段書新，師欽俊，陳 聰，汪 碩

(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 物化探研究所，北京 100029)

1 引 言

自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，我國(guó)鈾礦勘查的主攻方向轉(zhuǎn)為儲(chǔ)量大、開采成本低的可地浸砂巖型鈾礦[1,2]。該類鈾礦主要賦存于以砂泥巖為主的中、新生代沉積盆地中，按礦床成因?qū)俸笊芊e成礦，即山前富鈾花崗巖或火山巖巖體中的鈾被地表水淋濾出，含鈾含氧水沿砂體透水層下傾方向遷移至氧化還原過(guò)渡帶附近，受地球化學(xué)還原作用而成礦[3-6]。整體而言，砂巖型鈾成礦與特定的區(qū)域地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，目前多采用地震、電磁、重磁等物探方法對(duì)其成礦環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)而達(dá)到評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)砂巖型鈾礦的目的[7-11]。

長(zhǎng)期以來(lái)，作為非震勘探方法的重要分支，電磁勘探在研究盆地地層結(jié)構(gòu)及基底起伏形態(tài)方面發(fā)揮著重要的作用[12]。以AMT方法為例，自1996年被引入以來(lái)，先后在全國(guó)多個(gè)省份的砂巖型鈾礦床上開展了測(cè)量工作，取得了較好的應(yīng)用效果[13-17]。上述方法在取得成功應(yīng)用實(shí)例的同時(shí)，其不足之處亦逐漸顯現(xiàn)。具體而言，AMT(Audio Magnetotelluric,AMT)、CSAMT(Controlled Source Audio Magnetotelluric, CSAMT)在低阻沉積盆地中的測(cè)深能力有限；其次，環(huán)境電磁噪音的逐年增大使得獲取高質(zhì)量電磁原始資料的難度越來(lái)越大。在這樣的背景下，為獲取較大的探測(cè)深度和較高的探測(cè)精度，核工業(yè)系統(tǒng)于2019年引入廣域電磁法(Wide Field Electromagnetic Method，簡(jiǎn)稱WFEM)。本文即以松遼盆地開展的WFEM與AMT、CSAMT的對(duì)比試驗(yàn)，探討砂巖型鈾礦WFEM應(yīng)用效果。

2 廣域電磁法基本原理

廣域電磁法(WFEM)是相對(duì)于傳統(tǒng)的CSAMT法和MELOS法而提出來(lái)的人工源頻率域電磁勘探方法。該方法通過(guò)人工接地電流源向地下發(fā)送不同頻率的交變電磁場(chǎng)，在廣大的、不局限于傳統(tǒng)“遠(yuǎn)區(qū)”的區(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)不同埋深地質(zhì)目標(biāo)體的目的[18-20]。

以當(dāng)前較為成熟的E-Ex赤道裝置廣域電磁法為例，其相應(yīng)的廣域視電阻率計(jì)算公式為：

(1)

3 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理概況

為充分對(duì)比WFEM與AMT、CSAMT方法的應(yīng)用效果，在松遼盆地寶龍山和克東兩個(gè)地區(qū)進(jìn)行WFEM方法試驗(yàn)，兩個(gè)地區(qū)分別有前人開展過(guò)的AMT和CSAMT數(shù)據(jù)和探測(cè)結(jié)果作為對(duì)比。作為松遼盆地的一部分，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)與松遼盆地整體相似，部分地層有缺失。

根據(jù)前人的研究成果，松遼盆地從淺至深主要發(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)、泉頭組(K2q)和基底(γ4)地層，其中姚家組(K2y)地層被認(rèn)為是重要的鈾礦含礦層位[21]。

據(jù)松遼盆地各地層巖性及電阻率[22,23]統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)，盆地內(nèi)各地層之間存在一定的電性差異，具體而言：第四系(Q)、泰康組(N2t)高阻層與明水組(K2m)、四方臺(tái)組(K2s)中阻層之間存在1個(gè)電性界面；明水組(K2m)、四方臺(tái)組(K2s)中阻層與嫩江組(K2n)低阻層之間存在1個(gè)電性界面；嫩江組(K2n)低阻層與姚家組(K2y)中阻層之間存在1個(gè)電性界面；基底(γ4)高阻體與上覆沉積地層之間存在1個(gè)電性界面。上述電性界面的存在為本次開展電磁方法試驗(yàn)對(duì)比提供了基本的物性基礎(chǔ)。

