音頻大地電磁法、地面高精度磁法在黑龍江三江盆地西部鈾礦資源勘查中的應用

張志勇，腰善叢，陳聰，何中波，汪碩，周俊杰

（1.核工業(yè)北京地質研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術重點實驗室，北京 100029；2.中核江西礦業(yè)有限公司，江西 南昌 330006）

在我國，鈾礦資源的重要性不可忽視。作為重要的核能資源，鈾礦不僅為我國的核電發(fā)展提供了可靠的燃料，促進了我國節(jié)能減排和環(huán)境保護目標的完成。同時，鈾礦資源還滿足了國防設施的核燃料需求，提升了國家安全和防御實力。因此，在我國發(fā)展核能產(chǎn)業(yè)的過程中，鈾礦資源的供應和開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義，尋找鈾礦資源刻不容緩。在現(xiàn)代礦產(chǎn)勘探中，大地電磁法（MT）和磁法是尋找地下鈾礦礦體常用的技術手段。

在（音頻）大地電磁法方面，前人的研究成果從多個方面驗證了該方法在探測鈾礦成礦環(huán)境方面的作用［1-11］，其中汪碩等利用MT 驗證了在馬尼特坳陷玄武巖覆蓋區(qū)有較好的砂巖型鈾礦找礦前景［1］；李波等基于陜西省華陽川硬巖型鈾礦勘查區(qū)研究工作表明AMT 能在硬巖型鈾礦攻深找盲、外圍有效探測［5］；張濡亮等將印模技術引入到音頻大地電磁（AMT）二維數(shù)值模擬中提高了基底的反演解釋的準確性，為相山地區(qū)的基底后續(xù)解譯工作提供了新的手段［6］；段書新等基于鹿井鈾礦田西部龍頭地區(qū)的實測研究表明AMT 與MT 的組合提高了探測深度、精度和準確性，為鹿井礦田西部鈾資源潛力預測及評價提供了新依據(jù)［7］；胡英才等基于二連盆地伊和高勒地區(qū)砂巖型鈾礦的地電模型開展了AMT 和寬頻大地電磁測深的數(shù)值模擬，通過對兩種方法在不同模型中的正反演效果對比表明：在該地區(qū)的砂巖型鈾礦探測中，使用寬頻大地電磁法要優(yōu)于AMT［11］。

在磁法方面，前人研究認為高精度磁法能夠有效識別斷裂以及有明顯磁性異常的隱伏巖體［12-20］，任偉龍等針對喀喇沁旗四十家子地段構造，用高精度磁法測量對本地段鈾礦勘查工作起到了指導作用［13］；陳虎基于伊型盆地層間氧化帶砂巖型鈾礦的化學磁性異常的正負值對應還原氧化地帶表明該磁異常為砂巖型鈾礦的標志性特征，可為我國北方地區(qū)砂巖型鈾礦的預測提供新的依據(jù)［15］；程紀星等通過總結音頻大地電磁測深法與高精度磁法在相山鈾礦田西部鈾的已有實測數(shù)據(jù)來對相山地區(qū)的鈾礦進行預測［17］；喬寶強等采用音頻大地電磁法與高精度磁法在江西河元背地區(qū)完成了實測任務，反演結果與打鉆吻合程度較高，驗證了AMT 與高精度磁法結合的有效性［18］；陳濤紅等聯(lián)合分析石泉鈾礦區(qū)的高精度磁法和音頻大地電磁測深法得到了隱伏偉晶狀白崗巖體的深部延伸情況，為鈾礦勘察提供了新的技術手段［19］。

綜上所述，（音頻）大地電磁法和高精度磁法不僅應用廣泛，而且在鈾礦勘探中發(fā)揮著重要的作用，兩種方法應用范圍的不斷擴大和精確度的不斷提高，以及基于兩種方法優(yōu)點的聯(lián)合探測對于鈾礦的勘探和開發(fā)具有重要的意義。本文運用音頻大地電磁法與磁法實施聯(lián)合解釋，對黑龍江省三江盆地西部鈾礦資源開展調查評價，初步探明了該區(qū)地下的地電情況。

