綜合物探在吐哈盆地東部礦產(chǎn)勘查中的應(yīng)用研究

汪來，孟銳，楊冰彬，劉治國，陳鵬

(1.核工業(yè)航測遙感中心， 河北 石家莊 050002； 2.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室， 河北 石家莊 050002；3.中核集團鈾資源地球物理勘查技術(shù)重點實驗室， 河北 石家莊 050002； 4.核工業(yè)二○三研究所， 陜西 咸陽 712000)

0 引言

吐哈盆地是新疆三大含油氣盆地之一，也是西北地區(qū)重要的鈾成礦基地。中侏羅統(tǒng)西山窯組既是盆地主要賦煤地層，也是層間氧化帶砂巖鈾礦的主要成礦層。盆地內(nèi)大部分為第四系礫石層覆蓋的戈壁地貌，對地質(zhì)找礦存在一定難度，通過地球物理方法研究分析找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組的發(fā)育情況及展布特征，對后期找礦工作布置具有重要的指導(dǎo)作用。本文依托于中國核工業(yè)地質(zhì)局2020年度基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項目，對盆地東部地區(qū)重力及可控源音頻大地電磁測量(CSAMT)資料進行了分析研究，結(jié)合物性參數(shù)及地質(zhì)資料對中侏羅統(tǒng)西山窯組的分布、埋深及厚度進行了推斷。經(jīng)過與鉆探資料的對比分析，結(jié)果表明重力與CSAMT相結(jié)合的綜合物探能夠有效探測找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組的分布范圍、埋深及厚度，為該區(qū)找鈾找煤工作提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

吐哈盆地夾持于覺羅塔格山脈與博格達—哈爾里克山脈之間，是一個呈東西向延長且封閉的陸相盆地。從構(gòu)造上，吐哈盆地可進一步劃分為吐魯番坳陷、了墩隆起和哈密坳陷帶三個次級構(gòu)造單元(陳蟒蛟，1993；陶明信，2010；宋傳會，2012；郭宏等，2016；張鑫和聶逢君，2019)。吐哈盆地是由博格達山和覺羅塔格山構(gòu)造帶多期構(gòu)造活動作用形成的疊合盆地(薦軍，2001)。盆地基底是由前寒武系結(jié)晶基底和古生界褶皺基底組成，具有二元結(jié)構(gòu)特征。結(jié)晶基底巖性主要為結(jié)晶片巖、變粒巖、片麻巖、大理巖和各種混合巖等，褶皺基底主要為海相碎屑巖、硅質(zhì)巖及中酸性火山巖等(趙文智等，1992；姚春玲等，2014；茍紅光等，2019；王國燦等，2020；李成明等，2021)。盆地蓋層為中、新生界陸相碎屑巖。

研究區(qū)位于吐哈盆地東部哈密坳陷，處于更次級構(gòu)造單元黃田凸起，中、新生界主要發(fā)育侏羅系、古近系、新近系，缺失白堊系、上侏羅統(tǒng)及中侏羅統(tǒng)上部部分層位(沈守文等，2000；喬海明等，2006；唐柯，2018)。地表為大片第四系砂、礫石覆蓋，在長流水地段為新近系上新統(tǒng)葡萄溝組覆蓋，為一套干旱氣候條件下沉積的紅色泥巖夾薄層砂巖(劉治國等，2017；李玉坤和李廣，2019)。在局部地段少量出露漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)桃樹園組，為一套紫紅色泥巖，底部為灰白色鈣質(zhì)泥巖。目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組以辮狀河、辮狀河三角洲相沉積的灰、淺灰色泥巖、煤層，黃、灰色砂巖、含礫砂巖為主，沉積旋回底部常見礫巖(趙曉東等，2013；蔡旭森，2018；李靖和秦榮芳，2018；王騰等，2020)。

