鄂爾多斯盆地北西緣伊和烏素地區(qū)CSAMT勘查效果評價

李 毅，李 茂，吳旭亮

( 核工業(yè)航測遙感中心，中核集團公司鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)，河北 石家莊 050002 )

0 引言

鄂爾多斯盆地為我國北方中新生代大型產(chǎn)鈾沉積盆地之一[1-3]。近年來，為擴大盆地北部鈾礦找礦工作成果，實現(xiàn)新區(qū)域、新層位、新類型的找礦突破，核地質(zhì)系統(tǒng)相繼開展了多項電磁法勘查工作，初步查明了目標(biāo)區(qū)內(nèi)蓋層結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造以及目的層砂體空間展布特征等深部地質(zhì)問題，提供了系列成果圖件，為目標(biāo)區(qū)開展鈾礦資源調(diào)查評價與勘查提供了新的認(rèn)識及基礎(chǔ)資料。

雖然物探工作取得了一定的成果，但工程結(jié)束后除少數(shù)做出總結(jié)外[4]，大多忽視了對方法勘查效果的評價，尤其是未利用后期施工的鉆孔資料對解釋結(jié)果進(jìn)行對比分析，影響了方法勘查效果以及認(rèn)識水平的進(jìn)一步提高。

本文基于研究區(qū)完成的CSAMT資料，結(jié)合地質(zhì)與收集鉆孔資料，對方法的勘查效果進(jìn)行了綜合評價，為促進(jìn)鄂爾多斯盆地北部或其他沉積盆地電磁法勘查效果的提升提供了借鑒。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及地電特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊盟隆起的中西部(圖1)，根據(jù)鉆孔資料分析，區(qū)內(nèi)蓋層主要為中新生界三疊系(T)、侏羅系(J)、下白堊統(tǒng)(K1)及第四系[5-8]，以下主要對侏羅系與下白堊統(tǒng)進(jìn)行重點敘述。

侏羅系主要發(fā)育有中侏羅統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)及上侏羅統(tǒng)安定組(J3a)。中侏羅統(tǒng)延安組下部及上部為綠色、黃綠色、灰色含礫粗砂巖，中部為灰色、黑色、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖，灰黑、淺灰色粉砂巖、煤層及煤線，厚50～250 m，最厚可達(dá)450 m。中侏羅統(tǒng)直羅組上段以泥巖、粉砂巖為主，下段以中、粗砂巖為主，為鄂爾多斯盆地北東部主要的賦礦層位。上侏羅統(tǒng)安定組為灰綠色泥質(zhì)砂巖、紫紅色細(xì)砂巖、泥巖夾鈣質(zhì)膠結(jié)的白色細(xì)砂巖。

下白堊統(tǒng)發(fā)育厚層狀河流相砂體，泥巖不發(fā)育[5]，主要由洛河組(K1l)、華池環(huán)河組(K1hc+h)及羅漢洞組(K1lh)組成。洛河組主要以淺紅色砂巖為

主，夾棕紫色泥巖，含鈣質(zhì)結(jié)核，底部發(fā)育底礫巖。華池環(huán)河組主要為黃色、灰綠、淺灰、棕紅色的中—粗粒長石石英砂巖、粉砂巖、姜黃色砂巖、砂礫巖不等厚互層，因賦存砂巖型鈾礦化，為杭錦旗西部重要的找礦目的層，與下伏洛河組整合接觸。羅漢洞組上部主要為土紅、紫紅色砂巖和灰色中粗粒砂巖，下部為泥質(zhì)粉砂巖互層。區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀平緩，褶皺、斷裂構(gòu)造不發(fā)育[7]。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)及測線布置圖Fig.1 Geology and survey line layout map of the study area1—第四系 2—羅漢洞組 3—華池環(huán)河組 4—地質(zhì)界線 5—氧化前鋒線 6—鹽堿地 7—鉆孔編號 8—測線及編號

1.2 地電特征

表1為收集核工業(yè)二○八大隊伊和烏素地區(qū)與巴音青格利地段鉆孔巖心電阻率測井資料統(tǒng)計表。由表1及地層巖性分析，下白堊統(tǒng)主要以厚層狀砂巖為主，泥巖不發(fā)育，其中華池環(huán)河組測井電阻率最高，羅漢洞組與洛河組其次，羅漢洞組下部發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖夾層，與下伏的華池環(huán)河組厚層狀砂巖存在一定的電性差異，洛河組下部發(fā)育底礫巖，上部電阻率有所偏低，由于埋藏深、厚度薄，在反演電阻率斷面中與華池環(huán)河組整體反映為明顯的相對高阻電性層。

