砂岩型铀矿航放铀含量与微地形相关性特征研究

田宇，常树帅，刘丹，陈江源，魏永强

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄，050002；2.国家核应急航空监测中心，河北 石家庄，050002；3.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，河北 石家庄，050002）

2019 年，中国核工业地质局下达了“二连盆地地质资料综合开发利用及编图”项目，该项目的工作内容包括航磁、航放数据集成处理，并进行综合成矿预测。在对已知砂岩型铀矿与航放数据进行叠加分析时，发现并非所有铀矿都位于航放高场内，还有部分铀矿位于航放高场边缘；而在数字高程模型（DEM）数据上，绝大部分铀矿处于地形由高向低变化部位或处于相对坡底部位（图1）。受微地形的影响，已知铀矿区航放铀含量分布特征更为复杂。为分析产生上述情况的原因，以及充分挖掘航放数据与DEM 数据所蕴含的与成矿有关信息，笔者试图通过对航放铀含量与微地形进行相关分析，在航放资料处理解释方面进行探讨，以期深化对航放异常的认识，更好地提高航放测量的地质效果。

图1 二连盆地乌兰察布坳陷航放铀含量与DEM 数据叠合影像图Fig.1 The superimposed image of airborne uranium content and DEM data in Ulanchabu depression of Erlian basin

1 研究基础

1.1 微地形定义及其研究意义

微地形简而言之就是地表的微弱起伏，即相对高程变化小的一种起伏地表，在此特指1 km 范围内的地形变化不超过50 m。对于砂岩型铀矿而言，其主要产于长时期接受沉降且成矿后构造运动并不强烈的盆地内，因其地表起伏并不强烈，所以应用了微地形概念用以研究其与砂岩型铀矿成矿之间的关系。

砂岩型铀矿是外生后成铀矿床，根据砂岩型铀矿成矿模式，含铀含氧水沿砂岩层向前运移过程中，不断消耗氧而使铀沉淀下来形成主要铀矿体，或深部的油气通过断裂到达砂岩层，使原有的氧化环境变成还原环境沉淀出部分铀矿体［1-3］。对于外生成矿来说，无论是什么类型的矿床，尽管其具体的成矿作用各不相同，但总的来说都是以水作为载体对铀矿质从源、迁移、汇（成矿）到保存4 个环节相互嵌套的动力学过程［4］，而地表水及潜水的发育及流动与原始地形地貌密切相关。

我国北方主要产铀盆地砂岩型铀矿的成矿年龄都比含矿层位的沉积时代年轻很多，成矿时代大部分集中在古近纪和新近纪，部分盆地的成矿时代延伸至了第四纪，具有“幕式”及多阶段特征［5-6］。因此，可以推断现代地形地貌对于砂岩型铀矿的富集成矿有潜在的影响。

近年来，相关学者也曾利用数字高程模型（DEM）数据进行过铀成矿规律的研究，如核工业二七〇研究所张万良等人基于DEM 的面积-高程曲线计算，研究了硬岩型铀矿相山铀矿田地貌形体与铀矿空间分布关系，并得出了铀矿空间分布与地貌形体有一定关系的结论，即铀矿床矿点的分布与地表侵蚀程度有关［7］。东华理工大学孙岳等人研究了乌兹别克斯坦中卡兹库姆地区砂岩型铀矿与DEM 数据之间的空间关联，利用DEM数据提取了高程、坡度、坡向、地形起伏度等各类地貌因子，并进行了定量分析，研究结果表明中卡兹库姆地区砂岩型铀矿发育于Ⅳ级夷平面附近、集中于低海拔和低地形起伏度的有利区域，并根据地貌因子圈定了砂岩型铀矿赋存的有利区域［8］。

1.2 相关分析理论基础

相关分析在此指相关系数分析。相关系数是一个界于-1 与＋1 之间的无量纲指数，反映两个数据集合之间的线性相关程度。相关系数大于零，表示两变量正相关，因变量有随自变量同步增加或同步减少的趋势。相关系数小于零，表示两变量负相关，因变量有随自变量增加而减少（或因变量随自变量减少而增加）的趋势。公式为：

