何 柯，趙遠(yuǎn)程，李建華，王 剛，葉高峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；3.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

0 引 言

原地浸出采鈾又稱為地浸采鈾，是目前世界上先進(jìn)的鈾礦采礦技術(shù)。地浸采鈾是通過注液鉆孔把按一定配方配制的溶浸液注入天然埋藏條件下含鈾的可滲透巖層中，使浸液在向礦石孔隙或裂隙滲透的過程中，與鈾及其有用成分接觸，發(fā)生溶解反應(yīng)生成含礦溶液；并向負(fù)壓方向滲流至抽液孔，被抽至地表并輸送到加工車間進(jìn)行處理，從而獲得鈾產(chǎn)品的復(fù)雜過程[1]。

隨著地浸進(jìn)行、浸液不斷抽注，溶浸液與含礦浸液在地下含礦、含水層中逐漸形成以注、抽孔為中心，溶液濃度向周邊逐漸降低的溶液濃度梯度——浸出液分布范圍。而浸出液分布范圍的形成與礦區(qū)地下結(jié)構(gòu)，尤其是含礦、含水層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水力條件密切相關(guān)。

顯然，溶浸范圍不足將影響溶液對整個礦體的覆蓋，而嚴(yán)重影響采礦率；反之，溶浸范圍過大，則將造成溶液浪費(fèi)、增加成本，并污染采區(qū)周邊地下水體等。因此，必須在復(fù)雜的地浸開采過程中及時掌握溶浸液對礦體的覆蓋程度及地下浸出液分布范圍，以便進(jìn)行合理的溶浸液注、抽控制。所以，研究并開發(fā)砂巖型鈾礦地浸開采過程觀測的方法技術(shù)對于鈾礦開采具有十分重要的意義。

然而，地浸采鈾是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，目前尚沒有關(guān)于探測或監(jiān)測地浸液分布情況的研究成果。本文的研究以內(nèi)蒙古蘇尼特左旗某鈾礦地浸礦山開采區(qū)為例，首次提出采用地球物理電磁方法進(jìn)行地浸液分布探測實驗研究，以期獲得切實可行的地浸開采過程觀測技術(shù)，以便為今后的地浸開采工作提供監(jiān)控保障。

1 礦區(qū)位置及地浸井場結(jié)構(gòu)

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area1.國道；2.省道；3.機(jī)場；4.城鎮(zhèn)；5.鈾礦區(qū)；6.國界

圖2 地浸開采試驗單元結(jié)構(gòu)及地球物理工作布置Fig.2 Sketch map of a certain in-situ leaching mining unit and geophysical sites

試驗礦區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特左旗北部某蘇木，距蘇尼特左旗約35 km，為二連盆地的一部分(圖1)。礦區(qū)地處內(nèi)蒙古高原腹地，地勢平坦，海拔高程約1 000 m。由于礦區(qū)外圍西北和東南都為隆起區(qū)，海拔高程為1 200～1 400 m，因此，礦區(qū)地勢表現(xiàn)為由兩側(cè)蝕源區(qū)向盆地內(nèi)剝蝕。試驗區(qū)的地浸試驗單元為一組“四注一抽”的“五點(diǎn)型”試驗單元，即由4個注液孔等間距地構(gòu)成一個正方形區(qū)域，抽液鉆孔位于正方形區(qū)域的中心位置，即正方形的對角線交點(diǎn)處。其中，沿順時針方向布設(shè)的KZ1-1、KZ2-1、KZ2-2、KZ1-2分別為4口注液孔，位于中心的KC1-1為抽液孔(圖2)。抽-注孔間距為25.00 m，試驗單元沿邊注-注孔間距為35.35 m，整個抽注試驗單元為35.35 m×35.35 m的正方形，且該正方形單元與正北方向的夾角為27°。

2 地質(zhì)及地球物理特征

2.1 地層特征

二連盆地基底由元古宇和古生界組成，沉積蓋層主要包括：侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系[2]。

試驗區(qū)鉆孔揭露的地層從淺至深為：古近系伊爾丁曼哈組(E2y)，下白堊統(tǒng)賽漢組上段(K1s2)、賽漢組下段(K1s1)[3]。

2.1.1 古近系伊爾丁曼哈組(E2y)

伊爾丁曼哈組埋深56.68～59.40 m。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，其巖性由褐紅色、淺灰綠色、淺灰色泥巖、含砂泥巖與黃色、灰白色砂巖互層組成，常見鈣質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)。該層構(gòu)成巴潤礦床條件試驗段區(qū)域性隔水頂板。

