地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探开发中的应用前景分析

程纪星，王德利，李子伟

（1.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；2.吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林 长春 130012）

地震勘探技术作为一种较为成熟的物探方法，已在石油天然气、煤和钾盐等资源勘探工作中广泛应用，其作用除了查明地层、岩性、构造等沉积环境条件外，还可以实现对找矿目标的直接预测，指导钻探工程部署。此外，在资源开采过程中地震勘探技术也可以发挥重要作用，可以对开采过程进行监测，指导生产。

20 世纪70 年代初期，地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探工作中开始了探索性试验研究，但真正地推广应用却是在2010 年之后。其作用主要是查明地层、岩性、构造等沉积环境，特别是沉积相、“泥-砂-泥”结构、砂体厚度等与铀成矿相关的环境条件。虽然地震勘探技术解决地质问题的能力较好，但受其应用成本高的制约，该技术在地浸砂岩型铀矿勘探工作中一直未能得到大范围地推广应用。本文希望通过对地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探开发中的应用前景分析，引领砂岩铀矿地震勘探技术的发展，推动地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探开发过程中的全面推广应用，促进地浸砂岩型铀矿勘探开发技术的进步。

1 地震勘探技术在石油和煤炭勘探开发中的应用

1.1 在石油勘探开发中的应用

地震勘探技术是石油勘探和开发中的关键技术之一，地震勘探技术的发展推动了石油的勘探和开发，而石油的勘探和开发促进了地震勘探技术的进一步发展。在石油勘探的早期，主要使用单次覆盖、手工偏移和手工构造成图等简单技术圈定构造，后随着多次覆盖技术和数字处理技术的应用，能够查明石油的成矿环境，如地层结构、目标层埋深、构造发育等。从20 世纪80 年代开始，三维地震勘探技术成为油气勘探领域的主要物探技术手段，通过叠前数据的多域、多属性处理、解释技术，实现勘探开发一体化的圈闭识别和油藏圈定，大幅度提升了复杂油藏的识别能力［1-2］。

进入21 世纪后，油气勘探的重点迅速向复杂构造、地层岩性、碳酸盐岩和非常规储层4 个领域转移，地震勘探技术得到了飞跃式的发展，主要表现在：①“两宽一高”（宽方位、宽频带和高密度）等高精度三维地震勘探采集技术+叠前深度偏移等处理技术成为老油区精细勘探、剩余油预测、提高采收率等方面的重要技术支撑，进一步提高了地层、岩性、断块油气藏、圈闭、薄储层和复杂地质体的识别精度［3-4］；②地震岩石属性反演技术的发展，进一步提高了成矿环境的研究水平，在测井资料的约束下划分出了目标层的砂-泥结构、沉积相特征；③储层地震预测技术得到了进一步优化和应用，能够精细描述岩性油气藏，精细预测碳酸盐岩缝洞型储层、生物礁滩储层和致密砂岩优质储层等［5］；④以岩石物理为核心的“甜点”预测技术，通过分析地层脆性、TOC（总有机碳）、地应力和裂缝等信息，综合预测油气甜点（油气富集的、具有开采价值的地区），实现了石油远景靶区的直接预测，极大提高了油气藏勘探的准确性［6-7］；⑤时移地震勘探技术解决了油田开发中的问题，用于寻找剩余油气分布；⑥微震压裂监测技术用于油田开发阶段，实时指导压裂施工，提高致密油气开发效益［8］；⑦随钻地震勘探技术提升了地层监测的时效性和准确性，降低了后续的勘探风险，便于进一步的勘探作业；⑧人工智能在地震构造解释、数据处理、地震相识别、储集层参数预测、属性反演等方面的应用，在保证准确率的前提下，极大地提高了地震勘探的效率［9］。

1.2 在煤炭勘探开发中的应用

我国煤炭地震勘探技术的发展有着近70年的历史，从无到有，从光点仪、模拟仪、数字仪到无线遥测仪，从折射到反射，从单次覆盖到多次覆盖，从二维到三维，从单波到多波，一路发展下来，技术方法越来越先进，解决的地质问题越来越精细。

