松辽盆地西南部宝龙山铀矿三维地质建模

耿英英，刘章月，2，黄少华，何中波

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083）

铀资源是我国核工业发展的基础原料，也是我国不可或缺的战略资源［1-3］。新时代对铀资源安全的保障工作，在充分利用海外资源的同时，首先要立足国内，加大勘查力度，增强资源储备。我国铀资源较为丰富，矿床类型多样，目前已查明的铀资源主要以砂岩型、花岗岩型、火山岩型和碳硅泥岩型为主。已探明的砂岩型铀矿有50余个，主要分布在北方沉积盆地［4-5］，砂岩型铀矿数量占铀矿床总数的14.5%，但其资源量则占总探明资源量的43.1%。

典型的砂岩型铀矿床成因模式为层间氧化带型，可以描述为：来源于蚀源区的含氧含铀氧化水流经盆地中的还原性砂体时，使砂体产生氧化，在氧化还原前锋线处氧化态铀被还原沉淀，形成矿体，矿体形态一般呈卷状或不规则的卷曲状，在空间位置上，一般产于盆地边缘斜坡带地下水“补-径-排”体系中的径流区。而宝龙山铀矿床则明显有别于典型层间氧化带型铀矿床，其是在盆地腹部隆起带发育，形态主要呈板状的砂岩型铀矿床。该类形态的铀矿床地质结构复杂，在勘探工作中难以观察分析和控制砂体、层间氧化带、氧化还原过渡带、矿体的空间展布与位置等条件。三维建模技术能够将地下地质构造直观地展示出来，便于研究人员更直接地了解地下复杂的地层、矿体展布及其空间特征，从而为进一步的成矿预测提供技术上的支持。

近年来，在IAEA 的支持下，国际铀矿三维建模技术迅速发展，而我国铀资源勘查技术还处于二维阶段，三维地质建模与可视化技术在铀矿领域尚处于探索阶段［6-10］。本文以松辽盆地宝龙山典型铀矿床为研究对象，依托三维矿业工程软件（3Dmine）和综合地质与储层建模软件平台（GoCad），采用三维可视化地质建模技术，开展多尺度三维综合地质建模，揭示了砂岩型铀矿床的成矿环境和成矿地质条件，为我国铀资源定量预测评价工作提供技术支撑。

1 区域地质背景和矿床地质

1.1 区域地质背景

松辽盆地是一个大型内陆“断-坳”双层结构的陆相盆地［11］，盆地内多处发现铀异常。作为勘查重点，前人已对位于盆地西南缘的开鲁坳陷与西南隆起过渡部位的宝龙山矿区进行了详细研究［12-17］。研究区包括乌兰花凸起、钱家店凹陷和架玛吐隆起3 个次级构造单元（图1 a）。主要发育3 组不同方向的断裂，其中近东西向的西拉木伦河断裂被后期NE、NNE 向断裂错位。这些晚期断裂作为开鲁坳陷的控盆构造，控制了凹陷的空间展布形态。开鲁坳陷呈现典型的“下断-上坳”的结构，钱家店凹陷位于开鲁坳陷的东北部，为开鲁坳陷内的次级构造单元，在空间上呈NNE-NE 向狭窄条带状展布。宝龙山铀矿床位于钱家店凹陷北端［13］，钱家店凹陷出露地层自下而上依次为白垩统青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）和第四系（Q）。其中姚家组为主要含矿层位，可分为上下两段，下段为辫状河道沉积环境，是主要赋矿层，岩性以中-细砂岩为主，含有少量粗砂岩及砾岩，常见泥岩透镜体夹层。地层中发育的砂体为铀成矿提供了良好的成矿环境。

1.2 矿床地质

宝龙山铀矿床为近年来在松辽盆地落实的一处中型可地浸砂岩型铀矿床，位于松辽盆地西南缘钱家店凹陷北端、白兴吐构造天窗的东翼［11，13］（图1 b）。赋矿层为姚家组下段，岩性为一套干旱气候条件形成的辫状河相杂色碎屑岩建造，其中下部氧化还原过渡带内的灰色砂岩是铀矿化的直接储层，工业铀矿体均产于上、下两层氧化带之间的氧化还原过渡带的灰色砂体中。

图1 松辽盆地西南部大地构造位置（a）及宝龙山铀矿地质图（b）（据参考文献［15］修改）Fig.1 Tectonic map of the southwestern Songliao Basin（a）and geological map of the Baolongshan uranium deposit（b）（modified from［15］）

