江西相山火山盆地巖石物性基本特征

喻翔，陳聰，周俊杰，程紀(jì)星，腰善叢，楊龍泉，陳濤，艾永亮

（1.中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局，北京 100013；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

相山火山盆地是我國(guó)最重要的火山巖型鈾礦產(chǎn)地之一，歷經(jīng)數(shù)十年的勘探開發(fā)，已成為我國(guó)鈾礦勘查和生產(chǎn)的重要基地之一［1］。隨著時(shí)間的推移，鈾資源的調(diào)查與研究工作逐步深入，重力法、磁法、電法等非震物探方法顯得不可或缺，這些方法能否在深部資源評(píng)價(jià)中發(fā)揮作用，前提是必須充分了解和掌握研究區(qū)的巖石物性特征［2-5］。

前人主要對(duì)盆地西部、北部相關(guān)礦床的部分巖石進(jìn)行采樣和密度、磁化率、電阻率等測(cè)量［6］，而以整個(gè)盆地為研究對(duì)象，并未開展過系統(tǒng)的物性研究工作。本次巖石物性特征研究將采集巖石標(biāo)本分為東部、西部、南部、北部、中部和地表6個(gè)類別，以標(biāo)本物性測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，系統(tǒng)整理和統(tǒng)計(jì)了相山火山盆地典型巖石物性參數(shù)，分析了典型巖石標(biāo)本物性特征，為在本區(qū)開展非震地球物理勘探方法的選取、資料處理和解譯提供支撐［7-10］。

1 地質(zhì)概況

相山火山盆地位于揚(yáng)子板塊和華夏古陸構(gòu)造單元的過渡帶內(nèi)，面積約316 km2。火山盆地主要由下白堊統(tǒng)打鼓頂組和鵝湖嶺組噴發(fā)的酸性、中酸性火山熔巖、火山碎屑巖以及沉積巖夾層等構(gòu)成，巖性主要為流紋英安巖和碎斑熔巖?；字饕獮檎鸬┫登稁r和片巖以及下石炭統(tǒng)華山嶺組變質(zhì)石英砂巖、含云母暗紫色細(xì)砂巖和粉砂巖、上三疊統(tǒng)安源組粗-細(xì)粒石英砂巖、含燧石礫石的石英砂巖夾碳質(zhì)頁巖、砂頁巖、含碳砂巖等（圖1）［11-13］。

圖1 相山火山盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖及物性標(biāo)本采樣位置（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［14］）Fig.1 Geological sketch and sampling locations for rock physical properties in Xiangshan volcanic basin（modified after reference［14］）

2 標(biāo)本采集與測(cè)量

2014—2016 年，通過近3 年的巖石物性樣品采集和整理，收集了相山火山盆地區(qū)內(nèi)大部分鉆孔資料，優(yōu)選出70 多口鉆孔并對(duì)其進(jìn)行了巖心取樣。地表采樣過程中，依據(jù)地質(zhì)圖將采樣點(diǎn)盡量布設(shè)在有巖石出露的地方，如采石場(chǎng)、采礦場(chǎng)等新鮮巖石出露區(qū)。利用手持GPS 記錄采集點(diǎn)坐標(biāo)，并記錄標(biāo)本巖礦石名稱、地層或巖體單元等信息。

本次采樣工作從鉆孔巖心庫(kù)中取樣1 085塊、地表及坑道取樣421 塊。地表巖石樣品主要包括盆地內(nèi)出露的各類典型巖礦石，其中變質(zhì)巖（包括紅衛(wèi)、奧村、馬口河、龍?zhí)?、八角亭?0 地）取樣213 塊，相山中心相碎斑流紋巖21 塊（下泥漿和相山頂），流紋英安巖34 塊（河源背、廟上采石場(chǎng)），碎斑流紋巖38塊（云際、湖西），花崗斑巖62塊（云際、浯章、黍山），砂巖9 塊（梅溪、同富），采樣位置見圖1。

