二连盆地乔尔古地区广域电磁法砂体识别技术研究

汪硕 ，段书新，吕孝勇，胡英才，吴曲波，刘祜，刘武生

（1.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；2.湖南继善高科技有限公司，湖南 长沙 410208）

赋存于中、新生代盆地中的砂岩型铀矿是当前主要的铀矿勘查类型之一［1］。可地浸砂岩型铀矿由于其较低的开采成本和低破坏的开采方式，现已逐渐发展成我国最主要的产铀类型。砂岩型铀矿往往赋存于以砂泥岩为主的沉积盆地中，该类盆地中由于砂体的存在，含铀含氧水能够在其中运移，当物理化学条件改变时，铀这一有用组分将富集沉淀形成铀矿［2］。因此，研究、识别与成矿相关的有利砂体的地球物理场分布特征，对快速定位成矿有利地段、评价成矿环境等具有重要的现实意义［3-6］。非震勘探，尤其是电磁法勘探技术，近年来在研究盆地基底结构、砂体展布特征等领域发挥了重要作用，但一直以来对层厚较薄的砂泥互层的识别存在较大难度；其次，以往常用的AMT/CSAMT 法难以在低阻盆地中达到1 km 以上的勘探深度，而具备足够测深能力的大地电磁法需要在观测时间上作出牺牲。广域电磁法作为一种抗干扰能力强、工作效率高、测量精度高、勘探深度大的电磁测深新方法［7］，在沉积地层赋存矿产勘探领域已经有大量成功应用的案例［8-9］，但在砂岩型铀矿勘查应用方面仍处于探索阶段。本文在二连盆地乔尔古地段开展砂岩型铀矿的砂体识别技术研究，为砂岩型铀矿勘查提供新的深部探测手段。

1 研究区地质与地球物理特征

1.1 地质特征

研究区位于二连盆地格日勒敖都凹陷，盆地结构经历了古生代海槽和中生代陆盆两个漫长而复杂的演化期，形成了基底和盖层两种截然不同的构造层。本区基底主要由元古宇、古生界变质岩系及华力西—燕山期的基性-中酸性侵入岩构成。盖层主要由白垩系、古近系、新近系和第四系构成［10］。其中白垩系分布较广，下白垩统巴彦花群（K1B）在区域上由下至上可分为阿尔善组（K1a）、腾格尔组（K1t）、赛汉组（K1s），区内钻孔揭露情况普遍只见到赛汉组（K1s）；上覆上白垩统二连组 （K2e）。主要赋矿地层为赛汉组 （K1s）砂岩。赛汉组内铀矿化产在扇三角洲、辫状河三角洲平原亚相河道间微相中和曲流河道砂体中。赛汉组上段河道砂体从下往上发育2～3 个沉积旋回，每一个沉积旋回均发育一期的河道充填沉积，每一期河道砂体厚度在20～120 m。区内赛罕组下段未揭露，根据邻近钻孔推断可能厚度较小。

1.2 地球物理特征

前人在该地段已经开展了大量电磁法工作，对区内不同岩性的岩石做了较系统的物性测试工作。根据核工业航测遥感中心［11-12］搜集整理的露头小极距测深、孔旁测深、实测曲线及测井资料的电阻率值，综合得出二连盆地各地层及岩体的主要电性参数（图1）。通过以上电性资料分析可知，区内具有两个较为明显的电性界面： 一是基底与盖层间的电性界面，二是中生界与新生界之间的电性界面。此外，下白垩统赛汉组不同岩性之间也存在一定的电性差异，下白垩统赛汉组砂岩电阻率较周围泥岩高，但异常衬度相对较小，给测量工作增加了难度。

2 广域电磁法方法技术

2.1 方法原理

传统的频率域电磁测深方法都是基于观测感应电场和磁场，然后通过卡尼亚电阻率计算公式进行合成计算视电阻率。广域电磁法则采用了不同的电阻率定义，其以电偶极为场源，仅测量电场的x 分量，来定义广域视电阻率［13］。据此则会得到：

上式是均匀大地表面上水平电偶极源的Ex的严格的、精确的数学表达式。根据式（1）可以定义广域意义上的视电阻率：

图1 研究区主要岩性电阻率分布Fig.1 Resistivity of main rocks in the study area

式中：ρa为测点处视电阻率；KE-Ex为装置系数；ΔVMN为测点处电压差，由测点处电场强度Ex和电极距MN 相乘得到；I 为供电电流；FE-Ex(ikr)为电磁效应函数；φ 为电偶极源方向和源的中点到接收点矢径之间的夹角；r 为收发距；-ik＝（-1-i）/δ 中的δ 为均匀半空间的波数。

采用计算机迭代的办法，任取一个可能的电阻率ρ 值，并将发送电流I，源尺寸dL、方位角φ、工作方法ω 等参数一起代入，利用计算机迭代计算，直到达到满意的精度为止。最终把此ρ 值作为工作频率的最佳值，参与后续分析和反演计算。

2.2 观测装置与测线布设

区内共布设6 条平行测线（图2），各测线间距0.8～1.2 km 不等，测线方向NW-SE，点距100 m，各测线长度均为4.1 km。发射电偶源布设在接收区西南侧，由于测区整体电阻率较低，且最大探测深度约为1 km，因此选择相对较小的收发距，使接收端的信号强度得到保证。实际布设中收发距为5～8.4 km，电偶源AB 极间距离950 m。观测频率范围8 192～0.097 7 Hz，共观测56 个频点。

