伊和高勒地區(qū)砂巖型鈾礦寬頻大地電磁數(shù)值模擬及應(yīng)用

胡英才，張濡亮，王恒

（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）

鈾是核電的主要原料更是國(guó)防所需的重要戰(zhàn)略資源，鈾礦資源的勘查尤為重要。在固體礦產(chǎn)勘查的頻率域電磁方法中，比較常用的方法主要有音頻大地電磁測(cè)深法 （簡(jiǎn)稱(chēng)AMT），可控源音頻大地電磁測(cè)深法 （簡(jiǎn)稱(chēng)CSAMT）和大地電磁測(cè)深法（簡(jiǎn)稱(chēng)MT）。音頻大地電磁和可控源音頻大地電磁測(cè)深法所使用的頻率范圍基本都在10 000～2 Hz 之間，探測(cè)深度在1 500 m 左右（具體探測(cè)深度還與地層電阻率有關(guān)，可控源還與收發(fā)距離有關(guān)），主要用于探測(cè)埋深相對(duì)較淺的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。大地電磁測(cè)深法所使用的頻率范圍在320～0.001 Hz，有的甚至更低，其探測(cè)深度可達(dá)上百千米，主要探測(cè)地球深部地質(zhì)信息，但淺部存在一定范圍的盲區(qū)，若采用寬頻探頭，其觀測(cè)頻率可從10 000～0.000 1 Hz，這里稱(chēng)為寬頻大地電磁測(cè)深（簡(jiǎn)稱(chēng)BMT），既保證了淺部地質(zhì)信息不丟失，又可以探測(cè)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在電阻率較低的地區(qū)尤其適用。

二連盆地伊和高勒地區(qū)地表主要出露第四系黏土及粉砂巖，地下以泥巖和砂巖為主，電阻率較小，整體屬于低阻區(qū)域，基底埋藏較深。在低阻區(qū)域?qū)ふ蚁鄬?duì)高阻的砂巖或砂泥互層相對(duì)比較困難，主要因?yàn)轭l率電磁法探測(cè)低阻體比較靈敏而對(duì)高阻不敏感［1-3］，因此有必要針對(duì)該地區(qū)建立相應(yīng)的地電模型進(jìn)行數(shù)值模擬。前人在二連盆地開(kāi)展了很多可控源和音頻大地電磁在砂巖型鈾礦的應(yīng)用研究工作［4-7］，但針對(duì)盆地中不同深度砂體地電模型探測(cè)能力的模擬較少。本文在收集二連盆地伊和高勒地區(qū)物性、地質(zhì)及鉆孔資料的基礎(chǔ)上，建立了該區(qū)對(duì)應(yīng)的地電模型，對(duì)不同深度的砂體及砂泥互層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了音頻大地電磁和寬頻大地電磁的數(shù)值模擬。根據(jù)對(duì)該區(qū)地電模型模擬的認(rèn)識(shí)，對(duì)該地區(qū)采集的一條BMT 剖面進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理、二維反演及地質(zhì)解譯。

1 地質(zhì)、地球物理特征及測(cè)線(xiàn)部署

1.1 構(gòu)造

二連盆地構(gòu)造上位于西伯利亞板塊與華北板塊的縫合線(xiàn)部位，是在天山-興蒙造山系的基礎(chǔ)上，經(jīng)燕山期拉張翹斷構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用而發(fā)育起來(lái)的以裂陷為主要特征的中、新生代斷陷-坳陷疊合沉積盆地［8-11］。二連盆地是由多個(gè)小型“盆地”組成的盆地群，基底構(gòu)造復(fù)雜，為“五坳一隆”6 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，分別為川井坳陷、烏蘭察布坳陷、騰格爾坳陷、馬尼特坳陷、烏尼特坳陷及中部的蘇尼特隆起（圖1）。其中5 個(gè)坳陷構(gòu)成了盆地的二級(jí)負(fù)向構(gòu)造-沉積單元，一個(gè)隆起構(gòu)成盆地的正向構(gòu)造-沉積單元［12］。盆地的東界為大興安嶺隆起，北界為巴音寶力格隆起，南界為溫都爾廟隆起，西界為寶音圖隆起［9］。

