鄂爾多斯盆地南部彬長地區砂巖型鈾礦三維地質建模及意義

曹珂，朱鵬飛，阿的阿加，劉琳瑩，白蕓，王思宇，尹錦宇，孔維豪

（1.核工業北京地質研究院，北京 100029；2.中國地質大學（北京），北京 100083；3.中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心，北京 100055）

鈾礦是我國經濟發展和國防建設的重要礦產資源，是發展核工業的基礎原料和戰略資源［1-3］。我國鈾礦床類型主要為砂巖型、花崗巖型、火山巖型和碳硅泥巖型，其中砂巖型鈾礦是所有鈾礦類型中經濟成本最低的一種。近年來先后在鄂爾多斯盆地東部、北部和中部多個地區相繼發現了多個大型砂巖型鈾礦［4-7］。前人對鄂爾多斯盆地鈾礦的研究主要集中在盆地北部、東部，特別是盆地北部東勝地區，然而對盆地南部鈾礦床的研究及找礦勘查工作相對薄弱，缺乏系統性和綜合性的研究。

隨著找礦勘查及預測研究的不斷深入，傳統的二維找礦方法在尋找深部隱伏礦體過程中遇到更多的困難和巨大的挑戰。三維地質建模技術的發展為打破深部找礦預測困局提供了新的機遇和技術手段。通過建立三維數字地質模型可以進行多源地學信息融合和綜合表達，實現區域或礦床的數字化、可視化，進行找礦異常信息的分析和定量提取，挖掘礦床深部及外圍隱伏礦體，從而達到深部找礦預測的目的［8-11］。因此，開展大比例尺三維地質建模研究工作對于已知礦床深部及外圍尋找深部隱伏礦體及找礦預測研究具有重要的意義。

隨著我國找礦勘查及找礦預測研究的不斷深入，近些年來在鄂爾多斯盆地的邊緣相繼發現了一系列砂巖型鈾礦床［5-7］，表明盆地的邊緣具有優越的成礦地質條件，是尋找隱伏砂巖型鈾礦的有利地區。然而受多方面不確定因素影響，前期有關砂巖型鈾礦找礦工作主要集中于盆地的北部和西北部，而盆地南部找礦預測研究相對薄弱。近年來隨著鈾礦找礦研究工作的加強，在盆地南部黃陵-焦坪-彬縣一帶發現店頭砂巖型鈾礦床及焦坪、廟灣、炭店等鈾礦點，賦礦砂體位于中侏羅統直羅組下段［12］。因此，本文擬在對鄂爾多斯盆地南部砂巖型鈾礦成礦地質特征、礦床成因、成礦規律等方面認識的基礎上，選取鄂爾多斯盆地南部具有良好的砂巖型鈾礦成礦潛力的彬縣-長武（簡稱“彬長”）地區為研究區，開展砂巖型鈾礦三維地質建模研究，以便更直接地了解地下復雜的地層、構造及礦體空間分布特征，以期為該區域下一步鈾礦勘查及找礦預測研究等工作提供新的證據。

1 研究區地質概況

鄂爾多斯盆地是以太古代—早元古代基底發育而來的克拉通盆地，盆地邊緣主要經歷了寒武紀—早奧陶世離散邊界克拉通盆地、中奧陶世—中三疊世匯聚板塊邊界克拉通盆地及晚三疊世—早白堊世殘余克拉通盆地等3 個主要盆地演化階段［13-15］。盆地特定的地質發展歷史造就了其獨特的盆地結構，總體上可劃分為3 個大的構造層：太古界和下元古界變質結晶巖系構成的下部構造層（華北地臺的結晶基底），中元古界—古生界地臺型海相、海陸交互相碳酸鹽巖建造和碎屑巖建造構成的中構造層（中新生代陸相沉積盆地的直接基底），以及中、新生界碎屑巖建造及含煤建造構成的上構造層（盆地蓋層）。鄂爾多斯盆地富集石油、天然氣、鈾礦等諸多能源礦產，是我國重要的能源產地之一［3-4］，特別在盆地的邊緣相繼發現了一系列砂巖型鈾礦床［5-7］，具有優越的成礦條件，是尋找隱伏砂巖型鈾礦的有利地區。

