廣域電磁法在松遼盆地南部寶龍山地區(qū)砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用

段書(shū)新，陳聰，師欽俊，汪碩，劉祜

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

作為我國(guó)東北地區(qū)最大的中-新生代陸相沉積盆地，松遼盆地是一個(gè)鈾、煤、石油、天然氣等能源共生的盆地。20 世紀(jì)60 年代，核工業(yè)系統(tǒng)在盆地邊緣開(kāi)展了零星的放射性普查工作，拉開(kāi)了松遼盆地鈾礦勘查的序幕。20 世紀(jì)90 年代，我國(guó)鈾礦勘查工作重點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)向北方砂巖型鈾礦，松遼盆地鈾礦勘查自此取得持續(xù)突破，目前已在盆地西南部陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了錢(qián)家店、寶龍山、二龍山等多個(gè)鈾礦床，逐步奠定了松遼盆地成為我國(guó)北方鈾礦勘查與開(kāi)發(fā)大基地的基礎(chǔ)［1-2］。整體來(lái)看，松遼盆地西南部砂巖型鈾礦主要位于層間氧化還原過(guò)渡帶內(nèi)，其蓋層中的上白堊統(tǒng)姚家組以較好的沉積條件、穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)、較廣的分布范圍和相對(duì)完善的“補(bǔ)-徑-排”水動(dòng)力體系等優(yōu)勢(shì)，成為盆內(nèi)重要的鈾礦目的層［3-5］。

針對(duì)北方砂巖型鈾礦，前人創(chuàng)新發(fā)展了大地電磁（MT）、音頻大地電磁（AMT）和可控源音頻大地電磁（CSAMT）等一系列以探查深部成礦環(huán)境為目的的頻率域電磁勘探方法，在識(shí)別研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)、劃分砂體等方面取得了較好的應(yīng)用效果［6-10］。廣域電磁法（Wide Field Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱(chēng)WFEM）自2005 年提出以來(lái)，已在地?zé)?、油氣、多金屬礦產(chǎn)勘查等多個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用［11-13］，并逐漸延伸到鈾礦勘查領(lǐng)域［14］。本文通過(guò)松遼盆地南部寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 同剖面對(duì)比試驗(yàn)，論證WFEM 的測(cè)深能力和探測(cè)效果，淺析該方法在我國(guó)砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)地球物理概況

1.1 基底與蓋層

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市科左中旗寶龍山地區(qū)，松遼盆地西南部錢(qián)家店凹陷東北部、白興吐構(gòu)造剝蝕天窗的東側(cè)。

根據(jù)前人研究成果，松遼盆地南部基底主要為石炭-二疊系淺變質(zhì)的（碳質(zhì)）板巖和結(jié)晶灰?guī)r，向東、東南方向逐漸過(guò)渡為花崗巖和侏羅系火山碎屑巖［1］；蓋層從淺至深主要發(fā)育第四系（Q）、泰康組（N2t）、明水組（K2m）、四方臺(tái)組（K2s）、嫩江組（K2n）、姚家組（K2y）、青山口組（K2qn）和泉頭組（K2q）［15］。寶龍山地區(qū)出露地層主要有泰康組（N2t）、嫩江組（K2n）、姚家組（K2y）、輝綠巖脈（βμ）和基底花崗巖（γ4）等（圖1）。1—新近系泰康組；2—白堊系嫩江組；3—白堊系姚家組；4—輝綠巖脈；5—花崗巖；6—整合地質(zhì)界線；7—不整合地質(zhì)界線；8—斷裂；9—鈾礦床；10—地名。

圖1 松遼盆地南部寶龍山地區(qū)地質(zhì)略圖（據(jù)文獻(xiàn)［16］修改）Fig.1 Geological sketch of Baolongshan area in southern Songliao Basin（Modified after reference［16］）

1.2 電阻率特征

根據(jù)核工業(yè)二四三大隊(duì)、核工業(yè)航測(cè)遙感中心在該區(qū)開(kāi)展的測(cè)井、CSAMT 探測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，除深部基底表現(xiàn)為明顯的超高電阻率特征外，區(qū)內(nèi)蓋層電阻率分布具有如下特征（圖2）［10，17］：

