李 英 賓

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002； 3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002)

0 引言

研究區(qū)位于騰格爾坳陷東北緣，屬于二連盆地鈾成礦帶，坳陷周緣火山巖、侵入巖為砂巖型鈾礦提供了豐富的物源，下白堊統(tǒng)賽漢組發(fā)育的控礦沉積體系良好，晚白堊世坳陷整體抬升，發(fā)育有利于地下水補(bǔ)、徑、排的“剝蝕型窗口”，有利于鈾礦的形成和保存[1-2]。在前期帶鉆普查工作中，在騰格爾坳陷內(nèi)的阿其圖烏拉、都日木、那仁寶力格、布圖莫吉、賽汗莫力吉等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了鈾礦化信息，尤其是在2019年度鈾礦勘查中，在都日木凹陷發(fā)現(xiàn)了工業(yè)鈾礦化孔，鈾礦化主要賦存在賽漢組古河道砂體中，鈾成礦環(huán)境優(yōu)越[3-4]。識(shí)別下白堊統(tǒng)賽漢組砂體的空間展布形態(tài)有利于一下步鈾礦找礦工作。研究區(qū)揭露的賽漢組及其砂體多分布在600 m以淺，在此勘查深度內(nèi)，CSAMT測(cè)量具有較好的效果[5-8]。2012～2020年，核工業(yè)航測(cè)遙感中心在二連盆地完成CSAMT測(cè)線約2 000 km，并圈定了多處砂體，探索了古河道的發(fā)育特征，為鈾礦勘查提供了資料。為了騰格爾坳陷深部找礦工作取得突破，開展CSAMT測(cè)量工作識(shí)別下白堊統(tǒng)砂體十分必要。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

騰格爾坳陷為一個(gè)北斷南超型的脊?fàn)钲晗荩挥诙B盆地東南部，EW向展布，東臨大興安嶺隆起，西北臨蘇尼特隆起，南臨溫都爾廟隆起，為賽漢塔拉復(fù)向斜，呈現(xiàn)多凸多凹的格局。研究區(qū)位于騰格爾坳陷東北緣的都日木凹陷(圖1)，北西端延伸至蘇尼特隆起,南東端延伸至那仁寶力格隆起。都日木凹陷是復(fù)合箕狀凹陷，北西和南東部邊界受斷裂控制。研究區(qū)基底為華力西期花崗巖體、古生界變質(zhì)巖。

研究區(qū)沉積蓋層主要包括侏羅系、白堊系和新近系等，找礦目的層為下白堊統(tǒng)賽漢組，賽漢組下段發(fā)育沖積扇—湖沼沉積體系，未見(jiàn)規(guī)模較大且延伸穩(wěn)定的砂體，廣泛發(fā)育湖沼沉積，是尋找同沉積疊加后生氧化改造型鈾礦的有利層位。下白堊統(tǒng)賽漢組上段砂體規(guī)模大，成熟度高，延伸穩(wěn)定，上覆新近系泥巖，下伏賽漢組下段泥巖，垂向上形成“泥—砂—泥”的互層結(jié)構(gòu)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置Fig.1 Geotectonic location map of the study area

2 研究區(qū)電阻率特征

2.1 測(cè)井電阻率特征

為分析研究區(qū)電阻率特征，收集了6個(gè)鉆孔資料，鉆孔編號(hào)：TZK1-6、TZK1-7、TZK1-13、TZK1-18、TZK1-19、TZK1-22。以TZK1-18孔為例(圖2)：孔深0～115 m段為新近系上部泥巖的反映，孔深115～232 m段為下白堊統(tǒng)賽漢組砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖的反映，孔深232～365 m段對(duì)應(yīng)于下白堊統(tǒng)賽漢組以泥巖為主的沉積層位(夾薄層砂巖、砂質(zhì)礫巖)，孔深365 m以下為下白堊統(tǒng)賽漢組以含礫粗砂巖、粗砂巖為主的沉積層。

結(jié)合其他鉆孔編錄與測(cè)井電阻率分析，新近系頂部泥巖由于受干旱氣候影響，與底部泥巖相比其測(cè)井電阻率偏高，為10～20 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)中阻特征，底部泥巖測(cè)井電阻率值為5～10 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)低阻特征。找礦目的層下白堊統(tǒng)賽漢組頂部砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖，測(cè)井電阻率10～25 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)中阻特征；下白堊統(tǒng)賽漢組中部泥巖夾薄層砂巖，測(cè)井電阻率為5～10 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)低阻特征；下白堊統(tǒng)賽漢組底部的含礫粗砂巖、粗砂巖測(cè)井電阻率一般為15～40 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)中阻特征。

