广东省仁化县书楼丘铀矿床三维地质建模及成矿预测

俞嘉嘉，孙远强，周万蓬，范洪海，耿瑞瑞，孙雨鑫，李铭鲲

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，江西南昌 330013)

0 引言

勘探技术与信息技术的飞速发展，带动了矿产资源勘探模式的转变，由经验找矿、理论找矿和信息找矿3大传统找矿方法向集成信息技术转变(王功文和陈建平，2004)，利用地质、物、化、遥等资料的多元信息综合矿产预测方法应运而生(魏巍等，2016)。王功文和杜杨松(2000)运用数理统计方法系统研究了玉龙铜矿带内各类斑岩的岩石化学成矿信息，并结合矿带物、化和遥成矿信息处理，进行了矿带斑岩含矿性的多元信息综合分析，建立了相应的找矿数学模型，优选了测钦拉、遵西和那马卓巴3个找矿靶区；陈建平等(2008)以地质异常致矿理论为指导，以赤峰地区为研究对象，提取了地质、物、化、遥等多元地质找矿信息，并利用航磁、重力资料进行隐伏地质体的推断和解译，丰富了深部找矿信息，并预测了赤峰地区北部3条成矿带和南部1条成矿带。

多元信息综合找矿预测法已经是现行主流矿产预测方法，诸多学者已将其运用于很多地区并获得较好的成果(李南生，2010；陈爱兵等，2011；陈庆等，2012；雷天赐等，2012；李天虎等，2012；王江霞等，2015；刁理品等，2018；何珊等，2018；许强平等，2019；王耀升等，2020)。

书楼丘矿床位于诸广南铀矿田北部，是长江铀矿田重要铀矿床之一。前人在此进行过研究，总结了书楼丘铀矿床的地质特征、矿床成因、找矿模型等①(张善果，2019)，并分别利用物化探方法和地质类比方法研究表明书楼丘具有找矿潜力(徐文雄等，2017；王兴明等，2017；张善果，2019；胡鹏等，2020)。本文综合地质、地化等信息，分析书楼丘铀矿床的控矿因素和找矿标志，建立找矿模型，利用信息量法，提取和分析成矿信息，进行找矿预测研究，进而圈定成矿靶区。

1 区域地质概况及成矿模式

1.1 区域地质概况

研究区大地构造位置处于闽赣后加里东隆起西南缘与湘、桂、粤北海西-印支-坳陷的结合部位(图1a)(黄国龙等，2006)，位于诸广山岩体南部，长江铀矿田北部。区域上断裂构造发育，书楼丘矿床处于北北东向(塘洞断裂、成公坳断裂)、北东东向(城口断裂、棉花坑断裂、黄溪水断裂)、近南北向(焦坪断裂)及北西向(油洞断裂)4组断裂构造交汇部位(图1b)(郭春影等，2013；黄国龙等，2014)。矿区为诸广山多阶段复式岩体一部分，以花岗岩为主，出露主要岩性有印支期二云母花岗岩、二长花岗岩和燕山期黑云母花岗岩等，局部可见晚期中基性岩脉和碱交代岩出露(刘成东等，2010)。

图1 诸广岩体南部地质略图②Fig.1 Simplified geological map of the southern part of Zhuguang rock mass②1-第四系；2-古近系；3-白垩系；4-二叠系；5-石炭系；6-泥盆系；7-奥陶系；8-寒武系；9-震旦系；10-燕山期细粒二云母或石榴子石二云母花岗岩；11-燕山早期第三阶段中、细粒二云母花岗岩；12-燕山早期第二阶段中粒斑状二云母花岗岩；13-燕山早期第一阶段粗中粒斑状黑云母花岗岩；14-印支期第三阶段中粒(斑状)二云母花岗岩；15-印支期第二阶段中粗粒斑状黑云母二长花岗岩；16-印支期第一阶段粗粒斑状黑云母花岗岩；17-海西期第三阶段细粒含斑黑云母二长花岗岩；18-海西期第二阶段中粒斑状花岗闪长岩；19-加里东期第二阶段花岗岩；20-加里东期第一阶段花岗岩；21-辉绿岩脉；22-蚀变碎裂岩；23-主干断裂及次级断裂；24-不整合接触界线；25-省界线；26-城市；27-研究区1-Quaternary；2-Paleogene；3-Cretaceous；4-Permian；5-Carboniferous；6-Devonian；7-Ordovician；8-Cambrian；9-Sinian；10-fine-grained two-mica or garnet two-mica granite of Yanshanian；11-medium and fine-grained two-mica granite of the third stage of early Yanshanian；12-middle-grained porphyritic two-mica granite of the second stage of early Yanshanian；13-coarse and medium-grained porphyritic biotite granite of the first stage of early Yanshanian；14-medium-grain (porphyritic) two-mica granite of the third stage of Indosinian；15-mediumand coarse-grained porphyritic biotite monzonitic granites of the second stage of Indosinian；16-coarse-grained porphyritic biotite granite of the first stage of Indosinian；17-fine-grained biotite monzonitic granites of the third stage of Hercynian；18-medium-grained porphyritic granodiorite of the second stage of Hercynian；19-granite of the second stage of Caledonian；20-granite of the first stage of Caledonian；21-diabase dike；22-altered cataclastic rock；23-main and secondary faults；24-unconformable contact boundary；25-provincial boundaries；26-city；27-research area

