段書(shū)新，汪碩，萬(wàn)漢平，王琦，胡躍彬

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

井中瞬變電磁法在探測(cè)火山巖中良導(dǎo)電體的應(yīng)用研究
——以鈾礦科學(xué)深鉆CUSD3為例

段書(shū)新，汪碩，萬(wàn)漢平，王琦，胡躍彬

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029）

介紹了井中瞬變電磁方法原理及資料解釋原則。以江西相山CUSD3鉆孔為例，通過(guò)對(duì)井中瞬變電磁實(shí)測(cè)資料分析，大致推斷了鉆孔周邊鉛鋅礦化中心的方位，表明該方法在探測(cè)火山巖良導(dǎo)電體中具有較好的應(yīng)用效果。結(jié)合巖心編錄結(jié)果，認(rèn)為該方法具有較高的探測(cè)精度，能夠識(shí)別鉆孔附近巖性界面、構(gòu)造破碎等鈾成礦、控礦要素，可輔助進(jìn)一步的鈾礦勘查工作。

井中瞬變電磁；礦化中心；巖性界面；構(gòu)造破碎

作為地面瞬變電磁法的延伸，井中瞬變電磁（Bore Hole Transient Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱BHTEM）是伴隨著深部礦產(chǎn)資源勘查而逐漸發(fā)展起來(lái)的井中地球物理新方法［1］。在國(guó)外，尤其是加拿大、澳大利亞，井中瞬變電磁得到了較深入的研究，其應(yīng)用領(lǐng)域以高導(dǎo)電率礦體勘查為主，同時(shí)延伸至多種礦產(chǎn)勘查［2-5］。國(guó)內(nèi)開(kāi)展該方法持續(xù)性研究的科研機(jī)構(gòu)較少，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所在該領(lǐng)域的研究成果較為突出［6-10］。

與高導(dǎo)電率礦體勘查領(lǐng)域直接探測(cè)大規(guī)模良導(dǎo)體不同，熱液型鈾礦勘查領(lǐng)域的地球物理方法主要是通過(guò)探測(cè)斷裂、巖性界面等控礦要素來(lái)間接為地質(zhì)找礦服務(wù)的［11-13］。井中瞬變電磁在國(guó)內(nèi)外導(dǎo)電礦體勘查領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用效果，而在鈾礦地質(zhì)勘查領(lǐng)域應(yīng)用研究較少。本文將對(duì)井中瞬變電磁法在熱液型鈾礦地質(zhì)勘查中的應(yīng)用實(shí)例做簡(jiǎn)單介紹，以便拋磚引玉，從而為鈾礦地質(zhì)勘查提供新的思路和技術(shù)方法。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1 基本原理及特點(diǎn)

井中瞬變電磁法以低阻地質(zhì)目標(biāo)體為探測(cè)對(duì)象，圍繞該目標(biāo)在地面布設(shè)發(fā)射回線，發(fā)射瞬變一次場(chǎng)，接收探頭置于鉆孔中逐點(diǎn)測(cè)量地下電性介質(zhì)產(chǎn)生的感應(yīng)二次電磁場(chǎng)，其方法原理如圖1所示。通過(guò)研究井中感應(yīng)二次場(chǎng)在空間和時(shí)間上的變化特征，從而了解鉆孔周圍電性分布結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)井旁、井底低阻電性異常體，或推斷已見(jiàn)地質(zhì)體的空間分布與延伸方向。由于接收探頭位于鉆孔中，井中瞬變電磁法具有常規(guī)地面電磁法所不具備的優(yōu)勢(shì)：

圖1 井中瞬變電磁工作原理示意圖（據(jù)Killeen，P.G.，1997）Fig.1Principle of BHTEM（After Killeen，P.G.，1997）

1）接收探頭更接近地下良導(dǎo)目標(biāo)體，能采集到更強(qiáng)的TEM異常響應(yīng)信號(hào)；

2）受導(dǎo)電覆蓋層及外部電磁干擾較?。?/p>

3）具有較深的勘探深度（取決于鉆孔深度）；

4）縱向分辨力強(qiáng)，能探測(cè)到良導(dǎo)目標(biāo)體的深度、產(chǎn)狀及延伸方向等信息；

5）由于觀測(cè)的是感應(yīng)二次場(chǎng)，具有旁測(cè)能力，可以探測(cè)井旁或井底電性異常信息。

1.2 方向定義及解釋原則

井中瞬變電磁測(cè)量的是Z、X、Y 3個(gè)方向上感應(yīng)二次磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化率，其單位為nT/s。軸向Z分量的方向始終沿鉆孔軸向并指向鉆孔上方，徑向XY分量的方向則需根據(jù)鉆孔的傾角情況靈活選擇。當(dāng)鉆孔為直孔（鉆孔傾角＜3°）時(shí)，徑向正方向定義采用磁場(chǎng)定向系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)校正后，X分量指向磁北，Y分量指向西，3個(gè)分量的正方向適用于右手定則。