針對(duì)地表取樣，為了獲取能夠代表巖石物性特征的可靠參數(shù)，采用GPS 導(dǎo)航儀結(jié)合地形圖定點(diǎn)，手工采集并現(xiàn)場(chǎng)確定巖性。在條件允許的情況下，每個(gè)采集點(diǎn)采集手標(biāo)本4 塊以上，單塊巖石標(biāo)本的質(zhì)量在300 g以上。采樣過程中，去掉風(fēng)化層后再采集新鮮部分。在室內(nèi)將采集的鉆孔巖樣和地表巖樣切割制成固定長(zhǎng)、寬、高的圓柱體和長(zhǎng)方體，并對(duì)每塊巖樣進(jìn)行編號(hào)、拍照記錄，測(cè)量密度采用XB2200C 天秤，精度達(dá)到0.01 g，測(cè)量結(jié)果保留兩位小數(shù)；磁化率采用捷克生產(chǎn)的SM-30 便攜式磁化率儀進(jìn)行測(cè)量，靈敏度為10-7SI，測(cè)量結(jié)果保留兩位小數(shù)；電阻率采用加拿大GDD公司生產(chǎn)的SCIP 巖石樣本測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，采用電壓測(cè)量模式測(cè)量，分辨率為1μV，測(cè)量結(jié)果保留至整數(shù)位。隨機(jī)抽取其中60 塊樣品進(jìn)行抽查重復(fù)測(cè)量，檢查巖石樣本達(dá)總量的3.5%，巖石樣本密度參數(shù)均方誤差為0.02 g/cm3，磁化率相對(duì)誤差為7%，電阻率相對(duì)誤差為6.4%［15］。

3 物性資料統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

本次主要針對(duì)相山火山盆地典型的碎斑熔巖、流紋英安巖、變質(zhì)巖和花崗斑巖四大巖類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，因采集的沉積巖、火山碎屑巖等樣品數(shù)量較少且非研究重點(diǎn)，不列入統(tǒng)計(jì)范圍。為了獲得更加合理的物性參數(shù)變化范圍，在統(tǒng)計(jì)分析過程中，采用求取置信區(qū)間的方法來確定巖石物性參數(shù)變化范圍，計(jì)算時(shí)根據(jù)樣本數(shù)量分為兩種情況［16］：

1）樣本較少時(shí)，則使用下式計(jì)算置信度為100（1-α）%變化范圍：

2）樣本較多時(shí)，在100（1-α）%可信度上的置信區(qū)間為：

式（1）、（2）中，n為樣本數(shù)；為樣品均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)誤差；Z?/2為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的側(cè)分布點(diǎn)；Z(n-1)，?/2是t分布中自由度為n-1且單側(cè)值為?/2的t值。

例如在已取樣的變質(zhì)巖中取得n=210 樣本，測(cè)量得到所有樣本的密度值，經(jīng)計(jì)算樣本均值為X=2.75 g/cm3，樣本密度標(biāo)準(zhǔn)誤差為σ=0.045，根據(jù)以上公式計(jì)算95%可信度（α=0.05）時(shí)密度值的置信區(qū)間，查表可知Z?/2=1.96，則得到在可信度為95%時(shí)，該類變質(zhì)巖密度的置信區(qū)間為［2.74，2.76］，因此認(rèn)為該類變質(zhì)巖巖石密度在2.74～2.76 g/cm3之間的概率為95%，文中計(jì)算各物性參數(shù)區(qū)間范圍α 均取值為0.05。

3.2 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

3.2.1 碎斑熔巖

樣本取自相山火山盆地西部、中部龍巴嶺、陽光、李家?guī)X、居隆庵、牛頭山、牛腦上等地鉆孔，東部林頭-苔洲地區(qū)鉆孔，南部叼元村地區(qū)鉆孔，北部梅峰山、湖田礦床地區(qū)鉆孔以及北部游坊、中部上諳等地地表巖石，密度、磁化率和電阻率參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 相山火山盆地碎斑熔巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of petrophysical parameters of porphryclastic lava in Xiangshan volcanic basin

