砂巖型鈾礦航磁微弱異常提取方法

楊玉勤,張翔,石連成,鄧德偉

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002;2.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)

0 引言

砂巖型鈾礦的航磁微弱信息研究一直是航空物探領(lǐng)域重要課題之一，前人進(jìn)行過多項(xiàng)研究工作[1-6]，認(rèn)為多數(shù)砂巖型鈾礦上方有微弱航磁異常。但在中—新生代盆地區(qū)，受盆地蓋層影響，砂巖型鈾礦的航磁異常不明顯，直接影響了利用航磁資料在中—新生代盆內(nèi)尋找砂巖型鈾礦的應(yīng)用效果，需尋找總結(jié)有效提取航磁微弱異常信息的方法。在我國(guó)北方中—新生代盆地，已開展了多年以尋找砂巖型鈾礦為目的的高精度航磁、航放綜合測(cè)量工作，依據(jù)最新的航磁資料，進(jìn)一步開展砂巖型鈾礦的航磁微弱信息研究，對(duì)發(fā)揮高精度航磁資料在砂巖型鈾礦勘查中的作用具有非常重要的意義。

1 研究依據(jù)

許多研究者曾開展過利用航磁微(弱)磁異常尋找油氣和金屬礦產(chǎn)等工作，進(jìn)行了多種提取與油氣田、金屬礦及構(gòu)造有關(guān)的微(弱)磁異常的方法研究[7-13]。

在鈾礦勘探領(lǐng)域，某些鈾礦(砂巖型和熱液型)在形成與富集過程中,可使其周圍鐵磁性礦物遭受破壞或交代,使礦化段呈現(xiàn)弱磁性的規(guī)律。為此，國(guó)內(nèi)外很多研究者在砂巖型鈾礦的航磁微弱磁異常的形成機(jī)理和提取方法等方面進(jìn)行了多項(xiàng)研究[1-6,14-17]。俄羅斯研究者于1995～1998年，在古河床內(nèi)與透水層中的層間氧化帶尖滅界線有關(guān)的巴爾克夫鈾礦床上研究發(fā)現(xiàn)，高精度航磁ΔT出現(xiàn)幅值為±3～±12 nT的高頻異常[18]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在研究伊犁盆地砂巖型鈾礦航磁特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)在3個(gè)已知鈾礦床上方均存在清晰的航磁弱異常，這些弱磁異常疊加在寬緩負(fù)異常背景場(chǎng)上，幅值為5～25 nT[1-2]。通過對(duì)比可地浸砂巖型鈾礦(伊犁某礦)氧化帶、氧化還原過渡帶和還原帶土壤鐵磁性礦物含量的變化(圖1)，對(duì)砂巖型鈾礦上方微磁異常形成的機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為氧化還原過渡帶地表土壤鐵磁性礦物含量明顯增高，使相應(yīng)地段磁性增強(qiáng)，從而在砂巖型鈾礦的氧化還原過渡帶(鈾礦體)范圍內(nèi)產(chǎn)生微弱磁異常。

圖1 伊犁某礦床鈾礦體地球化學(xué)分帶與地表土壤含鐵礦物分布[1]Fig.1 The map of geochemical zoning of ore bodies and distribution of iron minerals in surface soil of Yili uranium deposit[1]

2 航磁微弱磁異常的界定

雖然在利用航磁弱異常區(qū)尋找油氣和砂巖型鈾礦方面已開展了很多研究工作，但現(xiàn)有的規(guī)范和資料并沒有對(duì)航磁微弱磁異常進(jìn)行嚴(yán)格定義和量化?，F(xiàn)行航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范(DZ/T 0142-2010)中在規(guī)定航磁局部異常的確定原則時(shí)，規(guī)定局部磁場(chǎng)變化大于或等于測(cè)量總精度的2倍，并且與一定的地質(zhì)現(xiàn)象聯(lián)系時(shí)，即為局部異常；同時(shí)還要求對(duì)小于測(cè)量總精度的2倍，但與地質(zhì)任務(wù)關(guān)系密切的“弱異?！币矐?yīng)加以分析。航磁測(cè)量規(guī)范還要求，航空磁測(cè)磁力儀動(dòng)態(tài)噪聲水平(Si)最低要求要≤0.2 nT(三級(jí)數(shù)據(jù))，把3倍的Si作為剖面提取異常的依據(jù)。所以認(rèn)為對(duì)于合格的航磁測(cè)量數(shù)據(jù)，出現(xiàn)>0.6 nT的異常都是可信的。由此可以將≥0.6 nT且≤2倍測(cè)量精度的航磁異常定義為微弱異常。根據(jù)近年來多個(gè)測(cè)區(qū)1∶5萬高精度航磁測(cè)量的測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，全測(cè)區(qū)的航磁測(cè)量總精度一般在1.5～2.9 nT，多數(shù)在1.8 nT左右。如果除去基巖出露區(qū)數(shù)據(jù)，只使用航磁數(shù)據(jù)變化較小的盆地區(qū)數(shù)據(jù)計(jì)算航磁測(cè)量精度，其精度會(huì)更小。所以2倍測(cè)量精度最高可界定在6 nT。

