音頻大地電磁法在鈾礦勘查中的應(yīng)用

王澤霞，艾虎，李茂，喬勇

（1.核工業(yè)航測遙感中心，石家莊050002；2.中核集團(tuán)公司鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），石家莊050002）

音頻大地電磁法在鈾礦勘查中的應(yīng)用

王澤霞1，2，艾虎1，2，李茂1，2，喬勇1，2

（1.核工業(yè)航測遙感中心，石家莊050002；2.中核集團(tuán)公司鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），石家莊050002）

音頻大地電磁法具有探測深度大、橫向分辨率高、設(shè)備輕便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于煤田、水文、工程及環(huán)境地質(zhì)勘查中。近年來在地浸砂巖型、火山巖型和花崗巖型鈾礦探測中，為解決沉積盆地蓋層中砂巖層（砂體）的空間分布、厚度和埋深，大致查明火山巖、花崗（斑）巖的分布范圍及空間展布，推斷盆地基底的起伏形態(tài)、埋深，推斷斷裂構(gòu)造的展布、規(guī)模及特征等鈾成礦地質(zhì)環(huán)境方面發(fā)揮了重要作用，為鈾礦地質(zhì)勘查工程布置提供了科學(xué)依據(jù)。

音頻大地電磁法；天然場源；鈾礦探測

音頻大地電磁法簡稱AMT法，是大地電磁法的一個(gè)分支。它是利用音頻大地電磁場作為場源來測定地下巖石的電性參數(shù)，并通過研究地電斷面的變化來達(dá)到了解地質(zhì)構(gòu)造、找礦、找水等地質(zhì)目的的一種地球物理勘探方法［1］。AMT法通過測量水平和相互垂直的電磁場分量數(shù)據(jù)，求出阻抗振幅或視電阻率和阻抗相位，進(jìn)而反演解釋振幅和相位曲線得到地電斷面信息，研究地電斷面電阻率差異進(jìn)行推斷解釋；并根據(jù)電阻率量值的大小以及在地下的展布形式來識別地下地質(zhì)體性質(zhì)和空間分布。

1 音頻大地電磁法簡介

音頻大地電磁法是一種頻率測深的方法，AMT法利用不同頻率的電磁波來反映不同深度的地下介質(zhì)視電阻率分布規(guī)律［2］。通過觀測由遠(yuǎn)程天電引起的天然平面電磁波信號以確定地下的電阻率值的方法，其測量的頻率范圍為10～104Hz。與大地電磁法相比，由于頻率較高，對淺部的分辨率較高，更適于資源勘探。

AMT法的特點(diǎn)：1）使用的儀器輕便，適用于地形、植被發(fā)育的山區(qū)使用；2）觀測頻帶寬，從0.1 Hz至100 kHz。探測深度從最小的幾米至最大的2 000 m［3］，尤其適合各種不同深度的工程勘察和金屬礦勘探［4］；3）AMT可采用張量或標(biāo)量測量，對二維構(gòu)造反映比較逼真，采用TM、TE兩種模式觀測，故能較真實(shí)地反映地質(zhì)體分布情況［5］；4）工作效率高。

1.1 方法原理

假設(shè)來自高空的電磁波是垂直向地球入射的諧變的均勻平面波，地球是電性均勻介質(zhì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律［1］，通過同時(shí)對地面電場和磁場波動的測量來獲取地表的電阻抗，通過觀測記錄電磁場信號，然后經(jīng)傅立葉變換將時(shí)間域的電磁信號變成頻譜信號，得到Ex、Ey、Hx、Hy值，以此計(jì)算卡尼亞電阻率（張量）［6］：

式中：ρxy—x方向卡尼亞電阻率；ρyx—y方向卡尼亞電阻率；f—頻率；Zxy—x方向波阻抗；Zyx—y方向波阻抗；Ex—x方向電場分量；Ey—y方向電場分量；Hy—y方向磁場分量；Hx—x方向磁場分量。

根據(jù)卡尼亞電阻率公式，其電阻率隨頻率變化而變化，而電磁波的穿透深度也與頻率有關(guān)。定義電磁波在地下介質(zhì)傳播中，振幅衰減到地面振幅的1/e的深度為趨膚深度

δ［1］:

式中：δ—趨膚深度；ρ—卡尼亞電阻率；f—頻率。

由上式可知，趨膚深度隨電阻率和頻率的變化而改變。地層電阻率高則勘探深度比較深，反之勘探深度則淺；高頻信息反映淺部地層特征，低頻信息反映深部地層特征。由此可確定大地的地電特征和地下構(gòu)造［7］。

1.2 野外工作方法

在鈾資源勘查中，野外數(shù)據(jù)采集主要使用EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀，采用天然場源、單點(diǎn)張量方式測量兩個(gè)相互正交的電場和磁場分量（圖1）。工作頻率主要選取低頻段（10 Hz～1 kHz），高頻段（750 Hz～100 kHz），且低頻段和高頻段疊加均不低于8次。儀器以時(shí)間序列采集記錄Ex、Ey、Hx、Hy四道電磁脈沖，通過傅氏變換，將時(shí)間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù)，利用四個(gè)場分量的互功率譜計(jì)算出張量阻抗。經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換最后顯示出視電阻率、相位和相干度曲線，并由此計(jì)算出電阻率-深度曲線。

圖1 EH-4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀野外數(shù)據(jù)采集裝置示意圖Fig.1The sketch of field data collection device for EH-4 continuous conductivity profiler

1.3 數(shù)據(jù)處理

音頻大地電磁法數(shù)據(jù)處理主要包括野外現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理。

1.3.1 實(shí)時(shí)處理

實(shí)時(shí)處理是在野外數(shù)據(jù)采集過程中，由控制程序?qū)崟r(shí)自動完成的，其目的是監(jiān)控原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，通過觀察主機(jī)顯示屏上時(shí)間域電磁場分量的振幅變化，調(diào)節(jié)、設(shè)置合適的增益，根據(jù)相干度、相位及視電阻率等參數(shù)的曲線和時(shí)間域的信噪比確定疊加次數(shù)，壓制干擾，為獲取可靠的原始數(shù)據(jù)提供保證。

1.3.2 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

在原始數(shù)據(jù)質(zhì)量評述符合規(guī)范的前提下，進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理。室內(nèi)數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理、反演處理兩部分。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)塊編輯、隨機(jī)噪聲處理和靜態(tài)校正；數(shù)據(jù)反演處理對通過野外測量獲得電場和磁場虛、實(shí)分量和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行一維計(jì)算，將頻率-電阻率關(guān)系轉(zhuǎn)換為深度-電阻率關(guān)系；最后將一維計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行二維分析處理，并提取反演數(shù)據(jù)，編制初步的反演電阻率斷面圖。

圖2 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理流程框圖Fig.2The flow diagram of indoor data processing

1）預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理一般采用隨機(jī)攜帶的Imagem軟件進(jìn)行時(shí)間域數(shù)據(jù)處理，采用Imagem、Emage-2D、Winglink等軟件進(jìn)行頻率域的數(shù)據(jù)處理。

2）反演處理

反演處理就是根據(jù)實(shí)測視電阻率、相位差恢復(fù)大地地電結(jié)構(gòu)，從獲得的深度電阻率斷面圖上去追蹤分析一些地質(zhì)現(xiàn)象。反演處理包括反演方法選擇，不同方法的參數(shù)選擇，主要利用的軟件為Imagem、Emage-2D、Winglink等，各種軟件需要試驗(yàn)不同的反演參數(shù)，最后還要進(jìn)行反演結(jié)果可靠性檢查。

（1）反演方法的選擇：根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)要求，不同的地區(qū)，反演方法的選擇也就不同。一般而言，在花崗巖、火山巖地區(qū)，斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，成層性差，Bostick（博斯蒂克）算法效果較好；在沉積巖地區(qū)，RRI（快速松弛）、RM（正則化）和OCCAM（奧克姆）等算法效果較好；有些地區(qū)則需要不同的反演方法結(jié)合進(jìn)行。

（2）反演方法參數(shù)選擇

博斯蒂克（Bostick）算法：其參數(shù)主要為圓滑系數(shù)的選擇。

快速松弛（RRI）反演方法：其反演參數(shù)主要包括空間模型、第1層厚度、起始Z值、網(wǎng)格間距等參數(shù)的選擇。

正則化（RM）反演方法：其反演參數(shù)主要包括正則化因子的選擇。

（3）反演結(jié)果可靠性檢查：為判別多重資料處理過程的真實(shí)可靠性，應(yīng)檢查處理過程正確與否，并將處理結(jié)果與已知資料（與已知的典型剖面、實(shí)測剖面和鉆孔資料）進(jìn)行比較，以驗(yàn)證反演結(jié)果的可靠性。