2.2 工作區(qū)地層及巖體電阻率特征

根據(jù)收集、整理的鉆探及測(cè)井電阻率資料(表1)，新近系+第四系與下白堊統(tǒng)賽漢組相比呈相對(duì)高阻特征；下白堊統(tǒng)賽漢組泥巖、粉砂巖電阻率為5～10 Ω·m，砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖或泥巖砂巖互層電阻率為10～40 Ω·m，砂礫巖、礫巖、中粗砂巖電阻率最高可達(dá)55 Ω·m，找礦目的層賽漢組砂體發(fā)育且厚度較大，與上覆、下伏的泥巖電阻率有較大差異；下白堊統(tǒng)火山碎屑巖、變質(zhì)巖、火成巖基底呈現(xiàn)相對(duì)高阻電性特征。

圖2 TZK1-18孔地質(zhì)編錄及測(cè)井電阻率曲線Fig.2 Geological logging and logging resistivity curve of hole TZK1-18

表1 收集整理地層及巖體視電阻率統(tǒng)計(jì)

3 數(shù)據(jù)正反演計(jì)算

3.1 正演地質(zhì)模型及正演計(jì)算

總結(jié)了收集到的鉆孔資料，統(tǒng)計(jì)分析了其測(cè)井電阻率分布特征。正演計(jì)算采用有限單元法進(jìn)行正演研究，設(shè)計(jì)網(wǎng)格單元為40×40，采用14個(gè)測(cè)量頻點(diǎn)(1、2、4、 8、16、32、64、128、256、512、 1 024、2 048、4 096、8 192 Hz)模擬20個(gè)測(cè)量點(diǎn)的視電阻率,利用EM2D.exe建立了正演初始模型(圖3)，同時(shí)生成可供反演的數(shù)據(jù)文件。

模型第一層為新近系頂部砂巖，h1=18 m，ρ1=15 Ω·m；第二層為新近系中部泥巖，h2=54 m，ρ2=5 Ω·m；第三層為新近系底部砂巖、砂質(zhì)礫巖、中粗粒砂巖，h3=48 m，ρ3=20 Ω·m；第四層為下白堊統(tǒng)賽漢組頂部泥巖，h4=132 m，ρ4=5 Ω·m；第五層為研究區(qū)找礦目的層,巖性為下白堊統(tǒng)賽漢組砂體，h5=218 m，ρ5=15 Ω·m；第六層位于模型底部，根據(jù)測(cè)井電阻率值,ρ6=5 Ω·m。深部無(wú)鉆孔資料，以鉆孔深部電阻率延伸至 1 000 m。本次研究重點(diǎn)是下白堊統(tǒng)賽漢組的砂體，至下白堊統(tǒng)賽漢組泥巖即終止鉆探，缺乏深部下白堊統(tǒng)基底鉆孔資料,因此，模型的建立未涉及下白堊統(tǒng)基底。利用頻率的對(duì)數(shù)值及電阻率、相位成圖，其正演結(jié)果如圖4所示。

3.2 反演參數(shù)選擇

數(shù)據(jù)反演前，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)選取，本次遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)一般為2～4 Hz。目前常用的反演方法有非線性共軛梯度方法和奧可姆反演，本次采用奧可姆反演方法，利用SCS2D.exe軟件進(jìn)行了初始模型和反演參數(shù)的反演實(shí)驗(yàn)[9]，反演迭代次數(shù)選擇8次，RMS模型約束殘差為0.567，RMS觀測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)殘差為1.812，均方根反演殘差為1.44，殘余變化百分比為1.78%，RMS步長(zhǎng)0.006時(shí)終止反演。

