CSAMT 在松遼盆地梅里斯地區(qū)鈾礦勘查中的應(yīng)用

牛禹，王培建，張正陽，謝明宏

1 核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002

2 中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），河北 石家莊 050002

3 河北航空探測和遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002

鈾作為重要的核能資源，不僅為我國核電發(fā)展提供了可靠的燃料，同時(shí)還滿足了國防設(shè)施的核資源需求。因此，鈾既是能源資源，更是戰(zhàn)略資源［1-4］。有研究表明松遼盆地北部鈾礦化主要受控于上白堊紀(jì)曲流河三角洲沉積體系，主要含礦層為上白堊統(tǒng)四方臺組下段，巖性以灰綠色、灰色砂巖夾泥巖為主，其中砂巖以中粒砂巖及細(xì)粒砂巖為主［5］，多呈板狀、透鏡狀。礦體規(guī)模與砂體規(guī)模、層數(shù)等密切相關(guān)，砂體規(guī)模越大，礦化層越多，礦體規(guī)模越大，反之則規(guī)模越?。?］。但是，該套砂體在松遼盆地西部超覆帶內(nèi)發(fā)育情況尚不明確。

可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）是一種使用人工場源、通過改變發(fā)射頻率進(jìn)行測深的頻率域電磁勘探方法［7］，在地?zé)峥辈椋?］、尋找隱伏構(gòu)造［9］及煤田采空區(qū)［10］等方面具有廣泛的應(yīng)用。近年來，CSAMT 在鄂爾多斯盆地北西緣、柴達(dá)木盆地北緣和二連盆地砂巖型鈾礦勘查中，尤其是尋找砂體［11］、圈定古河道［12］等方面取得了一定應(yīng)用效果。本文即以松遼盆地梅里斯地區(qū)CSAMT 探測實(shí)例來說明其在鈾礦勘查中的應(yīng)用效果。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

松遼盆地前中生代大地構(gòu)造為一穩(wěn)定地塊［13］，其是在海西褶皺帶基礎(chǔ)上發(fā)展起來的中-新生代沉積大型陸相盆地，呈NNE 方向展布的不規(guī)則菱形［14］。盆地演化經(jīng)歷了熱隆張裂階段（AnJ3）、裂陷階段（K1）、坳陷階段（K2）以及萎縮褶皺與抬升掀斜（K2末期至古近紀(jì)）等4個(gè)階段［15-16］。

研究區(qū)位于松遼盆地西部斜坡區(qū)的西部超覆帶內(nèi)的梅里斯地區(qū)。西部斜坡區(qū)在盆地發(fā)展過程中長期處于區(qū)域性單斜狀態(tài)［17］，基底平緩向東傾斜，傾角較小［18］。在坳陷期，地層逐層向西超覆，基底巖性以海西期花崗巖為主［19］，局部地區(qū)有上古生界和前古生界變質(zhì)巖。蓋層主要為中-新生界沉積巖（圖1），自下而上發(fā)育侏羅系、白堊系、新近系以及第四系地層［20］。其中侏羅系為地塹式沉積，白堊系自下而上發(fā)育上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，新近系主要包括大安組和泰康組，第四系主要為黃土或黑色腐殖土、灰黃色松散砂層、砂礫層等。

上白堊統(tǒng)泉頭組（K2q）為一套暗紫、紫紅色泥巖和淺灰色、灰白色砂礫巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖以及粉砂巖；青山口組（K2qn）巖性為黑色、黑褐色油頁巖，灰、灰綠色、棕紅色泥巖，局部介形蟲化石富集成層；姚家組（K2y）巖性區(qū)域上以棕紅色泥巖夾灰綠色粉砂質(zhì)泥巖為主，局部發(fā)育層狀細(xì)砂巖；嫩江組（K2n）巖性底部為厚層的砂巖、砂礫巖夾泥巖，上部為灰黑、深灰色泥頁巖。研究區(qū)找礦目標(biāo)層為上白堊統(tǒng)四方臺組（K2s）砂巖，其以粉砂巖、細(xì)砂巖和中砂巖為主，底部多為含礫砂巖。四方臺組底部的砂體粒度較大，且與嫩江組不整合接觸，因此嫩江組上部泥巖可作為鈾成礦所必須的隔水層，亦是研究區(qū)最重要的標(biāo)志層。明水組（K2m）巖性為棕紅、灰綠、灰黑、灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖與灰綠色砂巖。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

