航空TEM 及航磁資料在剝離玄武巖蓋層中的應(yīng)用研究
——以阿巴嘎旗地區(qū)為例

駱燕 劉波 張偉盟劉彥濤程莎莎

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心,河北 石家莊 050002;2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)(重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室),河北 石家莊 050002;3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050002)

內(nèi)蒙古東部阿巴嘎旗及其以北地區(qū)是內(nèi)蒙古東部新生代火山活動(dòng)相對(duì)集中的地區(qū)之一,在阿巴嘎旗、錫林浩特、灰騰梁等地出露有大面積新生代玄武巖[1]。據(jù)國外有關(guān)鈾礦地質(zhì)資料,阿巴嘎旗北部蒙古國境內(nèi)的達(dá)里甘嘎地區(qū)玄武巖蓋下發(fā)現(xiàn)了大型砂巖型鈾礦床。其上覆玄武巖與阿巴嘎旗玄武巖同為晚更新世噴發(fā),并且是連為一體的[2]。玄武巖為古河道提供了后期熱源,促進(jìn)鈾的再次活化、遷移,并對(duì)已形成的鈾礦化起到了保護(hù)作用。為了解研究區(qū)砂巖型鈾成礦空間特征,首先需要摸清玄武巖覆蓋層的展布形態(tài)和分布范圍,并將其剝離。

我國對(duì)玄武巖覆蓋區(qū)開展地球物理探測(cè)及研究主要集中在吉林長白山地區(qū)[3--6],內(nèi)蒙古烏蘭察布[7]、內(nèi)蒙古阿巴嘎旗[8]、山東蓬萊[9]、江漢油田[10]等玄武巖覆蓋區(qū)也開展過相應(yīng)研究。通常使用的地球物理方法有:電磁法[4--5,8]、磁法[6]、地震法[10--12]、重力法[6]等。針對(duì)大面積玄武巖覆蓋區(qū),常規(guī)的物探方法具有一定的局限性。本次研究使用最新獲取的二連盆地阿巴嘎旗地區(qū)東部航空瞬變電磁(TEM)及航磁數(shù)據(jù),在資料解釋的基礎(chǔ)上有效地探測(cè)了研究區(qū)玄武巖的空間展布特征。

航空TEM(瞬變電磁法)測(cè)量通過人工發(fā)射脈沖電流,接收地下導(dǎo)電介質(zhì)感應(yīng)電磁場(亦稱為“二次場”)響應(yīng),進(jìn)而分析多種電磁場信息,推斷解釋場源體電性分布,以達(dá)到探測(cè)地質(zhì)目標(biāo)體或解決地質(zhì)問題的目的。該方法具有分辨率高、對(duì)低阻異常敏感等優(yōu)勢(shì),在多金屬礦產(chǎn)勘查中應(yīng)用廣泛[13--17],探測(cè)效果顯著,在新水井--芨嶺地區(qū)硬巖型鈾礦勘查中已有應(yīng)用[18--19],在砂巖型鈾礦勘查中尚屬首次。

1 地質(zhì)概況

阿巴嘎旗地區(qū)(研究區(qū))跨二連盆地馬尼特坳陷和蘇尼特隆起兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。賀根山巖石圈斷裂呈北東東向橫貫全區(qū),控制著北部馬尼特坳陷和南部蘇尼特隆起的形成、發(fā)育與空間展布。

區(qū)內(nèi)零星岀露下古生界志留系、上古生界泥盆系、石炭系和二疊系;中生界出露少量上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)巴彥花群和上白堊統(tǒng)二連組,新近系和第四系幾乎覆蓋全區(qū)。第四系正常沉積物為沖洪積砂礫、湖積黏土和風(fēng)成砂,主要分布于研究區(qū)北部。上更新統(tǒng)玄武巖(β1)呈巖蓋狀大面積分布于研究區(qū)中南部,玄武巖最厚達(dá)143 m[20]。北部零星分布的玄武巖呈北西西向帶狀展布。根據(jù)已知地質(zhì)資料可知研究區(qū)上更新統(tǒng)玄武巖視電阻率一般大于70Ω·m[21]。

