米曉利，江汶波，李 清，楊云見，朱永山

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司，河北 涿州 072751)

0 引言

中國北方含油氣沉積盆地普遍伴生砂巖型鈾礦資源[1-6]，往往與油、氣、煤廣泛共生。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中石油礦權(quán)區(qū)鈾礦資源豐富，具有良好發(fā)展前景。為研究含油氣盆地鈾礦資源勘查、評價方法，揭示重點含油氣盆地鈾成礦地質(zhì)條件、分布規(guī)律以及尋找有利勘探區(qū)帶及重點目標區(qū)，中石油集團專門設(shè)立課題開展了系列研究工作。

地球物理探測方法作為一種間接找礦手段，對勘查隱伏礦靶區(qū)發(fā)揮著重要作用。近年來國內(nèi)不少學(xué)者在方法理論、方法效果等方面進行了不斷的探索和研究[7-13]，為開展深部找礦提供了技術(shù)支持，但在含油氣盆地中開展砂巖型鈾礦勘查方面做的工作很少。根據(jù)以往的研究，沉積盆地中砂巖型鈾礦埋藏深度較大，覆蓋層較厚，一般埋深在200 m以下，傳統(tǒng)的放射性物探方法及重磁電方法由于地面觀測異常微弱，導(dǎo)致效果不理想。本次試驗工作選擇具有較厚覆蓋層的已知礦區(qū)，使用了大功率的進口發(fā)射機，配合自主創(chuàng)新改進的多道分布式電磁數(shù)據(jù)采集站，同時采用了可同時計算多種電性參數(shù)的新的處理技術(shù)，以探索形成一種快速、有效的地球物理勘查技術(shù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)概況

試驗區(qū)位于松遼盆地南部開魯坳陷內(nèi)的TLD地區(qū)，近年來該區(qū)發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)超大型可地浸砂巖型鈾礦床，不少研究者陸續(xù)發(fā)表了系列地質(zhì)研究成果，對成礦地質(zhì)條件、礦床特征等進行了詳細的論述[13-15]。區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀平緩，地層傾角為5°～10°?；字饕獮榍罢鸬┫祷◢徠閹r和上古生界石炭—二疊系的變質(zhì)巖系，物源區(qū)主要為中生代火山巖和海西期、燕山期花崗巖，以及古生界變質(zhì)巖。蓋層主要由中生界下白堊統(tǒng)的斷陷湖盆沉積和上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組、明水組坳陷型河流-湖相沉積構(gòu)成，其上被古近系、新近系和第四系覆蓋。

自晚白堊世嫩江期末至新近紀，TLD地區(qū)一直處于隆升剝蝕狀態(tài)，缺失上白堊統(tǒng)四方臺組、明水組以及古近系和新近系。礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層自下而上分別為上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組和第四系，其中姚家組是主要含礦層。

TLD姚家組鈾礦床的含礦主巖為灰色、淺灰色中砂巖和細砂巖，屬辮狀河沉積相，埋深一般為180～330 m，鈾礦化累計厚度達8～22.9 m。鈾礦化中心受辮狀河道及貫通性斷裂構(gòu)造控制，礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。

1.2 礦體及含礦地層物性特征

TLD含礦地層具有砂巖型鈾礦成礦必需的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，區(qū)域性分布的紫紅色泥巖隔水層把姚家組含礦地層分為上下兩個含礦含水層，即姚家組下段含礦含水層(姚下段含礦砂體)和姚家組上段含礦含水層(姚上段含礦砂體)，測井電阻率值很低，僅在2～30 Ω·m之間。

區(qū)內(nèi)2號礦體為主礦體，規(guī)模最大，其儲量占所有礦體儲量的85.5%。礦體形態(tài)為板狀、透鏡狀及板狀透鏡狀的組合，厚度較穩(wěn)定，埋深在251.80～298.31 m之間。

