瑞雷面波测深法在二连盆地乌兰察布坳陷铀资源勘探中的应用研究

陈霜，谭捍东，徐贵来，吴曲波，潘自强，王欢

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；3.核工业208大队，内蒙古包头 014010）

瑞雷面波测深法在二连盆地乌兰察布坳陷铀资源勘探中的应用研究

陈霜1，3，谭捍东1，徐贵来2，吴曲波2，潘自强2，王欢3

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；3.核工业208大队，内蒙古包头 014010）

针对二连盆地乌兰察布坳陷铀资源产出的埋藏较浅、含矿目的层与围岩波阻抗差异小的特点，探索了瑞雷面波测深法进行层位划分的可能性。研究表明，瑞雷面波测深法可以获得目的层的层位信息，可以弥补反射波地震测深应用的不足，对浅层沉积层定位具有积极的指导意义，能够指导区域地质找矿工作。

瑞雷面波；浅部地层；铀资源；乌兰察布坳陷

近年来内蒙古二连盆地乌兰察布坳陷赛汉组、二连组相继发现了泥岩型和古河谷砂岩型铀矿化，矿体具有规模大和埋藏浅、与围岩波阻抗差异小等特点，是我国重要的砂岩型铀矿基地。许多学者对二连盆地乌兰察布坳陷铀矿化特征、成因和沉积相特征进行了较为系统的研究［1-8］，为该区铀矿进一步勘查部署提供了有益参考。研究发现：乌兰察布坳陷同时并存泥岩型和古河谷砂岩型铀矿化，二者沉积相和铀矿化机理截然不同，特别是对浅部地层（含矿目的层埋藏较浅）的分析解译，一直是反射波地震测深应用的难点。为了满足当前铀资源测深的需要，必须开展新方法新技术的探索，而瑞雷面波测深法的应用研究，正是可能解决目的层探测难题的有效途径之一。

1 地质背景

二连盆地处于中亚—蒙古地槽褶皱区东部南缘的天山—内蒙—兴安华力西褶皱带内［4］。包括川井坳陷、乌兰察布坳陷、马尼特坳陷、腾格尔坳陷、乌尼特坳陷和苏尼特中央隆起等6个二级构造单元（图1）［9］。研究区测线（图2）分布于二连盆地中部乌兰察布坳陷，第四系、新近系厚度较薄，白垩系埋藏较浅，主要为冲洪积砂、砂砾石层［11］，其内部地层之间波阻抗差异较小，不足以产生明显的地震反射。

乌兰察布坳陷中新生界包括白垩系、古近系、新近系和第四系等（图3）［12］。白垩系包括下白垩统巴彦花群（K1b）和上白垩统二连组（K2e），二连组为一套坳陷盆地沉积的杂色、灰色含膏盐的砂泥质建造；古近系和新近系为一套曲流河—湖泊沉积的杂色泥岩夹砂岩建造；第四系主要为冲洪积砂砾、湖积黏土和风成砂，坳陷东部发育玄武岩。其中白垩系赛汉组、二连组是主要的富铀地层。赛汉组下段沉积体系主要由近源区的扇三角洲沉积体系、辫状河三角洲沉积体系和湖泊沉积体系构成［10，13］，赛汉组上段为一套冲积扇—河流沉积—洪泛平原沉积体系；二连组为一套辫状河三角洲—湖泊沉积体系。

2 瑞雷面波测深原理

在人工源地震测深中，除非刻意降低原始地震记录中面波强度，面波信号不仅存在，而且能量较强，另外面波还具有频散特性［14］。能量强为面波测深提供了基本条件，频散特性为面波测深提供了必要条件，这为面波测深提供了重要基础。

2.1 瞬态瑞雷面波频率-波数（f-K）域理论

瑞雷面波在时间和空间上都可以通过二维傅立叶变换转换二维的频率-波数（f-K）能量谱（图4）。将空间-时间域上的瑞雷面波数据进行二维傅立叶数值变换分析，转换为频率-波数域上的幅值信息［2］，再根据瑞雷面波在频率-波数域上振幅能量最大特点，提取瑞雷面波频散曲线，进而做下一步解释。

瑞雷面波空间-时间域数据可以看作是时间t和空间距离x的二维函数f（x，t），给定道数N，有每道采样点数M，则采集的离散化数字记录函数可表示为：

式中，w＝e-2π；f＝0，…，M- 1；k=0，…，N- 1；f是频率；k是波数。

由二维实信号波频谱函数F（f，k）具有对称性，得到（N/2，M/2）是其对称点，F（f，k）与F（N-k，M-f）为共轭复数，它们对应着同一波频谱。因此只要在四分之一区域（0～N/2，0～M/2）分析就可得到全波频域内的信息。因为瑞雷面波的能量在地震波能量中占60%以上，根据波频谱F（f，k）振幅能量谱图，找出能量最大线上的点，再根据半波长理论就可以得到瑞雷面波的频散曲线。

2.2 频散曲线绘制

取f-K能量谱中能量最大线上一点ki（0≤ki＜N/2），其对应的频率为fi（0≤fi＜M/2）。

根据半波长理论得HRi＝λRi，由此可绘出瑞雷面波的vR-H曲线，即频散曲线（图5）。

试验采用的瞬态瑞雷面波测深方法，充分利用了多道瑞雷面波数据记录信息，分析了频散曲线及对应地层的特征，通过与钻孔资料的结合，证实了其有效性。

3 瑞雷面波测深试验

3.1 野外数据采集

为更进一步得到研究区地层信息，更好地进行找矿分析预测，采用瑞雷面波测深法对研究区进行测深试验。根据以往工作经验和兼顾反射波地震测深的要求［15］，本次数据采集仪器及采集参数如下：探测仪器为NZ96数字地震仪，检波器为4 Hz，记录道数为96道，采样间隔为1 ms，道间距10 m，偏移距20 m，炸药激发地震波。本次试验是课题组于2012年在二连盆地乌兰察布坳陷进行的［16］。

