460礦床關(guān)鍵控礦要素重磁異常特征及深部結(jié)構(gòu)研究

陳聰，周俊杰，黃志新，陳濤

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

460鈾鉬礦床是我國北方典型的火山巖型鈾礦床。從20世紀(jì)80年代至今，在礦床及其周邊進(jìn)行了大量的地質(zhì)物探工作，基本查清了地表鈾鉬異常的分布情況，認(rèn)為區(qū)域斷裂F45、多期次火山機(jī)構(gòu)、流紋巖為主要控礦要素，為礦床定位與開采工作提供了依據(jù)。460礦床已開采數(shù)年，根據(jù)以往資料［1］，礦床外圍仍然有較大的成礦潛力。近兩年在460礦床外圍開展了地面重力勘探及高精度磁法勘探工作，結(jié)果表明重磁勘探在確定460礦床研究區(qū)關(guān)鍵控礦要素中效果較好，可為類似火山巖地區(qū)鈾礦資源潛力預(yù)測及評價(jià)提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于華北地臺(tái)北緣 （Ⅰ級），內(nèi)蒙地軸中部（Ⅱ級），沽源火山斷陷盆地（Ⅲ級），蔡家營—雙腦包北東向火山構(gòu)造洼陷帶（Ⅳ級）。巖石組合為基底與火山蓋層二元結(jié)構(gòu)?；诪樘沤缱冑|(zhì)巖系，主要為紅旗營子群變質(zhì)巖；蓋層由侏羅系上統(tǒng)及白堊系下統(tǒng)火山沉積地層構(gòu)成，出露張家口組二、三段及花吉營組安山巖（圖1），其中張家口組三段地層堆積厚度大，8個(gè)層位發(fā)育齊全［2］。

研究區(qū)斷裂構(gòu)造受北東東向斷裂F45控制。F45西起張北縣芮家村，經(jīng)蔡家營、張麻井、大腦包、大官廠往東延伸，平面形態(tài)呈階梯狀由西向東逐段向北錯(cuò)移。走向大致65°～75°，南東傾，硅化角礫巖帶發(fā)育，為張扭性斷裂。屬區(qū)域性控巖、控礦構(gòu)造，蔡家營鉛鋅礦床、460鈾鉬礦床、534鈾鉬礦床均分布在斷裂帶上盤。另外，本區(qū)存在多級火山構(gòu)造。其中，張麻井火山構(gòu)造屬于沽源盆地Ⅲ級火山凹陷，以張麻井為中心，呈近東西向展布，除西大山為正地形露頭較好之外，大面積被第四系所覆蓋［3］。

2 巖石物性特征

圖1 460礦床研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 The geologic sketch of Deposit 460

研究區(qū)重磁工作按照1:25000比例尺部署，線距250 m，點(diǎn)距50 m，測線方向南北向。

對研究區(qū)主要巖性開展了物性調(diào)查，區(qū)內(nèi)主要巖石密度及磁化率參數(shù)見表1。從表1可見，安山巖的磁化率最高，其次是粗面巖，張家口組三段第7層角礫熔巖也有較高磁性，而流紋巖 （無硅化）、凝灰?guī)r類基本無磁性或弱磁性。安山巖、流紋巖、凝灰?guī)r密度相對較低，角礫熔巖和粗面巖密度相對較高。由于本區(qū)沒有基底出露地區(qū)，也未見相關(guān)鉆孔打到基底，因而基底物性資料較為缺乏，但根據(jù)以往物性資料［3］，研究區(qū)深部太古界混合變質(zhì)基底的密度為2.69 g/cm3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蓋層火山巖密度。

3 數(shù)據(jù)處理解釋方法

3.1 預(yù)處理

磁力數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括日變改正、正常場改正和高度改正，其中正常場改正參考國際地磁參考場（IGRF）模型完成。

