二連盆地喬爾古地區(qū)廣域電磁法砂體識(shí)別技術(shù)研究

汪碩 ，段書新，呂孝勇，胡英才，吳曲波，劉祜，劉武生

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.湖南繼善高科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

賦存于中、新生代盆地中的砂巖型鈾礦是當(dāng)前主要的鈾礦勘查類型之一［1］?？傻亟皫r型鈾礦由于其較低的開采成本和低破壞的開采方式，現(xiàn)已逐漸發(fā)展成我國(guó)最主要的產(chǎn)鈾類型。砂巖型鈾礦往往賦存于以砂泥巖為主的沉積盆地中，該類盆地中由于砂體的存在，含鈾含氧水能夠在其中運(yùn)移，當(dāng)物理化學(xué)條件改變時(shí)，鈾這一有用組分將富集沉淀形成鈾礦［2］。因此，研究、識(shí)別與成礦相關(guān)的有利砂體的地球物理場(chǎng)分布特征，對(duì)快速定位成礦有利地段、評(píng)價(jià)成礦環(huán)境等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［3-6］。非震勘探，尤其是電磁法勘探技術(shù)，近年來在研究盆地基底結(jié)構(gòu)、砂體展布特征等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，但一直以來對(duì)層厚較薄的砂泥互層的識(shí)別存在較大難度；其次，以往常用的AMT/CSAMT 法難以在低阻盆地中達(dá)到1 km 以上的勘探深度，而具備足夠測(cè)深能力的大地電磁法需要在觀測(cè)時(shí)間上作出犧牲。廣域電磁法作為一種抗干擾能力強(qiáng)、工作效率高、測(cè)量精度高、勘探深度大的電磁測(cè)深新方法［7］，在沉積地層賦存礦產(chǎn)勘探領(lǐng)域已經(jīng)有大量成功應(yīng)用的案例［8-9］，但在砂巖型鈾礦勘查應(yīng)用方面仍處于探索階段。本文在二連盆地喬爾古地段開展砂巖型鈾礦的砂體識(shí)別技術(shù)研究，為砂巖型鈾礦勘查提供新的深部探測(cè)手段。

1 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)位于二連盆地格日勒敖都凹陷，盆地結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了古生代海槽和中生代陸盆兩個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的演化期，形成了基底和蓋層兩種截然不同的構(gòu)造層。本區(qū)基底主要由元古宇、古生界變質(zhì)巖系及華力西—燕山期的基性-中酸性侵入巖構(gòu)成。蓋層主要由白堊系、古近系、新近系和第四系構(gòu)成［10］。其中白堊系分布較廣，下白堊統(tǒng)巴彥花群（K1B）在區(qū)域上由下至上可分為阿爾善組（K1a）、騰格爾組（K1t）、賽漢組（K1s），區(qū)內(nèi)鉆孔揭露情況普遍只見到賽漢組（K1s）；上覆上白堊統(tǒng)二連組 （K2e）。主要賦礦地層為賽漢組 （K1s）砂巖。賽漢組內(nèi)鈾礦化產(chǎn)在扇三角洲、辮狀河三角洲平原亞相河道間微相中和曲流河道砂體中。賽漢組上段河道砂體從下往上發(fā)育2～3 個(gè)沉積旋回，每一個(gè)沉積旋回均發(fā)育一期的河道充填沉積，每一期河道砂體厚度在20～120 m。區(qū)內(nèi)賽罕組下段未揭露，根據(jù)鄰近鉆孔推斷可能厚度較小。

1.2 地球物理特征

前人在該地段已經(jīng)開展了大量電磁法工作，對(duì)區(qū)內(nèi)不同巖性的巖石做了較系統(tǒng)的物性測(cè)試工作。根據(jù)核工業(yè)航測(cè)遙感中心［11-12］搜集整理的露頭小極距測(cè)深、孔旁測(cè)深、實(shí)測(cè)曲線及測(cè)井資料的電阻率值，綜合得出二連盆地各地層及巖體的主要電性參數(shù)（圖1）。通過以上電性資料分析可知，區(qū)內(nèi)具有兩個(gè)較為明顯的電性界面： 一是基底與蓋層間的電性界面，二是中生界與新生界之間的電性界面。此外，下白堊統(tǒng)賽漢組不同巖性之間也存在一定的電性差異，下白堊統(tǒng)賽漢組砂巖電阻率較周圍泥巖高，但異常襯度相對(duì)較小，給測(cè)量工作增加了難度。

2 廣域電磁法方法技術(shù)

2.1 方法原理

傳統(tǒng)的頻率域電磁測(cè)深方法都是基于觀測(cè)感應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，然后通過卡尼亞電阻率計(jì)算公式進(jìn)行合成計(jì)算視電阻率。廣域電磁法則采用了不同的電阻率定義，其以電偶極為場(chǎng)源，僅測(cè)量電場(chǎng)的x 分量，來定義廣域視電阻率［13］。據(jù)此則會(huì)得到：

