基于GIS的多元信息成矿预测研究——以通辽地区北部砂岩型铀矿为例

翁海蛟， 郝晓飞， 张韶华， 王常东， 武 飞， 刘 鑫， 宁 君

(核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000)

随着找矿难度的日益增大，运用单一学科理论难以精准地寻找和预测矿床的位置、规模等。矿产预测评价方法逐渐向多元信息找矿方向发展。GIS是一种综合分析与处理空间数据的技术系统，其核心功能为空间查询与分析，包括拓扑空间查询、缓冲区叠加分析等，在矿产预测领域呈现显著的空间特征。随着GIS技术的发展与成熟，为多元信息综合找矿预测提供了理论指导和技术支撑，并在国内外得到广泛应用(刘星等，2003；Harris et al.，2008；刘勇等，2010；刘艳宾等，2012；唐好生等，2013；王峰等，2013；Xiao et al.，2015；Carranza et al.，2015；王江霞等，2015；杨莎莎等，2015；Hocine et al.，2016；魏巍等，2016；程红军等，2017；孙岳等，2017)。笔者以通辽地区北部为研究区，系统收集地质、地球物理、地球化学、航磁及矿产资料，以综合信息矿产评价理论为指导，运用在GIS平台上开发的矿产资源评价系统(MRAS)开展多元信息综合成矿预测研究，对区内成矿远景区进行圈定，以期为盆地内的下一步砂岩型铀矿找矿工作提供理论依据。

1 区域地质背景

松辽盆地演化历程可概括为“前晚侏罗世基底形成与改造阶段”“晚侏罗世—早白垩世伸展断陷阶段”“早白垩世—晚白垩世热冷却坳陷阶段”及“晚白垩世—新生代构造反转阶段”(蔡建芳等，2018；余中元等，2015)。

区内基底以石炭—二叠系的浅变质岩和海西期花岗岩为主，盖层为中、新生代沉积岩，其中晚侏罗世—早白垩世断陷阶段，形成了一套含煤、含油页岩的沉积建造，为后期还原改造提供了充足的还原剂。在晚白垩世坳陷阶段，形成了一系列坳陷盆地(图1)，该阶段沉积的姚家组为一套干旱—半干旱条件下形成的以红色为主，局部为灰色的内陆碎屑岩沉积建造，并在研究区范围内发育规模较大的辫状河相砂体，为区内主要的铀矿找矿目的层，厚度为200～300 m。

图1 松辽盆地西南部构造分区示意图Fig.1 Structural zonation map of southwestern Songliao basin1.盆地界线；2.二级构造单元界线；3.三级构造单元界线；4.研究区范围

已知矿床信息是成矿预测中指示矿床存在的最直接标志，同时也为其他标志变量提供依据(刘星等，2003)。区内已发现的铀矿床主要有钱家店铀矿床和宝龙山铀矿床，均为层间氧化带型铀矿床。相比传统的层间氧化带砂岩型铀矿，研究区内的铀成矿作用及成矿模式具有其独特之处(罗毅等，2012；刘武生等，2021；蔡建芳等，2018)。铀矿化或铀矿体的形成与坳陷层序沉积的辫状河砂体、反转期形成的构造天窗、多期活动的贯通断裂、断陷层序富含的还原流体以及后生氧化作用有着密切的关系，矿体形态多呈板状，透镜状，赋存于上下氧化带之间的氧化还原过渡带内(图2)。

图2 通辽地区北部砂岩型铀矿成矿模式图(蔡建芳等，2018)Fig.2 Metallogenic model of sandstone type uranium deposits in north of Tongliao area1.上白垩统嫩江组；2.上白垩统姚家组上段；3.上白垩统姚家组下段；4.上白垩统青山口组；5.下白垩统阜新组；6.C-P变质岩基底；7.海西期花岗岩；8.辉绿岩；9.断层；10.花岗岩；11.泥岩；12.灰色砂体；13.氧化砂体；14.铀矿体；15.油气渗出运移方向；16.地表含氧含铀水渗入运移方向