為查明研究區(qū)大致地層結(jié)構(gòu)、斷裂發(fā)育以及找礦目標(biāo)層四方臺組的分布情況，在研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)CSAMT 測線3 條。測線方向123°，線距10 km，點(diǎn)距200 m（圖1），測線長度共計(jì)102 km。

CSAMT 數(shù)據(jù)采集利用GDP—32Ⅱ多功能電法儀，采用赤道偶極裝置進(jìn)行TM 模式標(biāo)量測量。發(fā)射偶極距AB=1 km，接收偶極距MN=100 m，收發(fā)距控制在3～4 km（圖2）。發(fā)射端供電電流最小為2 A，最大為10 A，發(fā)射頻率大多數(shù)介于1～8 192 Hz 之間，個(gè)別測點(diǎn)最小頻率為0.5 Hz。

圖2 梅里斯地區(qū)CSAMT 數(shù)據(jù)采集裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of CSAMT data acquisition device in Meilisi area

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)剔除與靜態(tài)校正，其中數(shù)據(jù)剔除主要是剔除進(jìn)入過渡區(qū)和近區(qū)的電磁數(shù)據(jù)。CSAMT 數(shù)據(jù)進(jìn)入近區(qū)的表現(xiàn)主要有：1）磁場振幅達(dá)到飽和［21］；2）視電阻率曲線在電阻率-頻率雙對數(shù)曲線圖上，由高頻向低頻呈45°的直線上升；3）阻抗相位接近于0 mrad?；谏鲜鎏卣鳎_定本次近區(qū)數(shù)據(jù)的最低頻率為2 Hz（圖3），局部基底凸起地段為16 Hz。

圖3 梅里斯地區(qū)近區(qū)數(shù)據(jù)特征曲線示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the characteristic curve of near-field data in Meilisi area

為消除靜態(tài)效應(yīng)引起的反演電阻率剖面上虛假的陡立低阻或高阻異常，對CSAMT 數(shù)據(jù)進(jìn)行了靜態(tài)校正，校正前后的電阻率剖面分別如圖4A 和B 所示。

圖4 梅里斯地區(qū)CSAMT 數(shù)據(jù)靜態(tài)校正前后擬斷面圖Fig. 4 The pseudosection map of CSAMT data in Meilisi area before and after static correction

2.2.2 數(shù)據(jù)反演

為獲得松遼盆地北部梅里斯地區(qū)的地電模型，采用Occam 算法對CSAMT 數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演。由于初始模型首層厚度、圓滑系數(shù)的大小將影響反演電阻率斷面的粗糙程度，同時(shí)對某些地質(zhì)信息也會造成丟失或放大，進(jìn)而影響成果資料解釋的準(zhǔn)確性。因此，將數(shù)據(jù)反演的首層厚度定為30 m，圓滑系數(shù)為0.5，層遞增系數(shù)為1.1。

3 數(shù)據(jù)綜合解釋

3.1 地層電阻率特征

根據(jù)收集、整理的梅里斯地區(qū)測井資料可知：盆地基底表現(xiàn)為相對高阻，電阻率一般大于200 Ω·m，蓋層中隨沉積物粒級增大，電阻率隨之增大，即泥巖電阻率最低，礫巖電阻率最高。其中泥巖平均電阻率介于6～13 Ω·m 之間，地質(zhì)解釋標(biāo)志層嫩江組泥巖電阻率一般小于10 Ω·m；粉砂巖、細(xì)砂巖平均電阻率介于11～26 Ω·m 之間；中砂巖平均電阻率在不同地層中大小也不盡相同，嫩江組和姚家組中平均電阻率介于31～33 Ω·m 之間，而青山口組平均電阻率只有12 Ω·m；砂礫巖、粗砂巖的電阻率介于39～118 Ω·m 之間。目標(biāo)層四方臺組位于嫩江組上部，以砂巖、砂礫巖為主，表現(xiàn)為相對中阻特征（表1）。上述電阻率差異，為后期的數(shù)據(jù)解釋提供了依據(jù)。

表1 梅里斯地區(qū)巖層電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of rock resistivity in Meilisi area