圖1 馬尼特坳陷構(gòu)造分區(qū)及基底埋深圖 （據(jù)李洪軍等，2010［13］）Fig.1 Map of structural division and base depth in Manite depression

表1 馬尼特坳陷各次級(jí)構(gòu)造單元特征Table 1 Characteristics of secondary structural units in Manite depression

二連盆地馬尼特坳陷共有2 凸9 凹11 個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（表1），下白堊統(tǒng)發(fā)育齊全，厚度較大，上白堊統(tǒng)二連組大面積缺失，古近系在坳陷的西部發(fā)育，新近系在全區(qū)均有發(fā)育，厚度較小。研究區(qū)位于馬尼特坳陷的東部，所屬次級(jí)凹陷主要為巴音寶力格隆起南部斜坡帶的沙那凹陷東部和阿北凹陷西部地段，該地區(qū)為構(gòu)造單斜帶，為砂巖型鈾成礦的有利構(gòu)造單元，北部為巴音寶力格隆起，南部為額爾登高畢凸起，二連盆地馬尼特坳陷構(gòu)造分區(qū)及基底埋深如圖1 所示。阿北凹陷受北東向賀根山基底斷裂及其派生的次級(jí)斷裂控制，凹陷呈NE 向展布，長(zhǎng)約110 km，寬約26 km，面積約2 860 km2，基 底埋深1.3～2.6 km，為單斷型凹陷；沙那凹陷呈北東向展布，凹陷長(zhǎng)約50 km，寬約20 km，面積約1 000 km2，為地塹型凹陷，基底埋深1.3～2.2 km，為地塹型凹陷；額爾登高畢凸起呈NE 向展布，長(zhǎng)約120 km，寬約25 km，基底埋深0.2～1 km。

1.2 地層

研究區(qū)的地層如表2 所示，自下往上依次為： 侏羅系、白堊系、新近系和第四系。第四系和新近系地表出露厚度較薄，部分地段剝蝕殆盡；白堊系較厚，其上統(tǒng)二連組埋藏較淺，部分地段也剝蝕殆盡，而下白堊統(tǒng)賽漢組較厚，為主要找礦目標(biāo)層位，賽漢組上部巖性為紫紅色、灰色砂巖、泥巖、頁(yè)巖，粉砂巖夾薄層泥灰?guī)r，下部為灰色砂巖、泥巖。從表2 中可以看出，第四系、新近系和白堊系厚度已超過(guò)1.4 km。

表2 二連盆地伊和高勒地區(qū)地層表Table 2 Stratigraphic table of Yihegaole area in Erlian Basin

1.3 地球物理特征

二連盆地伊和高勒地區(qū)及周邊蓋層和巖體電阻率參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3 所示。本次探測(cè)主要目的層為白堊系。其中白堊系分為上白堊統(tǒng)二連組和下白堊統(tǒng)賽漢組兩套地層，其巖性主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖以及礫巖，從表中可以看出泥巖電阻率最低平均值在7～10 Ω·m；粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖電阻率次之，其平均值在9～29Ω·m；粗砂巖電阻率較高，其平均值在28～35 Ω·m；深部侏羅系火山碎屑巖、火山熔巖最高，電阻率大于50 Ω·m；淺部新近系、古近系及第四系中黏土、淤泥等電阻率較低，而粗砂巖、砂礫石、礫石電阻率較高。

表3 二連盆地伊和高勒地區(qū)及周邊蓋層和巖體電阻率統(tǒng)計(jì)［14-15］Table 3 Resistivity of sedimentary rock and plutons in Yihegaole and its surrounding area of Erlian Basin