式中：r为相关系数值；x1，x2为相关分析的两变量；n为对比取样点个数，即匹配数。

相关分析是放射性物探工作中常用的一种数理统计方法，用以研究某一变量与其他变量之间的关系。例如岩石或矿石中铀与钍之间的关系，放射性元素与其他伴生元素之间的关系，两个钻孔的测井资料的对比、地层剖面对比、钻孔柱状图的对比等。

2 砂岩型铀矿航放铀含量与微地形相关分析

既然已知铀矿区受微地形的影响，航放铀含量可能显示为高场，也可能显示为高场的边缘，使铀元素分布特征复杂化。那么究竟已知铀矿区航放铀含量与微地形存在怎样的关系就值得深入探究。以二连盆地已知的砂岩型铀矿为研究对象，采用相关性分析法对航放铀含量及微地形的相关性进行了探索实验，以期总结已知铀矿航放铀含量与微地形的特征关系，并据此对成矿有利区的划分提供指导。

2.1 相关系数提取方法

2.1.1 航放数据来源

本次采用的数据来源于核工业航测遥感中心于1979—2018 年间在二连盆地飞行获取的航放数据，因不同时期使用的测量仪器、比例尺、测线方向等均不尽相同，所以对各测区的数据进行了连片及调平处理，并形成了全区的网格文件。

2.1.2 地形数据来源

地形数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台（http：//www.gscloud.cn），以平台中的ASTER GDEM V2版数据为基础，其空间分辨率为30 m，并将获取的地形数据转换为网格文件。

2.1.3 相关系数提取

首先，生成南北向500 m 线距、50 m 点距的测线文件，并据此提取了测线上的航放铀含量及地形高程数据；其次，利用自编软件，逐测线进行航放铀含量与地形高程相关系数计算，将计算结果进行网格化，从而形成全区的相关系数网格文件，进而提取已知铀矿位置的相关系数。因使用滑动窗口法求取每条测线的相关系数，所以滑动窗口的宽度选择对计算结果有较大的影响，本次分别选取了3 km、5 km、7 km、10 km 窗口宽度的相关系数进行实验，用以分析最佳的滑动窗口宽度。

2.2 二连盆地典型矿床分析

2.2.1 脑木根地区

脑木根矿床及137、701 矿化点均处于高海拔地区向低海拔地区过渡的斜坡带上，其中脑木根矿床略接近于坡底（图2A）。从航放铀含量剖面上可以看出（图2B），脑木根矿床处于平缓背景场向高场变化的梯度带上，背景场的铀含量在1.8 ×10-6左右，坡底位置对应的铀含量最高，可达5.7×10-6；137 及701 矿化点处于高场向背景场的过渡地段，并有微弱的局部异常显示，铀含量分别为2.24×10-6、2.39×10-6。在相关系数曲线上，当滑动窗口宽度为3 km时，曲线形态较为杂乱，规律性差；滑动窗口在5～10 km曲线上均表现为负相关关系，尤以7 km及10 km窗口曲线对区域性相关性反映的最为明显，相关系数介于-0.8～-0.5之间（图2C、D、E、F）。

图2 脑木根地区航放铀含量与微地形相关系数综合剖面图Fig.2 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Naomugen area

2.2.2 努和廷地区

努和廷矿床及217、240 矿化点同样处于高海拔地区向低海拔地区过渡的斜坡带上，其中努和廷矿床略接近于坡底（图3A）。在航放铀含量剖面上（图3B），努和廷矿床及217、240 矿化点均表现为低背景场中的局部弱异常，其铀含量分别为1.49×10-6、1.86×10-6、1.75×10-6，异常特征不显著。在滑动窗口3 km 及5 km 相关曲线上努和廷矿床从正相关关系向不相关关系变化，217 及240矿化点则表现为明显的负相关关系；在5～10 km滑动窗口相关曲线上，努和廷矿床则表现为负相关关系，其中滑动窗口10 km曲线将217矿化点的相关系数由负相关转变为了正相关，这是由于滑动窗口宽度的变大对局部曲线形态造成的影响；尤以7 km 窗口曲线对区域性相关关系反映最为明显，其相关系数介于-0.6～-0.3（图3C、D、E、F）。