1 研究區(qū)地質背景及目標層物性特征

1.1 地 層

研究區(qū)地層由下白堊統(tǒng)城子河組、穆棱組、東山組、猴石溝組，上白堊統(tǒng)松木河組、古近系寶泉嶺組、新近系富錦組組成（圖1）。其中，城子河組和穆棱組屬陸相含煤碎屑巖建造，下白堊統(tǒng)東山組和上白堊統(tǒng)松木河組為陸相火山碎屑—火山巖建造，目標層下白堊統(tǒng)猴石溝組為一套正常沉積的碎屑巖建造，是盆地斷—坳轉換期的沉積產(chǎn)物。盆地基底主要由前古生界麻山群、黑龍江群深變質巖系及元古宙混合花崗巖、華力西期花崗巖等共同組成。

圖1 三江盆地西部研究區(qū)綜合地層柱狀圖Fig.1 Comprehensive stratigraphic column in the western study area of Sanjiang basin

1.2 構 造

黑龍江三江盆地西部屬于三江盆地的一部分，它是中生代白堊紀的陸相斷陷盆地，其西部為小興安嶺—張廣才嶺隆起，東側為NE向的新生代湯原斷陷和佳木斯隆起。

研究區(qū)主要的區(qū)域深大斷裂有兩條，一個是近SN 向的牧丹江斷裂；另一個是NNE 向的依舒斷裂。它們對鶴崗斷陷的形成和發(fā)展具有重要作用。

1.2.1 牡丹江斷裂

它由牡丹江向北經(jīng)依蘭、湯原、嘉蔭，過黑龍江進入俄羅斯境內(nèi)，斷裂呈SN 向展布，是地質、遙感和地球物理資料共同認定的大型巖石圈斷裂。斷裂在依蘭附近被NE 向的依舒斷裂帶截切并發(fā)生錯位。

牡丹江斷裂為小興安嶺—張廣才嶺與佳木斯地塊早古生代末的構造拼接邊界（圖2）。沿該帶分布的黑龍江雜巖系即兩個地塊間洋殼俯沖、地塊拼接的構造混雜巖帶。該斷裂帶西側為近SN 向的加里東花崗巖帶，東側分布的是黑龍江雜巖。雜巖中藍閃石片巖的同位素年齡有兩期：664～559 Ma 和410～440 Ma。從花崗巖和變質巖形成的年齡來看，該斷裂帶是工作區(qū)生成最早、切割深度最大，且活動時間很長，對區(qū)內(nèi)的構造發(fā)展起重要作用的深斷裂。

圖2 研究區(qū)前中生代基底地塊組合及深大斷裂分布示意圖Fig. 2 Schematic map of the pre Mesozoic basement block combination and distribution of deep and large faults in the study area

1.2.2 依舒斷裂

依舒斷裂是我國著名的斷裂構造帶，是郯廬斷裂帶北延分支之一，呈NE 向。該斷裂表現(xiàn)為密集的重力梯度帶，斷裂帶由兩條近平行的主干斷裂組成，形成兩側相對抬升，中間沉降的地塹式斷裂帶，寬8～30 km。

依舒斷裂的形成時間和演化歷史存在較大的爭議，一般認為依舒斷裂形成時間較早，可能為古生代。但從該斷裂控制的湯原斷陷中發(fā)育有厚度達3 500～4 000 m 古近系、新近系陸相碎屑巖沉積來看，喜山運動應是它最活躍的時期。

1.3 研究區(qū)物性參數(shù)

根據(jù)煤炭和石油系統(tǒng)成果資料，研究區(qū)主要是第四系、新近系和白堊系地層，同時存在部分前中生界的地層，各巖層物性參數(shù)統(tǒng)計如表1 所示。

由以上的統(tǒng)計結果可見，第四系底部砂礫石視電阻率較高，屬高阻低磁巖性，可以作為確定第四系厚度的標志層位；玄武巖類不僅視電阻率高，磁化率、密度也較大，屬高阻、高磁、高密度層；火山巖類、花崗巖類及前中生界基底各類巖石，視電阻率、密度較大，與玄武巖差別不大，但磁性略低，屬中磁性層；沉積巖類視電阻率、磁化率、密度很低，屬無磁或弱磁、低阻低密度層，與上述巖層存在明顯的物性差異。

