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物探与化探, 2020, 44(1): 99-106 doi: 10.11720/wtyht.2020.1294

地质调查·资源勘查

地球物理信息和控矿构造研究在乌克兰米丘林铀矿床中的应用

王永飞, 李宝新,, 曹云, 刘晨阳

四川省核工业地质调查院,四川 成都 610053

The application of geophysical information and ore-controlling structures to the Michurinskoye uranium deposit, Ukraine

WANG Yong-Fei, LI Bao-Xin,, CAO Yun, LIU Chen-Yang

Sichuan Institute of Nuclear Geology, Chengdu 610053,China

通讯作者: 李宝新(1973-),男,教授级高级工程师,主要从事铀矿勘查和研究工作。Email:376432449@qq.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2019-05-27   修回日期: 2019-07-10   网络出版日期: 2020-02-20

基金资助: 科技部国家重点研发计划项目“乌克兰中部基洛沃格勒地块深部铀资源勘探关键技术与装备合作研究”.  2016YFE0206300

Received: 2019-05-27   Revised: 2019-07-10   Online: 2020-02-20

作者简介 About authors

王永飞(1982-),男,本科,高级工程师,主要从事铀矿勘查和研究工作。Email:370759859@qq.com 。

摘要

乌克兰中央铀成矿省米丘林铀矿床地表覆盖严重,为了对已知矿体建立快速有效的评价体系,本次采用土壤氡气、伽马能谱等放射性探测方法,结合已有区域重磁、地震、测井等资料进行综合对比分析研究,总结了米丘林铀矿床的地质—地球物理找矿预测模型,构建了热液型铀矿深部铀成矿信息识别技术和深部铀资源探测评价综合技术体系,为解决国内相似矿区及危机矿山接替资源找矿中的快速评价技术问题提供一定的参考依据。

关键词： 土壤氡气、γ能谱、重磁; ; 控矿构造 ; 乌克兰 ; 米丘林铀矿床

Abstract

Based on the survey of soil radon gas and gamma spectrum in the Michurinskoye uranium deposit in Central Ukrainian U province, and the comprehensive comparative analysis of the existing regional gravity, magnetic, seismic and logging data, the authors used various geophysical exploration techniques to evaluate the existing orebodies rapidly and effectively. On the basis of the analysis and study of ore-controlling structures in tectonic alteration zones, the authors constructed the identification technology of deep uranium metallogenic information and the comprehensive technology of deep uranium resources exploration and evaluation for hydrothermal uranium deposits, and provided theoretical guidance for the prospecting of alternative resources in similar mining areas and crisis mines.

Keywords： soil radon ; γ spectrum; ; gravity and magnetism ; ore-controlling structure ; Ukraine ; Michurinskoye uranium deposit

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本文引用格式

王永飞, 李宝新, 曹云, 刘晨阳. 地球物理信息和控矿构造研究在乌克兰米丘林铀矿床中的应用. 物探与化探[J], 2020, 44(1): 99-106 doi:10.11720/wtyht.2020.1294

WANG Yong-Fei, LI Bao-Xin, CAO Yun, LIU Chen-Yang. The application of geophysical information and ore-controlling structures to the Michurinskoye uranium deposit, Ukraine. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(1): 99-106 doi:10.11720/wtyht.2020.1294

0 引言

乌克兰中央铀成矿省是欧亚大陆重要铀矿床集中区,也是乌克兰主要铀矿床产出区域。典型的矿床有米丘林矿床、瓦杜金铀矿床、中央矿床等40多个铀矿床。大量的研究资料及米丘林、瓦杜金等矿山的实地考察显示[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13],这类矿床的发现并不是通过地面氡气测量、伽马能谱测量等发现的,多是通过水化学方法找到的矿化线索或是打水井偶然发现。研究显示,这类矿床的形成与区域构造有着密切联系,矿床一般呈似层状产出于断层下部钠交代岩中[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]。

米丘林铀矿床位于基洛沃格勒州南,前人先是该区的水井钻探中发现前寒武纪地盾钠交代岩中有铀矿化作用,后续才相继发现米丘林、谢维林、瓦杜金等矿床。前人对米丘林矿床的成矿特征、围岩和蚀变的形成时代、同位素研究以及成因探讨等方面的研究已经较为深入,但对该矿床的找矿方法研究较少。笔者以米丘林铀矿床主要控矿断裂为研究对象,核实其范围之内的隐伏矿体及其赋存的空间位置。因研究区第四系覆盖严重,故用地表地质手段很难实现对隐伏矿体的定位预测,因此,笔者在研究地质资料的基础上,应用土壤氡气、伽马能谱测量结合已有的重磁、地震、测井等手段对研究区进行探测研究,构建地质—地球物理找矿模型,推测验证深部矿体的有效性。

