高文利， 孔廣勝， 潘和平， 林振洲， 邱禮泉，馮杰 ， 方思南， 鄧呈祥， 李洋， 劉東明

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中國地質大學（武漢）， 武漢 430074

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廬樅盆地科學鉆探地球物理測井及深部鈾異常的發(fā)現(xiàn)

高文利1， 孔廣勝1， 潘和平2， 林振洲1， 邱禮泉1，馮杰1， 方思南2， 鄧呈祥2， 李洋1， 劉東明1

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中國地質大學（武漢）， 武漢 430074

廬樅盆地磚橋科學鉆探ZK01孔為深部探測技術與實驗研究專項在廬樅盆地施工的鉆探驗證孔，全井段實施了連續(xù)取心和地球物理測井工作.測井工作分三次完成，測井總深度1994.02 m.測井項目包括視電阻率、極化率、磁化率、縱波速度、超聲成像、自然伽馬、密度、井斜、井徑、井溫、泥漿電阻率、井中三分量磁測等10多種方法，獲得了鉆孔剖面原位物性參數、鉆孔幾何形態(tài)及井壁超聲圖像.通過對地球物理測井和鉆孔巖心編錄等資料的研究，完成了巖性的人工識別與支持向量機判別，建立了鉆孔測井解釋巖性剖面；通過對礦化地層的測井響應分析，將電阻率和磁化率作為粗安巖礦化的識別標識；根據超聲成像測井資料推斷本地區(qū)深部地層最大水平主應力方向為南北走向.在ZK01孔1500～1900 m發(fā)現(xiàn)放射性異常，對鈾當量大于萬分之一的21處異常進行了定量解釋，鈾礦化段累積厚度93.02 m，為廬樅地區(qū)深部找鈾礦提供了重大線索.

廬樅礦集區(qū)； 火成巖； ZK01孔； 地球物理測井； 鈾礦化

1 引言

地球物理測井（簡稱測井）作為重要組成部分和關鍵技術之一，與鉆探取心、巖心測試和地面地球物理技術一起構成了科學鉆探的完整體系（牛一雄等，2004）.近年來，我國相繼開展了江蘇東海中國大陸科學鉆探（Pan et al.，2002），青海湖、柴達木盆地環(huán)境科學鉆探（李斌凱等，2007），松遼盆地白堊紀科學鉆探（高有峰等，2011），汶川地震斷裂帶科學鉆探（唐力君等，2013；李海兵等，2013）等工程，其中地球物理測井為地學研究提供了大量的原位測量數據和解釋成果，從而為推斷地球內部的物質組成、動態(tài)演化及驅動力，了解地球內部結構、構造和動力機理，了解與地質環(huán)境、災害有關的信息提供了重要依據.

隨著找礦空間向深部拓展，把重要成礦帶和礦集區(qū)深部結構探測和成礦學研究密切結合，探索大型礦集區(qū)和巨型礦床形成的深部控制因素，開辟了成礦學研究和深部找礦的新思路（呂慶田等，2011）.通過科學鉆探能探測地殼精細結構，探測深部物性結構，探測深部物質成分并實驗模擬，實現(xiàn)礦集區(qū)的“透明化”（董樹文等，2014）.廬樅盆地構造特征復雜、巖漿-成礦作用活躍，區(qū)內廣泛發(fā)育與火山-潛火山巖及侵入巖有關的鐵、銅、鉛鋅、明礬石礦床，是長江中下游成礦帶中7個重要的礦集區(qū)之一（常印佛等，1991；翟裕等，1992；唐永成等，1998）.在該地區(qū)選擇重要地球物理異?；蛏畈砍傻V有利區(qū)，以具有代表性礦床的成礦環(huán)境為主要探測和研究對象，部署2000 m巖心鉆探孔，并開展地球物理測井工作，達到獲得礦集區(qū)深部地層、物性信息，驗證地球物理異常（呂慶田等，2011）的目的.

