相山鈾礦田物化探找礦模式研究

程紀星，劉祜，李必紅，吳國東，陳聰，張濡亮

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029）

相山火山盆地作為中國最大的火山巖型鈾礦田已經(jīng)勘探開發(fā)六十余年，期間開展了航磁、航放、地面伽馬能譜、氡及其子體、重力、高精度磁法、音頻大地電磁法（AMT）、可控源音頻大地電磁法（CSAMT）、大地電磁法（MT）、地電化學、分量化探等多種物化探勘探方法的應用［1-12］。從以往各物化探方法的應用看，除航空物探和重磁方法對全盆地進行了1：5萬比例尺面積性測量工作外，其他物化探工作大多以已知礦床和重點地區(qū)的物化探剖面測量或小范圍面積測量為主，總體上沒有系統(tǒng)地對相山鈾礦田物化探異常特征及找礦模式進行過研究。

2014—2016年期間，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院針對相山火山盆地實施了1：5萬物化探勘查工作，其中應用的物化探方法主要包括高精度磁法、AMT、土壤氡氣測量、伽馬能譜測量、土壤地球化學測量等。加之前人完成的1：5萬重力測量工作［13］，系統(tǒng)建立了相山火山盆地1：5萬物化探數(shù)據(jù)庫，繪制形成相山火山盆地物化探異常圖。本文在此成果基礎上，系統(tǒng)歸納總結(jié)了相山鈾礦田鈾礦床（體）上的物化探異常特征，建立了異常模型及相應找礦模式，希望能夠為相山地區(qū)的鈾成礦預測，特別是靶區(qū)優(yōu)選提供技術支撐，為相山地區(qū)物化探勘查方法的找礦應用提供指導。

1 研究區(qū)概況[14-19]

1）自然地理

相山火山盆地位于中國江西省中部，屬中低山區(qū)，大部分地區(qū)海拔高度500～800 m，最高峰為相山，其海拔約1 200 m。

2）地層結(jié)構(gòu)

相山火山盆地總體上為三層結(jié)構(gòu)，基底主要為中元古界，部分為下石炭統(tǒng)、上三疊統(tǒng)；基底之上為下白堊統(tǒng)火山巖；盆地北西側(cè)火山巖之上為上白堊統(tǒng)紅層覆蓋。其中，中元古界變質(zhì)巖多為中低變質(zhì)程度，巖性以千枚巖、片巖為主，局部見深層變質(zhì)變形的糜棱巖和熱變質(zhì)作用的角巖；下石炭統(tǒng)為石英砂巖，上三疊統(tǒng)為含燧石石英砂巖夾碳質(zhì)頁巖。下白堊統(tǒng)火山巖經(jīng)歷了Ⅰ、Ⅱ兩個火山亞旋回，形成了下部打鼓頂組和上部鵝湖嶺組火山巖，打鼓頂組主要為溢流相的流紋英安巖，鵝湖嶺組主要為侵出相的碎斑流紋巖及花崗斑巖。上白堊統(tǒng)紅層主要為紅色砂巖和砂礫巖，與火山巖系呈不整合接觸。

3）鈾礦床特征

相山鈾礦田的鈾礦床主要分布在相山火山盆地內(nèi)，多產(chǎn)在酸性火山巖和花崗巖類巖石中，在外圍的變質(zhì)巖和砂體中也有鈾礦體產(chǎn)出。其中，北部的鈾礦化主要受推覆體構(gòu)造、區(qū)域斷裂、次火山巖體、火山巖系中的層間界面和與基底的不整合面等因素聯(lián)合控制；西部的鈾礦化主要受區(qū)域斷裂和火山塌陷構(gòu)造控制，在塌陷構(gòu)造旁側(cè)產(chǎn)生的裙邊褶皺、拖曳褶曲和層間破碎帶是深部富礦體的主要賦存部位，主要含礦主巖為碎斑流紋巖及流紋英安巖，礦化類型屬密集裂隙帶型。

2 已知礦床物化探異常特征

以往已知礦床物化探異常特征的建立以典型剖面分析為主，本次研究除開展已知礦床典型剖面分析外，還歸納總結(jié)了礦床在平面上的規(guī)律特征，分析了礦體平面投影處的物化探異常特征，進而對相山鈾礦田的物化探異常特征進行了全面系統(tǒng)地總結(jié)。