以10、30 Ω·m 作為蓋層中低阻、中阻、高阻的電阻率分界面，則區(qū)內(nèi)蓋層可以圖2 中藍(lán)線所示電性界面分為四層結(jié)構(gòu)。第四系（Q）、泰康組（N2t）為高阻層，明水組（K2m）、四方臺(tái)組（K2s）為中阻層，嫩江組（K2n）為低阻層，姚家組（K2y）、青山口組（K2qn）、泉頭組（K2q）為中阻層。上述電性差異為該區(qū)電磁方法的應(yīng)用提供了便利條件。

圖2 松遼盆地南部蓋層電阻率分布柱狀圖Fig.2 Histogram of electro resistivity of cap rocks in southern Songliao Basin

2 廣域電磁法及工程部署

2.1 廣域電磁法簡(jiǎn)介

廣域電磁法（WFEM）通過(guò)人工接地場(chǎng)源建立諧變電磁場(chǎng)，向地下發(fā)送不同頻率組合交變電流的同時(shí)，在不限于傳統(tǒng)“遠(yuǎn)區(qū)”的廣大區(qū)域內(nèi)觀測(cè)任意一個(gè)電磁場(chǎng)分量，計(jì)算廣域視電阻率，進(jìn)而達(dá)到探測(cè)具有電性差異的地質(zhì)目標(biāo)體的目的［18-19］。

與傳統(tǒng)感應(yīng)類(lèi)電磁法利用正交的電磁場(chǎng)計(jì)算卡尼亞視電阻率不同，WFEM 定義的廣域視電阻率僅由任意一個(gè)電場(chǎng)或磁場(chǎng)分量即可精確解出。以當(dāng)前應(yīng)用相對(duì)較多的廣域電磁法E-Ex旁側(cè)裝置為例，其野外觀測(cè)裝置如圖3所示。

圖3 廣域電磁E-Ex 旁側(cè)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of E-Ex side device in WFEM

2.2 電磁探測(cè)工程部署

為充分剖析廣域電磁法在砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用效果，開(kāi)展了WFEM 與AMT 相同剖面、相同測(cè)點(diǎn)、不同方法的對(duì)比試驗(yàn)（圖4）。圖4 中紅色為AMT 測(cè)線，藍(lán)色為WFEM 測(cè)線，其長(zhǎng)度分別為3 000 m 和8 850 m，點(diǎn)距均為75 m。為驗(yàn)證廣域電磁法在砂巖型鈾礦勘查中的應(yīng)用效果，收集了測(cè)線附近的寶13-1、寶11-3 兩個(gè)鉆孔以便進(jìn)行工程驗(yàn)證對(duì)比。

圖4 寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 測(cè)線部署Fig.4 Layout of WFEM and AMT survey lines in Baolongshan Area

AMT 探測(cè)利用MTU5A+AMTC30組合，同時(shí)采集 相互正交的Ex、Hy和Ey、Hx電磁場(chǎng)信號(hào)。為保證采集到AMTC30 探頭靈敏度范圍內(nèi)完好的最低有效頻率，AMT 單點(diǎn)采集時(shí)間不低于40 min。

WFEM 探測(cè)采用圖3 所示的E-Ex旁側(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所用儀器為湖南繼善高科的JSGY-2廣域電磁儀（180 kW），工作參數(shù)分別為：供電電極長(zhǎng)度AB=1.2 km，收發(fā)距R=7.8 km，發(fā)射電流I=100 A，頻組為11、10、9、8、7、6、5、4、3、1，每個(gè)頻組由7 個(gè)頻率組成，具體頻率成分見(jiàn)表1。野外現(xiàn)場(chǎng)為獲取高質(zhì)量原始數(shù)據(jù)，每個(gè)頻組的疊加次數(shù)不少于5 次，每個(gè)頻點(diǎn)實(shí)測(cè)電場(chǎng)均方根誤差不大于5%。

表1 寶龍山地區(qū)廣域電磁探測(cè)工作頻率統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on working frequencies of WFEM detection in Baolongshan area

3 WFEM 與AMT 方法對(duì)比

3.1 采集頻率對(duì)比

作為天然源頻率域電磁法的代表，AMT 卡尼亞視電阻率的計(jì)算需滿足平面波場(chǎng)垂直入射假設(shè)，而這一假設(shè)只有當(dāng)場(chǎng)源位置無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)才能基本滿足。故AMT 的場(chǎng)源多為宇宙中遠(yuǎn)離地球的太陽(yáng)風(fēng)、雷暴、磁暴等天然電磁場(chǎng)信號(hào)，其頻率成分和幅值大小是自然存在而不受人為控制的。相比較而言，WFEM 是人工源頻率域電磁勘探方法，其場(chǎng)源是根據(jù)探測(cè)需要而人為建立的電磁場(chǎng)，頻率成分和幅值大小均是人為可控的。故兩者的采集頻率存在一定的差異。