2.3 数据处理及反演

对广域电磁法数据进行了常规处理，如飞点剔除、静态校正等，得到各测点视电阻率和相位随频率的变化曲线。

1） 一维模型约束反演

首先开展一维反演，获得各测点下方电阻率随深度的分层信息；其次对照一维反演结果，调整尖锐跳变层顶底板位置；最后，将该一维分层结果作为二维反演的初始模型，进行二维反演计算。

2） 深度线性校正

该转换法利用了沉积地层中各层岩性电性的横向均一性，适用于该类地质环境的勘查工作。当存在一个或若干个已知钻孔、测井资料时，可将该钻孔结果定义为“标准孔”，参照其结果对全剖面进行深度上的转换校正，使剖面界面解译结果与“标准孔”吻合。然后根据转换后的图像特征将岩性界面进行横向外推，从而获得整个剖面的电性分布特征。

图2 研究区地质及测线部署示意图Fig.2 The geological sketch and layout of BDEM profiles in the study area

本次研究中，选取研究区中已知钻孔ZKH-2 作为“标准孔”，对成果断面的反演深度进行线性变换，使反演结果与之吻合，然后据此结果外推地层界线。

3 广域电磁测深剖面结果及钻孔验证

3.1 剖面反演结果及推断解译

测区测线所穿过的区域地表多以第四系覆盖为主，地表无其他岩性露头。根据区域资料认为剖面水平方向上无明显岩性变化，地层展布近水平层状，剖面深部地层由钻孔揭露主要为上白垩统赛汉组和腾格尔组泥、砂岩地层为主，深部基底为二叠系变质岩。由于区内电阻率横向变化较小，因此仅以L87线结果为例进行讨论。根据L87 线电阻率分布特征（图3），反演断面中电性结构主要可分为8 个层位。根据物性测试结果推断，中低阻电性层可推断为中粗粒砂岩，当电阻率进一步升高时多表现为砂砾岩、砾岩，低电阻率层位基本可推断为泥岩或粉砂岩。结合钻孔揭露情况，认为剖面地层从时代上能够划分成三段，从浅到深分别为新近系（N）、赛汉组上段（K1s2）和赛汉组下段（K1s1）。其中新近系表现为砂泥互层结构，多以15～40 m 泥、砂岩为主，剖面上共划分3 层砂岩、2 层泥岩。标高900～400 m 处地层主要划分为赛汉组上段，整体电阻率表现为低阻特性；标高400 m 以下则以高阻为主，由于缺乏深部钻孔资料，仅根据区域地质认识推断为赛汉组下段地层。在赛汉组上段、下段之间发育一层中高阻，推断为赛汉组上段砂岩，该层位为该地段铀矿的赋矿地层，根据测深结果认为该砂体在剖面水平2 000～3 700 m 段相对厚大，为铀矿的富集提供了更大的空间，具有较好的找矿前景。

3.2 钻孔对比验证结果

图3 L87 线广域电磁反演结果（a）与地质解译断面图（b）Fig.3 Inversion result of WDEM and geological interpretation section of Line 87

ZKH-2 钻孔通过剖面2.1 km 处，钻孔揭露在深度为60 m、97 m、125 m、210 m 和555 m 处发现有粗粒砂岩或砾岩。其中深度125 m 和555 m 处的砂岩层厚度分别为60 m和104 m，相对较为厚大，其他砂岩层厚度一般为15 m 左右的薄层。

对比剖面电阻率纵向特征与ZJH-2 钻孔（图4）认为，广域电磁法反演结果能够较好地反映50 m 以上的较厚大的砂岩层，其反演的顶底界面埋深与钻孔揭露的层界面吻合度较高。对于薄层砂岩，当埋藏深度较浅时，反演结果能够识别50 m 以上的多层不连续的泥砂互层，而埋深较深的薄层砂岩则难有反应。但其对浅部泥砂互层的分辨结果较天然场电法更细致，表明广域电磁法在识别具有一定厚度的中高阻层时具有较好的响应。

图4 钻孔与电磁法测量结果对比Fig.4 Comparison of drilling and electromagnetic sounding results

4 讨论

目前广域电磁方法相对其他常规频率域电磁测深方法而言仍属于较新的方法技术，尤其在铀矿勘查领域的应用尚在起步阶段，其方法理论和应用研究方面仍有许多待解决的问题。如本次试验研究中标高400 m以下的数据表现出高阻特征，这与周边地区认为深部存在大段赛汉组下段-腾格尔组泥岩的中低阻地层特征相悖。由于广域电磁法电阻率理论上不存在CSAMT 的“近场效应”，深部数据可靠性较高。剖面相邻2 km 处钻孔显示深部存在二叠系变质板岩，因此初步推断基底高阻可能为该变质岩地层所致。

5 结论

通过在二连盆地砂岩型铀矿开展的广域电磁试验研究，获得了已知钻探剖面下方的电阻率分布特征，较好地反映了地下砂体分布特征：

1） 由于二连盆地砂岩型铀矿地层具有以泥砂岩为主，且横向上连续性相对较好的特征，因此反演过程中采用了一维反演结果作为先验模型参与反演。在最终确定反演深度时以剖面上已知钻孔揭示的地层界线为标准，采用深度线性校正方式校准全区的反演深度。本次试验L87 线由“标准孔”校准后的反演结果与剖面上其他钻孔地层层序对应情况较好，表明该转换方法适用于沉积相对较稳定、连续的地区，能够达到提高反演结果纵向分辨能力的目的。

2） 研究结果表明，广域电磁法由于其特定的电阻率计算公式，其对高阻体更加灵敏，因此在该地区对中高阻砂岩有更好的反映。在实际应用过程中，该方法能够较好地分辨出浅部200 m 以上的、物性差异相对较小的泥砂互层（砂岩层厚约20 m）。