彬長地區所處的鄂爾多斯盆地基底為太古代—早元古代變質巖、混合巖、花崗片麻巖等，以酸性、中酸性巖為主，具有較高的鈾豐度。盆地的蓋層主要由侏羅系（J）和白堊系下統（K1）、古近系漸新統（E3）、新近系上新統（N2）、第四系（Q）構成，其中侏羅系和白堊系是盆地沉積蓋層主體。侏羅系自下而上分為下侏羅統富縣組（J1f），中侏羅統延安組（J2y）、直羅組（J2z）及安定組（J2a），主要為一套地臺型海相、海陸交互相碳酸鹽巖建造和碎屑巖建造。其中中侏羅統直羅組（J2z）和延安組（J2y）常發育鈾礦（化）體，具有明顯的層控型特征。

彬長地區主要發育NE 和NW 向斷裂，其中NE 向為主干斷裂，控制著區域鈾礦床的分布（圖1）。構造運動以平穩的升降運動為主，主要表現為一個總體向NW 傾斜，傾角平緩（約10°～20°）的單斜構造，其中斜坡帶上寬緩的背、向斜有利于地下水滲入，是成礦的部位。

圖1 鄂爾多斯南部彬長地區地質簡圖（據文獻［16］修改）Fig.1 Geology sketch of Binchang area of the southern Ordos Basin（modified after reference ［16］）

鄂爾多斯盆地及周邊巖漿巖具有多期次，多階段演化的特點，主要為元古代、早古生代、晚古生代及中生代酸性、中酸性巖類。其中盆地東北緣出露晚侏羅世富鈾中酸性火山巖，是區域上含礦建造（J2z）鈾成礦的外部鈾源之一。鄂爾多斯盆地為一向斜自流水盆地，地下水接受周緣山系地下水的補給并向盆地徑流、排泄，具有完整的補給、徑流、排泄系統。盆地在J3、K2、E2—E1和N1時期出現沉積間斷，屬于滲入型水動力盆地發育期，到了第四紀由于新構造運動轉變為開放滲出型盆地發育期。在沉積間斷、構造抬升掀斜期，形成了次造山作用地帶的構造斜坡帶，盆地以適度抬升為主，發生滲入作用。水由補給區地表或斷裂滲入含水層形成地下徑流，礦化度逐步增高，氧在徑流中消耗，形成層間氧化帶和鈾礦化。因此鄂爾多斯盆地具備良好的鈾成礦的水文地質條件。

2 三維地質模型構建

綜合考慮研究區賦礦層（J2z1）的層位、控礦構造的展布及成礦期沉積相位等因素，結合已收集到的鉆孔、勘探線剖面等綜合資料，選取面積為3 180 km2的矩形區域（圖1）為建模區，深度為地表以淺1 600 m（海拔范圍為-300～1 300 m）。

2.1 建模平臺及多源數據處理

將收集到的彬長地區鈾礦相關的地質、物探、化探、遙感等資料進行預處理，為三維綜合地質建模做數據準備。主要將收集到的研究區相關的資料進行數字化、格式化、規范化處理，將其整理成建模所需要的統一數據格式以待建模。本文選取SKUA-GOCAD 軟件平臺開展三維地質建模，該軟件具有強大的三維建模、可視化、地質解譯和分析功能，已廣泛應用于采礦、石油勘查、地球物理工程等領域［17-21］。本文將收集處理的有關彬長地區鈾礦床的基礎地質數據導入到SKUA-GOCAD 軟件中，并使用該軟件建模功能建立了地形地貌模型、鉆孔模型、地層模型、斷裂構造模型、含礦目的層直羅組下段辮狀河推測河道中心線模型、氧化—還原過渡帶模型、礦體模型。

2.2 地形地貌模型

地形地貌模型可真實地反映出研究區地表地形特征，本文建模采用研究區高程數據DEM（30 米分辨率）生成?；赟KUA-GOCAD 軟件，利用等高線數據構建地形模型，并用數字地形模型（Digitial Territory Mode，簡稱DTM）來表達。利用軟件的面集（Surface）構建保證了所建層面的光滑度和真實度。利用插值功能生成研究區地形，并利用已知鉆孔坐標進行表面擬合，使其無限接近真實地表形態，建立了地形地貌模型（圖2）。

圖2 鄂爾多斯南部彬長地區地形地貌三維模型Fig.2 Terrain and landform 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.3 鉆孔實體模型

本次研究共收集341 個鉆孔的數據，主要為煤田鉆孔，將這些鉆孔數據編錄整理后導入建模軟件，在軟件中通過數據處理生成鉆孔數據庫，建立鉆孔實體模型（圖3）。

圖3 鄂爾多斯南部彬長地區鉆孔三維模型Fig.3 The borehole 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.4 地層模型