2.1.2 下白堊統(tǒng)賽漢組上段(K1s2)

下白堊統(tǒng)賽漢組上段是巴潤礦床主要賦鈾層位，由多個韻律層疊加組成，每個韻律層底部由粗粒的砂礫巖、泥質(zhì)礫巖、含粒粗砂巖組成，向上漸變?yōu)橹写稚皫r、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖，砂巖固結(jié)程度低，并以泥巖或粉砂巖結(jié)束，中間泥巖層常缺失或呈透鏡狀產(chǎn)出，整個砂體構(gòu)成試驗礦床條件試驗區(qū)的主要含礦含水層。

2.1.3 下白堊統(tǒng)賽漢組下段(K1s1)

下白堊統(tǒng)賽漢組下段，本次鉆探施工只揭露頂部的灰色、深灰色泥巖夾灰黑色炭質(zhì)泥巖、黑色褐煤層。細(xì)脈狀黃鐵礦結(jié)核為賽漢組上段、下段分界的地層標(biāo)志。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該層巖性由灰色泥巖、粉砂巖夾煤層組成，構(gòu)成試驗礦床條件試驗區(qū)的區(qū)域性隔水底板。

對賽漢組上段砂體厚度統(tǒng)計，結(jié)果表明：厚度一般為22.68～26.58 m，平均厚度24.93 m；試驗單元中心抽液孔KC1-1砂體厚度最大，達(dá)到26.58 m，砂體由南東向北西方向厚度逐漸減少；最薄砂體位于KZ1-1孔，厚度僅為22.68 m。其中，注液孔KZ1-1、KZ1-2及抽液孔KC1-1砂體內(nèi)部均發(fā)育泥、粉砂巖夾(薄)層，KZ1-2的泥、粉砂巖夾層厚度達(dá)到3.50 m；KC1-1的泥、粉砂巖夾(薄)層最薄，為0.20 m。剖面上，KZ1-1、KZ1-2的泥、粉砂巖夾層位于砂體中部(圖3和圖4)，結(jié)合試驗區(qū)其他鉆孔資料，該泥、粉砂巖非滲透性夾層可能具有一定的規(guī)模和平面連續(xù)性。

地浸施工表明：研究區(qū)砂體最大厚度35.96 m，最小厚度27.80 m。巖性粒度普遍較粗，以含礫中粗砂巖為主，分選中等，次棱角狀。砂體內(nèi)部泥、粉砂巖夾層較為發(fā)育[4]。

2.2 水文地質(zhì)特征

礦床條件試驗區(qū)含礦含水層由賽漢組上段辮狀河砂體組成[5]，其巖性主要為中粗砂巖、礫巖、細(xì)砂巖等，中粗砂巖占有比例最多，為26.19%；其次為礫巖和細(xì)砂巖，占23.30%、19.27%；泥、粉砂巖所占比例達(dá)到5.25%。巖性分選中等-差，顆粒形狀呈次棱角狀-次圓狀，結(jié)構(gòu)疏松，填隙物以黏土礦物為主，屬中等透水-強(qiáng)透水的巖石。碳酸鹽含量小于1%?？傮w呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)[6]。

含礦含水層總體為一層，呈較厚層狀，分布穩(wěn)定、連續(xù)，厚度變化較??；平面上與砂體展布形態(tài)基本一致，反映含礦含水層砂體厚度變化相對穩(wěn)定的特點(diǎn)。Ⅰ號水文地質(zhì)剖面顯示：含礦含水層略向西北方向傾斜(圖3和圖4)。Ⅱ號水文地質(zhì)剖面顯示：含礦含水層則略向東北方向傾斜(將另文發(fā)表)。總體上表明古地下水由西南向東北方向運(yùn)移，與區(qū)域古地下水運(yùn)移方向具有一致性。

含礦層位于含礦含水層中下部，本次礦床條件試驗區(qū)抽液孔、注液孔過濾器位于含礦層中部，基本位于同一水平面。

圖3 Ⅰ號地質(zhì)剖面(引自文獻(xiàn)[4])Fig.3 Profile of geological section Ⅰ (after reference [4])1.氧化帶；2.還原帶；3.泥、粉砂巖夾層；4.礦體；5.過濾器位置；6.地層代號

圖4 Ⅰ號水文地質(zhì)剖面圖(引自文獻(xiàn)[4])Fig.4 Profile of hydrological section Ⅰ (after reference [4])1.含礦含水層；2.隔水層；3.局部隔水層；4.礦化段；5.過濾器位置；6.地層代號