上式是均勻大地表面上水平電偶極源的Ex的嚴(yán)格的、精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)式（1）可以定義廣域意義上的視電阻率：

圖1 研究區(qū)主要巖性電阻率分布Fig.1 Resistivity of main rocks in the study area

式中：ρa(bǔ)為測(cè)點(diǎn)處視電阻率；KE-Ex為裝置系數(shù)；ΔVMN為測(cè)點(diǎn)處電壓差，由測(cè)點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度Ex和電極距MN 相乘得到；I 為供電電流；FE-Ex(ikr)為電磁效應(yīng)函數(shù)；φ 為電偶極源方向和源的中點(diǎn)到接收點(diǎn)矢徑之間的夾角；r 為收發(fā)距；-ik＝（-1-i）/δ 中的δ 為均勻半空間的波數(shù)。

采用計(jì)算機(jī)迭代的辦法，任取一個(gè)可能的電阻率ρ 值，并將發(fā)送電流I，源尺寸dL、方位角φ、工作方法ω 等參數(shù)一起代入，利用計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算，直到達(dá)到滿意的精度為止。最終把此ρ 值作為工作頻率的最佳值，參與后續(xù)分析和反演計(jì)算。

2.2 觀測(cè)裝置與測(cè)線布設(shè)

區(qū)內(nèi)共布設(shè)6 條平行測(cè)線（圖2），各測(cè)線間距0.8～1.2 km 不等，測(cè)線方向NW-SE，點(diǎn)距100 m，各測(cè)線長(zhǎng)度均為4.1 km。發(fā)射電偶源布設(shè)在接收區(qū)西南側(cè)，由于測(cè)區(qū)整體電阻率較低，且最大探測(cè)深度約為1 km，因此選擇相對(duì)較小的收發(fā)距，使接收端的信號(hào)強(qiáng)度得到保證。實(shí)際布設(shè)中收發(fā)距為5～8.4 km，電偶源AB 極間距離950 m。觀測(cè)頻率范圍8 192～0.097 7 Hz，共觀測(cè)56 個(gè)頻點(diǎn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及反演

對(duì)廣域電磁法數(shù)據(jù)進(jìn)行了常規(guī)處理，如飛點(diǎn)剔除、靜態(tài)校正等，得到各測(cè)點(diǎn)視電阻率和相位隨頻率的變化曲線。

1） 一維模型約束反演

首先開展一維反演，獲得各測(cè)點(diǎn)下方電阻率隨深度的分層信息；其次對(duì)照一維反演結(jié)果，調(diào)整尖銳跳變層頂?shù)装逦恢?；最后，將該一維分層結(jié)果作為二維反演的初始模型，進(jìn)行二維反演計(jì)算。

2） 深度線性校正

該轉(zhuǎn)換法利用了沉積地層中各層巖性電性的橫向均一性，適用于該類地質(zhì)環(huán)境的勘查工作。當(dāng)存在一個(gè)或若干個(gè)已知鉆孔、測(cè)井資料時(shí)，可將該鉆孔結(jié)果定義為“標(biāo)準(zhǔn)孔”，參照其結(jié)果對(duì)全剖面進(jìn)行深度上的轉(zhuǎn)換校正，使剖面界面解譯結(jié)果與“標(biāo)準(zhǔn)孔”吻合。然后根據(jù)轉(zhuǎn)換后的圖像特征將巖性界面進(jìn)行橫向外推，從而獲得整個(gè)剖面的電性分布特征。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)及測(cè)線部署示意圖Fig.2 The geological sketch and layout of BDEM profiles in the study area

本次研究中，選取研究區(qū)中已知鉆孔ZKH-2 作為“標(biāo)準(zhǔn)孔”，對(duì)成果斷面的反演深度進(jìn)行線性變換，使反演結(jié)果與之吻合，然后據(jù)此結(jié)果外推地層界線。