2 多元信息分析与预测要素提取

本次研究系统地收集了区内多元地质数据，包括区域地质图(1∶50万，1∶20万)、区域重力资料(1∶20万)，区域航磁资料(1∶20万)、矿产数据库等。依据区内成矿模式，叠加其他地质、物化探信息，归纳出钱家店—宝龙山典型铀矿床预测要素(表1)。

表1 钱家店—宝龙山典型铀矿床预测要素表

2.1 地质要素提取

依据松辽盆地南部区域地质背景、成矿规律以及已知矿床(点)的分布，选取研究区姚家组下段辫状河河道亚相作为找矿的有利图层(图3)。该层碎屑沉积建造具有稳定的“泥-砂-泥”结构层，为找矿的有利沉积建造。本次预测区内除剥蚀天窗(图3)外，其余地区全部存在该沉积建造，因此区内辫状河河道亚相分布范围为有利成矿区域。

图3 辫状河河道亚相与铀矿化关系图Fig.3 Relationship between braided river channel subfacies and uranium mineralization1.剥蚀天窗；2.辫状河河道亚相；3.辫状河心滩亚相；4.铀矿床；5.工业铀矿孔；6.铀矿化孔；7.铀异常孔；8.无矿孔

在砂岩型铀矿预测中，铀源始终是重要要素之一。根据富铀层(体)的时代、规模、富铀性，确定富铀层(体)影响的范围，叠合蚀源区航放异常圈定铀源有利区。根据宫文杰等(2010)研究结果显示，本次预测区全部落入铀源有利区域，所以本次预测不考虑铀源因素的影响。

根据地物化等综合信息分析整理可知，预测区发育构造剥蚀天窗及一系列的断裂构造。这些断裂及剥蚀天窗既作为地表含氧含铀水的局部排泄带，有利于层间氧化带的发育，又为地下油气向上运移提供通道，有利于渗出还原作用的发育。此外，NE向构造的反转使得研究区内存在单斜地层及反转背斜带，可作为区内缓倾斜坡区，有利于铀成矿。统计区内已知铀矿床、矿点的产出部位，利用MRAS评价软件系统计算，确定了构造对矿点的最佳影响域半径为4.5 km(图4)，与刘武生等(1)刘武生，贾立城，汪远志，等，2010.松辽盆地铀矿资源潜力评价[R].北京：核工业北京地质研究院，核工业航测遥感中心.的5 km范围内是铀矿化发育的有利部位相吻合。

图4 构造与铀矿化关系图Fig.4 Relationship between structure and uranium mineralization1.断裂影响铀成矿的区域；2.反转构造；3.正断层；4.推测构造；5.铀矿床；6.工业铀矿孔；7.铀矿化孔；8.铀异常孔；9.无矿孔

2.2 地球化学环境信息提取

氧化还原过渡带作为预测区铀成矿结构面，垂向上灰色砂体主要赋存于上氧化带和下氧化带之间(蔡建芳等，2018)。目前区内已发现的铀矿化主要赋存于氧化还原过渡带内，作为后生层间氧化作用的相关要素，对区内成矿预测评价有着重要意义。因此，将氧化还原过渡带及氧化带前锋线约1 km范围确定为氧化还原过渡带范围(图5)。

图5 氧化还原过渡带与铀矿化关系图Fig.5 Relationship between redox transition zone and uranium mineralization1.氧化还原过渡带；2.氧化带；3.氧化还原过渡带影响区域；4.构造剥蚀天窗；5.铀矿床；6.工业铀矿孔；7.铀矿化孔；8.铀异常孔；9.无矿孔；10.断层

2.3 地面放射性异常信息提取

地面伽马能谱异常可反映区内地表放射性异常的分布特征，对区内铀成矿预测有重要的指示作用，可作为预测圈定的预测变量之一。由于区内覆盖较强，异常显示偏弱，所以本次将地面伽马能谱偏高(铀含量>1.21×10-6)区域作为本次地面伽马能谱测量异常的主体(图6)。

图6 伽马能谱测量增高区与铀矿化关系图Fig.6 Relationship between the increasing area of gamma spectrometry and uranium mineralization1.铀增高区(铀含量>1.21×10-6)；2.铀矿床；3.工业铀矿孔；4.铀矿化孔；5.铀异常孔；6.无矿孔

