庐枞盆地科学钻探地球物理测井及深部铀异常的发现

高文利， 孔广胜， 潘和平， 林振洲， 邱礼泉，冯杰 ， 方思南， 邓呈祥， 李洋， 刘东明

1 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中国地质大学（武汉）， 武汉 430074



庐枞盆地科学钻探地球物理测井及深部铀异常的发现

高文利1， 孔广胜1， 潘和平2， 林振洲1， 邱礼泉1，冯杰1， 方思南2， 邓呈祥2， 李洋1， 刘东明1

1 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中国地质大学（武汉）， 武汉 430074

庐枞盆地砖桥科学钻探ZK01孔为深部探测技术与实验研究专项在庐枞盆地施工的钻探验证孔，全井段实施了连续取心和地球物理测井工作.测井工作分三次完成，测井总深度1994.02 m.测井项目包括视电阻率、极化率、磁化率、纵波速度、超声成像、自然伽马、密度、井斜、井径、井温、泥浆电阻率、井中三分量磁测等10多种方法，获得了钻孔剖面原位物性参数、钻孔几何形态及井壁超声图像.通过对地球物理测井和钻孔岩心编录等资料的研究，完成了岩性的人工识别与支持向量机判别，建立了钻孔测井解释岩性剖面；通过对矿化地层的测井响应分析，将电阻率和磁化率作为粗安岩矿化的识别标识；根据超声成像测井资料推断本地区深部地层最大水平主应力方向为南北走向.在ZK01孔1500～1900 m发现放射性异常，对铀当量大于万分之一的21处异常进行了定量解释，铀矿化段累积厚度93.02 m，为庐枞地区深部找铀矿提供了重大线索.

庐枞矿集区； 火成岩； ZK01孔； 地球物理测井； 铀矿化

1 引言

地球物理测井（简称测井）作为重要组成部分和关键技术之一，与钻探取心、岩心测试和地面地球物理技术一起构成了科学钻探的完整体系（牛一雄等，2004）.近年来，我国相继开展了江苏东海中国大陆科学钻探（Pan et al.，2002），青海湖、柴达木盆地环境科学钻探（李斌凯等，2007），松辽盆地白垩纪科学钻探（高有峰等，2011），汶川地震断裂带科学钻探（唐力君等，2013；李海兵等，2013）等工程，其中地球物理测井为地学研究提供了大量的原位测量数据和解释成果，从而为推断地球内部的物质组成、动态演化及驱动力，了解地球内部结构、构造和动力机理，了解与地质环境、灾害有关的信息提供了重要依据.

随着找矿空间向深部拓展，把重要成矿带和矿集区深部结构探测和成矿学研究密切结合，探索大型矿集区和巨型矿床形成的深部控制因素，开辟了成矿学研究和深部找矿的新思路（吕庆田等，2011）.通过科学钻探能探测地壳精细结构，探测深部物性结构，探测深部物质成分并实验模拟，实现矿集区的“透明化”（董树文等，2014）.庐枞盆地构造特征复杂、岩浆-成矿作用活跃，区内广泛发育与火山-潜火山岩及侵入岩有关的铁、铜、铅锌、明矾石矿床，是长江中下游成矿带中7个重要的矿集区之一（常印佛等，1991；翟裕等，1992；唐永成等，1998）.在该地区选择重要地球物理异常或深部成矿有利区，以具有代表性矿床的成矿环境为主要探测和研究对象，部署2000 m岩心钻探孔，并开展地球物理测井工作，达到获得矿集区深部地层、物性信息，验证地球物理异常（吕庆田等，2011）的目的.

庐枞矿集区砖桥科学钻探ZK01孔地球物理测井为“深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe）”中的研究内容，依托于项目3（SinoProbe-03）“深部矿产资源立体探测及试验研究”的“重要异常的钻探验证与金属垂向分布规律研究”课题.地球物理测井可以划分和校验地质剖面、查明目的层，研究与金属矿有成因关系的围岩蚀变以及发现金属矿，同时又是一种原位测定各种岩矿石物理性质的可靠手段.本文通过庐枞矿集区砖桥科学钻探ZK01孔的地球物理测井与井中物探研究工作，建立钻孔附近的岩石物性剖面，研究庐枞矿集区深部物性分布状况，为研究深部成矿理论提供岩矿石的地球物理信息，以助于提高对我国东部成矿背景、成矿动力学过程的认识.同时在钻孔深部发现了强放射性异常，对庐枞深部找放射性矿具有理论和实际意义.