上侏羅統(tǒng)安定組巖性主要為泥巖與砂質(zhì)泥巖，測井電阻率表現(xiàn)為明顯的相對低阻電性層，中侏羅統(tǒng)直羅組主要為泥砂互層，整體表現(xiàn)為相對低阻電性層；中侏羅統(tǒng)延安組由于煤層電阻率較高，整體反映為相對中阻電性層。

綜上，研究區(qū)整體表現(xiàn)為白堊統(tǒng)相對中高及高阻、安定組與直羅組相對低阻、延安組相對中阻的四層地電結(jié)構(gòu)特征，為方法資料的解釋奠定了基礎(chǔ)。

表1 研究區(qū)鉆孔測井電阻率統(tǒng)計Table 1 List of drilling hole logging resistivity in the study area

2 測線布置

研究區(qū)地層整體呈NW走向，依據(jù)物探剖面線應(yīng)與主構(gòu)造線走向垂直的原則，共布置NE向CSAMT剖面5條，其中Y19K02、Y19K03、Y19K05線與勘探線重合并穿過已知鉆孔，每條剖面長34.0 km，線距3.60 km，點距100～200 m，總計測點1200個(圖1)。

3 數(shù)據(jù)反演處理

數(shù)據(jù)反演處理采用Zonge公司與GDP-32II多功能電法儀相配套的SCS2D軟件完成，反演方法采用OCCAM算法。為確保本次數(shù)據(jù)反演精度及資料的解釋效果，首先利用已知鉆孔資料對主要反演參數(shù)，即初始背景電阻率模型、初始厚度、圓滑系數(shù)進(jìn)行了適用性試驗分析[10]，根據(jù)反復(fù)試驗結(jié)果，最終確定了本次數(shù)據(jù)反演處理的約束條件，即初始電阻率模型為二維移動平均數(shù)據(jù)初始化背景電阻率模型，初始厚度為75 m，圓滑系數(shù)為0.5，提高了資料解釋的可靠性。

圖2為Y19K05線平距13.6～15.8 km反演結(jié)果與ZK5-1鉆孔揭露對比圖。ZK5-1號鉆孔位于剖面平距14.4 km，揭露深度1489 m，圖2中裁截到約1380 m。第四系：0.0～11.0 m；下白堊統(tǒng)羅漢洞組：11.0～162.0 m；下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組與洛河組：162.0～962.0 m；上侏羅統(tǒng)安定組與中侏羅統(tǒng)直羅組：962～1223 m；中侏羅統(tǒng)延安組：1223～1380 m。

根據(jù)測井電阻率分析，下白堊統(tǒng)表現(xiàn)為相對中高及高阻電性層，安定組和直羅組表現(xiàn)為相對低阻電性層，延安組表現(xiàn)為相對中阻電性層。由圖2可見，反演結(jié)果與鉆孔揭露的地電結(jié)構(gòu)總體一致，說明選擇的反演約束參數(shù)基本可靠。

圖2 Y19K05線平距13.6～17.6km反演結(jié)果與鉆孔資料對比圖Fig.2 Comparison of inversion result and drilling hole data at 13.6-17.6 km in Y19K05 line1—下白堊統(tǒng)羅漢洞組 2—下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組組 3—下白堊統(tǒng)洛河組 4—上侏羅統(tǒng)安定組 5—中侏羅統(tǒng)直羅組 6—中侏羅統(tǒng)延安組 7—巖性界線 8—鉆孔及編號

4 CSAMT勘查可行性分析

根據(jù)鄂研究區(qū)的地電結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了五層結(jié)構(gòu)的正演模型，對方法的可行性進(jìn)行了分析研究。

模型長2 km，計算測點距100 m，深度1200 m；第一結(jié)構(gòu)層底板埋深-150 m，厚度150 m，電阻率為40 Ω·m，第二結(jié)構(gòu)層底板埋深-200 m，厚度50 m，電阻率為25 Ω·m，分別用于模擬下白堊統(tǒng)羅漢洞組上段粗粒砂巖層與下段砂質(zhì)泥巖層；第三結(jié)構(gòu)層底板埋深-800 m，厚度600 m，電阻率為55 Ω·m，用于模擬下白堊統(tǒng)羅華池環(huán)河與洛河組鈣質(zhì)粗粒砂巖、礫巖層；第四結(jié)構(gòu)層埋深-1000 m，電阻率為15 Ω·m，用于模擬上侏羅統(tǒng)安定組與中侏羅統(tǒng)直羅組泥砂互層；第五結(jié)構(gòu)層位于直羅組下段以下，電阻率為35 Ω·m，用于模擬延安組上段煤系地層。