廬樅礦集區(qū)磚橋科學鉆探ZK01孔地球物理測井為“深部探測技術與實驗研究專項（SinoProbe）”中的研究內容，依托于項目3（SinoProbe-03）“深部礦產資源立體探測及試驗研究”的“重要異常的鉆探驗證與金屬垂向分布規(guī)律研究”課題.地球物理測井可以劃分和校驗地質剖面、查明目的層，研究與金屬礦有成因關系的圍巖蝕變以及發(fā)現(xiàn)金屬礦，同時又是一種原位測定各種巖礦石物理性質的可靠手段.本文通過廬樅礦集區(qū)磚橋科學鉆探ZK01孔的地球物理測井與井中物探研究工作，建立鉆孔附近的巖石物性剖面，研究廬樅礦集區(qū)深部物性分布狀況，為研究深部成礦理論提供巖礦石的地球物理信息，以助于提高對我國東部成礦背景、成礦動力學過程的認識.同時在鉆孔深部發(fā)現(xiàn)了強放射性異常，對廬樅深部找放射性礦具有理論和實際意義.

2 ZK01孔及測井概況

廬樅盆地位于揚子板塊北緣，郯廬斷裂帶東側，是長江中下游斷陷帶內一東北向的不對稱耳狀盆地.盆地中的巖石地質單元大體可劃分為兩部分：一是前寒武紀的變質結晶基底，二是以寒武系以來的沉積蓋層（常印佛等，1991；任啟江等，1991；胡文瑄等，1991）.ZK01孔位于廬樅盆地中部，孔深2012.35 m.鉆孔2～1469.81 m主要為磚橋組火山巖，主要巖石為粗安巖、高嶺石化粗安巖、黃鐵礦化粗安巖、硬石膏化粗安巖和輝石粗安巖；1488.84～1603.35 m為火山巖地層與下伏巖體的接觸帶；1603.35～2012.35 m為巖體，自上而下依次為（石英）正長巖、石英二長巖、黑云母石英二長巖，相互之間為漸變過渡關系（張舒等，2014）.

ZK01孔的測井數據采集工作由中國地質科學院物化探所負責，嚴格按照相關規(guī)范分三次進行，累計完成測井工作量1994.02 m.測井數據采集設備為英國RG公司的Micrologger II便攜式測井系統(tǒng)、北京中地英捷物探儀器研究所的PSJ-2數字測井系統(tǒng)、中國地質科學院物化探所和重慶地質儀器廠研制的JGCX-1高精度井中三分量磁力儀.

測井及井中物探測量項目包括視電阻率、極化率、磁化率、縱波速度、超聲成像、自然伽馬、密度、井斜、井徑、井溫、泥漿電阻率、井中三分量磁測等10多種方法.測井數據質量滿足設計和規(guī)范要求.測井資料處理采用Advanced Logic Technology公司的WellCAD4.4測井解釋軟件，主要包括數據預處理、圖像生成和解釋.

3 測井響應特征分析

3.1 巖性測井響應特征

測井作為一種可在接近原始條件下獲得巖層原位物理特性的物探方法，不會像實驗室?guī)r心測試，受到巖心從井下到地面的采集、搬運過程中所發(fā)生的物理、化學性質變化影響.因此，利用測井方法來獲得巖石物性、識別巖性非常必要.ZK01孔鉆遇巖性主要為火成巖，鉆遇率較高有代表性的巖性有粗安巖、凝灰?guī)r、粉砂巖、安山玢巖、角礫巖、正長巖和二長巖.通過常規(guī)測井曲線與鉆孔巖心編錄資料的對比分析，選擇視電阻率、極化率、磁化率、縱波速度、自然伽馬、密度測井數據進行巖性測井響應和巖性識別研究.通過直方圖統(tǒng)計，得到各巖性測井響應值.統(tǒng)計結果見表1.

各巖性測井響應的常見值能夠很好地代表某巖性的特征，最大值和最小值則可以指示巖性測井響應的可能分布范圍.從巖性測井響應值統(tǒng)計表中可以認識到：

（1）正長巖、二長巖因其正長石含量較高，其自然伽馬的值也比其他幾種巖性的大，常見值超過300 API.

（2）視電阻率區(qū)分巖性效果較好，并按照二長巖、正長巖、次生石英巖、黃鐵礦化粗安巖、安山玢巖、粗安巖、凝灰?guī)r的順序依次降低.

