CSAMT 在松遼盆地梅里斯地區鈾礦勘查中的應用

牛禹，王培建，張正陽，謝明宏

1 核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002

2 中核集團鈾資源地球物理勘查中心（重點實驗室），河北 石家莊 050002

3 河北航空探測和遙感技術重點實驗室，河北 石家莊 050002

鈾作為重要的核能資源，不僅為我國核電發展提供了可靠的燃料，同時還滿足了國防設施的核資源需求。因此，鈾既是能源資源，更是戰略資源［1-4］。有研究表明松遼盆地北部鈾礦化主要受控于上白堊紀曲流河三角洲沉積體系，主要含礦層為上白堊統四方臺組下段，巖性以灰綠色、灰色砂巖夾泥巖為主，其中砂巖以中粒砂巖及細粒砂巖為主［5］，多呈板狀、透鏡狀。礦體規模與砂體規模、層數等密切相關，砂體規模越大，礦化層越多，礦體規模越大，反之則規模越?。?］。但是，該套砂體在松遼盆地西部超覆帶內發育情況尚不明確。

可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）是一種使用人工場源、通過改變發射頻率進行測深的頻率域電磁勘探方法［7］，在地熱勘查［8］、尋找隱伏構造［9］及煤田采空區［10］等方面具有廣泛的應用。近年來，CSAMT 在鄂爾多斯盆地北西緣、柴達木盆地北緣和二連盆地砂巖型鈾礦勘查中，尤其是尋找砂體［11］、圈定古河道［12］等方面取得了一定應用效果。本文即以松遼盆地梅里斯地區CSAMT 探測實例來說明其在鈾礦勘查中的應用效果。

1 研究區地質概況

松遼盆地前中生代大地構造為一穩定地塊［13］，其是在海西褶皺帶基礎上發展起來的中-新生代沉積大型陸相盆地，呈NNE 方向展布的不規則菱形［14］。盆地演化經歷了熱隆張裂階段（AnJ3）、裂陷階段（K1）、坳陷階段（K2）以及萎縮褶皺與抬升掀斜（K2末期至古近紀）等4個階段［15-16］。

研究區位于松遼盆地西部斜坡區的西部超覆帶內的梅里斯地區。西部斜坡區在盆地發展過程中長期處于區域性單斜狀態［17］，基底平緩向東傾斜，傾角較?。?8］。在坳陷期，地層逐層向西超覆，基底巖性以海西期花崗巖為主［19］，局部地區有上古生界和前古生界變質巖。蓋層主要為中-新生界沉積巖（圖1），自下而上發育侏羅系、白堊系、新近系以及第四系地層［20］。其中侏羅系為地塹式沉積，白堊系自下而上發育上白堊統泉頭組、青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺組和明水組，新近系主要包括大安組和泰康組，第四系主要為黃土或黑色腐殖土、灰黃色松散砂層、砂礫層等。

上白堊統泉頭組（K2q）為一套暗紫、紫紅色泥巖和淺灰色、灰白色砂礫巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖以及粉砂巖；青山口組（K2qn）巖性為黑色、黑褐色油頁巖，灰、灰綠色、棕紅色泥巖，局部介形蟲化石富集成層；姚家組（K2y）巖性區域上以棕紅色泥巖夾灰綠色粉砂質泥巖為主，局部發育層狀細砂巖；嫩江組（K2n）巖性底部為厚層的砂巖、砂礫巖夾泥巖，上部為灰黑、深灰色泥頁巖。研究區找礦目標層為上白堊統四方臺組（K2s）砂巖，其以粉砂巖、細砂巖和中砂巖為主，底部多為含礫砂巖。四方臺組底部的砂體粒度較大，且與嫩江組不整合接觸，因此嫩江組上部泥巖可作為鈾成礦所必須的隔水層，亦是研究區最重要的標志層。明水組（K2m）巖性為棕紅、灰綠、灰黑、灰色泥巖、砂質泥巖與灰綠色砂巖。

2 數據采集與處理

2.1 數據采集

為查明研究區大致地層結構、斷裂發育以及找礦目標層四方臺組的分布情況，在研究區內共布設CSAMT 測線3 條。測線方向123°，線距10 km，點距200 m（圖1），測線長度共計102 km。

CSAMT 數據采集利用GDP—32Ⅱ多功能電法儀，采用赤道偶極裝置進行TM 模式標量測量。發射偶極距AB=1 km，接收偶極距MN=100 m，收發距控制在3～4 km（圖2）。發射端供電電流最小為2 A，最大為10 A，發射頻率大多數介于1～8 192 Hz 之間，個別測點最小頻率為0.5 Hz。

圖2 梅里斯地區CSAMT 數據采集裝置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of CSAMT data acquisition device in Meilisi area