含礦含水層隔水頂板主要由賽漢組上段頂部的綠灰色夾紅色泥巖、含砂礫泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等組成(圖3和圖4)，厚度一般為5～10 m，屬辮狀河沉積體系末期的泛濫平原沉積。隔水頂板底面較為平緩，由南東向北西略傾斜?？傮w上含礦含水層隔水頂板分布連續(xù)、穩(wěn)定，隔水性能良好。

含礦含水層隔水底板由賽漢組下段湖沼相沉積的綠灰色、灰色、灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖夾褐煤層組成(圖3和圖4)。含礦含水層隔水底板頂面依然較為平緩，向北西方向略微傾斜。據(jù)地質(zhì)勘查資料，隔水層厚度一般為5～15 m，總體上分布連續(xù)、穩(wěn)定，隔水性能良好。

2.3 礦區(qū)地球物理特征

通過對二連盆地電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)(表1)及實際反演結(jié)果的綜合分析，得到二連盆地沉積地層的電性參數(shù)特征(表2)。

由表2可見，中新生代沉積地層可以分為3個電性層。第一電性層為淺表的第四系、第三系干砂、礫石和火山碎屑巖等，總體表現(xiàn)為中低阻(一般小于100 Ω·m)；第二電性層為白堊系泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖和砂礫巖，分布厚度較大，電性穩(wěn)定，電阻率相對較低(一般小于15 Ω·m，粗砂和砂礫巖電阻率較高，可能達(dá)到40～60 Ω·m)；第三電性層為侏羅系砂巖、泥巖和炭質(zhì)頁巖，電阻率中值偏低(一般小于100 Ω·m，局部測井資料可達(dá)200 Ω·m)[7]。

此外，巖石極化率電性特征可參照赤峰地區(qū)的資料，具體如表3所示。

研究區(qū)主要賦鈾及含水層位為下白堊統(tǒng)賽漢組上段，其由多個韻律層疊加組成，每個韻律層底部由粗粒的砂礫巖、泥質(zhì)礫巖、含粒粗砂巖組成，向上漸變?yōu)橹写稚皫r、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖，砂巖固結(jié)程度低，并以泥巖或粉砂巖結(jié)束。其中，中間泥巖層常缺失或呈透鏡狀產(chǎn)出，該層位平均電阻率小于35 Ω·m，平均極化率小于1.52%，為研究區(qū)內(nèi)低阻、低極化率層。

表1二連盆地三側(cè)向電阻率測井物性參數(shù)表

Table1PhysicalresistivityparametersoflateralresistivitylogginginErlianBasin

序號巖性鉆孔個數(shù)視電阻率/(Ω·m)1泥巖 332粉砂巖333細(xì)砂巖374中砂巖355粗砂巖356砂質(zhì)礫巖347礫巖 372.25～8.467.637.83～14.3812.5012.78～18.6916.7217.69～27.8122.8122.75～38.6928.6228.62～44.5233.2529.21～48.2637.52

表2 二連盆地地層電性特征統(tǒng)計

注：表中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]；賽汗塔拉組，即本文的賽漢組。

表3 研究區(qū)巖石極化率參數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[8-9]。

3 礦區(qū)地浸開采過程觀測試驗

觀測試驗選擇兩種電法勘探技術(shù)進(jìn)行測量，分別為可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)和中間梯度裝置激發(fā)極化法(TDIP)。

3.1 測網(wǎng)布設(shè)

如圖2所示，試驗區(qū)CSAMT測網(wǎng)及TDIP測網(wǎng)以抽液孔為中心布設(shè)，點(diǎn)距與線距均為10 m，共布設(shè)18條測線，每條測線18個測點(diǎn)，形成170 m×170 m的方形觀測區(qū)域。

18條測線方向均為NE27°，最西側(cè)測線編號為2號，以1為步長遞增，至最東側(cè)測線，其編號為19。由于剖面為近南北走向，因此這些剖面自西向東命名為NS02至NS19線，即“縱向測線”；每條測線最南端的測點(diǎn)號為01，向北同樣以1為步長遞增，至最北端測點(diǎn)的編號為18。由于試驗按測網(wǎng)進(jìn)行觀測，因此在數(shù)據(jù)處理和解釋過程中還可以提取北西—南東向剖面資料，由南至北其編號為WE01至WE18線，即“橫向測線”。如圖2所示，NS09剖面經(jīng)過抽液孔，WE10和WE11剖面位于抽液孔兩邊。

3.2 觀測方法及儀器

3.2.1 可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)

