CSAMT正演模拟技术在松辽盆地南部砂体储层预测研究中的应用

苏晓波，张韶华，宁君，王殿学，徐红军，臧亚辉，黄笑

（核工业二四三大队，内蒙古 赤峰，024000）

松辽盆地是一个铀与煤、石油、天然气共生的陆相能源盆地，盆地内砂岩型铀矿主要位于层间氧化还原过渡带内，成矿地质条件严格，控矿因素多，查明铀矿床的成矿地质环境和追踪容矿砂体的分布是勘查过程中的重要任务［1-2］，目前盆内已经发现了钱家店、二龙山、宝龙山等铀矿床。砂体是砂岩型铀矿最重要的成矿条件之一，它既是含铀含氧水运移的通道，同样是铀矿赋存的有利空间，因此查明砂体的分布位置、形态、埋深对于砂岩型铀矿的勘查具有非常重要的意义［3-6］。钻探对于铀矿体定位准确，然后通过测井可以获得深部铀矿化和地质信息，但钻探成本高，单靠钻探查明一个铀矿床需要投入巨大的工作量。在砂岩型铀矿勘查中，为了有效配合地质工作，减少钻探工作量，缩短勘探周期，早日实现找铀突破，寻找一种有效的物探方法无疑是当前生产实践中的当务之急［7］。

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是在音频大地电磁法（AMT）基础上发展起来的采用可控长导线源进行频率测深的电磁勘探方法，克服了天然场信号弱、随机性强的缺点，该方法分辨率高、探测深度范围大、工作效率高，目前在石油、天然气和地热领域得到了广泛应用［8-10］。但现阶段在研究盆地盖层厚度、基底起伏、成矿目的层分布以及确定隐伏构造方面地震勘探方法应用较多，其优点是分辨率更高，但是地震方法成本高，在地质条件差的地区很难获得高品质的资料，给解释带来较大困难。本文主要论述在松辽盆地南部开展CSAMT 方法的可行性，验证CSAMT方法是否可以作为砂岩型铀矿勘查的有效技术手段。

松南八仙筒地区地层多且复杂，通过以往钻孔岩心的物性资料来看，各地层之间的电阻率差异不大，因此对该地区的地层结构进行CSAMT 正演模拟，在理论上验证CSAMT 方法是否可以划分目的层，圈定砂体空间展布可以有效减少勘探盲目性，从而提高找矿效率。

1 地质概况

八仙筒地区位于松辽盆地西南部，区内分布3 个构造单元，包括哲中凹陷、舍伯吐凸起和哲东南隆起。三级构造单元的形成改变了地下的水动力条件，有利于后生氧化作用，形成具有一定规模的层间氧化带，为铀成矿提供了有利条件［11-13］。区内“下断、上坳”的盖层结构有利于下伏断陷地层中的大量还原流体沿着构造通道运移至上覆的坳陷地层中，为砂岩后生还原改造提供条件［14］。基底主要为石炭-二叠系变质岩。目的层姚家组（K2y）分布广泛，其上覆为嫩江组（K2n），下伏为青山口组（K2qn）、下白垩统义县组（K1y）或石炭-二叠系变质岩（C-P），形成了稳定的顶底板隔水层。含矿目的层为姚家组砂体，受沉积相带控制，在八仙筒地区发育有利成矿的辫状河相砂体，砂体厚一般为80～145 m，含砂率一般为70%～90%，渗透性成层性较好，为本区有利的成矿砂体。岩性以褐红、砖红、灰色中细砂岩为主，下部常见为紫红色砂质砾岩，为铀成矿提供了有利的相带条件［15］。

区内基底断裂发育，多数断裂形成于中生代，按形成时间由早到晚大致可分为EW、NE、NW 向3 组断裂，以NE 向断裂最为发育，断裂往往对构造单元具有明显控制作用，其切穿了中、新生代沉积盖层并贯通基底，沟通了深部还原流体与中、新生代地层的联系，为后生砂岩型铀成矿提供了足够的还原剂［16-17］。

2 岩层电性特征及其2.5 维CSAMT 典型正演模型的建立

影响岩石电阻率大小的因素除了岩层所含水分、温度等外在因素，最主要的因素就是岩石的成分与结构［18］。沉积岩中岩石电阻率大小主要取决于岩石颗粒大小，颗粒越大电阻率越高，因此沉积岩中电阻率从大到小依次为砾岩、砂砾岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩和泥岩，这为CSAMT 方法探测该类型的砂体提供了物性条件。根据国内外已经发现的砂岩型铀矿来看，构成铀矿化的砂体主要以砂砾、细砂和粗砂为主［3］。

根据该地区钻孔统计的岩层地球物理特征资料，第四系表现为高阻特征，明水组和四方台组表现为中阻特征，嫩江组表现为低阻特征，姚家组、青山口组、泉头组表现为中低阻特征，下白垩统表现为中高阻特征，基底为石炭-二叠系变质岩、前古生代变质岩及花岗岩等，表现为高阻。各地层电阻率存在差异，为CSAMT 方法的开展提供了有利的理论前提。但是除第四系及基底高阻外，其他地层之间的电阻率差异不大。

