井中瞬变电磁纯异常提取方法及其在热液型铀矿勘查中的应用

段书新，刘文泉，许 幼，胡 圆

（1.核工业北京地质研究院，北京，100029；2.核工业二九〇研究所，广东 韶关，512029）

作为就矿找矿的地球物理方法，井中瞬变电磁能够利用钻孔探测井旁、井底盲矿，追踪钻孔中已见矿体的方向，在国内外良导电矿体勘查领域取得了较好的应用效果［1-7］。核工业系统在2015年引进该方法，通过探测与热液型铀成矿密切相关的断裂构造及蚀变，来达到间接找矿的目的。三年方法试验表明，井中瞬变电磁具有较高的探测精度，能够识别钻孔附近的构造破碎等铀成矿、控矿要素，但存在异常幅度小、半定量解释难度大等难点［8］。针对此问题，笔者在开展模型研究的基础上，提出井中瞬变电磁纯异常提取方法，并简述该方法在热液型铀矿勘查中的应用效果。

1 井中瞬变电磁实测数据响应成分分析

井中瞬变电磁观测的是断电后的二次场，由于探测目标体附近存在一定导电强度的围岩，观测的二次场响应包含三种成分：

1）导电围岩响应：发射电流关断瞬间，瞬变一次场将在围岩内激发产生感应涡流，该涡流以环形电流的形式向下方及外围扩散，形成导电围岩响应。

2）目标体响应：感应涡流向地下扩散和衰减的过程中，作用于目标导体，并在目标体内部激发起涡流，该涡流随时间扩散和衰减，产生目标体响应。

3）其他响应：互感作用及特定地电条件下形成的集流效应等。

井中瞬变电磁实测响应包含上述三种成分，但又以前两种为主。在特定地质环境中，受目标体与导电围岩之间的电性、规模等差异的影响，实测二次场会在目标体的纯异常响应上叠加不同程度的背景场，直接影响资料解释的准确度和精度。

为进一步厘清上述几种响应成分之间的关系，以边长100 m×100 m、厚度10 m、电导率为10 S/m的水平板体为研究对象，采用Maxwell数值模拟方法分别计算了导电半空间、自由空间中的板体及导电半空间嵌入板体三个模型（图1）的井中瞬变电磁响应。井中瞬变电磁工作参数为：回线边长1 000 m×1 000 m， 回线中心坐标（0，0，0）； 钻孔位于发射回线中心，孔深2 000 m，钻孔倾角90°； 目标板体中心位于（100， 50， -500）； 导电半空间电导率为0.1 S/m。

图2为上述三个模型在t2＝0.103 5 ms、t5＝0.173 3 ms、 t7＝0.245 3 ms、 t10＝0.414 ms、 t13＝0.699 8 ms、 t19=1.98 ms、 t24＝4.713 8 ms七个采样道的理论响应曲线。由图可知，导电半空间中嵌入板体的井中瞬变电磁响应受导电半空间及板体的综合影响。A和C中Z分量响应基本相似，表明综合响应中，导电半空间的Z分量响应占据主要作用，对板体引起的井中瞬变电磁响应形成极强的压制作用。对比图B和C的XY分量响应曲线，两者的响应幅值存在一定差异，但异常响应特征基本类似。

针对上述三个模型，分析Z分量在400 m井深处的衰减曲线（图3），可大致看出井中瞬变电磁各响应成分的分布规律。

1）综合响应（曲线c）与围岩响应（曲线a）在早期基本重合，表明实测早期信号主要以围岩响应为主；两条曲线在晚期逐渐分离，表明目标板体的响应逐渐凸显。

2）综合响应（曲线c）与目标板体响应（曲线b）在晚期逐步靠近，表明晚期信号主要以目标体响应为主。

图1 三种不同模型空间位置示意图Fig.1 Spatial location diagram by three different models

图2 三种模型的井中瞬变电磁响应曲线Fig.2 BHTEM responding curves of three different models

图3 三种模型在井深400 m处的井中瞬变电磁衰减曲线Fig.3 BHTEM decay curves at 400 m depth by three different models

