音频大地电磁法在铀矿勘查中的应用

王泽霞，艾虎，李茂，乔勇

（1.核工业航测遥感中心，石家庄050002；2.中核集团公司铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），石家庄050002）

音频大地电磁法在铀矿勘查中的应用

王泽霞1，2，艾虎1，2，李茂1，2，乔勇1，2

（1.核工业航测遥感中心，石家庄050002；2.中核集团公司铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），石家庄050002）

音频大地电磁法具有探测深度大、横向分辨率高、设备轻便等特点，被广泛应用于煤田、水文、工程及环境地质勘查中。近年来在地浸砂岩型、火山岩型和花岗岩型铀矿探测中，为解决沉积盆地盖层中砂岩层（砂体）的空间分布、厚度和埋深，大致查明火山岩、花岗（斑）岩的分布范围及空间展布，推断盆地基底的起伏形态、埋深，推断断裂构造的展布、规模及特征等铀成矿地质环境方面发挥了重要作用，为铀矿地质勘查工程布置提供了科学依据。

音频大地电磁法；天然场源；铀矿探测

音频大地电磁法简称AMT法，是大地电磁法的一个分支。它是利用音频大地电磁场作为场源来测定地下岩石的电性参数，并通过研究地电断面的变化来达到了解地质构造、找矿、找水等地质目的的一种地球物理勘探方法［1］。AMT法通过测量水平和相互垂直的电磁场分量数据，求出阻抗振幅或视电阻率和阻抗相位，进而反演解释振幅和相位曲线得到地电断面信息，研究地电断面电阻率差异进行推断解释；并根据电阻率量值的大小以及在地下的展布形式来识别地下地质体性质和空间分布。

1 音频大地电磁法简介

音频大地电磁法是一种频率测深的方法，AMT法利用不同频率的电磁波来反映不同深度的地下介质视电阻率分布规律［2］。通过观测由远程天电引起的天然平面电磁波信号以确定地下的电阻率值的方法，其测量的频率范围为10～104Hz。与大地电磁法相比，由于频率较高，对浅部的分辨率较高，更适于资源勘探。

AMT法的特点：1）使用的仪器轻便，适用于地形、植被发育的山区使用；2）观测频带宽，从0.1 Hz至100 kHz。探测深度从最小的几米至最大的2 000 m［3］，尤其适合各种不同深度的工程勘察和金属矿勘探［4］；3）AMT可采用张量或标量测量，对二维构造反映比较逼真，采用TM、TE两种模式观测，故能较真实地反映地质体分布情况［5］；4）工作效率高。

1.1 方法原理

假设来自高空的电磁波是垂直向地球入射的谐变的均匀平面波，地球是电性均匀介质。根据电磁感应定律［1］，通过同时对地面电场和磁场波动的测量来获取地表的电阻抗，通过观测记录电磁场信号，然后经傅立叶变换将时间域的电磁信号变成频谱信号，得到Ex、Ey、Hx、Hy值，以此计算卡尼亚电阻率（张量）［6］：

式中：ρxy—x方向卡尼亚电阻率；ρyx—y方向卡尼亚电阻率；f—频率；Zxy—x方向波阻抗；Zyx—y方向波阻抗；Ex—x方向电场分量；Ey—y方向电场分量；Hy—y方向磁场分量；Hx—x方向磁场分量。

根据卡尼亚电阻率公式，其电阻率随频率变化而变化，而电磁波的穿透深度也与频率有关。定义电磁波在地下介质传播中，振幅衰减到地面振幅的1/e的深度为趋肤深度

δ［1］:

式中：δ—趋肤深度；ρ—卡尼亚电阻率；f—频率。

由上式可知，趋肤深度随电阻率和频率的变化而改变。地层电阻率高则勘探深度比较深，反之勘探深度则浅；高频信息反映浅部地层特征，低频信息反映深部地层特征。由此可确定大地的地电特征和地下构造［7］。

1.2 野外工作方法

在铀资源勘查中，野外数据采集主要使用EH-4连续电导率剖面仪，采用天然场源、单点张量方式测量两个相互正交的电场和磁场分量（图1）。工作频率主要选取低频段（10 Hz～1 kHz），高频段（750 Hz～100 kHz），且低频段和高频段叠加均不低于8次。仪器以时间序列采集记录Ex、Ey、Hx、Hy四道电磁脉冲，通过傅氏变换，将时间域数据转换为频率域数据，利用四个场分量的互功率谱计算出张量阻抗。经过内部转换最后显示出视电阻率、相位和相干度曲线，并由此计算出电阻率-深度曲线。