2.1 已知鈾礦床物化探異常剖面特征

為了研究已知鈾礦床上的物化探異常剖面特征，在相山鈾礦田西部的居隆庵礦床上部署了試驗剖面，剖面東西方向，長度1 600 m，測量點距20 m，開展的物化探測量方法包括AMT、高精度磁法、土壤氡氣測量、伽馬能譜測量、土壤地球化學測量等。據(jù)鉆孔揭露（圖1），該剖面基底為云母石英片巖，呈西淺東深，深度變化較大；基底之上為打鼓頂組，厚度變化較大，主要受下段流紋英安巖影響；上部火山巖主要為鵝湖嶺組上段碎斑流紋巖，厚度較大，一般大于500 m，表現(xiàn)為西薄東厚。此外，剖面上揭露到4條構(gòu)造，3條東傾，1條西傾，傾角均較大。鈾礦體位于鵝湖嶺組與打鼓頂組界面附近，且主要在鵝湖嶺組上段碎斑流紋巖內(nèi)。

圖1 居隆庵礦床試驗剖面地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of strata structure of the test profile in Julong’an deposit

1）電性異常特征

由試驗剖面AMT反演結(jié)果看（圖2），雖然電阻率整體上表現(xiàn)為“高阻”特征，一般大于1 000 Ω·m，但在垂向上還是呈現(xiàn)出相對的“低-高-低”電性特征。依據(jù)剖面地層結(jié)構(gòu)，深部的“低阻”異常主要反映的是打鼓頂組和基底；鵝湖嶺組上段碎斑流紋巖表現(xiàn)為“高阻”異常特征，淺部“低阻”異常則是由于構(gòu)造破碎、氧化及風化作用產(chǎn)生，而不是巖性變化反映。此外，F(xiàn)21構(gòu)造由于破碎帶發(fā)育，在淺部表現(xiàn)出明顯的“低阻”異常，深部則表現(xiàn)為電阻率等值線的陡變及密集分布；F7構(gòu)造在電性特征上變化明顯，表現(xiàn)為電阻率等值線的間斷變化或陡變；F18和F13構(gòu)造僅在淺部表現(xiàn)出局部的電性差異，電阻率等值線呈間斷變化，而深部電性差異則不明顯，推斷破碎帶不發(fā)育。礦體主要位于由“高阻”向“低阻”過渡的區(qū)域，且相對偏“低阻”異常內(nèi)，而且該區(qū)域附近的電阻率等值線有明顯的陡變現(xiàn)象。電阻率的這種變化特征就是已知鈾礦床在剖面上表現(xiàn)出的垂向與橫向上的電性異常特征。

圖2 居隆庵礦床試驗剖面AMT反演電阻率斷面圖Fig.2 Resistivity cross-section from AMT data inversion of the test profile in Julong’an deposit

2）磁異常特征

由試驗剖面上的磁測結(jié)果看（圖3），磁場總體上呈跳躍式變化，一般變化小于50 nT，但有3處變化大于100 nT，分別位于剖面100～160 m、400～480 m、1 180～1 280 m處，此外由西向東磁場有逐漸變大的趨勢。其中，磁場的跳躍變化是因火山巖的巖性不均一導致，特別是碎斑流紋巖內(nèi)暗色礦物含量的變化是產(chǎn)生磁場跳躍變化的主因；3處磁異常推斷由構(gòu)造產(chǎn)生，400～480 m和1 180～1 280 m處構(gòu)造向東傾，100～160 m處構(gòu)造向西傾，且規(guī)模較大；磁場由西向東呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，這是由于火山巖厚度增大的原因，特別是碎斑流紋巖的厚度增加所致，因為相山地區(qū)的磁性體主要是碎斑流紋巖［20］。對比鉆探剖面可見，鈾礦體上方?jīng)]有特殊或具有標志性的磁異常，但其附近的構(gòu)造通常會有明顯的異常反映。

圖3 居隆庵礦床試驗剖面磁異常曲線Fig.3 Magnetic anomaly curve of the test profile in Julong’an deposit