通過以上分析認(rèn)為，對(duì)合格的航磁數(shù)據(jù)而言，可以把≥3Si(即≥0.6 nT)且小于2倍測(cè)量總精度(約6 nT)界定為航磁微弱異常的范圍，即把0.6～6 nT的異常界定為航磁微弱異常。

在重磁弱異常可信度的評(píng)價(jià)方面，劉云祥經(jīng)過統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，隨著弱異常規(guī)模增大和規(guī)律性增加，即使幅度在1～2.5倍異?？偩?，其可信度也會(huì)大大增強(qiáng)[18]。當(dāng)前使用的高靈敏度氦光泵磁力儀進(jìn)行的高精度航磁測(cè)量，完全可以探測(cè)到這些微弱磁異常。所以利用航磁測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行砂巖型鈾礦成礦預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是如何將高頻低幅0.6～6 nT的微弱磁異常提取出來。

3 航磁微弱異常特征及提取方法

為了對(duì)砂巖型鈾礦的航磁微弱異常進(jìn)行分析研究，本次以最新的1∶5萬高精度航磁數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，內(nèi)蒙古中西部已發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦為研究對(duì)象，對(duì)提取砂巖型鈾礦上方微弱磁異常的方法進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)。

3.1 內(nèi)蒙古西部某鈾礦航磁ΔT異常特征

內(nèi)蒙古西部某鈾礦床為層間氧化帶型鈾礦，據(jù)普查資料顯示，該區(qū)域巴音戈壁組上段紅色和黃色層間氧化帶發(fā)育，呈不規(guī)則的帶狀，近EW向展布，前鋒線為不規(guī)則蛇曲狀。礦區(qū)自北向南為完全氧化帶—氧化還原過渡帶—還原帶。鉆探查明的礦體和礦化范圍集中分布在氧化還原過渡帶內(nèi)[19](圖2)。

圖2 內(nèi)蒙古西部某鈾礦航磁剖面平面Fig.2 The aeromagnetic map of uranium deposit in the west of Inner Mongolia

從礦區(qū)航磁ΔT剖面平面圖上可以看出，由于礦床所在盆地中—新生界蓋層均為無磁或弱磁性，基底為古生界弱磁性，礦床區(qū)域位于航磁ΔT負(fù)磁異常中，航磁異常僅表現(xiàn)為淹沒在負(fù)背景場(chǎng)中向零值線方向的緩狀突起，航磁基礎(chǔ)圖件上異常表現(xiàn)不十分明顯。

將航磁剖面平面圖縱向比例尺放大后，礦床所在的氧化還原過渡帶能夠在連續(xù)數(shù)條剖面上顯示有弱磁異常存在(圖3)。為突出顯示這些微弱磁異常信息，需要尋找一種提取這類異常信息的有效方法。

圖3 內(nèi)蒙古西部某鈾礦航磁剖面平面(縱向比例放大后)Fig.3 The aeromagnetic map of uranium deposit in the west of Inner Mongolia (large vertical scale)

3.2 航磁弱磁異常提取方法

砂巖型鈾礦產(chǎn)于中—新生代盆地，由于盆地蓋層一般為無磁(或弱磁)，區(qū)域磁場(chǎng)通常表現(xiàn)為平緩的負(fù)背景場(chǎng)(或正背景場(chǎng))。砂巖型鈾礦引起的航磁弱異常一般為疊加在平緩磁場(chǎng)背景上的低幅高頻異常，航磁基礎(chǔ)圖上一般沒有明顯的異常顯示。提取低幅高頻異常較為有效的一般方法是選用合適的濾波器和濾波窗口對(duì)原始磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行高通濾波，能夠?yàn)V掉低頻、突出高頻的信息。