3.2 反演剖面標(biāo)定解釋

反演電阻率斷面在縱向上可分為6 個(gè)電性層（圖5），自上至下依次呈高阻-中高阻-中低阻-低阻-中高阻—高阻分布，結(jié)合鉆孔揭露情況，建立了各電性層與地層對應(yīng)關(guān)系（表2）。由表2 可知：第1 電性層反演電阻率值大于30 Ω·m，呈相對高阻特征，為第四系松散砂礫、黏土的反映；第2 電性層反演電阻率值介于22～30 Ω·m 之間，表現(xiàn)為相對中高阻特征，為上新統(tǒng)泰康組砂礫巖、砂巖的反映；第3電性層反演電阻率值介于9～22 Ω·m 之間，呈中低阻特征，為上白堊統(tǒng)明水組、四方臺組砂巖夾少量泥巖的反映，中間夾持有呈透鏡狀、似層狀分布的中高阻層，為粗砂、砂礫巖的反映；第4 電性特征反演電阻率值頂部小于9 Ω·m，底部大于5 Ω·m，呈低阻特征，為上白堊統(tǒng)嫩江組泥巖的反映；第5 電性特征反演電阻率值大于5 Ω·m，小于13 Ω·m，呈逐漸升高的趨勢，為上白堊統(tǒng)青山口組和上白堊統(tǒng)姚家組砂巖的反映；第6 電性層反演電阻率值大于13 Ω·m，呈相對高阻特征，為華力西期花崗巖的反映。

表2 梅里斯地區(qū)地層（巖性）與反演電阻率斷面電性層對應(yīng)關(guān)系表Table 2 Corresponding relationship between strata (lithology) and inverted resistivity and electrical layer in Meilisi area

圖5 梅里斯地區(qū)電性層與鉆孔揭露地層對照圖Fig. 5 Contrast diagram of electrical layer and borehole exposed stratum in Meilisi area

3.3 綜合解釋

3.3.1 剖面解釋

由梅里斯地區(qū)各線反演電阻率及地質(zhì)解釋斷面圖（圖6）可知，在L01 線平距3 000 m、L02 線平距3 500 m 和L03 線平距7 500 m 附近，反演電阻率斷面上出現(xiàn)低阻帶特征，推斷解釋為斷裂F1。該斷裂位于梅里斯地區(qū)西部，性質(zhì)為正斷裂，走向NE，傾向NW，傾角較陡，切割深度均大于800 m，分析認(rèn)為是嫩江—高力板斷裂。在L01 線平距32 000 m、L02 線平距30 500 m 附近，反演電阻率斷面上電性層厚度發(fā)生明顯變化，且出現(xiàn)梯度帶特征，推斷解釋為斷裂F2。該斷裂性質(zhì)為正斷層，走向NE，傾向SE，傾角較陡，切割深度大于500 m，分析認(rèn)為是區(qū)域斷裂嫩江—白城斷裂的一條次級斷裂。

圖6 梅里斯地區(qū)各測線反演電阻率推斷解釋地質(zhì)斷面圖Fig. 6 Geological cross section of inverted resistivity inference and interpretation for each lines in Meilisi area

斷裂F1以南地層呈斜坡狀向南東傾伏，且在反演電阻率斷面中部存在一個(gè)連續(xù)、穩(wěn)定的低阻電性層（第4電性層），頂部電阻率小于9 Ω·m，底部電阻率小于5 Ω·m，分析認(rèn)為是區(qū)域標(biāo)志層—嫩江組泥巖的反映。該層傾向E，傾角較緩，厚度自西向東逐漸變大，在研究區(qū)東部，沉積厚度可達(dá)400 m。

標(biāo)志層上部電阻率大于9 Ω·m，小于22 Ω·m 的中阻層（第3 電性層），分析認(rèn)為是明水組和四方臺組的綜合反映，中間夾雜的透鏡狀中阻體，分析認(rèn)為是河道砂體的反映。該地層只在工作區(qū)的南東部出現(xiàn)，厚度東厚西薄，沿測線方向自南東向北西厚度逐漸變小，直至尖滅，與上覆上新統(tǒng)泰康組呈角度不整合接觸；地表電阻率大于22 Ω·m 的高阻層，分析認(rèn)為是上新統(tǒng)泰康組（第2電性層）和第四系（第1電性層）的綜合反映，新生界整體厚度介于150～200 m 之間，其中泰康組巖性以砂礫、砂巖為主，泥巖較薄，第四系主要為松散砂礫和黏土。綜合分析認(rèn)為：研究區(qū)內(nèi)在明水紀(jì)、四方臺紀(jì)時(shí)期，沉積中心向東移動，導(dǎo)致明水組、四方臺組在研究區(qū)南東沉積；后期泰康組又超覆于明水組之上，說明在上新統(tǒng)時(shí)期，沉積中心又一次向西發(fā)生偏移。