2 地層密度與巖石電阻率特征

分別對吐哈盆地主要地層密度差異及巖石的電阻率性質(zhì)進行了統(tǒng)計分析。

根據(jù)研究區(qū)主要地層單元對地層密度的統(tǒng)計結(jié)果(表1)，按照研究尺度及經(jīng)典理論密度層≥0.1 g/cm3的分層原則，大致可劃分四個密度層、三個密度界面(劉武生等，2010)。第一密度層為第四系，平均密度值為1.79 g/cm3；第二密度層為古近系—新近系，平均密度值2.07 g/cm3；第三密度層為侏羅系，平均密度值2.62 g/cm3；第四密度層為古生界及前古生界，密度值2.70 g/cm3。第一與第二密度層形成0.28 g/cm3的密度界面；第二與第三密度層之間存在0.55 g/cm3的密度界面；第三與第四密度層的密度界面差在0.08～0.31 g/cm3?？梢缘贸觯褐行律绯练e地層一般具有較低的密度，且各地層之間密度相差較大；古生界及前古生界地層較中新生界具有密度高、變化小的特點，與其固結(jié)度高對應(yīng)，且具有分布廣、厚度大、區(qū)域連續(xù)的特點，是引起區(qū)域重力異常及變化的主要因素。

圖1 吐哈盆地構(gòu)造位置圖(a)及東部地區(qū)地質(zhì)圖(b)(據(jù)劉治國等，2019修改)1—第四系；2—上新統(tǒng)葡萄溝組；3—漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)桃樹園組；4—中侏羅統(tǒng)西山窯組；5—上石炭統(tǒng)；6—下石炭統(tǒng)；7—中泥盆統(tǒng)；8—下泥盆統(tǒng)；9—華力西中期花崗巖；10—華力西中期閃長巖；11—地質(zhì)界線；12—不整合接觸界線；13—實測及推測斷層；14—盆地一級構(gòu)造單元界線；15—鉆孔位置及編號；16—CSAMT測線及編號；17—居民點；18—研究區(qū)范圍

表1 研究區(qū)地層密度統(tǒng)計表

根據(jù)研究區(qū)鉆探巖芯標(biāo)本測得的電阻率結(jié)果(表2)，可以看出中新生界蓋層與古生界基底電性差異明顯。古近系以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，電阻率一般介于12～21 Ω·m，呈低阻特征。找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組主要為砂巖、含礫砂巖、碳質(zhì)泥巖夾煤層。碳質(zhì)泥巖電阻率介于33～51 Ω·m，砂巖電阻率介于25～105 Ω·m，含礫砂巖電阻率介于50～150 Ω·m(汪來和陳鵬，2020)。由西山窯組的三類主要巖性電阻率統(tǒng)計結(jié)果可以看出，西山窯組較古近系、新近系的電阻率偏高。鉆孔揭露到古生界基底主要為石炭系，以凝灰?guī)r為主，標(biāo)本電阻率介于110～215 Ω·m，電阻率明顯高于中、新生界蓋層。

表2 研究區(qū)鉆孔巖芯標(biāo)本電阻率統(tǒng)計表

再根據(jù)研究區(qū)鉆孔ZKY388-1的井中電阻率測量結(jié)果(圖2)，第四系厚44 m，電阻率16～232 Ω·m，變化較大，測井電阻率曲線顯示從近地表至深部電阻率逐漸降低，淺部為高阻特征。葡萄溝組、桃樹園組以泥巖為主，夾砂巖，電阻率11～39 Ω·m，測井曲線顯示電阻率相對較低。西山窯組砂體較發(fā)育，電阻率7～232 Ω·m，變化較大，測井曲線顯示西山窯組較上覆古近系—新近系電阻率明顯偏高。巖芯標(biāo)本及井中電阻率測量結(jié)果均反映出研究區(qū)電性結(jié)構(gòu)特征為：高阻(第四系)—低阻(古近系、新近系)—中高阻(侏羅系)—高阻(古生界基底)。

