CSAMT測量在林西縣曹家營子地區(qū)鈾礦勘查中的應用

余弘龍，于兵，牛子良，王曉奇，王洪志

（核工業(yè)二四三大隊，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引言

鈾礦化產(chǎn)于鈾背景值高的地區(qū)已被大量事實所證實（賈興洲等，2003①；吳仁貴，2011②），中國核工業(yè)地質(zhì)局自上世紀60年代開始，在大興安嶺中南段通過航空放射性測量和地面普查，發(fā)現(xiàn)了眾多鈾異常點，其中處于內(nèi)蒙古自治區(qū)林西縣五十家子鎮(zhèn)西南部的9229號異常點具有較好的異常規(guī)模和控制因素，對該點進行槽探揭露工作后，分析結(jié)果顯示達到鈾礦化，且與斷裂構(gòu)造密切相關，顯示了該地區(qū)的找礦前景（王青等，2016③）。但地表構(gòu)造信息較少，已知構(gòu)造也不能判斷其規(guī)模大小及其性質(zhì)，鈾礦勘查工作難度較大，因此亟需查明該研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造在地表及深部分布情況，以指導下一步鈾礦勘查工作。

CSAMT是近年來發(fā)展較為迅速的電法勘探方法，具有勘探深度大、橫向分辨率高、高阻屏蔽作用小等特點，該方法在推斷深部斷裂及尋找隱伏礦體方面取得了較好的應用效果（屈栓柱等，2018；王甲等，2018；艾虎等，2020），本次工作運用該方法推斷解譯了7條NE向斷裂，通過鉆探工作查證了其中4條斷裂，證實了該方法應用的有效性，達到預期目的。

1 地質(zhì)概況及巖石電阻率特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市林西縣五十家子鎮(zhèn)所轄，勘查區(qū)面積29.31 km2，位于五十家子盆地中部（圖1），西側(cè)受NE向統(tǒng)部-朝陽大斷裂控制，東側(cè)受NE向九連莊-古石廟子山深大斷裂控制，蓋層主要由中侏羅統(tǒng)新民組、上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組及瑪尼吐組組成，地表出露巖石有凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)含礫砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r和安山質(zhì)晶屑凝灰?guī)r；地表侵入巖不發(fā)育，僅見兩條規(guī)模較小的NE向花崗斑巖脈，與礦化關系較為密切。熱液蝕變以中低溫熱液蝕變?yōu)橹?，主要有硅化、褐鐵礦化、赤鐵礦化、綠泥石化、黃鐵礦化等。鈾礦化與微晶石英及浸染狀赤鐵礦化關系密切（內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991；王世成等，2018④）。

圖1 林西縣曹家營子地區(qū)地質(zhì)圖（據(jù)王世成等，2018④）

1.2 巖石電阻率特征

為獲得研究區(qū)內(nèi)不同巖石的物性參數(shù)特征，對區(qū)內(nèi)巖石露頭及前人施工ZK4鉆孔巖芯進行了定向標本采集，并用泥團法對標本進行了物性測量工作，本次物性參數(shù)均為筆者于2018年參與該項目實測，結(jié)果見表1。研究區(qū)地表露頭巖石中花崗斑巖電阻率最大，平均值1788 Ω·m，具有高阻地球物理特征；安山質(zhì)晶屑凝灰?guī)r和流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r電阻率接近，平均值約為900 Ω·m；凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖電阻率值最低，平均值665 Ω·m，具有低阻地球物理特征；鉆孔中巖石相對于地表巖石電阻率高出300～400 Ω·m；鉆孔中構(gòu)造、破碎段巖石電阻率最低。由此可以看出，區(qū)內(nèi)巖石的電阻率存在差異，為CSAMT識別斷裂構(gòu)造提供了有利的物性基礎條件。

表1 研究區(qū)主要巖石電阻率

2 CSAMT工作方法

根據(jù)本次物探工作技術要求和現(xiàn)有地質(zhì)資料，共設計剖面線5條，按NW向布置，SW至NE依次命名為L1、L2、L3、L4和L5。本次采用赤道偶極裝置的標量測量方式，水平方向電場（MN）平行于場源（AB），水平磁場垂直于場源布設（圖2），觀測點在發(fā)射極AB中垂線上60°的扇形區(qū)域內(nèi)；根據(jù)研究區(qū)內(nèi)收發(fā)距試驗工作選擇12 km為收發(fā)距；最低觀測頻率是根據(jù)實測的全頻段測深曲線來確定，視電阻率曲線從頻率16 Hz開始45°角上升（圖3），數(shù)據(jù)為近區(qū)數(shù)據(jù)，因此最低觀測頻率選擇為16 Hz。