重力數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括固體潮、零漂改正，地形改正，布格改正和緯度改正［4］。地形改正是重力勘探的重要組成部分，分為近區(qū)地改和中、遠(yuǎn)區(qū)地改。根據(jù)研究區(qū)地形及前期試驗(yàn)結(jié)果，本次近區(qū)地形改正采用八方位雙環(huán)地改方式，利用激光測距儀進(jìn)行野外現(xiàn)場實(shí)測，記錄距離測點(diǎn)10 m及20 m處的高差；中、遠(yuǎn)區(qū)地形改正通過收集到周邊1∶1萬DEM數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)軟件完成。經(jīng)過多次計(jì)算發(fā)現(xiàn)，地改半徑20 km時(shí)重力地形改正值已經(jīng)穩(wěn)定，因此，本次工作中遠(yuǎn)區(qū)地改半徑取20 km。

3.2 剩余重力異常的提取

布格重力異常所包含的信息是地下所有密度不均勻體的綜合反映，因此需要將反映深部場源特征的區(qū)域異常從中剝離出去。經(jīng)過試驗(yàn)對比，采用延拓與滑動(dòng)平均濾波相結(jié)合的手段計(jì)算區(qū)域異常，由此求得的剩余重力異常，能較準(zhǔn)確地反映次級構(gòu)造單元特征。

表1 460礦床研究區(qū)主要巖石密度、磁化率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of rock density and magnetic susceptibility in Deposit 460

3.3 重磁異常濾波處理

主要包括延拓、水平方向?qū)?shù)和垂向?qū)?shù)。向上延拓是為了壓制淺部干擾突出深部異常；水平方向?qū)?shù)是為了突出線性構(gòu)造，垂向?qū)?shù)是為了壓制背景異常，凸顯局部異常，垂向二階導(dǎo)數(shù)零值線基本反映不同構(gòu)造單元或巖體界線［5］。

4 研究區(qū)重磁異常特征與地質(zhì)推斷

研究區(qū)布格重力異常（圖2a）呈現(xiàn)西北部高、東南部低的特征，高低值中間存在明顯的大型梯度帶。此梯度帶反映的正是主要控礦構(gòu)造F45斷裂，且以F45為界線，研究區(qū)北側(cè)地層隆起，南側(cè)為凹陷區(qū)。460礦床位于剩余重力異常梯度帶附近，梯度帶在礦床位置存在明顯的扭曲，可能是受到斷裂或次級隆起構(gòu)造的影響。剩余重力異常（圖2b）表明，火山蓋層厚度由西北向東南主要呈現(xiàn)薄-厚-薄的結(jié)構(gòu)特征。北部重力高異常反映的是高密度張家口組二段粗面巖，中部大面積低異常區(qū)反映沽源盆地張麻井火山凹陷。在此凹陷中圈定了兩處低異常以及兩處高異常，分別對應(yīng)4個(gè)次級構(gòu)造單元：后井塌陷、牛囫圇塌陷、前張麻井隆起和白堿灘隆起。此外，前張麻井西側(cè)異常形態(tài)類似環(huán)狀，以往的鉆探資料表明此處存在巨厚的流紋巖，可能為一火山口［6］。

圖2 460礦床研究區(qū)重磁異常及綜合解釋圖Fig.2 The gravity and magnetic anomalies and comprehensive exploration in Deposit 460

磁異常整體形態(tài)（圖2c）與布格重力異常相似，呈現(xiàn)北高南低的特征，化極后能使磁異常與地質(zhì)體位置更好地對應(yīng)。北部高磁異常區(qū)反映了粗面巖分布區(qū)，東北部高磁異常是高磁性安山巖的反映，邊界與巖體邊界完全吻合［6］。F45南側(cè)圈定了3塊高磁異常區(qū)。其中，西大山北側(cè)火山口可能有硅化蝕變或礦化填充物，而西辛營北側(cè)及白堿灘北側(cè)正異常則是磁性較高的張家口組三段第7層角礫熔巖引起。研究區(qū)南側(cè)低異常是低磁性的張家口組三段第1層火山巖的反映。