在煤炭地震勘探的起步阶段，主要利用折射波法和单次覆盖反射波法在老矿区外围进行了扩大和延伸勘探，圈定煤田边界。后来，随着多次覆盖反射地震勘探技术和地震资料处理数字化技术的应用，提高了资料信噪比，获得的地震剖面能够直观的解释地质断面，解决煤田地质问题的能力得到了提高［10］。在20世纪80 年代，地震勘探设备实现了数字化，资料处理实现了系统化，地震成像技术从叠后到叠前、从时间域到深度域，成像精度不断提升，并逐渐形成了一套地震勘探和钻探等手段相结合的综合勘探方法，确认了反射波与煤层界面的对应关系，使得煤田地震解释的准确性和精确性有了质的飞跃，能够控制落差大于15 m的断层，控制煤层露头及煤层底板起伏情况。20 世纪90 年代，随着三维地震勘探技术的应用，地震成像技术发展也非常迅速，从二维发展到三维、从射线追踪到波动方程传播、从声波近似到弹性波方程，进一步提高了地震勘探的精度，同时地震勘探技术开始应用于采区，成为查明小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带、煤层变化的主要手段，一般二维地震勘探精度能够达到10 m，三维地震勘探精度能够达到3～5 m［10-11］。进入21 世纪后，高精度的三维地震勘探技术得到发展，能获得动态范围大、多分量、全方位、小面元、高覆盖次数的特高精度三维地震资料，成为煤炭资源精细探查和煤矿隐蔽致灾因素查探的关键技术［12-14］。此外，三维三分量地震勘探技术、微震探测技术、高精度地震散射波成像技术、多波多分量地震探测技术、矿井槽波地震探测技术等，也在煤炭资源的深部精细勘探和开采地质灾害监测与预警方面发挥了重要作用。同时地震解释技术也日趋人工智能化、可视化，综合利用地质、地震和测井资料，力求达到地震资料的最优解释。在未来的煤田地震勘探中，三维地震勘探技术将由单波段勘探向纵横波勘探发展，通过与多分量接收技术的结合，对比不同波的波速、旅行时、振幅，将煤田地震勘探由构造勘探转向岩性勘探，更系统地描述矿产资源。

2 地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中的应用

地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中的应用起步较晚，20 世纪70—90 年代，核工业部三所（现为核工业北京地质研究院）开展了地震浅层反射波法的试验研究，采用折射波法和单次覆盖反射波法等技术，结合手工解释，解决200 m 以浅的覆盖层厚度变化、控矿层位追索和盆地基底形态等地质问题［15-18］。在2000 年前后，采用多次覆盖技术和计算机数据处理技术解决500 m 以浅的构造和岩性问题，如利用地震层序学解释研究区地层展布和断裂构造；利用“三瞬”处理方法拾取大于20 m 厚度的砂岩；利用测井约束反演方法研究河道砂体的发育等［19-22］。自“十二五”后，地震勘探技术开始作为成熟的方法应用于地浸砂岩型铀矿勘探，系统解决1 000 m 以浅的地层、断裂、岩性、岩相等铀成矿环境问题［23-30］，如采用高分辨率地震数据处理技术提升资料成像精度；采用波阻抗反演技术实现地层岩性解释，获取地层物性参数信息；采用属性分析技术研究古河道、沉积相等成矿环境信息等。近几年，三维地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中开展了探索性研究，进一步提高了解决地浸砂岩型铀矿地质问题的能力，如利用三维地震精细解释技术查明5 m 以上断距的断层；利用拟声波地震反演技术识别“泥-砂-泥”结构，分辨率可达5 m；利用地震属性分析技术预测地浸砂岩型铀矿成矿有利区；利用叠前反演技术和岩石物理技术查明地层的物性参数分布和弹性参数分布等。前人已有很多文献详细介绍了地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中的应用，本文在此仅以二连盆地为例简要说明在地浸砂岩型铀矿勘探中通常所应用到的地震勘探技术及其解决的地质问题。

2.1 推断地层结构与断裂构造

图1 为采用“自适应面波衰减+砂体弱信息恢复+高精度速度分析+稀疏反褶积提频+复杂地段叠前时间偏移成像”的地震数据高分辨率处理技术得到的二维地震剖面解释结果，清晰地反映出了沉积地层和断裂构造发育情况。由图1 可见，浅部反射层稳定发育，自下而上解释了阿拉善组（T5）、腾格尔组（T4）、赛汉组（T3）、赛汉组上段（T2）和二连组（T1）的底界面；深部反射层区块特征明显，在剖面约15 km 处存在明显的顶削、尖灭等现象，表现为赛汉组上段与下伏地层的不整合接触关系；在剖面约3 km、7 km、10 km、13 km 及18 km 处推断有断裂构造发育，这些构造大都属于基底构造，很少上穿赛汉组上段地层；剖面上基底深度表现为两侧浅，中间深的凹状，南东端基底深度约500 m，北西端为450 m，中间最深处约1 000 m。赛汉组是二连盆地最为重要的铀成矿目的层，该地层的解释解决了铀成矿目标层的探测问题。此外，解释的断裂构造和基底深度变化为铀成矿环境的研究提供了重要依据，因为这些地质要素是研究铀成矿环境的重要条件。