1.4 測(cè)線(xiàn)部署

由于二連盆地伊和高勒地區(qū)主體構(gòu)造走向?yàn)镹E 向，因此在垂直構(gòu)造走向上部署NW向BMT 測(cè)線(xiàn)一條（YH01 線(xiàn)），如圖2 中淺藍(lán)色實(shí)線(xiàn)所示。剖面長(zhǎng)30 300 m，點(diǎn)距100 m，極距為50 m，采用張量觀測(cè)，采集時(shí)間為40 min （由于區(qū)內(nèi)沙那凹陷最深處為1 500 m左右，同時(shí)在BMT 正演模擬中使用頻率最低到0.5 Hz 即可測(cè)到1 500 m，因此本次采集時(shí)間不需要太長(zhǎng)）。

2 模型數(shù)值模擬及剖面處理解譯

2.1 地球物理模型

本次探測(cè)的目標(biāo)體主要為白堊系中的砂體或砂泥互層結(jié)構(gòu)，根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)和地球物理特征，結(jié)合巖性參數(shù)和鉆孔等資料，建立了研究區(qū)地電模型。如模型示意圖所示（圖3），在模型淺部 （260～350 m） 和深部（890～990 m）分別設(shè)置兩套砂泥互層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。每層電性參數(shù)設(shè)置如下：

1） 0～80 m 為第四系及新近系，以泥巖，黏土為主，電阻率設(shè)置為12 Ω·m；

2） 80～260 m 以泥巖、粉砂巖為主，電阻率設(shè)置為8 Ω·m；

3） 260～350 m 為砂泥互層結(jié)構(gòu)，以砂為主（兩層砂體夾一層泥巖），其中砂體電阻率設(shè)置為20 Ω·m，泥巖電阻率設(shè)置為8 Ω·m，每層砂體和泥巖的厚度都為30 m；砂泥互層在剖面左側(cè)逐漸延伸至地下130 m 處。

4） 350～890 m 為泥巖，電阻率為8 Ω·m；

5） 890～990 m 為砂泥互層結(jié)構(gòu)，以砂為主（三層砂體夾兩層泥巖），其中砂體電阻率設(shè)置為20 Ω·m，泥巖電阻率設(shè)置為8 Ω·m，每層砂體和泥巖的厚度都為20 m；

6） 990～1 280 m 為泥巖，電阻率設(shè)置為8 Ω·m；

圖2 研究區(qū)地質(zhì)及測(cè)線(xiàn)部署簡(jiǎn)圖Fig.2 Geological map and survey line deployment in the study area

7） 1 280 m 以下為基底，主要為粗砂巖、巨礫巖以及火山巖等高阻體，電阻率設(shè)置為40 Ω·m，1 500 m 以下設(shè)置為100 Ω·m。

2.2 AMT 與BMT 二維正反演模擬及分析

本次二維正演采用基于節(jié)點(diǎn)有限元法的音頻和寬頻大地電磁二維正演軟件，其頻點(diǎn)范圍選用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)的多功能電法測(cè)量系統(tǒng)中的頻率范圍，其中AMT使用的頻率為10 400～2 Hz，共48 個(gè)頻點(diǎn)，BMT 使用的頻率范圍為10 400～0.001 Hz，共93 個(gè)頻點(diǎn)，反演采用二維非線(xiàn)性共軛梯度進(jìn)行反演。

圖3 二連盆地伊和高勒地區(qū)地電模型示意圖Fig.3 Geoelectric model of Yihegaole area in Erlian Basin

圖4 和圖5 分別為AMT 和BMT（選取高頻中的57 個(gè)頻點(diǎn)）二維正演視電阻率和阻抗相位圖。比較圖4 中TM 模式和TE 模式正演結(jié)果，兩種模式的正演響應(yīng)基本相同，這主要是因?yàn)樵O(shè)置的二維理論模型近似層狀介質(zhì)。從圖4a 和圖4b 大致可以看出，視電阻率整體從高頻到低頻呈現(xiàn)“高-低-高-低”4 層響應(yīng)特征，為HD 型曲線(xiàn)，而從圖4c 和圖4d 可以看出，阻抗相位從高頻到低頻整體呈現(xiàn)“低-高-低-高”特征，而位于底部的基底高電阻率和低阻抗相位特征沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，說(shuō)明低頻不夠低，并未探測(cè)到深部基底。從圖5a 和圖5b BMT 正演結(jié)果看出，視電阻率整體呈現(xiàn)“高-低-高-低-高”5 層響應(yīng)特征，為HH 型曲線(xiàn)，從圖5c 和圖5d 可以看出，阻抗相位整體呈現(xiàn)“低-高-低-高-低”的特征，位于深部基底的高阻特征已經(jīng)反映出來(lái)。