晚白垩世嫩江运动后，构造运动方式由张性转为压性、压扭性，产生挤压褶皱及断裂（F1、F2、F3和F4），这一期构造反转使得断裂的上盘由于挤压、牵引作用，形成规模较大的背斜隆起，由于隆升过程中的张应力和风化剥蚀作用，造成地层剥蚀，以含矿层姚家组为代表的下部层位被长期剥露地表，形成白兴吐剥蚀天窗构造，构造天窗呈NE向展布，长约17 km，宽约10 km，面积约170 km2。而同期及其派生的断裂构造切穿基底，沟通了深部流体，在矿区及周边形成大量NE 向展布的呈岩枝（墙）状穿插在姚家组中的辉绿岩体。前人获得该区辉绿岩脉的年龄主要集中在45.8～53 Ma之间［18-19］，略早于宝龙山铀矿区的主成矿阶段（28～53 Ma）［20］，辉绿岩的侵入不仅会导致大量的还原性热流体上升进入含矿砂体，为后生砂岩型铀成矿的进行提供还原剂，本身亦可作为良好的滞水层，延长水-岩反应时间，使大量的铀聚集在灰色残留砂体周边沉淀富集［21-23］，形成架玛吐古隆起西侧长达十几公里的铀矿化带。

2 多源数据预处理及三维建模流程

2.1 多源数据预处理

本文采用法国NANCY 大学开发的综合地质与储层建模软件平台（GoCad）进行三维可视化地质建模。GoCad 是以工作流程为核心的新一代地质建模软件，实现了高水平的半智能化建模，具有功能强，界面友好，易学易用，并能在几乎所有硬件平台上（Sun，SGI，PC-Linux，PC-Windows）运行的特点［24-25］。离散平滑内插方法（Discrete Smooth Interpolation，简称DSI）是GoCad 地质建模软件的核心技术，具有如自由选择格网模型、自动调整格网模型、实时交互操作、能够处理一些不确定的数据等优点，这些优点使其在地质建模和可视化中占有重要的地位［9］。

本次收集到的松辽盆地西南缘宝龙山铀矿床主要资料包括：区域地质图、工程布置图、钻孔岩心资料、勘探线剖面图以及其他相关的原始地质资料。这些资料因来源单位不同、时间跨度大、规范不统一等原因，导致获取的数据具有多源、多尺度、多分辨率等特点，为了充分利用已有数据，需依照建模软件所支持的格式，将原始数据进行规范化数据预处理，导入GoCad 综合地质与储层建模软件平台，构建综合地质数据库，针对不同控矿要素和数据情况，基于3S 技术、数据库技术、三维可视化技术和虚拟实现技术，构建研究区钻孔、构造-地层、层间氧化带、矿体等三维模型，实现各地质体、构造系统的三维空间展布。

2.2 建模流程

基于钻孔数据和系列勘探线剖面的构造-地层格架建模，可以采用层面建模和岩（矿）体建模相结合的方法［26-27］。这种方法即适合小比例尺、大范围的区域三维地质建模，也适用于大比例尺、铀矿床的三维模型构建。

建模流程如下：

首先，从钻孔岩心资料内提取钻孔位置信息表和钻孔属性表等，钻孔位置信息表用于存放钻孔位置信息，包括定位表、测斜表，钻孔属性表包括地层表、岩性表、层间氧化带表、矿体品位表等，将信息表按规范整理成表文件并导入GoCad 软件内，建立钻孔数据库，提取地层、岩性离散点；

第二，逐一从勘探线剖面图内提取地层、氧化还原过渡带、矿体及断层的轮廓线框，根据空间位置、几何形态及钻孔信息，对建模层面进行约束；

第三，根据氧化还原过渡带、矿体及断层等线框，依次在相邻两个轮廓线框之间构建出实体三角网。若线框几何形态差别过大，可在相邻线框之间增加多条辅助线框；

第四，氧化还原过渡带、矿体等闭合线框进行封闭处理，边界线框进行外推封闭处理，形成一个封闭的空间，完成氧化还原过渡带、矿体模型；

第五，在断层等开放线之间构建实体三角网，完成断层面模型；

第六，对面模型的有效性和封闭性进行校验，得到最终的面模型和实体模型（图2）。

图2 三维综合地质建模流程Fig.2 Flow chart of 3D integrated geological modeling

3 白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层三维重建

这是小比例尺的区域性概略三维构造-地层-矿体格架建模，目的是通过分析和重建宝龙山矿区内白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层的地质结构，揭示宝龙山铀矿床的构造环境和沉积环境，及其对铀矿床的控制作用（图3）。

图3 白兴吐构造剥蚀天窗-构造地质剖面示意图（据参考文献［20］修改）Fig.3 Structural profile of the Baixingtu structural denudation window（modified from［20］）

松辽盆地白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层三维地质模型显示了嫩江运动使控盆断裂再次活化，并发生构造反转，使矿区地层大幅度抬升，形成白兴吐剥蚀天窗构造和独特的水文地质环境，控制着层间氧化带和铀矿化的发育（图4）。

图4 白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层三维地质模型Fig.4 Structural-stratigraphic 3D geological model of the Baixingtu structural denudation window

