CSAMT与广域电磁法在松辽盆地北部低阻区砂岩型铀矿勘查中的试验对比

谢明宏

(核工业航测遥感中心 a.铀资源地球物理勘查技术中心重点实验室，b.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，石家庄 050002)

0 前言

松辽盆地是我国北方大型中新生代沉积盆地之一，不仅石油天然气丰富，而且砂岩型铀矿成矿潜力也很大，已发现了宝龙山、大林等铀矿床，找矿成果显著[1-2]。近年来，为配合盆地铀矿区域调查评价工作，在局部地段开展了大比例尺的可控源音频大地电磁(CSAMT)法勘探，取得了一定的地质效果，但发现一个主要问题是该区普遍存在较厚的泥岩低阻层，CSAMT法的探测深度受到一定限制。其中在松辽盆地北部中央凹陷区有效深度在600 m以浅，无法满足对目的层探测深度的要求。为此，2019年在松辽盆地北部低阻区开展了物探技术方法试验研究，取得了一些研究成果，为该区今后物探方法选择提供了重要依据。

CSAMT法和广域电磁法在试验研究结果中具有较好的效果，也有一定的区别，值得进一步研究。为探索电磁法的有效探测深度及深部“泥-砂-泥”互层结构分辨能力，选取了科研项目试验中在昌盛地段(ZKB3-1钻孔附近)的CSAMT法和广域电磁法进行对比研究，通过试验剖面数据的反演处理和综合解释，总结了在低阻区内两种方法的有效探测深度及“泥-砂-泥”互层结构地层的分辨能力，为区内铀矿勘查提供了新的勘探方法。

1 方法原理

1.1 可控源音频大地电磁测量原理

CSAMT法是一种通过使用人工控制场源以获得更佳探测效果的电磁测深法。可通过改变发射源的发射频率进行测深，利用测量相互正交的电场和磁场分量计算卡尼亚电阻率[3]。

(1)

在式(1)中，CSAMT法所使用的人工场源为电性源，是在有限长(1 km～3 km)的接地导线中供以音频电流，产生相应频率的电磁场。电性源的收发距离可达十几千米，用以加大探测深度。

1.2 广域电磁法原理

为了能在广大的非“远区”进行电磁测深，何继善院士[4]提出了广域电磁测深法。此处的“广域”实际上是指广大的非远区区域，当然也包括广大的远区。在广域电磁中，以电偶极为场源，测量电场的x分量，定义广域视电阻率。广域视电阻率是地下电性不均匀体和地形起伏的综合反映，能够反映介质电性的空间变化，或者说视电阻率是空间上介质真电阻率的复杂加权平均[4-5]。

(2)

式(2)是均匀大地表面上水平电偶极源的Ex的严格地、精确地数学表达式。根据式(2)可以定义广域意义上的视电阻率为式(3)。

(3)

式中：

(4)

ΔVMN=Ex·MN

(5)

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-i kr(1+ikr)

(6)

任取一个可能的电阻率值，并将发送电流I，源尺寸dL、方位角φ、工作模式ω等参数一起代入式(4)，利用迭代计算，直至达到满意的精度为止。并把此ρ值作为工作频率的最佳值，用于下一步的计算。

由于准确电阻率公式的提出，可以只测量一个分量，而不必要同时测量两个相交的电场与磁场，而且所测得的单分量并不会减少地电信息的获得。在某个区域进行勘探时，选择电场还是磁场，观测水平分量还是垂直分量，都可以依据现场条件做出选择。在包括远区与非远区的广大区域内，观测人工伪随机电磁场的一个分量而不是两个，计算广域视电阻率值，获得深部地质信息。

2 研究区概况

2.1 地质概况

研究区位于松辽盆地北部东北隆起区海伦隆起带西侧(图1～图2)，行政区划属于齐齐哈尔市克东县昌盛乡。近年来在东北隆起区的地质勘探中，泉头组、姚家组均发现了有意义的铀异常显示，异常砂体厚度大，成矿潜力巨大。因此，主要找矿目标层为上白垩统泉头组、姚家组[6-9]。