3.2.1 初始模型的選擇

反演軟件提供了4種初始模型，分別為2D Moving average of data、2D Moving avg Bostick of resistivity、2D Moving average of 1D model和uniform resistivity，圖5為4種不同初始模型的處理結(jié)果，處理參數(shù)均為系統(tǒng)默認(rèn)。從圖中可以看出，4種初始模型的反演結(jié)果總體上呈現(xiàn)為6層結(jié)構(gòu)，與正演模型基本一致。結(jié)合鉆探資料分析，不同模型反演結(jié)果均較為客觀地反映了該區(qū)地電特征，電性層與地質(zhì)情況基本吻合。2D Moving average of data模型在沉積較為穩(wěn)定的地質(zhì)背景下反演效果較好(圖5a)，其反演電阻率值最高為25 Ω·m，相對(duì)其他模型，其反演電阻率與設(shè)計(jì)模型最為接近，因此，本次數(shù)據(jù)處理采用的初始模型為2D Moving average of data。

圖3 設(shè)計(jì)研究區(qū)地質(zhì)—電阻率模型Fig.3 Geological resistivity model of design study area

圖4 設(shè)計(jì)模型正演計(jì)算下的電阻率和相位Fig.4 Resistivity and phase under forward calculation of design model

圖5 正演數(shù)據(jù)不同初始背景模型反演電阻率斷面對(duì)比Fig.5 Cross section comparison of resistivity inversion from different initial background models of forward modeling data

3.2.2 第一層厚度的選擇

初始模型第一層厚度主要影響反演電性層的埋深及厚度，進(jìn)而影響資料解釋的準(zhǔn)確性。第一層厚度應(yīng)參照鉆探資料進(jìn)行取值。選擇已知鉆孔TZK13-1孔旁的正演數(shù)據(jù)對(duì)初始模型第一層厚度的取值進(jìn)行反演對(duì)比分析(圖6)。

TZK13-1揭露：新近系總厚度約115 m，測(cè)井電阻率呈相對(duì)中阻—相對(duì)低阻—相對(duì)中高阻特征；下白堊統(tǒng)賽漢組厚度約為335 m，測(cè)井電阻率曲線表現(xiàn)為低阻—中阻特征，其中上部低阻層厚約115 m，第二段中阻層厚約220 m。從圖6分析，電性特征與鉆探資料較為吻合，未能造成電性層數(shù)量的減少或增加，在縱向上均表現(xiàn)為5層結(jié)構(gòu)，呈中阻—低阻—中高阻—低阻—中阻特征。但不同第一層厚度取值反演電阻率斷面圖各電性層的深度與厚度卻出現(xiàn)明顯差異：①第一層厚度為45 m時(shí)，第二至第五電性層頂界面埋深逐漸增大，其厚度與鉆孔揭露地質(zhì)情況存在較大差異；②第一層厚度為25 m時(shí)，除第一與第二電性層外，第三至第五電性層較薄且整體向上偏移，與鉆孔資料吻合度較差；③第一層厚度為35 m時(shí)，各電性層反映的埋深、厚度與鉆孔揭露情況較為吻合。因此，數(shù)據(jù)處理時(shí)第一層厚度選擇為35 m。

3.2.3 圓滑系數(shù)的選擇

ResSmth參數(shù)主要控制反演模型數(shù)據(jù)擬合度與模型粗糙度，取值大則數(shù)據(jù)擬合度小，模型較平滑，會(huì)濾掉部分地質(zhì)信息；取值小則數(shù)據(jù)擬合度高，模型較粗糙，可能引入假的地質(zhì)信息。為了選取合適的ResSmth系數(shù)，在數(shù)據(jù)反演之前，選擇了已知鉆孔(TZK13-1)旁的正演數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演對(duì)比分析。

圖7為TZK13-1旁的正演數(shù)據(jù)選擇0.20、0.40、0.60 ResSmth系數(shù)時(shí)的反演結(jié)果對(duì)比。由圖可見(jiàn)，斷面圖的反演結(jié)果基本一致，均表現(xiàn)為5個(gè)電性層，呈中阻—低阻—中(高)阻—低阻—中阻分布，其分層結(jié)果基本相同，但電性層的反演電阻率數(shù)值、等值線密集度和形態(tài)存在明顯差別：當(dāng)圓滑系數(shù)為0.2時(shí)，由于數(shù)據(jù)擬合度太高，反演電阻率等值線密集并呈團(tuán)塊狀分布，部分?jǐn)?shù)值出現(xiàn)整體偏高；當(dāng)圓滑系數(shù)等于0.6時(shí)，深部反演電阻率等值線稀疏，數(shù)值較小，深度、厚度與鉆探結(jié)果差別較大，不能客觀反映本區(qū)地質(zhì)情況；當(dāng)圓滑系數(shù)為0.4時(shí)，反演電阻率斷面圖與鉆探揭露的地層、巖性的埋深、厚度基本一致，分層明顯，能正確反映本區(qū)的地電結(jié)構(gòu)。因此，數(shù)據(jù)處理時(shí)圓滑系數(shù)取值0.4。