4 宝龙山铀矿床三维建模及可视化

4.1 钻孔模型

钻孔岩心数据是三维地质建模的重要资料，数据内容主要为钻孔位置信息表、钻孔属性表等［9，28］。钻孔位置信息表用于存放钻孔位置信息，包括定位表、测斜表，钻孔属性表包括地层表、岩性表、构造表、矿体品位表、氧化蚀变表等，导入GoCad 软件平台，在后期对象建模中约束层面，保证建模质量（图5）。

图5 宝龙山铀矿床三维钻孔模型Fig.5 3D drilling model of the Baolongshan uranium deposit

4.2 氧化还原过渡带模型

矿区的氧化砂体总体呈NE-SW 向展布，可明显地分为两个独立单元：一是受白兴吐构造剥蚀天窗控制的氧化砂体，向SW向延伸而向剥蚀天窗区呈减薄尖灭趋势，表明层间氧化作用向天窗减弱；二是架玛吐隆起控制的厚度薄的氧化性砂体，南起架玛吐隆起，尖灭于反转构造轴部东侧（图6）。且区内铀矿床具有自身的成矿地质特征［15］，即发育上下两层红色氧化带，上厚（60～100 m）、下薄（10～20 m），矿体均呈平躺的板状、层状产于红色氧化带与灰色原生带过渡部位——氧化还原过渡带内［11］，具有“两红夹一灰”的典型成矿特征。因此，该区三维地质建模选择氧化还原过渡带作为控矿要素，构建氧化还原过渡带模型。由于氧化还原过渡带的发育明显受地层、砂体展布和架玛吐隆起的控制，因而用层状岩体来构建氧化还原过渡带模型（图7）。

图6 宝龙山铀矿床氧化还原过渡带与矿体展布平面图（据参考文献［29］修改）Fig.6 Redox transitional zone and orebody distribution map of the Baolongshan uranium deposit（modified from［29］）

图7 宝龙山铀矿床氧化还原过渡带与矿体空间关系图Fig.7 The spatial relation of the redox transitional zone to orebody of the Baolongshan uranium deposit

4.3 矿体模型

宝龙山铀矿床在姚家组下段主要发育2 层矿体［30-31］，分别赋存于含矿层的下部（I 号矿层）和含矿层上部（II号矿层），其中I号矿层矿体长约4.2 km，宽100～500 m，埋深309～350 m，厚度1.10～24.75 m；II 号矿层矿体整体呈近NW向展布，长约180～1 200 m，宽100～200 m，埋深255～289 m。区内铀矿床形态简单且差异较小，以板状、饼状，似层状、透镜状为主，在实际建模流程中一般会对小型矿体进行合理归并（图8）。依据勘探线剖面图提取的矿体线框，构建矿体的实体模型能更直观形象的展示矿体的产状、空间形态及其与辉绿岩体等其他地质实体之间的三维空间展布特征，为该类型铀矿床的成矿预测提供依据（图9）。

图8 松辽盆地宝龙山铀矿床33 号勘探线剖面示意图（据参考文献［30］修改）Fig.8 Schematic section of the exploration line 33 of the Baolongshan uranium deposit in Songliao Basin（modified from［30］）

图9 宝龙山铀矿体三维模型Fig.9 3D model of the ore body in Baolongshan uranium deposit

5 对成矿远景的指示

构造剥蚀天窗-构造-地层模型可以清晰直观的展示剥蚀天窗、构造及地层的空间分布特征，了解有利成矿层位的相应位置及深度，结合成矿规律及有利于成矿的构造部位，进而圈定成矿远景区。氧化-还原过渡带模型和矿体模型可以直观地展示氧化-还原过渡带的范围及其与矿体之间的相互关系，根据矿体的三维展布情况、矿石品位及成矿预测模型，能够为铀资源的定量预测提供依据。根据宝龙山铀矿床的三维地质模型，依托三维可视化技术，结合地质背景和成矿规律，认为该区沿构造剥蚀天窗具有较好的找矿前景。

6 结论

本文以宝龙山铀矿床为例，开展多尺度建模方法，对白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层和宝龙山铀矿床进行三维地质建模研究。不同的三维地质模型具有不同的用途和不同的精细程度：小比例尺的白兴吐构造剥蚀天窗-构造-地层三维地质模型，概略的展示了宝龙山铀矿区关键的控矿要素、铀矿形成时的具体构造和成矿环境；大比例尺的宝龙山铀矿床三维地质模型，展示了铀矿床的结构特征、矿体形态，以及氧化还原过渡带与矿体的空间展布特征。这有助于更详细的认识宝龙山铀矿床的成矿机制、控矿要素和分布规律，为宝龙山矿区砂岩型铀矿的三维成矿预测提供技术支撑，同时还能够为该类铀矿床的深部预测提供参考。