图1 构造单元示意图Fig.1 Sketch map of tectonic unit

图2 研究区试验剖面位置图Fig.2 Location map of test section in study area

基底主要为海西花岗岩。中生代沉积盖层自下至上有上白垩统泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组。

1)泉头组(K2q)：研究区泉一段普遍缺失。泉二段下层为灰色沉积建造，厚度大于290 m，由灰色混杂砾岩、含泥粗砂岩、含泥含砾粗砂岩、含砾粗砂岩、钙质粗砂岩、粗砂岩、泥岩等组成，砂体内碳屑含量相对较高，还原容量较大，发育厚大砂体；泉二段上层由灰绿色含砾粗砂岩、粗砂岩、泥岩、灰色泥岩等组成，顶部见砖红色泥岩，地层厚约110 m左右。泉三段地层厚度大于400 m，砂泥比值低，地层中泥质层增厚；为由砖红色泥岩、砂质泥岩与灰绿色、浅灰色含砾粗砂岩、含泥粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩等组成的红色沉积建造，砂体厚大者少，有机质含量较低。泉四段地层分布面积广，可见地层厚度106 m，地层由砖红色泥岩、与灰色、浅灰色含砾粗砂岩、含泥粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩等组成，砂体厚大者少，有机质含量不高。

2)青山口组(K2qn)：主要发育浅湖相-半深湖相细碎屑沉积组合，为一套灰黑、深灰色泥岩为主夹油页岩、灰色砂岩和粉砂岩灰色沉积建造厚215 m。青一段以灰黑、灰绿色泥岩为主，其次为灰色砂岩、粉砂岩；青二、三段主要为杂色泥岩。

3)姚家组(K2y)：岩性由紫红、灰绿、棕红色泥岩与绿灰、灰白色砂岩，呈略等厚互层，厚度一般为20 m～160 m，最厚为260 m。该组横向相变较大，东部以棕红色泥岩为主，中部以灰绿色、灰黑色泥岩为主，西部和北部则以杂色砂砾岩、砾岩夹紫红色泥岩为主。

4)嫩江组(K2n)：嫩一段分布广泛，厚近200 m，多超覆沉积在姚家组及其他地层之上；主要由灰绿色、灰黑色夹灰色细砂岩、中砂岩及薄层紫红色泥岩等组成。嫩二段为厚层泥质细碎屑沉积，地层内化石丰富，区内可见最大厚度为252 m。嫩三段可见厚度130 m，主要由灰绿、灰白、灰色细砂岩、粉砂岩与灰色泥岩互层组成，顶部夹紫红色泥岩，边部见砂岩及含砾砂岩等。嫩四段厚度大于100 m，由灰绿色泥岩、粉砂岩、细砂岩、中粗砂岩等互层，顶部夹紫红色泥岩，局部为紫红色夹灰绿色泥岩，边部见砂砾岩。

5)第四系(Q)：以冲洪积物、砂砾石、黏土和冲积物为主。

2.2 电阻率特征

收集了研究区附近钻孔的测井电阻率资料，各地层岩性电阻率统计结果见表1。

由表1可知，研究区内各地层的电阻率值为7 Ω·m～113 Ω·m。其中嫩江组二段和青山口组平均电阻率分别为7.2 Ω·m和10.6 Ω·m，其他各地层平均电阻率值为14.4 Ω·m ～18.2 Ω·m；第四系电阻率值均值为28.8 Ω·m与下伏地层泥岩、粉砂岩、细砂岩存在一定电性差异；基底华力西期花岗岩电阻率值均值为113 Ω·m与上覆盖层电性差异较大。由此可见，各地层岩性组成成分不同时，地层间存在一定的电性差异，为在研究区开展电磁法探测提供了物性前提。

表1 研究区地层电阻率特征统计表

2.3 试验剖面地质体电性特征

试验剖面L3-1线位于松辽盆地北部东北隆起区海伦隆起带北西侧，钻孔ZKB3-1位于测线中部(图2)。

图3为ZKB3-1柱状及测井电阻率图。根据钻孔揭露情况，地层自下而上分别为泉头组(K2q)、青山口组(K2qn)、姚家组(K2y)、嫩江组(K2n，主要为嫩江组1、2段)和第四系(Q)。