模型正演計算采用Zonge公司提供的EM2D軟件進(jìn)行二維有限元法處理，計算測點距與實際工作中使用的測點距100 m一致，正演計算為1～8192 Hz共28個頻率的TM模式的模型響應(yīng)卡尼亞電阻率及阻抗相位數(shù)據(jù)。正演計算結(jié)果的反演初始模型為二維移動平均電阻率背景模型，圓滑系數(shù)為0.5，第一層厚度為75 m。

圖3為正演模型反演結(jié)果對比圖。由圖3可見，反演電阻率模型電性結(jié)構(gòu)除安定組與直羅組相對低阻層底板埋深稍微有所偏深外，基本與正演模型斷面特征一致，尤其是目的層下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組與洛河組砂體反映較為逼真，證實方法解決區(qū)內(nèi)蓋層結(jié)構(gòu)、下白堊統(tǒng)與直羅組底板埋深以及華池環(huán)河組與洛河組砂體分布特征等地質(zhì)問題具有可行性。

圖3 研究區(qū)正演模型反演結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison map of inversion result of forward model in the study area(a)伊和烏素地區(qū)地電結(jié)構(gòu)正演模型 (b)正演模型反演結(jié)果1—下白堊統(tǒng)羅漢洞組上段 2—下白堊統(tǒng)羅漢洞組下段 3—下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組組 4—下白堊統(tǒng)洛河組 5—上侏羅統(tǒng)安定組6—中侏羅統(tǒng)直羅組 7—中侏羅統(tǒng)延安組 8—巖性界線

5 CSAMT勘查效果評價

5.1 地形地貌及人文電磁干擾條件評價

研究區(qū)主要為半干旱草原地貌景觀，每千米海拔高差一般不超過20.0 m/km，地形平坦，地形影響小。人文電磁干擾主要為10 kV高壓線。220 V的民用電線對CSAMT數(shù)據(jù)采集無影響，根據(jù)10 kV高壓線附近的試驗，垂直高壓線100～150 m的水平范圍中低頻無影響(圖4)，僅對高頻2.0 kHz～8.0 kHz的信號產(chǎn)生一定的影響，距離高壓線200.0 m時可有效消除其影響。實際工作中，通過跳點、平移的方式可以有效消除10 kV高壓線產(chǎn)生的電磁干擾噪聲影響。因此，研究區(qū)地形影響小、人文電磁干擾可控，適合開展CSAMT工作。

5.2 有效探測深度評價

根據(jù)研究區(qū)蓋層平均電阻率與遠(yuǎn)區(qū)頻率，對區(qū)內(nèi)有效探測深度進(jìn)行了評價。表2為研究區(qū)5條CSAMT剖面實測卡尼亞電阻率統(tǒng)計表。由表2可見，其平均電阻率約55 Ω·m，據(jù)公式(1)估算得出區(qū)內(nèi)勘探深度1400 m的最低工作頻率約為4.0 Hz，而實測的最低頻率為0.5 Hz，反演遠(yuǎn)區(qū)頻點均為2.0 Hz。因此，CSAMT數(shù)據(jù)反演的縱向深度可靠。

(1)

式中：fL為最低工作頻率；D為目標(biāo)地質(zhì)體最大埋深；ρ為蓋層平均電阻率。

圖4 10kV高壓線旁不同測試距離卡尼亞電阻率曲線Fig 4 Cagnicad resistivity curve of different test distances beside 10 km high voltage line

表2 研究區(qū)卡尼亞電阻率統(tǒng)計表[11]Table 2 List of Cagnicad resistivity in the study area

5.3 鉆孔驗證情況評價

5.3.1 ZK1-3鉆孔驗證情況

ZK1-3鉆孔位于Y19K02線平距3.0 km處，揭露深度1513 m，圖中裁截至1350 m。第四系：0.0～9.0 m；下白堊統(tǒng)羅漢洞組：9.0～213.0 m；下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組與洛河組：213.0～1012.0 m；上侏羅統(tǒng)安定組與中侏羅統(tǒng)直羅組：1012～1257 m；中侏羅統(tǒng)延安組：1257～1350 m。

