瑞雷面波測深法在二連盆地烏蘭察布坳陷鈾資源勘探中的應(yīng)用研究

陳霜，譚捍東，徐貴來，吳曲波，潘自強(qiáng)，王歡

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.核工業(yè)208大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

瑞雷面波測深法在二連盆地烏蘭察布坳陷鈾資源勘探中的應(yīng)用研究

陳霜1，3，譚捍東1，徐貴來2，吳曲波2，潘自強(qiáng)2，王歡3

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；3.核工業(yè)208大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

針對二連盆地烏蘭察布坳陷鈾資源產(chǎn)出的埋藏較淺、含礦目的層與圍巖波阻抗差異小的特點(diǎn)，探索了瑞雷面波測深法進(jìn)行層位劃分的可能性。研究表明，瑞雷面波測深法可以獲得目的層的層位信息，可以彌補(bǔ)反射波地震測深應(yīng)用的不足，對淺層沉積層定位具有積極的指導(dǎo)意義，能夠指導(dǎo)區(qū)域地質(zhì)找礦工作。

瑞雷面波；淺部地層；鈾資源；烏蘭察布坳陷

近年來內(nèi)蒙古二連盆地烏蘭察布坳陷賽漢組、二連組相繼發(fā)現(xiàn)了泥巖型和古河谷砂巖型鈾礦化，礦體具有規(guī)模大和埋藏淺、與圍巖波阻抗差異小等特點(diǎn)，是我國重要的砂巖型鈾礦基地。許多學(xué)者對二連盆地烏蘭察布坳陷鈾礦化特征、成因和沉積相特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究［1-8］，為該區(qū)鈾礦進(jìn)一步勘查部署提供了有益參考。研究發(fā)現(xiàn)：烏蘭察布坳陷同時并存泥巖型和古河谷砂巖型鈾礦化，二者沉積相和鈾礦化機(jī)理截然不同，特別是對淺部地層（含礦目的層埋藏較淺）的分析解譯，一直是反射波地震測深應(yīng)用的難點(diǎn)。為了滿足當(dāng)前鈾資源測深的需要，必須開展新方法新技術(shù)的探索，而瑞雷面波測深法的應(yīng)用研究，正是可能解決目的層探測難題的有效途徑之一。

1 地質(zhì)背景

二連盆地處于中亞—蒙古地槽褶皺區(qū)東部南緣的天山—內(nèi)蒙—興安華力西褶皺帶內(nèi)［4］。包括川井坳陷、烏蘭察布坳陷、馬尼特坳陷、騰格爾坳陷、烏尼特坳陷和蘇尼特中央隆起等6個二級構(gòu)造單元（圖1）［9］。研究區(qū)測線（圖2）分布于二連盆地中部烏蘭察布坳陷，第四系、新近系厚度較薄，白堊系埋藏較淺，主要為沖洪積砂、砂礫石層［11］，其內(nèi)部地層之間波阻抗差異較小，不足以產(chǎn)生明顯的地震反射。

烏蘭察布坳陷中新生界包括白堊系、古近系、新近系和第四系等（圖3）［12］。白堊系包括下白堊統(tǒng)巴彥花群（K1b）和上白堊統(tǒng)二連組（K2e），二連組為一套坳陷盆地沉積的雜色、灰色含膏鹽的砂泥質(zhì)建造；古近系和新近系為一套曲流河—湖泊沉積的雜色泥巖夾砂巖建造；第四系主要為沖洪積砂礫、湖積黏土和風(fēng)成砂，坳陷東部發(fā)育玄武巖。其中白堊系賽漢組、二連組是主要的富鈾地層。賽漢組下段沉積體系主要由近源區(qū)的扇三角洲沉積體系、辮狀河三角洲沉積體系和湖泊沉積體系構(gòu)成［10，13］，賽漢組上段為一套沖積扇—河流沉積—洪泛平原沉積體系；二連組為一套辮狀河三角洲—湖泊沉積體系。

2 瑞雷面波測深原理

在人工源地震測深中，除非刻意降低原始地震記錄中面波強(qiáng)度，面波信號不僅存在，而且能量較強(qiáng)，另外面波還具有頻散特性［14］。能量強(qiáng)為面波測深提供了基本條件，頻散特性為面波測深提供了必要條件，這為面波測深提供了重要基礎(chǔ)。