3）放射性異常特征

由試驗剖面上的伽馬能譜和土壤氡氣測量結(jié)果看（圖4），剖面上存在多處氡濃度異常，如140、380、640、840、960、1 380、1 500 m等附近處，并且鈾礦體上方明顯存在高氡異常。在測量的伽馬能譜鈾（U）、釷（Th）、鉀（K）含量中，Th含量明顯整體偏高于U的含量，但Th的含量變化不大，剖面上沒有明顯的異常；K含量整體上非常低，一般小于5%，剖面上也未見任何的異常變化；U含量雖然也整體偏低，但剖面上還是存在著一定的變化，如剖面西側(cè)0～500 m范圍U含量略有偏高，在剖面1 200 m和1 500 m附近處存在高值異常。對比圖1可見，鈾礦體上方明顯存在氡濃度異常，而伽馬能譜中僅U含量的變化與鈾礦體存在一定的對應關系，表現(xiàn)為剖面東側(cè)礦體上方U含量的高值異常。所以，已知鈾礦床在剖面上的標志性放射性異常特征就是高氡異常。

圖4 居隆庵礦床試驗剖面放射性異常曲線Fig.4 Radioactive anomaly curve of the test profile in Julong’an deposit

4）地球化學元素特征

從試驗剖面上分析的U、Th、鋰（Li）、鋅（Zn）、鉬（Mo）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鈷（Co）、鎳（Ni）、銅（Cu）等10種地球化學元素含量變化看，Zn、Cr、Co、Ni、Cu等元素變化均不明顯；U元素含量雖然整體偏低，但相對變化明顯，在剖面上表現(xiàn)出多處的異常變化，如剖面460～560、840～960、1 300、1 520 m等（圖5）；Th元素總體變化平穩(wěn)，僅在剖面800～1 020 m范圍略有偏高；Li元素含量相對較高，異常變化也明顯，在剖面280～480、1 020 m處呈現(xiàn)出高值異常；Mo元素含量整體偏低，但在剖面1 020 m處明顯存在一個高值異常；Pb元素異常特征明顯，表現(xiàn)為剖面960、1 280～1 340、1 540 m處的高值異常。對比鉆探揭露的鈾礦體位置可知，剖面1 500～1 600 m范圍鈾礦體上方Pb元素異常明顯，U元素略有微弱異常顯示；剖面700～900 m范圍鈾礦體上方無明顯具有標志性的地球化學元素異常，但在其旁側(cè)存在U、Th、Mo、Pb、Li等地球化學元素的組合異常。所以，已知鈾礦床在剖面上的地球化學元素異常特征是具有U、Th、Mo、Pb、Li等地球化學元素的組合異常，該異常具有指示作用，但不能作為設計鉆探工程的依據(jù)，因為異常位置與礦體并非完全對應。

圖5 居隆庵礦床試驗剖面土壤地球化學U、Th、Li、Mo、Pb元素含量變化曲線Fig.5 Variation curve of soil geochemical content of U，Th，Mo，Li and Pb along the test profile in Julong’an deposit

2.2 已知鈾礦床物化探異常平面特征

為了系統(tǒng)研究已知礦床的物化探異常特征，除開展上述已知礦床剖面方法試驗外，還對比研究了相山火山盆地內(nèi)主要鈾礦體平面投影處的物化探異常特征，包括重力異常、磁異常、放射性異常、地球化學元素異常等，各異常特征表現(xiàn)如下：

1）重力異常特征

由圖6可見，相山火山盆地鈾礦床在重力場上的最顯著平面特征是絕大多數(shù)鈾礦均分布在重力梯度帶附近，且多位于重力低值一側(cè)。重力梯度帶的變化一方面反映了深大構(gòu)造，另一方面也是密度界面發(fā)生陡變的反映，因為相山地區(qū)的密度界面變化主要指的是基底深度變化，所以重力梯度帶的陡變表明兩側(cè)基底深度有較大變化。此外，相山火山盆地北部鈾礦床基本分布于重力高場的相對低值區(qū)內(nèi)，這是由于盆地北部基底變質(zhì)巖出露，所以重力場在盆地北部的局部變化主要受變質(zhì)巖內(nèi)花崗斑巖分布影響，而花崗斑巖是該區(qū)鈾成礦的重要控礦要素，這就意味著有礦的地方就可能有花崗斑巖，而花崗斑巖的存在就會產(chǎn)生局部的重力場變化，從而使得礦床在重力場上表現(xiàn)出高場中的相對低值異常特征。

圖6 相山火山盆地布格重力異常與鈾礦體平面投影圖Fig.6 Bouguer gravity anomaly and plane projection of uranium ore bodies in Xiangshan volcanic basin

