伊和高勒地区砂岩型铀矿宽频大地电磁数值模拟及应用

2020-11-09胡英才张濡亮王恒

铀矿地质 2020年5期

胡英才，张濡亮，王恒

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029）

铀是核电的主要原料更是国防所需的重要战略资源，铀矿资源的勘查尤为重要。在固体矿产勘查的频率域电磁方法中，比较常用的方法主要有音频大地电磁测深法（简称AMT），可控源音频大地电磁测深法（简称CSAMT）和大地电磁测深法（简称MT）。音频大地电磁和可控源音频大地电磁测深法所使用的频率范围基本都在10 000～2 Hz 之间，探测深度在1 500 m 左右（具体探测深度还与地层电阻率有关，可控源还与收发距离有关），主要用于探测埋深相对较浅的地质结构。大地电磁测深法所使用的频率范围在320～0.001 Hz，有的甚至更低，其探测深度可达上百千米，主要探测地球深部地质信息，但浅部存在一定范围的盲区，若采用宽频探头，其观测频率可从10 000～0.000 1 Hz，这里称为宽频大地电磁测深（简称BMT），既保证了浅部地质信息不丢失，又可以探测深部地质结构，在电阻率较低的地区尤其适用。

二连盆地伊和高勒地区地表主要出露第四系黏土及粉砂岩，地下以泥岩和砂岩为主，电阻率较小，整体属于低阻区域，基底埋藏较深。在低阻区域寻找相对高阻的砂岩或砂泥互层相对比较困难，主要因为频率电磁法探测低阻体比较灵敏而对高阻不敏感［1-3］，因此有必要针对该地区建立相应的地电模型进行数值模拟。前人在二连盆地开展了很多可控源和音频大地电磁在砂岩型铀矿的应用研究工作［4-7］，但针对盆地中不同深度砂体地电模型探测能力的模拟较少。本文在收集二连盆地伊和高勒地区物性、地质及钻孔资料的基础上，建立了该区对应的地电模型，对不同深度的砂体及砂泥互层结构进行了音频大地电磁和宽频大地电磁的数值模拟。根据对该区地电模型模拟的认识，对该地区采集的一条BMT 剖面进行了数据处理、二维反演及地质解译。

1 地质、地球物理特征及测线部署

1.1 构造

二连盆地构造上位于西伯利亚板块与华北板块的缝合线部位，是在天山-兴蒙造山系的基础上，经燕山期拉张翘断构造应力场作用而发育起来的以裂陷为主要特征的中、新生代断陷-坳陷叠合沉积盆地［8-11］。二连盆地是由多个小型“盆地”组成的盆地群，基底构造复杂，为“五坳一隆”6 个二级构造单元，分别为川井坳陷、乌兰察布坳陷、腾格尔坳陷、马尼特坳陷、乌尼特坳陷及中部的苏尼特隆起（图1）。其中5 个坳陷构成了盆地的二级负向构造-沉积单元，一个隆起构成盆地的正向构造-沉积单元［12］。盆地的东界为大兴安岭隆起，北界为巴音宝力格隆起，南界为温都尔庙隆起，西界为宝音图隆起［9］。

图1 马尼特坳陷构造分区及基底埋深图（据李洪军等，2010［13］）Fig.1 Map of structural division and base depth in Manite depression

表1 马尼特坳陷各次级构造单元特征Table 1 Characteristics of secondary structural units in Manite depression

二连盆地马尼特坳陷共有2 凸9 凹11 个次级构造单元（表1），下白垩统发育齐全，厚度较大，上白垩统二连组大面积缺失，古近系在坳陷的西部发育，新近系在全区均有发育，厚度较小。研究区位于马尼特坳陷的东部，所属次级凹陷主要为巴音宝力格隆起南部斜坡带的沙那凹陷东部和阿北凹陷西部地段，该地区为构造单斜带，为砂岩型铀成矿的有利构造单元，北部为巴音宝力格隆起，南部为额尔登高毕凸起，二连盆地马尼特坳陷构造分区及基底埋深如图1 所示。阿北凹陷受北东向贺根山基底断裂及其派生的次级断裂控制，凹陷呈NE 向展布，长约110 km，宽约26 km，面积约2 860 km2，基底埋深1.3～2.6 km，为单断型凹陷；沙那凹陷呈北东向展布，凹陷长约50 km，宽约20 km，面积约1 000 km2，为地堑型凹陷，基底埋深1.3～2.2 km，为地堑型凹陷；额尔登高毕凸起呈NE 向展布，长约120 km，宽约25 km，基底埋深0.2～1 km。