（3）縱波速度、極化率、磁化率、密度對各巖性的測井響應區(qū)分度不高，難以從單一測井曲線上有效辨別巖性.

不同火成巖石的測井特征相互重疊，為在交會圖上能直觀地區(qū)分各種巖石的分界和所分布的區(qū)域，需要綜合應用各種測井曲線信息.以1490 m為分界線將磚橋組和巖體分別進行分析研究，磚橋組選取粗安巖、高嶺石化粗安巖、黃鐵礦化粗安巖、硬石膏化粗安巖和輝石粗安巖繪制測井屬性交會圖（圖1），巖體則選取了正長巖、石英正長巖、石英二長斑巖和黑云母石英二長巖（圖2）.本文在巖石物性分析中應用的交會圖有：自然伽馬-視電阻率交會圖、極化率-視電阻率交會圖、密度-縱波速度交會圖和極化率-磁化率交會圖.

從圖1可以看出，自然伽馬能有效的將高嶺石化粗安巖與其他巖石區(qū)分開；極化率和視電阻率配合能將大部分硬石膏化粗安巖與其他巖性區(qū)分出來；密度和縱波速度配合，能識別部分黃鐵礦化粗安巖；極化率和磁化率配合能識別部分輝石粗安巖.

從圖2可以看出，自然伽馬能將正長巖與其他巖石區(qū)分開；視電阻率能將石英二長斑巖與其他巖性區(qū)分開；縱波速度和密度配合，能將石英正長巖、石英二長斑巖和黑云母石英二長巖這三種巖石區(qū)分開；磁化率能將正長巖和石英正長巖與石英二長斑巖和黑云母石英二長巖區(qū)分開.

表1 ZK01孔主要巖性測井響應值統(tǒng)計表

圖1 ZK01孔磚橋組地層各測井參數交會圖

圖2 巖體各測井參數交會圖

圖3 支持向量機的判別結果

圖4 ZK01孔的測井識別巖性剖面

圖5 ZK01孔700～1000 m測井曲線圖

圖6 ZK01孔超聲波成像測井

圖7 ZK01孔裂縫參數隨深度的變化規(guī)律

圖8 ZK01孔1500～1900 m測井識別巖性圖

圖9 1603.96～1643.95 m鈾當量解釋曲線

3.2 巖性識別

人工識別巖性準確性高，但耗時相對較長，將支持向量機方法運用于巖性識別，可提高工作效率.支持向量機是建立在統(tǒng)計學習理論VC維理論和結構風險最小化原理基礎上的機器學習方法，在解決小樣本、非線性和高維模式識別問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，并在很大程度上克服了“維數災難”和“過學習”等問題（丁世飛等，2011）.

本文優(yōu)選了220個具有代表性的巖心作為訓練樣本，其中粗安巖40個，黃鐵礦化粗安巖40個，高嶺石化粗安巖35個，正長巖35個，安山玢巖30個，凝灰?guī)r40個，提取它們的聲波時差、自然伽馬、視電阻率、密度測井數據建立了4維6類的樣本空間.為了消除各特征量綱不同所帶來的影響，對學習樣本的測井參數進行歸一化處理，將每一組測井值歸一到[-1,1]（鄧呈祥等，2015）.

本次巖性識別中，支持向量機的優(yōu)化核函數參數γ為151.9852，懲罰因子C為9.1105.如圖3所示，為250～440 m井段人工識別綜合分層和支持向量機判別分層的結果對比，總體上判別結果接近（鄧呈祥等，2015）.

廬樅礦集區(qū)磚橋科學鉆探ZK01孔巖性復雜，通過交會圖等技術對測井響應特征分析，提取了不同巖性不同測井參數的特征.在此基礎上對全孔進行了測井巖性識別，建立了鉆孔鉆遇主要巖性的測井解釋巖性剖面，如圖4所示.測井推斷本孔的地層分布124層，包含40種巖性.其中，粗安巖有15層，共計526.6 m，主要分布在1000 m以上的部位；黃鐵礦化粗安巖有10層，共計319.2 m，分布在ZK01孔610～1440 m的部位；高嶺石化粗安巖有16層，共計301.4 m，主要分布在1200 m以上的部位；凝灰?guī)r有6層，共計101.6 m，主要分布在ZK01孔的中間部位；安山玢巖有4層，共計28.5 m，主要分布在1600 m以下的部位；正長巖有5層，共計248.5 m，主要分布在1480 m以下的部位；二長巖全分布在1790 m以下.