目前一维、二维正演模拟技术发展较为成熟，但是用一维、二维模型来模拟实际中真实的三维大地模型，将导致正演结果误差较大，而三维正演数值模拟技术受硬件等条件限制，计算效率较低，因此少见于应用。综上所述我们优选2.5D 正演模拟技术进行研究，原因为：研究区的地层结构较为稳定，更接近于二维模型；2.5D 正演数值模拟指的是源为三维、模型为二维的地球物理模拟问题［19-21］，具有重要的实用价值，它将复杂的三维问题转化为二维问题，大大减小计算矩阵的大小，计算速度快，计算精度高［22］，因此本次试验研究采用双二次插值的2.5D 有限元正演算法。

为了研究八仙筒地区目的层砂体的正演响应特征，根据其他方法和施工钻孔已查明的常见层位及地电特征（表1），设计了如图1 所示的2.5D 可控源正演模型。模型在X 方向和Z 方向上无限长以消除边界效应的影响，模型沿Y方向无限延伸，发射源长1 km，收发距10 km，计算区域如图1 虚线所选区域，断裂F1倾向—X 方向，倾角75°。

图1 2.5D CSAMT 正演模型Fig.1 2.5D CSAMT forward model

表1 八仙筒地区岩层地球物理特征统计Table 1 The geophysical characteristics of strata in Baxiantong area

模型正演计算采用个人fortran 编写的基于等参变换的双二次插值2.5D 可控源程序，正演结果为TM 模式下共计31 个计算频率（1～8192 Hz）所对应的卡尼亚视电阻率及阻抗数据。对正演数据进行二维OCCAM 反演，则可以得到二维反演视电阻率断面图（图2）。

图2 正演模型响应二维反演视电阻率断面图Fig.2 2D inversion profile of apparent resistivity responded by forward model

由图2 所示的二维反演视电阻率断面图可以看出，反演视电阻率断面特征与我们设计的正演模型特征相吻合，各地层的深度及厚度与正演模型也较为一致。在水平方向上1 200～1 400 m 两侧的电性层出现了水平方向上突然的抬升，可以判定是由F1断裂引起的。据此说明，在该地区的沉积盆地中应用CSAMT 方法进行地层探测是可行的。

3 CSAMT 正演模拟结果在实际应用中的验证

通过以上2.5D CSAMT 正演数值模拟在理论上表明CSAMT 方法能够有效获得该地区地层的电性结构特征。但在实际工作中，真实大地结构为三维，而且地层、岩性和构造等更为复杂，CSAMT方法是否可以作为该地区砂岩型铀矿勘查的有效方法还需要在实际应用中进一步验证。

根据已有的地质资料，在八仙筒工作区内布设了一条方向SE、长18 km 的可控源T1 剖面，该剖面穿过哲中凹陷和哲东南凸起（图3），点距200 m，测线方位135°；共设计41个频点，频率范围1～8 533 Hz，收发距13 km，场源长度为1 200 m。本次测量采用加拿大Phoenix 公司生产的V8 多功能电法仪，数据预处理采用V8多功能电法仪配套软件CMTProVersion，首先对野外采集的数据进行筛选，将出现的坏段频点数据进行截断处理；其次校正电极点位坐标偏差，对原始数据曲线进行圆滑处理；最后进行地形改正以此来消除地形和静态效应的影响。将预处理后的数据采用Pioneer软件进行二维反演，得到了二维视电阻率反演等值线平面图。

图3 勘探区CSAMT 测量剖面布置Fig.3 The layout of CSAMT profiles in exploration area

从CSAMT 二维视电阻率反演剖面和地质解译断面图（图4）中可以看出，该剖面地电结构较为稳定，表现为5～6 层的电性结构，电阻率表现为：第四系和基底表现为高阻，泥岩表现为低阻，砂岩表现为中阻。在剖面13～14 km 处，电阻率在水平方向上发生整体的抬升，推断存在F1断裂，倾向NW，倾角大约60°。

图4 八仙筒地区T1 线CSAMT 二维视电阻率反演剖面和地质解译断面Fig.4 The CSAMT apparent resistivity inversion section and geological interpretation of line T1 in Baxiantong area

剖面起点至F1 断裂，该段表现为6 层结构：

第一电性层：反演视电阻率为65～250 Ω·m的高阻层，横向变化连续稳定，厚度大约为100 m，推断与表层第四系（Q）干燥的风成沙、砂砾石、冲洪积物相对应，该层由NW 向SE 逐渐变薄；

第二电性层：反演视电阻率为12～47 Ω·m的中阻层，横向展布连续稳定，厚度大约在200～360 m，推断该中低阻层为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩及砂砾岩。结合地质资料，解释为上白垩统明水组（K2m）、四方台组（K2s）；