2 玄武巖覆蓋層解釋技術(shù)

2.1 玄武巖覆蓋層航磁解釋

通過研究發(fā)現(xiàn),已知資料的上更新統(tǒng)玄武巖區(qū)對(duì)應(yīng)曲線圖上正負(fù)劇烈跳動(dòng)的帶狀磁異常區(qū),推測(cè)這些異常由玄武巖引起。本次玄武巖信息提取過程中,為確定玄武巖巖性,使用航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波(截止波長20采樣點(diǎn))剖面進(jìn)行綜合分析。

圖1為L1020線0～50 km 航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波曲線圖,在該圖中有5處航磁異常,其中1號(hào)異常航磁ΔT曲線較為圓滑,經(jīng)高通濾波后異常消失,推測(cè)不是玄武巖的反映;2～5號(hào)異常航磁ΔT曲線表現(xiàn)為正負(fù)劇烈跳動(dòng)的“尖峰”異常,經(jīng)高通濾波后表現(xiàn)為正負(fù)跳躍的尖刺狀異常,主要特征為:

圖1 L1020線0～50 km 航磁ΔT 及航磁ΔT 高通濾波曲線圖Fig.1 AeromagneticΔT and it's high pass filter curve at the segment of 0～50 km in survey line L1020

1)航磁ΔT曲線上表現(xiàn)為正負(fù)劇烈跳動(dòng)的尖峰狀異常,異常幅值在100～800 n T 之間;單個(gè)異常寬度較小,一般不超過1 km;

2)航磁ΔT高通濾波曲線上表現(xiàn)為正負(fù)跳躍的尖刺狀異常,異常幅值絕對(duì)值一般大于3 n T。

根據(jù)火成巖的磁性,噴出巖在化學(xué)和礦物成分上與同類侵入巖相近,其磁化率的一般特征相同。由于噴出巖迅速且不均勻地冷卻,結(jié)晶速度快,使磁化率離散性大[22]。因此本區(qū)航磁異常經(jīng)高通濾波后突出高頻信息推測(cè)由玄武巖引起,即2～5號(hào)異常為玄武巖引起。

2.2 玄武巖覆蓋層航空TEM 解釋

根據(jù)以往物性資料,馬尼特坳陷西南部及烏蘭察布坳陷東北部玄武巖視電阻率較高,一般在70Ω·m 以上[21],因此在反演電阻率斷面圖上首先進(jìn)行斷面電性分層解釋。根據(jù)斷面電阻率特征,從上而下玄武巖位于第一電性層。

玄武巖底界面的解釋推斷,主要根據(jù)反演電阻率斷面進(jìn)行識(shí)別?？v觀所有電阻率斷面發(fā)現(xiàn),玄武巖覆蓋層與下伏低阻層之間存在明顯電性差異。雖然在反演電阻率剖面上部均有一水平層狀中高阻層,但這并不全是玄武巖層的反映。從航磁ΔT曲線和高通濾波曲線可以看出,在曲線的不同部位,異常特征存在較明顯的差異。其中一些地段航磁ΔT曲線表現(xiàn)為正負(fù)劇烈跳動(dòng)的“尖峰”異常,經(jīng)高通濾波后表現(xiàn)為正負(fù)跳躍的尖刺狀異常,具備典型的火山巖磁場特征,推測(cè)該異常為玄武巖蓋層引起。而有些地段航磁ΔT曲線則較為圓滑,經(jīng)高通濾波后異常消失,磁異常曲線平緩,推測(cè)為深部磁性體引起。由上述航空TEM 及航磁特征分析可知,上部中高阻層大致存在兩種情況,根據(jù)航磁測(cè)量結(jié)合航空TEM 結(jié)果可以識(shí)別玄武巖空間展布特征。

圖2 為L1020 線0～6 km 航磁及航空TEM 綜合斷面圖,由圖可知,該段航磁異常(1號(hào))在反演電阻率斷面圖上表層為一薄層中高阻體,且高阻連續(xù)性不佳,航磁ΔT曲線表現(xiàn)為緩起伏的曲線特征,高通濾波后則變?yōu)榈头骄徢€,故推斷該異常不是玄武巖引起的。