2）磁異常特征

由圖7可見，相山火山盆地鈾礦床在磁異常上的平面特征是大多數(shù)鈾礦分布于磁異常的高場或者相對高場中，如盆地東部礦體明顯位于磁高場內(nèi)、盆地西部大多數(shù)礦體位于磁高場或者相對高場中、盆地北部礦體也主要位于磁場的相對高場中。因相山地區(qū)磁場的強弱主要由火山巖的厚度變化決定，所以一般情況下磁場強度越大，則表示火山巖厚度越大，而局部地段磁場的相對高值變化可能是由碎斑流紋巖中暗色礦物含量的增加產(chǎn)生，對于北部變質(zhì)巖區(qū)內(nèi)的磁高場變化，則是由不同變質(zhì)巖巖性變化導致。

圖7 相山火山盆地化極磁異常等值圖Fig.7 Contour map of magnetic reduction to pole anomaly in Xiangshan volcanic basin

3）放射性異常特征

由相山火山盆地放射性異常與鈾礦床的分布特征看［21］，礦體基本位于Rn的高場、次高場和相對高場內(nèi)，大多數(shù)礦體位于Rn異常內(nèi)，表現(xiàn)出明顯的Rn高值異常特征；礦體對應于伽馬能譜U含量的高場和次高場，基本上位于U的異常內(nèi)；大多數(shù)礦體對應于伽馬能譜Th含量的高場和次高場，位于Th的異常內(nèi)，僅盆地北部部分礦體對應于Th的局部相對高場；盆地西部和東部的礦體明顯對應于伽馬能譜K含量的高場和次高場，位于K的異常內(nèi)，在盆地北部雖然大多數(shù)礦體對應于K的高場或者相對高場，但還是有較多礦體未包含在伽馬能譜K異常內(nèi)?？傮w上看，相山火山盆地鈾礦床在平面上具有明顯的放射性異常特征，礦體主要分布在土壤氡濃度的高值異常區(qū)和伽馬能譜U、Th、K含量的高值異常區(qū)內(nèi)。

4）地球化學元素特征

從相山盆地U、Th、Li、Zn、Mo、Pb、Cr、Co、Ni、Cu等10種 地 球化 學 元 素 含 量變 化 看，Co、Cr、Cu、Ni、Zn等元素的高場主要集中分布在盆地的外圍，即在盆地周邊基底變質(zhì)巖中較為富集，而在火成巖中相對虧損，如圖8所示的以Zn元素為代表的異常分布特征，這些元素的分布與礦體關系不密切，是不同巖性元素背景含量差異的反映；Li、Pb元素在盆地內(nèi)外均存在異常，但與礦體無明顯對應規(guī)律；Th元素分布特點是盆地內(nèi)火山巖覆蓋區(qū)整體偏高，除盆地北部礦體位于相對高場外，大多數(shù)礦體均位于Th元素的高場中；U、Mo元素含量雖然整體偏低，但礦體大多仍對應于其高場和次高場，位于異常區(qū)內(nèi)（圖9、10）。所以，相山火山盆地鈾礦床在平面上的地球化學元素特征是具有高U、Mo、Th的地球化學元素組合特征。

圖8 相山火山盆地土壤Zn含量等值圖Fig.8 Contour map of soil Zn element content in Xiangshan volcanic basin

圖9 相山火山盆地土壤U含量等值圖Fig.9 Contour map of soil U element content in Xiangshan volcanic basin

圖10 相山火山盆地土壤Mo含量等值圖Fig.10 Contour map of soil Mo element content in Xiangshan volcanic basin

3 相山鈾礦床物化探異常模型及找礦模式

3.1 相山鈾礦床物化探異常模型

綜合上述已知鈾礦床的剖面和平面物化探異常特征認為，雖然有些物化探異常在剖面上規(guī)律性不明顯，如磁異常、伽馬能譜U、Th、K異常，但如果從全盆尺度上看，這些異常在平面上還是存在著明顯的規(guī)律特征。由此，基于剖面上的物化探異常特征，從全盆尺度歸納總結(jié)出的相山鈾礦床物化探異常特征為：

①鈾礦床上方一般存在高氡異常、伽馬能譜U、Th、K等放射性高場，U、Th、Mo等地球化學元素高場，磁場的高值異?；蚓植康奶S異常；

②礦床所處位置一般是重力場陡然變化的部位，即重力梯度帶附近；

③鈾礦體一般位于由“高阻”向“低阻”過渡的偏“低阻”異常內(nèi)，且其附近的電阻率等值線呈現(xiàn)出明顯的陡變現(xiàn)象。

基于以上特征，建立了如圖11所示的相山火山盆地鈾礦床物化探異常模型。雖然該模型是基于相山火山盆地西部居隆庵礦床構(gòu)建，但也同樣適用于盆地內(nèi)其他礦床，只是需要根據(jù)相應礦床的成礦環(huán)境特征修改下部的地質(zhì)模型。