1 地质概况

乌克兰中央地盾的基洛沃格勒铀矿区位于乌克兰中南部的布格河和第聂伯河下游之间,为太古宙地盾基底,其上为古元古代裂陷槽地段。主要铀矿类型为热液碱交代型,此外还有伟晶岩型、石英卵石砾岩型以及脉型矿床。地盾由5个断块组成,断块之间为地壳尺度的4个韧性剪切带(图1a)。乌克兰中部铀成矿省即横跨于因古尔(I)断块、沃罗格—克列门丘格—因古尔西(KK)剪切带和中第聂伯(MD)断块。

图1

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图1   乌克兰前寒武纪地盾地质构造及次级断块组成(a)和铀矿床分布图(b)[4]

1—奥长环斑深成花岗岩(KN-科尔松-新和平城岩体,Kr-克罗斯廷岩体);2—花岗深成岩(NK-新乌克兰岩体);3—剪切带:①—NK剪切带;②—GT剪切带;③—KK剪切带;④—OP剪切带;4—基性岩脉;5—块间(断块)断裂;6—主断层/背斜;7—交代型铀矿床;8—脉岩型铀矿床;9—沉积岩型;10—环斑花岗岩(KN);11—镁铁质-超镁铁质岩;12—微斜长石花岗岩(NK);13—因古尔-因古列茨单元变质岩(片麻岩等);14—康克斯克-维克霍夫采夫单元岩石(角闪岩、富铁岩石);15—克里沃罗格单元(含镁铁岩);16—第聂伯-萨克萨甘单元(斜长花岗岩、混合岩等);断裂:F1—布格—米罗诺夫块间断裂;F2—克里沃罗格—克列门丘格块间断裂,f1—安诺夫—兹韦尼哥罗德断层,f2—基洛沃格勒断层;f3—苏博京—马舒林断层;f4—诺科斯坦斯尼卡断层;f5—格洛斯托克断层,f6—阿达巴什断层

Fig.1   Precambrian Shield Geological Structure and Secondary massif Composition in Ukraine(a)& Distribution map of uranium deposits(b)[4]

1—Rapakivi granite plutons(KN-Korsun-Novomyrgorod,Kr-Korosten);2—Novoukrainka granite plutons(NK-Novoukrainka);3—Shear band:①—NK-Nemyriv-Kocherivsk;②GT—Golovan-Yadlov-Traktemyriv;③—KK-Kryvy-Rig-Kremenchug-West Ingul;④—OP-Orichiv-Pavlograd;4—basic dikes; 5—interblock (fault block) fracture; 6—main fault / anticline; 7—metasomatic uranium deposit; 8—vein type uranium deposit; 9—sedimentary rock type; 10—ring porphyry granite (KN);11—mafic-ultramafic rocks; 12—microplagioclase granite (NK); 13—Ingur-Ingulitz unit metamorphic rocks (gneiss, etc.); 14—Kangksk-Vikhovtsev unit rocks (amphibolite, iron-rich rocks); 15—Krivorog unit (mafic rock); 16—Dnieper-Saxagan unit (plagioclase granite, migmatite, etc.);fracture:F1—Bug-Mironov Lineament;F2—Krivoy Rog-Kremenchug Lineament;f1—Annov-Zvenigorod Fault;f2—Kirovograd Fault;f3—Subotin-Mashorin Fault;f4—Novokostantynivka Fault;f5—Glodosk Fault;f6—Adabash Fault.CUUP-Central Ukrainian Uranium Province


米丘林铀矿床所在的基洛沃格勒铀矿区位于因古尔断块中部,西邻戈洛万—亚德洛夫—特拉克泰米里夫(GT)剪切带,东以克里沃罗格—克列门丘格—因古尔西(KK)剪切带为界。因古尔断块被由花岗岩组成的科尔松—新和平城岩体(1 725±11~1 754±4 Ma)和新乌克兰杂岩体(2 025±48~2 039±6 Ma)[1]侵入(图1),而两岩体侵入到古元古代切切利夫卡组和斯帕西夫卡组的以片麻岩、片岩、混合岩为主的因古尔—因古列茨地层单元中(表1)。

表1   乌克兰中央地盾因古尔断块和因古尔断块东段中古元古代岩石地层单位的对比[4]

Table 1  Central Ukrainian Shield,correlation of Paleoproterozoic lithostratigraphic units of the Ingul Megablock and eastern segment of Ingul Megablock[4]