圖2 L1020線0～6 km 綜合斷面圖Fig.2 Comprehensive section at the segment of 0～6 km in survey line L1020

圖3為L1020線44～50 km 綜合斷面圖,由圖可知,該段航磁異常(5號(hào))處,反演電阻率斷面圖上表層也為一層中高阻,反演電阻率值一般大于100Ω·m,最高可達(dá)上千Ω·m,高阻層的連續(xù)性好。航磁ΔT曲線具有強(qiáng)烈高頻起伏變化特征,高通濾波后雖然幅值有所降低,但曲線基本形態(tài)未發(fā)生明顯變化。故此,可以根據(jù)上述航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波特征,判斷該異常由玄武巖引起;以電阻率斷面圖中的表層高阻層與下層中低阻過渡帶作為玄武巖蓋層底界面。

2.3 玄武巖覆蓋層航磁、航空TEM 異常特征

根據(jù)上述解釋技術(shù)總結(jié)玄武巖覆蓋層航磁及航空TEM 異常特征:

圖3 L1020線44～50 km 綜合斷面圖Fig.3 Comprehensive sections at the segment of 44～50 km in survey line L1020

航磁ΔT剖面上,正負(fù)劇烈跳動(dòng)的尖峰狀異常,幅值在100～800 n T 之間;單個(gè)異常寬度較小,一般不超過1 km。航磁ΔT高通濾波曲線上表現(xiàn)為正負(fù)跳躍的尖刺狀異常,異常幅值絕對(duì)值一般大于3 n T。通過該航磁特征,可以推斷玄武巖巖性。

航空TEM 反演電阻率斷面圖上,地表往下第一電性層;電阻率值一般在100～700Ω·m之間,局部地段大于1 500Ω·m。根據(jù)玄武巖蓋層電阻率特征,并結(jié)合上述解釋的平面范圍,推斷解釋出玄武巖的底界面位置。

通過航磁ΔT及航磁ΔT高通濾波剖面確定玄武巖巖性,通過航空TEM 反演電阻率斷面劃定玄武巖層底界面,大致查明了玄武巖覆蓋層的厚度及其空間展布特征,從而將表層玄武巖剝離。

3 研究區(qū)玄武巖覆蓋層剝離

3.1 推斷玄武巖蓋層平面投影

將剖面上玄武巖層的位置標(biāo)注在平面圖上,結(jié)合已知玄武巖層分布范圍,推測(cè)玄武巖層的平面范圍。由圖4可知,推測(cè)的玄武巖主要分布在研究區(qū)東南部,整體上與已知玄武巖范圍吻合。阿巴嘎旗、馬幸呼都格東部及東南部零星出露的侵入巖,在本次推測(cè)過程中均能與玄武巖區(qū)區(qū)分。東南部玄武巖層大范圍分布區(qū)中,未將網(wǎng)狀的第四系沉積物與玄武巖層區(qū)分,推測(cè)這與第四系沉積物分布范圍小且零散有關(guān)。

研究區(qū)北部零星分布的玄武巖呈北西或北北西向帶狀展布。由于測(cè)線間距較大,L1010線與L1020線北緣平距0～15 km 之間的玄武巖未被探測(cè)到。同樣的情況在L1070 線與L1080線北部、L1110線與L1120線北部也同樣存在。由此可知,航空TEM 測(cè)線間距過大會(huì)導(dǎo)致測(cè)線間地質(zhì)要素推斷解釋部分缺失,因此建議測(cè)量間距不宜過大,一般不大于500 m。

3.2 玄武巖厚度

將玄武巖頂界面高程(DEM)減去底界面高程(推斷)得到玄武巖層厚度數(shù)據(jù),并繪制成平面圖(圖5),通過分析發(fā)現(xiàn),玄武巖厚度總體表現(xiàn)為以玄武巖通道為中心向周圍厚度逐漸變薄的特征。