此外，沉積地層中泥巖、粉砂質泥巖的電阻率普遍比礫巖、砂礫巖、粗砂巖低。這些物性差異特別是電性差異為本區(qū)開展電磁勘探工作以及利用電磁法研究基底的起伏及沉積蓋層的結構提供了一定的物性前提。

1.4 研究區(qū)測井資料

研究區(qū)開展過鉆探研究，由統(tǒng)計表（表2）可知，第四系泥、泥巖視電阻率為44 Ω·m，表現(xiàn)為低阻特征；砂礫巖視電阻率為137 Ω·m，表現(xiàn)為中高阻特征；細砂巖視電阻率為164 Ω·m，表現(xiàn)為中高阻特征。松木河組安山巖視電阻率為286 Ω·m，表現(xiàn)為高阻特征；粗砂巖、礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖視電阻率分別為103、134、112 和207 Ω·m，表現(xiàn)為中高阻特征。泥（巖）、含礫泥巖、碳質泥巖、細砂巖和中砂巖視電阻率分別為41、45、62、84 和62 Ω·m，表現(xiàn)為低阻特征。猴石溝組粗砂巖、礫巖、煤、泥質粉砂巖和砂礫巖視電阻率分別為120、129、130、105 和126 Ω·m；粉砂巖、粗砂質泥巖、泥（巖）、細礫巖、細砂巖和中砂巖視電阻率分別為56、21、46、31、76 和65 Ω·m，表現(xiàn)為中低阻特征?；谆◢弾r的視電阻率為464 Ω·m，表現(xiàn)為高阻特征。

表2 研究區(qū)內(nèi)不同巖性電性特征統(tǒng)計表Table 2 Statistical result of electrical characteristics of different lithology in the study area

2 方法原理及工作部署

2.1 方法原理

2.1.1 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法（AMT）是利用天然大地電磁場作為場源，測定地下巖石的電性參數(shù)并通過研究地電斷面的變化了解地質構造從而達到找礦、找水等目的的一種頻率域電磁法。

2.1.2 地面高精度磁法

磁法勘探是利用地殼內(nèi)各種巖（礦）石間的磁性差異所引起的磁異常來尋找有用礦產(chǎn)查明地下地質構造的一種地球物理勘探方法。

2.2 工作部署

本次AMT 測量工作采用加拿大鳳凰公司的MTU-5A 儀器進行，共完成664個測點，點距約為100 m。測線位于三江盆地西部地區(qū)，具體位置見圖3，3 條測線均為EW 向剖面。磁法采用加拿大的GSM-19T磁力儀進行測量，共完成68.1 km的磁法剖面測量工作，點距約為40 m，總長度為68.1 km，剖面位置與音頻大地電磁法相同（圖3）。

圖3 三江盆地西部研究區(qū)音頻大地電磁法、磁法測線部署圖Fig. 3 Deployment map of audio-frequency magnetotelluric and magnetic survey lines in the western study area of Sanjiang basin

3 物探結果及解釋

AMT 數(shù)據(jù)反演選取TM 和TE 模式數(shù)據(jù)，采用帶地形的非線性共軛梯度（NLCG）算法進行二維反演。工區(qū)測線的綜合地質解譯主要是結合測區(qū)內(nèi)物性、鉆孔及地質等資料，對3 條AMT 剖面的反演結果及磁法數(shù)據(jù)處理結果進行了地質層位的標定，并推斷解譯了各剖面的斷裂發(fā)育特征及地層結構。具體分析如下：

3.1 A1 線AMT 剖面反演結果、磁法數(shù)據(jù)處理結果及其地質解譯

A1 測線位于工區(qū)中部，全長23.1 km，為EW向剖面，方位角為90°。地表自西向東依次跨越不同地層，分別為：第四系（300～2200 m）、猴石溝組（2 200～2 800 m）、松木河組（2 800～4 800 m）、猴石溝組（4 800～5 300 m）、松木河組（5 300～6 900 m）、猴石溝組（6 900～7 400 m）、松木河組（7 400～9 200 m）、第四系（9 200～23 100 m）和白崗質花崗巖（23 100～23 400 m）。