1.2 地层

研究区的地层如表2 所示，自下往上依次为：侏罗系、白垩系、新近系和第四系。第四系和新近系地表出露厚度较薄，部分地段剥蚀殆尽；白垩系较厚，其上统二连组埋藏较浅，部分地段也剥蚀殆尽，而下白垩统赛汉组较厚，为主要找矿目标层位，赛汉组上部岩性为紫红色、灰色砂岩、泥岩、页岩，粉砂岩夹薄层泥灰岩，下部为灰色砂岩、泥岩。从表2 中可以看出，第四系、新近系和白垩系厚度已超过1.4 km。

表2 二连盆地伊和高勒地区地层表Table 2 Stratigraphic table of Yihegaole area in Erlian Basin

1.3 地球物理特征

二连盆地伊和高勒地区及周边盖层和岩体电阻率参数统计如表3 所示。本次探测主要目的层为白垩系。其中白垩系分为上白垩统二连组和下白垩统赛汉组两套地层，其岩性主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩以及砾岩，从表中可以看出泥岩电阻率最低平均值在7～10 Ω·m；粉砂岩、细砂岩、中砂岩电阻率次之，其平均值在9～29Ω·m；粗砂岩电阻率较高，其平均值在28～35 Ω·m；深部侏罗系火山碎屑岩、火山熔岩最高，电阻率大于50 Ω·m；浅部新近系、古近系及第四系中黏土、淤泥等电阻率较低，而粗砂岩、砂砾石、砾石电阻率较高。

表3 二连盆地伊和高勒地区及周边盖层和岩体电阻率统计［14-15］Table 3 Resistivity of sedimentary rock and plutons in Yihegaole and its surrounding area of Erlian Basin

1.4 测线部署

由于二连盆地伊和高勒地区主体构造走向为NE 向，因此在垂直构造走向上部署NW向BMT 测线一条（YH01 线），如图2 中浅蓝色实线所示。剖面长30 300 m，点距100 m，极距为50 m，采用张量观测，采集时间为40 min （由于区内沙那凹陷最深处为1 500 m左右，同时在BMT 正演模拟中使用频率最低到0.5 Hz 即可测到1 500 m，因此本次采集时间不需要太长）。

2 模型数值模拟及剖面处理解译

2.1 地球物理模型

本次探测的目标体主要为白垩系中的砂体或砂泥互层结构，根据区内地质和地球物理特征，结合岩性参数和钻孔等资料，建立了研究区地电模型。如模型示意图所示（图3），在模型浅部（260～350 m）和深部（890～990 m）分别设置两套砂泥互层结构进行模拟。每层电性参数设置如下：

1） 0～80 m 为第四系及新近系，以泥岩，黏土为主，电阻率设置为12 Ω·m；

2） 80～260 m 以泥岩、粉砂岩为主，电阻率设置为8 Ω·m；

3） 260～350 m 为砂泥互层结构，以砂为主（两层砂体夹一层泥岩），其中砂体电阻率设置为20 Ω·m，泥岩电阻率设置为8 Ω·m，每层砂体和泥岩的厚度都为30 m；砂泥互层在剖面左侧逐渐延伸至地下130 m 处。

4） 350～890 m 为泥岩，电阻率为8 Ω·m；

5） 890～990 m 为砂泥互层结构，以砂为主（三层砂体夹两层泥岩），其中砂体电阻率设置为20 Ω·m，泥岩电阻率设置为8 Ω·m，每层砂体和泥岩的厚度都为20 m；

6） 990～1 280 m 为泥岩，电阻率设置为8 Ω·m；

图2 研究区地质及测线部署简图Fig.2 Geological map and survey line deployment in the study area

7） 1 280 m 以下为基底，主要为粗砂岩、巨砾岩以及火山岩等高阻体，电阻率设置为40 Ω·m，1 500 m 以下设置为100 Ω·m。

2.2 AMT 与BMT 二维正反演模拟及分析

本次二维正演采用基于节点有限元法的音频和宽频大地电磁二维正演软件，其频点范围选用加拿大凤凰地球物理公司生产的多功能电法测量系统中的频率范围，其中AMT使用的频率为10 400～2 Hz，共48 个频点，BMT 使用的频率范围为10 400～0.001 Hz，共93 个频点，反演采用二维非线性共轭梯度进行反演。