区位地层单元组厚度/m岩性
因古尔(I)
断块东段		因古尔-
因古列茨		罗迪奥尼夫卡
Rodionivka		2200带黑云母片岩的石英岩。在博诺马带夹层,顶部有大理石、黑云母和角闪石—黑云母片麻岩和片岩中间层
阿尔茨米夫斯克
Artcmivsk		200含黑云母和黑云母闪石片麻岩和片岩夹层的含磁铁矿石英岩
泽莲娜里奇卡
Zelena Richka		180正角闪岩、角闪石和角闪石—黑云母正棱岩和杂岩体,底部有石英岩夹层的石英岩和矽线石黑云母,石榴石云母片岩,顶部有石墨或滑石—碳酸盐片岩夹层
因古尔(I)
断块		因古尔—
因古列茨		切切利夫卡
Chechelivka		>2000黑云母,通常为石榴子石片麻岩和含角闪石、片状堇青石和硅锰矿—堇青石片麻岩夹层的片岩
斯帕西夫卡
Spasivfca		>3000黑云母—辉石、黑云母—角闪石—辉石局部磁铁矿片麻岩、片岩、黑云母、石墨黑云母和堇青石黑云母片麻岩和角闪岩互层

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新乌克兰花岗岩体:为地壳来源,面积约3 500 km2,主要由钾长花岗岩、闪长岩、二长岩及混合岩组成。它是由因古尔—因古列茨地层单元岩石的部分熔融而形成的,同时经历了角闪岩相变质作用,与花岗岩、变质岩相结合构成了本区侵入超变质基底(2.06~2.02 Ga)。

科尔松—新和平城岩体,为地幔来源,面积约 5 000 km2,在一个非造山作用的古元古代后期(1.75~1.72 Ga)侵入早期产生的超变质基底。环斑状花岗岩约占该岩体近表面部分的80%,其中辉长岩、辉石岩和橄榄岩是该岩体表面的剩余部分。对因古尔—因古列茨变质岩无影响,也没有韧性变形和叠加变质作用。

基洛沃格勒—斯莫利诺铀成矿区被深层的构造带所分割,这些构造带主要以N-S、NW-SE、NE-SW和E-W方向为主。在新乌克兰岩体北部,有大约80 km长,30~35 km宽,EW走向的苏博京—马舒林(f3)构造带,蕴藏着最主要的钠交代型铀矿床(图1b)。

2 矿床特征及控矿构造

2.1 矿床特征

米丘林铀矿床位于基洛沃格勒州东南约3 km处,为基洛沃格勒矿田的第一个矿床,原始原位铀资源量估计在27 000 t (EAR-I), U平均品位为0.08%,使用的铀最低品位为0.03%,开采贫化率约为30%[1]。

矿床位于因古尔断块上新乌克兰花岗岩体隆起的东部边缘,向东紧靠基洛沃格勒深大断裂,位于米丘林断层的下盘(图1、图2)。该地区的岩性主要有元古界因古尔—因古列茨单元的黑云母片麻岩、石榴子石片麻岩、钾质花岗岩,在片麻岩中广泛发育有中细粒花岗岩、细晶岩、伟晶岩、混染细晶岩的线状岩体,矿化即产生在花岗岩与片麻岩的接触过渡带中。

图2

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图2   米丘林矿床中段平剖面简图及主矿带三维示意模型

1—新生代覆盖物;2—片麻岩;3—花岗岩;4—变正长岩;5—钠长岩;6—糜棱岩;7—伟晶岩;8—断层;9—矿体

Fig.2   A sketch of plane section in the middle section of the Michurinsk deposit and a three-dimensional schematic model of the main ore belt

1—cenozoic overburden;2—gneiss;3—granite;4—syenite;5—albites;6—mylonite;7—pegmatite;8—fault;9—orebody


在平面图中,米丘林矿床显示为一个由N-S走向形成的半开式扇形(图2a),由东倾约70°的米丘林主断层和北东倾约55°~60°的NW-SE向分支断裂组合形成。在平面和剖面上,这些结构形成了一个由收敛断层控制的破碎楔形区段(图2b)。