從A1 線磁異常△T曲線圖（圖4）中可見，A1 剖面磁異常呈現(xiàn)跳變的特征。幅值范圍約為-1 000 至1 000 nT，其極值出現(xiàn)在剖面2 000至4 000 m處，推測是由于地表出露的松木河組K2s中基性火山巖引起。在剖面4 000至12 000 m 出現(xiàn)形態(tài)類似的三段磁偶形態(tài)，同樣是由于上白堊統(tǒng)松木河組火山巖引起，其中剖面10 000 至12 000 m 處第四系下可能存在隱伏火山巖。剖面19 000 至21 000 m 處異常幅值達到200 nT，推測地下存在隱伏安山巖。剖面中部第四系覆蓋區(qū)以及最東段巖體磁場表現(xiàn)平穩(wěn)。

圖4 A1 線AMT、磁法綜合解譯成果圖Fig.4 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A1

A1 剖面主要的電性結構大體可分為三段，西段和東段的電阻率較高，中段電阻率較低。0 ～ 8 000 m 為西段，其主要可以分為淺地表覆蓋薄層第四系，在2 800 m 處出露斷裂F3，該斷裂為盆內(nèi)斷裂，傾向W；向西該段深部為基底，其電阻率較高。在剖面約3 800 m處推斷存在一斷裂F4，該斷裂為盆內(nèi)斷裂，傾向向西；在剖面約7 200 m 推測存在一斷裂F1，該斷裂為盆內(nèi)斷裂，傾向向東。8 000～22 000 m為中段，其從淺到深大致可分為第四系覆蓋層、松木河組、猴石溝、基底（華力西期侵入巖體或馬山群及黑龍江群）。 22 000～23 400 m 為西段，該段為γ4華力西期侵入巖體，其電阻率值較高。在剖面約21 800 m 推測存在一斷裂F2，該斷裂為盆原斷裂，傾向向西。

3.2 A2 線AMT 反演剖面結果、磁法數(shù)據(jù)處理結果及其地質解譯

A2 測線位于工區(qū)南部，全長23.9 km，為EW 向剖面，方位角為90°。地表自西向東依次跨越不同地層，分別為：混合花崗巖（100到600 m）、城子河組（600 到1 000 m）、穆棱組（1 000 到2 400 m）、東山組（2 400 到3 400 m）、松木河組（4 400 到6 700 m）、第四系（67 00 到16 300 m）、松木河組（163 00 到16 900 m）、第四系（16 900到23 200 m）和白崗質花崗巖（23 200 到24 000 m）。

由A2 線磁異?！鱐曲線圖（圖5）可見，A2剖面磁異常呈現(xiàn)兩端平穩(wěn)中部跳變的特征，異常范圍為-1 500～1 400 nT。其中剖面4 000～8 000 m 處，磁異常形態(tài)明顯，結合地質及物性資料，解譯是由于地表出露松木河組K2s玄武安山巖引起。剖面1 500 ～ 18 000 m 出現(xiàn)一段連續(xù)跳變高值形態(tài)，解譯是由于上白堊統(tǒng)松木合組火山巖出露引起。剖面7 000 ～15 000 m磁異常表現(xiàn)為相對穩(wěn)定高值，推測第四系覆蓋下可能存在安山巖，尤其是12 000 m 處存在安山巖的可能性極大。剖面17 000～24 000 m 處異常相對平穩(wěn)，推測是第四系覆蓋區(qū)以及花崗巖體的反映。高磁巖體中的低磁位置可能是由于斷裂破碎造成磁性降低。因此，在剖面4 000 m 處可能存在斷裂構造，傾向根據(jù)磁異常結果難以判斷。此外，剖面18 000 m 處高磁場和平穩(wěn)磁場的分界線也可能存在構造。

圖5 A2 線AMT、磁法綜合解譯成果圖Fig. 5 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A2

