CSAMT测量在林西县曹家营子地区铀矿勘查中的应用

2021-03-11余弘龙于兵牛子良王晓奇王洪志

矿产勘查 2021年11期

余弘龙，于兵，牛子良，王晓奇，王洪志

（核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024000）

0 引言

铀矿化产于铀背景值高的地区已被大量事实所证实（贾兴洲等，2003①；吴仁贵，2011②），中国核工业地质局自上世纪60年代开始，在大兴安岭中南段通过航空放射性测量和地面普查，发现了众多铀异常点，其中处于内蒙古自治区林西县五十家子镇西南部的9229号异常点具有较好的异常规模和控制因素，对该点进行槽探揭露工作后，分析结果显示达到铀矿化，且与断裂构造密切相关，显示了该地区的找矿前景（王青等，2016③）。但地表构造信息较少，已知构造也不能判断其规模大小及其性质，铀矿勘查工作难度较大，因此亟需查明该研究区内断裂构造在地表及深部分布情况，以指导下一步铀矿勘查工作。

CSAMT是近年来发展较为迅速的电法勘探方法，具有勘探深度大、横向分辨率高、高阻屏蔽作用小等特点，该方法在推断深部断裂及寻找隐伏矿体方面取得了较好的应用效果（屈栓柱等，2018；王甲等，2018；艾虎等，2020），本次工作运用该方法推断解译了7条NE向断裂，通过钻探工作查证了其中4条断裂，证实了该方法应用的有效性，达到预期目的。

1 地质概况及岩石电阻率特征

1.1 地质概况

研究区隶属内蒙古自治区赤峰市林西县五十家子镇所辖，勘查区面积29.31 km2，位于五十家子盆地中部（图1），西侧受NE向统部-朝阳大断裂控制，东侧受NE向九连庄-古石庙子山深大断裂控制，盖层主要由中侏罗统新民组、上侏罗统满克头鄂博组及玛尼吐组组成，地表出露岩石有凝灰质砂砾岩、凝灰质含砾砂岩、凝灰质砂岩、流纹质晶屑凝灰岩和安山质晶屑凝灰岩；地表侵入岩不发育，仅见两条规模较小的NE向花岗斑岩脉，与矿化关系较为密切。热液蚀变以中低温热液蚀变为主，主要有硅化、褐铁矿化、赤铁矿化、绿泥石化、黄铁矿化等。铀矿化与微晶石英及浸染状赤铁矿化关系密切（内蒙古自治区地质矿产局，1991；王世成等，2018④）。

图1 林西县曹家营子地区地质图（据王世成等，2018④）

1.2 岩石电阻率特征

为获得研究区内不同岩石的物性参数特征，对区内岩石露头及前人施工ZK4钻孔岩芯进行了定向标本采集，并用泥团法对标本进行了物性测量工作，本次物性参数均为笔者于2018年参与该项目实测，结果见表1。研究区地表露头岩石中花岗斑岩电阻率最大，平均值1788 Ω·m，具有高阻地球物理特征；安山质晶屑凝灰岩和流纹质晶屑凝灰岩电阻率接近，平均值约为900 Ω·m；凝灰质砂砾岩、凝灰质砂岩电阻率值最低，平均值665 Ω·m，具有低阻地球物理特征；钻孔中岩石相对于地表岩石电阻率高出300～400 Ω·m；钻孔中构造、破碎段岩石电阻率最低。由此可以看出，区内岩石的电阻率存在差异，为CSAMT识别断裂构造提供了有利的物性基础条件。

表1 研究区主要岩石电阻率

2 CSAMT工作方法

根据本次物探工作技术要求和现有地质资料，共设计剖面线5条，按NW向布置，SW至NE依次命名为L1、L2、L3、L4和L5。本次采用赤道偶极装置的标量测量方式，水平方向电场（MN）平行于场源（AB），水平磁场垂直于场源布设（图2），观测点在发射极AB中垂线上60°的扇形区域内；根据研究区内收发距试验工作选择12 km为收发距；最低观测频率是根据实测的全频段测深曲线来确定，视电阻率曲线从频率16 Hz开始45°角上升（图3），数据为近区数据，因此最低观测频率选择为16 Hz。