2 ZK01孔及测井概况

庐枞盆地位于扬子板块北缘，郯庐断裂带东侧，是长江中下游断陷带内一东北向的不对称耳状盆地.盆地中的岩石地质单元大体可划分为两部分：一是前寒武纪的变质结晶基底，二是以寒武系以来的沉积盖层（常印佛等，1991；任启江等，1991；胡文瑄等，1991）.ZK01孔位于庐枞盆地中部，孔深2012.35 m.钻孔2～1469.81 m主要为砖桥组火山岩，主要岩石为粗安岩、高岭石化粗安岩、黄铁矿化粗安岩、硬石膏化粗安岩和辉石粗安岩；1488.84～1603.35 m为火山岩地层与下伏岩体的接触带；1603.35～2012.35 m为岩体，自上而下依次为（石英）正长岩、石英二长岩、黑云母石英二长岩，相互之间为渐变过渡关系（张舒等，2014）.

ZK01孔的测井数据采集工作由中国地质科学院物化探所负责，严格按照相关规范分三次进行，累计完成测井工作量1994.02 m.测井数据采集设备为英国RG公司的Micrologger II便携式测井系统、北京中地英捷物探仪器研究所的PSJ-2数字测井系统、中国地质科学院物化探所和重庆地质仪器厂研制的JGCX-1高精度井中三分量磁力仪.

测井及井中物探测量项目包括视电阻率、极化率、磁化率、纵波速度、超声成像、自然伽马、密度、井斜、井径、井温、泥浆电阻率、井中三分量磁测等10多种方法.测井数据质量满足设计和规范要求.测井资料处理采用Advanced Logic Technology公司的WellCAD4.4测井解释软件，主要包括数据预处理、图像生成和解释.

3 测井响应特征分析

3.1 岩性测井响应特征

测井作为一种可在接近原始条件下获得岩层原位物理特性的物探方法，不会像实验室岩心测试，受到岩心从井下到地面的采集、搬运过程中所发生的物理、化学性质变化影响.因此，利用测井方法来获得岩石物性、识别岩性非常必要.ZK01孔钻遇岩性主要为火成岩，钻遇率较高有代表性的岩性有粗安岩、凝灰岩、粉砂岩、安山玢岩、角砾岩、正长岩和二长岩.通过常规测井曲线与钻孔岩心编录资料的对比分析，选择视电阻率、极化率、磁化率、纵波速度、自然伽马、密度测井数据进行岩性测井响应和岩性识别研究.通过直方图统计，得到各岩性测井响应值.统计结果见表1.

各岩性测井响应的常见值能够很好地代表某岩性的特征，最大值和最小值则可以指示岩性测井响应的可能分布范围.从岩性测井响应值统计表中可以认识到：

（1）正长岩、二长岩因其正长石含量较高，其自然伽马的值也比其他几种岩性的大，常见值超过300 API.

（2）视电阻率区分岩性效果较好，并按照二长岩、正长岩、次生石英岩、黄铁矿化粗安岩、安山玢岩、粗安岩、凝灰岩的顺序依次降低.

（3）纵波速度、极化率、磁化率、密度对各岩性的测井响应区分度不高，难以从单一测井曲线上有效辨别岩性.

不同火成岩石的测井特征相互重叠，为在交会图上能直观地区分各种岩石的分界和所分布的区域，需要综合应用各种测井曲线信息.以1490 m为分界线将砖桥组和岩体分别进行分析研究，砖桥组选取粗安岩、高岭石化粗安岩、黄铁矿化粗安岩、硬石膏化粗安岩和辉石粗安岩绘制测井属性交会图（图1），岩体则选取了正长岩、石英正长岩、石英二长斑岩和黑云母石英二长岩（图2）.本文在岩石物性分析中应用的交会图有：自然伽马-视电阻率交会图、极化率-视电阻率交会图、密度-纵波速度交会图和极化率-磁化率交会图.

从图1可以看出，自然伽马能有效的将高岭石化粗安岩与其他岩石区分开；极化率和视电阻率配合能将大部分硬石膏化粗安岩与其他岩性区分出来；密度和纵波速度配合，能识别部分黄铁矿化粗安岩；极化率和磁化率配合能识别部分辉石粗安岩.

从图2可以看出，自然伽马能将正长岩与其他岩石区分开；视电阻率能将石英二长斑岩与其他岩性区分开；纵波速度和密度配合，能将石英正长岩、石英二长斑岩和黑云母石英二长岩这三种岩石区分开；磁化率能将正长岩和石英正长岩与石英二长斑岩和黑云母石英二长岩区分开.