當(dāng)井中瞬變電磁Z、X、Y 3個(gè)分量的正方向確定后，可根據(jù)三分量曲線響應(yīng)特征對(duì)地下低阻電性異常體的中心方位進(jìn)行大致判斷（圖2）。當(dāng)軸向Z分量響應(yīng)曲線為正異常時(shí)，表明鉆孔穿過(guò)低阻地質(zhì)異常體；而當(dāng)響應(yīng)曲線為負(fù)異常時(shí)，則表明低阻地質(zhì)異常體位于鉆孔旁。徑向XY分量上，以鉆孔為坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)X（或Y）響應(yīng)曲線表現(xiàn)為由負(fù)到正的正S特性時(shí)，表明低阻地質(zhì)異常體中心位于X（或Y）正方向；反之，則為負(fù)方向。

圖2 井中瞬變電磁曲線響應(yīng)特征與異常中心位置分布關(guān)系示意簡(jiǎn)圖Fig.2Relationship between BHTEM response and anomaly center

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 井中瞬變電磁工作概況

工作區(qū)位于相山鈾礦田西部的河元背地區(qū)，地處盆地基底東西向河元背-鳳崗斷陷帶與北東向蕪頭-小陂斷裂構(gòu)造的交匯部位，具有優(yōu)越的區(qū)域鈾-多金屬成礦地質(zhì)條件。區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的地層為基底震旦紀(jì)淺變質(zhì)巖系、蓋層下白堊統(tǒng)打鼓頂組和鵝湖嶺組中酸性-酸性火山巖系。

井中瞬變電磁試驗(yàn)鉆孔（CUSD3）終孔深度約1 600 m，井口套管約50 m，鉆孔傾角＜3°。依照巖心編錄結(jié)果（表1），鉆孔所穿地層表現(xiàn)為鵝湖嶺組與打鼓頂組交替出現(xiàn)的規(guī)律，巖性界面的深度分別位于561 m、1 095 m、1 308 m、1 337 m。除此之外，鉆孔在277～284 m、330～350 m、512～518 m、1 105～1 144 m深度段出現(xiàn)構(gòu)造破碎；在290～330 m深度段出現(xiàn)礦化蝕變。CUSD3鉆孔在700～1 200 m深度范圍內(nèi)發(fā)育零星分布的鉛鋅礦化。

表1 CUSD3鉆孔各深度段地質(zhì)情況表Table 1Geology information at different depth in CUSD3

野外測(cè)試采用加拿大Crone公司的Digital PEM瞬變電磁測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由發(fā)射端（CHT3發(fā)射機(jī)）、接收端（CDR2接收機(jī)）、井下探頭三部分組成。在發(fā)射端，根據(jù)鉆孔及周邊地形情況布置了一個(gè)約800 m×800 m的發(fā)射回線，回線內(nèi)供以基頻12.5 Hz、強(qiáng)度15A、下降沿為1.0 ms的斜階躍脈沖電流。發(fā)射回線與鉆孔的相對(duì)位置如圖3所示。

圖3 CUSD3鉆孔與發(fā)射回線相對(duì)位置示意圖（黑色圓點(diǎn)：鉆孔；紅色實(shí)線：發(fā)射線框）Fig.3Relative position between borehole CUSD3and transmitter loop（black spot：CUSD3；red line：transmitter loop）

表2 CUSD3采樣延遲時(shí)間表/msTable 2Sampling schedule of CUSD3/ms

在井中瞬變電磁接收端，利用CDR2接收機(jī)和下井探頭在鉆孔中逐點(diǎn)觀測(cè)關(guān)斷時(shí)間零點(diǎn)后某時(shí)刻的感應(yīng)二次場(chǎng)，各采樣道的延遲時(shí)刻如表2所示。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)采樣時(shí)間的先后，將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的二次場(chǎng)信號(hào)劃分為早期、中期和晚期信息，分別反應(yīng)了距鉆孔由近到遠(yuǎn)的地質(zhì)體響應(yīng)。

