李子偉，吳曲波，曹成寅

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

砂巖型鈾礦勘查實(shí)踐表明利用地球物理方法查明地層展布、構(gòu)造和砂體分布規(guī)律對(duì)于砂巖型鈾礦的研究具有重要意義［1-8］。在眾多地球物理方法當(dāng)中，地震勘探方法具有較大的探測(cè)深度和較高的探測(cè)精度，是未來(lái)砂巖型鈾礦地球物理勘探中不可或缺的主要方法之一，其中利用地震方法精細(xì)識(shí)別含礦砂體是很重要的一個(gè)研究方向。探測(cè)對(duì)象與圍巖的波阻抗參數(shù)差異是開(kāi)展地震勘探的前提［9-11］，在油氣勘探領(lǐng)域，通過(guò)地震巖石物理研究指導(dǎo)油氣的勘探與開(kāi)發(fā)已成為常規(guī)手段［12-14］，而在砂巖型鈾礦勘探領(lǐng)域，砂巖型鈾礦含礦砂體與圍巖的波阻抗參數(shù)差異是開(kāi)展地震勘探方法研究的基礎(chǔ)，以往學(xué)者開(kāi)展了部分含礦砂體的物性參數(shù)的分析研究［15-17］，但未針對(duì)性地開(kāi)展和地震勘探相關(guān)的波阻抗等彈性參數(shù)研究。

本研究基于哈達(dá)圖礦區(qū)的鉆井巖心樣品，進(jìn)行了樣品縱橫波速度和波阻抗等彈性參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算，初步分析研究了含礦砂體和圍巖的密度、縱橫波速度和縱橫波阻抗等參數(shù)的差異，為后續(xù)的砂巖型鈾礦地震巖石物理研究指明了方向，同時(shí)研究結(jié)果也可以為砂巖型鈾礦地震勘探工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)巖性特征

哈達(dá)圖礦床位于二連盆地中西部烏蘭察布坳陷中東部的齊哈日格圖凹陷，該地區(qū)基底埋深在1 000～1 600 m，主要由古生界中、淺變質(zhì)巖系、侏羅系火山巖-碎屑巖系和華力西-燕山期侵入巖組成。中新生代沉積蓋層發(fā)育齊全，根據(jù)相關(guān)的區(qū)域地質(zhì)資料，沉積地層由老到新分別為侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。

本次研究的含鈾礦目的層主要為下白堊統(tǒng)騰格爾組和賽漢組。

1） 騰格爾組（K1t）

騰格爾組厚度一般在500～2 000 m 之間，根據(jù)巖性可分為兩段： 騰格爾組一段 （K1t1）主要為灰白、淺灰色砂質(zhì)礫巖、泥礫巖、砂巖夾灰、深灰色泥巖；騰格爾組二段（K1t2）以灰、深灰色、黑色頁(yè)巖、塊狀泥巖為主，夾灰白色砂巖和礫巖，其下部以灰、深灰色大套泥巖為主夾砂巖，中部以深灰色泥巖、粉砂巖為主夾泥灰?guī)r、劣質(zhì)油頁(yè)巖、鈣質(zhì)砂巖等，砂巖以中粗粒為主，上部巖性為一套灰、深灰色泥巖為主夾薄層粉砂巖、砂巖，泥巖質(zhì)純，性脆且硬，砂巖中含泥較多。

2） 賽漢組（K1s）

賽漢組厚度一般在100～500 m 之間，是本區(qū)最重要的鈾礦找礦目的層，以砂質(zhì)礫巖、泥巖為主，與下伏騰格爾組和上覆古、新近系呈不整合接觸。該組下部為灰色粉砂巖、砂質(zhì)礫巖夾泥巖，其底部的灰綠、綠灰色（蘭灰色）塊狀砂質(zhì)礫巖層；中部為綠灰色泥巖夾碳質(zhì)泥巖和褐煤線；上部為綠灰色、灰色砂質(zhì)礫巖、含礫砂巖夾灰色或棕紅色泥巖。

2 巖石樣品采集與制樣

在哈達(dá)圖礦區(qū)的鉆井中采集了20 塊樣品用于本次彈性參數(shù)測(cè)量，其中礦心12 塊，圍巖8 塊，具體情況如表1 所示。

本次采集的巖石樣品由于埋深較淺（260～290 m），壓實(shí)程度不高，在測(cè)量前基本處于散碎龜裂狀態(tài)，極易破碎（圖1），常規(guī)的機(jī)械或手工取心方法均不可用，無(wú)法獲取原始狀態(tài)成型實(shí)驗(yàn)樣品，因此本次實(shí)驗(yàn)采用合成制樣方法獲取滿足測(cè)量要求的實(shí)驗(yàn)樣品，再對(duì)合成樣品進(jìn)行密度和縱橫波速度的測(cè)量，合成制樣方法流程見(jiàn)圖2。