圖5為Y19K02線0.0～7.5 km解釋成果與鉆孔揭露對比圖。由圖5可見，斷面上部縱向反映為明顯的“上高、下低”相對中高阻電性層，橫向連續(xù)穩(wěn)定，底部等值線呈近水平狀密集帶分布，厚約200 m，基本與鉆孔揭露的下白堊統(tǒng)羅漢洞組砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾層相對應(yīng)；斷面中深部，橫向連續(xù)穩(wěn)定，反演電阻率30～100 Ω·m，底部橫向等值線呈密集帶分布，厚約800 m，整體反映為明顯的相對高阻電性層，基本與鉆孔揭露的下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組與洛河組相對應(yīng)；斷面深部，橫向連續(xù)穩(wěn)定，厚度200～400 m，反演電阻率小于30 Ω·m的相對低阻電性層，基本與鉆孔揭露的上侏羅統(tǒng)安定組與中侏羅統(tǒng)直羅組相對應(yīng)；斷面下部反演電阻率大于30 Ω·m的相對中阻電性層，基本與鉆孔揭露的中侏羅統(tǒng)延安組煤系地層相對應(yīng)。

圖5 Y19K02線0～7.5km解釋成果與鉆孔揭露對比圖Fig.5 Comparison of explanation result and drilling hole data at 0-7.5 km in Y19K02 line1—第四系 2—下白堊統(tǒng)羅漢洞組 3—下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組組 4—下白堊統(tǒng)洛河組 5—上侏羅統(tǒng)安定組 6—中侏羅統(tǒng)直羅組 7—中侏羅統(tǒng)延安組 8—巖性界線 9—鉆孔及編號

5.3.2 ZKW2019-1鉆孔驗證情況

ZKW2019-1號鉆孔位于Y19K02線平距11.0 km處，揭露深度828.7 m，雖然揭露到洛河組底部底礫巖，但下白堊統(tǒng)未揭穿。0～9.2 m為第四系；9.2～193.6 m，為下白堊統(tǒng)羅漢洞組；193.6～713.1 m為下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組；713.1～828.7 m為下白堊統(tǒng)洛河組。

圖6為Y19K02線0.0～7.5 km解釋成果與鉆孔揭露對比圖。由圖6可見，斷面中下白堊統(tǒng)縱向主要反映為明顯的相對中高和高阻二層電性結(jié)構(gòu)。上部反映連續(xù)、穩(wěn)定、厚約200 m，底部等值線呈近水平密集帶分布，縱向反映為明顯的“上高下低”相對中高阻電性層，基本與鉆孔揭露的第四系風(fēng)成沙及下白堊統(tǒng)羅漢洞組砂巖、砂質(zhì)泥巖夾層相對應(yīng)；下部反映連續(xù)、穩(wěn)定，反演電阻率大于30 Ω·m的相對高阻電性層，其底部等值線橫向呈密集帶分布，基本與鉆孔揭露的下白堊統(tǒng)華池環(huán)河組與洛河組發(fā)育的厚層狀砂巖及底部含礫砂巖相對應(yīng)。

根據(jù)ZK1-3鉆孔揭露分析，斷面中深部，橫向連續(xù)穩(wěn)定，反演電阻率小于30 Ω·m的相對低阻電性層，基本與鉆孔揭露的上侏羅統(tǒng)安定組與中侏羅統(tǒng)直羅組相對應(yīng)；斷面下部反演電阻率大于30 Ω·m的相對中阻電性層，基本與鉆孔揭露的中侏羅統(tǒng)延安組煤系地層相對應(yīng)。

綜上，研究區(qū)CSAMT成果反映的3個電性界面、四層地電結(jié)構(gòu)，與鉆孔揭露情況基本相一致，表明方法資料解釋結(jié)果基本可靠，在該地區(qū)具有較好的勘查效果。

6 結(jié)論

通過對研究區(qū)CSAMT勘查效果綜合分析評價，得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)研究區(qū)地電特征構(gòu)建的正演模型分析，認(rèn)為CSAMT解決區(qū)內(nèi)蓋層結(jié)構(gòu)、下白堊統(tǒng)與直羅組底板埋深以及華池環(huán)河組與洛河組砂體分布特征等深部地質(zhì)問題具有可行性。

2)研究區(qū)地形平坦，地形影響?。蝗宋碾姶鸥蓴_主要為10 kV高壓線，其產(chǎn)生的干擾噪聲影響基本可控，適合開展CSAMT工作；其次，根據(jù)有效勘探深度分析，縱向0～1400 m的數(shù)據(jù)反演深度可靠。

3)鉆孔資料對比分析表明，方法勘探成果反映的3個電性界面、四層地電結(jié)構(gòu)，與鉆孔揭露情況基本相一致，在區(qū)內(nèi)具有較好的勘查效果。