AMT在陕西华阳川地区硬岩型铀矿勘查中的应用

李 波，王 朋，冉军林，刘宽宏，姚惠明

中陕核工业集团二一四大队有限公司，西安 710000

陕西省华阳川地区硬岩型铀矿位于华北地块与秦岭造山带接触部位的小秦岭构造带。自1957年被发现以来，埋藏较浅和规模较大的铀矿床大部分已被探明，目前在该地区进行攻深找盲、外围扩大型勘查方面进展缓慢（李强等，2013；惠小朝等，2016）。主要原因在于该矿床具有“规模大、品味低”的特征（高成等，2015, 2017；Xue et al., 2018），从而使常规铀矿勘查的技术方法在该地区难以发挥理想的效果（陈金勇等，2017；冯乔等，2016；张丽等，2018）。前人研究成果显示，硬岩型铀矿与构造断裂、岩体、脉体等关系密切，铀矿体常产于大型构造破碎带内（王洪作等，2016；刘祜等，2011；叶永钦等，2017；张玉燕等，2012），这为在华阳川地区寻找硬岩型铀矿提供了可行的研究思路：通过寻找与硬岩型铀矿成矿相关的构造破碎带来间接的达到寻找铀矿体的目的。

地球物理探测方法作为勘查地下矿产、研究地质构造的“先行军”，一直发挥着不可替代的巨大作用（林建勇等，2020；付光明等，2019）。其中，音频大地电磁测深法（Audio-frequency Magnetotellurics, AMT）作为一种有效的地球物理手段，由于其探测深度大，能穿透高阻层，对地下浅部介质分辨率高的特点，被广泛应用于矿产资源勘查领域，特别是在寻找构造破碎带方面有着较好的应用效果（郝书东等，2016；曹积飞等，2011）。此外，AMT数据采集仪器设备轻便，野外数据采集工作效率高，非常适合在地理环境复杂、地形起伏高差较大的华阳川地区使用。综上所述，选定了AMT作为本次研究的地球物理方法。

1 研究区地质概况及地球物理特征

1.1 研究区地质概况

华阳川地区位于华北地块南缘（冲褶带）太华断隆，是秦岭造山带北部边缘的重要组成部分，东起河南灵宝—朱阳盆地西北边缘，西至陕西老牛山，南以小河断裂带为界，北以近东西向的太要断裂带为界，经历了非常复杂的岩浆构造演化和变质作用（高成等，2017；张兴康等，2015；Song et al.，2015；Xu et al.，2010）。研究区位于小河—华阳川断裂带与青岗坪—金堆城断裂带的交汇部位，如图1所示。

研究区内与铀成矿相关的地层主要为太古代太华群片麻岩套，总体展布呈北西西向。岩石局部有强烈的混合岩化，包括武家坪片麻岩、侯家村片麻岩、马驹峪片麻岩和大月坪片麻岩（图2），岩性主要以英云闪长质的片麻岩为主，包括黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、含辉石角闪斜长片麻岩以及花岗片麻岩。大月坪花岗片麻岩和武家坪黑云角闪斜长片麻岩是主要的赋矿围岩。与铀成矿相关的主要断裂构造为华阳川断裂带，在本区表现为宽大的脆—韧性断裂带，次级断裂发育，形成了北西—南东向断裂、裂隙密集带，裂隙多被不同类型的脉岩、矿脉充填。前人研究表明华阳川韧性剪切带具有逆冲兼左行走滑的斜冲特征， 其形成于417~419 Ma 左右的秦岭加里东事件（郭威等，2008）。出露的岩浆岩有太古代变质侵入岩、元古代小河岩体、白垩纪—侏罗纪的华山岩体和老牛山岩体以及各类脉岩（齐秋菊等，2012；郭波等，2009）。

1.2 工作区地球物理特征

本次研究对全部AMT测点进行了首支视电阻率统计，统计结果见表1。从表中可以看出，第四系、片麻岩、花岗岩之间存在明显的电阻率差异，这为AMT 方法的研究提供了地球物理前提。

