米曉利，江汶波，李 清，楊云見，朱永山

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072751)

0 引言

中國北方含油氣沉積盆地普遍伴生砂巖型鈾礦資源[1-6]，往往與油、氣、煤廣泛共生。初步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中石油礦權(quán)區(qū)鈾礦資源豐富，具有良好發(fā)展前景。為研究含油氣盆地鈾礦資源勘查、評(píng)價(jià)方法，揭示重點(diǎn)含油氣盆地鈾成礦地質(zhì)條件、分布規(guī)律以及尋找有利勘探區(qū)帶及重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)，中石油集團(tuán)專門設(shè)立課題開展了系列研究工作。

地球物理探測(cè)方法作為一種間接找礦手段，對(duì)勘查隱伏礦靶區(qū)發(fā)揮著重要作用。近年來國內(nèi)不少學(xué)者在方法理論、方法效果等方面進(jìn)行了不斷的探索和研究[7-13]，為開展深部找礦提供了技術(shù)支持，但在含油氣盆地中開展砂巖型鈾礦勘查方面做的工作很少。根據(jù)以往的研究，沉積盆地中砂巖型鈾礦埋藏深度較大，覆蓋層較厚，一般埋深在200 m以下，傳統(tǒng)的放射性物探方法及重磁電方法由于地面觀測(cè)異常微弱，導(dǎo)致效果不理想。本次試驗(yàn)工作選擇具有較厚覆蓋層的已知礦區(qū)，使用了大功率的進(jìn)口發(fā)射機(jī)，配合自主創(chuàng)新改進(jìn)的多道分布式電磁數(shù)據(jù)采集站，同時(shí)采用了可同時(shí)計(jì)算多種電性參數(shù)的新的處理技術(shù)，以探索形成一種快速、有效的地球物理勘查技術(shù)。

1 地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)概況

試驗(yàn)區(qū)位于松遼盆地南部開魯坳陷內(nèi)的TLD地區(qū)，近年來該區(qū)發(fā)現(xiàn)了國內(nèi)超大型可地浸砂巖型鈾礦床，不少研究者陸續(xù)發(fā)表了系列地質(zhì)研究成果，對(duì)成礦地質(zhì)條件、礦床特征等進(jìn)行了詳細(xì)的論述[13-15]。區(qū)內(nèi)地層產(chǎn)狀平緩，地層傾角為5°～10°?；字饕獮榍罢鸬┫祷◢徠閹r和上古生界石炭—二疊系的變質(zhì)巖系，物源區(qū)主要為中生代火山巖和海西期、燕山期花崗巖，以及古生界變質(zhì)巖。蓋層主要由中生界下白堊統(tǒng)的斷陷湖盆沉積和上白堊統(tǒng)泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組坳陷型河流-湖相沉積構(gòu)成，其上被古近系、新近系和第四系覆蓋。

自晚白堊世嫩江期末至新近紀(jì)，TLD地區(qū)一直處于隆升剝蝕狀態(tài)，缺失上白堊統(tǒng)四方臺(tái)組、明水組以及古近系和新近系。礦區(qū)內(nèi)鉆孔揭露地層自下而上分別為上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組和第四系，其中姚家組是主要含礦層。

TLD姚家組鈾礦床的含礦主巖為灰色、淺灰色中砂巖和細(xì)砂巖，屬辮狀河沉積相，埋深一般為180～330 m，鈾礦化累計(jì)厚度達(dá)8～22.9 m。鈾礦化中心受辮狀河道及貫通性斷裂構(gòu)造控制，礦體產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀基本一致。

1.2 礦體及含礦地層物性特征

TLD含礦地層具有砂巖型鈾礦成礦必需的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，區(qū)域性分布的紫紅色泥巖隔水層把姚家組含礦地層分為上下兩個(gè)含礦含水層，即姚家組下段含礦含水層(姚下段含礦砂體)和姚家組上段含礦含水層(姚上段含礦砂體)，測(cè)井電阻率值很低，僅在2～30 Ω·m之間。

區(qū)內(nèi)2號(hào)礦體為主礦體，規(guī)模最大，其儲(chǔ)量占所有礦體儲(chǔ)量的85.5%。礦體形態(tài)為板狀、透鏡狀及板狀透鏡狀的組合，厚度較穩(wěn)定，埋深在251.80～298.31 m之間。

