相山鈾礦田杏樹下地區(qū)科學(xué)深鉆巖心物性特征分析

張濡亮，胡英才，王恒，腰善叢

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

相山鈾礦田是我國目前規(guī)模最大、品位最富的火山巖型鈾礦田［1-2］。近年來，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、東華理工大學(xué)等多家單位在該區(qū)開展了大量的地球物理測量工作，取得了很多成果認(rèn)識，總結(jié)了相山火山盆地磁性結(jié)構(gòu)分布特征［3］及音頻大地電磁等多種方法在該區(qū)的應(yīng)用效果［4-8］。

隨著該區(qū)多種地球物理勘探方法［9-10］的不斷開展，區(qū)內(nèi)主要巖礦石的物性參數(shù)及彼此間的物性差異這個地球物理應(yīng)用的基礎(chǔ)問題就顯得日趨重要。針對這一基礎(chǔ)問題，多位學(xué)者也對相山地區(qū)巖石物性進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)。喻翔等人［11］對相山火山盆地巖石的電性參數(shù)進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，總結(jié)了其分布規(guī)律。李紅星等人［12］對相山主要巖性的物性參數(shù)進(jìn)行了分析測試，并通過逆質(zhì)量磁化率（密度/磁化率）與密度交會分析，將物性交會區(qū)域劃分成較為明顯的四個區(qū)。鄧居智等人［13-15］也對相山地區(qū)的物性參數(shù)進(jìn)行過系統(tǒng)研究，取得系列研究成果。

上述學(xué)者針對相山地區(qū)物性參數(shù)的研究成果為該區(qū)開展地球物理測量工作奠定了有力基礎(chǔ)。但是，隨著近年來深部鈾礦地球物理勘探難度的增大以及地球物理方法研究的深入，對巖礦石的物性研究，特別是對接近自然賦存狀態(tài)下的巖礦石物性的研究就顯得更加重要。基于此，本文對相山鈾礦田杏樹下地區(qū)實(shí)施的科學(xué)深鉆巖心進(jìn)行了取樣，完成了常溫常壓下密度、磁性、電性參數(shù)及高溫高壓下電性參數(shù)的分析，最大程度還原了自然條件下巖礦石的真實(shí)賦存狀態(tài)，為后續(xù)地球物理工作的開展提供了物性基礎(chǔ)。

1 相山鈾礦田地質(zhì)概況

相山鈾礦田位于贛杭構(gòu)造火山巖鈾成礦帶的南西端［16］，受相山大型塌陷式火山盆地控制，區(qū)域上是NE 向遂川深大斷裂與NNE 向宜黃-安遠(yuǎn)深斷裂的交匯復(fù)合地帶。其東與華夏地塊的桃山-諸廣巖漿弧毗鄰，北接下?lián)P子陸塊的江南古島弧。

相山及其鄰區(qū)的中生代巖漿活動強(qiáng)烈，鈾礦田受鈾含量較高的中酸性火山-侵入雜巖系控制。相山火山盆地基底地層為中元古界片巖、千枚巖；蓋層為上白堊統(tǒng)打鼓頂組、鵝湖嶺組中酸性、酸性火山熔巖、火山碎屑巖、局部夾陸相碎屑沉積巖。礦田構(gòu)造主要為火山環(huán)狀構(gòu)造及NE 向斷裂構(gòu)造，次為近SN 向斷裂構(gòu)造與近EW 向推覆構(gòu)造，其中火山環(huán)狀構(gòu)造及NE向斷裂構(gòu)造為礦田內(nèi)主要控礦構(gòu)造［17-19］。

2 物性測試儀器與方法

本次分析測試主要針對杏樹下3 000 m 科學(xué)深鉆的149 塊巖心樣品而開展，基本涵蓋了深鉆經(jīng)過的主要地質(zhì)單元。巖性主要為鵝湖嶺組上段的碎斑流紋巖、鵝湖嶺組下段的凝灰?guī)r、打鼓頂組上段的流紋英安巖、打鼓頂組下段的凝灰?guī)r、砂巖以及基底變質(zhì)巖等。

由于巖心樣品的直徑較大且不完全相同，為減少由此引起的分析測試誤差，在分析測試前用臺鉆、切片機(jī)將樣品在水冷卻條件下加工為高約22 mm，直徑約25 mm 的圓柱狀規(guī)格化樣品。針對不能加工成規(guī)格化樣品的巖心，僅供測定磁性之用；針對能夠加工成形、但含節(jié)理等裂縫或不太規(guī)則的巖心，則只供測定磁性與密度之用。密度與電性參數(shù)物性測試數(shù)據(jù)均經(jīng)24 h 以上水飽和后測得。