2.2 數據處理

2.2.1 數據預處理

數據預處理包括數據剔除與靜態校正，其中數據剔除主要是剔除進入過渡區和近區的電磁數據。CSAMT 數據進入近區的表現主要有：1）磁場振幅達到飽和［21］；2）視電阻率曲線在電阻率-頻率雙對數曲線圖上，由高頻向低頻呈45°的直線上升；3）阻抗相位接近于0 mrad?；谏鲜鎏卣?，確定本次近區數據的最低頻率為2 Hz（圖3），局部基底凸起地段為16 Hz。

圖3 梅里斯地區近區數據特征曲線示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the characteristic curve of near-field data in Meilisi area

為消除靜態效應引起的反演電阻率剖面上虛假的陡立低阻或高阻異常，對CSAMT 數據進行了靜態校正，校正前后的電阻率剖面分別如圖4A 和B 所示。

圖4 梅里斯地區CSAMT 數據靜態校正前后擬斷面圖Fig. 4 The pseudosection map of CSAMT data in Meilisi area before and after static correction

2.2.2 數據反演

為獲得松遼盆地北部梅里斯地區的地電模型，采用Occam 算法對CSAMT 數據進行二維反演。由于初始模型首層厚度、圓滑系數的大小將影響反演電阻率斷面的粗糙程度，同時對某些地質信息也會造成丟失或放大，進而影響成果資料解釋的準確性。因此，將數據反演的首層厚度定為30 m，圓滑系數為0.5，層遞增系數為1.1。

3 數據綜合解釋

3.1 地層電阻率特征

根據收集、整理的梅里斯地區測井資料可知：盆地基底表現為相對高阻，電阻率一般大于200 Ω·m，蓋層中隨沉積物粒級增大，電阻率隨之增大，即泥巖電阻率最低，礫巖電阻率最高。其中泥巖平均電阻率介于6～13 Ω·m 之間，地質解釋標志層嫩江組泥巖電阻率一般小于10 Ω·m；粉砂巖、細砂巖平均電阻率介于11～26 Ω·m 之間；中砂巖平均電阻率在不同地層中大小也不盡相同，嫩江組和姚家組中平均電阻率介于31～33 Ω·m 之間，而青山口組平均電阻率只有12 Ω·m；砂礫巖、粗砂巖的電阻率介于39～118 Ω·m 之間。目標層四方臺組位于嫩江組上部，以砂巖、砂礫巖為主，表現為相對中阻特征（表1）。上述電阻率差異，為后期的數據解釋提供了依據。

表1 梅里斯地區巖層電阻率統計表Table 1 Statistics of rock resistivity in Meilisi area

3.2 反演剖面標定解釋

反演電阻率斷面在縱向上可分為6 個電性層（圖5），自上至下依次呈高阻-中高阻-中低阻-低阻-中高阻—高阻分布，結合鉆孔揭露情況，建立了各電性層與地層對應關系（表2）。由表2 可知：第1 電性層反演電阻率值大于30 Ω·m，呈相對高阻特征，為第四系松散砂礫、黏土的反映；第2 電性層反演電阻率值介于22～30 Ω·m 之間，表現為相對中高阻特征，為上新統泰康組砂礫巖、砂巖的反映；第3電性層反演電阻率值介于9～22 Ω·m 之間，呈中低阻特征，為上白堊統明水組、四方臺組砂巖夾少量泥巖的反映，中間夾持有呈透鏡狀、似層狀分布的中高阻層，為粗砂、砂礫巖的反映；第4 電性特征反演電阻率值頂部小于9 Ω·m，底部大于5 Ω·m，呈低阻特征，為上白堊統嫩江組泥巖的反映；第5 電性特征反演電阻率值大于5 Ω·m，小于13 Ω·m，呈逐漸升高的趨勢，為上白堊統青山口組和上白堊統姚家組砂巖的反映；第6 電性層反演電阻率值大于13 Ω·m，呈相對高阻特征，為華力西期花崗巖的反映。

表2 梅里斯地區地層（巖性）與反演電阻率斷面電性層對應關系表Table 2 Corresponding relationship between strata (lithology) and inverted resistivity and electrical layer in Meilisi area

圖5 梅里斯地區電性層與鉆孔揭露地層對照圖Fig. 5 Contrast diagram of electrical layer and borehole exposed stratum in Meilisi area

3.3 綜合解釋

3.3.1 剖面解釋

由梅里斯地區各線反演電阻率及地質解釋斷面圖（圖6）可知，在L01 線平距3 000 m、L02 線平距3 500 m 和L03 線平距7 500 m 附近，反演電阻率斷面上出現低阻帶特征，推斷解釋為斷裂F1。該斷裂位于梅里斯地區西部，性質為正斷裂，走向NE，傾向NW，傾角較陡，切割深度均大于800 m，分析認為是嫩江—高力板斷裂。在L01 線平距32 000 m、L02 線平距30 500 m 附近，反演電阻率斷面上電性層厚度發生明顯變化，且出現梯度帶特征，推斷解釋為斷裂F2。該斷裂性質為正斷層，走向NE，傾向SE，傾角較陡，切割深度大于500 m，分析認為是區域斷裂嫩江—白城斷裂的一條次級斷裂。

