井中瞬變電磁純異常提取方法及其在熱液型鈾礦勘查中的應(yīng)用

段書新，劉文泉，許 幼，胡 圓

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京，100029；2.核工業(yè)二九〇研究所，廣東 韶關(guān)，512029）

作為就礦找礦的地球物理方法，井中瞬變電磁能夠利用鉆孔探測井旁、井底盲礦，追蹤鉆孔中已見礦體的方向，在國內(nèi)外良導(dǎo)電礦體勘查領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果［1-7］。核工業(yè)系統(tǒng)在2015年引進(jìn)該方法，通過探測與熱液型鈾成礦密切相關(guān)的斷裂構(gòu)造及蝕變，來達(dá)到間接找礦的目的。三年方法試驗表明，井中瞬變電磁具有較高的探測精度，能夠識別鉆孔附近的構(gòu)造破碎等鈾成礦、控礦要素，但存在異常幅度小、半定量解釋難度大等難點［8］。針對此問題，筆者在開展模型研究的基礎(chǔ)上，提出井中瞬變電磁純異常提取方法，并簡述該方法在熱液型鈾礦勘查中的應(yīng)用效果。

1 井中瞬變電磁實測數(shù)據(jù)響應(yīng)成分分析

井中瞬變電磁觀測的是斷電后的二次場，由于探測目標(biāo)體附近存在一定導(dǎo)電強度的圍巖，觀測的二次場響應(yīng)包含三種成分：

1）導(dǎo)電圍巖響應(yīng)：發(fā)射電流關(guān)斷瞬間，瞬變一次場將在圍巖內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)渦流，該渦流以環(huán)形電流的形式向下方及外圍擴散，形成導(dǎo)電圍巖響應(yīng)。

2）目標(biāo)體響應(yīng)：感應(yīng)渦流向地下擴散和衰減的過程中，作用于目標(biāo)導(dǎo)體，并在目標(biāo)體內(nèi)部激發(fā)起渦流，該渦流隨時間擴散和衰減，產(chǎn)生目標(biāo)體響應(yīng)。

3）其他響應(yīng)：互感作用及特定地電條件下形成的集流效應(yīng)等。

井中瞬變電磁實測響應(yīng)包含上述三種成分，但又以前兩種為主。在特定地質(zhì)環(huán)境中，受目標(biāo)體與導(dǎo)電圍巖之間的電性、規(guī)模等差異的影響，實測二次場會在目標(biāo)體的純異常響應(yīng)上疊加不同程度的背景場，直接影響資料解釋的準(zhǔn)確度和精度。

為進(jìn)一步厘清上述幾種響應(yīng)成分之間的關(guān)系，以邊長100 m×100 m、厚度10 m、電導(dǎo)率為10 S/m的水平板體為研究對象，采用Maxwell數(shù)值模擬方法分別計算了導(dǎo)電半空間、自由空間中的板體及導(dǎo)電半空間嵌入板體三個模型（圖1）的井中瞬變電磁響應(yīng)。井中瞬變電磁工作參數(shù)為：回線邊長1 000 m×1 000 m， 回線中心坐標(biāo)（0，0，0）； 鉆孔位于發(fā)射回線中心，孔深2 000 m，鉆孔傾角90°； 目標(biāo)板體中心位于（100， 50， -500）； 導(dǎo)電半空間電導(dǎo)率為0.1 S/m。

圖2為上述三個模型在t2＝0.103 5 ms、t5＝0.173 3 ms、 t7＝0.245 3 ms、 t10＝0.414 ms、 t13＝0.699 8 ms、 t19=1.98 ms、 t24＝4.713 8 ms七個采樣道的理論響應(yīng)曲線。由圖可知，導(dǎo)電半空間中嵌入板體的井中瞬變電磁響應(yīng)受導(dǎo)電半空間及板體的綜合影響。A和C中Z分量響應(yīng)基本相似，表明綜合響應(yīng)中，導(dǎo)電半空間的Z分量響應(yīng)占據(jù)主要作用，對板體引起的井中瞬變電磁響應(yīng)形成極強的壓制作用。對比圖B和C的XY分量響應(yīng)曲線，兩者的響應(yīng)幅值存在一定差異，但異常響應(yīng)特征基本類似。

針對上述三個模型，分析Z分量在400 m井深處的衰減曲線（圖3），可大致看出井中瞬變電磁各響應(yīng)成分的分布規(guī)律。

1）綜合響應(yīng)（曲線c）與圍巖響應(yīng)（曲線a）在早期基本重合，表明實測早期信號主要以圍巖響應(yīng)為主；兩條曲線在晚期逐漸分離，表明目標(biāo)板體的響應(yīng)逐漸凸顯。

2）綜合響應(yīng)（曲線c）與目標(biāo)板體響應(yīng)（曲線b）在晚期逐步靠近，表明晚期信號主要以目標(biāo)體響應(yīng)為主。

圖1 三種不同模型空間位置示意圖Fig.1 Spatial location diagram by three different models

圖2 三種模型的井中瞬變電磁響應(yīng)曲線Fig.2 BHTEM responding curves of three different models

圖3 三種模型在井深400 m處的井中瞬變電磁衰減曲線Fig.3 BHTEM decay curves at 400 m depth by three different models