本次物性測試所用的儀器及其部分技術(shù)指標(biāo)見表1。

3 物性參數(shù)分析

3.1 密度參數(shù)分析

圖1 為相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心密度分布圖。從圖中可以看出：巖心的密度參數(shù)分布呈明顯的三層結(jié)構(gòu)，其數(shù)值隨深度及巖性變化呈逐級變大的臺階式分布。淺部的碎斑流紋巖密度偏小，密度分布范圍主要集中在2.60～2.65 g/cm3；中部流紋英安巖的密度比碎斑流紋巖密度值要高，分布范圍主要集中在2.66～2.71 g/cm3，兩者之間有明顯的分界線；密度最大的是深部的泥巖、粉砂巖和板巖，密度值分布范圍主要集中在2.70～2.81 g/cm3。此外，凝灰?guī)r的密度值分布范圍跨度較大，主要集中在2.66～2.77 g/cm3，基本上覆蓋了流紋英安巖的整個分布范圍和泥巖粉砂巖范圍的大部。從圖中可以看出，碎斑流紋巖、流紋英安巖以及板巖這三類相山地區(qū)主要巖性彼此間的密度值分界線清楚，密度值范圍幾乎沒有重疊部分，密度參數(shù)差異明顯。

圖1 相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品密度隨深度及巖性分布圖Fig.1 Density distribution of core samples with depth and lithology of Scientific Deep Drilling in Xingshuxia area

3.2 磁性參數(shù)分析

圖2 為相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心磁化率分布圖。從圖中可以看出：3 000 m 深鉆5 種主要巖性的磁化率以500×10-6SI 為分界線，大致可以分為兩個組合。淺部的碎斑流紋巖和流紋英安巖是一個組合，該組合的磁化率多大于500×10-6SI，且樣品磁化率值主要集中在2 000×10-6SI～10 000×10-6SI 的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出明顯的高磁特征，該組合中流紋英安巖的磁化率略低于碎斑流紋巖；深部的凝灰?guī)r、泥巖、粉砂巖和板巖是另一個組合，其磁化率大多低于500×10-6SI，主要集中100×10-6SI～500×10-6SI 的范圍內(nèi)，表現(xiàn)為低磁特性。另外，少數(shù)凝灰?guī)r樣品的磁化率較低，甚至低于20×10-6SI，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他樣品的磁化率值，表現(xiàn)出明顯的低磁特征。根據(jù)上述磁化率參數(shù)測定結(jié)果，可從磁化率參數(shù)上區(qū)分碎斑流紋巖、流紋英安巖組合和板巖，但對碎斑流紋巖和流紋英安巖這兩類巖性卻較難區(qū)分。

圖2 相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品磁化率隨深度及巖性分布圖Fig.2 Magnetic susceptibility distribution of core samples with depth and lithology of Scientific Deep Drilling in Xingshuxia area

3.3 電性參數(shù)分析

圖3 是相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心電阻率分布圖，分布圖顯示科學(xué)深鉆穿過的地質(zhì)單元雖然符合相山地區(qū)典型的三層結(jié)構(gòu)，但是電阻率分布卻不滿足三層電性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。以10 000 Ω·m為界，可大致區(qū)分出碎斑流紋巖和流紋英安巖（碎斑流紋巖電阻率多高于10 000 Ω·m，流紋英安巖電阻率多低于10 000 Ω·m），但深部板巖的電阻率布范圍與碎斑流紋巖及流紋英安巖的范圍重合度較高，從電性角度難以識別流紋英安巖及板巖的界面。但是，處于流紋英安巖與板巖界面附近的凝灰?guī)r、泥巖及粉砂巖電阻率較低，多在2 000 Ω·m 以下，與上部流紋英安巖及下部板巖電阻率差異明顯，可作為該深度處的電性標(biāo)志界面加以區(qū)分。

圖4 為相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心極化率分布圖。從分布圖上可以看出：科學(xué)深鉆5 個主要巖性中，流紋英安巖的極化率均值最高，其極化率多高于2.5%，而泥巖、粉砂巖和凝灰?guī)r的極化率多小于1%，碎斑流紋巖和板巖的極化率大多介于兩者之間，其極化率范圍主要集中在1.0%～2.4%范圍內(nèi)。

綜合圖3 和圖4 可知，科學(xué)深鉆5 個主要巖性的電性特征為：

圖3 相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品電阻率隨深度及巖性分布圖Fig.3 Resistivity distribution of core samples with depth and lithology of Scientific Deep Drilling in Xingshuxia area