图1 EH-4连续电导率剖面仪野外数据采集装置示意图Fig.1The sketch of field data collection device for EH-4 continuous conductivity profiler

1.3 数据处理

音频大地电磁法数据处理主要包括野外现场实时处理和室内数据处理。

1.3.1 实时处理

实时处理是在野外数据采集过程中，由控制程序实时自动完成的，其目的是监控原始数据质量，通过观察主机显示屏上时间域电磁场分量的振幅变化，调节、设置合适的增益，根据相干度、相位及视电阻率等参数的曲线和时间域的信噪比确定叠加次数，压制干扰，为获取可靠的原始数据提供保证。

1.3.2 室内数据处理

在原始数据质量评述符合规范的前提下，进行室内数据处理。室内数据处理包括预处理、反演处理两部分。其中数据预处理主要包括数据块编辑、随机噪声处理和静态校正；数据反演处理对通过野外测量获得电场和磁场虚、实分量和相位数据进行一维计算，将频率-电阻率关系转换为深度-电阻率关系；最后将一维计算的结果进行二维分析处理，并提取反演数据，编制初步的反演电阻率断面图。

图2 室内数据处理流程框图Fig.2The flow diagram of indoor data processing

1）预处理

数据预处理一般采用随机携带的Imagem软件进行时间域数据处理，采用Imagem、Emage-2D、Winglink等软件进行频率域的数据处理。

2）反演处理

反演处理就是根据实测视电阻率、相位差恢复大地地电结构，从获得的深度电阻率断面图上去追踪分析一些地质现象。反演处理包括反演方法选择，不同方法的参数选择，主要利用的软件为Imagem、Emage-2D、Winglink等，各种软件需要试验不同的反演参数，最后还要进行反演结果可靠性检查。

（1）反演方法的选择：根据不同的地质任务要求，不同的地区，反演方法的选择也就不同。一般而言，在花岗岩、火山岩地区，断裂构造比较发育，成层性差，Bostick（博斯蒂克）算法效果较好；在沉积岩地区，RRI（快速松弛）、RM（正则化）和OCCAM（奥克姆）等算法效果较好；有些地区则需要不同的反演方法结合进行。

（2）反演方法参数选择

博斯蒂克（Bostick）算法：其参数主要为圆滑系数的选择。

快速松弛（RRI）反演方法：其反演参数主要包括空间模型、第1层厚度、起始Z值、网格间距等参数的选择。

正则化（RM）反演方法：其反演参数主要包括正则化因子的选择。

（3）反演结果可靠性检查：为判别多重资料处理过程的真实可靠性，应检查处理过程正确与否，并将处理结果与已知资料（与已知的典型剖面、实测剖面和钻孔资料）进行比较，以验证反演结果的可靠性。

1.4 资料解释

音频大地电磁测量资料解释包括断面解释标志建立、地电断面解释及综合分析三部分。要在广泛搜集、掌握工作区已有地质、物探和钻孔资料的基础上进行，资料解释与数据处理同时进行，确定合理的反演参数，再根据已知标志对反演电阻率断面图进行解释。通过对数据的处理和资料解释得到反演电阻率断面图和地质推断解释图，结合区域地质资料对工作区进行地电断面的解释和综合分析。

2 方法应用

2.1 音频大地电磁法在砂岩型铀矿勘查中的应用

以内蒙古二连盆地脑木根地区为例，数据处理过程中对每条测线都做了Bostick、RRI、RM2D 3种方法的反演计算，资料解释时以RM2D反演处理结果为主，同时结合原始数据及其它2种方法的处理结果来综合进行。本次数据处理反演参数选取半空间模型、最大列宽度为100、第1层厚度设置为5.0。反演处理是在反演方法对比选择的基础上，采用引进的较为完善的Emage-2D反演处理软件中正则化二维反演方法对预处理后的数据进行反演计算。

图3是某测线的反演电阻率断面图和地质推断解释图，实测测线北西端附近有古生界基底直接出露地表，其余地段地表为砂土、砾石。断面右测低阻部分反映了以泥岩、粉砂岩等细粒沉积物为主的电性特征，沉积较稳定，断面上表现为成层性较好，分布连续、厚度变化不大。