含礦砂巖中碎屑礦物主要是石英、長石，巖屑含量較少；基質(zhì)為粘土礦物，膠結(jié)物為碳酸鹽、鐵質(zhì)、錳質(zhì)。此外，試驗(yàn)區(qū)工業(yè)礦鉆孔中大量的巖心礦物分析表明，含鈾礦砂體中有大量黃鐵礦，且硫含量比較高。鈾礦越富集的鉆孔，黃鐵礦含量越高，而無礦鉆孔中黃鐵礦及硫的含量很低，分析認(rèn)為，這可能在含油氣盆地中鈾礦與黃鐵礦等是一種伴生的關(guān)系。黃鐵礦是一種極化率很高的礦物，而石英、長石等礦物成分極化率很低，這對(duì)于應(yīng)用激發(fā)極化法進(jìn)行探測(cè)具備了較好的地球物理探測(cè)基礎(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)采用激發(fā)極化掃面加測(cè)深方法。傳統(tǒng)的激發(fā)極化法工作中，電極排列形式多種多樣，可以使用中間梯度、偶極—偶極、雙極—偶極、對(duì)稱四極、三級(jí)、單極—偶極、二極(近場源)以及測(cè)深等多種排列形式，最常用的電極排列有中間梯度裝置、偶極—偶極裝置。

試驗(yàn)區(qū)為第四系全覆蓋區(qū)，地表多為農(nóng)田，另有村莊、水灘、河堤、鐵路、公路等對(duì)試驗(yàn)工作有影響的因素。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合礦區(qū)范圍內(nèi)鉆孔巖心分析劃定的氧化帶、過渡帶和還原帶情況，穿過已知工業(yè)礦鉆孔及無礦鉆孔設(shè)計(jì)了5條NW向測(cè)線，每條測(cè)線長度2000 m，測(cè)線距離200 m，一般測(cè)點(diǎn)距離100 m，在鈾礦鉆孔兩邊測(cè)點(diǎn)加密到25 m，試驗(yàn)測(cè)線布置情況見圖1。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用偶極-偶極裝置(圖2)，為提高效率，現(xiàn)場采用了創(chuàng)新的工作方式，每布置一個(gè)發(fā)射供電偶極，同時(shí)布置6個(gè)TFEM-WL2C-A型分布式無線電磁采集站接收偶極電場信號(hào)。

圖1 試驗(yàn)測(cè)線布置示意圖Fig.1 Schematic layout map of geophysical survey line1—氧化帶 2—過渡帶 3—還原帶 4—試驗(yàn)測(cè)線 5—工業(yè)礦鉆孔 6—無礦鉆孔

圖2 偶極裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of dipole device

為提高信噪比，除了使用9 kW大功率發(fā)射機(jī)，每個(gè)發(fā)射偶極多次發(fā)射方波信號(hào)，采集站高精度同步連續(xù)接收不極化電極采集的電場時(shí)序信號(hào)。激電掃面工作發(fā)射與接收偶極的距離為100 m；激電測(cè)深試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射偶極與接收偶極隔離系數(shù)分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5七個(gè)偶極長度倍數(shù)。發(fā)射機(jī)選擇0.25 Hz正負(fù)雙向方波信號(hào)，所有采集站采樣率選擇1 ms，記錄時(shí)間4 s。整個(gè)試驗(yàn)采集工作中，為保證接收信號(hào)的精度，每天出工前為每個(gè)采集站配備極差最小的不極化電極。

2.2 分析方法

通過對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)接收的多次信號(hào)進(jìn)行疊加，傅式變換后由以下公式計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)電阻率振幅、相位、極化率等多種參數(shù)。

復(fù)電阻率計(jì)算公式(1)：

(1)

式(1)中，K為裝置系數(shù)，

K=π×a×n×(n+1)×(n+2)。

(2)

式(2)中，a為偶極長度，n為發(fā)射偶極距與接收偶極距之間的隔離系數(shù)。

視電阻率振幅參數(shù)：

(3)

(4)

(5)

式中，ΔV2(t)為記錄時(shí)間域信號(hào)t時(shí)刻的二次場值，ΔV1+2為總場值。

試驗(yàn)區(qū)第四系覆蓋較厚，地表電阻率較低。偶極-偶極裝置系統(tǒng)在逐測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它的供電偶極以不同位置去激發(fā)目標(biāo)體，因而可以在某些條件下使目標(biāo)體處于良好的極化狀態(tài)，通過由上述公式計(jì)算出的電性參數(shù)平面分布特征預(yù)測(cè)隱伏的礦體。