图1 二连盆地某地区二维地震剖面解释结果Fig.1 Interpretation results of 2-D seismic profile in an area of Erlian Basin

2.2 识别砂体

砂体是地浸砂岩型铀矿赋存的主要空间，是研究地浸砂岩型铀矿成矿环境不可或缺的地质要素，因此砂体的识别在地浸砂岩型铀矿勘探中至关重要。图2 为二连盆地某地区赛汉组岩性解释结果，采用了“拟声波曲线构建+基于模型波阻抗反演+岩石物理分析”的地震波阻抗反演技术，该结果清晰地反映了赛汉组砂-泥岩的发育和分布情况。由图2 可见，赛汉组总体表现为西北厚、东南薄的特点，砂岩在赛汉组的底部有连续稳定的发育，但在浅部则变化较大。其中，在剖面0～20 km范围浅部地层主要以泥岩为主；在剖面25～40 km 范围砂体最为发育，在多个深度处发育有砂体，特别是在150～250 m 深度处，发育的砂体厚度最大；在剖面40～60 km 范围多为泥岩沉积，仅有一层厚度约30 m 的连续砂体发育。相比较而言，剖面25～40 km 范围砂体最发育，是形成地浸砂岩型铀矿较为有利的区域。

图2 二连盆地某地区地震剖面的赛汉组岩性解释结果Fig.2 Lithology interpretation results of Saihan Formation in a seismic section in Erlian Basin

2.3 推测沉积相变化

图3为利用地震资料推测的二连盆地中部赛汉组上段沉积相，采用了“精细井震标定+岩石物理分析+属性提取分析”的地震相分析技术，共划分出了冲积扇相、三角洲相、河流相和湖泊相等四类沉积相，其中河流相又划分出河道亚相和泛滥平原亚相两类沉积亚相，湖泊相又划分出浅湖亚相和深湖亚相。由图3可见，冲积扇相主要分布在赛罕高毕地区，在盆地东北部的马尼特牧场有小范围发育；三角洲相主要分布在那仁宝力格以东的盆地东北部，在齐哈日格图以北的西南端也有局部发育；湖泊相紧邻三角洲相分布，范围相对较小，其中浅湖亚相在齐哈日格图以北和额尔登高毕地区发育，深湖亚相仅在额尔登高毕以东地区小范围发育；河流相分布最为广泛，分布在伊和图-齐哈日格图-赛汉高毕-达日罕塔拉-那仁宝力格一带，以泛滥平原亚相为主，其中发育北东向的河道亚相。据二连盆地中部砂岩型铀矿成矿规律认识［31］，铀矿床的定位受河道沉积微相控制，铀矿体主要形成于河道亚相中的沉积砂岩层中，所以从二连盆地中部赛汉组上段沉积相的总体分布特征看，伊和图-齐哈日格图-赛汉高毕-达日罕塔拉-那仁宝力格一带的河道亚相发育区域，是以赛汉组上段为目标层的地浸砂岩型铀矿勘探的有利远景区。

图3 二连盆地中部赛汉组上段沉积相分布图Fig.3 Sedimentary facies distribution of the upper member of Saihan Formation in the middle of Erlian Basin

3 地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探开发中的应用前景分析

虽然地震勘探技术已经在地浸砂岩型铀矿勘探中推广应用，但对比其在石油和煤炭勘探开发中的应用，其作用远未得到充分发挥。对比石油、煤和砂岩型铀矿三种矿产资源，虽然在成矿条件和控矿因素上各有其特点，但在应用地震勘探技术解决地质问题方面却有着诸多共同点。正因如此，下面以石油和煤炭勘探开发中地震勘探技术的应用经验，结合地浸砂岩型铀矿特征，分析一下地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探开发中可能起到的作用，进而推动砂岩型铀矿地震勘探技术的发展和推广应用。

3.1 地浸砂岩型铀矿勘探中地震勘探技术的应用前景

对于地浸砂岩型铀矿而言，其主要特征有以下几点：

1）矿体主要位于砂岩中；

2）砂岩成岩度不高、相对较为疏松、具有一定渗透性；

3）上下顶底板一般为泥岩，呈“泥-砂-泥”结构，具有隔水层；

4）在γ 测井曲线上表现为高值异常，异常值通常为本底的10 倍以上。

除此以外，形成地浸砂岩型铀矿的成矿环境还包括构造、沉积相和氧化-还原的地球化学条件等。目前，地震勘探技术主要应用于地浸砂岩型铀矿勘探的区域地质调查和普查阶段，针对的是形成地浸砂岩型铀矿的成矿环境，即查明成矿环境，包括地层、岩性、构造、沉积相、“泥-砂-泥”结构、砂体厚度等与铀成矿相关的环境条件，从而为后续成矿地质环境的研究、远景预测和钻探工程部署提供依据。这些作用已在前面予以实例说明，下面重点分析一下在成矿远景直接预测和资源储量估算中可能起到的作用。