图3 二连盆地伊和高勒地区地电模型示意图Fig.3 Geoelectric model of Yihegaole area in Erlian Basin

图4 和图5 分别为AMT 和BMT（选取高频中的57 个频点）二维正演视电阻率和阻抗相位图。比较图4 中TM 模式和TE 模式正演结果，两种模式的正演响应基本相同，这主要是因为设置的二维理论模型近似层状介质。从图4a 和图4b 大致可以看出，视电阻率整体从高频到低频呈现“高-低-高-低”4 层响应特征，为HD 型曲线，而从图4c 和图4d 可以看出，阻抗相位从高频到低频整体呈现“低-高-低-高”特征，而位于底部的基底高电阻率和低阻抗相位特征没有表现出来，说明低频不够低，并未探测到深部基底。从图5a 和图5b BMT 正演结果看出，视电阻率整体呈现“高-低-高-低-高”5 层响应特征，为HH 型曲线，从图5c 和图5d 可以看出，阻抗相位整体呈现“低-高-低-高-低”的特征，位于深部基底的高阻特征已经反映出来。

图4 AMT 理论模型的二维正演响应图Fig.4 Two dimensional forward response diagram of AMT theoretical model

图5 BMT 理论模型的二维正演响应图Fig.5 Two dimensional forward response diagram of BMT theoretical model

图6 和图7 分别为AMT 和BMT 二维反演结果及解译图，两种方法的反演RMS 都小于0.3，反演拟合较好。根据趋肤深度公式，以最低频点进行计算，两种方法的最大探测深度均超过1 000 m，从图6 中的AMT 反演结果也可以看出在1 100 m 以下为无任何变化的半空间电阻率，说明AMT 最大探测深度为1 100 m。对比两种方法的反演图可以看出，在0～1 000 m 之间两种方法反演结果基本相同，浅部0～80 m 表现为中低阻特征，为第四系和新近系中的黏土和粉砂岩，80～260 m电阻率表现为低阻特征，为泥岩。260～350 m表现为中高阻特征，为砂泥互层，350～1 000 m，表现为低阻特征，为泥岩，这些与理论模型设置基本相同，但AMT 方法频率不够低，无法探测较深的基底形态，而BMT 在1 100 m以下表现为高阻特征，为基底。虽然BMT能够探测深部基底，但界面不够清晰准确。同时两种电磁方法对埋深大于890 m，厚度100 m 的砂泥互层几乎无法分辨，探测效果较差。

图6 AMT 二维反演结果图Fig.6 Two dimensional inversion result of AMT

图7 BMT 二维反演结果图Fig.7 Two dimensional inversion result of BMT

对比两种方法模拟效果可知：采用AMT在伊和高勒地区的砂岩型铀矿中，由于围岩电阻率较低，并且方法本身采集的频率不够低，使其探测深度较浅，无法探测相对较深的基底起伏形态。而采用BMT 进行探测，由于观测频点范围较宽且低频较低，不仅可探测深部完整基底也可保留浅部地质信息不丢失。采用AMT 和BMT 对于识别浅部（500 m以内）相对较厚的整套砂泥互层结构效果较好，但要区分砂泥互层中较薄的砂岩层或泥岩层则比较困难，而这两种方法在该地区探测深部的砂泥互层时，即使厚度达到100 m仍然无法分辨。

2.3 二维反演及解译

对伊和高勒地区采集的YH01 线BMT 数据采用MTpioneer 中的二维非线性共轭梯度法进行反演，最终迭代109 次，误差为2.22，剖面二维反演及地质解译结果如图8 所示。根据反演结果，结合研究区的物性、地质等资料分析可知： YH01 线主要位于两个三级构造单元中，其中在平距0～17 000 m 为沙那凹陷，17 000～27 000 m 为额尔登高毕凸起。剖面以图中黑色虚线（岩性分界线）为界限整体分为两部分，其中剖面浅部蓝绿色区域电阻率较低，整体小于10 Ω·m，为白垩系和侏罗系，岩性主要以泥岩为主；剖面深部黄色至红黑色区域电阻率较高，均大于40 Ω·m，为基底，其岩性主要是侏罗系中砂砾岩以及火山碎屑岩等。在剖面6 000～16 000 m，埋深100～550 m 处存在一中高阻体，电阻率在10～25 Ω·m，推测为砂泥互层结构，以砂岩为主。在该区域中，从西北向东南砂体逐渐变薄，整体电阻率也逐渐变低，推测岩性从粗砂岩、中砂岩变为细砂岩和粉砂岩。对于深部埋深大于800 m 的区域，虽然在剖面反演中整体表现为低阻，但也可能存在砂体或砂泥互层，由于方法本身对深部分辨率较差而无法分辨深部砂体。YH01 线沙那凹陷东北侧，从反演结果可以看出在该凹陷中底界面埋深可达1 300 m，说明凹陷沿东北方向基底埋深逐渐变浅。