3.2.1 濾波器選擇

首先建立已知鈾礦及其外圍航磁數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)范圍覆蓋已知的氧化帶、氧化還原過渡帶(見礦區(qū)域)及還原帶。選取穿過礦區(qū)的L3790測(cè)線航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波器選擇對(duì)比實(shí)驗(yàn)。共選擇了高通、巴特沃斯濾波、余弦濾波、高斯濾波4種濾波器對(duì)磁數(shù)據(jù)方法進(jìn)行高通濾波處理。4種濾波器進(jìn)行高通濾波處理后，在氧化還原過渡帶均能提取出弱磁異常，利用巴特沃斯及余弦濾波器提取的弱磁異常局部異常較為突出，與氧化還原環(huán)境的分帶性對(duì)應(yīng)較好，本次選擇使用了巴特沃斯濾波器。

3.2.2 濾波器窗口寬度選擇

選定濾波器后進(jìn)行了不同尺度濾波窗口對(duì)比實(shí)驗(yàn)，窗口尺度分別選擇100、250、500、1 000、1 500、2 000、2 500、5 000、7 500 m，處理結(jié)果見圖4。

圖4 L3790線航磁原始數(shù)據(jù)及不同濾波窗口提取微弱磁異常剖面對(duì)比Fig.4 Aeromagnetic ΔT data and different filtering window to filtering results extracted weak magnetic anomaly profile comparison chart of L3790

經(jīng)對(duì)比分析，如果濾波窗口選擇太窄(100～250 m)，獲得的高頻信號(hào)振幅太小，多數(shù)小于0.6 nT，其中多為地面噪聲信號(hào)，如輸電線塔等；濾波窗口選擇在1 500～2 500 m就可以提取出小于2倍測(cè)量總精度(約6 nT)的微弱異常；如果濾波窗口選擇太寬(5 000 m以上)，高頻信息較弱，異常寬度變大，局部異常信息減弱。為此，在濾波器的組合選擇時(shí)，首先選擇了巴特沃斯高通濾波器(窗口寬度為250 m)以濾除地面高頻干擾異常，再選擇巴特沃斯高通濾波器(窗口寬度為2 500 m)濾除埋藏較深的磁源體引起的低頻異常；實(shí)際應(yīng)用過程可采用航磁網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃斯帶通濾波(濾波窗口250～2 500 m)。處理結(jié)果顯示，在氧化還原過渡帶(見礦范圍)都有明顯的弱磁異常(圖4)；礦床上方的航磁弱磁(微磁)異常在1～7 nT，異?？拷€原帶一側(cè)；完全氧化帶弱磁異常信息則小于0.6 nT，多為噪聲信息。

3.3 鈾礦床航磁弱磁(微磁)信息提取結(jié)果

從圖2看出，礦區(qū)范圍內(nèi)的航磁ΔT異常很不明顯，基本上為平緩的負(fù)磁場(chǎng)。但航磁ΔT數(shù)據(jù)經(jīng)過帶通濾波處理后，突出了磁數(shù)據(jù)的低幅高頻信息，處理結(jié)果成圖后(圖5a、圖5b)可以看出氧化還原過渡帶(見礦范圍)基本上位于弱磁異常的正負(fù)變化梯度帶位置，靠近還原帶微弱磁異常明顯，異常幅值在1～7 nT，而且在連續(xù)相鄰測(cè)線上都有異常反映，異常分帶特征明顯。由此看出本次研究選用的提取航磁微弱磁異常處理方法是較為合理有效的。

圖5 內(nèi)蒙古西部某鈾礦床航磁微弱異常信息Fig.5 The aeromagnetic weak information maps of a uranium deposit in lnner Mongolia

3.4 驗(yàn)證效果

內(nèi)蒙古二連盆地某鈾成礦帶已發(fā)現(xiàn)多個(gè)砂巖型鈾礦為古河谷層間氧化帶砂巖型鈾礦床，是該鈾成礦帶重點(diǎn)找礦類型之一[20]。為了驗(yàn)證砂巖型鈾礦上方是否同樣存在航磁微弱異常，并確定航磁微弱異常提取方法的有效性，在該區(qū)域開展了航磁微弱異常提取實(shí)驗(yàn)。

內(nèi)蒙古二連盆地大部分區(qū)域已于2019年完成1∶5萬高精度航磁測(cè)量，航磁數(shù)據(jù)覆蓋3個(gè)已發(fā)現(xiàn)的古河道砂巖型鈾礦區(qū)，分布在工作區(qū)的東部(A礦)、中部(B礦)和南部(C礦)[20-21],這為在該區(qū)域進(jìn)行砂巖型鈾礦的航磁微弱異常研究創(chuàng)造了良好的前提條件。