3）曲线c-a与曲线b的形态在中、晚期逐渐接近，表明在一定的容许误差范围内，可以用曲线c-a代替曲线b。即：在一定的容许误差范围内，可忽略井中瞬变电磁其他响应成分的影响，近似地将综合响应看作导电围岩响应和地下局部导体纯异常响应的简单叠加。

2 井中瞬变电磁纯异常提取方法

在上述井中瞬变电磁实测响应成分分布规律的基础上，提出井中瞬变电磁纯异常提取方法。

由于目标地质体影响范围有限，其对实测二次场响应的贡献主要集中于地质体中心深度处，而远离中心位置的二次场信息则不受目标地质体影响。因此，可大致把综合响应曲线按照距离目标体远近大致分为背景区-异常区-背景区三个区段，其中背景区响应主要反映导电围岩响应，而异常区响应则是导电围岩响应和目标体纯异常响应的叠加。

由于导电围岩响应曲线是连续、渐变的（图2A），因此，利用井中瞬变电磁背景区实测响应值yi及对应的深度值hi，可构造出关于深度h和导电围岩响应y的插值函数

yi＝f（hi）， i＝1， 2， 3……。

利用该函数，计算出异常区导电围岩二次场响应，并将其从实测综合响应中剔除，即可得到目标地质体所引起的纯异常。

按照上述思路，对导电半空间中嵌入板体模型的理论响应进行了纯异常提取。设异常区段深度为300～500 m，得到纯异常响应如图4所示，其三分量响应特征与自由空间中板体的响应特征基本一致。

3 井中瞬变电磁异常解释原则

当得到地质目标体产生的纯异常后，即可根据井中瞬变电磁异常解释原则对其展开定性解释。针对斜孔，定义Z分量沿钻孔井轴向上为正，X分量指向钻孔倾斜方向为正，Y分量正方向指向正X逆时针旋转90°的方向。井中瞬变电磁异常解释遵循如下基本原则（图 5）。

图4 导电半空间中嵌入板体模型300～500 m深度段纯异常响应Fig.4 Pure anomaly responding at 300～500 m depth of plate model in conductive half space

当Z分量响应曲线为正异常 （井中异常）时，表明钻孔穿过低阻地质目标体；而当响应曲线为负异常（井旁异常）时，则表明低阻地质目标体位于钻孔旁。当确定钻孔中（旁）存在低阻地质目标体后，即可利用径向XY分量大致判断目标体的方位，具体如下：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，表明低阻地质目标体中心位于X（或Y）正方向；反之，则为负方向。

4 应用实例

4.1 工作区概况

工作区位于广东长江，为典型的热液型铀成矿区。区内断裂构造发育，主要有NEE向棉花坑断裂、NW向油洞断裂及多组NNW向次级断裂。出露岩性以印支期及燕山早期花岗岩为主，主要为中（粗）粒斑状黑云母二长花岗岩及黑云母花岗岩等。

试验钻孔ZK71-2位于302矿床以北约1 km处（图6），钻孔开孔方位75°，倾角75°，终孔深度403 m。钻孔揭露岩性主要为中粒黑云母花岗岩，在246～268 m深度段发育硅化碎裂岩。经放射性γ测井，钻孔在106 m深度位置处有弱放射性异常。

4.2 井中瞬变电磁响应曲线特征

野外利用200 m×200 m中心框进行了井中瞬变电磁实测，其中发射电流15A，时基20 ms，下降沿长度0.5 ms。各采样道时间延迟见表1。

排除套管影响，本次测试得到60～395 m深度段井中瞬变电磁三分量响应，其与放射性γ测井及钻孔岩性对比如图7所示。

图5 井中瞬变电磁异常曲线特征与异常中心位置分布关系示意简图Fig.5 Relationship between BHTEM response and anomaly center