含礦砂巖中碎屑礦物主要是石英、長石，巖屑含量較少；基質(zhì)為粘土礦物，膠結(jié)物為碳酸鹽、鐵質(zhì)、錳質(zhì)。此外，試驗區(qū)工業(yè)礦鉆孔中大量的巖心礦物分析表明，含鈾礦砂體中有大量黃鐵礦，且硫含量比較高。鈾礦越富集的鉆孔，黃鐵礦含量越高，而無礦鉆孔中黃鐵礦及硫的含量很低，分析認為，這可能在含油氣盆地中鈾礦與黃鐵礦等是一種伴生的關(guān)系。黃鐵礦是一種極化率很高的礦物，而石英、長石等礦物成分極化率很低，這對于應(yīng)用激發(fā)極化法進行探測具備了較好的地球物理探測基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗采用激發(fā)極化掃面加測深方法。傳統(tǒng)的激發(fā)極化法工作中，電極排列形式多種多樣，可以使用中間梯度、偶極—偶極、雙極—偶極、對稱四極、三級、單極—偶極、二極(近場源)以及測深等多種排列形式，最常用的電極排列有中間梯度裝置、偶極—偶極裝置。

試驗區(qū)為第四系全覆蓋區(qū)，地表多為農(nóng)田，另有村莊、水灘、河堤、鐵路、公路等對試驗工作有影響的因素。根據(jù)試驗?zāi)康模Y(jié)合礦區(qū)范圍內(nèi)鉆孔巖心分析劃定的氧化帶、過渡帶和還原帶情況，穿過已知工業(yè)礦鉆孔及無礦鉆孔設(shè)計了5條NW向測線，每條測線長度2000 m，測線距離200 m，一般測點距離100 m，在鈾礦鉆孔兩邊測點加密到25 m，試驗測線布置情況見圖1。本次試驗數(shù)據(jù)采集采用偶極-偶極裝置(圖2)，為提高效率，現(xiàn)場采用了創(chuàng)新的工作方式，每布置一個發(fā)射供電偶極，同時布置6個TFEM-WL2C-A型分布式無線電磁采集站接收偶極電場信號。

圖1 試驗測線布置示意圖Fig.1 Schematic layout map of geophysical survey line1—氧化帶 2—過渡帶 3—還原帶 4—試驗測線 5—工業(yè)礦鉆孔 6—無礦鉆孔

圖2 偶極裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of dipole device

為提高信噪比，除了使用9 kW大功率發(fā)射機，每個發(fā)射偶極多次發(fā)射方波信號，采集站高精度同步連續(xù)接收不極化電極采集的電場時序信號。激電掃面工作發(fā)射與接收偶極的距離為100 m；激電測深試驗時，發(fā)射偶極與接收偶極隔離系數(shù)分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5七個偶極長度倍數(shù)。發(fā)射機選擇0.25 Hz正負雙向方波信號，所有采集站采樣率選擇1 ms，記錄時間4 s。整個試驗采集工作中，為保證接收信號的精度，每天出工前為每個采集站配備極差最小的不極化電極。

2.2 分析方法

通過對每個觀測點接收的多次信號進行疊加，傅式變換后由以下公式計算每個測點電阻率振幅、相位、極化率等多種參數(shù)。

復(fù)電阻率計算公式(1)：

(1)

式(1)中，K為裝置系數(shù)，

K=π×a×n×(n+1)×(n+2)。

(2)

式(2)中，a為偶極長度，n為發(fā)射偶極距與接收偶極距之間的隔離系數(shù)。

視電阻率振幅參數(shù)：

(3)

(4)

(5)

式中，ΔV2(t)為記錄時間域信號t時刻的二次場值，ΔV1+2為總場值。

試驗區(qū)第四系覆蓋較厚，地表電阻率較低。偶極-偶極裝置系統(tǒng)在逐測點進行測量時，它的供電偶極以不同位置去激發(fā)目標體，因而可以在某些條件下使目標體處于良好的極化狀態(tài)，通過由上述公式計算出的電性參數(shù)平面分布特征預(yù)測隱伏的礦體。