CSAMT應(yīng)用加拿大鳳凰公司(Phoenix)生產(chǎn)的V8多功能電磁探測系統(tǒng)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集。野外觀測采用電性源作為激勵源，供電電極AB位于實驗區(qū)西側(cè)，AB布極方向平行于縱向測線(即NE27°)，極距1 000 m，收發(fā)距D為7 000 m。由V8多功能電磁探測系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)及TXU-30發(fā)射機(jī)向地下發(fā)送頻率為9 600～1.333 3 Hz的40個頻點(diǎn)電磁場信號，每一頻點(diǎn)信號發(fā)送時間為1 min，整套頻率發(fā)送40 min。各頻點(diǎn)最大發(fā)射電流強(qiáng)度達(dá)20 A，最小發(fā)射電流強(qiáng)度為3 A。

接收裝置由1套V8接收機(jī)、2套三電場分量接收機(jī)及9對不極化電極和1根AMT磁場傳感器組成“三站式”音頻大地電磁觀測系統(tǒng)[10]進(jìn)行“標(biāo)量”測量；其中一組“測量排列”可以同時觀測9個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

在觀測9 600～512 Hz電磁場信號時，采樣率設(shè)為24 kHz；觀測512～32 Hz信號時，采樣率為2.4 kHz；觀測32～3.33 Hz信號時，采樣率為150 Hz；而觀測3.33～1.333 3 Hz信號時，采樣率為15 Hz。

3.2.2 中間梯度裝置激發(fā)極化法(TDIP)

野外觀測使用北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DWJ-3B微機(jī)激電儀進(jìn)行正向短脈沖觀測。其“時間制式”為:正向供電2 s ，斷電2 s，停電3 min。為了選擇合理的觀測“延時”，在正式進(jìn)行激電中梯觀測之前，設(shè)置了0.2 s、0.24 s、0.32 s、0.48 s和0.8 s等5個“延時”進(jìn)行試驗觀測，結(jié)果表明采用0.2 s“延時”的觀測結(jié)果時激電異常幅度較大，異常分布特征較明顯。野外觀測時，AB供電電流為10 A ，并進(jìn)行100%重復(fù)觀測，保障觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量良好。

4 觀測結(jié)果處理分析與解譯

圖5 NS08、NS10、NS12三條測線測點(diǎn)實測CSAMT測深曲線Fig.5 Actual CSAMT sounding curves of 3 points on lines of NS08, NS10 and NS12

如前所述，研究區(qū)投入的電法觀測技術(shù)包括：可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)和中間梯度裝置激發(fā)極化法測量法(TDIP)。它們主要利用地浸井場中沉積砂巖層與浸透“浸出液”的砂巖之間的電阻率與激發(fā)極化特性差異，圈定地浸開采過程“浸出液”的分布范圍，從而達(dá)到監(jiān)視砂巖型鈾礦“地浸開采”效果的目的。

4.1 CSAMT數(shù)據(jù)處理

CSAMT數(shù)據(jù)處理使用加拿大鳳凰公司的CMTPro，反演使用WingGLink軟件。首先將野外采集的時間序列數(shù)據(jù)導(dǎo)入CMTPro軟件中，數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功后進(jìn)行坐標(biāo)檢查、頻率選擇和飛點(diǎn)剔除等工作，在數(shù)據(jù)檢查正常的情況下導(dǎo)出視電阻率和阻抗相位的頻率響應(yīng)文件，作為WingGLink軟件的輸入文件。在此基礎(chǔ)上，繪制各觀測點(diǎn)的CSAMT實測的視電阻率和相位測深曲線，如圖5所示。

實測CSAMT曲線當(dāng)頻率小于5 Hz時，視電阻率測深曲線尾段可能已進(jìn)入過渡區(qū)及近區(qū)；因而，視電阻率測深曲線隨頻率降低而先下降，然后以45°角急劇上升；而相位測深曲線的尾段則先上升，然后急劇下降至0°附近，出現(xiàn)明顯的場源效應(yīng)特征。根據(jù)電磁波場“趨膚深度”的概念估算，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)平均電阻率為100 Ω·m時，頻率5 Hz信號的趨膚深度約為2.25 km，遠(yuǎn)大于所需探測深度，所以為了避免“場源”影響，在反演時只對頻率高于5 Hz的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演。