本次寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 兩種方法的有效采集頻率如圖5 所示。由圖可知，兩種方法的頻率分布密度大致相同，在一個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)均有13 個(gè)頻點(diǎn)。高、中頻部分，AMT 較WFEM 僅多1 個(gè)頻點(diǎn)（10 400 Hz），表明兩種方法對(duì)淺部地質(zhì)體的探測(cè)能力一致；低頻部分，WFEM 的最低有效頻率遠(yuǎn)小于AMT，表明其探測(cè)深部地質(zhì)體的能力優(yōu)于AMT。

圖5 寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 有效采集頻率對(duì)比Fig.5 Comparison of effective acquisition frequency between WFEM and AMT in Baolongshan Area

3.2 視電阻率曲線對(duì)比

視電阻率曲線反映的是測(cè)點(diǎn)位置處電阻率隨頻率（深度）的變化，它是野外原始資料優(yōu)劣的直接最直觀反映，亦是影響探測(cè)效果好壞的決定因素。將AMT 與WFEM 兩種方法在同一位置上的視電阻率曲線進(jìn)行對(duì)比，得到對(duì)比曲線如圖6 所示。

整體來(lái)看，兩種不同方法得到的視電阻率曲線形態(tài)基本一致。高、中頻范圍內(nèi)，圖6b 中兩種方法的曲線形態(tài)、走勢(shì)及視電阻率值基本一致；圖6a 中AMT 方法在300～5 000 Hz 頻率范圍內(nèi)視電阻率值跳動(dòng)較大且無(wú)明顯的曲線形態(tài)和走勢(shì)，WFEM 則保持了較好的曲線形態(tài)和規(guī)律性的視電阻率值變化。低頻范圍內(nèi)，根據(jù)視電阻率曲線形態(tài)可判斷AMT 最低有效頻率約為10 Hz 而WFEM的最低有效頻率可至0.1 Hz。

圖6 寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 同測(cè)點(diǎn)視電阻率曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of apparent resistivity curves of WFEM and AMT at the same station in Baolongshan area

3.3 探測(cè)深度及探測(cè)效果對(duì)比

根據(jù)前述兩種不同方法的視電阻率曲線對(duì)比（圖6），本次AMT 實(shí)際最低有效頻率在10 Hz左右，根據(jù)趨膚深度公式，預(yù)估其有效探測(cè)深度約為500 m。對(duì)上述兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行相同反演軟件及參數(shù)的二維反演，反演均采用TM 反演模式，其中AMT“死頻帶”和10 Hz 以后的尾支離散點(diǎn)則進(jìn)行了飛點(diǎn)剔除處理，得到AMT 與WFEM兩種不同方法相同剖面上的反演電阻率等值線對(duì)比如圖7所示。

圖7 寶龍山地區(qū)WFEM 與AMT 反演電阻率等值線對(duì)比Fig.7 Comparison of inversion resistivity contours between WFEM and AMT in Baolongshan area

在500 m 以淺，兩種方法的反演等值線形態(tài)基本一致，反演電阻率從淺至深大致呈現(xiàn)“高-中-低”三層電性結(jié)構(gòu)。但仔細(xì)分析可知：針對(duì)150 m 以淺的高阻地層，AMT 方法在平距1500～1 800 m 處出現(xiàn)明顯的高阻團(tuán)塊，而WFEM 在此平距范圍的成層性相對(duì)較好，推測(cè)可能是由于AMT 的死頻帶效應(yīng)造成該平距位置處視電阻率曲線質(zhì)量較差而引起。在150～500 m 深度范圍內(nèi)，以4 Ω?m 反演電阻率等值線為例，圖7b WFEM 反演電阻率圖中該等值線水平方向上起伏更小，更切合砂巖型沉積盆地的實(shí)際地質(zhì)情況。同時(shí)，圖7b 中低于4 Ω?m 反演電阻率值的層狀低阻體頂、底界線清晰，低阻層狀體不存在明顯地向深部不收斂現(xiàn)象，表現(xiàn)出WFEM 較好的水平分層能力和更優(yōu)的縱向分辨能力，推測(cè)可能與WFEM 能夠采集到更低更有效的低頻信號(hào)有關(guān)。