表1 巖石樣品一覽表Table 1 List of rock samples

圖1 巖石樣品的原始狀態(tài)Fig.1 Original state of rock samples

制樣過(guò)程中，需要對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)把握：

圖2 巖石樣品合成制樣流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of synthetic sample preparation process

1） 保持每次制樣原巖粉末裝入量一致；

2） 保持每次壓制樣品時(shí)壓力一致；

3） 保持每個(gè)樣品壓制時(shí)間為24 h。

通過(guò)把握以上3 處關(guān)鍵點(diǎn)，再加上壓制磨具的約束，可以最大程度保持每個(gè)樣品初始重量及形成條件一致，盡量保證每個(gè)樣品的密度僅與其粉末顆粒大小及顆粒幾何形態(tài)相關(guān)。

3 測(cè)量與計(jì)算方法

本文主要開(kāi)展了含礦砂體及圍巖的地面溫壓條件下密度、縱波速度和橫波速度的測(cè)量，并基于測(cè)量結(jié)果計(jì)算了樣品的縱橫波阻抗。

3.1 密度測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)室樣品為均勻圓柱形態(tài)的合成樣品，因此采用量積法測(cè)量樣品密度，通過(guò)測(cè)量樣品質(zhì)量及體積，計(jì)算得到樣品的密度。樣品質(zhì)量通過(guò)電子天平測(cè)量，樣品體積通過(guò)使用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品長(zhǎng)度及直徑計(jì)算得到。

具體的測(cè)量流程如下：

1） 將樣品放置在干燥箱內(nèi)24 h 做干燥處理；

2） 采用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱形巖石樣品的直徑和長(zhǎng)度，利用（1）式計(jì)算樣品的體積；

式中： V 為樣品的體積，單位為m3；d 為樣品的直徑，單位為m；L 為樣品的長(zhǎng)度，單位為m。

3） 用電子天平測(cè)定樣品的質(zhì)量，用m 表示；

4） 通過(guò)（2）式計(jì)算干樣品密度。

式中： ρ 為樣品的密度，單位為kg·m-3；m 為樣品的質(zhì)量，單位為kg；V 為樣品的體積，單位為m3。

3.2 波速測(cè)量方法

本文采用超聲脈沖透射法測(cè)定樣品巖石的縱、橫波速度，通過(guò)測(cè)量聲波在樣品中的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算樣品波速。波速測(cè)量系統(tǒng)（圖3）包括縱、橫波聲波換能器（縱橫波探頭）、波形脈沖發(fā)生接收器、示波器和數(shù)據(jù)采集電腦。聲波換能器放置在樣品兩端，與波形脈沖發(fā)生接收器相連，而波形脈沖發(fā)生接收器再與示波器相連，后者與數(shù)據(jù)采集電腦連接，由此構(gòu)成一個(gè)完整的聲波速度測(cè)量系統(tǒng)。

圖3 巖石常溫常壓聲波速度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural diagram of rock acoustic wave velocity test system in normal temperature and pressure

采用的設(shè)備為T(mén)ektronic 的DPO2000 型示波器和PANAMETRICS 生產(chǎn)的縱波探頭（主頻1 MHz）的和橫波探頭（主頻0.5 MHz），如圖4所示。根據(jù)樣品的長(zhǎng)度和超聲波通過(guò)樣品的時(shí)間，利用（3）式和（4）式計(jì)算波速。

圖4 巖石常溫常壓聲波速度測(cè)量系統(tǒng) （中科院地質(zhì)與地球物理研究所）Fig.4 Rock acoustic wave velocity test system in normal temperature and pressure （Inslitute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences）

式中： vp為巖石樣品的縱波速度，單位為m·s-1；L 為樣品的長(zhǎng)度，單位為m；Tp為縱波通過(guò)樣品的走時(shí)，單位為s。

式中： vs為巖石樣品的橫波速度，單位為m·s-1；L 為樣品的長(zhǎng)度，單位為m；Ts為橫波通過(guò)樣品的走時(shí)，單位為s。

3.3 波阻抗計(jì)算方法

巖石的波阻抗即指巖石中的縱波速度與巖石密度的乘積，表明波在巖體中傳播時(shí)，運(yùn)動(dòng)著的巖石質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生單位速度所需的擾動(dòng)力，反映了巖石對(duì)動(dòng)量傳遞的抵抗能力。