2.2 控矿构造

该构造蚀变带是米丘林矿床的主要的控矿构造。

根据米丘林铀矿床产出特征(图2),总结了矿床的空间分布规律、控矿因素和成矿作用过程。

1) 矿体的产出定位受断裂、构造面和钠交代蚀变体“三位一体”联合控制。

NS向的基洛沃格勒断层(f2)是米丘林铀矿床的主要控矿构造。NW-SE向的中、西部断裂带控制着该区铀矿床的位置。构造交汇部位岩石破碎程度较高,断裂内部可见强烈的劈理化带,与成矿最为相关,为赋矿构造;构造面易于形成高反差地球化学障,是有效的成矿结构面,是米丘林钠交代型铀矿矿体定位的重要控制因素;碱交代型铀矿化无一例外的产出于钠交代体之中,钠交代体是碱交代型铀矿化的主要控矿因素。

2) 从矿体中心向外划分为4个钠交代蚀变带(图3)。蚀变带从外到内大致分为围岩蚀变带、钠交代岩外带、钠交代岩过渡带、钠交代岩内带。

图3

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图3   米丘林矿床钠交代蚀变分带

1—新生代覆盖物;2—片麻岩;3—花岗岩;4—变正长岩;5—钠长岩;6—糜棱岩;7—断层;8—矿体;9—蚀变分带

Fig.3   Sodium metasomatic alteration zoning map of the Michurinsk deposit

1—cenozoic overburden;2—gneiss;3—granite;4—syenite;5—albites;6—mylonite;7—pegmatite;8—fault;9—orebody


围岩蚀变带(a):由蚀变较少的花岗岩、片麻岩组成,局部有新生的石英和钠长石细脉。在该带出现的糜棱岩—碎裂岩构造带中,与构造接触部位的岩石发生糜棱岩化,形成了该矿床独特的“矿体隔断”。

钠交代岩外带(b):主要为细脉状、云雾状钠交代带,出现少量细脉状、云雾状、团块状的钠长岩,伴有混合岩脉、石英脉等,此带中局部具强烈石英蚀变形成变正长岩的蚀变现场,铀矿化微弱。

钠交代岩过渡带(c):主要为团块状、斑点状、均一状钠交代带,此阶段石英大部分或全部钠长石化,钠交代较强烈,钠交代岩均匀分布于岩石中。有时有弱铀矿化。

钠交代岩内带(d):主要为块状钠交代岩带,该带处于钠交代体中心,钠交代作用最强烈,石英、斜长石全部钠长石化,有的钠闪石被霓石交代,有时见有绿泥石。铀矿化,特别是较富集的铀矿化一般都赋存于这个带中。

3 地球物理特征

3.1 区域重磁特征

3.1.1 重力特征

乌克兰地盾已完成了不同比例尺的重磁测量,前人对因古尔地块获取的重力数据进行解译,布格重力异常图显示乌克兰中央铀成矿省大部分铀矿床位于布格重力异常转换区,绕岩体分布特征明显,受控于岩体与变质地层或岩体之间区域性深大断裂(图4)。

图4

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图4   乌克兰中部基洛沃格勒铀成矿区重磁特征

Fig.4   Gravity and magnetic charts of the Kirovograd uranium metallogenic area, central Ukraine


在1∶50万区域剩余异常重力图上,地盾北部的奥长环斑花岗岩和南部的新乌克兰花岗岩体均为明显的重力低场,这是由于花岗岩与片麻岩平均密度有差别造成(图4d),岩体的重力值为-30 mGal,围岩为30 mGal;新乌克兰花岗岩体形成的重力低场,平均在-30 mGal水平上再下降2.5~5.0 mGal的Ⅱ级重力负值区。重力负值在东北角和西北角由较陡的梯度带过渡至重力正值;谢维林(或称北方)、米丘林和瓦杜金矿床就产于这特定的重力场部位(图4e)。这个标志说明,从区域看,矿床位于强烈花岗岩化与片麻岩的交界处,此交界即是深大断裂部位。而针对矿体进行的重力测量发现,铀矿床位于重力低中的Ⅱ阶局部重力极值区边部(图4c)。

3.1.2 磁法特征

从EW向横穿南乌克兰岩体的磁法ΔTa剖面图可以看出:新乌克兰岩体的低磁和围岩片麻岩的高磁差异明显。岩体内磁性变化平稳,岩体边缘的深大断裂部位正是低磁向高磁的变异段(图4b)。钠交代体的弱磁异常多出现在钠交代体的上盘。

3.2 地面放射性测量

3.2.1 地面土壤氡气测量特征

根据米丘林铀矿区断裂较发育且矿体多受断裂控制,矿体多为盲矿体,地表矿化信息弱等特点,本次对米丘林铀矿床南北两侧共布置了2条地面土壤氡气测量剖面,其氡气异常晕峰值处多为区域构造带附近,深部的矿体与氡浓度曲线峰值有良好的对应关系(图5),可有效说明土壤氡气测量是寻找深部隐伏矿体的有效方法。