3 廣域電磁測(cè)深剖面結(jié)果及鉆孔驗(yàn)證

3.1 剖面反演結(jié)果及推斷解譯

測(cè)區(qū)測(cè)線所穿過的區(qū)域地表多以第四系覆蓋為主，地表無其他巖性露頭。根據(jù)區(qū)域資料認(rèn)為剖面水平方向上無明顯巖性變化，地層展布近水平層狀，剖面深部地層由鉆孔揭露主要為上白堊統(tǒng)賽漢組和騰格爾組泥、砂巖地層為主，深部基底為二疊系變質(zhì)巖。由于區(qū)內(nèi)電阻率橫向變化較小，因此僅以L87線結(jié)果為例進(jìn)行討論。根據(jù)L87 線電阻率分布特征（圖3），反演斷面中電性結(jié)構(gòu)主要可分為8 個(gè)層位。根據(jù)物性測(cè)試結(jié)果推斷，中低阻電性層可推斷為中粗粒砂巖，當(dāng)電阻率進(jìn)一步升高時(shí)多表現(xiàn)為砂礫巖、礫巖，低電阻率層位基本可推斷為泥巖或粉砂巖。結(jié)合鉆孔揭露情況，認(rèn)為剖面地層從時(shí)代上能夠劃分成三段，從淺到深分別為新近系（N）、賽漢組上段（K1s2）和賽漢組下段（K1s1）。其中新近系表現(xiàn)為砂泥互層結(jié)構(gòu)，多以15～40 m 泥、砂巖為主，剖面上共劃分3 層砂巖、2 層泥巖。標(biāo)高900～400 m 處地層主要?jiǎng)澐譃橘悵h組上段，整體電阻率表現(xiàn)為低阻特性；標(biāo)高400 m 以下則以高阻為主，由于缺乏深部鉆孔資料，僅根據(jù)區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)推斷為賽漢組下段地層。在賽漢組上段、下段之間發(fā)育一層中高阻，推斷為賽漢組上段砂巖，該層位為該地段鈾礦的賦礦地層，根據(jù)測(cè)深結(jié)果認(rèn)為該砂體在剖面水平2 000～3 700 m 段相對(duì)厚大，為鈾礦的富集提供了更大的空間，具有較好的找礦前景。

3.2 鉆孔對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

圖3 L87 線廣域電磁反演結(jié)果（a）與地質(zhì)解譯斷面圖（b）Fig.3 Inversion result of WDEM and geological interpretation section of Line 87

ZKH-2 鉆孔通過剖面2.1 km 處，鉆孔揭露在深度為60 m、97 m、125 m、210 m 和555 m 處發(fā)現(xiàn)有粗粒砂巖或礫巖。其中深度125 m 和555 m 處的砂巖層厚度分別為60 m和104 m，相對(duì)較為厚大，其他砂巖層厚度一般為15 m 左右的薄層。

對(duì)比剖面電阻率縱向特征與ZJH-2 鉆孔（圖4）認(rèn)為，廣域電磁法反演結(jié)果能夠較好地反映50 m 以上的較厚大的砂巖層，其反演的頂?shù)捉缑媛裆钆c鉆孔揭露的層界面吻合度較高。對(duì)于薄層砂巖，當(dāng)埋藏深度較淺時(shí)，反演結(jié)果能夠識(shí)別50 m 以上的多層不連續(xù)的泥砂互層，而埋深較深的薄層砂巖則難有反應(yīng)。但其對(duì)淺部泥砂互層的分辨結(jié)果較天然場(chǎng)電法更細(xì)致，表明廣域電磁法在識(shí)別具有一定厚度的中高阻層時(shí)具有較好的響應(yīng)。

圖4 鉆孔與電磁法測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of drilling and electromagnetic sounding results

4 討論

目前廣域電磁方法相對(duì)其他常規(guī)頻率域電磁測(cè)深方法而言仍屬于較新的方法技術(shù)，尤其在鈾礦勘查領(lǐng)域的應(yīng)用尚在起步階段，其方法理論和應(yīng)用研究方面仍有許多待解決的問題。如本次試驗(yàn)研究中標(biāo)高400 m以下的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出高阻特征，這與周邊地區(qū)認(rèn)為深部存在大段賽漢組下段-騰格爾組泥巖的中低阻地層特征相悖。由于廣域電磁法電阻率理論上不存在CSAMT 的“近場(chǎng)效應(yīng)”，深部數(shù)據(jù)可靠性較高。剖面相鄰2 km 處鉆孔顯示深部存在二疊系變質(zhì)板巖，因此初步推斷基底高阻可能為該變質(zhì)巖地層所致。

5 結(jié)論

通過在二連盆地砂巖型鈾礦開展的廣域電磁試驗(yàn)研究，獲得了已知鉆探剖面下方的電阻率分布特征，較好地反映了地下砂體分布特征：

1） 由于二連盆地砂巖型鈾礦地層具有以泥砂巖為主，且橫向上連續(xù)性相對(duì)較好的特征，因此反演過程中采用了一維反演結(jié)果作為先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⑴c反演。在最終確定反演深度時(shí)以剖面上已知鉆孔揭示的地層界線為標(biāo)準(zhǔn)，采用深度線性校正方式校準(zhǔn)全區(qū)的反演深度。本次試驗(yàn)L87 線由“標(biāo)準(zhǔn)孔”校準(zhǔn)后的反演結(jié)果與剖面上其他鉆孔地層層序?qū)?yīng)情況較好，表明該轉(zhuǎn)換方法適用于沉積相對(duì)較穩(wěn)定、連續(xù)的地區(qū)，能夠達(dá)到提高反演結(jié)果縱向分辨能力的目的。

2） 研究結(jié)果表明，廣域電磁法由于其特定的電阻率計(jì)算公式，其對(duì)高阻體更加靈敏，因此在該地區(qū)對(duì)中高阻砂巖有更好的反映。在實(shí)際應(yīng)用過程中，該方法能夠較好地分辨出淺部200 m 以上的、物性差異相對(duì)較小的泥砂互層（砂巖層厚約20 m）。