本文基于密度和波速的測(cè)量結(jié)果，采用（5）式和（6）式完成縱波阻抗和橫波阻抗的計(jì)算。

式中： AIp為巖石樣品的縱波阻抗，單位為kg·m-3·m·s-1；ρ 為巖石樣品的密度，單位為kg·m-3；vp為巖石樣品的縱 波速度，單位為m·s-1。

式中： AIs為巖石樣品的橫波阻抗，單位為kg·m-3·m·s-1；ρ 為巖石樣品的密度，單位為kg·m-3；vs為巖石樣品的橫波速度單位為m·s-1。

4 測(cè)量結(jié)果分析

通過(guò)本文的合成制樣方法完成了樣品的制作，通過(guò)制樣過(guò)程中的觀察發(fā)現(xiàn)，圍巖合成樣品顏色較淺，呈淺灰白色或淺黃色，而礦心合成樣品基本呈深灰色；同樣粉碎條件下礦心樣品粉末顆粒明顯小于圍巖樣品粉末顆粒，同樣壓力條件下制樣，圍巖合成樣品明顯更為疏松。圖5 為完成彈性參數(shù)測(cè)量后的合成樣品，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中圍巖合成樣品基本都會(huì)出現(xiàn)崩邊破損，而礦心合成樣品則幾乎無(wú)破損。

圖5 完成測(cè)量后的合成樣品Fig.5 Synthetic samples after testing

利用本文的彈性參數(shù)測(cè)量方法，完成了20 塊樣品的密度、縱橫波速度的參數(shù)測(cè)量，并計(jì)算了縱波阻抗和橫波阻抗，針對(duì)結(jié)果進(jìn)行了初步分析。

4.1 密度參數(shù)結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)量，巖石樣品的密度范圍分布情況如圖6 所示。圍巖合成樣品共8 塊，密度均小于2 000 kg·m-3，范圍為1 850～2 000 kg·m-3。礦心合成樣品共12 塊，密度均大于2 000 kg·m-3，范圍為2 000～2 200 kg·m-3，各密度區(qū)間樣品個(gè)數(shù)分布較為均勻。

圖6 巖石樣品密度范圍分布Fig.6 Distribution of density range of rock samples

通過(guò)密度參數(shù)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，礦心與圍巖的合成樣品密度值范圍存在明顯區(qū)別，礦心的密度值明顯大于圍巖的密度值。

4.2 縱波速度測(cè)量結(jié)果

通過(guò)測(cè)量，巖石樣品的縱波速度范圍分布情況如圖7 所示。圍巖合成樣品縱波速度范圍為700～1 100 m·s-1，其中有6 塊樣品縱波速度處于700～900 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的75%，兩塊樣品縱波速度在900～1 100 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的25%。礦心合成樣品縱波速度范圍為900～1 800 m·s-1，其中有10 塊樣品縱波速度處于1 200～1 800 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的83.3%，兩塊樣品縱波速度在900～1 100 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的16.7%。

通過(guò)縱波速度參數(shù)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別樣品外，礦心與圍巖的合成樣品縱波速度值范圍存在明顯區(qū)別，礦心的縱波速度值整體要大于圍巖的縱波速度值。

4.3 橫波速度測(cè)量結(jié)果

通過(guò)測(cè)量，巖石樣品的橫波速度范圍分布情況如圖8 所示。圍巖合成樣品橫波速度范圍為400～800 m·s-1，其中有7 塊樣品橫波速度處于400～600 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的87.5%，1 塊樣品橫波速度處于700～800 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的12.5%。礦心合成樣品橫波速度范圍為600～1 200 m·s-1，其中有10 塊樣品橫波速度處于800～1 200 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的83.3%，有兩塊樣品橫波速度處于600～800 m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的16.7%。

圖7 巖石樣品縱波速度范圍分布Fig.7 Distribution of P-wave velocity range of rock samples

圖8 巖石樣品橫波速度范圍分布Fig.8 Distribution of S-wave velocity range of rock samples

通過(guò)橫波速度參數(shù)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別樣品外，礦心與圍巖的合成樣品橫波速度值范圍存在明顯區(qū)別，礦心的橫波速度值整體要大于圍巖的橫波速度值。