图3 努和廷地区航放铀含量与微地形相关系数综合剖面图Fig.3 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Nuheting area

综上分析，二连盆地典型铀矿床航放铀含量与微地形的相关系数主要介于负相关-不相关之间，即已知铀矿往往分布于局部地形低、航放铀含量高的地区或局部地形高、航放铀含量低的地区，说明这些地段分布较多的活性铀或说明铀表生迁移能力强。3 km 及5 km 窗口曲线较为凌乱，而7 km 及10 km 对区域性相关关系反映最为显著，由此认为7 km 或10 km 滑动窗口圈定的负相关区域可以作为成矿有利区。

利用10 km 滑动窗口编制了二连盆地航放铀含量与微地形相关系数影像图（图4），从图中可以看出，绝大多数铀矿处于航放铀含量与微地形的负相关区内，且负相关区的分布区域与主要的含矿砂体分布区域具有较强的关联性。

图4 二连盆地航放铀含量与微地形相关系数影像图Fig.4 Image map of the correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Erlian basin

3 航放铀含量与微地形负相关区形成机理分析

实践证明，虽然砂岩型铀矿床是隐伏盲矿，其上覆盖较厚（特别是有致密的隔水泥岩），但当其埋深较小时（一般小于500 m），仍然能在地表或空中观测到弱放射性异常显示，即高精度航放测量能探测到这种微弱变化［9］。航放测量之所以能够探测到微弱的异常，是由于航放主要探测铀与氡的共同衰变子体214Bi的γ 射线，其母体的运移机制适用于超微量金属的地气运移机理和氡的接力迁移理论［10-15］（图5）。通过地气携带的“纳米级”铀等微粒在地表局部形成富集，从而被航放测量探测到，而富集在地表的微粒容易受到机械搬运及化学搬运的影响，由高程相对较高地区向较低地区进行横向运移，这也正是部分航放异常区域与铀矿体在地表投影位置有一定偏移的原因。

图5 砂岩型铀矿与航放铀含量、微地形关系模式图（据参考文献［15］修改）Fig.5 The relationship between sandstone-type uranium deposits and airborne uranium content and micro-topography（modified after reference［15］）

通过对砂岩型铀矿与航放铀含量、微地形的综合分析可以看出，他们之间存在三种关系（图4）。一是铀矿处于斜坡带上，由超微量金属的地气运移机理可知，在地表富集的铀等放射性微粒可形成航放异常，但同时在受到表生作用的影响下，放射性微粒会随地形变化而迁移，在航放异常曲线上则表现为非对称形态，即地形高的一侧较陡，地形低的一侧较缓，而在相关系数曲线上会展现出较弱的负相关关系；二是矿床处于坡顶位置，地表虽有放射性微粒富集，但由于表生作用强烈，放射性微粒大多由地形高的区域向地形低的区域进行了迁移，此时在航放铀含量曲线上会出现略低于其背景场的特征，在等值线平面图上则处于高场或偏高场的边部，在相关系数曲线上表现为负相关关系；三是矿体处于坡底，此种情况下上升至地表的放射性微粒直接在坡底富集，并且还会接受周边铀元素的迁移富集，此时在航放铀含量曲线上会有明显的异常显示，在相关系数曲线上则表现为明显的负相关关系。

4 负相关在其他盆地砂岩型铀矿的验证

为了验证其他盆地的砂岩型铀矿是否也处于航放铀含量与微地形的负相关带内，选取了我国北方的鄂尔多斯盆地及松辽盆地内的典型砂岩型铀矿进行了验证分析。

4.1 鄂尔多斯盆地大营-柴登壕地区

大营-柴登壕地区内的矿床及矿化点所在位置的地形较其周边变化不大，约有50 m 左右的高差（图6A）。在航放铀含量剖面上（图6B），72 矿化点有微弱的异常显示，铀含量为2.79×10-6，大营、柴登壕矿床及5029 矿化点均处于背景场中，无明显异常显示，背景场的铀含量在2.0×10-6左右。从相关系数曲线上可以看出，滑动窗口为3 km 时，72 矿化点及大营矿床表现为负相关关系，柴登壕矿床及5029 矿化点表现为不相关（相关系数接近于0），在5～10 km 窗口曲线上，除柴登壕矿床外，其他矿床、矿化点均表现为负相关关系，柴登壕矿床则表现为不相关（图6C、D、E、F）。

