，斜導(dǎo)數(shù)零值線的形態(tài)較好地與李家河向斜展布吻合，重力梯級帶是向斜斜坡帶的響應(yīng)。

2）環(huán)狀剩余重力異常和斜導(dǎo)數(shù)零值線是地質(zhì)構(gòu)造等成礦有利地質(zhì)條件的響應(yīng)，這些特征部位是砂巖型鈾礦找礦重點(diǎn)區(qū)域。

3）重力三維反演結(jié)果揭示李家河向斜核部及兩翼地層的位置，并依據(jù)密度差異推斷含礦地層及構(gòu)造范圍，后續(xù)可根據(jù)成礦有利地質(zhì)條件在平面上圈定勘探遠(yuǎn)景區(qū)。