热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件开发与应用

段书新，汪硕，乔宝强

（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）

为定位孔旁（或孔底）良导电多金属矿体，井中瞬变电磁（bore hole transient electromagnetic method，简称BHTEM）在国外首先被提出并得到广泛应用［1-4］。在加拿大魁北克省Dufault 地区福尔肯布里奇铜矿，BHTEM 探测发现了一个深达950 m 的孔旁盲矿体；在加拿大萨德伯里（Sudbury）铜镍矿区，采用BHTEM 测量先后发现了1 280 m 深处的林兹里（Linsley）矿体和埋深超过2 400 m、矿石量达1 800～3 600 万t 的维克多（Victor）富铜镍矿床［5］。

鉴于BHTEM 在良导电多金属矿体勘查领域较好的探测效果，核工业系统于2015 年引入该方法并将其应用到热液型铀矿勘查领域，以追踪钻孔中铀矿化蚀变带的延伸方向。经方法试验，BHTEM 不仅可探测到孔旁良导电的铅锌矿化，且具有较高的探测精度，可识别钻孔中蚀变破碎带，但存在异常幅度小、解释难度大等难点［6］。针对此问题，作者开展了BHTEM 精细处理解释技术研究，开发了热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件。

1 井中瞬变电磁处理解释技术现状

在国外，Woods D.V.采用Crone PEM 系统进行了模型试验，获得了大量以金属薄板为模型的BHTEM 响应曲线［7］。Eaton P.A.和Hohmann G.W.［8］、Richard C.West 和Ward S.H.［9］，从理论上研究了导电介质对二维、三维BHTEM 响应的影响，并通过正演理论计算展示了导电围岩影响的特征。BHTEM 被引入到国内后，戴雪平［10］利用Maxwell软件开展了数值模拟，总结了不同状态下目标体的BHTEM 三分量响应特征，可用于良导电矿体勘查领域BHTEM 的常规处理解释。

国内BHTEM 勘查过程中，由于矿体规模较小、矿体与围岩的电性差异不明显，BHTEM 实测数据常呈现异常幅度弱、异常特征不明显等特点，常规的BHTEM 处理解释技术适用性较差。针对该问题，段书新［11］提出了基于Hermite 插值的BHTEM 纯异常提取方法，可有效凸显异常。张杰［12］基于地面TEM，将矢量交会技术首次引入到BHTEM，提出地-井瞬变电磁矢量交会技术，并在新疆小热泉子铜矿区取得应用效果。杨毅［13］采用遗传算法实现了基于等效涡流的地-井TEM 纯异常反演。王鹏［14］以水平电流环各分量空间指向性为基础，开发出地-井瞬变电磁法浮动系数空间交会算法。这些研究为BHTEM 弱小异常的精细处理开辟了思路，在此基础上，作者开展了针对热液型铀矿的BHTEM 精细处理及解释技术研究，开发了井中瞬变电磁精细处理解释软件。

2 软件平台介绍

由于涉及到响应曲线绘制及矢量方向显示等图形显示问题，笔者采用了兼具数据计算与图形展示功能的Matlab 编程语言为开发平台，利用GUI人机交互开发了井中瞬变电磁精细处理解释软件（图1）。

图1 热液型铀矿勘查井中瞬变电磁数据精细处理解释平台界面Fig.1 Interface for fine processing and interpretation software of BHTEM

软件主要包含原始数据文件导入、数据处理、数据文件输出、曲线绘制、实测数据矢量交会、退出6个功能模块，现对其分别介绍如下（图2）。

图2 热液型铀矿勘查井中瞬变电磁精细数据处理解释系统架构Fig.2 Architecture of the fine processing and interpretation system for BHTEM in hydrothermal uranium exploration

2.1 原始数据文件

此模块主要实现原始数据的导入功能，可导入的数据包含：BHTEM实测数据（*.pem）、Maxwell模拟数据（*.tem）和伽马测井数据（*.xls）。其中伽马测井数据为用户自制文件，要求文件为两列，第1列为深度，第2列为铀含量。