图6 长江工作区地质简图 （据许丽丽2017，有修改）Fig.6 Geological map of Changjiang working area （Modified after XU Lili， 2017）

表1 ZK71-2井中瞬变电磁采样延迟时间/msTable 1 Time/ms of sampling delay of BETEM in ZK71-2

图7中井中瞬变电磁Z分量响应未见明显异常，可能是由于发射回线与导电围岩之间的耦合作用要远强于回线与目标地质体，使得导电围岩响应成分在综合响应中占据主导地位，并对目标地质体响应形成压制。相比较而言，径向XY分量在响应幅值及响应特征上均极为明显，推测为良导电矿体所致异常。XY分量异常深度约190 m，钻孔在该深度揭露少量赤铁矿化，但所见规模不足以引起该异常响应，因此推测钻孔附近存在一个盲赤铁矿（化）。根据Y分量的反S特性，推断赤铁矿化中心位于钻孔南部。

γ测井曲线在106、267 m两个深度位置处有跳变，但仅在106 m深度位置处是连续跳变，推测此处为放射性异常位置。在该位置处，井中瞬变电磁异常特征不明显，无法开展定性解释。

4.3 井中瞬变电磁纯异常分析

图7 ZK71-2井中瞬变电磁三分量响应与γ测井及钻孔岩性对比简图Fig.7 Comparison of three-component response of BHTEM，gamma logging and drilling lithology in ZK71-2

图8 ZK71-2 160～220 m深度段BHTEM纯异常Fig.8 BETEM pure anomaly at 160～220 m depth in ZK71-2

对190 m深度位置处的井中瞬变电磁实测数据进行纯异常提取，其异常响应特征得到明显增强。由图8可知，Z分量的井旁负异常特征得到凸显，表明钻孔旁存在良导电的赤铁矿（化）。径向XY分量响应特征较提取前亦有所增强，指示低阻的赤铁矿化中心位于钻孔南部。

利用Maxwell对纯异常进行数值逼近，得到理论导电板体模型及响应对比曲线如图9、图10所示。根据模拟结果，低阻的赤铁矿（化）中心位于钻孔200°方位，埋深190 m，距钻孔85 m。

图9 ZK71-2 160～220 m深度异常体中心位置Fig.9 Center position of anomaly at 160～220 m depth in ZK71-2

图10 ZK71-2 160～220 m深度井中瞬变电磁理论及实测响应对比Fig.10 Comparison of theory and measured BHTEM response at 160～220 m depth in ZK71-2

针对γ测井揭示的106 m深度段放射性异常，通过对该深度段井中瞬变电磁实测数据进行纯异常提取，得到响应曲线如图11所示。Z分量主要表现为井旁负异常特征，X分量以反S特性为主，Y分量以正S特性为主，根据前文定性解释原则，认为造成该处γ测井值偏高的矿化蚀变带位于钻孔北西西方位。三个分量异常响应的幅值及幅宽均相对较小，表明该矿化蚀变带规模不大或距离钻孔较远。

图11 ZK71-2 90～120 m深度段BHTEM纯异常Fig.11 BETEM pure anomaly at 90～120 m depth in ZK71-2

5 结论

通过开展井中瞬变电磁纯异常提取及其在热液型铀矿勘查中的应用研究，得到以下认识：

1）利用井中瞬变电磁纯异常提取方法，可从实测综合响应中大致分离出目标地质体所引起的纯异常响应，使得目标体异常响应特征得到明显增强。

2）井中瞬变电磁在ZK71-2钻孔上的应用实例表明，该方法能有效识别钻孔施工过程中遗漏的井旁盲导电矿体。结合井中瞬变电磁纯异常提取方法，可精确定位良导电矿体的中心位置。

3）针对ZK71-2揭露的放射性γ异常，利用井中瞬变电磁纯异常提取方法对实测数据进行精细处理分析，推测了钻孔中铀矿化可能的延伸方向。