圖11 相山鈾礦床物化探異常模型示意圖Fig.11 Schematic map of geophysical and geochemical anomaly model of Xiangshan uranium deposit

3.2 相山鈾礦田物化探找礦模式

由上述分析可知，相山鈾礦床不論是在平面上還是在剖面上均存在著明顯的物化探異常，這些異常的規(guī)律特征為物化探勘查技術方法的應用提供了依據(jù)。從成礦預測角度，可以利用物化探異常的平面規(guī)律特征，篩選成礦遠景區(qū)，輔助決策重點勘查區(qū)范圍；從重點勘查區(qū)鉆探工程部署角度，可以利用物化探異常的剖面規(guī)律特征，圈定重點勘查靶區(qū)，輔助鉆孔設計?；诖四繕耍Y(jié)合相山鈾礦床的物化探異常模型，建立了相山鈾礦田“三高二陡一低”物化探找礦模式。其中，三高是指高放射性異常、高地球化學元素異常和高磁異常，二陡是指電阻率異常陡變和重力異常陡變，一低是指低阻異常。具體含義為：

①高放射性異常：即具有高氡濃度，高伽馬能譜U、Th、K含量的放射性異常特征；

②高地球化學元素異常：即具有高土壤地球化學元素U、Th、Mo異常的地球化學元素組合異常特征；

③高磁異常：即具有偏高磁的異常特征；④重力異常陡變：即重力場上具有陡然變化的特征，多表現(xiàn)為重力梯度帶；

⑤電阻率異常陡變：即電性上具有陡然變化的特征，表現(xiàn)為電阻率等值線的梯度變化或方向轉(zhuǎn)變；

⑥低阻異常：即電性上具有低電阻率特征。

3.3 找礦模式的地質(zhì)意義

上述建立的物化探找礦模式并不是簡單的物化探異常的表象，而是具有實際地質(zhì)意義的。鈾礦床上方存在高放射性異常是由于深部的鈾及其衰變子體等放射性元素通過斷裂構(gòu)造及裂隙遷移至淺表，從而引起地表的放射性異常。高地球化學元素異常是鈾成礦作用引起的原生暈異常在風化過程中形成了土壤次生分散暈異常，或是近地表鈾礦化及蝕變的直接反映。高磁異常說明礦床處的火山巖蓋層厚度相對大，代表火山活動前為負地形特征，是構(gòu)造或者裂隙密集地段。而礦床常位于重力場的陡變部位，一方面意味著存在深大斷裂構(gòu)造，而深大斷裂導通了深部熱液，含鈾熱液才能夠沿斷裂上升至一定部位成礦；另一方面，重力場陡變代表的是基底隆凹變化，是基底塌陷部位，也是易于富集成礦的地方。礦體處呈現(xiàn)低電阻率，且附近電阻率有陡變現(xiàn)象，這主要與局部的裂隙構(gòu)造和蝕變有關，因為礦體處即意味著相應部位存在蝕變或者構(gòu)造，那么根據(jù)巖石物性特征知其電阻率一定降低；而電阻率的陡變處意味著是完整巖石與蝕變或者破碎巖石的分界處，抑或是不同巖性之間的接觸界面，都是成礦有利部位。

4 結(jié)論

本文通過對相山鈾礦田已知礦床在剖面和平面上的物化探異常特征分析，取得了如下成果認識：

1）從礦床尺度的剖面上看，礦體上方或附近一般存在氡異常，土壤地球化學U、Th、Mo、Li、Pb等元素的組合異常；礦體通常位于由“高阻”向“低阻”過渡的偏“低阻”異常內(nèi)，且礦體附近的電阻率等值線多有陡變現(xiàn)象。

2）從礦田尺度的平面上看，礦床上方一般存在高氡異常、伽馬能譜U、Th、K等放射性高場，U、Th、Mo等地球化學元素高場，磁場的高值異常；礦床主要分布在重力場的梯度帶附近。

3）構(gòu)建了以重力、磁、電阻率、放射性、地球化學元素等為異常特征的相山鈾礦床物化探異常模型。

4）建立了相山鈾礦田高放射性異常、高地球化學元素異常、高磁異常、電阻率異常陡變、重力異常陡變及低阻異常為異常特征的“三高二陡一低”物化探找礦模式。