3 分析結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)處理

資料處理流程見圖3。試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)采集受無線電發(fā)射塔、輸電線、用電設(shè)施等多種干擾源影響，通過工頻濾波、多次疊加等措施，可有效提高信噪比。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Data processing flow

單測(cè)點(diǎn)時(shí)序信號(hào)進(jìn)行消除干擾處理后，進(jìn)行傅式變換，得到實(shí)部分量與虛部分量，然后再按前述公式計(jì)算分別得到相位、極化率、電阻率振幅等參數(shù)。由于地表不均勻體的影響，造成各參數(shù)剖面圖上出現(xiàn)畸變的虛假異常(圖4a)。盡管偶然誤差會(huì)使異常曲線不光滑而成鋸齒狀，但并不會(huì)改變異常曲線變化的基本趨勢(shì)，我們采用畸變點(diǎn)剔除、平滑濾波等處理方法，進(jìn)一步減小噪聲的影響(圖4b)。把所有測(cè)點(diǎn)平滑處理后的各參數(shù)分別通過專業(yè)成圖軟件，形成平面等值線圖。

圖4 處理前后剖面對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curves of geophysical profile before and after treatment

為進(jìn)一步通過得到的參數(shù)平面等值線圖對(duì)試驗(yàn)區(qū)礦體分布情況作出預(yù)測(cè)，分別對(duì)相位、極化率、電阻率三個(gè)參數(shù)進(jìn)行異常下限的劃分。確定下限的原則是所有測(cè)點(diǎn)的參數(shù)值平均值加上3倍的參數(shù)均方誤差，按此計(jì)算的電阻率、相位、極化率異常下限值分別為53 Ω·m、-8.5 mrad、4.5%。

3.2分析結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)工業(yè)礦孔附近與非礦孔位置激電測(cè)深點(diǎn)得到的相位、極化率、視電阻率參數(shù)深度曲線在礦層段有明顯的差異(圖5)。在200m以下，相位(負(fù)值越大說明極化越強(qiáng))、極化率數(shù)值開始增大，與前面介紹的試驗(yàn)區(qū)已知主礦體所在的砂巖深度吻合；相位參數(shù)對(duì)礦與非礦的反映非常明顯，幅度差變化最大；極化率參數(shù)對(duì)礦與非礦的反映幅度差次之；視電阻率參數(shù)曲線對(duì)礦與非礦的反映變化最小，主要反映地層導(dǎo)電性方面的差異。

圖5 礦孔區(qū)與非礦孔區(qū)參數(shù)對(duì)比曲線Fig.5 Comparison curves of the parameters in ore hole area and non-ore hole area(a)相位曲線 (b)極化率曲線 (c)視電阻率曲線

相位、極化率、電阻率等參數(shù)異常是多種因素引起的，是地下不同深度、不同形狀的地質(zhì)體在地表的綜合反映，既含有礦化異常，也含有各種級(jí)別的背景異常。通過結(jié)合砂巖型鈾礦地質(zhì)特征與已知見礦井資料，分析多參數(shù)異常分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上推斷礦致異常。首先分析試驗(yàn)區(qū)相位、極化率和視電阻率的平面特征(圖6)，三者之間呈現(xiàn)了很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)在已知鉆井揭示的已知鈾礦范圍內(nèi)具有高相位、高極化、高電阻率的“三高”參數(shù)異常特征。

試驗(yàn)區(qū)視電阻率(圖6a)數(shù)值范圍為36～76 Ω·m，整體表現(xiàn)為中間高，兩端低。西北部高林屯附近、十家子及前德勝至阿布根艾樂表現(xiàn)為低阻特性，其余地區(qū)表現(xiàn)為高阻特征。視電阻率高值點(diǎn)主要分布在前德勝以西4000m范圍內(nèi)。

試驗(yàn)區(qū)相位(圖6b)數(shù)值范圍在-12 mrad～-5.5 mrad之間，整體呈現(xiàn)中間低兩端高的特征，相位分布相對(duì)分散。相位低值區(qū)主要集中在鐵路和公路之間，其他區(qū)域高值、低值分散分布。