从测线反演电阻率断面图中可以清楚地看出，整条断面电性差异明显，总体上具有西北段电阻率高，东南段电阻率偏低的特点。断面图中电阻率特征充分反映了不同地层分布特点。推断电阻率高、低值分界处为断裂构造F1的反映［8］。

2.1.1 断裂构造推断解释

在反演电阻率断面中平距4.1 km处，反演电阻率等值线形态发生了明显变化，左侧高阻、右侧低阻中间呈等值线密集梯度带，为存在断裂构造的显著标志。

2.1.2 电性层地质推断解释

由于受上述推断断裂的控制及隆坳构造的综合影响，反演电阻率断面图可以分为电阻率等值线不同的两段特征。第1段反演电阻率以大面积的高阻体为特征，厚层状；第2段横向上反演电阻率总体以中高阻及低阻相间分布为特征。结合电性参数测量结果，推断大面积高阻体为AnK1的反应，而中-低阻电性层为下白垩统（K1b）泥岩、粉砂岩层的反应。

图3 内蒙古二连盆地脑木根一测线的反演电阻率断面图和地质推断解释图Fig.3The inversed resistivity section and deduced geological interpretation of a survey line in Naomugen area of Erlian Basin，Inner Mongalia

2.2 音频大地电磁法在花岗岩型铀矿勘查中的应用

以广东省翁源地区铀矿AMT勘查为例，数据处理中分别采用Winglink、Emage-2D、SCS-2D和Imagem等软件对15号线数据进行反演，结果与已知的15号线的地质剖面图对比分析后，选用Imagem软件、Bostick算法、圆滑系数为0.6。

图4为15号测线的反演电阻率断面图。区内电阻率测量结果显示，中粒斑状黑云母花岗岩（2pbγ52-1）和细粒二云母花岗岩（3mbγ52-3），两者之间的电阻率值较为接近［9］。当岩石遭受热液活动，发生蚀变时，电阻率仅为正常花岗岩的1/3甚至更小（硅化和强硅化除外）。

当岩石经构造破碎后，其电阻率急剧降低，最小仅为几十欧姆米，与正常花岗岩之间形成明显的电性差别，是判断断裂构造存在的主要标志之一。

图415 号线反演电阻率断面图和已知地质剖面对比Fig.4The comparison of inversed resistivity section and known geological section of Line 15

碎裂岩经硅化后形成的硅化碎裂岩，电阻率值有所增加，当硅化程度很高时，其电阻率值也可达上万欧姆米，与周围岩石形成电性差异，在反演电阻率断面图上等值线密集排列并形成醒目的条带状高阻体，这也是判断断裂构造的标志之一。

中基性岩脉电阻率值大于100 000 Ω·m，明显呈现出为高阻体。

据前人资料，从15号线反演电阻率断面图和已知地质剖面图的对比（图4）分析可以看出：

1）距离70～270 m段向下沿倾角约70°出现一电阻率低阻条带，对应已知地质剖面图上F3-5、F3-6、F3-0、F3-1、F3-3和F3-4号硅化断裂。6条硅化断裂紧密排列且出露宽度不大，音频大地电磁测量难以将其一一分辨，反演断面图中出现的低阻条带更像是宏观上6条断裂组成的Fa构造破碎带。

2）距离约420 m处，构造破碎带沿电阻率等值线密集带和低阻舌状体向下延伸，到海拔约620 m处后分叉，一条沿原来趋势继续向下延伸；另一条以小角度沿高阻体之间的低阻条带延伸的Fg硅化断裂，对应已知的F3-10断裂。

反演电阻率断面图上基本反映了Fa号硅化带在深部的延伸趋势。结合工作区内岩石电阻率特征，反演电阻率断面图中电阻率值小于1 000 Ω·m，一般为500～1 000 Ω·m，指示了该地段岩石破碎并受热液活动影响发生蚀变，与实际地质情况相符。但是中粒黑云母花岗岩和细粒二云母花岗岩之间的界线难以确定，主要是两者之间电性差异小造成的。

2.3 音频大地电磁法在火山岩型铀矿勘查中的应用

图5 L02测线反演电阻率及地质推断解释断面图Fig.5The resistivity inversion and geological inference interpretation section of survey Line L02