1.2 铀成矿模式

根据前人资料，在构造条件下，生成富碱、富挥发分的地幔流体并上侵进入幔壳过渡区，发生重熔作用，促使铀元素活化并转移到新岩浆流体中。印支-燕山期拉张构造背景下，部分酸性富铀岩浆流体上侵到地壳形成富铀花岗岩体，为后期铀成矿提供铀源。中生代中晚期，多期多阶段构造活动，使岩体发生破裂、错动位移，发育层间裂隙带、岩石空隙等热液通道，热液运移中与大气降水混合，形成混合循环热液。热液运移过程中，流体与围岩发生水合反应，萃取岩体中铀元素，形成富铀热液。富铀流体运移致成矿有利空间，在适宜的物化条件下，矿质沉淀，形成铀矿床(图2)(邓平等，2003；王军等，2014；沈以辉，2017；许丽丽等，2017)。

图2 铀成矿模式图(据许丽丽等，2017修改)Fig.2 Uranium metallogenic model(modified from Xu et al.，2017)

2 三维地质建模

2.1 地形地表-钻孔模型

地表地形模型是赋有空间位置属性和地形属性特征的数字化表达，该模型可以直观地反映矿区地表上的地形、钻孔以及其他勘探工程的布置情况(樊忠平等，2010；王磊等，2013；李欣欣和刘保顺，2019)。基于研究区1∶2000大比例尺地形测量，利用MapGIS软件矢量化及赋值，借用3DMine软件进行错误检查并转为dxf.格式，将其文件导入GOCAD中，通过构造流程生成地表地形面；然后将遥感卫星影像(*.tiff)导入GOCAD中进行Voxet图层，通过Voxet中的点功能将其校正，使遥感卫星影像正确贴合在生成的地表地形面上。

钻孔是现行最有效的深部找矿工程，钻孔数据通过四个属性表控制，包括钻孔位置、钻孔测斜、岩性信息、品位信息，本次研究共有35个钻孔，钻孔主要分布于矿区，最深钻达460 m左右。将四个属性表按格式字段录入后，以文本形式保存并导入GOCAD。

2.2 岩体模型

岩体是预测要素中重要的一环。研究区出露岩体以酸性侵入岩为主，主要为燕山早期第一阶段中粒黑云母花岗岩和燕山早期第三阶段不等粒黑云母花岗岩，局部可见煌斑岩脉和石英正长岩脉出现(图3b)。根据已知矿体的产出位置，可知中粒黑云母花岗岩和不等粒黑云母花岗岩是主要的含矿岩体，岩体中的断层破碎带以及岩性接触带是矿体赋存的主要空间位置。

2.3 构造模型

断裂是含矿热液的主要运移通道，也是主要储存空间。研究区构造广泛发育，呈大规模群组出现，其断裂走向较多，明显呈多期次活动的特点，其中主要控矿断裂为北北东向、北东东向、北西向、北北西向及南北向断裂，其中又以北北西向和南北向断裂为主要控矿断裂(图3c)。

2.4 矿体模型

矿体模型是三维建模工作的核心和难点，已知矿体模型的构建影响着后续的成矿预测过程及其结果可信度。书楼丘矿床矿体主要受南北向和北北西向断裂控制，矿体主要形态、规模、产状均与构造带一致，呈单脉状、群脉状平行分布，矿脉厚度不大，具膨胀弯曲和分枝现象(图3d)。