4.2 CSAMT數(shù)據(jù)二維反演模型

研究過程中利用WinGLink軟件的非線性共軛梯度(NLCG)二維反演算法[11-12]對研究區(qū)各條測線可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)的“波區(qū)”數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，獲得NS(縱向)和WE(橫向)各剖面的二維電性結(jié)構(gòu)模型。在對南西—北東向(縱向)測線(即NS02—NS19)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時，每條測線的反演初始模型都設(shè)為100 Ω·m的均勻半空間，視電阻率和相位的誤差基數(shù)分別設(shè)置為10%和5%，光滑度參數(shù)tau為3，經(jīng)過200次迭代后，各條測線二維反演的均方根誤差(Root Mean Square，簡稱RMS)如表4所示。

對北西—南東向(橫向)測線(即WE01— WE18)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演時，反演初始模型和參數(shù)的設(shè)置如前所設(shè)。 各條剖面數(shù)據(jù)二維反演的RMS如表5所示。

表4研究區(qū)縱向測線數(shù)據(jù)MT二維反演RMS

Table4RMSforMTtwo-dimensioninversionoflongitudinallinemeasurementdatainthestudyarea

注：RMS為均方根誤差；下文同。

表5研究區(qū)橫向測線數(shù)據(jù)MT二維反演RMS

Table5RMSforMTtwo-dimensioninversionoftransverselinemeasurementdatainthestudyarea

線號WE01WE02WE03WE04WE05WE06WE07WE08WE09RMS1.471.251.241.381.251.381.291.001.10線號WE10WE11WE12WE13WE14WE15WE16WE17WE18RMS1.241.511.431.121.621.111.131.351.46

圖6所示為NS08、NS10、NS12三條測線數(shù)據(jù)的MT二維反演擬合結(jié)果。從圖6中可以看出，實測頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)和反演模型的正演理論響應(yīng)和擬斷面分布特征基本一致，這表明數(shù)據(jù)擬合情況良好，獲得的電阻率模型是可靠的。其他測線數(shù)據(jù)的反演也同樣有很好的擬合結(jié)果。

圖6 NS08、NS10、NS12三條測線數(shù)據(jù)MT二維反演的擬合結(jié)果Fig.6 Two-dimension inversion of fitting results for MT data of lines of NS08, NS10 and NS12(a1)—(a3)實測視電阻率；(b1)—(b3)模型視電阻率響應(yīng)；(c1)—(c3)實測相位；(d1)—(d3)模型相位響應(yīng)

圖7 NS08—NS12剖面電性結(jié)構(gòu)平面圖Fig.7 Vertical profiles of lines from NS08 to NS12

4.2.1 縱向測線的二維電性結(jié)構(gòu)模型

大量研究結(jié)果表明，多數(shù)情況下采用TM極化模式數(shù)據(jù)進(jìn)行大地電磁測深(MT)二維反演，其反演模型能更好地反映地下真實的電性結(jié)構(gòu)特征[13]。

圖7所示為穿過采區(qū)抽注單元和緊鄰包絡(luò)抽注單元的5條縱向可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面的TM二維反演模型。5條剖面均為北東—南西走向，與正北方向夾角為27°。

NS08線的位置處于測區(qū)中央的抽注單元的最西邊緣，沿近南北向穿過抽注單元的兩個注孔KZ1-2和KZ1-1。由圖7可見，注液孔KZ1-1、KZ1-2與抽液孔KC1-1的橫向(近東西向)投影位置，其下部過濾器位置處于由虛線標(biāo)出的低阻區(qū)域的下邊界處。在該剖面上地表下20～120 m深度上存在一低阻梯度帶，其橫向分布范圍大致為測點(diǎn)line8_10EX7—line8_1EX2，低阻梯度帶大致呈現(xiàn)南小北大的棒狀體，產(chǎn)狀南傾，傾角約為35°，電阻率最低處位于地下40 m處，約為35 Ω·m。

NS09線也位于測區(qū)中央的抽注單元西部。KC1-1與KZ1-1下部過濾器位置處于由虛線標(biāo)出的低阻區(qū)域的下邊界處，KZ1-2處于低阻梯度帶外部以南。低阻梯度帶位于地表下方20～120 m深度范圍，其橫向分布范圍大致為測點(diǎn)line9_10EX2—line9sc_1EX2，低阻梯度帶大致呈現(xiàn)橢圓形，產(chǎn)狀近水平。電阻率最低處為于地下40 m處，約為35 Ω·m。

NS10線處于測區(qū)抽注單元的中部，中央穿過中心抽液孔KC1-1。該剖面上地表下20～120 m深度上存在一低阻梯度帶，其橫向分布范圍大致為測點(diǎn)line10_10EX4—line10_1EX2。低阻梯度帶大致呈現(xiàn)“球拍”狀，產(chǎn)狀為柄拍朝北，拍面朝南，南傾，傾角約為15°。電阻率最低處位于地下40 m處，約為35 Ω·m。