图3 ZKB3-1柱状及测井电阻率图Fig.3 ZKB3-1 column and log resistivity chart

钻孔剖面揭露的6个地层与测井电阻率对应关系如下：第一层-20.8 m～0 m段，电阻率值25 Ω·m ～46 Ω·m，为第四系松散砂、黏土；第二层20.8 m～154.75 m段，电阻率平均值约18 Ω·m，为嫩江组二段泥岩；第三层153 m～216.5 m段，电阻率值18 Ω·m ～42 Ω·m，为嫩江组一段泥岩、粉砂岩；第四层216.5 m～295.90 m段，电阻率值14 Ω·m ～57 Ω·m，为姚家组泥岩、粉砂岩、细砂岩；第五层295.90 Ω·m ～374.75 m段，电阻率值约13 Ω·m ～60 Ω·m，为青山口组泥岩、细砂岩，泥岩为主；第六层374.75 m～525 m段，电阻率值约13 Ω·m ～102 Ω·m，为泉头组泥岩、砂岩或砾岩。

图4为 ZKB3-1深部推测泉头组底界埋深示意图(拜2、拜3钻井资料来自石油钻井资料)。由图4可知，参照浅部各钻孔对应情况，按其趋势类推ZKB3-1深部泉头组底界线埋深约880 m。

图4 ZKB3-1深部推测泉头组底界埋深示意图Fig.4 Sketch map of ZKB3-1 inferring the burial depth of the bottom boundary of Quantou formation

2.4 研究区地电模型

根据研究区已知岩石电阻率特征统计分析，得出如下地电结构：

1)嫩江组二段和青山口组主要以泥岩为主，电阻率值最低，可作为相对低阻标志层。

2)嫩江组一段以细砂、粉砂为主夹泥岩，电阻率整体为相对中低阻特征。

3)姚家组以泥岩、粉砂岩、细砂岩为主，泥砂互层，整体电阻率为相对中低阻特征。

4)泉头组二段、三段、四段岩性不同，电阻率特征变化不一。泉头组四段主要以砂岩、砾岩为主，泥岩次之，电阻率为相对中低阻特征；泉头组三段砂泥比值低，电阻率为相对低阻特征；泉头组二段主要以砂岩、钙质砂岩和砾岩为主，电阻率为相对中阻特征。

3 数据采集和数据处理

本次试验剖面长2.5 km，点距为100 m(图2)。CSAMT 法使用的仪器为加拿大凤凰公司的V8多功能电法仪；广域电磁法使用的仪器为湖南继善高科公司的广域电磁法仪。

CSAMT数据处理主要包括预处理及正、反演处理两个阶段，本次数据处理软件主要采用美国Zonge公司的软件包。预处理主要包括静态校正、远区数据频点的选择、噪声处理等内容，使用软件包括CMTPro和Astatic。反演处理主要包括地电模型建立及正演、反演参数选择、反演处理及成图，使用的软件为SCS2D(Occam反演)。根据处理结果对比需求，在数据处理过程中引用一维Bostick和二维共轭线性梯度联合反演。

广域电磁法数据预处理和反演处理均采用《地球物理资料综合处理解释一体化系统》(继善高科数据处理平台)。预处理包括去噪处理、静态校正，去噪处理主要是剔除“飞”点、跳点，本次剔除“飞”点使用了数据处理平台中的“人机交互曲线编辑解释系统”模块。反演处理过程为：一维连续介质反演成像→二维连续介质反演→综合信息建模和二维层状介质反演成像。

4 资料分析

结合研究区地电模型对两种方法的反演电阻率剖面进行了地质推断解释，同时根据现有资料进行了对比分析。

4.1 剖面资料解释

从CSAMT和广域电磁法反演电阻率及地质解释断面图(图5)可知，反演电阻率曲线总体平缓光滑，纵向上呈现相对低阻和中低阻相间分布特征，不同电性层位明显。通过与钻孔资料的对比分析，CSAMT可划5个电性层，广域电磁法可划分6个电性层，具体情况如下：