圖4 AMT 理論模型的二維正演響應(yīng)圖Fig.4 Two dimensional forward response diagram of AMT theoretical model

圖5 BMT 理論模型的二維正演響應(yīng)圖Fig.5 Two dimensional forward response diagram of BMT theoretical model

圖6 和圖7 分別為AMT 和BMT 二維反演結(jié)果及解譯圖，兩種方法的反演RMS 都小于0.3，反演擬合較好。根據(jù)趨膚深度公式，以最低頻點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，兩種方法的最大探測(cè)深度均超過(guò)1 000 m，從圖6 中的AMT 反演結(jié)果也可以看出在1 100 m 以下為無(wú)任何變化的半空間電阻率，說(shuō)明AMT 最大探測(cè)深度為1 100 m。對(duì)比兩種方法的反演圖可以看出，在0～1 000 m 之間兩種方法反演結(jié)果基本相同，淺部0～80 m 表現(xiàn)為中低阻特征，為第四系和新近系中的黏土和粉砂巖，80～260 m電阻率表現(xiàn)為低阻特征，為泥巖。260～350 m表現(xiàn)為中高阻特征，為砂泥互層，350～1 000 m，表現(xiàn)為低阻特征，為泥巖，這些與理論模型設(shè)置基本相同，但AMT 方法頻率不夠低，無(wú)法探測(cè)較深的基底形態(tài)，而B(niǎo)MT 在1 100 m以下表現(xiàn)為高阻特征，為基底。雖然BMT能夠探測(cè)深部基底，但界面不夠清晰準(zhǔn)確。同時(shí)兩種電磁方法對(duì)埋深大于890 m，厚度100 m 的砂泥互層幾乎無(wú)法分辨，探測(cè)效果較差。

圖6 AMT 二維反演結(jié)果圖Fig.6 Two dimensional inversion result of AMT

圖7 BMT 二維反演結(jié)果圖Fig.7 Two dimensional inversion result of BMT

對(duì)比兩種方法模擬效果可知： 采用AMT在伊和高勒地區(qū)的砂巖型鈾礦中，由于圍巖電阻率較低，并且方法本身采集的頻率不夠低，使其探測(cè)深度較淺，無(wú)法探測(cè)相對(duì)較深的基底起伏形態(tài)。而采用BMT 進(jìn)行探測(cè)，由于觀測(cè)頻點(diǎn)范圍較寬且低頻較低，不僅可探測(cè)深部完整基底也可保留淺部地質(zhì)信息不丟失。采用AMT 和BMT 對(duì)于識(shí)別淺部 （500 m以?xún)?nèi)） 相對(duì)較厚的整套砂泥互層結(jié)構(gòu)效果較好，但要區(qū)分砂泥互層中較薄的砂巖層或泥巖層則比較困難，而這兩種方法在該地區(qū)探測(cè)深部的砂泥互層時(shí)，即使厚度達(dá)到100 m仍然無(wú)法分辨。