表1 松遼盆地地層及電阻率

4 寶龍山地區(qū)WFEM與AMT方法對(duì)比

4.1 電磁探測(cè)工程部署

為便于WFEM與AMT兩種方法的系統(tǒng)對(duì)比，在松遼盆地南部寶龍山地區(qū)前人開展過(guò)的AMT探測(cè)剖面上進(jìn)行同測(cè)線測(cè)點(diǎn)、不同方法的對(duì)比試驗(yàn)，具體測(cè)線部署見(jiàn)圖2。圖中藍(lán)色實(shí)線為WFEM測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)4425 m、點(diǎn)距75 m；與其重疊的紅色實(shí)線為前人實(shí)施的AMT測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)3 000 m、點(diǎn)距75 m。測(cè)線附近有鉆孔寶10-6可為電磁探測(cè)結(jié)果提供驗(yàn)證。

圖2 松遼盆地寶龍山地區(qū)電磁工程部署

WFEM探測(cè)利用了湖南繼善高科技有限公司研制的JSGY-2廣域電磁儀，以E-Ex赤道裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為獲取較大的探測(cè)深度和較高的探測(cè)精度，選取WFEM的收發(fā)距R=7.8 km、發(fā)射電流I=100 A，現(xiàn)場(chǎng)采集1、3～11頻組，涉及到的頻率范圍為3/256～8 192 Hz。前人AMT數(shù)據(jù)則采用加拿大鳳凰地球物理公司的V8多功能電法和AMTC30磁傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

4.2 采集頻率范圍對(duì)比

為滿足平面波場(chǎng)垂直入射的假設(shè)，AMT采用宇宙中的太陽(yáng)風(fēng)、雷暴等天然電磁場(chǎng)信號(hào)作為場(chǎng)源，在地面以AMTC30磁棒和不極化電極接收天然的磁場(chǎng)和電場(chǎng)信號(hào)。WFEM則是采用人工發(fā)射的大功率電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源，在地面以銅棒或不極化電極接收電場(chǎng)信號(hào)。本次試驗(yàn)中兩種方法的有效采集頻率如圖3所示。

圖3 WFEM與AMT采集頻點(diǎn)對(duì)比

由圖3可知，WFEM與AMT的采集頻率范圍分別為0.009 77～8 192 Hz、0.35～10 400 Hz，相應(yīng)的頻點(diǎn)數(shù)分別為80、60個(gè)。整體而言，WFEM與AMT的頻點(diǎn)密度相當(dāng)，但WFEM可供選擇的有效采集頻率更低，更有利于探測(cè)深部地質(zhì)目標(biāo)體。

4.3 視電阻率曲線對(duì)比

作為電磁反演的原始輸入文件，野外現(xiàn)場(chǎng)原始視電阻率質(zhì)量的好壞是影響反演結(jié)果和探測(cè)效果最為關(guān)鍵的因素。為充分對(duì)比WFEM與AMT兩種電磁方法的優(yōu)劣，有必要對(duì)兩種方法相同測(cè)點(diǎn)位置上的視電阻率曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖4展示了廣域電磁測(cè)線26號(hào)測(cè)點(diǎn)和31號(hào)測(cè)點(diǎn)位置處的WFEM與AMT相同位置上的視電阻率曲線，其中綠線為廣域視電阻率曲線，紅線為AMT方法XY模式視電阻率，藍(lán)線為AMT方法YX模式視電阻率。由圖可知，兩種不同方法得到的視電阻率曲線形態(tài)基本一致。AMT在500～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)較差，而WFEM在該頻帶范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。最低有效頻率方面，AMT大致能達(dá)到10 Hz，而WFEM在0.1 Hz以后還能保持較好的曲線連續(xù)性。

圖4 寶龍山地區(qū)WFEM與AMT相同測(cè)點(diǎn)上的視電阻率曲線對(duì)比

4.4 反演電阻率斷面對(duì)比

利用MTPioneer軟件對(duì)兩種方法得到的視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行相同參數(shù)的二維非線性共軛梯度帶地形反演，得到測(cè)線重疊地段(圖2中紅線)的反演電阻率斷面如圖5所示。由于本次AMT實(shí)際采集到的最低有效頻率約10 Hz，根據(jù)趨膚深度公式推算其最大探測(cè)深度約為500 m，故其測(cè)深能力明顯弱于WFEM。在500 m以淺，WFEM反演電阻率斷面的水平成層性更好；同時(shí)，以4 Ω·m反演電阻率等值線為例，WFEM對(duì)低阻層頂、底界面控制更好，縱向分辨力更優(yōu)，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)。