3）曲線c-a與曲線b的形態(tài)在中、晚期逐漸接近，表明在一定的容許誤差范圍內(nèi)，可以用曲線c-a代替曲線b。即：在一定的容許誤差范圍內(nèi)，可忽略井中瞬變電磁其他響應(yīng)成分的影響，近似地將綜合響應(yīng)看作導(dǎo)電圍巖響應(yīng)和地下局部導(dǎo)體純異常響應(yīng)的簡單疊加。

2 井中瞬變電磁純異常提取方法

在上述井中瞬變電磁實測響應(yīng)成分分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出井中瞬變電磁純異常提取方法。

由于目標(biāo)地質(zhì)體影響范圍有限，其對實測二次場響應(yīng)的貢獻(xiàn)主要集中于地質(zhì)體中心深度處，而遠(yuǎn)離中心位置的二次場信息則不受目標(biāo)地質(zhì)體影響。因此，可大致把綜合響應(yīng)曲線按照距離目標(biāo)體遠(yuǎn)近大致分為背景區(qū)-異常區(qū)-背景區(qū)三個區(qū)段，其中背景區(qū)響應(yīng)主要反映導(dǎo)電圍巖響應(yīng)，而異常區(qū)響應(yīng)則是導(dǎo)電圍巖響應(yīng)和目標(biāo)體純異常響應(yīng)的疊加。

由于導(dǎo)電圍巖響應(yīng)曲線是連續(xù)、漸變的（圖2A），因此，利用井中瞬變電磁背景區(qū)實測響應(yīng)值yi及對應(yīng)的深度值hi，可構(gòu)造出關(guān)于深度h和導(dǎo)電圍巖響應(yīng)y的插值函數(shù)

yi＝f（hi）， i＝1， 2， 3……。

利用該函數(shù)，計算出異常區(qū)導(dǎo)電圍巖二次場響應(yīng)，并將其從實測綜合響應(yīng)中剔除，即可得到目標(biāo)地質(zhì)體所引起的純異常。

按照上述思路，對導(dǎo)電半空間中嵌入板體模型的理論響應(yīng)進(jìn)行了純異常提取。設(shè)異常區(qū)段深度為300～500 m，得到純異常響應(yīng)如圖4所示，其三分量響應(yīng)特征與自由空間中板體的響應(yīng)特征基本一致。

3 井中瞬變電磁異常解釋原則

當(dāng)?shù)玫降刭|(zhì)目標(biāo)體產(chǎn)生的純異常后，即可根據(jù)井中瞬變電磁異常解釋原則對其展開定性解釋。針對斜孔，定義Z分量沿鉆孔井軸向上為正，X分量指向鉆孔傾斜方向為正，Y分量正方向指向正X逆時針旋轉(zhuǎn)90°的方向。井中瞬變電磁異常解釋遵循如下基本原則（圖 5）。

圖4 導(dǎo)電半空間中嵌入板體模型300～500 m深度段純異常響應(yīng)Fig.4 Pure anomaly responding at 300～500 m depth of plate model in conductive half space

當(dāng)Z分量響應(yīng)曲線為正異常 （井中異常）時，表明鉆孔穿過低阻地質(zhì)目標(biāo)體；而當(dāng)響應(yīng)曲線為負(fù)異常（井旁異常）時，則表明低阻地質(zhì)目標(biāo)體位于鉆孔旁。當(dāng)確定鉆孔中（旁）存在低阻地質(zhì)目標(biāo)體后，即可利用徑向XY分量大致判斷目標(biāo)體的方位，具體如下：以鉆孔為坐標(biāo)原點，當(dāng)X（或Y）響應(yīng)曲線表現(xiàn)為由負(fù)到正的正S特性時，表明低阻地質(zhì)目標(biāo)體中心位于X（或Y）正方向；反之，則為負(fù)方向。

4 應(yīng)用實例

4.1 工作區(qū)概況

工作區(qū)位于廣東長江，為典型的熱液型鈾成礦區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有NEE向棉花坑斷裂、NW向油洞斷裂及多組NNW向次級斷裂。出露巖性以印支期及燕山早期花崗巖為主，主要為中（粗）粒斑狀黑云母二長花崗巖及黑云母花崗巖等。

試驗鉆孔ZK71-2位于302礦床以北約1 km處（圖6），鉆孔開孔方位75°，傾角75°，終孔深度403 m。鉆孔揭露巖性主要為中粒黑云母花崗巖，在246～268 m深度段發(fā)育硅化碎裂巖。經(jīng)放射性γ測井，鉆孔在106 m深度位置處有弱放射性異常。

4.2 井中瞬變電磁響應(yīng)曲線特征

野外利用200 m×200 m中心框進(jìn)行了井中瞬變電磁實測，其中發(fā)射電流15A，時基20 ms，下降沿長度0.5 ms。各采樣道時間延遲見表1。