NS11位于測區(qū)中央的抽注單元的東部。在該剖面上地表下20～120 m深度上存在一低阻梯度帶，其橫向分布范圍大致為測點(diǎn)line11_10EX6—line11_1EX2。低阻梯度帶大致呈現(xiàn)橢圓狀，產(chǎn)狀北高南低，南傾，傾角約為15°。電阻率最低處為地下60 m深處，約為35 Ω·m。

NS12位于測區(qū)中央的抽注單元的最東邊緣。鉆孔下部過濾器位置處于由虛線標(biāo)出的低阻區(qū)域的下邊界處。在該剖面上地表下20～120 m深度上存在一低阻梯度帶，其橫向分布范圍大致為測點(diǎn)line12_10EX6—line12_1EX2。異常帶沿剖面呈斜“U”形分布，視電阻率最低的位置處在地下40～60 m處，約為20 Ω·m。

NS08—NS12測線依次由西向東排列，NS10測線位于測區(qū)正中央，穿過采區(qū)抽注單元抽液孔位置。由圖7中標(biāo)識的抽注孔投影位置可看出，采區(qū)抽注單元地下電阻率結(jié)構(gòu)特征與抽注孔空間位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系。NS08、NS09和NS10剖面地表下方20～120 m范圍內(nèi)存在一低阻異常帶，低阻異常的電阻率值在20～50 Ω·m之間，異常幅值約20 Ω·m，深度在40～50 m之間。在NS08線上，KZ1-2注液孔的位置沒發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的電阻率異常；而在KZ1-1位置則見有一組近水平“橢圓狀”分布的低阻異常，其中心大致與KZ1-1注液孔吻合；該異常帶延續(xù)到NS10線，其范圍向南擴(kuò)展到KC1-1抽液孔位置。

位于研究區(qū)東部的NS12線上，在KZ2-2注液孔位置發(fā)現(xiàn)大規(guī)模、電阻率為10～50 Ω·m的低阻異常帶，由地表延伸到100 m，其幅值小于20 Ω·m，中心深度40～60 m；異常帶沿剖面呈斜“U”形分布，向北西向拓展與KZ2-1注液孔連通。該異常橫跨到相鄰的NS11線上，規(guī)模增大，呈南東傾斜的“橢圓狀”分布，異常中心與KC1-1抽液孔在剖面的投影位置吻合。

總體上看，低阻異常帶的規(guī)模由西到東呈現(xiàn)出由小到大的趨勢，分布范圍由西北向東南逐漸擴(kuò)展。

4.2.2 橫向測線的二維電性結(jié)構(gòu)模型

如圖8所示，WE09線的位置處于測區(qū)中央的抽注單元的最南邊緣，橫向穿過抽注單元的兩個注液孔KZ1-2和KZ2-2。產(chǎn)狀呈現(xiàn)出兩端大中間小的“骨頭”狀，電阻率最低處位于地下40～60 m處，約為30 Ω·m。

WE10線位置處于測區(qū)中央的抽注單元的中部偏南，橫向穿過抽注單元的兩個注液孔KZ1-2和KZ2-2。產(chǎn)狀呈現(xiàn)出類似圓角平行四邊形，低阻帶橫向上向上分布范圍從測點(diǎn)line7_10EX1延續(xù)至測點(diǎn)line17_10EX1，跨度約90 m，縱向上頂界面在地面下20～110 m；電阻率最低處位于地下40～60 m處，約為30 Ω·m。

WE11線位置處在測區(qū)中央抽注單元的中部偏北。鉆孔下部過濾器位置處于由虛線標(biāo)出的低阻區(qū)域的下邊界處。產(chǎn)狀呈現(xiàn)出橢圓形，電阻率最低處為地下40～60 m處，約為20 Ω·m。

WE12位于測區(qū)中央的抽注單元的最北邊緣。鉆孔下部過濾器位置處于由虛線標(biāo)出的低阻區(qū)域的下邊界處。低阻體產(chǎn)狀呈現(xiàn)出圓角三角形，電阻率最低處位于地下40～60 m處，約為40 Ω·m。

圖8 WE09—WE12橫向剖面電性結(jié)構(gòu)平面圖Fig.8 Horizontal profiles of lines from WE09 to WE12