圖4 研究區(qū)玄武巖層分布Fig.4 Basalt cover in the study area

根據(jù)提取的玄武巖空間信息,經(jīng)統(tǒng)計(jì)除玄武巖通道外,推斷玄武巖平均厚度為66 m。統(tǒng)計(jì)推斷玄武巖分布面積約為4 146 km2,地質(zhì)圖上統(tǒng)計(jì)研究區(qū)玄武巖出露面積為3 438 km2,所推斷圈定玄武巖層分布范圍較出露范圍擴(kuò)大708 km2。玄武巖層有如下空間分布特征:

1)研究區(qū)北部玄武巖分布較分散,且以水平薄層為主,一般厚度在10～50 m 之間,局部可達(dá)70～80 m。在靠近賀根山斷裂帶北側(cè)的L1010、L1040線上和北部的烏蘭烏蘇西,有3處厚度大于100 m 的玄武巖覆蓋區(qū),與反演電阻率斷面解釋結(jié)合分析,推測(cè)為玄武巖噴溢通道,最大值處為火山頸位置。

2)以中部的賀根山斷裂為界,研究區(qū)南部與北部相比,玄武巖分布特征明顯不同。厚度明顯大于北部,且變化較大。一般厚度在30～75 m 之間,局部地段厚度大于100 m。厚度在30～75 m 之間的玄武巖在斷面上呈水平層狀展布,推測(cè)為巖漿溢流形成;局部厚度較大地段多呈“鼓包”狀正地形,往往下面或附近發(fā)育有玄武巖噴溢通道,或者是近直立的火山頸。

3)在阿巴嘎旗北和烏沙呼都格東分布有兩個(gè)極厚的玄武巖地段,高值區(qū)呈團(tuán)塊狀,推測(cè)此處玄武巖以“中心式”噴發(fā)為主,噴發(fā)通道分布密集。其他地段分布較分散,推測(cè)為“裂隙＋中心式”噴發(fā)活動(dòng)的結(jié)果。

4)結(jié)合反演電阻率斷面地質(zhì)解釋分析,在研究區(qū)南部隆起帶上,次級(jí)凹凸單元上的玄武巖厚度也存在明顯差異,局部凹陷內(nèi)玄武巖分布往往較薄,一般厚度約30～50 m,而凸起地段玄武巖的分布卻較厚,一般厚度大于70 m,局部大于100 m。

圖5 研究區(qū)玄武巖層厚度等值線圖Fig.5 Contour map of basalt cover thickness in the study area

3.3 玄武巖覆蓋層數(shù)據(jù)庫

逐線提取斷面推斷的玄武巖底界面海拔數(shù)據(jù),并將其與基礎(chǔ)物探數(shù)據(jù)庫合并,生成玄武巖空間位置數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫既包括基礎(chǔ)物探數(shù)據(jù)庫中的平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)及反演電阻率數(shù)據(jù),同時(shí)也加入了玄武巖頂/底界面海拔高程數(shù)據(jù)及計(jì)算出的玄武巖厚度數(shù)據(jù)。圖6為根據(jù)數(shù)據(jù)庫繪制的研究區(qū)玄武巖蓋層三維示意圖。

4 結(jié)論

1)首次通過在玄武巖覆蓋區(qū)開展航空TEM 測(cè)量,將先進(jìn)的航空TEM 技術(shù)引入到砂巖型鈾礦勘查中。根據(jù)航空TEM 及航磁綜合信息研究與分析,確定了剝離玄武巖層的技術(shù)方法,為尋找玄武巖覆蓋層下方的砂巖型鈾礦提供了重要的資料依據(jù),表明該方法在玄武巖覆蓋區(qū)的應(yīng)用研究是成功的。

圖6 研究區(qū)玄武巖蓋層三維示意圖Fig.6 Three dimensional schematic diagram of basalt cover in the study area

2)航空TEM 及航磁綜合測(cè)量周期短、效率高、相對(duì)成本低、效果明顯,通過航空TEM及航磁綜合信息不僅可以剝離玄武巖蓋層,還可以研究覆蓋層下的深部地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征,識(shí)別古河道(谷)展布及砂體分布情況,能為砂巖型鈾礦成礦環(huán)境研究提供基礎(chǔ)資料,值得在我國盆地砂巖型鈾礦勘查中大面積推廣應(yīng)用。