表1 ZK01孔主要岩性测井响应值统计表

图1 ZK01孔砖桥组地层各测井参数交会图

图2 岩体各测井参数交会图

图3 支持向量机的判别结果

图4 ZK01孔的测井识别岩性剖面

图5 ZK01孔700～1000 m测井曲线图

图6 ZK01孔超声波成像测井

图7 ZK01孔裂缝参数随深度的变化规律

图8 ZK01孔1500～1900 m测井识别岩性图

图9 1603.96～1643.95 m铀当量解释曲线

3.2 岩性识别

人工识别岩性准确性高，但耗时相对较长，将支持向量机方法运用于岩性识别，可提高工作效率.支持向量机是建立在统计学习理论VC维理论和结构风险最小化原理基础上的机器学习方法，在解决小样本、非线性和高维模式识别问题中表现出许多特有的优势，并在很大程度上克服了“维数灾难”和“过学习”等问题（丁世飞等，2011）.

本文优选了220个具有代表性的岩心作为训练样本，其中粗安岩40个，黄铁矿化粗安岩40个，高岭石化粗安岩35个，正长岩35个，安山玢岩30个，凝灰岩40个，提取它们的声波时差、自然伽马、视电阻率、密度测井数据建立了4维6类的样本空间.为了消除各特征量纲不同所带来的影响，对学习样本的测井参数进行归一化处理，将每一组测井值归一到[-1,1]（邓呈祥等，2015）.

本次岩性识别中，支持向量机的优化核函数参数γ为151.9852，惩罚因子C为9.1105.如图3所示，为250～440 m井段人工识别综合分层和支持向量机判别分层的结果对比，总体上判别结果接近（邓呈祥等，2015）.

庐枞矿集区砖桥科学钻探ZK01孔岩性复杂，通过交会图等技术对测井响应特征分析，提取了不同岩性不同测井参数的特征.在此基础上对全孔进行了测井岩性识别，建立了钻孔钻遇主要岩性的测井解释岩性剖面，如图4所示.测井推断本孔的地层分布124层，包含40种岩性.其中，粗安岩有15层，共计526.6 m，主要分布在1000 m以上的部位；黄铁矿化粗安岩有10层，共计319.2 m，分布在ZK01孔610～1440 m的部位；高岭石化粗安岩有16层，共计301.4 m，主要分布在1200 m以上的部位；凝灰岩有6层，共计101.6 m，主要分布在ZK01孔的中间部位；安山玢岩有4层，共计28.5 m，主要分布在1600 m以下的部位；正长岩有5层，共计248.5 m，主要分布在1480 m以下的部位；二长岩全分布在1790 m以下.

从测井识别岩性的情况来看，ZK01孔附近在1480 m以上主要为喷出岩，1480 m以下为深层侵入岩，这显示了该地区同时经历了火山喷发活动与深部岩浆活动（周涛发等，2010；贾丽琼等，2014）；岩石与矿化在喷出岩的矿化区域中立体分布，则说明该地区在火山喷发结束之后，深部岩浆活动也逐渐停止，伴随的热液成矿作用（熊欣等，2014a）导致了粗安岩的硬石膏化、黄铁矿化和高岭石化（张荣华等，2010）.

3.3 矿化异常的识别

ZK01孔井深20～1480 m处的黄铁矿化现象比较常见，均发生在粗安岩当中.粗安岩的黄铁矿化和高岭石化、硬石膏化均有明显的测井响应，如图5所示.硬石膏化粗安岩和高岭石化粗安岩的磁化率小于1000×10-4SI，远小于粗安岩和黄铁矿化粗安岩.硬石膏化粗安岩的电阻率主要分布在100～700 Ωm之间，高岭石化粗安岩的电阻率主要分布在60～200 Ωm之间，硬石膏化粗安岩的电阻率减小，而高岭石化电阻率变化不大；根据黄铁矿化磁化率特征，790～840 m处的黄铁矿化粗安岩较900～960 m处的黄铁矿化粗安岩的矿化程度高.

黄铁矿化粗安岩集中在井深610～1440 m的部位，测井曲线中声波时差减小、密度增大、视电阻率增大；高岭石化粗安岩分布在1200 m以上部位，测井曲线中声波时差增大、密度减小、视电阻率减小、磁化率减小.

3.4 超声成像的测井评价

超声成像测井中超声波脉冲的井壁反射信号振幅反映井壁的声阻抗分布：地层与井液声阻抗差小，反射波信号振幅小，在成像测井振幅图像上颜色较深（邹长春等，2014）.如图6所示，当井穿过裂缝时，裂缝表现为一条深色的正弦曲线：如图6a是250 m处的多个平行低角度缝；图6b是ZK01孔中常见的垂直缝（倾角大于75°）.

