基于数字模型的居隆庵铀矿床三维成矿预测

曹珂，朱鹏飞，王文杰，刘琳莹，白芸，孔维豪，李晓翠，孙璐，何紫兰

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

随着社会经济的不断发展，人类活动对矿产资源的依赖性日益加强，其中铀矿是最重要的战略资源之一，因此对铀矿床的勘探开发及找矿预测等工作显得尤其重要。我国与澳大利亚、俄罗斯等富铀矿国家相比，铀矿资源相对匮乏，造成这种局面的原因有：一是我国已发现的铀矿床较少，找矿勘查研究仍然薄弱；二是我国铀矿床资源赋矿条件相对较差，成矿条件较为复杂，控矿要素识别和分析难度较大，在找矿勘查中，对含矿地质体位置的预测和资源量估算不够精确。因此，在勘探新矿区的同时，对已开发矿床开展进一步详查工作，挖掘其深部找矿潜力，提高资源利用率，有利于改善我国铀矿资源现状［1-3］。目前随着矿产勘探研究的不断发展，矿产勘查技术逐步向三维空间进行转变。

居隆庵地区是江西相山铀矿田最重要的矿床聚集地之一。前人针对相山铀矿田的成矿地质背景、围岩、火山机构、矿化蚀变及成矿流体等方面开展了基础性研究工作，取得了大量的成果［4-12］。然而，上述工作主要集中在二维勘探方面，有关找矿综合预测研究，尤其是利用三维可视化技术开展定量找矿预测研究显得比较薄弱。本文在二维勘探成果和认识基础上，以居隆庵铀矿床为研究对象，利用三维可视化技术开展定量预测研究，以期提高找矿成功率，为矿区后续勘探工作提供科学依据。

1 研究区地质概况

江西相山铀矿田是我国最大的火山岩型铀矿床聚集区，截至目前，在该区域已探明多个大中型铀矿床，被誉为中国的“铀都”［13］。其中，居隆庵地区是相山铀矿田重要的矿床聚集地之一，位于相山铀矿田西部（图1），构造上处于北东向展布的芜头-小陂、邹家山-石涧断裂与北西向展布的石城-书堂、河元背-石洞断裂所组成的居隆庵菱形断块内［2，14］。

图1 相山盆地地区地质简图（据文献［15-16］修改）Fig.1 Geological sketch of Xiangshan Basin（modified after reference［15-16］）

目前研究表明，居隆庵菱形断块是相山矿田中戴坊-邹家山-云际东西向基底断陷带中相对隆起的构造圈闭型断块。该断块内火山塌陷、断裂以及次级裂隙十分发育，这种构造条件为含矿热液的迁移汇集成矿提供了有利条件［14，17］。居隆庵铀矿床受近南北向展布的断裂控制，矿区出露的地层比较简单，矿（化）体主要赋存于上白垩统鹅湖岭组（K1e）碎斑熔岩和打鼓顶组（K1d）流纹英安岩中，尤以在这两个火山岩层组间界面附近较为富集。矿区侵入岩以大规模火山活动期后的次火山岩和不规则的弧形和半弧形出露花岗斑岩为主（图1）。

2 居隆庵数字矿床模型建立

数字矿床属于矿床的信息模型，是以地理坐标为依据的数字化三维显示的虚拟矿床［18-19］。数字矿床模型的建立以地质模型与成矿规律的研究为基础［20-21］。本文三维模型的构建选用SKUA-GOCAD 三维建模软件，把收集处理的居隆庵铀矿床基础地质资料（钻孔、勘探线剖面等）导入到SKUA-GOCAD 软件中，并使用该软件建模功能重点建立了地形地貌面模型、构造-地层实体模型和矿体模型。

2.1 地形地貌面模型

在露天矿山和地采矿山中建立的地形地貌面模型，可以按需切制任意平面图和剖面图，在矿山开采设计过程中具有重要的意义［20］。

居隆庵矿床地形上以山地为主，地表高差变化较大，本文运用SKUA-GOCAD 软件离散插值（DSI）法拟合原始数据，利用其贴图功能实现不规则三角网与遥感影像的贴合，使其更直观地反映出该矿床的地表起伏情况（图2）。

图2 居隆庵铀矿床三维地形地貌叠加遥感图模型图Fig.2 The 3D topography corrected remote sensing image of Julong’an deposit