圖6 第一層厚度不同情況下反演電阻率斷面對(duì)比Fig.6 Cross section comparison of inversion resistivity under different thickness of the first layer

圖7 不同圓滑系數(shù)反演電阻率斷面對(duì)比Fig.7 Cross section comparison of resistivity inversion with different round slip coefficients

4 實(shí)測(cè)剖面電性結(jié)構(gòu)

研究區(qū)布置NW向CSAMT測(cè)線3條(L01～L03)，線距4 km，每條測(cè)線長(zhǎng)度16 km，點(diǎn)距100 m，共480個(gè)測(cè)量點(diǎn)(圖8)。儀器采用GDP32電法儀。3條剖面具有相似的電性特征，以L01線剖面(圖9)為例進(jìn)行說(shuō)明。

L01測(cè)線長(zhǎng)度18 km，主要穿越蘇尼特隆起、都日木凹陷及南部的那仁寶力格凸起，地表為第四系所覆蓋。其第一、二電性層位于反演電阻率斷面頂部，橫向上呈連續(xù)分布，兩個(gè)電性層總厚度平均約110 m，最大厚度達(dá)190 m，等值線呈水平層狀分布。第一電性層反演電阻率值10～25 Ω·m，相對(duì)中阻特征，第二電性層反演電阻率值小于10 Ω·m，推斷為新近系，巖性以泥巖為主。由于受干旱氣候影響，淺部泥巖的電阻率偏高。

1—第四系；2—上新統(tǒng)寶格達(dá)烏拉組；3—中新統(tǒng)通古爾組； 4—下白堊統(tǒng)；5—上侏羅統(tǒng)；6—實(shí)測(cè)地質(zhì)界線；7—角度不整合界線；8—構(gòu)造單元界線；9—測(cè)線及編號(hào)1—Quaternary system; 2—baogedawula formation of Pliocene; 3—tonguer formation of Miocene; 4—lower Cretaceous; 5—upper Jurassic; 6—measured geological boundary; 7—angular unconformity boundary; 8—structural unit boundary; 9—line and line number圖8 研究區(qū)地質(zhì)及測(cè)線布置Fig.8 Geological and survey line layout of the study area

第三電性層的頂界面呈近似水平分布，底界面由凸起向凹陷中心緩傾，至斷面平距6 500 m附近，其厚度達(dá)640 m，從上至下反演電阻率以相對(duì)中(中高)阻夾低阻、相對(duì)低阻形式出現(xiàn)。反演電阻率值小于10 Ω·m的低阻背景區(qū)，等值線呈水平層狀、似層狀分布，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷為下白堊統(tǒng)賽漢組泥巖。斷面平距4 300～14 750 m段呈現(xiàn)相對(duì)中阻(夾持<10 Ω·m的低阻帶)，頂界面呈近似水平分布，底界面呈波狀起伏，但整體向西緩傾，厚度由南向北逐漸增大，等值線密集，電阻率一般大于10 Ω·m，中心電阻率可達(dá)250 Ω·m，呈現(xiàn)相對(duì)中阻—中高阻特征，推斷為下白堊統(tǒng)賽漢組砂體。另外，此中阻體夾持的低阻帶分布于斷面平距7 500～10 800 m段，電阻率小于10 Ω·m，總體呈透鏡狀分布。該低阻帶推測(cè)為賽漢組上段辮狀河道含水層(富水帶)的反映。

第四電性層主要位于斷面圖底部，電阻率由淺至深逐漸增大，深部可達(dá)幾千 Ω·m，表現(xiàn)為相對(duì)中高阻—高阻特征，推斷為前白堊紀(jì)基底。結(jié)合地質(zhì)資料，認(rèn)為斷面平距0～4 500 m段，巖性推斷為變質(zhì)巖及燕山—華力西期侵入巖；斷面平距4 500～14 700 m段，巖性推斷為下白堊統(tǒng)變質(zhì)巖，亦可能有下白堊統(tǒng)騰格爾組及阿爾善組；斷面平距14 700～18 000 m段，巖性推斷為變質(zhì)巖及燕山—華力西期侵入巖。

