井中瞬变电磁法在探测火山岩中良导电体的应用研究——以铀矿科学深钻CUSD3为例

段书新，汪硕，万汉平，王琦，胡跃彬

（核工业北京地质研究院，北京100029）

井中瞬变电磁法在探测火山岩中良导电体的应用研究
——以铀矿科学深钻CUSD3为例

段书新，汪硕，万汉平，王琦，胡跃彬

（核工业北京地质研究院，北京100029）

介绍了井中瞬变电磁方法原理及资料解释原则。以江西相山CUSD3钻孔为例，通过对井中瞬变电磁实测资料分析，大致推断了钻孔周边铅锌矿化中心的方位，表明该方法在探测火山岩良导电体中具有较好的应用效果。结合岩心编录结果，认为该方法具有较高的探测精度，能够识别钻孔附近岩性界面、构造破碎等铀成矿、控矿要素，可辅助进一步的铀矿勘查工作。

井中瞬变电磁；矿化中心；岩性界面；构造破碎

作为地面瞬变电磁法的延伸，井中瞬变电磁（Bore Hole Transient Electromagnetic Method，简称BHTEM）是伴随着深部矿产资源勘查而逐渐发展起来的井中地球物理新方法［1］。在国外，尤其是加拿大、澳大利亚，井中瞬变电磁得到了较深入的研究，其应用领域以高导电率矿体勘查为主，同时延伸至多种矿产勘查［2-5］。国内开展该方法持续性研究的科研机构较少，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在该领域的研究成果较为突出［6-10］。

与高导电率矿体勘查领域直接探测大规模良导体不同，热液型铀矿勘查领域的地球物理方法主要是通过探测断裂、岩性界面等控矿要素来间接为地质找矿服务的［11-13］。井中瞬变电磁在国内外导电矿体勘查领域取得了较好的应用效果，而在铀矿地质勘查领域应用研究较少。本文将对井中瞬变电磁法在热液型铀矿地质勘查中的应用实例做简单介绍，以便抛砖引玉，从而为铀矿地质勘查提供新的思路和技术方法。

1 方法简介

1.1 基本原理及特点

井中瞬变电磁法以低阻地质目标体为探测对象，围绕该目标在地面布设发射回线，发射瞬变一次场，接收探头置于钻孔中逐点测量地下电性介质产生的感应二次电磁场，其方法原理如图1所示。通过研究井中感应二次场在空间和时间上的变化特征，从而了解钻孔周围电性分布结构，进而发现井旁、井底低阻电性异常体，或推断已见地质体的空间分布与延伸方向。由于接收探头位于钻孔中，井中瞬变电磁法具有常规地面电磁法所不具备的优势：

图1 井中瞬变电磁工作原理示意图（据Killeen，P.G.，1997）Fig.1Principle of BHTEM（After Killeen，P.G.，1997）

1）接收探头更接近地下良导目标体，能采集到更强的TEM异常响应信号；

2）受导电覆盖层及外部电磁干扰较小；

3）具有较深的勘探深度（取决于钻孔深度）；

4）纵向分辨力强，能探测到良导目标体的深度、产状及延伸方向等信息；

5）由于观测的是感应二次场，具有旁测能力，可以探测井旁或井底电性异常信息。

1.2 方向定义及解释原则

井中瞬变电磁测量的是Z、X、Y 3个方向上感应二次磁场随时间的变化率，其单位为nT/s。轴向Z分量的方向始终沿钻孔轴向并指向钻孔上方，径向XY分量的方向则需根据钻孔的倾角情况灵活选择。当钻孔为直孔（钻孔倾角＜3°）时，径向正方向定义采用磁场定向系统，利用该系统进行数据校正后，X分量指向磁北，Y分量指向西，3个分量的正方向适用于右手定则。

当井中瞬变电磁Z、X、Y 3个分量的正方向确定后，可根据三分量曲线响应特征对地下低阻电性异常体的中心方位进行大致判断（图2）。当轴向Z分量响应曲线为正异常时，表明钻孔穿过低阻地质异常体；而当响应曲线为负异常时，则表明低阻地质异常体位于钻孔旁。径向XY分量上，以钻孔为坐标原点，当X（或Y）响应曲线表现为由负到正的正S特性时，表明低阻地质异常体中心位于X（或Y）正方向；反之，则为负方向。

图2 井中瞬变电磁曲线响应特征与异常中心位置分布关系示意简图Fig.2Relationship between BHTEM response and anomaly center