圖4 相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品極化率隨深度及巖性分布圖Fig.4 Polarization distribution of of core samples with depth and lithology of Scientific Deep Drilling in Xingshuxia area

1）碎斑流紋巖和板巖均表現(xiàn)出高電阻率、中極化率的特點(diǎn)，在科學(xué)深鉆的5 個主要巖性中，這兩者的重合度最高，從電性角度最難區(qū)分；

2）流紋英安巖表現(xiàn)出中低電阻率、高極化率的特點(diǎn)，其極化率參數(shù)值是5 種巖性中最高的；

3）泥巖、粉砂巖及凝灰?guī)r是低電阻率、低極化率的特點(diǎn)，電阻率和極化率均低于上述幾種巖性。

3.4 高溫高壓與常溫常壓條件下電性參數(shù)對比

為最大程度還原自然條件下巖礦石的真實(shí)賦存狀態(tài)，從相山幾種主要巖性中選取了10塊巖心樣品，進(jìn)行高溫高壓條件下電阻率參數(shù)的分析測試。表2 是進(jìn)行高溫高壓電阻率參數(shù)分析對比所選樣品的基本信息，通過與常溫常壓條件下電阻率參數(shù)的對比，以期發(fā)現(xiàn)不同溫度壓力條件下電阻率參數(shù)的變化規(guī)律。

表2 用作對比分析的巖心樣品信息Table 2 Core sample information used for comparative analysis

圖5 是根據(jù)樣品電阻率參數(shù)繪制的相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品電阻率隨溫度、深度的變化圖。從圖中可以看出，不同巖性的樣品對溫度壓力變化的敏感度亦不相同。碎斑流紋巖和泥巖、粉砂巖在升溫增壓時，其電阻率變化不明顯，特別是3 塊碎斑流紋巖樣品，隨著升溫增壓電阻率基本沒有變化。流紋英安巖和板巖對溫度壓強(qiáng)變化的敏感程度較大，隨溫度升到110 ℃壓強(qiáng)變?yōu)?0 MPa，上述巖性5 塊樣品的電阻率均有所減小。最明顯的SDXG-6 號流紋英安巖樣品，從常溫常壓下的3 978 Ω·m 迅速減小到1 084 Ω·m，電阻率值幾乎是原來電阻率的1/4，其余4 塊樣品電阻率變化也比較明顯。

圖5 相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品電阻率隨溫度、深度（巖性）變化圖Fig.5 Resistivity variation of core samples with temperature and depth（lithology）in Scientific Deep Drilling

上述對比結(jié)果表明地下真實(shí)賦存狀態(tài)下的電阻率值比我們地表取巖心樣測得的值要低，在進(jìn)行電阻率反演時應(yīng)該更多的參考電阻率測井的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過此次相山鈾礦田杏樹下科學(xué)深鉆巖心樣品的物性分析，得出以下結(jié)論：

1）巖心樣品中碎斑流紋巖表現(xiàn)出低密度、高磁化率、高電阻率、中極化率的特點(diǎn)；流紋英安巖表現(xiàn)出中密度、中高磁化率、中低電阻率值、高極化率的特點(diǎn)；凝灰?guī)r則表現(xiàn)出密度范圍大、低磁化率、低電阻率、低極化率的特點(diǎn)，泥巖、粉砂巖是高密度、低磁化率、低阻、低極化率的特點(diǎn)；板巖是高密度、低磁化率、高電阻率、中極化率的特征。各個巖性的物性特征比較明顯；

2）深鉆揭露范圍內(nèi)組間界面兩側(cè)巖性電阻率差異明顯，而基底界面上方的流紋英安巖與下方基底板巖電阻率差異不明顯，但是兩者之間通常夾雜泥巖和粉砂巖，這兩種巖性電阻率較低，其與板巖的分界面可以作為基底界面通過電阻率差異進(jìn)行區(qū)分。

3）隨著溫度和壓強(qiáng)的增大，流紋英安巖和板巖的電阻率值明顯變小，反映出在自然賦存狀態(tài)下上述巖性電阻率參數(shù)與常規(guī)采樣后常溫常壓狀態(tài)下電阻率參數(shù)值的差別，在后續(xù)電法反演解譯時需引起注意。

致謝：感謝中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所李磊老師及長江大學(xué)向葵老師給出的關(guān)于巖心樣品物性參數(shù)的精確分析和測定，上述數(shù)據(jù)為本文的分析總結(jié)奠定了基礎(chǔ)，在此表示感謝。