210Po异常对于反映浅覆盖区深部放射性元素分布有直接作用，其与地表异常相互验证对区内铀成矿预测有着重要的指示作用，因此，可作为预测圈定的变量之一。由于区内覆盖较强，异常显示偏弱，所以本次将210Po含量大于18.98 Bg/kg的区域作为本次地面伽马能谱测量异常的主体(图7)。

图7 土壤210Po含量偏高区与铀矿化关系图Fig.7 Relationship between high 210Po content area and uranium mineralization 1.210Po增高区(210Po含量>18.98 Bg/kg)；2.铀矿床；3.工业铀矿孔；4.铀矿化孔；5.铀异常孔；6.无矿孔

2.4 重力异常信息提取

重力异常反映的是基底斜坡带展布及断裂构造的分布。刘武生等①认为松辽盆地砂岩型铀矿化一般定位于布格重力异常值(-4～10)×10-5m/s2的区域内。因此，重力异常要素可作为预测圈定的变量之一，并将布格重力异常值在(-4～10)×10-5m/s2的区域作为重力异常要素参与变量构建(图8)。

图8 布格重力异常与铀矿化关系图Fig.8 Relationship between Bouguer gravity anomaly and uranium mineralization1.布格重力异常区；2.铀矿床；3.工业铀矿孔；4.铀矿化孔；5.铀异常孔；6.无矿孔

2.5 航磁异常信息提取

航磁异常可反映出各隐伏花岗岩体的边界及局部隆起区，预测区内钱家店凹陷磁场表现为变化平稳的正异常或负异常，反映出该区基底为一断阶凹陷带，在填平补齐后形成近北北西倾的斜坡带，产状变化缓等地质现象。已知矿化点位于该斜坡带平缓负磁异常中，可能是氧化还原过渡带的发育部位，因此有利于成矿。同时航磁异常等值线梯度带及不同特征磁异常分界线可反映出深大断裂带与补-径-排体系的局部排泄带的关系。因此，将航磁垂向一级导数异常(航磁垂向一阶导数值为-0.01～0.02)的区域作为预测区圈定的变量之一(图9)。

图9 航磁垂向一级导数异常与铀矿化的关系图Fig.9 Relationship between aeromagnetic vertical first derivative anomaly and uranium mineralization1.航磁垂向一级导数异常区；2.铀矿床；3.工业铀矿孔；4.铀矿化孔；5.铀异常孔；6.无矿孔

3 多元信息找矿预测及评价

3.1 远景区圈定

根据典型矿床预测模型，成矿要素之间存在一定的相关性。如构造要素控制了沉积相的展布，而沉积相的展布大体上决定了砂体的空间分布；再如氧化还原过渡带与层间氧化带同样受氧化带前锋线控制。由此可见，预测区中各预测变量间不满足独立性条件，很难用证据权地质体法来圈定预测区。鉴于上述原因，本次找矿预测的圈定方法采用“网格单元+地质体”法，主要是研究区范围依据1.2 km×1.2 km设计网格，再与区内姚家组下段辫状河砂体分布区域相交而形成预测单元。

将构建出的构造、地化环境、地面伽马能谱、210Po、重力异常、航磁异常等6个预测变量代入MRAS软件的特征分析法模块中，并选用相关系数法计算出每个变量与铀矿床的关联性。图10表明姚家组构置的6个变量与铀矿床的关联性均在0.10以上，可以认为构建的变量相关性较好，构建变量有效。

图10 预测变量与铀矿化关联图Fig.10 Histogram of correlation between prediction variables and uranium mineralization

用平方和法(矢量长度法)计算每个变量的权重值。通过计算结果可知，姚家组每个变量的权重值均在0.12以上(表2)，表明姚家组构建的变量较好。

表2 通辽地区北部砂岩型铀矿各变量所占权重

据此，可得出各个预测单元的成矿有利度，并利用成矿累积概率图厘定预测单元的阈值。区内铀成矿累积概率图(图11)表明该预测单元的阈值可以定为0.65。以此参数为基础，圈定出6片预测区(图12)，并分别分析总结其成矿地质条件及潜力评价。

图11 姚家组成矿累积概率图Fig.11 Cumulative probability map of mineralization in Yaojia formation