2 应用实例

2.1 井中瞬变电磁工作概况

工作区位于相山铀矿田西部的河元背地区，地处盆地基底东西向河元背-凤岗断陷带与北东向芜头-小陂断裂构造的交汇部位，具有优越的区域铀-多金属成矿地质条件。区内广泛发育的地层为基底震旦纪浅变质岩系、盖层下白垩统打鼓顶组和鹅湖岭组中酸性-酸性火山岩系。

井中瞬变电磁试验钻孔（CUSD3）终孔深度约1 600 m，井口套管约50 m，钻孔倾角＜3°。依照岩心编录结果（表1），钻孔所穿地层表现为鹅湖岭组与打鼓顶组交替出现的规律，岩性界面的深度分别位于561 m、1 095 m、1 308 m、1 337 m。除此之外，钻孔在277～284 m、330～350 m、512～518 m、1 105～1 144 m深度段出现构造破碎；在290～330 m深度段出现矿化蚀变。CUSD3钻孔在700～1 200 m深度范围内发育零星分布的铅锌矿化。

表1 CUSD3钻孔各深度段地质情况表Table 1Geology information at different depth in CUSD3

野外测试采用加拿大Crone公司的Digital PEM瞬变电磁测量系统。该系统由发射端（CHT3发射机）、接收端（CDR2接收机）、井下探头三部分组成。在发射端，根据钻孔及周边地形情况布置了一个约800 m×800 m的发射回线，回线内供以基频12.5 Hz、强度15A、下降沿为1.0 ms的斜阶跃脉冲电流。发射回线与钻孔的相对位置如图3所示。

图3 CUSD3钻孔与发射回线相对位置示意图（黑色圆点：钻孔；红色实线：发射线框）Fig.3Relative position between borehole CUSD3and transmitter loop（black spot：CUSD3；red line：transmitter loop）

表2 CUSD3采样延迟时间表/msTable 2Sampling schedule of CUSD3/ms

在井中瞬变电磁接收端，利用CDR2接收机和下井探头在钻孔中逐点观测关断时间零点后某时刻的感应二次场，各采样道的延迟时刻如表2所示。经数据处理后，根据采样时间的先后，将各个测点的二次场信号划分为早期、中期和晚期信息，分别反应了距钻孔由近到远的地质体响应。

2.2 井中瞬变电磁曲线特征

根据钻孔情况，在70～1 390 m深度范围内观测了3个分量的井中瞬变电磁响应。图4、图5展示的是CUSD3钻孔上第2～5采样道及6～10采样道的井中瞬变电磁多测道图，其中纵轴为深度，单位为m；横轴为磁场随时间变化率，单位为nT/s。

图4～5中，井中瞬变电磁响应在浅部较强而深部较弱，不利于深部异常信息的挖掘，这种现象在早期（图4）尤为明显。随采样延迟时间增大，中期信号的异常特征逐渐明显（图5）。表现为一个由负到正的正S异常，由此推断铅锌矿化中心（或矿化较好部位）位于钻孔北

图4 CH2-CH5道井中瞬变电磁响应Fig.4BHTEM response at CH2-CH5

图5 CH6-CH10道井中瞬变电磁响应Fig.5BHTEM response at CH6-CH10

图6 CUSD3井中瞬变电磁异常与钻孔相对位置示意简图Fig.6Sketch location map between BHTEM anomaly center and borehole CUSD3

在第11～15采样道（图7），Z分量多测道曲线在700～900 m深度段呈现较为明显的异常特征，推测为该深度范围内发育的铅锌矿化所引起的异常。轴向Z分量呈单峰正异常，表明钻孔穿过铅锌矿化带。径向X分量部。同时，径向Y分量在此处亦表现为正S异常，指示低阻的铅锌矿化中心（或矿化较好部位）位于钻孔西部。Y分量异常响应峰值明显高于X分量，表明矿化中心位于钻孔北西偏西方位（图6）。

在16～20道（图8），轴向Z分量的井中正异常特征发生了细微变化，异常幅宽增大至600～1 400 m范围，异常峰值位置也由早期的800 m转移至约900 m处，说明铅锌矿化带是以一较大的倾角向下延伸的。径向XY分量在该采样时间道仍呈现由负到正的正S特征，推断铅锌矿化带中心（或矿化较好部位）位于钻孔北西偏西方位。在晚期道（图9），轴向Z分量异常峰值位置继续向深部转移至1 050 m深度处，表明该铅锌矿化带的深部矿化程度较浅部高。同时，虽然该采样时间道的感应二次场信号明显减弱，但径向XY分量多测道曲线亦能较好地指示地下低阻地质异常体的大致方位。