圖5 寶龍山地區(qū)WFEM與AMT反演電阻率斷面對(duì)比

4.5 WFEM探測(cè)結(jié)果地質(zhì)解譯

圖6為寶龍山地區(qū)B3線WFEM反演電阻率斷面、地質(zhì)解譯及鉆孔對(duì)比圖。由圖6可知，該線反演電阻率斷面橫向上連續(xù)性較好，垂向上可大致分為5個(gè)電性層。具體而言，第一電性層位于地表與深度200 m之間，反演電阻率值在36～14 Ω·m，表現(xiàn)為中高阻，推測(cè)為第四系(Q)和泰康組(N2t)地層；第二電性層位于深度420～200 m之間，反演電阻率值在14～4 Ω·m，整體表現(xiàn)為低阻，電阻率隨深度增加有減小的趨勢(shì)，推測(cè)為四方臺(tái)組(K2s)地層；第三電性層位于深度500～420 m之間，反演電阻率值在4～14 Ω·m，整體表現(xiàn)為低高阻，電阻率隨深度增加有逐漸增大的趨勢(shì)，推測(cè)為嫩江組(K2n)地層；第四電性層位于深度650～500 m之間，反演電阻率值在14～70 Ω·m之間，表現(xiàn)為高阻，推測(cè)為姚家組(K2y)地層；第五電性層位于深度650 m以深，反演電阻率值大于70 Ω·m，表現(xiàn)為最高阻，推測(cè)為深部的變質(zhì)巖或花崗巖基底。

圖6 寶龍山地區(qū)B3線WFEM反演電阻率斷面、地質(zhì)解譯及鉆孔對(duì)比

將WFEM地質(zhì)解譯成果與寶10-6鉆孔揭露情況進(jìn)行對(duì)比，地質(zhì)解譯推斷出的泰康組(N2t)、四方臺(tái)組(K2s)、嫩江組(K2n)地層的頂、底界面亦與鉆孔吻合得較好，表明本次寶龍山地區(qū)WFEM試驗(yàn)取得了較好的探測(cè)效果。

5 克東地區(qū)WFEM與CSAMT方法對(duì)比

5.1 電磁探測(cè)工程部署

與前述方法對(duì)比相似，選擇在前人開展過(guò)的CSAMT探測(cè)剖面上進(jìn)行同剖面、同測(cè)點(diǎn)、不同方法的對(duì)比試驗(yàn)(圖7)。試驗(yàn)測(cè)線全長(zhǎng)9 600 m、點(diǎn)距100 m、方位125°，WFEM的收發(fā)距R=8 km、發(fā)射電流I=100 A，現(xiàn)場(chǎng)采集1、3～11頻組，涉及到的頻率范圍為3/256～8 192 Hz，CSAMT數(shù)據(jù)則是采用鳳凰公司TX30+V8多功能電法儀采集獲得。

圖7 松遼盆地克東地區(qū)電磁工程部署

5.2 采集頻率范圍對(duì)比

與AMT方法不同，CSAMT由于采用人工發(fā)射場(chǎng)源，使得平面波場(chǎng)垂直入射這一計(jì)算卡尼亞視電阻率的基本假設(shè)只在有限的區(qū)間和頻率范圍內(nèi)滿足，即CSAMT方法存在“近區(qū)”和“近場(chǎng)效應(yīng)”現(xiàn)象。相比較而言，WFEM由于只用單個(gè)分量解算廣域視電阻率，不再要求平面波場(chǎng)垂直入射，故其觀測(cè)區(qū)間和觀測(cè)頻率范圍均較CSAMT有所增大。

圖8是本次克東地區(qū)電磁探測(cè)試驗(yàn)中WFEM與CSAMT兩種方法的有效采集頻率對(duì)比。由圖8可知，WFEM與CSAMT的采集頻率范圍分別為0.009 77～8 192 Hz、0.35～10 400 Hz，相應(yīng)的頻點(diǎn)數(shù)分別為80、40個(gè)。整體而言，WFEM的最低有效采集頻率較CSAMT更低，決定了WFEM對(duì)深部地質(zhì)體的探測(cè)能力更強(qiáng)；同時(shí)，WFEM的頻點(diǎn)密度比CSAMT更密，決定了WFEM的縱向分辨能力不弱于CSAMT。

圖8 WFEM與CSAMT采集頻點(diǎn)對(duì)比

5.3 視電阻率曲線對(duì)比

將CSAMT方法得到的卡尼亞視電阻率和WFEM方法得到的廣域視電阻率進(jìn)行對(duì)比，得到兩種不同方法在相同測(cè)點(diǎn)上的視電阻率曲線對(duì)比如圖9所示。圖中左、右分別為24號(hào)點(diǎn)、29號(hào)點(diǎn)的視電阻率曲線對(duì)比，綠線為廣域視電阻率曲線，紅線為CSAMT卡尼亞視電阻率曲線。