图12 通辽地区北部矿产预测图Fig.12 Mineral prediction map of northern Tongliao area1.构造剥蚀天窗；2.氧化带；3.氧化还原过渡带；4.实测及推测层间氧化带界线；5.剥蚀界线；6.反转断层位置及编号；7.正断层位置及编号；8.推测断层位置及编号；9.物探解译断层位置及编号；10.工业铀矿孔；11.铀矿化孔；12.铀异常孔；13.无矿孔；14.航空放射性异常；15.地面伽马能谱测量高场晕带；16.210Po测量增高晕带；17.A类靶区位置；18.B类靶区位置

A-1靶区位于氧化还原过渡带内，成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，钱家店凹陷西缘断裂F1由该区域穿过。区内存在较为连续分布的地面伽马能谱铀偏高晕，东部为210Po增高晕带，异常套合较好；此外，区内存在钱家店铀矿床。

A-2靶区位于氧化带前锋线附近氧化还原过渡带内，成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，跨越了210Po增高晕带，北东向构造F2由区内穿过，且存在较为连续的北东向展布的伽马能谱偏高晕，此外通过前人勘查已于靶区内发现铀工业孔。

A-3靶区位于氧化还原过渡带内，成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，跨越了多个210Po增高晕带，位于北东向构造F1、F2夹持区内，区域南部存在地面伽马能谱高场晕带。此外，区内存在钱家店铀矿床。

A-4靶区位于氧化还原过渡带内，北东向构造F3与北西向构造交汇部位，成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，且位于地面伽马能谱铀高场晕带(区)及210Po增高晕带内，异常分布均较为集中、套合性较好。此外，该区域处于航空放射性异常中，且通过前人勘查已于靶区内发现铀工业孔。

A-5靶区位于氧化还原过渡带内，北东向构造F5′与北西向构造F4′交汇部位，成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，且位于地面伽马能谱铀高场晕带(区)及210Po增高晕带内，区内存在航空放射性异常，且各类异常分布均较为集中、套合性较好。此外，通过前人勘查已于靶区内发现铀工业孔。

B-1靶区位于氧化还原过渡带内，北东向构造F1东，区内成矿地质体姚家组辫状河砂体发育，且位于地面伽马能谱铀高场晕带内，区域南部为210Po增高晕带，各类异常套合较好。

已知矿点的叠加分析表明，研究区已知矿床(点)均位于有利远景区内，验证了此次预测结果的可靠性。同时说明在预测区内已知矿床(点)较密集区的外围仍具有良好的找矿前景。

3.2 靶区验证

根据本次圈定的找矿靶区，并结合野外实际条件，对A-2、A-4靶区已知矿体外围进行了钻探施工验证，均发现了较好的铀工业矿体及铀矿化显示，矿体赋存于上白垩统姚家组下段，含矿岩性为灰色中、细砂岩及砂质砾岩。

4 结论

本研究以通辽地区北部多元信息铀矿找矿预测为实例，论述了多元综合信息成矿预测的技术流程，取得了良好的预测效果，形成了如下认识：

(1)通过充分研究地质、地球物理、地球化学、航磁及矿产资料得出，通辽地区北部存在有利的铀成矿地质条件。区内铀源充足，构造发育，在坳陷期反转构造的影响下，形成了剥蚀天窗及单斜地层，上部坳陷层序的辫状河相砂体为铀成矿提供了有利的场所。断裂构造为深部还原流体向上运移扩散提供了通道，并为地下水形成完善的补、径、排水动力系统提供了条件，说明在已知矿区的外围仍具良好的找矿前景。

(2)利用MRAS软件对区内地质、物探、化探、航磁等多元信息进行关联与综合，并基于区内已知矿床特征构建的典型矿床成矿要素进行信息优化和筛选，最终圈定出铀矿找矿靶区6处。预测结果与已知矿床(点)叠加分析表明，研究区内已知矿床(点)均落在预测区内，套合比较理想。并在野外工程验证中发现了较好的铀矿(化)体，证明本次成矿预测采用的方法及模型正确、有效，所得成果可为盆地内未来砂岩型铀矿勘查工作提供理论依据。