標(biāo)志層下部電阻率大于5 Ω·m，小于13 Ω·m的中阻層（第5 電性層），分析認(rèn)為是上白堊統(tǒng)青山口組和姚家組的綜合反映，斷面最底部電阻率大于13 Ω·m 的高阻層（第6 電性層），分析認(rèn)為是基底的反映，巖性主要以花崗巖為主，電阻率最高達(dá)200 Ω·m 以上。

3.3.2 平面解釋

在研究區(qū)內(nèi)，基底整體上呈現(xiàn)出“北西高，南東低”的特征（圖7）。在研究區(qū)北西端存在一個(gè)凸起，凸起中心呈NE 走向，L02 線附近凸起中心處的基底埋深海拔大于50 m，自凸起中心向東西兩側(cè)逐漸減小。另外在L02線北西端存在一個(gè)上白堊統(tǒng)的沉積凹陷，最深處基底標(biāo)高小于-600 m，埋深大于800 m；在L01 線北西端，第四系覆蓋較薄，局部基底出露；在工作區(qū)的南東端，即嫩江西岸，基底埋深海拔小于-1 000 m。

圖7 梅里斯地區(qū)基底起伏形態(tài)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the undulating morphology of the basement in Meilisi area

找礦目標(biāo)層上白堊統(tǒng)四方臺組只分布于研究區(qū)的中東部，西部缺失。其與上覆地層上新統(tǒng)泰康組呈角度不整合接觸，厚度小于180 m，且自北西向南東，自南西向北東，厚度逐漸增大（圖8）。

圖8 梅里斯地區(qū)上白堊統(tǒng)四方臺組厚度圖Fig. 8 Thickness contour map of Sifangtai group in Meilisi area

3.3.3 砂體驗(yàn)證情況

由于找礦目的層上白堊統(tǒng)四方臺組砂體以河道砂體為主，巖性主要為砂礫巖、砂巖，故在反演電阻率斷面圖上表現(xiàn)為中高阻的透鏡狀分布，具有等值線底部呈凹形、頂部稍凸或水平、兩端漸薄，反演電阻率值由中心向兩端逐漸降低等特征。后期收集了研究區(qū)內(nèi)施工的鉆探剖面（圖9），經(jīng)過與反演電阻率斷面進(jìn)行對比可知，推斷解釋的四方臺組砂體與鉆孔揭露埋深、厚度情況基本一致。

圖9 梅里斯地區(qū)ZK31-ZKL24-ZKL22-ZKL21-ZKL25 鉆孔連孔剖面圖Fig. 9 Connection profile of Borehole ZK31-ZKL24-ZKL22-ZKL21-ZKL25 in Meilisi area

4 結(jié) 論

通過松遼盆地西部斜坡區(qū)梅里斯地區(qū)CSAMT 資料采集、處理與反演，結(jié)合鉆孔資料綜合解釋，獲得以下認(rèn)識：

1）梅里斯地區(qū)基底存在一個(gè)NE 走向的凸起，其中目標(biāo)層上白堊統(tǒng)四方臺組主要分布在該凸起的南東方向，沉積厚度自南東向北西逐漸變薄，直至尖滅，厚度介于0～180 m 之間。另外在L02 線西端存在一局部小凹陷，沉積了幾百米厚的上白堊統(tǒng)。

2）梅里斯地區(qū)斷裂主要發(fā)育有斷裂F1和斷裂F2，其中F1走向NE，傾向NW，F(xiàn)2走向NE，傾向SE。

3）梅里斯地區(qū)上白堊統(tǒng)四方臺組砂體只分布于研究區(qū)的中東部，斷面上呈不連續(xù)分布，其厚度小于180 m，且自北西向南東厚度逐漸增大。