首先對(duì)3個(gè)已知鈾礦的航磁ΔT異常特征進(jìn)行分析。在3個(gè)鈾礦上方的航磁ΔT剖面平面圖上均未見明顯的航磁異常，利用巴特沃斯帶通濾波(250～2 500 m)方法處理后，在3個(gè)鈾礦床上方均提取出明顯的航磁微弱異常。

3.4.1 東部(A鈾礦區(qū))

二連盆地東部A鈾礦床控礦成因?yàn)檗p狀河—層間氧化型，控礦沉積體系為辮狀河沉積體系，礦體受水退體系域內(nèi)辮狀河控礦沉積體系控制。地球化學(xué)結(jié)構(gòu)面主要呈NE-SW分布，呈帶狀展布，礦體明顯受氧化帶前鋒線控制[22]。

據(jù)劉波等在該鈾礦所做的鈾礦床環(huán)境參數(shù)中與鐵磁性礦物有關(guān)的的參量(TFe/%)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，不同的地球化學(xué)分帶其TFe含量有明顯不同，其中黃色氧化帶為1.42%，黃綠色氧化帶為2.20%，氧化還原過渡帶為2.98%，還原帶為3.03%[22]，說明在氧化還原過渡帶(鈾成礦有利地段)和還原帶其TFe含量明顯高于氧化帶。這些鐵磁性礦物含量的變化可以在鈾礦床上方引起航磁微弱的磁場(chǎng)變化。另外，核工業(yè)208隊(duì)在A礦床上方的地磁測(cè)量剖面上發(fā)現(xiàn)存在局部跳躍變化的現(xiàn)象(圖6)[23]。而過渡帶則位于前鋒線附近，特別是偏向蝕源區(qū)方向。總體上看，氧化還原過渡帶引起的磁異常變化值不大，一般在10～30 nT。

圖6 A砂巖型鈾礦地磁測(cè)量剖面[25]Fig.6 Geomagnetic survey map of of A uranium deposit[25]

現(xiàn)在需要解決的問題是如何在高精度航磁數(shù)據(jù)中提取這些微弱磁異常。其中A礦區(qū)域?yàn)?0 nT平緩的正磁背景，未見明顯的局部異常，推測(cè)為深部磁性基底的磁場(chǎng)特征，其南側(cè)見由隱伏巖體引起的寬緩的磁異常(圖7a)。航磁ΔT數(shù)據(jù)進(jìn)行微弱磁異常提取處理后，在A礦區(qū)范圍內(nèi)提取出1～8.0 nT左右的微弱磁異常，多條測(cè)線均見微弱異常反映，大致呈NE向帶狀展布(圖7b、圖7c)。西南段的兩個(gè)已知礦體位于NE向展布的0.5～6 nT微弱磁異常南側(cè)由正負(fù)變化較陡的梯度帶上，礦體走向與異常展布方向一致。中段的已知礦位于片狀微弱異常的西北部。東北部主礦體位于NE向展布的0.5～8 nT微弱磁異常的北側(cè)，礦體走向與異常展布方向一致。部分礦化孔及異?？着c微弱磁異常對(duì)應(yīng)。

圖7 A鈾礦區(qū)航磁ΔT、微弱磁異常Fig.7 The aeromagnetic ΔT and weak magnetic information maps of uranium deposit area A

3.4.2 中部(B鈾礦區(qū))

二連盆地中部B礦區(qū)，其東部礦體位于寬緩的磁異常邊部，西部礦體整體位于負(fù)磁背景場(chǎng)中，除礦床的西北和東北側(cè)見隱伏巖體引起的寬緩磁異常外，礦體上方未見明顯的航磁ΔT異常(圖8a)。

圖8 B鈾礦區(qū)航磁ΔT、微弱磁異常Fig.8 The aeromagnetic ΔT and weak magnetic information maps of uranium deposit area B

航磁ΔT數(shù)據(jù)進(jìn)行提取微弱磁異常處理后，在礦區(qū)范圍提取出1～10 nT左右的微弱磁異常，多條測(cè)線均見微弱磁異常反映，大致呈NE向帶狀展布(圖8b、圖8c)。西側(cè)主礦體西段對(duì)應(yīng)微弱磁異常，東段對(duì)應(yīng)微弱異常的正負(fù)變化梯度帶，礦體走向與微弱磁異常展布方向基本一致。礦區(qū)內(nèi)其他見礦孔及礦化孔多數(shù)與微弱磁異常對(duì)應(yīng)。