3.2 数据处理与解释

通过对原始地震记录的导入、二维傅立叶变换、基介面波的提取、反演等工作，得到瑞雷面波频散曲线，根据瑞雷面波的变化规律与地球内部结构密切相关［17］，通过计算机成图获取1、2号浅层瑞雷面波探测剖面（图6、7）。

1号瑞雷面波探测剖面长度自490 m测点至7 200 m测点共6 710 m。如图所示，500 m处的ZKXX3钻孔和6 000 m测点处的ZKXX4钻孔位于同一条测线上，能较好反映地层特性。以ZKXX4为例，钻孔柱状图8～10 m为黄色砂砾岩，10～26 m为浅灰色、绿色泥岩、粉砂岩，在瑞雷面波探测剖面上，大约14 m处有一个明显的分界面；26～50 m为绿色浅灰色泥岩、粉砂岩与细砂岩互层现象；50～58 m为红色、绿色泥岩、粉砂岩及58～70 m为胶结较为致密的黄色、浅灰色含砾砂岩，瑞雷面波探测剖面也有较好的分界面对应；70～110 m为红色泥岩、粉砂岩，局部夹杂色泥岩，整体上与瑞雷波探测剖面分界面对应一致（图6）。图中，上部地层较为平缓，5 400 m测点处显示有一个明显的下切痕迹，由上至下下切深度逐渐增大，可能为局部构造裂隙带，下部地层垂向上变化较大，总体表现为一种凹凸急剧变化的过程。50 m以上至5 400 m测点处向两侧微微翘起，岩性为泥岩、粉砂岩等湖相沉积为主，沉积中心位于5 400 m处测点（图6）。据分析，钻孔柱状图在5～120 m深度处有3个较明显的岩性分界面，结合瑞雷面波探测结果，剖面上也有3个速度分界面。在地下结构中，由于地震波在不同介质中传播的速度不同，我们可以推断每个速度分界面可能也是不同介质的分界面。如图6，我们可以看出钻孔岩性柱状图与瑞雷面波探测剖面对应较好，这就证明了该瑞雷面波测深方法能较好的反映地下层位信息。通过钻孔ZKXX3对该方法的验证，如图所示，ZKXX3钻孔柱状图与瑞雷面波探测剖面也能较好拟合，因此证明了浅层瑞雷面波测深法的有效性。

为进行进一步认证，列举2号瑞雷面波探测剖面，如图7所示，钻孔柱状图与瑞雷面波探测剖面同样拟合较好。

由二连盆地乌兰察布坳陷瑞雷面波探测剖面可见，瑞雷面波浅层分辨率高，能对倾角不同地层、岩层和构造不同的地层进行很好的解译，体现该方法的优越性。

研究认为:瑞雷面波测深法在二连盆地乌兰察布坳陷地区探测剖面与钻孔资料对比结果显示，两者拟合较好。瑞雷面波探测，能够模拟出区域性地层沉积特征，同时对浅部地层构造裂隙，断层以及岩层的厚度能够进行准确解译，为今后的找矿探矿工作提供了更好的依据。同时，进行瑞雷面波探测能够有效地避免钻探工作所带来的成本大，控制面积小的特点［18］。

4 结论与建议

通过使用瑞雷面波测深法对研究区进行试验，经过数据采集、软件开发、后期资料处理，再结合钻孔资料，分析总结得到如下结论：

（1）浅部地层属于地震反射波勘探“盲区”，瑞雷面波测深法能较好地应用于浅部地层分析解译，是目前地震勘探的一大突破；

（2）瑞雷面波探测浅层分辨率高，能够准确定位浅部地层沉积特征，对地层沉积构造能够进行准确解译；

（3）经试验，二连盆地乌兰察布坳陷地区瑞雷面波探测剖面与钻孔柱状图拟合较好；说明瑞雷面波测深法对浅部地层探测具有良好的适用性。该方法测深成本低、应用广泛，对扩大找矿效益具有一定的积极意义。

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Applied research of Rayleigh wave sounding method in uranium resources exploration in Wulanchabu depression of Erlian Basin

CHEN Shuang1，3，TAN Han-dong1，XU Gui-lai2，WU Qu-bo2，PAN Zi-qiang2，WANG Huan3

（1.China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China；2.CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China；3.Geological Party No.208，CNNC，Baotou，Inner Mongolia 014010，China）

According to the characteristics of shallow bury depth of uranium resources，and small difference of wave impedence between surrounding rock and ore-bearing target layer in Wulanchabu depression of Erlian Basin，this paper discusses the possibility of the Rayleigh wave sounding method for shallow strata detecting.Study shows that Rayleigh wave sounding method can get the horizon information of target layer，which can make up the shortage of the reflection wave seismic sounding application，and also has positive guiding significance for shallow strata sedimentary positioning and regional geological prospecting work.

Rayleigh wave；shallow strata；uranium resources；Wulanchabu depression

P631.3；P619.14；P315.3＋1

A

1672-0636（2013）04-0231-06

10.3969/J.ISSN.1672-0636.2013.04.008

2013-07- 09；

2013-09-13

陈霜（1985—），女，湖南益阳人，助理工程师，从事地球探测与信息技术研究。E-mail:278312057@qq.com