2.1 瞬態(tài)瑞雷面波頻率-波數(shù)（f-K）域理論

瑞雷面波在時間和空間上都可以通過二維傅立葉變換轉(zhuǎn)換二維的頻率-波數(shù)（f-K）能量譜（圖4）。將空間-時間域上的瑞雷面波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅立葉數(shù)值變換分析，轉(zhuǎn)換為頻率-波數(shù)域上的幅值信息［2］，再根據(jù)瑞雷面波在頻率-波數(shù)域上振幅能量最大特點(diǎn)，提取瑞雷面波頻散曲線，進(jìn)而做下一步解釋。

瑞雷面波空間-時間域數(shù)據(jù)可以看作是時間t和空間距離x的二維函數(shù)f（x，t），給定道數(shù)N，有每道采樣點(diǎn)數(shù)M，則采集的離散化數(shù)字記錄函數(shù)可表示為：

式中，w＝e-2π；f＝0，…，M- 1；k=0，…，N- 1；f是頻率；k是波數(shù)。

由二維實(shí)信號波頻譜函數(shù)F（f，k）具有對稱性，得到（N/2，M/2）是其對稱點(diǎn)，F(xiàn)（f，k）與F（N-k，M-f）為共軛復(fù)數(shù)，它們對應(yīng)著同一波頻譜。因此只要在四分之一區(qū)域（0～N/2，0～M/2）分析就可得到全波頻域內(nèi)的信息。因?yàn)槿鹄酌娌ǖ哪芰吭诘卣鸩芰恐姓?0%以上，根據(jù)波頻譜F（f，k）振幅能量譜圖，找出能量最大線上的點(diǎn)，再根據(jù)半波長理論就可以得到瑞雷面波的頻散曲線。

2.2 頻散曲線繪制

取f-K能量譜中能量最大線上一點(diǎn)ki（0≤ki＜N/2），其對應(yīng)的頻率為fi（0≤fi＜M/2）。

根據(jù)半波長理論得HRi＝λRi，由此可繪出瑞雷面波的vR-H曲線，即頻散曲線（圖5）。

試驗(yàn)采用的瞬態(tài)瑞雷面波測深方法，充分利用了多道瑞雷面波數(shù)據(jù)記錄信息，分析了頻散曲線及對應(yīng)地層的特征，通過與鉆孔資料的結(jié)合，證實(shí)了其有效性。

3 瑞雷面波測深試驗(yàn)

3.1 野外數(shù)據(jù)采集

為更進(jìn)一步得到研究區(qū)地層信息，更好地進(jìn)行找礦分析預(yù)測，采用瑞雷面波測深法對研究區(qū)進(jìn)行測深試驗(yàn)。根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)和兼顧反射波地震測深的要求［15］，本次數(shù)據(jù)采集儀器及采集參數(shù)如下：探測儀器為NZ96數(shù)字地震儀，檢波器為4 Hz，記錄道數(shù)為96道，采樣間隔為1 ms，道間距10 m，偏移距20 m，炸藥激發(fā)地震波。本次試驗(yàn)是課題組于2012年在二連盆地烏蘭察布坳陷進(jìn)行的［16］。

3.2 數(shù)據(jù)處理與解釋

通過對原始地震記錄的導(dǎo)入、二維傅立葉變換、基介面波的提取、反演等工作，得到瑞雷面波頻散曲線，根據(jù)瑞雷面波的變化規(guī)律與地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)［17］，通過計(jì)算機(jī)成圖獲取1、2號淺層瑞雷面波探測剖面（圖6、7）。