2.2 井中瞬變電磁曲線特征

根據(jù)鉆孔情況，在70～1 390 m深度范圍內(nèi)觀測(cè)了3個(gè)分量的井中瞬變電磁響應(yīng)。圖4、圖5展示的是CUSD3鉆孔上第2～5采樣道及6～10采樣道的井中瞬變電磁多測(cè)道圖，其中縱軸為深度，單位為m；橫軸為磁場(chǎng)隨時(shí)間變化率，單位為nT/s。

圖4～5中，井中瞬變電磁響應(yīng)在淺部較強(qiáng)而深部較弱，不利于深部異常信息的挖掘，這種現(xiàn)象在早期（圖4）尤為明顯。隨采樣延遲時(shí)間增大，中期信號(hào)的異常特征逐漸明顯（圖5）。表現(xiàn)為一個(gè)由負(fù)到正的正S異常，由此推斷鉛鋅礦化中心（或礦化較好部位）位于鉆孔北

圖4 CH2-CH5道井中瞬變電磁響應(yīng)Fig.4BHTEM response at CH2-CH5

圖5 CH6-CH10道井中瞬變電磁響應(yīng)Fig.5BHTEM response at CH6-CH10

圖6 CUSD3井中瞬變電磁異常與鉆孔相對(duì)位置示意簡(jiǎn)圖Fig.6Sketch location map between BHTEM anomaly center and borehole CUSD3

在第11～15采樣道（圖7），Z分量多測(cè)道曲線在700～900 m深度段呈現(xiàn)較為明顯的異常特征，推測(cè)為該深度范圍內(nèi)發(fā)育的鉛鋅礦化所引起的異常。軸向Z分量呈單峰正異常，表明鉆孔穿過(guò)鉛鋅礦化帶。徑向X分量部。同時(shí)，徑向Y分量在此處亦表現(xiàn)為正S異常，指示低阻的鉛鋅礦化中心（或礦化較好部位）位于鉆孔西部。Y分量異常響應(yīng)峰值明顯高于X分量，表明礦化中心位于鉆孔北西偏西方位（圖6）。

在16～20道（圖8），軸向Z分量的井中正異常特征發(fā)生了細(xì)微變化，異常幅寬增大至600～1 400 m范圍，異常峰值位置也由早期的800 m轉(zhuǎn)移至約900 m處，說(shuō)明鉛鋅礦化帶是以一較大的傾角向下延伸的。徑向XY分量在該采樣時(shí)間道仍呈現(xiàn)由負(fù)到正的正S特征，推斷鉛鋅礦化帶中心（或礦化較好部位）位于鉆孔北西偏西方位。在晚期道（圖9），軸向Z分量異常峰值位置繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移至1 050 m深度處，表明該鉛鋅礦化帶的深部礦化程度較淺部高。同時(shí)，雖然該采樣時(shí)間道的感應(yīng)二次場(chǎng)信號(hào)明顯減弱，但徑向XY分量多測(cè)道曲線亦能較好地指示地下低阻地質(zhì)異常體的大致方位。

除對(duì)鉆孔周邊鉛鋅礦化中心有較好的指示作用外，井中瞬變電磁與鉆孔揭露的巖性界面和構(gòu)造蝕變帶也有較好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 CH11-CH15道井中瞬變電磁響應(yīng)Fig.7BHTEM response at CH11-CH15

圖8 CH16-CH20道井中瞬變電磁響應(yīng)Fig.8BHTEM response at CH16-CH20

圖9 CH21-CH25道井中瞬變電磁響應(yīng)Fig.9BHTEM response at CH21～CH25

圖10為CUSD3鉆孔井中瞬變電磁多測(cè)道曲線與鉆孔柱對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)圖，由該圖可以看出：

圖10 CUSD3鉆孔井中瞬變電磁多測(cè)道曲線與鉆孔柱對(duì)應(yīng)關(guān)系（左為BHTEM；右為鉆孔柱狀簡(jiǎn)圖）Fig.10Relationship between BHTEM response curve and geologcolumn of Borehole CUSD3（left：BHTEM response；right：histogram of CUSD3）

（1）在270～290 m深度段，Z、X、Y分量多測(cè)道曲線均呈現(xiàn)小規(guī)模的異常跳動(dòng)，可能是由該深度段的構(gòu)造破碎及蝕變帶引起。