在SKUA-GOCAD 軟件中利用鉆孔數據建立地層模型，首先將鉆孔數據庫里的分層數據導入到建模軟件，并利用克里金插值法對原始分布不均勻的數據進行加密處理，生成地層的頂底面，利用這些層面建立彬長地區地層模型（圖4）。

圖4 鄂爾多斯南部彬長地區地層三維模型Fig.4 The stratum 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.5 褶皺模型

彬長地區地層整體產狀穩定，以發育寬緩褶皺為主，在褶皺形成過程中巖層的連續性未受到明顯的破壞。研究區中侏羅統直羅組（J2z）形成的褶皺是鈾礦的重要控礦要素，為鈾礦賦存提供了良好的空間。區域成礦特征顯示，彬長地區鈾礦主要賦存于向斜的核部和兩翼。因此，本文根據地層剖面中褶皺的樞紐、轉折端等信息，提取了直羅組向斜核部和兩翼的形態（圖5）。

圖5 鄂爾多斯南部彬長地區褶皺兩翼形態三維模型Fig.5 The fold 3D model of the Binchang area of the southern Ordos Basin

2.6 直羅組辮狀河推測河道中心線模型

根據區域地層、巖相資料，建模區直羅組主辮狀河砂體厚度為30～40 m。提取了辮狀河河道的中心線模型，并用地層頂底板去約束生成的河道中心線模型。建立的研究區直羅組河道中心線模型如圖6所示。

圖6 鄂爾多斯南部彬長地區直羅組河道中心線模型Fig.6 The center line model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

2.7 直羅組辮狀河推測心灘模型

在直羅組地層的砂體和辮狀河河道推測河道中心線模型基礎上，將含沙率＞70%的部位推測為河道的心灘范圍，建立了直羅組地層的河道心灘模型（圖7）。

圖7 鄂爾多斯南部彬長地區直羅組辨狀河河道心灘模型Fig.7 The riverbank model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

2.8 氧化—還原過渡帶模型

氧化—還原過渡帶在巖性上主要為淺灰色粗砂巖，發育弱蝕變，其中蝕變位置位于因油氣二次還原所呈現的灰白-灰綠色砂體與其圍巖原生灰色砂體之間。本文根據平面推測的氧化前鋒線展布特征，以剖面圖為基礎圈連出直羅組地層氧化—還原過渡帶模型（圖8）。

圖8 鄂爾多斯南部彬長地區直羅組氧化—還原過渡帶模型Fig.8 The oxidation-reduction transition model of Zhiluo Formation from Binchang area of the southern Ordos Basin

3 模型綜合分析及成礦遠景預測

3.1 三維地質模型的建立及找礦意義

將前述的地形地貌模型、鉆孔模型、地層模型、斷裂構造模型、含礦目的層直羅組下段辮狀河推測河道中心線模型、氧化—還原過渡帶模型、礦體模型疊合起來，集成彬長地區數字地質模型（圖9）。通過三維數字模型的建立，可以更加直觀地展示整個彬長地區地形、構造、地層、氧化還原帶等三維空間展布特征及其相互關系。同時可以根據研究需要提取任何切面各地質要素圖件，分析成礦的有利區域。根據三維地質模型開展找礦預測綜合研究、圈定找礦遠景區和找礦靶區，開展深鉆選址等工作，具有重要的理論和實際應用意義。

圖9 鄂爾多斯南部彬長地區各實體模型疊合展示圖及找礦遠景區位置Fig.9 3D presentation of solid models of the Binchang area in southern Ordos Basin and the ocation of prospecting prospect area

3.2 成礦遠景預測

鄂爾多斯盆地南部地區砂巖型鈾礦總體上沿盆地邊緣分布，礦（化）體主要賦存于中侏羅統直羅組，是關鍵成礦因素。含礦目標層直羅組發育的辮狀河道砂體、單斜構造及其內部發育的褶皺和斷裂、沿斜坡帶發育的層間氧化帶是控制鈾礦化的關鍵因素。區域上構造單一，主要發育向西北傾斜的單斜構造，鈾礦化主要沿斜坡帶上的層間氧化帶發育。研究區及周邊區域的鈾礦主要賦存于侏羅紀直羅組下段河道中心部位的厚層砂體中，砂體成因為辮狀河沉積。此外，河道心灘部位砂體較厚，由于含砂率高從而成為鈾礦賦礦有利部位。因此，本文對辮狀河沉積相中心線及河道心灘部位定量提取及三維構建可為找礦預測提供重要信息。