2.3 二維反演及解譯

對(duì)伊和高勒地區(qū)采集的YH01 線(xiàn)BMT 數(shù)據(jù)采用MTpioneer 中的二維非線(xiàn)性共軛梯度法進(jìn)行反演，最終迭代109 次，誤差為2.22，剖面二維反演及地質(zhì)解譯結(jié)果如圖8 所示。根據(jù)反演結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)的物性、地質(zhì)等資料分析可知： YH01 線(xiàn)主要位于兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元中，其中在平距0～17 000 m 為沙那凹陷，17 000～27 000 m 為額爾登高畢凸起。剖面以圖中黑色虛線(xiàn)（巖性分界線(xiàn)）為界限整體分為兩部分，其中剖面淺部藍(lán)綠色區(qū)域電阻率較低，整體小于10 Ω·m，為白堊系和侏羅系，巖性主要以泥巖為主；剖面深部黃色至紅黑色區(qū)域電阻率較高，均大于40 Ω·m，為基底，其巖性主要是侏羅系中砂礫巖以及火山碎屑巖等。在剖面6 000～16 000 m，埋深100～550 m 處存在一中高阻體，電阻率在10～25 Ω·m，推測(cè)為砂泥互層結(jié)構(gòu)，以砂巖為主。在該區(qū)域中，從西北向東南砂體逐漸變薄，整體電阻率也逐漸變低，推測(cè)巖性從粗砂巖、中砂巖變?yōu)榧?xì)砂巖和粉砂巖。對(duì)于深部埋深大于800 m 的區(qū)域，雖然在剖面反演中整體表現(xiàn)為低阻，但也可能存在砂體或砂泥互層，由于方法本身對(duì)深部分辨率較差而無(wú)法分辨深部砂體。YH01 線(xiàn)沙那凹陷東北側(cè)，從反演結(jié)果可以看出在該凹陷中底界面埋深可達(dá)1 300 m，說(shuō)明凹陷沿東北方向基底埋深逐漸變淺。

圖8 YH01 線(xiàn)BMT 二維反演及地質(zhì)解譯圖Fig.8 BMT 2D inversion and geological interpretation section of Line YH01

從在伊和高勒地區(qū)實(shí)施的寬頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果可以看出，采用該方法基本查明了該地區(qū)從淺部到深部的地層結(jié)構(gòu)，如白堊系和侏羅系中淺部的砂巖及泥巖以及深部的基底起伏形態(tài)，由于頻點(diǎn)范圍寬還可以探測(cè)更深的地層結(jié)構(gòu)，但對(duì)于深部分辨率逐漸降低，因此對(duì)深部的砂泥巖精細(xì)探測(cè)還應(yīng)與其他方法聯(lián)合探測(cè)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)二連盆地伊和高勒地區(qū)地電模型的數(shù)值模擬，以及對(duì)該地區(qū)BMT 測(cè)線(xiàn)的處理和解釋得出如下結(jié)論：

1） 二連盆地中多數(shù)凹陷基底埋深較大，主要目的層白堊系二連組和賽罕組以砂泥巖為主，電阻率較低，在低阻區(qū)域采用音頻大地電磁探測(cè)深度有限，采用寬頻大地電磁既能保證淺部信息不丟失，又可以探測(cè)較深的基底及其起伏形態(tài)。

2） 在砂巖型鈾礦中采用音頻大地電磁和寬頻大地電磁在探測(cè)淺部相對(duì)較厚的砂體或砂泥互層結(jié)構(gòu)時(shí)整體效果較好，但要在砂泥互層結(jié)構(gòu)區(qū)分較薄的砂巖層及泥巖層則比較困難，而且隨著深度的增加分辨率逐漸降低，因此對(duì)于識(shí)別深部的砂泥巖精細(xì)結(jié)構(gòu)還應(yīng)與其他方法聯(lián)合探測(cè)。

3） 通過(guò)對(duì)二連盆地伊和高勒地區(qū)BMT 剖面的處理及解釋獲得了該區(qū)的地電結(jié)構(gòu)，整體位于沙那凹陷和額爾登高畢凸起兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元中。沙那凹陷呈地塹型凹陷，在剖面中最深處達(dá)1.3 km，沙那凹陷整體在東北側(cè)基底埋深逐漸變淺，但在凹陷中部仍然發(fā)育一定范圍的砂體，砂體從西北向東南方向逐漸變薄。