A2 剖面主要的電性結構大體可分為三段，西段和東段的電阻率較高，中段電阻率相對較低。0 ～ 4 400 m 為西段，其主要可以分為東山組、穆棱組、城子河組及元古代侵入巖γ2，其電阻率值相對較高，在剖面約600 m 處出露一斷裂F5，該斷裂為盆原斷裂，控制邊界，傾向向東；在剖面約4 400 m 處出露一斷裂F6，該斷裂為盆內(nèi)斷裂，傾向向西。4 400～23 200 m 為中段，其從淺到深大致可分為第四系覆蓋層、松木河組、猴石溝組及東山組，其電阻率值相對西段偏低。23 200～24 000 m 為西段，該段深部為2γ地層，其電阻率值較高。在剖面約23 200 m 推測存在一斷裂F2，該斷裂為盆原斷裂，控制邊界，傾向向西。

3.3 A3 線AMT 反演剖面結果、磁法數(shù)據(jù)處理結果及其地質解譯

A3 測線位于工區(qū)北部，全長21.1 km，為EW 向剖面，方位角為90°。地表自西向東依次跨越不同地層，分別為：馬山群及黑龍江群（100 到400 m）、猴石溝組（400 到800 m）、松木河組（800到2 500 m）、猴石溝組（2 500到4 400 m）、第四系（4 400 到12 000 m）、猴石溝組（12 000到14 000 m）、第四系（14 000 到19 800 m）、馬山群及黑龍江群（19 800 到21 200 m）。

圖6 中，A3 剖面主要的電性結構大體可分為三段，西段和東段的電阻率較高，中段電阻率相對較低。0 ～ 2 500 m 為西段，其主要可以分為松木河組、猴石溝組、馬山群及黑龍江群，其電阻率值相對較高，在剖面約2 500 m 處出露一斷裂F1，該斷裂為盆內(nèi)斷裂，傾向向東。2 500 ～ 19 800 m 為中段，其從淺到深大致可分為第四系覆蓋層、猴石溝組、東山組和馬山群及黑龍江群，其淺部電阻率值相對較低，深部電阻率較高。19 800 ～ 21 200 m 為西段，該段深部為馬山群及黑龍江群，其電阻率值較高。在剖面約19 800 m 處推斷存在一斷層F2，該斷裂為盆原斷裂，傾向向西。

圖6 A3 線AMT、磁法綜合解譯成果圖Fig. 6 AMT and magnetic method comprehensive interpretation results chart of line A3

4 鉆探驗證

研究區(qū)開展過較多的鉆探工作，以A3 線為例。從A3 測線附近電阻率測井曲線及鉆孔揭露情況可以看出，A3 測線北側三個鉆孔猴石溝組的視電阻率曲線表現(xiàn)為“低阻-高阻-低阻”特征，其基底的視電阻率為高阻；A3 測線南側兩個鉆孔猴石溝組的視電阻率表現(xiàn)為“低阻”特征。同時，由鉆孔揭露情況來看，從北至南，猴石溝組和基底的埋深越來越大。A3 測線中部（也即盆地內(nèi)）從淺到深大致可分為第四系覆蓋層、松猴石溝組、東山組和馬山群及黑龍江群，其淺部電阻率值相對較低，深部電阻率較高。A3 剖面的電阻率反演結果與上述鉆孔資料吻合較好，從而驗證了本研究反演結果的準確性，同時也說明AMT 方法可以有效區(qū)分工區(qū)內(nèi)的主要地層。

綜上所述，在該地區(qū)使用AMT 方法能夠比較準確探測目標層的埋深及空間展布特征，可為砂巖型鈾礦探測提供可靠的地球物理依據(jù)。

5 結 論

通過此次音頻大地電磁測量和高精度磁法測量，結合地質資料、物性資料及鉆孔資料，可得出以下結論：

1）研究區(qū)第四系腐質泥、表層土的電性主要表現(xiàn)為低阻特征，流沙、松散砂礫的電性主要表現(xiàn)為中高阻特征；

2）A1 測線北部鉆孔松木河組的視電阻率曲線表現(xiàn)為“低阻-高阻-低阻”特征，猴石溝組的視電阻率曲線表現(xiàn)為低阻特征；

3）A2 測線北部鉆孔松木河組的視電阻率曲線表現(xiàn)為“低阻-高阻-低阻-高”特征。同時，由鉆孔揭露情況來看，從北至南，猴石溝組和基底的埋深越來越大。

致謝：衛(wèi)三元研究員對本文提出許多寶貴建議，在此表示感謝。