從A、B兩個(gè)鈾礦區(qū)提取的航磁微弱異常展布方向與礦體走向的一致性及見礦及礦化鉆孔的對(duì)應(yīng)性分析可以推斷，這兩個(gè)區(qū)域的鈾成礦與航磁微弱異常關(guān)系十分密切。分析這些微弱異常的成因可能有兩點(diǎn)，一是由礦區(qū)的還原帶—氧化還原過渡帶—氧化帶環(huán)境的磁性變化引起的異常，另一個(gè)原因是由與鈾成礦關(guān)系密切的局部蓋層斷裂構(gòu)造活動(dòng)引起的磁異常。斷裂構(gòu)造是砂巖型鈾礦成礦作用中的重要成礦條件，有利于鈾的遷移和富集，它既是還原性物質(zhì)(炭屑)的儲(chǔ)存地又是還原性物質(zhì)(H2S、烴類)的運(yùn)輸通道。因此，在有利鈾成礦地區(qū)，斷裂構(gòu)造周圍地層往往會(huì)形成一個(gè)氧化還原過渡帶[24]。這些航磁微弱異常的變化對(duì)尋找鈾成礦有利的成礦環(huán)境具有重要的指示意義。

3.4.3 南部(C鈾礦區(qū))

二連盆地南部C鈾礦床區(qū)域，航磁ΔT以平緩的正背景場(chǎng)為主，礦體上方僅見特別低緩的航磁ΔT異常，異常不十分明顯(圖9a)。航磁ΔT數(shù)據(jù)進(jìn)行微弱磁異常提取處理后，在礦區(qū)附近提取出1～5 nT左右的微弱磁異常，多條測(cè)線均見異常反映，大致呈NE向帶狀展布(圖9b、圖9c)。但現(xiàn)查明的已知礦體的走向與提取的微弱異常展布方向有些不一致，礦體走向以近SN向?yàn)橹?，而異常展布方向以NE向?yàn)橹?。礦體的位置與微弱磁異常的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

圖9 C鈾礦區(qū)航磁ΔT、微弱磁異常Fig.9 The aeromagnetic ΔT and weak magnetic information maps of uranium deposit area C

4 結(jié)論

通過以上對(duì)內(nèi)蒙古中—新生代盆地內(nèi)3個(gè)砂巖型鈾航磁ΔT及航磁微弱異常特征分析，可以看出，中—新生代盆地的砂巖型鈾礦一般位于航磁ΔT平靜的負(fù)磁背景場(chǎng)或平靜的正磁背景場(chǎng)中，航磁異常不十分明顯。

利用本文研究的方法進(jìn)行航磁微弱異常提取后發(fā)現(xiàn)已知砂巖型鈾礦礦體范圍、工業(yè)孔及礦化孔上方或附近確實(shí)存在1～10 nT左右航磁微弱異常存在。這些航磁微弱異常對(duì)尋找成礦有利的地球化學(xué)環(huán)境和構(gòu)造環(huán)境具有很好的指示意義。

1) 通過資料及數(shù)據(jù)分析對(duì)航磁微弱磁異常的量值進(jìn)行了界定，把0.6～6 nT的航磁異常界定為微弱磁異常。

2) 分析總結(jié)了砂巖型鈾礦弱磁(微磁)異常的形成機(jī)理，在內(nèi)蒙古西部某鈾礦床上方開展航磁微弱異常提取方法實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了一套提取航磁微弱異常的方法，提取出明顯的弱磁(微磁)異常。

3) 利用研究總結(jié)的航磁微弱異常提取方法，采用1∶5萬高精度航磁數(shù)據(jù)，在二連盆地某鈾成礦帶3個(gè)已發(fā)現(xiàn)的砂巖型鈾礦區(qū)域進(jìn)行了提取航磁微弱磁異常驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在A、B、C3個(gè)古河道砂巖型鈾礦區(qū)上方均存在航磁微弱異常，其中A、B鈾礦區(qū)的航磁微弱異常展布方向與礦體走向一致性較好，C鈾礦區(qū)較差。本文使用的航磁微弱異常的提取方法具有較好的使用效果。

4) 利用提取的航磁微弱異?？梢詫ふ疑皫r型鈾礦成礦有利地化環(huán)境和構(gòu)造環(huán)境，為鈾成礦預(yù)測(cè)提供更豐富的信息。砂巖型鈾礦航磁微弱異常提取方法的研究，為在中—新生代盆地區(qū)利用高精度航磁測(cè)量數(shù)據(jù)資料尋找古河道型砂巖型鈾礦探索出一條新途徑。