图3 书楼丘矿床三维地质模型Fig.3 3D geological models of Shulouqiu deposita-地表地形-钻孔模型；b-岩体模型；c-断层模型；d-矿体模型a-surface topography-borehole model；b-rock mass model；c-fault model；d-ore body model

3 立方块体模型及成矿有利信息提取

3.1 构建立方块体模型

立方块体模型是成矿预测中基础部分，其原理是：将实体模型分割成有限个规则的立方体小块组成的模型，每个单元小块都含有对应的坐标等数据信息，对每个立方体附上地质属性信息，结合已知的样点立方体上的信息，进而综合分析各个立方体的深部定量化信息，建立研究区的三维地质找矿模型，最后对研究区的矿体空间分布特征进行三维预测评价(吴炳生，2014)。本次研究区工作范围长1.60 km，宽0.71 km，高0.95 km；单元块体按行×列×层为5 m×5 m×5 m，共4513002个立方体单元。

3.2 提取成矿有利信息

3.2.1 有利地质体信息

书楼丘矿床处于诸广复式杂岩体，其铀矿体主要产于燕山早期中粒黑云母花岗岩和不等粒黑云母花岗岩中，局部煌斑岩和石英正长岩可见少许含矿。矿化形态受晚期岩体的形态和埋深控制。基于三维地质模型和已知矿体信息，选用中粒黑云母花岗岩和不等粒黑云母花岗岩、石英正长岩和煌斑岩作为含矿有利岩体。

3.2.2 有利构造信息

铀矿化严格受近南北向和北北西向的断裂构造控制，矿体主要产于断裂构造带的中心部位；其矿化和矿体垂深均随构造带向下延伸而延伸；矿体产状随断裂带或破碎带收缩膨胀部位或产状变化部位的变化而变化，并有随构造带宽度增大部位其矿体变富、变大，反之矿体变贫、变薄的规律。基于构造带对矿体的作用，本文通过构建构造缓冲区来反映其与矿体之间的空间关系特征。

3.2.3 岩性接触带信息

岩性物化差异易使接触部位发生破碎，提供有利空间和物质交换的环境，有助于元素的迁移富集。书楼丘矿床铀矿化多富集于岩性接触部位，且厚大矿体常富集于接触界面的构造带中；主矿体的厚大中心部位与岩性接触面起伏基本一致(徐文雄等，2017；伏顺成等，2019)。结合已知矿体信息和不同距离的缓冲区特征，确定岩体最佳缓冲距离。

3.3 找矿预测模型

在基于构建的立方体模型及已知矿体信息，将已知矿体与提取的成矿有利信息(岩体、构造和岩性接触带)进行叠加统计(图4)，获取各个证据因子的最佳含矿单元数。进而根据统计结果，结合矿床成矿条件和找矿标志分析，对书楼丘矿床的致矿因素进行了综合评定，提出与书楼丘矿床有关的矿床预测的证据因子有：岩浆岩条件、构造条件、接触面条件,进而总结了书楼丘矿床找矿模型如表1。

图4 各含矿块体数统计结果Fig.4 Statistical results of ore-bearing block number

表1 书楼丘矿床找矿模型

4 三维成矿预测及靶区圈定

4.1 三维预测方法

信息量法由E.B.维索科奥斯特罗夫斯卡娅于1968年、N.N恰金于1969年先后提出(赵鹏大等，1983)。信息量法用信息量的大小来评价地质因素、找矿标志与研究对象的关系密切程度，其原理与证据权法大同小异(肖克炎等，1999；王勇和陈邦国，2004；陈广洲等，2010；陈广洲等，2013)，从各地质因素中挑选有利成矿要素，将要素数值化，以数值大小来评价各地质因素对矿化影响的程度；信息量法用信息量值来指示，"信息量值"是用以表达影响程度的变量，由块体单元中各地质要素的信息和，来指示块体单元具有的找矿意义(张权平等，2018)。

4.2 有利找矿要素信息量值计算

信息量值基本计算公式如下：

(1)

IA(B)为A标志情况下具B矿的信息量值；Nj是区内具有标志A情况下的含矿单元数；N是研究区内含矿的总单元数；Sj是研究区内具有A标志的单元数；S为研究区内的总单元数。