2.2 构造-地层实体模型

利用SKUA-GOCAD 软件提供的半自动化建模流（Workflow）中的构造模型（Structural Modeling）建立了本区地质体构造三维模型，并模拟了地层面和断层面的空间位置、展布形态及其相互关系（图3）。SKUA-GOCAD 软件可以较好地处理断层的几何学形态和运动学性质、断层与地层的相交、切割关系，并在三维建模过程中利用钻孔对地质体层面进行了校正。

图3 居隆庵铀矿床构造与地质体关系模型Fig.3 3D model of the relationship between structure and geological body in Julong’an deposit

2.3 矿体模型

研究区矿体模型的构建主要依靠剖面图数据，利用3DMine 软件把矿体线从坐标校正过且空间转换后的剖面图中提取出来，分析归类矿体的大小及类型，将各矿体生成DTM 表面，从而生成矿体实体模型。

利用矿体模型所圈定的居隆庵矿床的工业矿体资源量达到了大型矿床规模，但其单个矿体规模以中、小型为主，矿体沿走向一般长二十至数十米，倾向延深也只有二十几米至几十米，少量规模较大的矿体达到中型规模。其中，居隆庵铀矿床北段矿体形态多为脉状、透镜状以及不规则状，少量为囊状。矿体不同位置的厚度和矿石品位变化较大，矿化不均匀（图4）。

图4 居隆庵矿床矿体模型分布特征Fig.4 Distribution feature of ore bodies in the model of Julong’an deposit

3 成矿有利信息提取

三维预测过程需要具体分析各地质体与矿体之间的关系，利用块体模型来赋予各地质体属性值，从而反映各地质体特征，达到统计各地质体含矿规律的目的［22］。本文基于数字矿床模型，通过建立立方块体模型，开展居隆庵矿床找矿预测工作。根据立方块体模型对建模区域内各地质要素进行定量化提取分析，包括地层、组间界面、组间界面陡变带、岩体、构造带、蚀变带等。研究区立方块体模型的南北宽3 000 m、东西宽2 080 m，高程为－1 500～800 m，且模型共划分627 368个单元块（图5），采用的行×列×层为30 m×30 m×20 m。

图5 居隆庵矿床三维立方块体模型Fig.5 Cubic 3D model of Julong’an deposit

3.1 地层

不同地层含矿单元数的统计及野外调查结果表明，居隆庵矿床下白垩统鹅湖岭组（K1e）和打鼓顶组（K1d）及其之间组间界面具有明显的控矿作用。不同地层中含矿单元数的统计结果表明，已知矿体块体主要分布在鹅湖岭组上、下段与打鼓顶组上段，分别有2 592、211 和828 个块体，分布在其他地层较少（表1）。

表1 不同地层中含矿单元数目分布表Table 1 Number of ore-hosting units in different strata

基于上述认识，依据前文建立的地层实体模型与已知矿体模型，对立方块体进行范围属性约束，然后叠加计算其与矿体空间相关性，最后统计分析矿床地层属性的约束结果，获得主要含矿地层的块体模型（图6）。

图6 主要含矿地层三维块体模型与矿体空间关系Fig.6 3D block model of strata and the relation to ore body in Julong’an deposit

3.2 组间界面

相山盆地早白垩世火山活动主要有鹅湖岭期和打鼓顶期两个喷发旋回，这两个旋回之间为“喷发假整合”关系。前人研究表明居隆庵矿床内的矿体受鹅湖岭组（K1e）与打鼓顶组（K1d）之间的组间界面控矿作用明显［23］，因此本文选择对鹅湖岭组（K1e）和打鼓顶组（K1d）之间的组间界面信息进行提取。

以打鼓顶组上段（K1d2）陡变部分上下50 m、100 m、150 m、200 m 作为缓冲区分别建立了实体模型和块体模型。经分析，当200 m 作为缓冲区范围时，与已知矿体重叠数最高，占总矿体数的63.58%；当缓冲区超过200 m 范围时，与已知矿体重叠数下降比较明显，因此将矿床的组间界面缓冲区确定为打鼓顶组上段（K1d2）的上下200 m，同时将其作为成矿有利要素（图7）。

图7 组间界面缓冲区三维块体模型与矿体空间关系Fig.7 3D block model of the buffer zone between different formation and relation to ore body