图5 CSAMT和广域电磁法反演电阻率及地质解释断面图Fig.5 Sections of inversion resistivity and geological interpretation inferred by CSAMT and wide-area electromagnetic method(a)CSAMT;(b)广域电磁法

1)埋深0 m～20 m，平均厚度约15 m，等值线平缓，呈水平层状，CSAMT反演电阻率值一般为6 Ω·m ～15 Ω·m，广域电磁法反演电阻率值一般为6 Ω·m ～30 Ω·m，均表现为中阻特征。推断为第四系，岩性以砂、黏土为主。

2)CSAMT剖面埋深12 m～151 m，平均厚度约90 m；广域电磁法剖面埋深12 m～126 m，平均厚度约95 m。二者均等值线平缓，呈水平层状，反演电阻率值一般小于6 Ω·m，表现为低阻特征。推断为嫩江组二段，岩性以泥岩为主。

3)CSAMT剖面埋深120 m～170 m，平均厚度约40 m，反演电阻率值一般为6 Ω·m ～18 Ω·m；广域电磁法剖面埋深107 m～260 m，平均厚度约50 m，反演电阻率值一般为6 Ω·m ～30 Ω·m。二者等值线变化平缓，整体呈水平层状，表现为中低阻特征。推断为嫩江组一段，岩性以细砂岩为主。

4)CSAMT剖面埋深170 m～390 m，平均厚度为220 m；广域电磁法剖面埋深为165 m～390 m，平均厚度为140 m。等值线相对平缓，呈水平层状，反演电阻率值一般小于8 Ω·m，表现为低阻、中低阻(局部)特征。推断为姚家组和青山口组并层，岩性以泥岩、细砂岩为主。

CSAMT断面平距1 045 m～1 800 m段展布的中低阻体，呈似层透镜状，电性层最大厚度约48 m。反演电阻率值为8 Ω·m ～12 Ω·m，表现为中低阻特征；广域电磁法断面平距为600 m～835 m和1 125 m～1 448 m段展布的中低阻体W，呈似层状分布，两端渐薄，电性层最大厚度约38 m，反演电阻率值为10 Ω·m～18 Ω·m，中低阻特征。根据地电模型，推断为姚家组细粒或粉砂岩。

5)CSAMT剖面埋深大于390 m，等值线起伏变化，反演电阻率值一般小于20 Ω·m，表现为低阻、中低阻特征；广域电磁法剖面埋深为320 m～910 m，平均厚度为530 m，反演电阻率值一般为6 Ω·m ～30 Ω·m，表现为中低阻、中阻特征。推断为泉头组，岩性以泥岩、砂岩和砾岩为主。

6)广域电磁法剖面埋深大于910 m，反演电阻率值一般为10 Ω·m ～60 Ω·m，表现为中阻特征。推断为下白垩统。

4.2 综合分析

4.2.1 频率测深对比分析

从理论上，频率越低探测深度越大。因低阻背景的吸附作用，使其传播距离受限。通过实验对比发现，CSAMT最低有效探测频率为1 Hz和广域电磁法最低有效探测频率为0.011 718 75 Hz时，采集数据的信噪仍然比较高、数据质量可靠。图6为同一测点CSAMT法和广域电磁法原始数据曲线图。通过对比可知：CSAMT法采集频点共41个，频率范围1 Hz～9 600 Hz，总体上，卡尼亚电阻率和阻抗相位曲线平滑，无跳变点，数据质量良好。广域电磁法由于只观测电场，利用电场与发射源之间的位置关系计算电阻率，所以观测结果仅有视电阻率曲线，而无阻抗相位。广域电磁法共采集频点62个，频率范围在8 192 Hz～ 0.015 625 Hz之间。整体来看，该曲线连续性和光滑性均较好，无畸变点，但与CSAMT法的卡尼亚电阻率曲线对比，不同频率段有明显的高低变化。

图6 CSAMT法和广域电磁法原始数据曲线Fig.6 CSAMT method and wide-area electromagnetic method(a)CSAMT;(b)广域电磁法