圖6 梅里斯地區各測線反演電阻率推斷解釋地質斷面圖Fig. 6 Geological cross section of inverted resistivity inference and interpretation for each lines in Meilisi area

斷裂F1以南地層呈斜坡狀向南東傾伏，且在反演電阻率斷面中部存在一個連續、穩定的低阻電性層（第4電性層），頂部電阻率小于9 Ω·m，底部電阻率小于5 Ω·m，分析認為是區域標志層—嫩江組泥巖的反映。該層傾向E，傾角較緩，厚度自西向東逐漸變大，在研究區東部，沉積厚度可達400 m。

標志層上部電阻率大于9 Ω·m，小于22 Ω·m 的中阻層（第3 電性層），分析認為是明水組和四方臺組的綜合反映，中間夾雜的透鏡狀中阻體，分析認為是河道砂體的反映。該地層只在工作區的南東部出現，厚度東厚西薄，沿測線方向自南東向北西厚度逐漸變小，直至尖滅，與上覆上新統泰康組呈角度不整合接觸；地表電阻率大于22 Ω·m 的高阻層，分析認為是上新統泰康組（第2電性層）和第四系（第1電性層）的綜合反映，新生界整體厚度介于150～200 m 之間，其中泰康組巖性以砂礫、砂巖為主，泥巖較薄，第四系主要為松散砂礫和黏土。綜合分析認為：研究區內在明水紀、四方臺紀時期，沉積中心向東移動，導致明水組、四方臺組在研究區南東沉積；后期泰康組又超覆于明水組之上，說明在上新統時期，沉積中心又一次向西發生偏移。

標志層下部電阻率大于5 Ω·m，小于13 Ω·m的中阻層（第5 電性層），分析認為是上白堊統青山口組和姚家組的綜合反映，斷面最底部電阻率大于13 Ω·m 的高阻層（第6 電性層），分析認為是基底的反映，巖性主要以花崗巖為主，電阻率最高達200 Ω·m 以上。

3.3.2 平面解釋

在研究區內，基底整體上呈現出“北西高，南東低”的特征（圖7）。在研究區北西端存在一個凸起，凸起中心呈NE 走向，L02 線附近凸起中心處的基底埋深海拔大于50 m，自凸起中心向東西兩側逐漸減小。另外在L02線北西端存在一個上白堊統的沉積凹陷，最深處基底標高小于-600 m，埋深大于800 m；在L01 線北西端，第四系覆蓋較薄，局部基底出露；在工作區的南東端，即嫩江西岸，基底埋深海拔小于-1 000 m。

圖7 梅里斯地區基底起伏形態示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the undulating morphology of the basement in Meilisi area

找礦目標層上白堊統四方臺組只分布于研究區的中東部，西部缺失。其與上覆地層上新統泰康組呈角度不整合接觸，厚度小于180 m，且自北西向南東，自南西向北東，厚度逐漸增大（圖8）。

圖8 梅里斯地區上白堊統四方臺組厚度圖Fig. 8 Thickness contour map of Sifangtai group in Meilisi area

3.3.3 砂體驗證情況

由于找礦目的層上白堊統四方臺組砂體以河道砂體為主，巖性主要為砂礫巖、砂巖，故在反演電阻率斷面圖上表現為中高阻的透鏡狀分布，具有等值線底部呈凹形、頂部稍凸或水平、兩端漸薄，反演電阻率值由中心向兩端逐漸降低等特征。后期收集了研究區內施工的鉆探剖面（圖9），經過與反演電阻率斷面進行對比可知，推斷解釋的四方臺組砂體與鉆孔揭露埋深、厚度情況基本一致。

圖9 梅里斯地區ZK31-ZKL24-ZKL22-ZKL21-ZKL25 鉆孔連孔剖面圖Fig. 9 Connection profile of Borehole ZK31-ZKL24-ZKL22-ZKL21-ZKL25 in Meilisi area

4 結 論

通過松遼盆地西部斜坡區梅里斯地區CSAMT 資料采集、處理與反演，結合鉆孔資料綜合解釋，獲得以下認識：

1）梅里斯地區基底存在一個NE 走向的凸起，其中目標層上白堊統四方臺組主要分布在該凸起的南東方向，沉積厚度自南東向北西逐漸變薄，直至尖滅，厚度介于0～180 m 之間。另外在L02 線西端存在一局部小凹陷，沉積了幾百米厚的上白堊統。

2）梅里斯地區斷裂主要發育有斷裂F1和斷裂F2，其中F1走向NE，傾向NW，F2走向NE，傾向SE。

3）梅里斯地區上白堊統四方臺組砂體只分布于研究區的中東部，斷面上呈不連續分布，其厚度小于180 m，且自北西向南東厚度逐漸增大。