3.1.1 成矿远景直接预测

在石油勘探中，地震“甜点”预测技术已经相对成熟，并且可以实现对石油远景靶区的直接预测。那么能不能借鉴这一技术思路，利用地震勘探技术实现对地浸砂岩型铀矿的直接预测呢？从目前已开展的一些探索性研究成果看［32-34］，这个想法基本可以实现。其技术思路是先利用地震岩石属性反演技术解释出目标层的砂体，即利用采集的砂岩型铀矿地震勘探数据，结合电阻率、声波、密度等测井资料实施井震约束反演，提取出目标层位的砂体。然后，再利用γ 测井资料实施井震约束反演，提取放射性异常属性特征。最后，将提取的砂体信息与放射性异常信息叠合，从而筛选出在砂体内含有放射性异常的范围，即为预测的地浸砂岩型铀矿远景靶区。

在实施上述技术方法时应特别注意，γ测井资料最好使用地浸砂岩型铀矿勘探的γ测井数据，而不是自然伽马测井数据，如果没有前者，后者作为替代使用也可，但效果不如前者。因为前者含量测量范围为0%eU～5%eU，灵敏阈值达到0.001%eU，针对的主要是放射性元素衰变产生的信息；而后者含量测量范围为0%eU～0.01%eU，灵敏阈值达到0.000 1%eU，反映更多的是岩性特征［35］。

3.1.2 铀矿资源储量估算

根据地浸砂岩型铀矿资源/储量估算指南［36］，铀矿体的圈定主要依据矿体特征、控制程度和所选择的资源储量估算方法确定矿体外推的形式和距离。一般见矿工程与矿化工程之间按基本勘查工程间距的1/2 平推，见矿工程与无矿工程之间按基本勘查工程间距的1/4 平推；若工程间距大于或者小于基本勘查工程间距，应分别按基本间距或实际间距的1/2 或1/4 平推。当矿体在走向、倾向或其中之一方向无工程控制时，则可按相应资源储量类型所要求的基本勘查工程间距的1/4 进行平推。由此可见，在地浸砂岩型铀矿的资源储量估算中必然存在着误差，因为矿体的边界不准，仅仅是根据已知钻孔人为规定外推的距离。也就是说，如果能够有效确定矿体的边界范围，那么在估算地浸砂岩型铀矿资源量时就可以减小其中的误差。

假设砂岩型铀矿的放射性异常均来自铀，而没有钍异常的话，那么使用铀矿勘探中的γ 测井数据作为反演参数，依据砂岩型铀矿地震勘探数据的井震约束反演后得到的放射性异常属性就具有铀含量的概念，并且可以解释出含矿层的范围、厚度和含量的变化，那么在资源储量估算时就可以使用这些具体数据，而不再是采用外推方法确定矿体边界了。与传统计算方法相比，井震约束反演技术获得具体参数数值计算出来的资源储量将会更精准一些。

3.2 地浸砂岩型铀矿开发中地震勘探技术的应用前景

在地浸矿山开发的设计与开采阶段地震勘探技术同样能够发挥重要作用，只是由于缺少必要的研究，致使其作用在以往工作中未能得到充分展现。下面借鉴煤炭和石油开采过程中地震勘探技术的应用经验分析一下其在地浸砂岩型铀矿开发中的应用前景。

1）地浸矿山开发设计：借鉴煤矿山开发过程中局部构造及陷落柱探测的地震勘探技术，应用其在地浸矿山开发设计前查明矿区内地层的变化与局部构造发育情况，同时利用岩石属性反演技术查明矿体的连续性、厚度变化及边界范围，进而为地浸矿山抽注钻孔的设计提供依据。

2）地浸矿山精准开发：借鉴石油开发过程中的四维或者时移地震监测技术，查明地浸矿山开发过程中地浸液的空间分布范围，通过对比已知矿体的位置及范围了解哪些矿段未被开发，进而为补充注液井或者抽液井的设计提供依据，避免资源的浪费，实现地浸矿山的精准开发。