3 分析結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理

資料處理流程見圖3。試驗區(qū)數(shù)據(jù)采集受無線電發(fā)射塔、輸電線、用電設(shè)施等多種干擾源影響，通過工頻濾波、多次疊加等措施，可有效提高信噪比。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow

單測點時序信號進行消除干擾處理后，進行傅式變換，得到實部分量與虛部分量，然后再按前述公式計算分別得到相位、極化率、電阻率振幅等參數(shù)。由于地表不均勻體的影響，造成各參數(shù)剖面圖上出現(xiàn)畸變的虛假異常(圖4a)。盡管偶然誤差會使異常曲線不光滑而成鋸齒狀，但并不會改變異常曲線變化的基本趨勢，我們采用畸變點剔除、平滑濾波等處理方法，進一步減小噪聲的影響(圖4b)。把所有測點平滑處理后的各參數(shù)分別通過專業(yè)成圖軟件，形成平面等值線圖。

圖4 處理前后剖面對比曲線Fig.4 Comparison curves of geophysical profile before and after treatment

為進一步通過得到的參數(shù)平面等值線圖對試驗區(qū)礦體分布情況作出預(yù)測，分別對相位、極化率、電阻率三個參數(shù)進行異常下限的劃分。確定下限的原則是所有測點的參數(shù)值平均值加上3倍的參數(shù)均方誤差，按此計算的電阻率、相位、極化率異常下限值分別為53 Ω·m、-8.5 mrad、4.5%。

3.2分析結(jié)果

試驗區(qū)工業(yè)礦孔附近與非礦孔位置激電測深點得到的相位、極化率、視電阻率參數(shù)深度曲線在礦層段有明顯的差異(圖5)。在200m以下，相位(負值越大說明極化越強)、極化率數(shù)值開始增大，與前面介紹的試驗區(qū)已知主礦體所在的砂巖深度吻合；相位參數(shù)對礦與非礦的反映非常明顯，幅度差變化最大；極化率參數(shù)對礦與非礦的反映幅度差次之；視電阻率參數(shù)曲線對礦與非礦的反映變化最小，主要反映地層導(dǎo)電性方面的差異。

圖5 礦孔區(qū)與非礦孔區(qū)參數(shù)對比曲線Fig.5 Comparison curves of the parameters in ore hole area and non-ore hole area(a)相位曲線 (b)極化率曲線 (c)視電阻率曲線

相位、極化率、電阻率等參數(shù)異常是多種因素引起的，是地下不同深度、不同形狀的地質(zhì)體在地表的綜合反映，既含有礦化異常，也含有各種級別的背景異常。通過結(jié)合砂巖型鈾礦地質(zhì)特征與已知見礦井資料，分析多參數(shù)異常分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上推斷礦致異常。首先分析試驗區(qū)相位、極化率和視電阻率的平面特征(圖6)，三者之間呈現(xiàn)了很強的關(guān)聯(lián)性，同時在已知鉆井揭示的已知鈾礦范圍內(nèi)具有高相位、高極化、高電阻率的“三高”參數(shù)異常特征。

試驗區(qū)視電阻率(圖6a)數(shù)值范圍為36～76 Ω·m，整體表現(xiàn)為中間高，兩端低。西北部高林屯附近、十家子及前德勝至阿布根艾樂表現(xiàn)為低阻特性，其余地區(qū)表現(xiàn)為高阻特征。視電阻率高值點主要分布在前德勝以西4000m范圍內(nèi)。

試驗區(qū)相位(圖6b)數(shù)值范圍在-12 mrad～-5.5 mrad之間，整體呈現(xiàn)中間低兩端高的特征，相位分布相對分散。相位低值區(qū)主要集中在鐵路和公路之間，其他區(qū)域高值、低值分散分布。