圖9 克東地區(qū)WFEM與CSAMT相同測(cè)點(diǎn)上的視電阻率曲線對(duì)比

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，較好地反映了地下地質(zhì)體真實(shí)的電性結(jié)構(gòu)。相比較而言，WFEM能夠較輕松地采集到0.1 Hz的有效低頻信號(hào)，而CSAMT本次方法試驗(yàn)的最低有效頻率在1 Hz左右。除此之外，WFEM的頻點(diǎn)密度較CSAMT更大、WFEM廣域視電阻率曲線較CSAMT卡尼亞視電阻率曲線更連續(xù)、光滑，決定了WFEM的縱向分辨能力及探測(cè)效果均優(yōu)于CSAMT方法。

5.4 反演電阻率斷面對(duì)比

分別對(duì)上述WFEM與CSAMT數(shù)據(jù)進(jìn)行相同網(wǎng)格和參數(shù)的二維非線性共軛梯度帶地形反演，得到該測(cè)線不同電磁方法的反演電阻率斷面對(duì)比及地質(zhì)解譯如圖10所示。在500 m以淺，除CSAMT方法在平距3 000～4 800 m范圍內(nèi)疑因受電磁干擾而反演出板狀高阻體外，兩種方法的反演結(jié)果大致相似，WFEM反演電阻率斷面在水平成層性及最低阻地質(zhì)體頂、底界面的控制能力方面略優(yōu)于CSAMT。在500 m以深，由于具有更低的有效采集頻率和更高的頻點(diǎn)采集密度，WFEM方法較好地反演出深部?jī)蓷l隱伏斷裂，而CSAMT反演電阻率斷面上則無(wú)此電性特征。

圖10 克東地區(qū)WFEM與CSAMT反演電阻率斷面對(duì)比及地質(zhì)解譯

根據(jù)廣域視電阻率反演斷面，將測(cè)線在垂向上按深度從淺至深大致分為4個(gè)電性層，對(duì)應(yīng)著研究區(qū)4層地層結(jié)構(gòu)。具體而言，第一電性層為最淺部的高阻層，反演電阻率值在6～10 Ω·m左右，推測(cè)為第四系覆蓋(Q)；第二電性層為淺部低阻層，反演電阻率值低于6 Ω·m，推測(cè)為嫩江組(K2n)地層；第三電性層為中部高阻層，反演電阻率值在6～8 Ω·m之間，推測(cè)為姚家組(K2y)地層；第四電性層為深部高阻層，反演電阻率值大于8 Ω·m，推測(cè)為青山口組(K2qn)、泉頭組(K2q)及其下覆地層。同時(shí)，反演電阻率斷面在1.7 km和7.7 km處均存在明顯的舌狀電阻率低值現(xiàn)象，低電阻率兩側(cè)均為明顯的電阻率高值現(xiàn)象，推測(cè)為斷裂構(gòu)造。

6 結(jié) 論

通過(guò)開展松遼盆地WFEM與AMT、CSAMT的對(duì)比試驗(yàn)，取得以下成果認(rèn)識(shí)。

1)采集頻率方面，WFEM可供選擇的有效采集頻率更低，頻點(diǎn)密度與AMT及CSAMT相當(dāng)或更密，決定了WFEM的探深能力和縱向分辨能力不弱于AMT及CSAMT。

2)通過(guò)相同測(cè)點(diǎn)上的視電阻率曲線對(duì)比，認(rèn)為三種方法的視電阻率形態(tài)基本一致，但WFEM的最低有效頻率較AMT及CSAMT更低，視電阻率質(zhì)量更高。

3)通過(guò)同剖面、同反演參數(shù)、不同方法的反演電阻率斷面對(duì)比，認(rèn)為WFEM反演電阻率斷面在水平成層性及垂向分層能力方面略優(yōu)于AMT及CSAMT，探深能力較AMT及CSAMT方法強(qiáng)。

4)利用WFEM方法識(shí)別了松遼盆地兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的地層結(jié)構(gòu)，且與鉆孔揭露情況吻合較好，表明WFEM方法在砂巖型鈾礦成礦環(huán)境探測(cè)中具有一定的應(yīng)用效果，有必要開展進(jìn)一步的方法試驗(yàn)工作。