排除套管影響，本次測試得到60～395 m深度段井中瞬變電磁三分量響應(yīng)，其與放射性γ測井及鉆孔巖性對比如圖7所示。

圖5 井中瞬變電磁異常曲線特征與異常中心位置分布關(guān)系示意簡圖Fig.5 Relationship between BHTEM response and anomaly center

圖6 長江工作區(qū)地質(zhì)簡圖 （據(jù)許麗麗2017，有修改）Fig.6 Geological map of Changjiang working area （Modified after XU Lili， 2017）

表1 ZK71-2井中瞬變電磁采樣延遲時間/msTable 1 Time/ms of sampling delay of BETEM in ZK71-2

圖7中井中瞬變電磁Z分量響應(yīng)未見明顯異常，可能是由于發(fā)射回線與導(dǎo)電圍巖之間的耦合作用要遠(yuǎn)強于回線與目標(biāo)地質(zhì)體，使得導(dǎo)電圍巖響應(yīng)成分在綜合響應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，并對目標(biāo)地質(zhì)體響應(yīng)形成壓制。相比較而言，徑向XY分量在響應(yīng)幅值及響應(yīng)特征上均極為明顯，推測為良導(dǎo)電礦體所致異常。XY分量異常深度約190 m，鉆孔在該深度揭露少量赤鐵礦化，但所見規(guī)模不足以引起該異常響應(yīng)，因此推測鉆孔附近存在一個盲赤鐵礦（化）。根據(jù)Y分量的反S特性，推斷赤鐵礦化中心位于鉆孔南部。

γ測井曲線在106、267 m兩個深度位置處有跳變，但僅在106 m深度位置處是連續(xù)跳變，推測此處為放射性異常位置。在該位置處，井中瞬變電磁異常特征不明顯，無法開展定性解釋。

4.3 井中瞬變電磁純異常分析

圖7 ZK71-2井中瞬變電磁三分量響應(yīng)與γ測井及鉆孔巖性對比簡圖Fig.7 Comparison of three-component response of BHTEM，gamma logging and drilling lithology in ZK71-2

圖8 ZK71-2 160～220 m深度段BHTEM純異常Fig.8 BETEM pure anomaly at 160～220 m depth in ZK71-2

對190 m深度位置處的井中瞬變電磁實測數(shù)據(jù)進(jìn)行純異常提取，其異常響應(yīng)特征得到明顯增強。由圖8可知，Z分量的井旁負(fù)異常特征得到凸顯，表明鉆孔旁存在良導(dǎo)電的赤鐵礦（化）。徑向XY分量響應(yīng)特征較提取前亦有所增強，指示低阻的赤鐵礦化中心位于鉆孔南部。

利用Maxwell對純異常進(jìn)行數(shù)值逼近，得到理論導(dǎo)電板體模型及響應(yīng)對比曲線如圖9、圖10所示。根據(jù)模擬結(jié)果，低阻的赤鐵礦（化）中心位于鉆孔200°方位，埋深190 m，距鉆孔85 m。

圖9 ZK71-2 160～220 m深度異常體中心位置Fig.9 Center position of anomaly at 160～220 m depth in ZK71-2

圖10 ZK71-2 160～220 m深度井中瞬變電磁理論及實測響應(yīng)對比Fig.10 Comparison of theory and measured BHTEM response at 160～220 m depth in ZK71-2

針對γ測井揭示的106 m深度段放射性異常，通過對該深度段井中瞬變電磁實測數(shù)據(jù)進(jìn)行純異常提取，得到響應(yīng)曲線如圖11所示。Z分量主要表現(xiàn)為井旁負(fù)異常特征，X分量以反S特性為主，Y分量以正S特性為主，根據(jù)前文定性解釋原則，認(rèn)為造成該處γ測井值偏高的礦化蝕變帶位于鉆孔北西西方位。三個分量異常響應(yīng)的幅值及幅寬均相對較小，表明該礦化蝕變帶規(guī)模不大或距離鉆孔較遠(yuǎn)。

圖11 ZK71-2 90～120 m深度段BHTEM純異常Fig.11 BETEM pure anomaly at 90～120 m depth in ZK71-2

5 結(jié)論

通過開展井中瞬變電磁純異常提取及其在熱液型鈾礦勘查中的應(yīng)用研究，得到以下認(rèn)識：

1）利用井中瞬變電磁純異常提取方法，可從實測綜合響應(yīng)中大致分離出目標(biāo)地質(zhì)體所引起的純異常響應(yīng)，使得目標(biāo)體異常響應(yīng)特征得到明顯增強。

2）井中瞬變電磁在ZK71-2鉆孔上的應(yīng)用實例表明，該方法能有效識別鉆孔施工過程中遺漏的井旁盲導(dǎo)電礦體。結(jié)合井中瞬變電磁純異常提取方法，可精確定位良導(dǎo)電礦體的中心位置。

3）針對ZK71-2揭露的放射性γ異常，利用井中瞬變電磁純異常提取方法對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理分析，推測了鉆孔中鈾礦化可能的延伸方向。