2.2 数据处理

此模块主要实现数据处理功能，包含实测数据插值、实测数据微分、插值数据微分、斜孔数据校正、纯异常提取5个子模块。

BHTEM野外采用的是点测方式，相邻点之间的点距在5～15 m不等，通过实测数据插值可得到钻孔任意深度位置处的BHTEM响应。实测（或插值）数据微分，则通过计算电场随深度的变化率，得到电场变化最快的深度位置，更方便有效地识别异常深度段。斜孔数据校正，则是为了将仪器在斜孔中测得的BHTEM数据校正到空间直角坐标系下，便于后期处理。软件实际运行过程中，用户只需要输入钻孔倾角，即可实现斜孔数据的自动校正。

纯异常提取是数据处理模块的核心，其目的是剔除实测响应中由围岩或大地介质引起的感应二次场响应，得到仅由探测目标体引起的感应二次场响应［11］。用户在窗口输入异常深度段的起止位置，软件会利用背景深度段BHTEM响应重构出异常深度段的围岩响应，并将其从实测响应中剔除，从而得到异常深度段的纯异常响应。

2.3 数据文件输出

此模块主要实现数据文件输出功能，可输出的文件包括：实测数据（*.xls）、插值后数据（*.xls）、实测数据微分处理后的数据（*.xls）、插值数据微分处理后的数据（*.xls）、插值数据校正后的数据（*.xls）以及不同格式的纯异常数据（*.xls和*.pem）。

经软件导入和处理的所有数据均暂时存储在计算机内存中，为便于数据外部存储及后期分析，程序利用xlswrite函数将上述数据保存成外部*.xls格式的数据。同时，为便于利用外部软件对纯异常进行人机交互模拟，软件利用读写函数将其输出成*.pem文件，所输出文件可直接导入Maxwell软件进行成图及后期处理。

2.4 曲线绘制

此模块主要实现各类响应曲线的绘制，可绘制的曲线包括：单点衰减曲线、实测响应、插值响应、实测数据的微分曲线、插值数据的微分曲线、纯异常响应、伽马测井曲线。

BHTEM实测成果为多测道图，反映的是相同时间道、不同深度位置的响应分布，而对单点感应二次场随时间衰减情况的反映较差。通过绘制单点衰减曲线，并将其自动以*.emf格式保存至相应路径下，方便了后期数据检查和显示。软件中衰减曲线显示延用双对数坐标系的习惯，在Matlab中使用semilogx函数来实现。其他各类响应的绘制，均是为了对各类响应或中间处理结果进行直观展示，用户可以根据需要，完成指定道数的图件绘制。

2.5 实测数据任一深度段矢量交会

此模块为整个软件的核心，主要用于实现对纯异常数据的矢量交会，进而完成对BHTEM实测数据的精细解释。按照矢量交会的步骤，此模块包含深度段选择、单道绘制及逼近、工作参数选择、异常参数计算（深度、方位、距离）、任意道矢量图绘制、最佳道矢量图绘制共计6个子菜单。

“深度段选择”菜单的设置目的是便于用户选择将要进行矢量交会深度段的ID，方便程序调用该深度段数据进行后续处理。为降低实测数据中的噪声及其他随机误差对矢量交会结果的影响，软件设计了“单道绘制及逼近”子模块。通过该模块，用户可调出单道曲线拟合子程序，通过选择不同的深度起止段、时间道等参数，实现对任意道任意分量纯异常的理论逼近，达到滤波的效果。随后，“工作参数选择”菜单主要完成对参数的选择。

“异常参数计算（深度、方位、距离）”子模块是矢量交会的核心，其计算的理论基础是感应二次场的“等效涡流”原理和矢量交会技术［15］。进入该菜单后，用户依次选择X和Y分量的异常形态后，即可实现对各时间道BHTEM异常深度、方位、距离的计算。同时，针对各时间道所对应的矢量交会参数，软件自动优选出一套最佳时间道及其对应参数，并通过后续“最佳道矢量图绘制”菜单加以显示。

2.6 退出

数据处理完成后，点击此菜单退出。

3 理论模型试算

利用Maxwell建立典型BHTEM模型，参数为：发射回线400 m×400 m、电流强度1 A；钻孔坐标（-50，-50，0）、倾角90°、孔深400 m、测量点距20 m；导电板体中心坐标（0，0，-200）。模型的平面投影见图3，BHTEM三分量响应见图4。

图3 模型水平投影Fig.3 Horizontal projection of the model

利用热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件，对上述理论数据进行导入和处理，绘制得到1～30道三分量响应（插值后）和纯异常分别如图5、图6所示。对比图4、图5可知，插值后的多测道图更加圆滑，包含信息更多。经纯异常提取，图6中3个分量的异常形态没有改变，但异常特征更加明显。

