自然电位法在层间氧化带砂岩型铀矿的应用研究——以新疆伊犁地区洪海沟矿床为列

刘庆杰，汤洪志

（东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西抚州344000）

1 概述

在对“软”岩型铀矿的勘查中，自然电位法是运用的最早的一种勘探方法。由于存在天然电场，因此不需携带人工电场，只需简便易携带的勘查工具便可完成勘探。因此，该方法的勘探成本较低，性价比较高。1815年，英国科学家P·佛克斯（P·Fox）首先在康瓦尔铜矿上观察到由矿体本身产生的自然电流场，为后续对自然电位法在矿床上的勘查奠定了基础。我国对砂岩型铀矿的开发与开采进展较为缓慢，从20世纪80年代中后期才开始对砂岩型铀矿的研究。在发现砂岩型铀矿良好的发展前景后，于20世纪末期从国外引进了大量相关研究成果并着手培养相关技术人才，为后期寻找大型层间氧化带砂岩型铀矿奠定了基础【1】。

铀矿在国民经济、再生能源、军事等产业中发挥着重要的作用。它既是一种能源，也是重要的国防战略资源【2】。目前我国大力发展清洁再生能源，其中核能是不可或缺的一部分。因此，铀矿的勘探开发工作显得极其重要。新疆伊犁市洪海沟矿区是中核216大队的重点勘查矿区，本次研究区域为初勘矿区，主要的研究任务是在初勘矿区上进行复勘，从而确定矿床的精确位置。

2 自然电位法基本原理

地球本身会产生各种天然电场，这些电场叠加在一起形成的电场称作地电场。在某个区域内，存在着一些天然的变化电场，一般称这些电场为大地电场，又称之为自然电场【3】。地层外部的各类电流系在地层内部相互影响，最终叠加而成的电场称为天然电场。由于天然电场分布于整个地球的地表或地域，覆盖面积较大，从而导致梯度递减情况较小。天然电场大部分是由地下矿体、地下水的流动和各种物理化学作用产生的，分布于全球每个区域。大多数情况下，观测到的自然电位一般是由各种物理化学反应产生的叠加电场组成的。通过探讨自然电场的散布规律，就可以粗略估算出砂岩铀矿床形态方位。

通过对理论和实践研究的分析，可以得知在渗透压存在的情况下，砂岩型地层的地下水溶液在岩石孔隙之间流动时，溶液中的正负离子在岩石对不同离子吸附作用下向相反方向运动，从而产生的电场为过滤电场（图1）；随着正负离子的不断累积，产生的电位差越来越大，最终形成了扩散电场。

图1 地下水溶液流动形成的过滤电场

渗透压的大小以及岩石岩性、溶液中所含离子都是决定过滤电场场强强弱的关键因素，运用（1）式可对过滤电场电位异常幅度ΔU做出近似估算：

式中：ρ水——地下水的电阻率，Ω·m；

ΔP——地下水流的水压差，Pa。

过滤电场所带来的干扰是引起铀矿勘查偏差的主要因素。顺着水流方向，过滤电场呈逐渐上升的趋势，规律比较明显，数据处理时可以对其进行消除。

3 工区地球物理概况

研究区域地理位置位于新疆伊犁市的伊犁盆地内，该盆地地处中亚内陆腹地。在中国部分面积约为28500km2，境内呈高山、山间平原盆地、河谷地3种地貌特征，人烟稀疏，气候条件属于温带大陆性干旱、半干旱气候，年平均气温为-4℃～9℃，平均降水量在200mm，海拔在600～1000m之间。

伊犁盆地盖层自上而下发育为新近系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系【4】，地层由老至新依次为：凝灰岩、泥岩、砂岩、砾岩，沉积厚度0～1000m不等。从地质情况与地化学情况方面来看，该区域适合作为研究对象开展实验。

4 野外数据采集与成果分析

4.1 测线布置与测量方法

（1）研究区域目前已完成初勘，依据地形高程倾向与初勘成果，并结合测区已有资料，南—北方向布置了11条测线，东—西方向布置了10条测线，测线呈网格状覆盖初勘矿区进行测量实验。

（2）在野外进行数据采集时，按照相关技术流程进行，挖好电极坑，将2个不极化电极分别放入电极坑，用灵敏度高的数字外用表进行电位测量。

（3）结合研究区域实际地质情况，采用观测方式为梯度观测法（图2）。测量方式为2个不极化电极同时移动，测距为50m。

图2 梯度法测量方式

野外采集的原始数据为测线上每2点之间的电位差，只有通过处理与分析才能得到整条测线或一片地区每个测点相对于零点的电位值。由于该方法测线布置简单、工作效率高从而被广泛地运用到铀矿勘查中，同时也会产生一定的误差。造成误差的主要因素为工业电流与过滤电场。

4.2 自然电位资料处理流程

在野外所采集的数据值是两点之间的电位差，假设起始位置为零点，经过叠加得出测点的自然电位并对自然电位值进行过滤电场剔除处理。自然电位数据处理时，需按照基点改正、接触电位改正、地形改正的流程【4-5】。

4.3 自然电位剖面成果解释

由于测线数据偏多，在此列举其中2个有代表性的测线数据进行分析解释：

5号测线总长4150m，自然电位曲线变化呈锯齿状，梯度变化段在 350～550m、670～1040m、1360～1580m、1820～1950m、2140～2400m。从图3中可以看出，地下铀矿床发育不连贯，并且夹杂着渗透性岩石矿化体和非渗透性岩石矿化体。

图3 5号测线自电位剖面图

1号测线总长3600m，从图4中可以发现，自然电位曲线变化较明显，变化特征中间隆起，两侧凹陷，从而表明本段氧化带发育较为良好。梯度变化段主要在1300～3150m，推测铀矿体发育在该位置。

图4 1号测线自电位剖面图

5 结论

通过对初勘矿区的自然电位试验工作，结合研究理论对试验数据成果进行分析，从而得出以下结论：

（1）通过对不同形状的矿床进行自然电场计算，可以得知自然电位剖面图与电位梯度曲线可以很好地反映地下铀矿体的大致分布情况及矿体倾向，从而粗略估算铀矿床规模的大小。反演模拟计算采用了自然电位概率成像法，通过模拟地下空间正负电荷累积过程，编写运算方法，并应用相关软件成图，从而获得的地下空间的场值分布，其成像结果较为精确。

（2）在洪海沟矿区测得的研究数据表明，通过对自然电位曲线的梯度变化的分析可以得到地下深部矿床所处位置的地球物理化学环境。再结合测线剖面图可以看出，在自然电位曲线梯度起伏明显处都具有较好的矿化现象。从最终得出的研究区域自然电位剖面图与电位等值线图可以看出，地下水的水流方向是影响铀矿发育方向的主要因素。再结合初勘所得数据成果，可以大致判断铀矿床的地下空间分布，为铀矿的开采提供有力的技术支持。

[1] 孙泽轩.滇西新生代盆地与砂岩型铀矿成矿[D].成都理工大学,2007.

[2] 区小毅，朱向泰，李瑞.EH4电导率成像系统在矿产勘查中的应用[J].地质找矿论丛，2007,22（4）：306-310.

[3] 汤洪志，邓居智.电法勘探[M].北京：地质出版社，2015.

[4] 张宗岭.自然电位地形改正探讨[J].Geology and Prospecting,1989,25(11):38-42.

[5] 王君恒,耿煜.自然电位梯度测量中的地形改正[J].地球物理学报,2015,58(11):3815-3824.