對(duì)密度、磁化率、電阻率參數(shù)測(cè)量值少數(shù)異常值剔除后，選擇649 個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)上文計(jì)算置信區(qū)間，結(jié)果表明，碎斑熔巖密度變化范圍主體在2.62～2.65 g/cm3，均值2.62 g/cm3，表現(xiàn)為中低密度；西部樣品磁化率均值為115×10-5SI，多數(shù)樣品磁化率約為200×10-5SI，屬于偏高磁性，其余各部地區(qū)樣品相對(duì)較少且表現(xiàn)為弱堿性碎斑熔巖、中酸性碎斑熔巖等不同蝕變類型碎斑熔巖，磁化率有所下降，均值約為50×10-5SI；電阻率變化范圍較大，均值60 000 Ω·m，表現(xiàn)為高阻特征。

3.2.2 流紋英安巖

樣本取自相山火山盆地西部龍巴嶺、陽光、李家?guī)X、居隆庵、牛頭山地區(qū)和東部林頭-苔洲等地鉆孔及井下坑道，各類少數(shù)異常值剔除后，選擇284個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）。統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明，流紋英安巖密度主體在2.53～2.71 g/cm3，均值2.66 g/cm3，表現(xiàn)為中低等密度；磁化率多低于100×10-5SI，屬于低磁性，少量偏高磁（900×10-5SI）的樣本（李家?guī)X地區(qū)樣本）有黑色細(xì)脈穿插，可能富含鐵磁性礦物；電性特征方面，電阻率多在5 000 Ω·m以下，總體表現(xiàn)為低阻特征。

表2 相山火山盆地流紋英安巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of petrophysical parameters of rhyolitic dacite in Xiangshan volcanic basin

3.2.3 變質(zhì)巖

樣本分別取自相山火山盆地西部鄒家山深鉆（16 個(gè)樣本）、北部梅峰山、湖田等地鉆孔（23 個(gè)樣本）、東部林頭-苔洲鉆孔（28 個(gè)樣本）、火山盆地北部外圍（240 個(gè)樣本）和火山盆地東南部（72 個(gè)樣本）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示，相山火山盆地變質(zhì)巖密度上整體特征表現(xiàn)為高密度，均值為2.74 g/cm3，由于東部花崗斑巖較發(fā)育，受其影響該區(qū)變質(zhì)巖部分呈現(xiàn)出低密度特征，均值為2.68 g/cm3；磁性上總體表現(xiàn)為低磁特征，均值＜10×10-5SI；電性上，變質(zhì)巖總體呈現(xiàn)高阻特征，而東部及東南部出現(xiàn)少量變質(zhì)砂巖、泥質(zhì)千枚巖類等表現(xiàn)為低阻特征，均值約為1 200～4 000 Ω·m。

表3 相山火山盆地變質(zhì)巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of petrophysical parameters of metamorphic rocks in Xiangshan volcanic basin

3.2.4 花崗斑巖

樣本取自相山火山盆地南部刁元村鉆孔（101 個(gè)樣）西部李家?guī)X、居隆庵地區(qū)鉆孔（13 個(gè)樣）、東部林頭-苔洲地區(qū)鉆孔（37 個(gè)）和北部云際地區(qū)地表樣（43 個(gè)）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明（表4），花崗斑巖密度主體在2.54～2.68 g/cm3，均值為2.63 g/cm3，與碎斑熔巖重疊；磁性方面，北部地表、西部、東部地區(qū)均表現(xiàn)為低磁，其中西部、東部地區(qū)鉆孔中所見花崗斑巖大多數(shù)巖性為扉細(xì)斑巖，數(shù)量較少，呈現(xiàn)顯著低磁（＜18×10-5SI）特點(diǎn)；南部鉆孔花崗斑巖樣本磁性分組特征明顯，主要為早白堊世似斑狀微細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖，總體呈現(xiàn)高磁特征且均值為240×10-5SI；電性特征方面，南部花崗斑巖電阻率多在50 000 Ω·m 以上，均值62 526 Ω·m，表現(xiàn)為高阻特征；由于西部、東部鉆孔出現(xiàn)的花崗斑巖主要是少量扉細(xì)斑巖，電阻率顯然要低得多，均值分別為2 070 Ω·m 和11 107 Ω·m，而北部地表花崗斑巖電阻率均值為19 468 Ω·m，與北部碎斑熔巖電性差異較小，區(qū)分度低。