3 物探異常與目標(biāo)層空間展布特征分析

3.1 物探異常特征

圖3、圖4分別為研究區(qū)1∶50萬布格重力異常及剩余重力異常圖?？梢钥闯?，研究區(qū)重力異常大部分呈近東西向展布，僅北西局部低重力異常呈南北向展布。根據(jù)前述地層密度參數(shù)特征，研究區(qū)布格重力異常大致反映了前侏羅紀基底的起伏形態(tài)。根據(jù)前人對盆地構(gòu)造單元劃分結(jié)果，研究區(qū)均處于黃田凸起，由重力異常圖認為在黃田凸起還發(fā)育更次級洼陷，以北西部呈近南北向展布的次級洼陷范圍最大，發(fā)育的中、新界地層最厚。其次為長流水洼陷，位于CSAMT測量L01與L02線南段。在駱駝圈子及以東地段，呈近東西向分布有3個規(guī)模更小的次級洼陷。剩余重力異常圖中低異常較布格重力異常圖中低異常的范圍更寬，反映出新生界地層較中生界地層的分布更廣泛。

圖2 鉆孔ZKY388-1測井電阻率曲線1—第四系；2—上新統(tǒng)葡萄溝組；3—漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)桃樹園組；4—中侏羅統(tǒng)西山窯組；5—砂體；6—測井電阻率曲線

圖3 研究區(qū)布格重力異常圖1—CSAMT測線及編號；2—鉆孔位置及編號；3—研究區(qū)范圍

圖4 研究區(qū)剩余重力異常圖1—CSAMT測線及編號；2—鉆孔位置及編號；3—研究區(qū)范圍

CSAMT測量的二維反演結(jié)果進一步反映了基底起伏形態(tài)及蓋層結(jié)構(gòu)。L01線反演電阻率斷面圖反映了研究區(qū)西部電性結(jié)構(gòu)特征，可以看出基底呈“兩洼一凸一斜坡帶”構(gòu)造格局，對應(yīng)的布格重力異常曲線呈“W”型(圖5)。

反演電阻率斷面圖0～9 km段高阻體，為前侏羅紀地層及巖體的綜合反映，對應(yīng)高重力異常。9～23 km段高阻基底埋深較大，對應(yīng)低重力異常，為長流水洼陷的反映，中、新生界地層厚度大。23～35 km 段基底較淺，對應(yīng)高重力異常。35～41 km段低阻蓋層厚度較大，為駱駝圈子洼陷地段，對應(yīng)低重力異常。41～75 km反演電阻率斷面圖中深部高阻電性層向北緩慢抬升，對應(yīng)的布格重力值也呈緩慢增高的趨勢，反映了該地段為斜坡帶。

圖5 L01線綜合物探剖面圖a—L01線布格重力異常剖面；b—L01線CSAMT反演電阻率斷面圖

L02線反演電阻率斷面圖反映出研究區(qū)中部基底為“兩洼一凸”的形態(tài)，對應(yīng)的布格重力異常曲線與L01線一致，呈“W”型(圖6)。

1～3 km高阻基底埋深較淺，呈高重力異常。3～21 km段高阻基底埋深較大，對應(yīng)為低重力異常，為長流水洼陷的反映，中、新生界蓋層厚度較大。21～32 km高阻基底埋深較淺，同時為高重力異常，為隱伏凸起的反映。以35 km處為中心的深基底區(qū)為廟爾溝洼陷的反映，也與低重力異常對應(yīng)。

圖6 L02線綜合物探剖面圖a—L02線布格重力異常剖面；b—L02線CSAMT反演電阻率斷面圖

L03線反映了東部基底起伏情況，與中、西部不同，東部基底普遍較淺，僅在18 km位置基底埋深較大，為梧桐窩子洼陷的反映，且在南北方向上的寬度較小(圖7)。L03線布格重力異常曲線呈“V”字型，與CSAMT對基底的反映結(jié)果一致。