在500 m 以深，AMT 由于最低有效頻率的限制，探測(cè)效果不理想；WFEM 則由于能夠采集到更低的有效頻率，故對(duì)深部基底的探測(cè)能力明顯優(yōu)于AMT。

4 WFEM 探測(cè)成果地質(zhì)解譯

圖8 為上述試驗(yàn)剖面的廣域電磁探測(cè)結(jié)果。整體來(lái)看，反演電阻率斷面水平成層性較好，反映了區(qū)內(nèi)較為穩(wěn)定的地層結(jié)構(gòu)；縱向上，依據(jù)反演電阻率斷面垂向電性分布特征，可大致劃分出研究區(qū)五個(gè)地層單元。

圖8 寶龍山地區(qū)B1 線WFEM 探測(cè)結(jié)果Fig.8 WFEM detection results of exploration line B1 in Baolongshan area

第一地層單元：反演電阻率值在36～14 Ω·m之間，中高阻，推測(cè)為第四系（Q）洪積物、砂礫石、風(fēng)積物和泰康組（N2t）含礫粗砂、中砂、細(xì)砂巖等。根據(jù)反演電阻率斷面，其埋深約為200 m，局部地段有起伏。

第二地層單元：反演電阻率值在14～4 Ω·m之間，中低阻，反演電阻率值隨深度增大而變小，推測(cè)為四方臺(tái)組（K2s）的泥巖、中粗粒砂巖、砂礫巖。根據(jù)反演電阻率斷面，推測(cè)四方臺(tái)組（K2s）頂、底界面埋深分別約為200、390 m，厚度190 m。

第三地層單元：反演電阻率值在4～14 Ω·m之間，中低阻，反演電阻率值隨深度增大而增大，與上覆四方臺(tái)組（K2s）大致呈鏡像關(guān)系但厚度變薄，推測(cè)為嫩江組（K2n）的泥巖。根據(jù)反演電阻率斷面上的等值線變化，推測(cè)嫩江組（K2n）頂、底界面埋深分別約為390、440 m，厚度50 m。

第四地層單元：反演電阻率值在14～70 Ω·m之間，中高阻，反演電阻率值隨深度增大而增大，推測(cè)為姚家組（K2y）砂、泥巖沉積。根據(jù)反演電阻率斷面上的等值線變化，推測(cè)其頂、底界面埋深分別約為440、550 m，厚度110 m。

第五地層單元：反演電阻率值大于70 Ω·m，高阻，反演電阻率值隨深度增大而快速增大，推測(cè)為深部花崗巖基底。

根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果，寶13-1、寶11-3 測(cè)井電阻率（圖8 紅線）從淺至深大致呈現(xiàn)“高-低-高”三層結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)著所鉆遇泰康組（N2t）、四方臺(tái)組（K2s）、嫩江組（K2n）和姚家組（K2y）四個(gè)地層（圖8 四段巖性柱）的三個(gè)電性分界面。整體來(lái)看，WFEM 反演電阻率斷面垂向電性結(jié)構(gòu)、各地層頂、底界面埋深均與鉆孔揭露情況一致，表明WFEM在本次寶龍山地區(qū)砂巖型鈾礦勘查中取得了較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展松遼盆地南部砂巖型鈾礦WFEM與AMT 方法試驗(yàn)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1）采集頻率方面，以傳統(tǒng)AMT 方法所采用的AMTC30 探頭為例，WFEM 與AMT的高、中頻點(diǎn)數(shù)基本一致，但WFEM 的最低有效頻率遠(yuǎn)低于AMT，表明其更有利于探測(cè)深部地質(zhì)目標(biāo)體。

2）原始視電阻率方面，WFEM 不存在死頻帶現(xiàn)象，最低有效頻率較AMT 更低，視電阻率曲線更光滑。

3）探測(cè)深度及探測(cè)效果方面，WFEM 測(cè)深能力更強(qiáng)，水平分層能力和縱向分辨能力均優(yōu)于AMT。

4）寶龍山地區(qū)WFEM 的應(yīng)用實(shí)例表明：WFEM 對(duì)淺部沉積地層的水平分層能力和縱向分辨能力較強(qiáng)，可較好地應(yīng)用于淺層砂體識(shí)別等砂巖型鈾成礦環(huán)境探測(cè)中；同時(shí)，該方法具有較傳統(tǒng)AMT 方法更深的探測(cè)能力，可探索應(yīng)用于松遼盆地北部等較深沉積地層的砂巖型鈾礦勘查。