圖8所示為控制研究區(qū)北部抽注單元和緊鄰包絡(luò)抽注單元的4條橫向可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面的二維反演模型。由南向北取WE09、WE10、WE11和WE12 4條NW297°—SE117°方向CSAMT剖面模型，構(gòu)成剖面電性結(jié)構(gòu)平面圖。采區(qū)抽注孔的相關(guān)位置投影已標(biāo)注于圖中，其中KZ1-1和KZ2-1注液孔位于WE12線上，在兩注液孔之間發(fā)現(xiàn)一組電阻率為40～50 Ω·m，規(guī)模不大，頂、底面分別在20 m和100 m深度，似橢圓狀向東傾的低阻異常體。這一低阻異常體呈近南北走向，向南延伸到WE09線下方，但低阻異常帶中心偏KC1-1抽液孔東側(cè)，而異常帶規(guī)模最大、電阻率最低(約20 Ω·m)的位置則在WE11線。

4.3 中間梯度裝置激發(fā)極化視極化率異常分布

根據(jù)激發(fā)極化原理及數(shù)據(jù)處理要求[14]對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并繪制研究區(qū)0.2 s延時的激電中梯視極化率剖面平面圖(圖9)，以及利用Surfer繪圖軟件編繪0.2 s延時的激電中梯視極化率(ηs)平面等值線圖(圖10)。

如圖10所示，研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)測點(diǎn)的視極化率(ηs)觀測值為1.5%～1.7%，這即表明區(qū)內(nèi)激電中梯的激電場較為穩(wěn)定，其背景值在1.5%～1.7%之間。但是，在中心抽注單元、抽注單元南西側(cè)20～60 m位置，以及抽注單元西側(cè)的小部分地區(qū)卻分布有明顯的低視極化率異常帶，其ηs變化范圍為0.5%～1.1%。特別需要指出，在中央抽注單元的低視極化率異常帶與南西方向的低視極化率異常帶是相互連接的，從而形成區(qū)內(nèi)一組沿北東向展布、穿越中心抽注單元，特征明顯的低視極化率異常帶，為研究區(qū)內(nèi)主要的激電中梯異常。

圖9 研究區(qū)0.2 s延時的激電中梯視極化率剖面平面圖Fig.9 Plane view of apparent polarization profiles with 0.2 s power-off delay in the study area

圖10 TS1-供電時間2 s、延時0.2 s的視極化率(ηsx)平面等值線剖面Fig.10 Contour map of apparent polarizability (ηs) with 2 s power-on time and 0.2 s power-off delay

4.4 地質(zhì)與地球物理解譯

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖石電性測定結(jié)果(表1、表2)可見，區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖性除古近系伊爾丁曼哈組(E2y)的泥巖平均電阻率為8 Ω·m左右，為區(qū)內(nèi)的低阻層，其余白堊系的沉積巖，大多為電阻率大于(10n～100n) Ω·m的中、高阻體。而賦鈾層及含水層位為下白堊統(tǒng)賽漢組上段，其由多個韻律層疊加組成，每個韻律層底部由粗粒的砂礫巖、泥質(zhì)礫巖、含粒粗砂巖組成，向上漸變?yōu)橹写稚皫r、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖，砂巖固結(jié)程度低，并以泥巖或粉砂巖結(jié)束；該層位平均電阻率小于35 Ω·m，為中等導(dǎo)電性的地層。但研究區(qū)內(nèi)CSAMT探測發(fā)現(xiàn)的低阻異常帶的電阻率在20～50 Ω·m之間，異常幅值小于20 Ω·m，可見區(qū)內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的低阻異常帶的結(jié)構(gòu)特征可能反映了古近系泥巖和下白堊統(tǒng)賦鈾及含水層位的分布規(guī)律。異常帶的下部電阻率升高的層位，則是賦鈾層和含水層位的反映。由此推測，區(qū)內(nèi)所發(fā)現(xiàn)的低阻異常帶下部，即60～110 m深度范圍，異常的分布特征很可能反映了地下溶浸開采過程“溶浸液”與“含礦浸液”的分布狀態(tài)。這一探測結(jié)果大致與區(qū)內(nèi)抽、注液孔的地質(zhì)和水文資料吻合。

所以由圖7所示的低阻異常帶分布特點(diǎn)可見，研究區(qū)東部和西北部的斷裂構(gòu)造和巖石裂隙比西南部發(fā)育好，因而KZ2-2、KZ2-1和KZ1-1的注液效果遠(yuǎn)比KZ1-2明顯，其所注入的“溶浸液”與“含礦浸液”的覆蓋面積也大得多。