1—新近系；2—下白堊統(tǒng)賽漢組；3—前白堊紀(jì)基底；4—推斷的地質(zhì)界線；5—推斷的賽漢組砂體分布范圍；6—推斷的斷裂及編號(hào)；7—推斷的富水構(gòu)造；8—推斷的含水層分布范圍1—Neogene;2—lower Cretaceous Saihan formation;3—lower Cretaceous basement;4—inferred geological boundary;5—inferred sand body distribution range of Saihan formation;6—inferred fault and number;7—inferred water rich structure;8—inferred aquifer distribution range圖9 L01線3～16 km段反演電阻率斷面及推斷解釋成果Fig.9 Inversion of resistivity section and inference and interpretation results in the 3～16 km section of L01 line

5 砂體的空間展布特征及其地質(zhì)意義

5.1 砂體的空間展布特征

根據(jù)在3條測(cè)線中圈定的砂體，制作了研究區(qū)下白堊統(tǒng)賽漢組砂體頂界面埋深及厚度圖(圖10)。砂體主要穿越3條測(cè)線，呈NNE向分布，區(qū)內(nèi)控制長(zhǎng)度約17 km，面積約250 km2，主要位于都日木凹陷東部。砂體頂界面埋深及厚度總體由NE—SW逐漸減小，最大埋深及厚度位于研究區(qū)中南部，最大埋深約210 m，最大厚度約480 m，在研究區(qū)北東部，由于后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，基底隆起造成下白堊統(tǒng)賽漢組及其砂體埋深及厚度減小，最大埋深約100 m，最大厚度約200 m。

5.2 剖面成果意義

圖10 研究區(qū)下白堊統(tǒng)賽漢組砂體頂界面埋深及厚度Fig.10 Burial depth and thickness of sand body top interface of lower Cretaceous Saihan formation in the study area

結(jié)合地質(zhì)資料與CSAMT圈定的砂體的空間展布形態(tài)分析，在都日木凹陷北側(cè)為凹陷沉積中心部位，推斷解釋的砂體在此段主要發(fā)育河流相沉積，呈蛇曲狀分布，水動(dòng)力方向?yàn)镹E—SW，位于研究區(qū)南部的那仁寶力格凸起北緣的富水構(gòu)造帶(見(jiàn)圖9、圖10)為都日木凹陷提供了有利的水動(dòng)力條件，為下白堊統(tǒng)賽漢組砂體的形成提供了物源。古河道主要發(fā)育于早白堊世晚期(賽漢期)的斷、拗轉(zhuǎn)換階段，河道中心部位(河道滯流沉積)巖性以中粗粒砂巖、礫質(zhì)砂巖、砂巖為主，其兩側(cè)及上部則以(邊灘相、堤岸亞相、河漫灘相)砂巖、泥為主；另外，賽漢組上段頂部泥巖與賽漢組下段泥巖，構(gòu)成古河道砂體的隔水頂、底板，空間上具有泥—砂—泥互層的地層結(jié)構(gòu)，整體上較穩(wěn)定、連續(xù)且具有一定的規(guī)模，反映出該地層發(fā)育河流相沉積體系。

6 結(jié)論

通過(guò)收集研究區(qū)鉆孔測(cè)井電阻率數(shù)據(jù)特征，結(jié)合沉積地層、巖性特征，建立新近系泥巖—賽漢組上段砂體—賽漢組下段泥巖低阻—高阻—低阻的電性組合模式，為砂體的圈定提供了依據(jù)。研究表明：下白堊統(tǒng)賽漢組砂體在研究區(qū)呈NE向展布，頂界面埋深及厚度總體由NE—SW逐漸減小，最大埋深及厚度位于研究區(qū)中南部，最大埋深約210 m，最大厚度約480 m，至研究區(qū)北東部，由于后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，基底隆起造成下白堊統(tǒng)賽漢組及其砂體埋深及厚度減小，最大埋深約100 m，最大厚度約200 m；下白堊統(tǒng)賽漢組砂體為河流相沉積，水動(dòng)力方向?yàn)镹E—SW，位于研究區(qū)南部的那仁寶力格凸起北緣的富水構(gòu)造帶為都日木凹陷提供了有利的水動(dòng)力條件，為下白堊統(tǒng)賽漢組砂體的形成提供了物源。

CSAMT測(cè)量對(duì)砂體的識(shí)別高效、有效，在相似地段可推廣使用。