圖2 CSAMT法野外測量布置圖

圖3 CSAMT全頻段測深電阻率曲線

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預處理

測量數(shù)據(jù)利用儀器自帶的處理軟件CMT-Pro進行預處理，主要進行兩種數(shù)據(jù)剔除，受干擾影響偏離較大的頻點數(shù)據(jù)和進入近區(qū)的數(shù)據(jù)。

（1）某個頻率因為噪聲影響，無法解釋時，可對該排列的部分頻點數(shù)據(jù)剔除，在單點曲線編輯時，標記各頻點偏離較大的數(shù)據(jù)，使其不參加計算，以提高該頻點的數(shù)據(jù)質(zhì)量（李茂等，2005；孟凡興等，2017；李波等，2018），圖4中黑色方塊為剔除的頻點。

（2）前面雖然已經(jīng)選擇了最低頻率以保證測量數(shù)據(jù)為遠區(qū)數(shù)據(jù)，但在實際測量中為了獲得可靠的信噪比，尤其是研究區(qū)設計反演深度較小，收發(fā)距不可能太大，而采用人工場源同時會導致測量時部分低頻數(shù)據(jù)進入近區(qū)（李茂等，2009）?？煽卦捶囱蒈浖捎玫亩际且訫T反演計算方法為基礎，主要針對遠區(qū)數(shù)據(jù)進行反演計算。因此，要求反演數(shù)據(jù)必須為遠區(qū)及過渡區(qū)數(shù)據(jù)，近區(qū)數(shù)據(jù)不能參與反演，必須對近區(qū)數(shù)據(jù)進行剔除，近區(qū)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為電阻率-頻率圖上呈45°的直線上升（黃力軍等，2006），圖4中藍色方塊為近區(qū)數(shù)據(jù)剔除的頻點。

圖4 數(shù)據(jù)預處理頻率-視電阻率曲線

3.2 反演初始模型選擇

近年來的工作實踐表明，不同初始背景模型對實測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果，在地電結(jié)構(gòu)上總體表現(xiàn)基本一致，本次數(shù)據(jù)處理中反演初始模型選用了均勻半空間模型。

3.3 地形改正

地形改正根據(jù)剖面上各測點的實際標高進行網(wǎng)格劃分，生成實際地形的網(wǎng)格模型，結(jié)合表層電阻率構(gòu)成一個帶地形的二維地電模型，由該模型出發(fā)進行二維正演、反演計算，達到間接消除地形影響的目的。

本次測量剖面地形高差為30～110 m，需進行地形改正。

3.4 反演成圖

經(jīng)上述各項數(shù)據(jù)處理后，采用圓滑模型反演（Occam）算法對卡尼亞電阻率與阻抗相位進行迭代計算，確定反演模型的電性分布特征，該軟件實際是根據(jù)野外實測數(shù)據(jù)求一個多層地球物理模型的最光滑解，模型采用均方誤差來衡量數(shù)據(jù)擬合度及模型的粗糙度，要求所得模型圓滑，數(shù)據(jù)擬合誤差最小。所計算最小誤差的模型電阻率數(shù)據(jù)即可網(wǎng)格化繪制反演視電阻率斷面圖（王振亮等，2018）。圖5為實測電阻率、相位與最小誤差模型數(shù)據(jù)的擬合曲線圖，本次處理擬合誤差閾值設定為10%，最終所有測點擬合誤差均小于7%。

圖5 L1剖面5號測點視電阻率（相位）擬合曲線

4 CSAMT資料解釋推斷

4.1 資料解釋依據(jù)

CSAMT反演電阻率斷面圖是最基礎的圖件，該方法主要根據(jù)剖面上電阻率的相對變化，結(jié)合已知的地質(zhì)資料進行解譯推斷。異常解釋主要有以下依據(jù)：

（1）不同巖石間的電阻率差異：各巖石組分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、蝕變和含水量的不同造成電阻率的差異是CSAMT工作方法的基礎條件（孫林柱，2018）。