通過對異常的分析處理，結(jié)合已知地質(zhì)資料對研究區(qū)構(gòu)造要素進(jìn)行推斷，劃分了主要斷裂構(gòu)造、不同規(guī)模火山機(jī)構(gòu)、圈定了粗面巖與安山巖范圍（圖2d），明確了460礦床產(chǎn)出于地層隆起邊緣，控礦構(gòu)造F45與次級斷裂的交匯部位。

5 深部地質(zhì)特征研究

5.1 典型剖面重磁曲線正反演

利用已知的電法剖面和地層結(jié)構(gòu)作為初始模型，對研究區(qū)第17剖面進(jìn)行重磁聯(lián)合正反演。17剖面位于460礦床的東側(cè)約250 m，南北長7.5 km。建模過程分為3步：①通過電法資料和地質(zhì)資料建立基本地層框架模型，并且盡可能保證模型重力正演曲線與實(shí)測曲線變化趨勢大致相同；②固定物性資料與模型邊界，釋放各個(gè)地質(zhì)體幾何形態(tài)參數(shù)，進(jìn)行反演調(diào)整模型幾何形態(tài)；③反復(fù)多次，最終使得重磁曲線擬合均方誤差達(dá)到預(yù)設(shè)收斂要求。二維正反演結(jié)果要以符合地質(zhì)結(jié)構(gòu)為前提的情況下，保證擬合精度。本次正反演使用的密度參數(shù)來源于現(xiàn)場密度測量結(jié)果，重力曲線擬合均方差優(yōu)于0.5×10-5m/s2，磁異常曲線擬合均方差為12.8 nT。剖面推斷成果見圖3。

通過重磁二維建模正反演結(jié)果可以看出，重磁曲線基本形態(tài)反映了地層的整體起伏情況。重力數(shù)據(jù)擬合程度基本確定地下三層結(jié)構(gòu)的分界位置。磁測曲線中有多個(gè)小峰值異常，顯然是由近地表高磁性物體引起。根據(jù)地質(zhì)資料［6］推斷地表高磁性體可能是角礫熔巖或硅化脈。以往電法資料在判斷西大山地區(qū)基底是否隆起時(shí)存在爭議［7］，17剖面AMT反演結(jié)果顯示，在2 km左右高阻體一直延伸至地表附近，無法斷定原因是否為粗面巖的抬升。本次工作重力曲線在17剖面2 km處并未發(fā)現(xiàn)明顯的高值異常，說明粗面巖不可能延伸至地表附近，否則，重力曲線會(huì)有明顯正異常。綜合推斷，電法剖面中的高阻體不是張家口組二段粗面巖，很可能是高電阻率、低密度的張家口組三段巖體。

5.2 三維密度反演及巖性空間分布推測

根據(jù)重力數(shù)據(jù)及已知地質(zhì)資料對研究區(qū)進(jìn)行三維密度反演。反演利用了地表巖性分布情況及巖石密度作為約束條件，在一定程度上降低了多解性，提高了可信程度［8-9］。由于基底變質(zhì)巖、張家口組二段、三段之間存在較大的密度差，因此可以根據(jù)反演的密度模型進(jìn)行主要層位劃分。反演中背景密度根據(jù)變質(zhì)基底及火山蓋層平均密度取2.57 g/cm3。

通過460地區(qū)三維密度反演結(jié)果（圖4）可以看出：研究區(qū)淺部為火山巖，深部為基底變質(zhì)巖。北側(cè)地層抬升，導(dǎo)致J3z3地層缺失，J3z2出露，南側(cè)變質(zhì)基底很深，J3z3地層流紋巖、凝灰?guī)r填充大部分地區(qū)，形成北東向凹槽。最南側(cè)地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大部分地區(qū)J3z3地層與J3z2地層交錯(cuò)，組間界面可能呈現(xiàn)起伏劇烈、不規(guī)則情況，巖性分布也不規(guī)律。