第三电性层：反演视电阻率为5～12 Ω·m的低阻层，横向展布连续稳定，厚度大约在200～280 m，推断该低阻层为以泥岩为主的沉积层，结合地质资料，解释为上白垩统嫩江组（K2n）；

第四电性层：反演视电阻率为12～57 Ω·m的中阻层，横向展布连续稳定，厚度大约在400～700 m，反映以中细砂、粗砂、砂质砾岩互层为主的沉积层，推断此中阻层由砂岩引起。根据地质资料，解释为上白垩统姚家组（K2y）、青山口组（K2qn）、泉头组（K2q）；

第五电性层：反演视电阻率为57～80 Ω·m的中高阻层，横向展布连续稳定，厚度大约在300～500 m，反映为粗砂、含砾石层为主夹薄层泥岩、粉砂岩的沉积层，推断此中高阻层由砂砾岩引起。根据地质资料，解释为下白垩统（K1）；

第六电性层：反演视电阻率大于80 Ω·m 的高阻层，其顶板埋深在标高-1 000～-1 200 m 之间，解译为石炭-二叠系变质岩、前古生代变质岩或花岗岩基底。

F1断裂至剖面末端，该段表现为5 层结构：高阻的第四系、中阻的砂岩和高阻的基底。

第一电性层：反演视电阻率值为65～250 Ω·m的高阻层，横向展布较为稳定，厚度平均在30 m左右，该层由NW 向SE 逐渐变薄，基本与表层第四系（Q）干燥的风成沙、砂砾石、冲洪积物相对应。

第二电性层：反演视电阻率值为12～47 Ω·m中阻层，横向展布均匀稳定，平均厚度大约在100 m左右，该层由NW 向SE逐渐变薄。推断该中阻层是由泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩、粉砂岩及砂砾岩引起。根据地质资料，解释为上白垩统四方台组（K2s）、嫩江组（K2n）；

第三电性层：反演视电阻率12～57 Ω·m 中阻层，分布连续稳定，厚度在500 m 左右，反映以中细砂、粗砂、砂质砾岩互层为主的沉积层，推断此中阻层由砂岩引起。根据地质资料，解释为上白垩统姚家组（K2y）、青山口组（K2qn）、泉头组（K2q）；

第四电性层：反演视电阻率57～80 Ω·m 中高阻层，横向展布连续稳定，厚度平均在400 m 左右，反映为以粗砂、含砾石层为主夹薄层泥岩、粉砂岩的沉积层，推断此中高阻层由砂砾岩引起。根据地质资料，解释为下白垩统（K1）地层；

第五电性层：反演视电阻率大于80 Ω·m 的高阻层，其顶板埋深在标高-600～-1000 m 左右，向北西方向倾伏，解译为石炭-二叠系（C-P）变质岩、前古生代变质岩或花岗岩基底。

图5 为施工的钻孔成果资料，结合图3 中钻孔的位置，ZK曼2-4位于T1线平距6 km处，ZK曼2-2 位于T1 线平距15 km 处附近，钻孔ZK 曼2-5位于测线的北西侧，ZK曼2-1位于测线的南东侧，ZK 曼2-5 和ZK 曼2-1 可以更好地了解测线两边地层的延伸分布情况。

图5 松辽盆地八仙筒地区施工钻孔成果Fig.5 The results of drilling in Baxiantong area of Songliao Basin

图5可知，ZK曼2-4在400m以下揭露到了姚家组的辫状河相砂体、ZK 曼2-2 在120 m以下揭露到了辫状河相砂体。砂体呈北西向展布，砂体含砂率为70%～90%，岩性以砖红、褐黄、灰色中、细砂岩为主，砂体渗透性好、成层性好，为本区有利的成矿砂体。钻探验证结果与CSAMT 法反演结果基本一致，只是个别层位与CSAMT 方法反演成果略有偏差，可能与数据处理过程中个别参数选择不当或其他因素有关，但是总体反映了该地段的地电特征。

4 结论

通过2.5D 正演模拟技术的理论验证和CSAMT 方法在该地区的实际应用及钻探验证，表明CSAMT 方法在该地区进行砂岩型铀矿的勘查是行之有效的。

1）正演模拟结果与设计模型基本吻合，从一定程度上验证了基于双二次插值的2.5 维CSAMT 正演模拟算法的正确性及可靠性。

2）通过建立八仙筒地区典型地电结构进行正演模拟响应研究，在理论上验证了应用CSAMT 方法探测该区目的层砂体及断裂的空间展布形态是可行的。

3）将CSAMT 方法在八仙筒地区的实际应用结果与钻探成果对比分析，认为CSAMT 方法对姚家组地层的砂体有很好的探测能力，反演结果基本与钻探结果一致，证实CSAMT 方法可以作为该地区砂岩型铀矿勘查的有效技术手段，在勘探前期可根据CSAMT 方法的优势，为砂岩型铀矿勘查评价工作提供依据和支撑，后期与地震方法结合起来进行解译，可以最大限度地反映出地下的真实地层结构。