以内蒙古西干沟地区铀矿AMT勘查为例，数据处理采用常用的Imagem二维反演处理方法，选取圆滑系数为0.3进行二维反演。

图5为L02测线反演深度3 000 m的反演电阻率及地质推断解释断面图。由图5可见，标高约-350 m以上，反演电阻率呈团块状中高阻，等值线密集，结合地质资料整体解释为上侏罗统满克头鄂博组的流纹岩、流纹斑岩；标高-350 m以下，反演电阻率较高，纵向上向深部等值线平稳增加，有序排列，横向上，等值线平缓稳定延伸，向北有变深的趋势，推测解释为火山岩盆地基底，为太古界乌拉山群及前早中侏罗世花岗岩，平距2 500 m以北基底埋深逐渐变大［10］。总体上，以2 500 m为界，南段火山岩直接出露地表，基底上隆，表现为火山隆起特点；北段地表第四系覆盖，基底下坳，表现为坳陷特点。

综合分析认为区内断裂构造主要表现特征为垂向等值线密集带、陡直向下延伸变异带、以及等值线横向错断等，由图5反演电阻率断面图可以进一步看出断裂构造向深部的延伸情况，断裂F4、F5和F6向深部延伸至基底界面，大约2 000 m，倾角陡直，围岩较破碎或充填构造角砾岩等，蚀变强烈。而F3断裂向深部延伸至标高约150 m，北部围岩较为破碎，且破碎程度较高。

3 结论

通过AMT方法在以上三种类型铀矿勘探中的应用，得出以下几点认识：

1）铀矿往往赋存于蚀变带、构造破碎带或砂体中，它们与围岩存在显著的电性差异，具备开展AMT的基础，且能够取得较好的应用效果；2）在数据采集过程中，需注重在电

（，Continued on page 105）（，Continued from page 101）磁干扰比较平静或可抑制、各种人文干扰不严重或可识别的条件下采集数据，以校正数据质量；3）数据处理时，需结合地质资料，多种反演方法对比，反复试验，最终选取适合本地区的反演方法、参数，以期获得最为接近地质事实的反演结果；4）成果解释时，结合地质、其他物探资料，反复推敲，减少物探解释的多解性，为铀矿勘查提供最有力的地质解释；5）由音频大地电磁法在上述砂岩型、花岗岩型、火山岩型铀矿中的应用可以看出，该方法在这三种类型的铀矿勘查中，对大致查明工作区地质界线、断裂构造的位置和基底起伏等铀成矿地质环境问题是十分有效的。

［1］李金铭.地电场与电法勘探［M］.北京：地质出版社，2007:377-405.

［2］刘国兴.电法勘探原理与方法［M］.北京：地质出版社，2005:164-185.

［3］程纪星，谢国发，乔宝强.音频大地电磁测深法与高精度磁法在相山铀矿田西部铀成矿有利远景预测中的应用［J］.世界核地质科学，2013，30（2）:106-109.

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［9］孙栋华.广东省翁源县物探测量报告［R］.石家庄：核工业航测遥感中心，2009.

［10］山科社，乔勇，沈靖帮.内蒙古多伦县西干沟地区物探综合测量报告［R］.石家庄：核工业航测遥感中心，2010.

Application of audio magnetotelluric method in uranium exploration

WANG Zexia1，2，AI Hu1，2，LI Mao1，2，QIAO Yong1，2
（1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry，Shijiazhuang 050002，China；2.Key Laboratory for Geoghysical Exploration Technology Center of Uranium Resources，Shijiazhuang 050002，China）

Audio magnetotelluric method has the characteristics of large detecting depth，high in lateral resolution and portable equipments，therefore has been widely used in coal，hydrology，engineering and environmental geology exploration.In recent years，in the exploration of leachable sandstone type，volcano rock type and granite type uranium deposit exploration，audio magnetotelluric method has played an important role in solving the problem of spatial distribution，thickness and buried depth of the sedimentary basin cover layer sand（sand body），roughly determining the spatial distribution and thickness of volcano rocks and granitic porphyry，inferring basement topography，depth，scale and the feature of inference，fracture structure，which provides a scientific basis for the arrangement of exploration engineering.

Audio magnetotelluric method；natural source；uranium deposits detection

P631.1+2；P619.14

A

1672-0636（2016）02-0096-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．02．006

2015-06-04；

王泽霞（1989—），女，河北石家庄人，助理工程师，主要从事地面物化探工作。E-mail:wzx703@163.com