試驗(yàn)區(qū)極化率(圖6c)數(shù)值范圍為2.6%～5.8%，整體表現(xiàn)為中間高，兩端低。極化率高值區(qū)域主要集中在鐵路和公路之間，在鐵路西北部和二十八戶附近也有高值分布，但值相對(duì)較低。在前德勝和阿布根艾勒之間是低極化率存在的主要區(qū)域。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)已知鈾礦賦存位置電性多參數(shù)異常特征，結(jié)合異常大小、走向及其分布特征，劃分出4個(gè)異常帶(圖6d)。

圖6 研究區(qū)多參數(shù)異常平面分布圖Fig.6 The planar distribution map of multi-parameter anomalies in the study area(a)視電阻率平面圖 (b)相位平面圖 (c)極化率平面圖 (d)異常帶位置圖

Ⅰ號(hào)異常為最好的異常帶，位于研究區(qū)中部的后德勝村西北方向，有兩個(gè)高值區(qū)域，異常未封閉。極化率數(shù)值在4.6%～5.6%之間，相位數(shù)值在9.8 mrad～11.5 mrad之間，電阻率數(shù)值在56～73 Ω·m之間。

Ⅱ號(hào)異常位于工區(qū)中北部的土家子村東南方向，異常未封閉，極化率數(shù)值在4.7%～5.6%之間，相位數(shù)值在9.6 mrad～10.7 mrad之間，電阻率數(shù)值在58～66 Ω·m之間。

Ⅲ號(hào)異常為中等異常帶，位于工區(qū)東南端部的二十八戶村附近，異常未封閉。極化率數(shù)值在4.5%～5.1%之間，相位數(shù)值在9.1 mrad～10.2 mrad之間，電阻率數(shù)值在53～63 Ω·m之間。

Ⅳ號(hào)異常為較小異常帶，位于工區(qū)西北鐵路西北側(cè)，區(qū)域內(nèi)干擾較大。異常未封閉，極化率數(shù)值在4.5%～5.1%之間，相位數(shù)值在8.5 mrad～10.3 mrad之間，電阻率數(shù)值在59～68 Ω·m之間。

4 討論

本次方法試驗(yàn)工作覆蓋面積1.6 km2，該區(qū)內(nèi)共有鉆孔17個(gè)，其中工業(yè)礦孔13個(gè)，無礦孔4個(gè)，激電多參數(shù)方法圈定的4個(gè)異常位置涵蓋了所有工業(yè)礦孔位置，并處于礦區(qū)綜合地質(zhì)研究劃定的氧化還原過渡帶有利位置，統(tǒng)計(jì)見礦率達(dá)78%。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)多個(gè)工業(yè)礦孔的巖心礦物分析表明，礦層段含有大量的黃鐵礦顆粒，地面引起激電異常的原因很有可能是因?yàn)檫@些黃鐵礦物的存在所造成，其他含油氣盆地是否有類似規(guī)律值得進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

1)本次試驗(yàn)使用分布式電磁采集站以排列采集方式實(shí)現(xiàn)了一次發(fā)射多道同步接收的高效采集，通過全波形時(shí)間域處理方法同時(shí)得到電阻率、相位、極化率等多個(gè)電性參數(shù)，該方式具有快速采集、多參數(shù)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)。

2)在已知礦體鉆孔旁做的多參數(shù)激電測(cè)深曲線表明，相位、極化率對(duì)礦體反映靈敏，接近礦體埋藏深度時(shí)兩參數(shù)數(shù)值明顯增大。電阻率參數(shù)對(duì)礦體的存在反映不敏感，但平面上電阻率的高值帶與賦存鈾礦的砂體密切相關(guān)。3個(gè)參數(shù)綜合圈定的異常范圍內(nèi)見礦率高，對(duì)鉆探井位部署有著重要的指導(dǎo)意義。

本次方法試驗(yàn)工作表明，相位多參數(shù)激電法有良好的推廣應(yīng)用前景，對(duì)在類似地表地質(zhì)條件地區(qū)開展砂巖型鈾礦資源勘探具有有重要的借鑒意義。

致謝：衷心感謝遼河油田分公司雷安貴高級(jí)工程師、李清春高級(jí)工程師對(duì)本項(xiàng)目的支持與幫助。