图2 CSAMT法野外测量布置图

图3 CSAMT全频段测深电阻率曲线

3 数据处理

3.1 数据预处理

测量数据利用仪器自带的处理软件CMT-Pro进行预处理，主要进行两种数据剔除，受干扰影响偏离较大的频点数据和进入近区的数据。

（1）某个频率因为噪声影响，无法解释时，可对该排列的部分频点数据剔除，在单点曲线编辑时，标记各频点偏离较大的数据，使其不参加计算，以提高该频点的数据质量（李茂等，2005；孟凡兴等，2017；李波等，2018），图4中黑色方块为剔除的频点。

（2）前面虽然已经选择了最低频率以保证测量数据为远区数据，但在实际测量中为了获得可靠的信噪比，尤其是研究区设计反演深度较小，收发距不可能太大，而采用人工场源同时会导致测量时部分低频数据进入近区（李茂等，2009）。可控源反演软件采用的都是以MT反演计算方法为基础，主要针对远区数据进行反演计算。因此，要求反演数据必须为远区及过渡区数据，近区数据不能参与反演，必须对近区数据进行剔除，近区数据表现为电阻率-频率图上呈45°的直线上升（黄力军等，2006），图4中蓝色方块为近区数据剔除的频点。

图4 数据预处理频率-视电阻率曲线

3.2 反演初始模型选择

近年来的工作实践表明，不同初始背景模型对实测数据的反演结果，在地电结构上总体表现基本一致，本次数据处理中反演初始模型选用了均匀半空间模型。

3.3 地形改正

地形改正根据剖面上各测点的实际标高进行网格划分，生成实际地形的网格模型，结合表层电阻率构成一个带地形的二维地电模型，由该模型出发进行二维正演、反演计算，达到间接消除地形影响的目的。

本次测量剖面地形高差为30～110 m，需进行地形改正。

3.4 反演成图

经上述各项数据处理后，采用圆滑模型反演（Occam）算法对卡尼亚电阻率与阻抗相位进行迭代计算，确定反演模型的电性分布特征，该软件实际是根据野外实测数据求一个多层地球物理模型的最光滑解，模型采用均方误差来衡量数据拟合度及模型的粗糙度，要求所得模型圆滑，数据拟合误差最小。所计算最小误差的模型电阻率数据即可网格化绘制反演视电阻率断面图（王振亮等，2018）。图5为实测电阻率、相位与最小误差模型数据的拟合曲线图，本次处理拟合误差阈值设定为10%，最终所有测点拟合误差均小于7%。

图5 L1剖面5号测点视电阻率（相位）拟合曲线

4 CSAMT资料解释推断

4.1 资料解释依据

CSAMT反演电阻率断面图是最基础的图件，该方法主要根据剖面上电阻率的相对变化，结合已知的地质资料进行解译推断。异常解释主要有以下依据：

（1）不同岩石间的电阻率差异：各岩石组分、结构、构造、蚀变和含水量的不同造成电阻率的差异是CSAMT工作方法的基础条件（孙林柱，2018）。

（2）已知地质资料是综合解释的重要条件：不同岩石之间一般具有不同的电阻率，但岩石的电阻率受多种因素影响，如温度、压力和含水量等；断裂的性质也会造成反演结果的多解性，如张性断裂充水后电阻率断面可能表现为不连续现象。因此反演结果与已知地质资料相悖时，应当分析其产生原因，并给出合理的推断解译。

（3）横向和纵向上的异常变化：电阻率横向上的变化反应构造、蚀变特征的存在或者岩性变化，垂向的异常梯度带为断层位置；电阻率纵向变化往往为岩性的变化，横向梯度带的中心一般解译为岩性分界面。值得注意的是，同一地层不同岩性之间有相似成岩环境，其岩石的电阻率基本一致，因此电阻率的变化也可以变现为地层的变化（朱伟等，2018）。

4.2 钻探查证

图6为ZK4钻孔综合剖面图，该剖面位于工作区NE部，地表出露上侏罗统满克头鄂博组流纹质晶屑凝灰岩与中侏罗统新民组凝灰质砂砾岩，电阻率断面上表现为两条低阻梯度带，电阻率变化范围为20～631 Ω·m。根据ZK4钻孔揭露情况来看，0～70 m岩性为上侏罗统满克头鄂博组的流纹质晶屑凝灰岩，岩石完整且发育强烈硅化，为高阻层；70～206 m岩性为中侏罗统新民组的含砾砂岩，岩石裂隙发育，充填褐铁矿化表明其为含水层，为低阻层；206～256 m岩性为中侏罗统新民组的含砾砂岩，岩石完整且发育强烈硅化，为高阻层，与反演电阻率剖面基本吻合。