3）地浸矿山退役治理：在地浸矿山开发完成进入退役治理时，借鉴石油地震监测技术查明地浸液空间分布范围，为地浸矿山的退役治理提供依据。建议在地浸矿山开发期间不定期实施四维或者时移地震勘探，而后通过前后对比得到较为精准的地浸液空间分布范围。

3.3 地浸砂岩型铀矿勘探开发中地震勘探工作部署建议

3.3.1 勘探阶段地震勘探工作部署建议

虽然地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中有着不可替代的作用，但因为成本的因素，所以在地浸砂岩型铀矿勘探过程中，地震勘探工作的部署应以地质目的不同而不同，不是都需要精准地获取地质信息。为此，根据地浸砂岩型铀矿勘探的不同阶段及其相应的地质任务，在考虑地震勘探成本的前提下提出如下工作部署建议（图4）：

图4 砂岩铀矿地震勘探工作部署图Fig.4 Deployment plan of seismic exploration for sandstone uranium deposit

1）区域地质调查阶段：此时地质目标要求相对较低，只是大致查明研究区内地层、构造和砂体情况，所以地震勘探工作一般只需要部署以剖面为主的二维地震勘探即可。

2）普查阶段：此时的地质任务是基本查明研究区内地层、构造、砂体以及古河道情况，特别是其平面展布特征。这时的地震勘探工作部署取决于经费情况，如果经费较为紧张，则采用多剖面的二维地震勘探；如果经费较为充裕，则采用大面元的三维地震勘探。如果考虑利用地震勘探技术实现成矿预测，则建议采用大面元的三维地震勘探为宜。

3）详查阶段：此时地质目标要求较高，任务是准确查明地层的精细结构（地层、构造）及其横向变化，特别是薄层砂泥结构及其变化，一般要求在钻孔约束下砂体的分辨厚度10 m以下。考虑到成本因素建议地震勘探工作选择在重点工作区内开展小面元的三维地震勘探，而不是在工作区内全面部署三维地震勘探工作。

4）勘探阶段：此时地质任务是准确查明矿体的连续性和提高储量估算的准确性。由于地质目标要求较高，并且工作区已经锁定在较小的范围内，所以建议开展高分辨率三维地震勘探。

3.3.2 开发阶段地震勘探工作部署建议

由于地浸矿山的设计和开采阶段对地质目标体的精度要求非常高，所以在地浸砂岩型铀矿开发阶段地震勘探工作均以开展高分辨率三维地震勘探为宜。

1）地浸矿山开发设计阶段：其地质任务是要准确查明矿体的连续性、地层的稳定性和局部构造的发育情况。由于此时目标任务要求较高，所以建议开展高分辨率三维地震勘探。如果在勘探阶段已经开展了高分辨率三维地震勘探工作，则在地浸矿山开发设计阶段直接使用相关资料即可，不用重复相关工作。

2）地浸矿山精准开发阶段：其地质任务是准确查明地浸液的空间分布范围。此时需要开展四维或者时移地震勘探，即以勘探阶段或者矿山开发设计阶段的三维地震勘探资料为背景，根据需要在矿山开采的不同时期以相同的观测系统重复开展三维地震勘探工作，从而通过对比获取到不同时期地浸液的空间分布范围信息。

在此特别说明的是，如果在地浸矿山开发阶段应用地震勘探技术查明了地浸液空间分布范围，其作用不仅仅是有助于矿山的精准开发，它还隐含着另外一个作用，就是为后续地浸矿山的退役治理提供依据。

4 结论

1）地震勘探技术在地浸砂岩型铀矿勘探中除了用于查明成矿环境外，还可以在成矿远景预测和资源储量估算方面发挥重要作用，可以在地浸砂岩型铀矿勘探的区域地质调查、普查、详查和勘探的各个阶段中发挥作用。

2）地震勘探技术可以在铀矿山地浸开采的设计和开采过程中解决局部小构造的发育、地层的起伏变化、矿体的连续性以及地浸液的分布范围等问题，从而为铀矿地浸开采中抽注钻孔的设计提供依据，为实现矿山的精准开发提供技术支撑。

3）地震勘探技术可以通过对地浸液分布范围的监测，为后续地浸矿山的退役治理提供必要依据。

4）在地浸砂岩型铀矿勘探的区域地质调查阶段适宜部署以剖面为主的二维地震勘探工作，在普查阶段部署多剖面的二维地震勘探或者大面元的三维地震勘探工作，在详查阶段应在重点工作区内部署小面元的三维地震勘探工作，在勘探阶段部署高分辨率三维地震勘探工作，在地浸矿山开发时则应采用高分辨率三维地震勘探工作。