（2）已知地質(zhì)資料是綜合解釋的重要條件：不同巖石之間一般具有不同的電阻率，但巖石的電阻率受多種因素影響，如溫度、壓力和含水量等；斷裂的性質(zhì)也會造成反演結(jié)果的多解性，如張性斷裂充水后電阻率斷面可能表現(xiàn)為不連續(xù)現(xiàn)象。因此反演結(jié)果與已知地質(zhì)資料相悖時，應當分析其產(chǎn)生原因，并給出合理的推斷解譯。

（3）橫向和縱向上的異常變化：電阻率橫向上的變化反應構(gòu)造、蝕變特征的存在或者巖性變化，垂向的異常梯度帶為斷層位置；電阻率縱向變化往往為巖性的變化，橫向梯度帶的中心一般解譯為巖性分界面。值得注意的是，同一地層不同巖性之間有相似成巖環(huán)境，其巖石的電阻率基本一致，因此電阻率的變化也可以變現(xiàn)為地層的變化（朱偉等，2018）。

4.2 鉆探查證

圖6為ZK4鉆孔綜合剖面圖，該剖面位于工作區(qū)NE部，地表出露上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r與中侏羅統(tǒng)新民組凝灰質(zhì)砂礫巖，電阻率斷面上表現(xiàn)為兩條低阻梯度帶，電阻率變化范圍為20～631 Ω·m。根據(jù)ZK4鉆孔揭露情況來看，0～70 m巖性為上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組的流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r，巖石完整且發(fā)育強烈硅化，為高阻層；70～206 m巖性為中侏羅統(tǒng)新民組的含礫砂巖，巖石裂隙發(fā)育，充填褐鐵礦化表明其為含水層，為低阻層；206～256 m巖性為中侏羅統(tǒng)新民組的含礫砂巖，巖石完整且發(fā)育強烈硅化，為高阻層，與反演電阻率剖面基本吻合。

圖6 ZK4鉆孔綜合剖面圖

結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料及電阻率剖面，根據(jù)前節(jié)“資料解釋依據(jù)”，綜合分析后建立了工作區(qū)的地質(zhì)解釋依據(jù)：

（1）地表水平方向的低阻梯度帶為風化帶，根據(jù)ZK2、ZK3鉆孔巖芯編錄結(jié)果可知，0～10 m一般為風化碎石帶、風化塊石帶，風化裂隙帶最深可達30 m。風化帶呈低阻電性特征，反演電阻率一般為79～501 Ω·m。

（2）低阻梯度帶為構(gòu)造破碎帶及其“影響”區(qū)域，低阻梯度帶中心即為破碎帶位置，呈低阻電性特征，反演電阻率一般為20～794 Ω·m?！坝绊憽眳^(qū)域即為構(gòu)造破碎帶兩側(cè)，厚度較大，其中存在小規(guī)模的次級斷裂，巖石裂隙發(fā)育，蝕變發(fā)育褐鐵礦化、綠泥石化等，硅化多以硅質(zhì)細脈為主，呈低阻電性特征，反演電阻率一般為100～794 Ω·m。

（3）工作區(qū)主要兩種巖性在物性參數(shù)測量上有電性差異，但在實際解釋中沒有明顯差異，反演電阻率剖面上均為連續(xù)的高阻梯度帶，呈高阻電性特征，反演電阻率一般為1000～5012 Ω·m。

4.3 典型剖面的推斷解譯

L3剖面（圖7）地表0～30 m低阻梯度帶對應風化帶。根據(jù)鉆孔ZK2與ZK3揭露情況可知標高580 m以上均為凝灰質(zhì)砂巖與凝灰質(zhì)含礫砂巖，由此該剖面巖性均解釋為中侏羅統(tǒng)新民組巖石；標高900 m以下有三條低阻梯度帶，表現(xiàn)為橫向與縱向的電阻變化，結(jié)合鉆孔揭露情況，解釋為F1、F2、F5三條斷裂，根據(jù)其低阻帶中心位置推測出F1傾向北西，傾角51°左右，F(xiàn)2傾向南東，傾角59°左右，F(xiàn)5傾向北西，傾角65°左右。