5.3 基底界面深度反演及鉆探結(jié)果

圖3 17線重磁二維反演解釋圖Fig.3 2D iversion of gravity and magnetic data of exploration Line 17

圖4 460礦床研究區(qū)三維密度反演成果圖Fig.4 The 3D density inversion in Deposit 460

根據(jù)以往及本次工作實(shí)測密度資料，基底變質(zhì)地層密度為2.69 g/cm3，火山蓋層平均密度約2.5 g/cm3。因此基底與蓋層存在約0.2 g/cm3左右密度差，通過Parker反演可以得到基底界面的埋深。研究區(qū)地表海拔變化為1.5～1.7 km，北部略高，南部略低。由圖5可以看出，基底起伏形態(tài)與地表相似，呈現(xiàn)北高南低的總體特征。北部基底隆起，在田萬溝附近海拔超過1 km，南部和東部凹陷地區(qū)基底海拔低于-200 m，460礦床位于界面陡變部位。通過界面反演能夠更直觀地展示深部界面起伏，對礦區(qū)未來深部找礦或其他深部礦床構(gòu)造環(huán)境分析具有重要意義。

2015年在460礦床外圍完成兩個(gè)鉆孔的鉆探工作。其中，鉆孔ZKB-1位于460礦床南側(cè)，海拔1 499 m，孔深840 m，在海拔810 m處見張家口組二段粗面巖；鉆孔ZKB-2位于460礦床東側(cè)，海拔1 504 m，孔深719 m，全孔為張家口組三段流紋巖、凝灰?guī)r，未打到粗面巖。由于鉆孔深度有限，兩鉆孔均未打到基底界面。以往地質(zhì)資料表明［10］，460地區(qū)粗面巖厚度約600～700 m，因此對應(yīng)兩鉆孔附近基底海拔為0～100 m，這與圖5中根據(jù)重力資料推斷的ZKB-1基底界面海拔 （約100 m）基本一致。

圖5 460礦床研究區(qū)基底海拔深度等值線圖Fig.5 Contour of depth of the basementin Deposit 460

6 結(jié)論

1）通過1:25000重磁勘探識(shí)別了460礦床外圍的主要斷裂構(gòu)造及不同規(guī)模的火山構(gòu)造，認(rèn)為460礦床東南側(cè)的前張麻井次級隆起及次級構(gòu)造F1、F57對礦體運(yùn)輸和儲(chǔ)存有積極作用。重磁反演結(jié)果表明，深部基底界面在F45附近起伏劇烈，形成北高南低的地層結(jié)構(gòu)。張家口組一段地層 （主要含礦地層）在460礦床及F45南側(cè)厚度可以達(dá)到1 km。綜上所述，460礦床東南方向成礦環(huán)境較好。

2）460鈾礦床產(chǎn)出環(huán)境的重力場特征為重力高向重力低過渡的偏重力低異常區(qū)域，磁場特征為中強(qiáng)磁場與中低磁場過渡區(qū)偏向低異常區(qū)域。線性大型梯度帶是深大斷裂的反映，環(huán)狀或弧狀梯度帶則是火山構(gòu)造單元邊界的反映。也就是說，460地區(qū)鈾成礦與區(qū)域構(gòu)造F45關(guān)系密切。綜合我國及世界其他地區(qū)典型鈾礦床資料也有類似結(jié)論［11-13］。因?yàn)樯畲髷嗔鸦虿煌瑯?gòu)造單元的結(jié)合部位，往往有利于形成大規(guī)模的火山巖帶，同時(shí)也有利于深部成礦熱液導(dǎo)向近地表的火山巖或次火山巖中成礦。

3）在沽源火山盆地，地面重磁勘探能夠識(shí)別主要構(gòu)造，確定盆地邊界及粗面巖、安山巖范圍，推斷深部界面起伏，進(jìn)而研究構(gòu)造、巖體與鈾成礦關(guān)系，對圈定找礦靶區(qū)及挖掘深部找礦潛力具有顯著作用。