4.4 縱波阻抗結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算，巖石樣品的縱波阻抗范圍分布情況如圖9 所示。圍巖合成樣品縱波阻抗范圍為1.4×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1，其中有6 塊樣品縱波阻抗處于1.4×106～1.8×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的75%，有兩塊樣品縱波阻抗處于1.8×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的25%。礦心合成樣品縱波阻抗范圍為1.8×106～4.2×106kg·m-3·m·s-1，其中有11塊樣品縱波阻抗處于2.2×106～4.2×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的91.7%，有1 塊樣品縱波阻抗處于1.8×106～2.2×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的9.3%。

通過(guò)縱波阻抗的結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別樣品外，礦心與圍巖的合成樣品縱波阻抗值范圍存在明顯區(qū)別，礦心的縱波阻抗值整體要大于圍巖的縱波阻抗值。

4.5 橫波阻抗結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算，巖石樣品的橫波阻抗范圍分布情況如圖10 所示。圍巖合成樣品橫波阻抗范圍為0.8×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1，其中有7 塊樣品橫波阻抗處于0.8×106～1.1×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的87.5%，有1 塊樣品橫波阻抗處于1.4×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)圍巖數(shù)量的12.5%。礦心合成樣品橫波阻抗范圍為1.1×106～2.9×106kg·m-3·m·s-1，其中有10塊樣品橫波阻抗處于1.7×106～2.9×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的83.3%，有兩塊樣品橫波阻抗處于1.1×106～1.7×106kg·m-3·m·s-1范圍內(nèi)，占送測(cè)礦心數(shù)量的16.7%。

圖9 巖石樣品縱波阻抗范圍分布Fig.9 Distribution of P-wave impedance range of rock samples

圖10 巖石樣品橫波阻抗范圍分布Fig.10 Distribution of S-wave impedance range of rock samples

通過(guò)橫波阻抗的結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別樣品外，礦心與圍巖的合成樣品橫波阻抗值范圍存在明顯區(qū)別，礦心的橫波阻抗值整體要大于圍巖的橫波阻抗值。

4.6 阻抗參數(shù)的交匯分析

不同巖石間的波阻抗差異是地震勘探方法識(shí)別不同巖石的基礎(chǔ)，我們對(duì)圍巖樣品和礦心樣品的波阻抗進(jìn)行交匯分析，圖11 為橫波阻抗與縱波阻抗的交匯結(jié)果，圖中橫軸為縱波阻抗，縱軸為橫波阻抗，從交匯分析結(jié)果可以看出，除個(gè)別樣品外，圍巖樣品與礦心樣品在交匯圖上可以很好區(qū)分顯示，基于此差異，可以為利用波阻抗區(qū)分含礦砂體與非含礦砂體提供理論依據(jù)。

圖11 巖石樣品縱波阻抗與橫波阻抗的交匯分析結(jié)果Fig.11 Cross-plot analysis results of P-wave impedance and S-wave impedance of rock samples

5 結(jié)論

波阻抗參數(shù)差異是地震勘探的基礎(chǔ)，本文開(kāi)展了砂巖型鈾礦含礦砂體及圍巖的彈性參數(shù)的測(cè)量，獲取了含礦砂體及圍巖的密度、縱波速度和橫波速度參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了縱波阻抗和橫波阻抗參數(shù)，并進(jìn)行了初步分析，取得了如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1） 基于二連盆地齊哈日格圖凹陷的鉆井巖心，采用人工制樣方法制作了含礦砂體的圍巖樣品，并進(jìn)行了彈性參數(shù)測(cè)量，在此條件下的測(cè)量結(jié)果表明，含礦砂體的密度、縱波速度和橫波速度均大于圍巖的密度，依據(jù)密度、縱波速度和橫波速度可以較好地區(qū)分該批含礦砂體和圍巖；

2） 縱波阻抗和橫波阻抗的交匯分析結(jié)果表明，圍巖樣品和礦心樣品在交匯圖上處于不同的空間區(qū)域，利用縱橫波阻抗可以較好地區(qū)分該地區(qū)的圍巖與含礦砂體，這一結(jié)論為砂巖型鈾礦地震勘探技術(shù)的研究提供了物性基礎(chǔ)。

致謝：本文的巖石樣品測(cè)量工作由中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成，中國(guó)石油大學(xué)（北京）也參與了部分研究工作，在此一并表示感謝。