從測井識別巖性的情況來看，ZK01孔附近在1480 m以上主要為噴出巖，1480 m以下為深層侵入巖，這顯示了該地區(qū)同時經歷了火山噴發(fā)活動與深部巖漿活動（周濤發(fā)等，2010；賈麗瓊等，2014）；巖石與礦化在噴出巖的礦化區(qū)域中立體分布，則說明該地區(qū)在火山噴發(fā)結束之后，深部巖漿活動也逐漸停止，伴隨的熱液成礦作用（熊欣等，2014a）導致了粗安巖的硬石膏化、黃鐵礦化和高嶺石化（張榮華等，2010）.

3.3 礦化異常的識別

ZK01孔井深20～1480 m處的黃鐵礦化現(xiàn)象比較常見，均發(fā)生在粗安巖當中.粗安巖的黃鐵礦化和高嶺石化、硬石膏化均有明顯的測井響應，如圖5所示.硬石膏化粗安巖和高嶺石化粗安巖的磁化率小于1000×10-4SI，遠小于粗安巖和黃鐵礦化粗安巖.硬石膏化粗安巖的電阻率主要分布在100～700 Ωm之間，高嶺石化粗安巖的電阻率主要分布在60～200 Ωm之間，硬石膏化粗安巖的電阻率減小，而高嶺石化電阻率變化不大；根據黃鐵礦化磁化率特征，790～840 m處的黃鐵礦化粗安巖較900～960 m處的黃鐵礦化粗安巖的礦化程度高.

黃鐵礦化粗安巖集中在井深610～1440 m的部位，測井曲線中聲波時差減小、密度增大、視電阻率增大；高嶺石化粗安巖分布在1200 m以上部位，測井曲線中聲波時差增大、密度減小、視電阻率減小、磁化率減小.

3.4 超聲成像的測井評價

超聲成像測井中超聲波脈沖的井壁反射信號振幅反映井壁的聲阻抗分布：地層與井液聲阻抗差小，反射波信號振幅小，在成像測井振幅圖像上顏色較深（鄒長春等，2014）.如圖6所示，當井穿過裂縫時，裂縫表現(xiàn)為一條深色的正弦曲線：如圖6a是250 m處的多個平行低角度縫；圖6b是ZK01孔中常見的垂直縫（傾角大于75°）.

ZK01孔裂縫較為發(fā)育，共拾取了裂縫3200余條，平均值為1.6條/m，其中300～400 m和800～900 m深度范圍內裂縫尤為發(fā)育（圖7a），而在1100 m以下相對不發(fā)育.

全井段裂縫傾角大小整體上呈現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢，且主要分布在50°～80°之間（圖7b）；裂縫傾向分布不集中，在0°～360°之間均有一定量的分布（圖7c），裂縫傾向18～550 m主要分布于0°～140°、240°～360°，550～1000 m主要分布在150°～300°，1000～1400 m分布較為均勻，1400～1964 m主要分布于0°～150°與270°左右.綜上，裂縫傾角以高角度為主，傾向分布不集中，隨深度變化明顯.

鉆孔中，泥漿壓力與地應力的不同會導致井壁上的應力釋放（如井壁崩落），從而產生雙對稱分布的井壁崩落或擴孔.通過井壁崩落方向可以判斷地應力方向，根據井眼崩落形成的橢圓井眼特征，橢圓的長軸方向為井眼崩落方向，短軸方向為最大水平主應力（Nie et al, 2013），如圖6c所示，1038～1042 m的井段上，崩落方向大致為90°和270°，從圖6c的崩落方向可以推斷出，最大主應力方向大致沿南北走向.

4 放射性異常的發(fā)現(xiàn)與解釋

放射性測井是確定井中鈾礦含量、厚度及深度的主要手段.通過測井資料獲得地層中鈾含量分布并找出非礦夾層，為鈾儲量計算提供基礎數據并指導鈾礦開采（駱淼等，2008）.