3.3 组间界面陡变带

组间界面陡变带，即形态变异强烈部位，其主要表现为组间界面褶皱或突然变陡，有的呈区域带状分布，有的为局部形态变异。在相山铀矿田内，打鼓顶组与鹅湖岭组组间界面变异部位控制着火山盆地上部铀矿的空间分布［23］。在居隆庵矿床中，多数矿体均发育在组间界面变异部位（图8）。因此，居隆庵矿床组间界面陡变带也是成矿有利要素之一。

图8 居隆庵矿床组间界面陡变带三维块体模型与与矿体空间关系图Fig.8 3D block model of steep interface between different formation and relation to ore body in Julong’an deposit

3.4 岩体

居隆庵矿床主要岩浆岩体为花岗斑岩，其主要侵入于菱形断块北部的鹅湖岭组下段（K1e1）和打鼓顶组下段（K1d1）。岩体的侵入作用一方面提供了成矿热源和气源，另一方面促进了围岩内裂隙的形成，为成矿物质的聚集和沉淀提供了比较有利的空间条件［2］。本文对矿床内的花岗斑岩体建立了100～600 m 缓冲区模型，根据岩体与已知矿体的空间关系，统计分析出250～350 m和450～550 m 缓冲区在空间上与已知矿体的叠合率最高（图9），占到已知矿体总数的51.11%，由此确定出岩体影响的范围。含矿块数较高的250～350 m和450～550 m 缓冲区岩体模型如图10 所示。

图9 岩体间隔缓冲区含矿单元数目分布图Fig.9 Histogram of ore-hosting unit numbers to buffer zone width of interface between plutons

图10 岩体三维块体模型与矿体空间关系图Fig.10 3D block model of pluton and relation to ore body

3.5 构造带

居隆庵矿床的矿体受帚状次级断裂和岩性界面联合控制，矿体主要赋存于碎斑熔岩和流纹英安岩与帚状构造的交汇部位［14］。根据矿床构造实体模型，对该矿床内的断裂构造进行了一定范围的缓冲区处理，叠加矿体模型后统计分析表明，构造缓冲区内矿体块数占总矿体块数的64.47%，可将其作为成矿有利要素（图11）。

图11 居隆庵矿床构造缓冲带三维块体模型与矿体空间关系图Fig.11 3D block model of structural buffer zone and relation to ore body in Julong’an deposit

3.6 蚀变带

居隆庵矿床中主要矿体均产出于蚀变带内。从勘探线剖面来看，蚀变带发育在矿体两侧100～150 m 范围内，部分可达200 m 左右［2］。根据勘探线剖面资料，建立了居隆庵矿床蚀变带块体模型（图12），并将蚀变带作为定量预测中的成矿有利要素。

图12 居隆庵矿床蚀变带三维块体模型与矿体空间关系图Fig.12 3D block model of the alteration zone and relation to ore body in Julong’an deposit

4 居隆庵铀矿床成矿预测

4.1 三维证据权法预测

证据权法由数学地质学家Agterberge提出，采用地质统计方法分析的模式，通过对有利要素叠加复合分析来开展找矿有利区的预测［24］。本文对三维立方块体模型中含矿地层、组间界面及其陡变带、岩体、构造带、蚀变带等证据因子的属性进行二值化（0或1）处理，分析成矿有利范围，进而利用三维证据权法计算矿床范围内各证据因子的权重值（表2）。鹅湖岭组下段（K1e1）、组间界面陡变带、蚀变带与成矿的相关性表现较高，说明居隆庵矿床矿体受地层、组间界面陡变带和蚀变带影响较大。后验概率值可体现各块体的成矿有利度，后验概率值越大，块体成矿越有利。根据每个块体后验概率值，统计各区间范围内所含已知矿体的块体数量可知，当后验概率值＞0.9时，已知矿体块数明显下降（图13）。因此，将后验概率值＞0.9的块体作为研究区成矿高值区，即成矿有利区域。

图13 不同后验概率值范围内含已知矿体块数统计图Fig.13 Number of ore body hosting units with different posterior probability value

表2 居隆庵矿床成矿要素权重值Table 2 Weight values of metallogenic factor for Julong'an deposit