圖7 L3號剖面反演電阻率斷面及地質(zhì)解釋

L5剖面（圖8）在標高900 m左右，水平距離0～160 m、260～380 m、480～670 m表現(xiàn)為高阻梯度帶對應地表出露的流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r；根據(jù)鉆孔ZK4揭露情況可知，在孔深70 m以下均為凝灰質(zhì)礫巖與凝灰質(zhì)含礫砂巖，由此該剖面主要解譯為中侏羅統(tǒng)新民組巖石；標高900 m以下有五條低阻帶，表現(xiàn)為橫向與縱向的電阻變化，結(jié)合鉆孔揭露情況，解釋為F1、F2、F3、F4、F5五條斷裂，根據(jù)其低阻帶中心位置推測出F1傾向北西，傾角46°左右，F(xiàn)2傾向南東，傾角61°左右，F(xiàn)3傾向北西，傾角47°左右，F(xiàn)4傾向南東，傾角61°左右，F(xiàn)5傾向北西，傾角51°左右。

圖8 L5號剖面反演電阻率斷面及地質(zhì)解釋

4.4 應用效果分析

應用CSAMT測量在林西縣曹家營子地區(qū)硬巖型鈾礦勘查中探測斷裂的分布，工作區(qū)主要以NE向斷裂為主，部署的5條可控源剖面分布在9229異常點及其兩側(cè)。根據(jù)反演電阻率剖面，結(jié)合工作區(qū)填圖及鉆孔資料推斷了7條NE向主要斷裂（圖9～10）。

圖9 研究區(qū)解釋斷裂立體斷面圖

整體上來看L1剖面南側(cè)、L4剖面北側(cè)應為兩條規(guī)模較大的NW向斷裂被風化剝蝕形成溝谷地貌，本次推斷的7條斷裂為其次級斷裂。L1、L4剖面上早期NE向斷裂被風化剝蝕，因此F3、F4、F7斷裂在水平空間中不連續(xù)。

F1、F2、F5斷裂連續(xù)分布在L2～L5號剖面上，F(xiàn)1、F5為工作區(qū)主要含礦斷裂，施工的鉆孔ZK2、ZK3、ZK4均揭露到1～7 m的構(gòu)造破碎帶且在其上盤發(fā)現(xiàn)多段工業(yè)鈾礦體，巖石發(fā)育與鈾成礦密切相關的硅化、赤鐵礦化。因其巖石較為破碎、裂隙發(fā)育而呈低阻電性特征，反演電阻率一般在100～794 Ω·m。

F6斷裂分布在L1、L2號剖面上，在L2號剖面上施工的ZK1揭露到F6斷裂，其厚度在3 m左右，發(fā)現(xiàn)一段工業(yè)鈾礦體；L1號剖面上斷裂上盤為連續(xù)的低阻梯度帶，其原因是巖石被風化剝蝕，形成了厚大的風化裂隙帶，呈低阻電性特征。

5 結(jié)論

（1）通過本次CSAMT測量，解釋規(guī)模較大的NE向F1～F7七條斷裂（圖10），推斷出了各巖性在深部的分布情況，結(jié)合地表異常、礦化信息及鉆孔揭露成果圈定了一片長3 km、寬1 km的鈾找礦靶區(qū)，為該地區(qū)的鈾礦勘查工作提供了依據(jù)，擴大了該區(qū)的鈾找礦成果。

圖10 研究區(qū)地質(zhì)-物探綜合成果圖

（2）CSAMT方法在本次找礦過程中發(fā)揮了重大的作用.物探異常驗證見礦，證明了運用CSAMT方法尋找同類型鈾礦大有可為。本次找礦成功案例為合理運用物探方法尋找鈾礦提供了借鑒，同時預示了該地區(qū)深部及外圍具有很大的找礦前景。

注 釋

①賈興洲,張興山,邢邵和.2003.內(nèi)蒙古大興安嶺南段火山巖型鉬鈾成礦地質(zhì)特征及遠景選區(qū)[R].核工業(yè)二四三大隊.

② 吳仁貴.2011.河北省沽源-內(nèi)蒙古紅山地區(qū)火山巖鈾礦成礦條件研究[R].東華理工大學.

③王青,李長華,王世成,馬振宇,吳燕清.2016.內(nèi)蒙古林西-烏蘭浩特地區(qū)鈾礦遠景調(diào)查[R].核工業(yè)二四三大隊.

④ 王世成,王青,李長華.2018.內(nèi)蒙古赤峰市五十家子-新城子地區(qū)鈾礦資源調(diào)查評價[R].核工業(yè)二四三大隊.