1號瑞雷面波探測剖面長度自490 m測點(diǎn)至7 200 m測點(diǎn)共6 710 m。如圖所示，500 m處的ZKXX3鉆孔和6 000 m測點(diǎn)處的ZKXX4鉆孔位于同一條測線上，能較好反映地層特性。以ZKXX4為例，鉆孔柱狀圖8～10 m為黃色砂礫巖，10～26 m為淺灰色、綠色泥巖、粉砂巖，在瑞雷面波探測剖面上，大約14 m處有一個明顯的分界面；26～50 m為綠色淺灰色泥巖、粉砂巖與細(xì)砂巖互層現(xiàn)象；50～58 m為紅色、綠色泥巖、粉砂巖及58～70 m為膠結(jié)較為致密的黃色、淺灰色含礫砂巖，瑞雷面波探測剖面也有較好的分界面對應(yīng)；70～110 m為紅色泥巖、粉砂巖，局部夾雜色泥巖，整體上與瑞雷波探測剖面分界面對應(yīng)一致（圖6）。圖中，上部地層較為平緩，5 400 m測點(diǎn)處顯示有一個明顯的下切痕跡，由上至下下切深度逐漸增大，可能為局部構(gòu)造裂隙帶，下部地層垂向上變化較大，總體表現(xiàn)為一種凹凸急劇變化的過程。50 m以上至5 400 m測點(diǎn)處向兩側(cè)微微翹起，巖性為泥巖、粉砂巖等湖相沉積為主，沉積中心位于5 400 m處測點(diǎn)（圖6）。據(jù)分析，鉆孔柱狀圖在5～120 m深度處有3個較明顯的巖性分界面，結(jié)合瑞雷面波探測結(jié)果，剖面上也有3個速度分界面。在地下結(jié)構(gòu)中，由于地震波在不同介質(zhì)中傳播的速度不同，我們可以推斷每個速度分界面可能也是不同介質(zhì)的分界面。如圖6，我們可以看出鉆孔巖性柱狀圖與瑞雷面波探測剖面對應(yīng)較好，這就證明了該瑞雷面波測深方法能較好的反映地下層位信息。通過鉆孔ZKXX3對該方法的驗(yàn)證，如圖所示，ZKXX3鉆孔柱狀圖與瑞雷面波探測剖面也能較好擬合，因此證明了淺層瑞雷面波測深法的有效性。

為進(jìn)行進(jìn)一步認(rèn)證，列舉2號瑞雷面波探測剖面，如圖7所示，鉆孔柱狀圖與瑞雷面波探測剖面同樣擬合較好。

由二連盆地烏蘭察布坳陷瑞雷面波探測剖面可見，瑞雷面波淺層分辨率高，能對傾角不同地層、巖層和構(gòu)造不同的地層進(jìn)行很好的解譯，體現(xiàn)該方法的優(yōu)越性。

研究認(rèn)為:瑞雷面波測深法在二連盆地烏蘭察布坳陷地區(qū)探測剖面與鉆孔資料對比結(jié)果顯示，兩者擬合較好。瑞雷面波探測，能夠模擬出區(qū)域性地層沉積特征，同時對淺部地層構(gòu)造裂隙，斷層以及巖層的厚度能夠進(jìn)行準(zhǔn)確解譯，為今后的找礦探礦工作提供了更好的依據(jù)。同時，進(jìn)行瑞雷面波探測能夠有效地避免鉆探工作所帶來的成本大，控制面積小的特點(diǎn)［18］。

4 結(jié)論與建議

通過使用瑞雷面波測深法對研究區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、軟件開發(fā)、后期資料處理，再結(jié)合鉆孔資料，分析總結(jié)得到如下結(jié)論：

（1）淺部地層屬于地震反射波勘探“盲區(qū)”，瑞雷面波測深法能較好地應(yīng)用于淺部地層分析解譯，是目前地震勘探的一大突破；

（2）瑞雷面波探測淺層分辨率高，能夠準(zhǔn)確定位淺部地層沉積特征，對地層沉積構(gòu)造能夠進(jìn)行準(zhǔn)確解譯；

（3）經(jīng)試驗(yàn)，二連盆地烏蘭察布坳陷地區(qū)瑞雷面波探測剖面與鉆孔柱狀圖擬合較好；說明瑞雷面波測深法對淺部地層探測具有良好的適用性。該方法測深成本低、應(yīng)用廣泛，對擴(kuò)大找礦效益具有一定的積極意義。

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Applied research of Rayleigh wave sounding method in uranium resources exploration in Wulanchabu depression of Erlian Basin

CHEN Shuang1，3，TAN Han-dong1，XU Gui-lai2，WU Qu-bo2，PAN Zi-qiang2，WANG Huan3

（1.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；3.Geological Party No.208，CNNC，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

According to the characteristics of shallow bury depth of uranium resources，and small difference of wave impedence between surrounding rock and ore-bearing target layer in Wulanchabu depression of Erlian Basin，this paper discusses the possibility of the Rayleigh wave sounding method for shallow strata detecting.Study shows that Rayleigh wave sounding method can get the horizon information of target layer，which can make up the shortage of the reflection wave seismic sounding application，and also has positive guiding significance for shallow strata sedimentary positioning and regional geological prospecting work.

Rayleigh wave；shallow strata；uranium resources；Wulanchabu depression

P631.3；P619.14；P315.3＋1

A

1672-0636（2013）04-0231-06

10.3969/J.ISSN.1672-0636.2013.04.008

2013-07- 09；

2013-09-13

陳霜（1985—），女，湖南益陽人，助理工程師，從事地球探測與信息技術(shù)研究。E-mail:278312057@qq.com