1.4 資料解釋

音頻大地電磁測量資料解釋包括斷面解釋標(biāo)志建立、地電斷面解釋及綜合分析三部分。要在廣泛搜集、掌握工作區(qū)已有地質(zhì)、物探和鉆孔資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行，資料解釋與數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行，確定合理的反演參數(shù)，再根據(jù)已知標(biāo)志對反演電阻率斷面圖進(jìn)行解釋。通過對數(shù)據(jù)的處理和資料解釋得到反演電阻率斷面圖和地質(zhì)推斷解釋圖，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對工作區(qū)進(jìn)行地電斷面的解釋和綜合分析。

2 方法應(yīng)用

2.1 音頻大地電磁法在砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

以內(nèi)蒙古二連盆地腦木根地區(qū)為例，數(shù)據(jù)處理過程中對每條測線都做了Bostick、RRI、RM2D 3種方法的反演計(jì)算，資料解釋時(shí)以RM2D反演處理結(jié)果為主，同時(shí)結(jié)合原始數(shù)據(jù)及其它2種方法的處理結(jié)果來綜合進(jìn)行。本次數(shù)據(jù)處理反演參數(shù)選取半空間模型、最大列寬度為100、第1層厚度設(shè)置為5.0。反演處理是在反演方法對比選擇的基礎(chǔ)上，采用引進(jìn)的較為完善的Emage-2D反演處理軟件中正則化二維反演方法對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算。

圖3是某測線的反演電阻率斷面圖和地質(zhì)推斷解釋圖，實(shí)測測線北西端附近有古生界基底直接出露地表，其余地段地表為砂土、礫石。斷面右測低阻部分反映了以泥巖、粉砂巖等細(xì)粒沉積物為主的電性特征，沉積較穩(wěn)定，斷面上表現(xiàn)為成層性較好，分布連續(xù)、厚度變化不大。

從測線反演電阻率斷面圖中可以清楚地看出，整條斷面電性差異明顯，總體上具有西北段電阻率高，東南段電阻率偏低的特點(diǎn)。斷面圖中電阻率特征充分反映了不同地層分布特點(diǎn)。推斷電阻率高、低值分界處為斷裂構(gòu)造F1的反映［8］。

2.1.1 斷裂構(gòu)造推斷解釋

在反演電阻率斷面中平距4.1 km處，反演電阻率等值線形態(tài)發(fā)生了明顯變化，左側(cè)高阻、右側(cè)低阻中間呈等值線密集梯度帶，為存在斷裂構(gòu)造的顯著標(biāo)志。

2.1.2 電性層地質(zhì)推斷解釋

由于受上述推斷斷裂的控制及隆坳構(gòu)造的綜合影響，反演電阻率斷面圖可以分為電阻率等值線不同的兩段特征。第1段反演電阻率以大面積的高阻體為特征，厚層狀；第2段橫向上反演電阻率總體以中高阻及低阻相間分布為特征。結(jié)合電性參數(shù)測量結(jié)果，推斷大面積高阻體為AnK1的反應(yīng)，而中-低阻電性層為下白堊統(tǒng)（K1b）泥巖、粉砂巖層的反應(yīng)。

圖3 內(nèi)蒙古二連盆地腦木根一測線的反演電阻率斷面圖和地質(zhì)推斷解釋圖Fig.3The inversed resistivity section and deduced geological interpretation of a survey line in Naomugen area of Erlian Basin，Inner Mongalia

2.2 音頻大地電磁法在花崗巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

以廣東省翁源地區(qū)鈾礦AMT勘查為例，數(shù)據(jù)處理中分別采用Winglink、Emage-2D、SCS-2D和Imagem等軟件對15號線數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，結(jié)果與已知的15號線的地質(zhì)剖面圖對比分析后，選用Imagem軟件、Bostick算法、圓滑系數(shù)為0.6。

圖4為15號測線的反演電阻率斷面圖。區(qū)內(nèi)電阻率測量結(jié)果顯示，中粒斑狀黑云母花崗巖（2pbγ52-1）和細(xì)粒二云母花崗巖（3mbγ52-3），兩者之間的電阻率值較為接近［9］。當(dāng)巖石遭受熱液活動，發(fā)生蝕變時(shí)，電阻率僅為正?；◢弾r的1/3甚至更?。ü杌蛷?qiáng)硅化除外）。