圖7 L03線綜合物探剖面圖a—L03線布格重力異常剖面；b—L03線CSAMT反演電阻率斷面圖

根據(jù)CSAMT二維反演結(jié)果的電性層結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合前述地層、巖石的電性特征以及鉆孔地質(zhì)剖面對中侏羅統(tǒng)西山窯組的發(fā)育情況進行分析。圖8為L01線33～42 km段CSAMT二維反演結(jié)果與地質(zhì)剖面的對比結(jié)果，電性結(jié)構(gòu)上從淺至深大致分為中阻—低阻—中高阻—高阻四個電性層。鉆孔ZKH3-1揭露深度301 m，揭露第四系厚度30 m，以砂、礫為主，對應(yīng)于近地表中阻電性層；古近系厚度約260 m，以泥巖、粉砂巖為主，底部為鈣質(zhì)砂巖，對應(yīng)于淺部低阻電性層；在290 m深度揭露到石炭系火山巖，對應(yīng)于中深部高阻電性層，為前侏羅紀基底的反映。鉆孔ZKH3-2揭露深度639 m，未揭露到前侏羅紀基底，鉆孔在淺、中部分別揭露第四系、古近系，對應(yīng)于近地表中阻及中部低阻電性層，在300～639 m揭露地層為中侏羅統(tǒng)西山窯組，西山窯組主要為砂巖、粗砂巖及碳質(zhì)泥巖互層，夾煤層。由研究區(qū)布格重力異常圖可以看出，ZKH3-1位于高重力異常區(qū)，位于基底埋深較淺區(qū)域；ZKH3-2處于低重力異常區(qū)，位于蓋層較厚區(qū)域。兩孔相距約5 km，但基底埋深相差超過300 m，綜合CSAMT反演結(jié)果、重力異常及鉆孔揭露情況，推斷ZKH3-1與ZKH3-2之間發(fā)育斷裂構(gòu)造，根據(jù)電性結(jié)構(gòu)特征，推斷斷裂位于測線34 km處，為傾向北東的正斷層。

圖8 L01線中段CSAMT測量綜合剖面圖a—L01線中段CSAMT反演電阻率斷面圖；b—鉆孔地質(zhì)剖面圖1—第四系；2—古近系；3—中侏羅統(tǒng)西山窯組；4—前侏羅紀基底；5—花崗巖；6—砂、礫等松散堆積；7—粉砂質(zhì)泥巖；8—碳質(zhì)泥巖；9—煤層；10—石炭系基底；11—地層界線；12—推斷斷裂；13—鉆孔位置及編號

圖9為L02線33～39 km段CSAMT二維反演結(jié)果與旁側(cè)鉆孔地質(zhì)剖面的對比情況，鉆孔ZKY388-1及ZKH0-1均位于低重力異常區(qū)，兩孔均未揭露到前侏羅系基底。淺部第四系以粒徑較大的礫石為主，厚度40～100 m，對應(yīng)于反演電阻率斷面圖近地表的高阻電性層，越靠近北部山前，第四系礫石層的厚度越大。CSAMT測量結(jié)果也證實了這一現(xiàn)象，靠近北東部，地表的高阻層厚度逐漸增大。第四系之下為古近系，以泥巖、粉砂巖為主，厚度190～230 m，對應(yīng)于反演電阻率斷面圖中淺部的低阻電性層。古近系之下為中侏羅統(tǒng)西山窯組，主要以砂巖、粗砂巖、碳質(zhì)泥巖為主，夾煤層，在反演電阻率斷面中對應(yīng)中深部的中高阻電性層。

圖9 L02線北東段CSAMT測量綜合剖面圖a—L02線北東段CSAMT反演電阻率斷面圖；b—鉆孔地質(zhì)剖面圖1—第四系；2—古近系；3—中侏羅統(tǒng)西山窯組；4—前侏羅紀基底；5—花崗巖；6—砂、礫等松散堆積；7—粉砂質(zhì)泥巖；8—碳質(zhì)泥巖；9—煤層；10—地層界線；11—測井電阻率曲線；12—鉆孔及編號

L03線CSAMT二維反演結(jié)果反映了東部基底普遍較淺，僅在測線北部梧桐窩子洼陷基底深度較大，中、新生界蓋層較厚。L03線東部鉆孔ZKH2-1、ZKH2-2相距2.5 km，分別位于高重力異常與低重力異常，兩孔所揭露地質(zhì)情況相差較大。鉆孔ZKH2-1在第四系覆蓋下60 m深度揭露到基底，而鉆孔ZKH2-2在500 m深度仍未揭穿侏羅系。鉆孔ZKH2-1揭露情況與L03線所反映的測線南段大部分區(qū)域基底較淺的情況一致。鉆孔ZKH2-2所揭露的中、新生界地層埋深、厚度等情況與CSAMT測量所反映的梧桐窩子洼陷蓋層情況基本一致。