除对钻孔周边铅锌矿化中心有较好的指示作用外，井中瞬变电磁与钻孔揭露的岩性界面和构造蚀变带也有较好的一一对应关系。

图7 CH11-CH15道井中瞬变电磁响应Fig.7BHTEM response at CH11-CH15

图8 CH16-CH20道井中瞬变电磁响应Fig.8BHTEM response at CH16-CH20

图9 CH21-CH25道井中瞬变电磁响应Fig.9BHTEM response at CH21～CH25

图10为CUSD3钻孔井中瞬变电磁多测道曲线与钻孔柱对应关系简图，由该图可以看出：

图10 CUSD3钻孔井中瞬变电磁多测道曲线与钻孔柱对应关系（左为BHTEM；右为钻孔柱状简图）Fig.10Relationship between BHTEM response curve and geologcolumn of Borehole CUSD3（left：BHTEM response；right：histogram of CUSD3）

（1）在270～290 m深度段，Z、X、Y分量多测道曲线均呈现小规模的异常跳动，可能是由该深度段的构造破碎及蚀变带引起。

（2）在512～518 m深度段，Z分量响应曲线呈现正异常特征，表明钻孔穿过构造破碎带；X、Y分量响应曲线在该深度位置处虽然出现异常跳变，但其S特性并不明显，无法定性分析构造破碎带的准确方位。

（3）在561 m深度处，井中瞬变电磁多测道响应曲线在该位置处出现较小幅宽的异常，为鹅湖岭组碎斑流纹岩与打鼓顶组流纹英安岩两种不同岩性界面的异常响应。

（4）在1 080～1 145 m深度段，井中瞬变电磁多测道曲线呈现大幅宽小幅度的异常反应，应是该深度段岩性界面与构造破碎的综合反应。可能由于埋深较深及目标耦合关系较差的原因，该构造的异常响应较弱，未能开展进一步的定性半定量分析。

（5）1 300～1 340 m深度段出现的井中瞬变电磁异常，同样为鹅湖岭组碎斑流纹岩与打鼓顶组流纹英安岩两种不同岩性界面的反映。

虽然受当前井中瞬变电磁数据处理、解释技术的限制，无法对上述异常开展定性半定量解释进而达到追踪其延伸展布情况的目的。但通过对比岩性柱状简图可知：井中瞬变电磁具有较高的探测精度，能够较准确地识别出钻孔附近的岩性界面、构造破碎等铀成矿、控矿要素，通过后续研究，可为下一步的铀矿勘查工作服务。

3 结论与认识

通过江西相山CUSD3井中瞬变电磁法的应用，获得如下认识：

1）通过定性分析井中瞬变电磁三分量响应特征，认为CUSD3钻孔周边铅锌矿化中心位于钻孔北西偏西方位，且深部矿化程度较浅部高，表明井中瞬变电磁法在探测火山岩良导电体中具有较好的应用效果。

2）除能够较好指示铅锌矿化中心外，通过井中瞬变电磁多测道曲线与岩性柱状简图的对比，认为井中瞬变电磁法具有较高的探测精度，能够识别钻孔附近岩性界面、构造破碎等铀成矿、控矿要素，可为下一步的铀矿勘查工作服务。

3）与导电矿体勘查领域的井中瞬变电磁不同，铀矿勘查领域的探测对象为电性差异相对较小的控矿构造，井中瞬变电磁在应用上仍存在异常幅度小、半定量解释难度大等难点，应在后续工作中加强方法理论和应用研究。

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Application of BHTEM in detecting good conductors in volcanic area—A case study of deep drilling borehole CUSD3 for Uranium Science

DUAN Shuxin，WANG Shuo，WAN Hanping，WANG Qi，HU Yuebin

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

This article introduced the theory and interpretation principles of BHTEM.A case study was made in deep borehole of CUSD3 for Uranium Science in Xiangshan.With field data analysis we inferred the orientation of the Lead-zinc mineralization center near the borehole，which shew BHTEM had an advantage in detecting good conductors in volcanic area.Combined with CUSD3，BHTEM is considered a useful method which has high detect accuracy，and can find out key uranium mineralization and ore-controlling factors，such as rock interface and faults near the hole，which will be very helpful to further exploration of uranium deposits.

BHTEM；mineralization center；rock interface；faults

P631.3+26

A

1672-0636（2016）04-0223-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．04．006

2016-05-30

段书新（1987—），男，湖北随州人，工程师，主要从事地球物理勘探研究。E-mail：cugbdantou@163.com