图6 ZK4钻孔综合剖面图

结合地质钻孔资料及电阻率剖面，根据前节“资料解释依据”，综合分析后建立了工作区的地质解释依据：

（1）地表水平方向的低阻梯度带为风化带，根据ZK2、ZK3钻孔岩芯编录结果可知，0～10 m一般为风化碎石带、风化块石带，风化裂隙带最深可达30 m。风化带呈低阻电性特征，反演电阻率一般为79～501 Ω·m。

（2）低阻梯度带为构造破碎带及其“影响”区域，低阻梯度带中心即为破碎带位置，呈低阻电性特征，反演电阻率一般为20～794 Ω·m。“影响”区域即为构造破碎带两侧，厚度较大，其中存在小规模的次级断裂，岩石裂隙发育，蚀变发育褐铁矿化、绿泥石化等，硅化多以硅质细脉为主，呈低阻电性特征，反演电阻率一般为100～794 Ω·m。

（3）工作区主要两种岩性在物性参数测量上有电性差异，但在实际解释中没有明显差异，反演电阻率剖面上均为连续的高阻梯度带，呈高阻电性特征，反演电阻率一般为1000～5012 Ω·m。

4.3 典型剖面的推断解译

L3剖面（图7）地表0～30 m低阻梯度带对应风化带。根据钻孔ZK2与ZK3揭露情况可知标高580 m以上均为凝灰质砂岩与凝灰质含砾砂岩，由此该剖面岩性均解释为中侏罗统新民组岩石；标高900 m以下有三条低阻梯度带，表现为横向与纵向的电阻变化，结合钻孔揭露情况，解释为F1、F2、F5三条断裂，根据其低阻带中心位置推测出F1倾向北西，倾角51°左右，F2倾向南东，倾角59°左右，F5倾向北西，倾角65°左右。

图7 L3号剖面反演电阻率断面及地质解释

L5剖面（图8）在标高900 m左右，水平距离0～160 m、260～380 m、480～670 m表现为高阻梯度带对应地表出露的流纹质晶屑凝灰岩；根据钻孔ZK4揭露情况可知，在孔深70 m以下均为凝灰质砾岩与凝灰质含砾砂岩，由此该剖面主要解译为中侏罗统新民组岩石；标高900 m以下有五条低阻带，表现为横向与纵向的电阻变化，结合钻孔揭露情况，解释为F1、F2、F3、F4、F5五条断裂，根据其低阻带中心位置推测出F1倾向北西，倾角46°左右，F2倾向南东，倾角61°左右，F3倾向北西，倾角47°左右，F4倾向南东，倾角61°左右，F5倾向北西，倾角51°左右。

图8 L5号剖面反演电阻率断面及地质解释

4.4 应用效果分析

应用CSAMT测量在林西县曹家营子地区硬岩型铀矿勘查中探测断裂的分布，工作区主要以NE向断裂为主，部署的5条可控源剖面分布在9229异常点及其两侧。根据反演电阻率剖面，结合工作区填图及钻孔资料推断了7条NE向主要断裂（图9～10）。

图9 研究区解释断裂立体断面图

整体上来看L1剖面南侧、L4剖面北侧应为两条规模较大的NW向断裂被风化剥蚀形成沟谷地貌，本次推断的7条断裂为其次级断裂。L1、L4剖面上早期NE向断裂被风化剥蚀，因此F3、F4、F7断裂在水平空间中不连续。

F1、F2、F5断裂连续分布在L2～L5号剖面上，F1、F5为工作区主要含矿断裂，施工的钻孔ZK2、ZK3、ZK4均揭露到1～7 m的构造破碎带且在其上盘发现多段工业铀矿体，岩石发育与铀成矿密切相关的硅化、赤铁矿化。因其岩石较为破碎、裂隙发育而呈低阻电性特征，反演电阻率一般在100～794 Ω·m。

F6断裂分布在L1、L2号剖面上，在L2号剖面上施工的ZK1揭露到F6断裂，其厚度在3 m左右，发现一段工业铀矿体；L1号剖面上断裂上盘为连续的低阻梯度带，其原因是岩石被风化剥蚀，形成了厚大的风化裂隙带，呈低阻电性特征。