4.2 三维信息量法预测

三维信息量方法依据各类地质要素单变量的空间分布情况，借助矿产预测统计分析理论和方法，探讨各地质要素在区域成矿预测和评价中的成矿意义及成矿指示作用。本区主要成矿有利要素有含矿地层、组间界面、组间界面陡变带、岩体、构造带、蚀变带等。本文在对居隆庵矿床成矿有利要素定量化分析和统计基础上，对其属性值进行二值化（0，1）处理，运用三维信息量方法计算出矿区内各成矿有利要素的信息量值。

统计各信息量值区间范围内含已知矿体的块体数量，根据其变化趋势与拐点，将信息量值在1.8～3.4 区间确定为含矿界限，信息量值大于3.4 确定为富矿界限（图14）。

图14 不同信息量值范围内含已知矿体块数统计图Fig.14 Number of ore body hosting units with different information quantity value range

4.3 成矿远景区圈定及资源量估算

利用证据权法和信息量法计算出了居隆庵矿区的后验概率值和信息量值，在区间统计分析并剔除已知矿体区域后，确定出了找矿靶区范围，结合区域地质特征，开展靶区的圈定。

本次研究依据后验概率与信息量高值区的分布情况，以后验概率值＞0.9，信息量值＞1.8 的块体作为成矿有利区域，并结合其在空间上的分布圈出5 个预测靶区（图15）。并对已圈定的5 个预测靶区进行数据分析，分别统计信息量值大于1.8和3.4时，成矿有利区的块体数量（图16），并根据找矿潜力的大小将其分为A、B级。由图17可知，靶区2、靶区3、靶区4内含有信息量高值块体数量较高，故将其归为A级靶区；靶区1和靶区5中含有信息量高值块体数量较低，将其归为B 级靶区。

图15 居隆庵矿床预测靶区分布立体图Fig.15 3D distribution diagram of prediction targets in Julong'an deposit

图16 居隆庵矿床成矿有利区信息量块体数量统计图Fig.16 Statistical results of the ore information quantity block in the favorable mineralization area

靶区1：位于芜头-小陂断裂附近。围岩蚀变较强，具有一定的成矿前景，属于较为有利的成矿区段，属于B 级靶区。靶区2：位于矿床7 号带与芜头-小陂断裂的交汇位置，受岩层组间界面控制，蚀变较强，找矿前景较好，属于A 级靶区。靶区3：位于矿床7 号带中段，同时位于两个组间界面陡变带交汇部位，陡变界面对靶区形成有较大影响，蚀变较强，是成矿的有利区位，找矿前景良好，属于成矿有利区段，划为A 级靶区。靶区4：位于邹家山-石洞断裂与小陂-石洞断裂的交汇部位。该区段岩性变化快，岩层厚度薄，蚀变强，出露的打鼓顶组（K1d）和鹅湖岭组（K1e）两组地层控矿作用显著，找矿前景较好，属于A 级靶区。靶区5：位于矿床16、17 号带南侧，并受16、17 号断裂控制。该区段深部为组间界面的变异部位且蚀变强度较高，具有一定的成矿潜力，属于B 级靶区。

此外，对上述靶区进行了资源量估算，采用公式为：

Qm＝Σ（Vi×Ci×ρ×t）

式中：Qm—矿石金属量/t；Vi—矿石体积/m3；Ci—矿石平均品位（0.192%）；ρ—矿石比重（2.65 t/m3）；t—含矿系数。根据上述公式计算出居隆庵铀矿床的预测靶区的总矿石金属量为10 983 t。

上述结果表明，居隆庵地区找矿前景良好，仍然存在着巨大的找矿潜力，值得开展进一步找矿勘查工作。

5 结论

1）通过对居隆庵铀矿床成矿地质背景、矿床特征等综合分析和研究，对已有勘探资料进行数字化和空间恢复，并对各类地质、矿化信息进行提取，运用SKUA-GOCAD 软件建立了矿区三维数字模型。

2）以居隆庵数字矿床模型为基础，从成矿规律研究的角度对成矿有利要素进行了分析，并分别提取了地层、组间界面、组间界面陡变带、岩体、构造带和蚀变带等重要的成矿有利要素，对其在三维空间中成矿相关性进行定性分析，并以此提取了各类要素，实现了要素的定量化分析与提取。

3）利用三维证据权法和三维信息量法对矿床进行定量预测，获得了成矿有利区，圈定了5 个靶区（3 个A 级靶区和2 个B 级靶区），通过计算得出总资源量为10 983 t。居隆庵地区找矿前景良好，仍然存在着巨大的找矿潜力。