中低频段1 Hz～341.3 Hz视电阻率两种方法频点曲线基本一致，广域电磁法有细微变化，推断为泥砂泥互层结构电性特征细节变化的反映。中高频段384 Hz～8 192 Hz视电阻率两种方法差异较大，根据地质情况分析，CSAMT法测量结果反映较为客观，而广域电磁法受浅部电阻率低影响，高频信号在传播过程中衰减快，接收信号中高频段(尤其是大于1 024 Hz的高频)抗噪能力减弱。

4.2.2 钻孔揭露与反演结果对比分析

图7为ZKB3-1钻孔揭露与反演结果对比图。由图7可以看出，CSAMT法反演电阻率与实际地质情况基本吻合。广域电磁法反演电阻率在埋深大于390 m对应泉头组处基本吻合；在埋深115 m～210 m反演电阻率呈相对中阻与嫩江组一段和姚家组砂岩厚度基本一致，但是埋深位置有约30 m误差；在埋深50 m～70 m反演电阻率的相对中阻体与实际地质情况有一定差异。

图7 ZKB3-1钻孔揭露与反演结果对比图Fig.7 Comparison of ZKB3-1 borehole exposure and inversion results

4.2.3 剖面对比分析

两种方法反演电阻率剖面推断解释中可知：在埋深800 m以浅，CSAMT法在识别“泥-砂-泥”互层结构中更精确，广域电磁法在埋深390 m以浅推断解释存在一定误差。其中，对于嫩江组二段和青山口组泥岩低阻层两种方法均有所反映。在埋深800 m以深，广域电磁法剖面上为相对中低阻、中阻夹局部低阻电性特征，为泉头组砾岩、粗粒砂岩、中粒砂岩和泥岩的综合反映，较好反映出实际地质情况，并且在埋深大于1 020 m深部有明显的电性分界线，明显地显示出了基底与上覆盖层接触界线。

4.2.4 综合认识

从理论上CSAMT法频点数据曲线连续、光滑，数据质量好，1 Hz理论有效探测深度为863 m，综合整体剖面情况，实际有效探测深度约800 m。广域电磁法中高频段在低阻背景地区，中高频数据(384 Hz以上频点)变化大，但浅部综合解释与实际大致相符；中低频数据整体连续、光滑，数据质量好，最小频率为0.011 718 75 Hz，有效探测深度大于CSAMT法。

从实际试验结果可知：阻抗相位对中浅部地质变化有反应，CSAMT法数据卡尼亚电阻率加入阻抗相位参与反演时，得出的地电结构与地质情况吻合度高，所以CSAMT法在中浅部勘探中分辨率高；广域电磁法采用完整公式进行广域视电阻率计算，减少了由计算带来的误差，提高了数据精度，对深部反应效果更符合客观地质情况。

总之，CSAMT法和广域电磁法均能穿透低阻层，解决目标层及砂体分布情况。CSAMT法在实际应用中能有效分辨埋深800 m以浅地质体；广域电磁法在实际应用中埋深390 m以浅解释的地层厚度与实际存在一定误差，390 m以深推断解释基本与实际相符。

5 结论

松辽盆地北部盖层厚，地层电阻率值普遍较低，通过在松辽北部昌盛地段开展的CSAMT和广域电磁法两种方法的对比研究，显示二者均能穿透嫩江组和青山口组泥岩(厚层低阻层)，有效地探测低阻区深部地质情况。

1)CSAMT法理论上有效探测深度为800 m，而广域电磁法测量到的电磁波有效频率更低，其探测深度比CSAMT法更具优势。

2)CSAMT在低阻区卡尼亚电阻率与阻抗相位共同反演结果对地质体变化反应灵敏，结果更准确，能有效识别“泥-砂-泥”互层结构。

3)广域电磁法在低阻区有效探测深度大于800 m。其中，埋深390 m以浅推断地层厚度与实际存在一定误差，390 m以深推断解释基本与实际相符。

4)两种方法均有较好的应用效果，能真实反映深部地电结构。CSAMT法适用于目标层在埋深800 m以浅进行勘探(如在东北隆起区、西部斜坡区)能有效识别“泥-砂-泥”互层结构；广域电磁法适用于解决深大目标地质情况(如在中央凹陷区和北部倾没区盖层较厚区探索深部地质情况)。