當(dāng)巖石經(jīng)構(gòu)造破碎后，其電阻率急劇降低，最小僅為幾十歐姆米，與正?；◢弾r之間形成明顯的電性差別，是判斷斷裂構(gòu)造存在的主要標(biāo)志之一。

圖415 號線反演電阻率斷面圖和已知地質(zhì)剖面對比Fig.4The comparison of inversed resistivity section and known geological section of Line 15

碎裂巖經(jīng)硅化后形成的硅化碎裂巖，電阻率值有所增加，當(dāng)硅化程度很高時(shí)，其電阻率值也可達(dá)上萬歐姆米，與周圍巖石形成電性差異，在反演電阻率斷面圖上等值線密集排列并形成醒目的條帶狀高阻體，這也是判斷斷裂構(gòu)造的標(biāo)志之一。

中基性巖脈電阻率值大于100 000 Ω·m，明顯呈現(xiàn)出為高阻體。

據(jù)前人資料，從15號線反演電阻率斷面圖和已知地質(zhì)剖面圖的對比（圖4）分析可以看出：

1）距離70～270 m段向下沿傾角約70°出現(xiàn)一電阻率低阻條帶，對應(yīng)已知地質(zhì)剖面圖上F3-5、F3-6、F3-0、F3-1、F3-3和F3-4號硅化斷裂。6條硅化斷裂緊密排列且出露寬度不大，音頻大地電磁測量難以將其一一分辨，反演斷面圖中出現(xiàn)的低阻條帶更像是宏觀上6條斷裂組成的Fa構(gòu)造破碎帶。

2）距離約420 m處，構(gòu)造破碎帶沿電阻率等值線密集帶和低阻舌狀體向下延伸，到海拔約620 m處后分叉，一條沿原來趨勢繼續(xù)向下延伸；另一條以小角度沿高阻體之間的低阻條帶延伸的Fg硅化斷裂，對應(yīng)已知的F3-10斷裂。

反演電阻率斷面圖上基本反映了Fa號硅化帶在深部的延伸趨勢。結(jié)合工作區(qū)內(nèi)巖石電阻率特征，反演電阻率斷面圖中電阻率值小于1 000 Ω·m，一般為500～1 000 Ω·m，指示了該地段巖石破碎并受熱液活動影響發(fā)生蝕變，與實(shí)際地質(zhì)情況相符。但是中粒黑云母花崗巖和細(xì)粒二云母花崗巖之間的界線難以確定，主要是兩者之間電性差異小造成的。

2.3 音頻大地電磁法在火山巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

圖5 L02測線反演電阻率及地質(zhì)推斷解釋斷面圖Fig.5The resistivity inversion and geological inference interpretation section of survey Line L02

以內(nèi)蒙古西干溝地區(qū)鈾礦AMT勘查為例，數(shù)據(jù)處理采用常用的Imagem二維反演處理方法，選取圓滑系數(shù)為0.3進(jìn)行二維反演。

圖5為L02測線反演深度3 000 m的反演電阻率及地質(zhì)推斷解釋斷面圖。由圖5可見，標(biāo)高約-350 m以上，反演電阻率呈團(tuán)塊狀中高阻，等值線密集，結(jié)合地質(zhì)資料整體解釋為上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組的流紋巖、流紋斑巖；標(biāo)高-350 m以下，反演電阻率較高，縱向上向深部等值線平穩(wěn)增加，有序排列，橫向上，等值線平緩穩(wěn)定延伸，向北有變深的趨勢，推測解釋為火山巖盆地基底，為太古界烏拉山群及前早中侏羅世花崗巖，平距2 500 m以北基底埋深逐漸變大［10］?？傮w上，以2 500 m為界，南段火山巖直接出露地表，基底上隆，表現(xiàn)為火山隆起特點(diǎn)；北段地表第四系覆蓋，基底下坳，表現(xiàn)為坳陷特點(diǎn)。

綜合分析認(rèn)為區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要表現(xiàn)特征為垂向等值線密集帶、陡直向下延伸變異帶、以及等值線橫向錯(cuò)斷等，由圖5反演電阻率斷面圖可以進(jìn)一步看出斷裂構(gòu)造向深部的延伸情況，斷裂F4、F5和F6向深部延伸至基底界面，大約2 000 m，傾角陡直，圍巖較破碎或充填構(gòu)造角礫巖等，蝕變強(qiáng)烈。而F3斷裂向深部延伸至標(biāo)高約150 m，北部圍巖較為破碎，且破碎程度較高。