本文在對鄂爾多斯盆地南部地區鈾礦成礦規律及控礦要素分析和認識基礎上，結合彬長地區三維數字地質模型，對研究區鈾礦成礦潛力進行了分析，認為彬縣西北部亭口鎮附近具有較好的找礦前景，可為該區域下一階段找礦勘查提供參考。成礦遠景區劃分的依據如下：

1）成礦構造方面，遠景區位于彬縣背斜的北翼，為一個NNW 向傾斜的單斜構造，屬于穩定的構造斜坡帶，并且斜坡帶規模較大，沿著斜坡帶上發育的層間氧化帶構成鈾礦成礦的有利部位。

2）遠景區發育規模較大的直羅組辮狀河道和砂體，其中河道心灘部位砂體厚度較大，含砂率高，是鈾礦賦存的有利部位，本文圈定的遠景區發育直羅組河道心灘，因此具備良好的成礦條件。

3）遠景區廣泛發育直羅組氧化—還原過渡帶，巖性上以淺灰色的粗砂巖為主，發生弱蝕變。區域上直羅組下段的鈾礦化主要位于氧化—還原過渡帶，是重要的控礦因素，因此具備良好的成礦條件。

4）地表出露及鉆孔揭示的直羅組下段中的砂體主要呈灰-灰白-紫紅-黃褐色，后生氧化蝕變明顯。此外，直羅組下段辨狀河道砂體和延安組三角洲平原分支河道砂體含有較多的黃鐵礦、炭質碎片等還原劑，完全具備了一定的還原能力，因此具備良好的成礦潛力。

5）遠景區內地表出露及深部鉆孔揭露的直羅組下段砂體以泥質膠結為主的疏松砂體，具有良好的滲透性，具備有利的鈾礦成礦條件。

6）此外，遠景區內直羅組下段砂體油氣活動明顯，以氣態油氣還原褪色為主。并且，在煤田鉆孔揭露的直羅組下段砂體中（以疏松砂巖為主）發現較高的放射性異常，具備良好的砂巖型鈾礦找礦標志。

3.3 基于三維地質模型的成礦有利部位分析

本文在三維地質模型建立基礎上，結合區域砂巖型鈾礦成礦條件分析，圈定彬縣西北部亭口鎮地區為成礦預測遠景區。通過三維地質建模為鄂爾多斯盆地南部鈾礦找礦預測研究及找礦靶區確定提供了更加直觀的證據。侏羅紀直羅組下段辮狀河河道中心部位及河道心灘部位發育較厚的砂體，是鈾礦賦礦有利部位，因此三維地質模型直羅組河道中心模型和河道心灘模型直觀地展示了成礦的有利部位。此外，氧化—還原過渡帶是鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的重要的控礦因素，因此在三維地質模型中，氧化—還原過渡帶模型與河道中心線模型、河道心灘模型的疊加區域，是重要的成礦有利部位。

4 結論

1）在收集和處理彬長地區基礎地質和鈾礦相關資料基礎上，利用SKUA-GOCAD 三維平臺建立了地形地貌模型、鉆孔模型、地層模型、斷裂構造模型、含礦目的層直羅組下段辮狀河推測河道中心線模型、氧化—還原過渡帶模型、礦體模型，實現了各類成礦要素及其空間關系的三維可視化。

2）通過對彬長地區三維地質模型的建立，分析主要控礦要素，并結合區域砂巖型鈾礦成礦地質背景及成礦規律，認為彬縣西北區域亭口鎮具有較好的鈾礦成礦條件，是鄂爾多斯盆地南部彬長地區鈾成礦遠景區。并基于三維地質模型進行了成礦有利部位分析，認為河道中心線模型和河道心灘模型與氧化—還原過渡帶模型的疊加區域為彬長地區最重要的成礦有利區。

3）通過對鄂爾多斯盆地南部彬長地區開展三維地質建模研究和分析，一方面便于更加直接地了解地下復雜的地質體、構造面及礦（化）體的空間分布特征，另一方面可以為該區域下一步找礦預測研究、鈾礦勘查、鉆探布設等工作提供新的證據和支撐，具有重要的理論和實際意義。