根據(jù)研究區(qū)3條CSAMT二維反演剖面與鉆孔資料對比分析結(jié)果，結(jié)合重力異常資料，可以推斷研究區(qū)發(fā)育4個近東西向展布的次級洼陷，分別為長流水洼陷、駱駝圈子洼陷、廟爾溝洼陷及梧桐窩子洼陷。古近系分布范圍較廣，在凸起、洼陷均有分布，在CSAMT二維反演剖面中呈連續(xù)、穩(wěn)定的低阻電性層。找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組主要分布于4個次級洼陷中，在凸起地段西山窯組不發(fā)育或已受剝蝕，在CSAMT二維反演剖面中，表現(xiàn)為古近系低阻電性層之下的中高阻電性層。

3.2 目標(biāo)層空間展布特征

根據(jù)前述找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組在CSAMT二維反演剖面中的電性層識別標(biāo)志，結(jié)合重力資料、鉆探資料所反映該地層的發(fā)育特點，對其頂板埋深及厚度進行了推斷(圖10)。

研究區(qū)西山窯組分布于4個次級洼陷中。在長流水洼陷，西山窯組頂板埋深100～450 m，厚度200～600 m，在洼陷西部沉積厚度超過600 m；駱駝圈子洼陷西山窯組頂板埋深一般200～450 m，其厚度一般200～700 m，在洼陷中心區(qū)域沉積厚度超過700 m；在廟爾溝洼陷，西山窯組頂板深度約300 m，深度變化較小，厚度200～500 m；在研究區(qū)東部梧桐窩子洼陷，西山窯組埋深200～300 m，厚度100～400 m。

圖10 研究區(qū)地質(zhì)及推斷解釋中侏羅統(tǒng)西山窯組厚度等值線平面圖1—第四系；2—上新統(tǒng)葡萄溝組；3—漸新統(tǒng)—中新統(tǒng)桃樹園組；4—中侏羅統(tǒng)西山窯組；5—上石炭統(tǒng)；6—下石炭統(tǒng)；7—中泥盆統(tǒng)；8—下泥盆統(tǒng)；9—華力西中期花崗巖；10—華力西中期閃長巖；11—地質(zhì)界線；12—推斷次級構(gòu)造單元界線；13—推測正斷層及逆斷層；14—性質(zhì)不明斷層及推測斷層；15—推斷中侏羅統(tǒng)西山窯組及其厚度；16—居民點；17—研究區(qū)范圍

4 結(jié)論

本次研究采用CSAMT方法，結(jié)合1∶50萬重力資料，對吐哈盆地東部前侏羅紀基底起伏形態(tài)及找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組的空間展布特征進行研究分析，對研究區(qū)找鈾找煤工作具有一定指導(dǎo)意義。得出的結(jié)論如下：

(1)吐哈盆地東部鈾、煤找礦目標(biāo)層中侏羅統(tǒng)西山窯組呈中高阻電性特征，主要分布于長流水、駱駝圈子、廟爾溝及梧桐窩子等4個次級洼陷中，其頂板埋深100～450 m，厚度200～700 m。西山窯組在凸起地段不發(fā)育或已剝蝕。

(2)吐哈盆地東部，駱駝圈子以東一帶基底呈“四洼一凸”的構(gòu)造格局，次級構(gòu)造單元呈近東西向展布。

(3)在盆地的厚覆蓋區(qū)，采用CSAMT法結(jié)合重力資料能有效解決盆地基底起伏、蓋層結(jié)構(gòu)等問題，可為盆地中鈾、煤勘查提供依據(jù)。

注 釋

劉武生, 賈立城, 汪遠志, 張俊偉. 2010. 吐哈盆地鈾礦資源潛力評價[R]. 北京: 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院.

汪來, 陳鵬. 2020. 新疆哈密市廟爾溝-野馬泉地區(qū)可控源音頻大地電磁測量[R]. 石家莊: 核工業(yè)航測遙感中心.