（2）在512～518 m深度段，Z分量響應(yīng)曲線呈現(xiàn)正異常特征，表明鉆孔穿過(guò)構(gòu)造破碎帶；X、Y分量響應(yīng)曲線在該深度位置處雖然出現(xiàn)異常跳變，但其S特性并不明顯，無(wú)法定性分析構(gòu)造破碎帶的準(zhǔn)確方位。

（3）在561 m深度處，井中瞬變電磁多測(cè)道響應(yīng)曲線在該位置處出現(xiàn)較小幅寬的異常，為鵝湖嶺組碎斑流紋巖與打鼓頂組流紋英安巖兩種不同巖性界面的異常響應(yīng)。

（4）在1 080～1 145 m深度段，井中瞬變電磁多測(cè)道曲線呈現(xiàn)大幅寬小幅度的異常反應(yīng)，應(yīng)是該深度段巖性界面與構(gòu)造破碎的綜合反應(yīng)。可能由于埋深較深及目標(biāo)耦合關(guān)系較差的原因，該構(gòu)造的異常響應(yīng)較弱，未能開(kāi)展進(jìn)一步的定性半定量分析。

（5）1 300～1 340 m深度段出現(xiàn)的井中瞬變電磁異常，同樣為鵝湖嶺組碎斑流紋巖與打鼓頂組流紋英安巖兩種不同巖性界面的反映。

雖然受當(dāng)前井中瞬變電磁數(shù)據(jù)處理、解釋技術(shù)的限制，無(wú)法對(duì)上述異常開(kāi)展定性半定量解釋進(jìn)而達(dá)到追蹤其延伸展布情況的目的。但通過(guò)對(duì)比巖性柱狀簡(jiǎn)圖可知：井中瞬變電磁具有較高的探測(cè)精度，能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別出鉆孔附近的巖性界面、構(gòu)造破碎等鈾成礦、控礦要素，通過(guò)后續(xù)研究，可為下一步的鈾礦勘查工作服務(wù)。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過(guò)江西相山CUSD3井中瞬變電磁法的應(yīng)用，獲得如下認(rèn)識(shí)：

1）通過(guò)定性分析井中瞬變電磁三分量響應(yīng)特征，認(rèn)為CUSD3鉆孔周邊鉛鋅礦化中心位于鉆孔北西偏西方位，且深部礦化程度較淺部高，表明井中瞬變電磁法在探測(cè)火山巖良導(dǎo)電體中具有較好的應(yīng)用效果。

2）除能夠較好指示鉛鋅礦化中心外，通過(guò)井中瞬變電磁多測(cè)道曲線與巖性柱狀簡(jiǎn)圖的對(duì)比，認(rèn)為井中瞬變電磁法具有較高的探測(cè)精度，能夠識(shí)別鉆孔附近巖性界面、構(gòu)造破碎等鈾成礦、控礦要素，可為下一步的鈾礦勘查工作服務(wù)。

3）與導(dǎo)電礦體勘查領(lǐng)域的井中瞬變電磁不同，鈾礦勘查領(lǐng)域的探測(cè)對(duì)象為電性差異相對(duì)較小的控礦構(gòu)造，井中瞬變電磁在應(yīng)用上仍存在異常幅度小、半定量解釋難度大等難點(diǎn)，應(yīng)在后續(xù)工作中加強(qiáng)方法理論和應(yīng)用研究。

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Application of BHTEM in detecting good conductors in volcanic area—A case study of deep drilling borehole CUSD3 for Uranium Science

DUAN Shuxin，WANG Shuo，WAN Hanping，WANG Qi，HU Yuebin

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

This article introduced the theory and interpretation principles of BHTEM.A case study was made in deep borehole of CUSD3 for Uranium Science in Xiangshan.With field data analysis we inferred the orientation of the Lead-zinc mineralization center near the borehole，which shew BHTEM had an advantage in detecting good conductors in volcanic area.Combined with CUSD3，BHTEM is considered a useful method which has high detect accuracy，and can find out key uranium mineralization and ore-controlling factors，such as rock interface and faults near the hole，which will be very helpful to further exploration of uranium deposits.

BHTEM；mineralization center；rock interface；faults

P631.3+26

A

1672-0636（2016）04-0223-06

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．04．006

2016-05-30

段書(shū)新（1987—），男，湖北隨州人，工程師，主要從事地球物理勘探研究。E-mail：cugbdantou@163.com