而圖8反映的布置在研究區(qū)北部抽注單元和緊鄰包絡(luò)抽注單元的4條橫向可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面的二維反演模型中，這4條剖面的電性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)一步指示了研究區(qū)即地浸開采礦區(qū)北部斷裂構(gòu)造及裂隙比西南部發(fā)育；由KZ1-1和KZ2-1孔注入的“溶浸液”，及形成的“含礦浸液”大致沿近南北向運(yùn)移，“溶浸”范圍基本集中在礦區(qū)東部和北部的中間地帶。

表3為研究區(qū)巖石極化率參數(shù)表，從表中可見，區(qū)內(nèi)輝綠巖的極化率最高，其平均極化率約為4.39%。其次為英安巖、玄武巖和板巖，平均極化率為2.43%～2.96%。其余巖性的平均極化率均小于1.91%，平均極化率最低的沉積變質(zhì)巖是砂巖、礫巖和絹云母片巖；這類巖石基本屬于“離子”導(dǎo)電的介質(zhì)，其發(fā)生“激電效應(yīng)”的機(jī)理應(yīng)屬于離子導(dǎo)體的“薄膜極化”現(xiàn)象[15]，因而極化率很低。這同時也表明，研究區(qū)內(nèi)幾乎不存在高激電異常，即使賦鈾地層和含水層位，以及“溶浸液”和“含礦浸液”，所表現(xiàn)的也是低極化率異常特征。需要指出的是，由于激發(fā)極化法采用供電極距AB為500 m的中間梯度裝置進(jìn)行觀測，所觀測的結(jié)果很有可能只能大致反映出地下125 m深度以上的激電結(jié)構(gòu)特征。

圖9、圖10給出了試驗采區(qū)地下中梯極化率異常的分布狀態(tài)，可以看出，在抽注單元下方存在著大范圍低極化率異常帶，其極化率低于周圍背景值1.00%左右，很可能是由地浸過程抽、注浸出液所引起的低極化異常。在中央抽注單元南西方向20～60 m位置，出現(xiàn)了北東向延伸、并與分布在研究區(qū)北部的異常相連的低極化率異常帶(圖10)。這很可能說明，雖然電性結(jié)構(gòu)特征表明，研究區(qū)東部和西北部的斷裂構(gòu)造和巖石裂隙比西南部發(fā)育好，但并不是說西南部完全沒有溶液滲流的通道；所以，研究區(qū)西南部的低極化率異常帶也可能是浸出液沿南西方向擴(kuò)散/流動所引起的。

5 結(jié) 論

通過應(yīng)用可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和中間梯度裝置激發(fā)極化法(TDIP)進(jìn)行探測試驗，并結(jié)合試驗區(qū)地質(zhì)、水文資料，對內(nèi)蒙古蘇尼特左旗某鈾礦地浸礦山開采過程“浸出液”分布范圍進(jìn)行分析、研究，得到如下認(rèn)識：

(1)井場抽、注單元下方發(fā)現(xiàn)的大規(guī)模低阻異常帶，縱向上覆蓋20～120 m深度范圍，橫向上基本包絡(luò)整個抽注單元。這反映了上覆地層單元(低阻泥巖、粉砂巖及局部斷裂)與下部地浸“浸出液”綜合作用的導(dǎo)電性特征。

(2)井場下方由“浸出液”產(chǎn)生的低阻異常帶分布于60～110 m深度范圍，在平面上沿試驗區(qū)近東西方向分布于NS08—NS12的范圍內(nèi)，而近南北方向則分布于WE09—WE12的范圍內(nèi)，其整體趨勢與激發(fā)極化法中梯裝置低極化率異常區(qū)相吻合。

(3)由CSAMT探測發(fā)現(xiàn)的低阻異常帶分布特征可見，研究區(qū)東部和西北部的斷裂構(gòu)造和巖石裂隙比西南部發(fā)育好，因而KZ2-2、KZ2-1和KZ1-1的注液效果比KZ1-2明顯，其所注入的“溶浸液”與“含礦浸液”的覆蓋面積較大，范圍基本集中在礦區(qū)東部和北部的中間地帶。

(4)由激電中梯探測獲得的低極化率異常，可能是由地浸過程抽、注“浸出液”的激電效應(yīng)所產(chǎn)生，其范圍反映了“浸出液”平面分布狀態(tài)，即以抽注單元為主體向南西方向擴(kuò)散。這一認(rèn)識與試驗地區(qū)區(qū)域地下水流向(北東—南西向)相吻合，并且其分布范圍符合井場抽注的基本水動力學(xué)規(guī)律。

上述試驗研究結(jié)果表明，利用電法勘查技術(shù)對地浸礦山浸出液分布范圍進(jìn)行觀測是可行的。