含油气盆地砂岩型铀矿多参数激电勘查方法试验及效果

米晓利，江汶波，李 清，杨云见，朱永山

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072751)

0 引言

中国北方含油气沉积盆地普遍伴生砂岩型铀矿资源[1-6]，往往与油、气、煤广泛共生。初步调查发现，中石油矿权区铀矿资源丰富，具有良好发展前景。为研究含油气盆地铀矿资源勘查、评价方法，揭示重点含油气盆地铀成矿地质条件、分布规律以及寻找有利勘探区带及重点目标区，中石油集团专门设立课题开展了系列研究工作。

地球物理探测方法作为一种间接找矿手段，对勘查隐伏矿靶区发挥着重要作用。近年来国内不少学者在方法理论、方法效果等方面进行了不断的探索和研究[7-13]，为开展深部找矿提供了技术支持，但在含油气盆地中开展砂岩型铀矿勘查方面做的工作很少。根据以往的研究，沉积盆地中砂岩型铀矿埋藏深度较大，覆盖层较厚，一般埋深在200 m以下，传统的放射性物探方法及重磁电方法由于地面观测异常微弱，导致效果不理想。本次试验工作选择具有较厚覆盖层的已知矿区，使用了大功率的进口发射机，配合自主创新改进的多道分布式电磁数据采集站，同时采用了可同时计算多种电性参数的新的处理技术，以探索形成一种快速、有效的地球物理勘查技术。

1 地质背景

1.1 地质概况

试验区位于松辽盆地南部开鲁坳陷内的TLD地区，近年来该区发现了国内超大型可地浸砂岩型铀矿床，不少研究者陆续发表了系列地质研究成果，对成矿地质条件、矿床特征等进行了详细的论述[13-15]。区内地层产状平缓，地层倾角为5°～10°。基底主要为前震旦系花岗片麻岩和上古生界石炭—二叠系的变质岩系，物源区主要为中生代火山岩和海西期、燕山期花岗岩，以及古生界变质岩。盖层主要由中生界下白垩统的断陷湖盆沉积和上白垩统泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组坳陷型河流-湖相沉积构成，其上被古近系、新近系和第四系覆盖。

自晚白垩世嫩江期末至新近纪，TLD地区一直处于隆升剥蚀状态，缺失上白垩统四方台组、明水组以及古近系和新近系。矿区内钻孔揭露地层自下而上分别为上白垩统青山口组、姚家组、嫩江组和第四系，其中姚家组是主要含矿层。

TLD姚家组铀矿床的含矿主岩为灰色、浅灰色中砂岩和细砂岩，属辫状河沉积相，埋深一般为180～330 m，铀矿化累计厚度达8～22.9 m。铀矿化中心受辫状河道及贯通性断裂构造控制，矿体产状与地层产状基本一致。

1.2 矿体及含矿地层物性特征

TLD含矿地层具有砂岩型铀矿成矿必需的泥-砂-泥结构，区域性分布的紫红色泥岩隔水层把姚家组含矿地层分为上下两个含矿含水层，即姚家组下段含矿含水层(姚下段含矿砂体)和姚家组上段含矿含水层(姚上段含矿砂体)，测井电阻率值很低，仅在2～30 Ω·m之间。

区内2号矿体为主矿体，规模最大，其储量占所有矿体储量的85.5%。矿体形态为板状、透镜状及板状透镜状的组合，厚度较稳定，埋深在251.80～298.31 m之间。

含矿砂岩中碎屑矿物主要是石英、长石，岩屑含量较少；基质为粘土矿物，胶结物为碳酸盐、铁质、锰质。此外，试验区工业矿钻孔中大量的岩心矿物分析表明，含铀矿砂体中有大量黄铁矿，且硫含量比较高。铀矿越富集的钻孔，黄铁矿含量越高，而无矿钻孔中黄铁矿及硫的含量很低，分析认为，这可能在含油气盆地中铀矿与黄铁矿等是一种伴生的关系。黄铁矿是一种极化率很高的矿物，而石英、长石等矿物成分极化率很低，这对于应用激发极化法进行探测具备了较好的地球物理探测基础。

2 数据采集与分析方法

2.1 数据采集

试验采用激发极化扫面加测深方法。传统的激发极化法工作中，电极排列形式多种多样，可以使用中间梯度、偶极—偶极、双极—偶极、对称四极、三级、单极—偶极、二极(近场源)以及测深等多种排列形式，最常用的电极排列有中间梯度装置、偶极—偶极装置。