图4 BHTEM 三分量响应Fig.4 BHTEM sounding curve

图5 BHTEM 插值后三分量响应Fig.5 BHTEM sounding curve after interpolation

图6 BHTEM 纯异常响应Fig.6 BHTEM pure anomaly sounding

继续对上述纯异常数据进行150～250 m深度段的矢量交会，得到最佳的矢量交会道为第13道，对应的异常参数分别为：埋深200 m、方位45°、距离钻孔约74 m（图7）。由此可得：研发的热液型铀矿井中瞬变电磁处理解释软件推断的异常中心与模型实际情况吻合较好。

图7 模型最佳矢量交会结果Fig.7 Best vector intersection results of the Model

4 应用实例

ZK47-3位于诸广热液型铀成矿区，区内发育有NEE向棉花坑断裂、NW向油洞断裂及多组NNW向次级断裂，出露岩性主要为印支期和燕山早期中（粗）粒斑状黑云母二长花岗岩及黑云母花岗岩等（图8）。

图8 诸广工作区地质简图（据参考文献［16］修改）Fig.8 Geological map of Zhuguang working area（after reference［16］）

ZK47-3开孔方位75°，倾角75°，终孔深度781 m。钻孔揭露的岩性主体为中粒和不等粒黑云母花岗岩，局部地段发育碎裂花岗岩。据伽马测井结果，钻孔在160～170 m深度段发育铀矿化。

野外利用Crone PEM 对其进行了中心方位的BHTEM 三分量测量，采用的工作参数为：发射回线250 m×250 m、发射电流18 A、时基20 ms、下降沿0.5 ms。去除受电磁干扰的套管深度段，该孔60～770 m 深度段的BHTEM 三分量响应如图9 所示。

图9 ZK47-3 井中瞬变电磁实测响应曲线（CH5～10）Fig.9 BHTEM measured sounding curves（CH5～10）of borehole ZK47-3

图9中，水平X分量的响应幅值远大于Y分量，表明钻孔附近存在着走向与X方向一致的低阻条带。结合Crone PEM定义的X分量正方向（钻孔倾向方向）［17］，认为是NEE向棉花坑断裂在BHTEM中的反映。整体来看，由于围岩二次场响应在综合响应中占比高，BHTEM响应曲线在160～170 m铀矿化蚀变段的异常较弱。

为进一步剖析160～170 m深度段的异常特征，利用热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件对实测数据进行分析。经数据导入、纯异常提取，得到该深度段的纯异常响应如图10所示。图中Z分量呈两侧负、中间正的对称异常，表明钻孔穿过蚀变带的边部；同时，根据Z分量对称的弱异常特征，推测蚀变带呈水平状展布，且厚度不大。根据定性解释原则［6］，水平X分量大致呈反S特征，推测蚀变带在空间上向SWW 方向延伸。

图10 160～180 m 深度段BHTEM 纯异常响应Fig.10 Pure anomaly sounding curves of BHTEM at the depth of 160～180 m

利用热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件，对图10中的纯异常进行进一步的矢量交会，得到最佳道矢量交会结果如图11所示。根据交会结果，与铀矿化相关的蚀变带位于钻孔255°方位，埋深170 m，距钻孔约10 m。

图11 160～180 m 深度段BHTEM 矢量交会结果Fig.11 BHTEM intersection results atthe depth of 160～180 m

5 结论

通过开展针对热液型铀矿BHTEM 精细处理解释技术研究，取得以下成果认识：

1）以Matlab 编程语言为平台，开发了热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件，实现了原始数据导入、数据处理、数据文件输出、曲线绘制及任一深度段矢量交会等功能，可用于BHTEM 理论及实测数据的精细处理解释。

2）理论模型试算表明：热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件对BHTEM 数据的处理解释结果与实际基本一致，异常定位准确。

3）针对ZK47-3 揭露的放射性异常，利用热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件，推测了钻孔中矿化蚀变带的延伸方向，表明该软件具有一定的实际应用价值。

4）ZK47-3 的应用实例表明，BHTEM 对断裂及矿化蚀变带具有一定的探测效果，结合热液型铀矿井中瞬变电磁精细处理解释软件，可实现对孔中（旁）蚀变带中心的精确定位，具有积极的指导作用。