图5

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图5   米丘林铀矿床土壤氡气剖面

1—新生代覆盖物;2—片麻岩;3—花岗岩;4—变正长岩;5—钠长岩;6—糜棱岩;7—断层;8—矿体

Fig.5   Soil Radon Profile of Michurinsk Uranium Deposit

1—cenozoic overburden;2—gneiss;3—granite;4—syenite;5—albites;6—mylonite;7—pegmatite;8—fault


3.2.2 地面岩石γ能谱测量特征

本次对米丘林铀矿床进行了围岩和矿石的伽马能谱测量(表2),铀矿化岩石的伽马能谱测量铀含量为(112.01~211.42)×10-6,钍含量为(11.99~38.49)×10-6,钾含量(0.61~2.73)×10-6;围岩(混合花岗岩、片麻岩)伽马能谱测量铀含量为(3.33~29.76)×10-6,钍含量为(11.85~58.96)×10-6,钾含量(1.86~7.16)×10-6。可以看出矿化程度较高的矿石具暗色矿物(赤红色、浅暗红色等)蚀变特征,Th/U在0.09~0.19之间,也是乌克兰中部铀矿床的普遍蚀变特征。基性岩脉也具有稍低Th/U比值,推测基性岩脉的侵入与矿化有一定的联系。

表2   米丘林矿床地表及深部围岩与含矿岩石伽马能谱测量结果

Table 2  γ-ray spectrum results of surface and deep surrounding rocks and ore-bearing rocks of the michurinsk deposit

岩石名称U/10-6Th/10-6K/10-6∑/10-6Th/U备注
混合花岗岩6.8247.364.8445.616.94围岩
混合花岗岩4.1337.455.1238.839.07围岩
片麻岩3.3328.393.7131.168.53围岩
中粗粒花岗岩5.5813.447.1635.462.41围岩
赤铁矿化—磁铁矿混合岩5.6527.905.3837.934.94围岩
中粒黑云母花岗岩7.0558.966.0553.338.36围岩
角闪岩17.4318.491.9036.211.06基性岩脉
灰白色钠长岩29.7613.111.8848.280.44近矿围岩
角闪岩28.3911.851.8646.660.42基性岩脉
赤红色钠长岩112.0111.990.61120.770.11矿化
钠长岩211.4218.820.64232.140.09矿化
赤红色钠长岩138.1917.941.02154.240.13矿化
钠长岩202.1138.492.73244.620.19矿化

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4 矿体空间定位预测模型

将典型勘查剖面图和测氡剖面、高精度磁测剖面纵向叠合,将地表氡气异常和磁正异常投影深部成矿有利部位,圈定米丘林矿床外围深部钠交代体和放射性叠合晕结合部位相结合,即地质—地球物理找矿模型(图6)。

图6

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图6   米丘林铀矿床地质—地球物理找矿模型

Fig.6   Geological-geophysical prospecting model map of Michurinsk uranium deposit


“多尺度、多维度、高聚靶”的综合性预测方法总结如下:以中、大比例尺放射性勘查手段(地面γ能谱测量、土壤氡气测量),圈定放射性异常区域;以中、大比例尺重力与磁法测量相结合,综合圈定负磁异常中的弱磁异常和重力低区域,探测深部钠交代体延展范围,综合不同比例尺物化探解释成果,空间分析靶区聚焦位置,圈定放射性钠交代体(矿体)有利存在区域。

5 结论

1) 通过分析米丘林铀矿床特征,总结了矿床的空间分布规律、控矿因素和成矿作用过程。总结出矿体的产出定位受断裂、构造面和钠交代蚀变体“三位一体”联合控制,并从矿体中心向外划分为4个钠交代蚀变带:钠交代岩内带、钠交代岩过渡带、钠交代岩外带、围岩蚀变带。

2) 通过分析米丘林铀矿床的区域重磁和放射性特征,认为矿床位于布格重力异常转换区、钠交代体上盘的弱磁异常区以及氡浓度曲线峰值区域。

3) 总结出了米丘林铀矿床的地质—地球物理找矿预测模型。

致谢

感谢科技部国家重点研发计划项目的支持与帮助;感谢乌克兰国家科学院地球化学、矿物学、矿床学研究所教授Leonid ShumlyanSky在乌克兰期野外调研期间全程的陪伴;感谢同事李政、曹云、刘晨阳等工程师在野外和资料收集、翻译过程中的大力支持;感谢核工业北京地研院蔡煜琦研究员级高级工程师,虞航、宋继叶、何升等高级工程师在野外调研工作中提供的帮助。

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