試驗區(qū)極化率(圖6c)數(shù)值范圍為2.6%～5.8%，整體表現(xiàn)為中間高，兩端低。極化率高值區(qū)域主要集中在鐵路和公路之間，在鐵路西北部和二十八戶附近也有高值分布，但值相對較低。在前德勝和阿布根艾勒之間是低極化率存在的主要區(qū)域。

根據(jù)試驗區(qū)已知鈾礦賦存位置電性多參數(shù)異常特征，結(jié)合異常大小、走向及其分布特征，劃分出4個異常帶(圖6d)。

圖6 研究區(qū)多參數(shù)異常平面分布圖Fig.6 The planar distribution map of multi-parameter anomalies in the study area(a)視電阻率平面圖 (b)相位平面圖 (c)極化率平面圖 (d)異常帶位置圖

Ⅰ號異常為最好的異常帶，位于研究區(qū)中部的后德勝村西北方向，有兩個高值區(qū)域，異常未封閉。極化率數(shù)值在4.6%～5.6%之間，相位數(shù)值在9.8 mrad～11.5 mrad之間，電阻率數(shù)值在56～73 Ω·m之間。

Ⅱ號異常位于工區(qū)中北部的土家子村東南方向，異常未封閉，極化率數(shù)值在4.7%～5.6%之間，相位數(shù)值在9.6 mrad～10.7 mrad之間，電阻率數(shù)值在58～66 Ω·m之間。

Ⅲ號異常為中等異常帶，位于工區(qū)東南端部的二十八戶村附近，異常未封閉。極化率數(shù)值在4.5%～5.1%之間，相位數(shù)值在9.1 mrad～10.2 mrad之間，電阻率數(shù)值在53～63 Ω·m之間。

Ⅳ號異常為較小異常帶，位于工區(qū)西北鐵路西北側(cè)，區(qū)域內(nèi)干擾較大。異常未封閉，極化率數(shù)值在4.5%～5.1%之間，相位數(shù)值在8.5 mrad～10.3 mrad之間，電阻率數(shù)值在59～68 Ω·m之間。

4 討論

本次方法試驗工作覆蓋面積1.6 km2，該區(qū)內(nèi)共有鉆孔17個，其中工業(yè)礦孔13個，無礦孔4個，激電多參數(shù)方法圈定的4個異常位置涵蓋了所有工業(yè)礦孔位置，并處于礦區(qū)綜合地質(zhì)研究劃定的氧化還原過渡帶有利位置，統(tǒng)計見礦率達78%。

試驗區(qū)內(nèi)多個工業(yè)礦孔的巖心礦物分析表明，礦層段含有大量的黃鐵礦顆粒，地面引起激電異常的原因很有可能是因為這些黃鐵礦物的存在所造成，其他含油氣盆地是否有類似規(guī)律值得進一步開展試驗研究。

5 結(jié)論

1)本次試驗使用分布式電磁采集站以排列采集方式實現(xiàn)了一次發(fā)射多道同步接收的高效采集，通過全波形時間域處理方法同時得到電阻率、相位、極化率等多個電性參數(shù)，該方式具有快速采集、多參數(shù)評價、預(yù)測精度高的優(yōu)勢。

2)在已知礦體鉆孔旁做的多參數(shù)激電測深曲線表明，相位、極化率對礦體反映靈敏，接近礦體埋藏深度時兩參數(shù)數(shù)值明顯增大。電阻率參數(shù)對礦體的存在反映不敏感，但平面上電阻率的高值帶與賦存鈾礦的砂體密切相關(guān)。3個參數(shù)綜合圈定的異常范圍內(nèi)見礦率高，對鉆探井位部署有著重要的指導(dǎo)意義。

本次方法試驗工作表明，相位多參數(shù)激電法有良好的推廣應(yīng)用前景，對在類似地表地質(zhì)條件地區(qū)開展砂巖型鈾礦資源勘探具有有重要的借鑒意義。

致謝：衷心感謝遼河油田分公司雷安貴高級工程師、李清春高級工程師對本項目的支持與幫助。