ZK01孔裂缝较为发育，共拾取了裂缝3200余条，平均值为1.6条/m，其中300～400 m和800～900 m深度范围内裂缝尤为发育（图7a），而在1100 m以下相对不发育.

全井段裂缝倾角大小整体上呈现出随深度增加而增大的趋势，且主要分布在50°～80°之间（图7b）；裂缝倾向分布不集中，在0°～360°之间均有一定量的分布（图7c），裂缝倾向18～550 m主要分布于0°～140°、240°～360°，550～1000 m主要分布在150°～300°，1000～1400 m分布较为均匀，1400～1964 m主要分布于0°～150°与270°左右.综上，裂缝倾角以高角度为主，倾向分布不集中，随深度变化明显.

钻孔中，泥浆压力与地应力的不同会导致井壁上的应力释放（如井壁崩落），从而产生双对称分布的井壁崩落或扩孔.通过井壁崩落方向可以判断地应力方向，根据井眼崩落形成的椭圆井眼特征，椭圆的长轴方向为井眼崩落方向，短轴方向为最大水平主应力（Nie et al, 2013），如图6c所示，1038～1042 m的井段上，崩落方向大致为90°和270°，从图6c的崩落方向可以推断出，最大主应力方向大致沿南北走向.

4 放射性异常的发现与解释

放射性测井是确定井中铀矿含量、厚度及深度的主要手段.通过测井资料获得地层中铀含量分布并找出非矿夹层，为铀储量计算提供基础数据并指导铀矿开采（骆淼等，2008）.

ZK01孔在1500～1900 m井段发现高自然伽马异常，且异常层厚度较大.在该铀矿化段上下围岩的自然伽马大多处于180API左右水平，而在1500～1900 m多见高达2000API左右的尖峰状自然伽马异常.1500～1900 m井段自然伽马测井曲线及其测井岩性识别见图8.

数据采集采用的自然伽马仪器标定铀含量灵敏度为877.88API相当于万分之一铀含量（0.01%eus）-1，针对放射性异常，对铀当量进行了计算.本文仅对铀当量大于万分之一的异常进行了解释，通过对ZK01孔壁铀当量曲线统计，共发现21处异常，见表2.其中，铀当量最高井段在1897.39～1897.93 m，厚度0.54 m，铀当量0.039%；单层最厚异常井段在1603.96～1643.95 m，厚度39.99 m，铀当量0.011%，见图9.解释异常累计厚度93.02 m.

为研究放射性异常的原因，选取异常井段14件样品进行质谱和光谱分析，得到岩石样品53种元素含量，表3为选择的相关主要元素含量统计表.在放射性异常地段采集的岩石样品化学分析结果显示，与正长岩类岩石平均化学组成相比，大多数元素并没有明显的异常显示，但是与放射性有关的几个元素U、Th和K2O却出现较明显且连续的异常，U、Th两元素异常吻合较好，多数样品中两元素含量的富集程度及其变化趋势一致.此外出现异常的还有Cu元素.

正长岩和二长岩的自然伽马平均值明显高于其他岩性，分别为731 API、405 API，按给定强度法计算相当于铀当量0.83×10-2%和0.46×10-2%.说明该孔中正长岩和二长岩的铀当量是地壳中相应岩石克拉克值得10倍以上.正长岩和二长岩中存在铀元素富集区的可能性较大.

钻孔内铀钍矿化属于高温阶段矿化，钻孔中铀钍矿物主要为铀钍石和钛油矿及少量的晶质油矿（熊欣等，2013；2014b）.正长岩和二长岩富含铀钍资源，有可能成为区内铀矿床的母岩.除应加强在其内外接触带中铀资源勘查外，尤其要注意在正长岩和二长岩成岩后的热液温水活动区的勘查，热液温水活动有可能将母岩中的铀和其他元素溶解和淋滤出来，进而汇集到裂隙中沉淀成矿.

表2 地层铀当量计算结果

表3 ZK01孔岩心样本中主要元素含量统计表

庐枞地区目前已发现品级较富的铀矿，均位于正长岩体外接触带（曹达旺和向铭，2012）.ZK01孔深部放射性异常的发现，推动了庐枞地区与盆地内部碱性正长岩有关的Fe-Cu-U矿化研究.这类与正长岩有关的矿化具有其自身鲜明的特征，是长江中下游成矿带中一个新的矿化类型（张舒等，2014）.