试验区为第四系全覆盖区，地表多为农田，另有村庄、水滩、河堤、铁路、公路等对试验工作有影响的因素。根据试验目的，结合矿区范围内钻孔岩心分析划定的氧化带、过渡带和还原带情况，穿过已知工业矿钻孔及无矿钻孔设计了5条NW向测线，每条测线长度2000 m，测线距离200 m，一般测点距离100 m，在铀矿钻孔两边测点加密到25 m，试验测线布置情况见图1。本次试验数据采集采用偶极-偶极装置(图2)，为提高效率，现场采用了创新的工作方式，每布置一个发射供电偶极，同时布置6个TFEM-WL2C-A型分布式无线电磁采集站接收偶极电场信号。

图1 试验测线布置示意图Fig.1 Schematic layout map of geophysical survey line1—氧化带 2—过渡带 3—还原带 4—试验测线 5—工业矿钻孔 6—无矿钻孔

图2 偶极装置示意图Fig.2 Schematic diagram of dipole device

为提高信噪比，除了使用9 kW大功率发射机，每个发射偶极多次发射方波信号，采集站高精度同步连续接收不极化电极采集的电场时序信号。激电扫面工作发射与接收偶极的距离为100 m；激电测深试验时，发射偶极与接收偶极隔离系数分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5七个偶极长度倍数。发射机选择0.25 Hz正负双向方波信号，所有采集站采样率选择1 ms，记录时间4 s。整个试验采集工作中，为保证接收信号的精度，每天出工前为每个采集站配备极差最小的不极化电极。

2.2 分析方法

通过对每个观测点接收的多次信号进行叠加，傅式变换后由以下公式计算每个测点电阻率振幅、相位、极化率等多种参数。

复电阻率计算公式(1)：

(1)

式(1)中，K为装置系数，

K=π×a×n×(n+1)×(n+2)。

(2)

式(2)中，a为偶极长度，n为发射偶极距与接收偶极距之间的隔离系数。

视电阻率振幅参数：

(3)

(4)

(5)

式中，ΔV2(t)为记录时间域信号t时刻的二次场值，ΔV1+2为总场值。

试验区第四系覆盖较厚，地表电阻率较低。偶极-偶极装置系统在逐测点进行测量时，它的供电偶极以不同位置去激发目标体，因而可以在某些条件下使目标体处于良好的极化状态，通过由上述公式计算出的电性参数平面分布特征预测隐伏的矿体。

3 分析结果

3.1 数据处理

资料处理流程见图3。试验区数据采集受无线电发射塔、输电线、用电设施等多种干扰源影响，通过工频滤波、多次叠加等措施，可有效提高信噪比。

图3 数据处理流程Fig.3 Data processing flow

单测点时序信号进行消除干扰处理后，进行傅式变换，得到实部分量与虚部分量，然后再按前述公式计算分别得到相位、极化率、电阻率振幅等参数。由于地表不均匀体的影响，造成各参数剖面图上出现畸变的虚假异常(图4a)。尽管偶然误差会使异常曲线不光滑而成锯齿状，但并不会改变异常曲线变化的基本趋势，我们采用畸变点剔除、平滑滤波等处理方法，进一步减小噪声的影响(图4b)。把所有测点平滑处理后的各参数分别通过专业成图软件，形成平面等值线图。

图4 处理前后剖面对比曲线Fig.4 Comparison curves of geophysical profile before and after treatment

为进一步通过得到的参数平面等值线图对试验区矿体分布情况作出预测，分别对相位、极化率、电阻率三个参数进行异常下限的划分。确定下限的原则是所有测点的参数值平均值加上3倍的参数均方误差，按此计算的电阻率、相位、极化率异常下限值分别为53 Ω·m、-8.5 mrad、4.5%。

3.2分析结果

试验区工业矿孔附近与非矿孔位置激电测深点得到的相位、极化率、视电阻率参数深度曲线在矿层段有明显的差异(图5)。在200m以下，相位(负值越大说明极化越强)、极化率数值开始增大，与前面介绍的试验区已知主矿体所在的砂岩深度吻合；相位参数对矿与非矿的反映非常明显，幅度差变化最大；极化率参数对矿与非矿的反映幅度差次之；视电阻率参数曲线对矿与非矿的反映变化最小，主要反映地层导电性方面的差异。