ZK01孔在1500～1900 m井段發(fā)現(xiàn)高自然伽馬異常，且異常層厚度較大.在該鈾礦化段上下圍巖的自然伽馬大多處于180API左右水平，而在1500～1900 m多見高達2000API左右的尖峰狀自然伽馬異常.1500～1900 m井段自然伽馬測井曲線及其測井巖性識別見圖8.

數據采集采用的自然伽馬儀器標定鈾含量靈敏度為877.88API相當于萬分之一鈾含量（0.01%eus）-1，針對放射性異常，對鈾當量進行了計算.本文僅對鈾當量大于萬分之一的異常進行了解釋，通過對ZK01孔壁鈾當量曲線統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)21處異常，見表2.其中，鈾當量最高井段在1897.39～1897.93 m，厚度0.54 m，鈾當量0.039%；單層最厚異常井段在1603.96～1643.95 m，厚度39.99 m，鈾當量0.011%，見圖9.解釋異常累計厚度93.02 m.

為研究放射性異常的原因，選取異常井段14件樣品進行質譜和光譜分析，得到巖石樣品53種元素含量，表3為選擇的相關主要元素含量統(tǒng)計表.在放射性異常地段采集的巖石樣品化學分析結果顯示，與正長巖類巖石平均化學組成相比，大多數元素并沒有明顯的異常顯示，但是與放射性有關的幾個元素U、Th和K2O卻出現(xiàn)較明顯且連續(xù)的異常，U、Th兩元素異常吻合較好，多數樣品中兩元素含量的富集程度及其變化趨勢一致.此外出現(xiàn)異常的還有Cu元素.

正長巖和二長巖的自然伽馬平均值明顯高于其他巖性，分別為731 API、405 API，按給定強度法計算相當于鈾當量0.83×10-2%和0.46×10-2%.說明該孔中正長巖和二長巖的鈾當量是地殼中相應巖石克拉克值得10倍以上.正長巖和二長巖中存在鈾元素富集區(qū)的可能性較大.

鉆孔內鈾釷礦化屬于高溫階段礦化，鉆孔中鈾釷礦物主要為鈾釷石和鈦油礦及少量的晶質油礦（熊欣等，2013；2014b）.正長巖和二長巖富含鈾釷資源，有可能成為區(qū)內鈾礦床的母巖.除應加強在其內外接觸帶中鈾資源勘查外，尤其要注意在正長巖和二長巖成巖后的熱液溫水活動區(qū)的勘查，熱液溫水活動有可能將母巖中的鈾和其他元素溶解和淋濾出來，進而匯集到裂隙中沉淀成礦.

表2 地層鈾當量計算結果

表3 ZK01孔巖心樣本中主要元素含量統(tǒng)計表

廬樅地區(qū)目前已發(fā)現(xiàn)品級較富的鈾礦，均位于正長巖體外接觸帶（曹達旺和向銘，2012）.ZK01孔深部放射性異常的發(fā)現(xiàn)，推動了廬樅地區(qū)與盆地內部堿性正長巖有關的Fe-Cu-U礦化研究.這類與正長巖有關的礦化具有其自身鮮明的特征，是長江中下游成礦帶中一個新的礦化類型（張舒等，2014）.

5 結論

（1） ZK01孔的主要巖性為粗安巖、凝灰?guī)r、安山玢巖、正長巖和二長巖，從上到下依次為噴出巖和侵入巖，該地區(qū)的火山噴發(fā)活動與深部巖漿活動大致同時進行，伴隨著正長巖中的釷鈾礦化和粗安巖中的黃鐵礦化、高嶺石化和硬石膏化.通過分析噴出巖和侵入巖地層的測井響應特征，完成主要巖性的人工識別與支持向量機判別，建立了鉆孔巖性剖面；并根據超聲成像測井資料推斷南北走向為該地區(qū)的最大水平主應力方向.

（2） 黃鐵礦化粗安巖集中在井深610～1440 m的部位，測井曲線中聲波時差減小、密度增大、視電阻率增大；高嶺石化粗安巖分布在1200 m以上部位，測井曲線中聲波時差增大、密度減小、視電阻率減小、磁化率減小.