3 結(jié)論

通過AMT方法在以上三種類型鈾礦勘探中的應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1）鈾礦往往賦存于蝕變帶、構(gòu)造破碎帶或砂體中，它們與圍巖存在顯著的電性差異，具備開展AMT的基礎(chǔ)，且能夠取得較好的應(yīng)用效果；2）在數(shù)據(jù)采集過程中，需注重在電

（，Continued on page 105）（，Continued from page 101）磁干擾比較平靜或可抑制、各種人文干擾不嚴(yán)重或可識別的條件下采集數(shù)據(jù)，以校正數(shù)據(jù)質(zhì)量；3）數(shù)據(jù)處理時(shí)，需結(jié)合地質(zhì)資料，多種反演方法對比，反復(fù)試驗(yàn)，最終選取適合本地區(qū)的反演方法、參數(shù)，以期獲得最為接近地質(zhì)事實(shí)的反演結(jié)果；4）成果解釋時(shí)，結(jié)合地質(zhì)、其他物探資料，反復(fù)推敲，減少物探解釋的多解性，為鈾礦勘查提供最有力的地質(zhì)解釋；5）由音頻大地電磁法在上述砂巖型、花崗巖型、火山巖型鈾礦中的應(yīng)用可以看出，該方法在這三種類型的鈾礦勘查中，對大致查明工作區(qū)地質(zhì)界線、斷裂構(gòu)造的位置和基底起伏等鈾成礦地質(zhì)環(huán)境問題是十分有效的。

［1］李金銘.地電場與電法勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，2007:377-405.

［2］劉國興.電法勘探原理與方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005:164-185.

［3］程紀(jì)星，謝國發(fā)，喬寶強(qiáng).音頻大地電磁測深法與高精度磁法在相山鈾礦田西部鈾成礦有利遠(yuǎn)景預(yù)測中的應(yīng)用［J］.世界核地質(zhì)科學(xué)，2013，30（2）:106-109.

［4］張濡亮，喻翔，腰善叢，等.音頻大地電磁測深法在尼日爾阿澤里克鈾成礦區(qū)的應(yīng)用研究［J］.世界核地質(zhì)科學(xué)，2015，32（1）:27-28.

［5］張啟生.音頻大地電磁法原理及數(shù)據(jù)處理［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010，19:26-28.

［6］王建軍，田成富，高橋松.淺談EH4電磁測深法在采空區(qū)勘查中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11（2）:173-174.

［7］何繼善.可控源音頻大地電磁法［M］.長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

［8］山科社.內(nèi)蒙古二連盆地腦木根地區(qū)音頻大地電磁測量報(bào)告［R］.石家莊：核工業(yè)航測遙感中心，2009.

［9］孫棟華.廣東省翁源縣物探測量報(bào)告［R］.石家莊：核工業(yè)航測遙感中心，2009.

［10］山科社，喬勇，沈靖幫.內(nèi)蒙古多倫縣西干溝地區(qū)物探綜合測量報(bào)告［R］.石家莊：核工業(yè)航測遙感中心，2010.

Application of audio magnetotelluric method in uranium exploration

WANG Zexia1，2，AI Hu1，2，LI Mao1，2，QIAO Yong1，2
（1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry，Shijiazhuang 050002，China；2.Key Laboratory for Geoghysical Exploration Technology Center of Uranium Resources，Shijiazhuang 050002，China）

Audio magnetotelluric method has the characteristics of large detecting depth，high in lateral resolution and portable equipments，therefore has been widely used in coal，hydrology，engineering and environmental geology exploration.In recent years，in the exploration of leachable sandstone type，volcano rock type and granite type uranium deposit exploration，audio magnetotelluric method has played an important role in solving the problem of spatial distribution，thickness and buried depth of the sedimentary basin cover layer sand（sand body），roughly determining the spatial distribution and thickness of volcano rocks and granitic porphyry，inferring basement topography，depth，scale and the feature of inference，fracture structure，which provides a scientific basis for the arrangement of exploration engineering.

Audio magnetotelluric method；natural source；uranium deposits detection

P631.1+2；P619.14

A

1672-0636（2016）02-0096-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．02．006

2015-06-04；

王澤霞（1989—），女，河北石家莊人，助理工程師，主要從事地面物化探工作。E-mail:wzx703@163.com