表4 相山火山盆地花崗斑巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of petrophysical parameters of granite porphyry in Xiangshan volcanic basin

4 結(jié)論

綜上所述有關(guān)相山火山盆地典型巖石密度、磁化率、電阻率參數(shù)特征，發(fā)現(xiàn)盆地巖石物性參數(shù)特征整體一致且有規(guī)律，局部地區(qū)略有不同，得出以下認(rèn)識(shí)。

1）碎斑熔巖表現(xiàn)為低密度（均值2.62 g/cm3），高磁性（約200×10-5SI），高阻（n×10 000 Ω·m）的特征。

2）流紋英安巖表現(xiàn)為中低密度（均值2.66 g/cm3），低磁性（n×10-5SI），低阻（＜5 000 Ω·m）的特征。少量偏高磁（900×10-5SI）的樣本（李家?guī)X）有黑色細(xì)脈穿插，可能富含鐵磁性礦物。

3）變質(zhì)巖表現(xiàn)為高密度（＞2.74 g/cm3），低磁性（＜10×10-5SI），高阻（10 000 Ω·m）的特征。結(jié)合相山西部地區(qū)科學(xué)深鉆樣本，發(fā)現(xiàn)大部分深部變質(zhì)巖如基底黑云母石英片巖等呈現(xiàn)相對(duì)高阻特征。但是東部及東南部出現(xiàn)少量變質(zhì)砂巖、泥質(zhì)千枚巖類等變質(zhì)巖，呈現(xiàn)出低密度（2.68 g/cm3）、低阻特征（1 200～4 000 Ω·m）。

4）花崗斑巖大多表現(xiàn)為低密度（均值2.63 g/cm3）的特征。磁性、電性方面，北部地表、西部、東部地區(qū)鉆孔中所見花崗斑巖大多數(shù)巖性為扉細(xì)斑巖，數(shù)量較少，呈現(xiàn)顯著低磁（＜18×10-5SI）中阻（11 107 Ω·m）特點(diǎn)；南部鉆孔花崗斑巖樣本磁性分組特征明顯，主要為早白堊世似斑狀微細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖，總體呈現(xiàn)高磁特征（均值240×10-5SI）；電性特征方面，南部花崗斑巖電阻率大部分在50 000 Ω·m 以上，均值62 526 Ω·m，表現(xiàn)為高阻特征；而北部地表花崗斑巖電阻率均值為19 468 Ω·m，與北部碎斑熔巖電性差異較小，區(qū)分度低；

5）通過本次工作，對(duì)相山火山盆地4 大類巖石的密度、磁化率、電阻率特征有了較全面的認(rèn)識(shí)，可為該區(qū)后續(xù)非震地球物理方法的實(shí)施和數(shù)據(jù)反演解釋以及其他地質(zhì)工作提供基礎(chǔ)資料。

致謝：樣品采集與物性參數(shù)測(cè)量過程中得到了核工業(yè)二七〇研究所、江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六一大隊(duì)、中核撫州金安鈾業(yè)有限公司有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和科研技術(shù)人員的大力支持和幫助，研究過程中多次與東華理工大學(xué)林子瑜老師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了有益的研討，在此一并表示感謝。