图6 大营-柴登壕地区航放铀含量与微地形相关系数综合剖面图Fig.6 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Daying-Chaidenghao area

4.2 松辽盆地钱家店-大林地区

从钱家店-大林地区航放铀含量与微地形相关关系综合剖面图可知，钱2 及钱4 矿床所在位置的地形较为平缓，大林矿床所在位置的地形较其周边约有30 m 左右的高差（图7A）。钱2 及钱4 矿床处于背景场中、无明显异常显示，铀含量在1.5×10-6左右，大林矿床则有明显的异常显示，铀含量达3.05×10-6（图7B）。在相关系数曲线上，钱2 矿床在3～10 km 窗口曲线上均表现为负相关关系，钱4 及大林矿床在3 km 及5 km 窗口曲线表现为不相关，在7 km 及10 km 窗口曲线上则表现为负相关关系（图7C、D、E、F）。

图7 钱家店-大林地区航放铀含量与微地形相关系数综合剖面图Fig.7 Comprehensive sections of correlation coefficient between airborne uranium content and micro-topography in Qianjiadian-Dalin area

从鄂尔多斯盆地及松辽盆地典型砂岩型铀矿航放铀含量与微地形相关分析结果可以看出，已知砂岩型铀矿区域同样出现了航放铀含量与微地形的负相关区，说明了负相关区对砂岩型铀矿的赋存具有一定的指示意义，这为砂岩型铀矿成矿预测提供了十分有参考价值的信息。

5 已知铀矿航放铀含量与微地形相关性统计分析

通过提取二连、鄂尔多斯及松辽盆地砂岩型铀矿床、矿（化）点、异常点的相关系数进行统计分析，进一步说明利用相关系数划分成矿有利区的有效性。

本次使用10 km 窗口进行微地形与铀含量的相关关系计算，据此提取了二连、鄂尔多斯及松辽盆地170 个砂岩型铀矿床、矿（化）点、异常点的相关系数。经统计，铀矿床、矿点、矿化点及异常点的相关系数平均值分别为-0.22、-0.20、-0.20及-0.17（表1）。

表1 铀矿航放铀含量与微地形相关系数统计表Table 1 Correlation coefficient between airborne uranium content of uranium mineralization and micro-topography

从相关系数分布直方图中可以看出（图8），相关系数-1～0 之间的铀矿床有12 个，占总数的80 %；相关系数-1～0 之间的铀矿点有11个，占总数的73.30 %；相关系数-1～0 之间的铀矿化点有28 个，占总数的59.6 %；相关系数-1～0 之间的铀异常点有62 个，占总数的66.7 %；同时，处于负相关区内的矿床、矿（化）点等共有113 个，占总数的66.5%。据此说明绝大多数铀矿处于航放铀含量与微地形的负相关区域内，表明利用负相关区域划分成矿有利区具有一定有效性。负相关的铀矿床及矿点所占比例显著高于负相关的铀矿化点及异常点所占比例，推断为矿化点及异常点的规模较小、铀迁移量少，导致其在航放铀含量曲线上反映不明显所致。

图8 相关系数分布直方图Fig.8 Histogram of correlation coefficient

6 结论

本论文仅是针对砂岩型铀矿空间分布与航放铀含量、微地形之间关系的一次探索性研究工作。研究结果表明，砂岩型铀矿与航放铀含量、微地形的负相关区具有空间关联，对寻找砂岩型铀矿具有一定的指示意义；相关分析最佳的滑动窗口宽度为7 km 或10 km；当前利用航放数据进行砂岩型铀矿成矿预测时主要依靠航放弱信息提取技术，相关分析可作为一种补充手段与弱信息提取技术结合预测。