应用式(1)，通过GOCAD获取相应的块单元数，记录于Excel表格，并在Excel中计算找矿模型中的各成矿有利信息量值；依据信息量值结果，筛选有利找矿要素，进一步总结出预测模型。信息量值计算结果见表2。

表2 成矿有利要素信息量结果

续表2

基于信息量值计算结果进行分析，在岩浆岩条件上，矿体主要存在于燕山早期中粒黑云母花岗岩和不等粒黑云母花岗岩中，煌斑岩和石英正长岩含矿较少；岩性接触带是主要的赋矿区域。构造条件上，断层缓冲带是证据因子中赋存矿体最多的，这与书楼丘矿床的构造控矿情况一致。考虑到后续找矿概率问题，将信息量值为负证据因子剔除，即剔除中粒黑云母花岗岩、煌斑岩、放射性水化学异常，并利用其余找矿要素形成找矿预测模型(表3)。

表3 书楼丘矿床预测模型

4.3 成矿预测结果分析

通过GOCAD软件，生成预测模型中各预测要素对应的Properties，应用Property中Set Constant功能对相应要素的Region进行“二值化”(预测要素对应Region取值为信息量值，研究区中其余部分Region取值为零)信息量赋值；再利用计算器(Apply Script Calculator)，对各预测要素Property求和，生成信息量和的Proprety，该信息量和代表整个研究区范围的找矿有利信息量值，即各预测要素对成矿影响的耦合结果，可用于指示圈定成矿有利区。

根据信息量和值，利用GOCAD软件中Region中From Property Range功能生成不同信息量值区间的Region，进而统计不同信息量值区间的块体数和含已知矿块数(表4)，并计算不同信息量区间的块体比例、含矿比例和含矿率，并生成相应曲线图(图5)。

表4 不同信息量分区间统计结果

图5 三维找矿信息量分析Fig.5 Analysis of 3D prospecting information valuea-矿体比例和块体比例曲线；b-含矿率曲线a-ore body proportion and block proportion curves；b-ore-bearing rate curve

矿块比例曲线和块体比例曲线随着信息量值增大而降低，而含矿率曲线随其增大而增大，可知最终剩余的块体即是有利矿体。据含矿率曲线的变化情况，将曲线分为“三段式”，取0.1 ～ 0.6为找矿有利区间低值区，将0.6 ～ 0.9为找矿有利区间中值区，取大于0.9为找矿有利区间高值区。根据信息量值分级特征，将信息量值为0.6 ～ 0.9的预测区域定为II级成矿有利区，将信息量值大于0.9的区域定为I级成矿有利区。据统计，I级成矿有利区其含已知矿块数为35443块，II级成矿有利区含已知矿块数为6766块；有利成矿区含矿占比之和共89.2%，说明预测结果与实际情况有较好的一致性，可知预测结果对下一步圈定成矿靶区具有较好的指示意义。

4.4 靶区圈定

利用已知的品位数据对块体模型进行品位插值，结合品位高值区和成矿有利区对矿床未知深部进行叠加圈定，共圈定了4个预测靶区(图6)。从图6a可见，深色区域为I级成矿有利区，其区域大体为已知矿体区。从图6b可以看出，根据品位模型圈定的4个预测靶区中，靶区1其信息量值较低(剔除)，其余三个靶区的信息量值均在0.8左右，即位于II级成矿有利区，由此可确定预测结果有较高的可信度。

图6 书楼丘矿床找矿靶区图Fig.6 Prospecting target areas in the Shulouqiu deposit a-成矿有利区靶区分布；b-三维空间靶区分布a-target distribution of favorable metallogenic area；b-target distribution in 3D space

5 结论

(1)基于收集的资料，利用COCAD建模软件，分别构建了地表、岩体、构造、矿体等三维地质模型，为后续矿山开采等工作提供了三维可视化数据基础。

(2)总结了矿床的成矿有利信息，建立了相应的找矿概念模型和三维立方体模型，基于信息量法计算了不同成矿有利区间的信息量值，并划定了3片靶区，为找矿工作提供了方向。

[注 释]

①安鹏鑫. 2017. 粤北书楼丘铀矿床地质特征及成因浅析[C].第八届全国成矿理论与找矿方法学术讨论会论文摘要文集.

②核工业二九〇研究所.2005.广东省仁化县长江地区书楼丘矿床调查与评价报告[R].