（3） 正長巖中的鈾釷礦化產生的放射性異常在1500～1900 m分布，其自然伽馬值最高達到2000 API，鈾礦化累積厚度93.02 m.本類鈾釷礦化品位低，但可能會有一定規(guī)模，甚至可能有很大的儲量，作為未來的利用對象仍值得注意.

致謝 本文研究工作得到中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所吳治平教授、張勤研究員的幫助，評審專家提出了寶貴的修改建議，在此深表謝意！

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（本文編輯 張正峰）

Geophysical logging in scientific drilling borehole and find of deep Uranium anomaly in Luzong basin

GAO Wen-Li1, KONG Guang-Sheng1, PAN He-Ping2, LIN Zhen-Zhou1, QIU Li-Quan1, FENG Jie1, FANG Si-Nan2, DENG Cheng-Xiang2, LI Yang1, LIU Dong-Ming1

1InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,CAGS,HebeiLangfang065000,China2DepartmentofGeophysics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China

The geophysical logging of scientific drilling borehole ZK01 in Luzong district is a part of the project “Detection Technology and Experiment for Deeper Formations （SinoProbe）”, which relies on the subject “Drilling verification of important anomalies and study of metal vertical distribution rule” of the project SinoProbe-03 “Study of three-dimensional detection and experiment for deeper mineral resources”. The purposes of geophysical logging include delimiting and verifying geological section, identifying target stratum and studying the wall rock alteration related to the formation of mineral deposit as well as finding mineral deposit, and providing physical properties for in-situ determination of rock and ore.Micrologger II portable logging system of Robertson Geologging, UK is the main data acquisition equipment for the geophysical logging. The logging work of borehole ZK01 was carried out in three times from September 28, 2011 to April 1, 2012 with a total logging depth of 1994.02 m. Over ten methods were used in the logging project,including apparent resistivity, polarizability, magnetic susceptibility, acoustic compressed velocity, ultrasonic imaging, gamma-ray, density, borehole deviation, caliper, fluid temperature, mud resistivity, and borehole three-component magnetic, etc, and the in-situ physical properties of borehole section together with borehole geometry and ultrasonic images of borehole wall were obtained.Through the study of geophysical logging and borehole logging data, artificial lithology identification and support vector machine discrimination are achieved to help establish the lithological section of the logging borehole; through logging response analysis of the mineralized stratums, and treating resistivity and magnetic susceptibility as the identification of mineralized trachyandensite, pyritized trachyandensite is found to concentrate from 610 m to 1440 m and kaolinized trachyandensite is found to be distributed above 1200 m. According to the ultrasonic logging data, the maximum horizontal principal stress of deeper formation around ZK01 is in the direction of north-south.Radioactive anomalies are found from 1500 m to 1900 m in borehole ZK01. Quantitative interpretation is carried out towards 21 anomalies whose uranium equivalent is over 1/10000 with a total thickness of 93.02 m. The mineralization grade of uranium and thorium in such area is lower but may form a certain scale or even richer reserve, which, therefore, is still worth attention for future use.

Luzong district; Igneous rock; Borehole ZK01; Geophysical logging; Uranium mineralization

國家深部探測技術與實驗研究專項（SinoProbe）第3項目“深部礦產資源立體探測及試驗研究”第03課題和國家高技術研究發(fā)展計劃課題“金屬礦小口徑地下物探技術與設備”（2014AA06A608）聯(lián)合資助.

高文利，男，1962年生，教授級高工，主要從事地下物探方法技術與儀器研究.E-mail: gaowenli@igge.cn

10.6038/cjg20151215.

10.6038/cjg20151215

P631

2015-06-03，2015-12-16收修定稿

高文利， 孔廣勝， 潘和平等. 2015. 廬樅盆地科學鉆探地球物理測井及深部鈾異常的發(fā)現(xiàn).地球物理學報，58（12）:4522-4533,

Gao W L, Kong G S, Pan H P, et al. 2015. Geophysical logging in scientific drilling borehole and find of deep Uranium anomaly in Luzong basin.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4522-4533,doi:10.6038/cjg20151215.