5 结论

（1） ZK01孔的主要岩性为粗安岩、凝灰岩、安山玢岩、正长岩和二长岩，从上到下依次为喷出岩和侵入岩，该地区的火山喷发活动与深部岩浆活动大致同时进行，伴随着正长岩中的钍铀矿化和粗安岩中的黄铁矿化、高岭石化和硬石膏化.通过分析喷出岩和侵入岩地层的测井响应特征，完成主要岩性的人工识别与支持向量机判别，建立了钻孔岩性剖面；并根据超声成像测井资料推断南北走向为该地区的最大水平主应力方向.

（2） 黄铁矿化粗安岩集中在井深610～1440 m的部位，测井曲线中声波时差减小、密度增大、视电阻率增大；高岭石化粗安岩分布在1200 m以上部位，测井曲线中声波时差增大、密度减小、视电阻率减小、磁化率减小.

（3） 正长岩中的铀钍矿化产生的放射性异常在1500～1900 m分布，其自然伽马值最高达到2000 API，铀矿化累积厚度93.02 m.本类铀钍矿化品位低，但可能会有一定规模，甚至可能有很大的储量，作为未来的利用对象仍值得注意.

致谢 本文研究工作得到中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所吴治平教授、张勤研究员的帮助，评审专家提出了宝贵的修改建议，在此深表谢意！

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（本文编辑 张正峰）

Geophysical logging in scientific drilling borehole and find of deep Uranium anomaly in Luzong basin

GAO Wen-Li1, KONG Guang-Sheng1, PAN He-Ping2, LIN Zhen-Zhou1, QIU Li-Quan1, FENG Jie1, FANG Si-Nan2, DENG Cheng-Xiang2, LI Yang1, LIU Dong-Ming1

1InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,CAGS,HebeiLangfang065000,China2DepartmentofGeophysics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China

The geophysical logging of scientific drilling borehole ZK01 in Luzong district is a part of the project “Detection Technology and Experiment for Deeper Formations （SinoProbe）”, which relies on the subject “Drilling verification of important anomalies and study of metal vertical distribution rule” of the project SinoProbe-03 “Study of three-dimensional detection and experiment for deeper mineral resources”. The purposes of geophysical logging include delimiting and verifying geological section, identifying target stratum and studying the wall rock alteration related to the formation of mineral deposit as well as finding mineral deposit, and providing physical properties for in-situ determination of rock and ore.Micrologger II portable logging system of Robertson Geologging, UK is the main data acquisition equipment for the geophysical logging. The logging work of borehole ZK01 was carried out in three times from September 28, 2011 to April 1, 2012 with a total logging depth of 1994.02 m. Over ten methods were used in the logging project,including apparent resistivity, polarizability, magnetic susceptibility, acoustic compressed velocity, ultrasonic imaging, gamma-ray, density, borehole deviation, caliper, fluid temperature, mud resistivity, and borehole three-component magnetic, etc, and the in-situ physical properties of borehole section together with borehole geometry and ultrasonic images of borehole wall were obtained.Through the study of geophysical logging and borehole logging data, artificial lithology identification and support vector machine discrimination are achieved to help establish the lithological section of the logging borehole; through logging response analysis of the mineralized stratums, and treating resistivity and magnetic susceptibility as the identification of mineralized trachyandensite, pyritized trachyandensite is found to concentrate from 610 m to 1440 m and kaolinized trachyandensite is found to be distributed above 1200 m. According to the ultrasonic logging data, the maximum horizontal principal stress of deeper formation around ZK01 is in the direction of north-south.Radioactive anomalies are found from 1500 m to 1900 m in borehole ZK01. Quantitative interpretation is carried out towards 21 anomalies whose uranium equivalent is over 1/10000 with a total thickness of 93.02 m. The mineralization grade of uranium and thorium in such area is lower but may form a certain scale or even richer reserve, which, therefore, is still worth attention for future use.

Luzong district; Igneous rock; Borehole ZK01; Geophysical logging; Uranium mineralization

国家深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe）第3项目“深部矿产资源立体探测及试验研究”第03课题和国家高技术研究发展计划课题“金属矿小口径地下物探技术与设备”（2014AA06A608）联合资助.

高文利，男，1962年生，教授级高工，主要从事地下物探方法技术与仪器研究.E-mail: gaowenli@igge.cn

10.6038/cjg20151215.

10.6038/cjg20151215

P631

2015-06-03，2015-12-16收修定稿

高文利， 孔广胜， 潘和平等. 2015. 庐枞盆地科学钻探地球物理测井及深部铀异常的发现.地球物理学报，58（12）:4522-4533,

Gao W L, Kong G S, Pan H P, et al. 2015. Geophysical logging in scientific drilling borehole and find of deep Uranium anomaly in Luzong basin.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4522-4533,doi:10.6038/cjg20151215.