图5 矿孔区与非矿孔区参数对比曲线Fig.5 Comparison curves of the parameters in ore hole area and non-ore hole area(a)相位曲线 (b)极化率曲线 (c)视电阻率曲线

相位、极化率、电阻率等参数异常是多种因素引起的，是地下不同深度、不同形状的地质体在地表的综合反映，既含有矿化异常，也含有各种级别的背景异常。通过结合砂岩型铀矿地质特征与已知见矿井资料，分析多参数异常分布规律，在此基础上推断矿致异常。首先分析试验区相位、极化率和视电阻率的平面特征(图6)，三者之间呈现了很强的关联性，同时在已知钻井揭示的已知铀矿范围内具有高相位、高极化、高电阻率的“三高”参数异常特征。

试验区视电阻率(图6a)数值范围为36～76 Ω·m，整体表现为中间高，两端低。西北部高林屯附近、十家子及前德胜至阿布根艾乐表现为低阻特性，其余地区表现为高阻特征。视电阻率高值点主要分布在前德胜以西4000m范围内。

试验区相位(图6b)数值范围在-12 mrad～-5.5 mrad之间，整体呈现中间低两端高的特征，相位分布相对分散。相位低值区主要集中在铁路和公路之间，其他区域高值、低值分散分布。

试验区极化率(图6c)数值范围为2.6%～5.8%，整体表现为中间高，两端低。极化率高值区域主要集中在铁路和公路之间，在铁路西北部和二十八户附近也有高值分布，但值相对较低。在前德胜和阿布根艾勒之间是低极化率存在的主要区域。

根据试验区已知铀矿赋存位置电性多参数异常特征，结合异常大小、走向及其分布特征，划分出4个异常带(图6d)。

图6 研究区多参数异常平面分布图Fig.6 The planar distribution map of multi-parameter anomalies in the study area(a)视电阻率平面图 (b)相位平面图 (c)极化率平面图 (d)异常带位置图

Ⅰ号异常为最好的异常带，位于研究区中部的后德胜村西北方向，有两个高值区域，异常未封闭。极化率数值在4.6%～5.6%之间，相位数值在9.8 mrad～11.5 mrad之间，电阻率数值在56～73 Ω·m之间。

Ⅱ号异常位于工区中北部的土家子村东南方向，异常未封闭，极化率数值在4.7%～5.6%之间，相位数值在9.6 mrad～10.7 mrad之间，电阻率数值在58～66 Ω·m之间。

Ⅲ号异常为中等异常带，位于工区东南端部的二十八户村附近，异常未封闭。极化率数值在4.5%～5.1%之间，相位数值在9.1 mrad～10.2 mrad之间，电阻率数值在53～63 Ω·m之间。

Ⅳ号异常为较小异常带，位于工区西北铁路西北侧，区域内干扰较大。异常未封闭，极化率数值在4.5%～5.1%之间，相位数值在8.5 mrad～10.3 mrad之间，电阻率数值在59～68 Ω·m之间。

4 讨论

本次方法试验工作覆盖面积1.6 km2，该区内共有钻孔17个，其中工业矿孔13个，无矿孔4个，激电多参数方法圈定的4个异常位置涵盖了所有工业矿孔位置，并处于矿区综合地质研究划定的氧化还原过渡带有利位置，统计见矿率达78%。

试验区内多个工业矿孔的岩心矿物分析表明，矿层段含有大量的黄铁矿颗粒，地面引起激电异常的原因很有可能是因为这些黄铁矿物的存在所造成，其他含油气盆地是否有类似规律值得进一步开展试验研究。

5 结论

1)本次试验使用分布式电磁采集站以排列采集方式实现了一次发射多道同步接收的高效采集，通过全波形时间域处理方法同时得到电阻率、相位、极化率等多个电性参数，该方式具有快速采集、多参数评价、预测精度高的优势。

2)在已知矿体钻孔旁做的多参数激电测深曲线表明，相位、极化率对矿体反映灵敏，接近矿体埋藏深度时两参数数值明显增大。电阻率参数对矿体的存在反映不敏感，但平面上电阻率的高值带与赋存铀矿的砂体密切相关。3个参数综合圈定的异常范围内见矿率高，对钻探井位部署有着重要的指导意义。

本次方法试验工作表明，相位多参数激电法有良好的推广应用前景，对在类似地表地质条件地区开展砂岩型铀矿资源勘探具有有重要的借鉴意义。

致谢：衷心感谢辽河油田分公司雷安贵高级工程师、李清春高级工程师对本项目的支持与帮助。