2 方法研究与试验

为了验证AMT方法的有效性，在研究区内已探明铀矿体的位置由北至南分别布置了2条AMT试验剖面Z2、Z3，两条剖面的布设位置与已知地质剖面位置重合，如图2所示。试验目的是探测容矿构造破碎带的位置、规模、产状及两侧岩体的展布。

本次研究工作中，AMT数据采集使用的仪器是加拿大凤凰公司生产的MTU-5A以及MTU-2EA大地电磁仪，工作频率为1~104Hz，数据采集了Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五个分量。其中Hz也称为倾子，其实质是垂向磁场与水平磁场的复数比值，该参数被用来反映地下介质导电性的横向变化（Parkinson，1959），能够有效反映断裂、破碎带等构造特征（田郁等，2018；陈小斌等，2005）。通过采集试验确定的采集参数为：采集时间60 min，电极距30 m，点距50 m。实际数据采集工作中，为了最大程度上规避穿过工作区的高压线、公路以及公路边上的居民点带来的人文干扰。距离高压线、公路、居民点较近的测点采用电道2分量观测，其磁道的3个分量选择与其同步观测且距离高压线较远测点的数据，以降低人文干扰对数据质量的影响。在数据处理过程中，利用了远参考和互参考技术来压制噪声。

AMT资料处理采用的反演方法是非线性共轭梯度法。蔡军涛等（2010）通过研究发现在对三维模型生成的大地电磁测深数据进行二维反演时，TE模式的数据非常容易受到三维电性异常体畸变效应的影响，并且TE模式对模型的二维的近似程度要远远高于TM模式。相比之下，TM模式数据受三维畸变效应的影响较小，能够更准确地反映出沿剖面方向电性体分布的几何形态，更适合用来进行二维反演。此外，TM模式对地下介质中高阻体的识别要好于TE模式。当TE模式的数据受到三维异常体的影响比较严重时，通常会采用TM模式或者TM-Hz模式的数据进行二维反演。本次研究对2条剖面数据采用了6种不同的极化模式组合（TE、TM、TE-TM、TE-Hz、TM-Hz、TE-TM-Hz）并配合不同的参数进行反演。以Z2剖面为例（图3，4），图中蓝色表示电阻率低的区域，红色表示电阻率高的区域。从图中可以看出，带有TE模式的反演结果视电阻率相对偏低，且在深部出现了很多低阻区域，结合地质资料分析发现这与华阳川地区的地质特征不符。没有TE模式的反演结果则比较准确的反映出了工作区的电性结构特征。图4是Z2线AMT剖面反演成果与地质剖面的对比图，相较于图3中TM模式的反演结果，TM+Hz模式的反演结果不但反映了构造破碎带（容矿空间）的位置和规模，而且还准确的反映出其产状，图5为Z3剖面的TM+Hz模式反演结果与对应地质剖面的对比成果图，AMT反演结果同样准确的反映了剖面经过区域构造破碎带（容矿空间）的位置、规模和产状。上述反演结果表明倾子数据对约束华阳川地区AMT反演模型中构造破碎带的产状起到了至关重要的作用。

图3 Z2线AMT剖面多极化模式反演结果对比图Fig.3 Comparison of inversion results of multipolarization model in AMT profiles along the Z2 line

图4 Z2线AMT剖面反演结果与地质剖面综合成果图Fig.4 Integrated profile of the cross section and the inversion results of AMT along the Z2 lines

图5 Z3线AMT剖面反演结果与地质剖面综合成果图Fig.5 Integrated profile of the cross section and the inversion results of AMT along the Z3 line

从图4和图5可以明显看出，两条剖面所反映的研究区电阻率整体变化特征是较为一致的。电阻率断面大体表现为华阳川断裂带南界以南地区以深部高阻和浅部低阻为主要特征。根据当地物性资料和地质资料分析，深部高阻体应为老牛山岩体的花岗岩基底，浅部的低阻主要为第四系及破碎岩体的混杂物；电阻率断面较清晰地反映了花岗岩基底的起伏形态以及上覆盖层的厚度。华阳川断裂带的电阻率特征表现得较为破碎，区域内存在特征明显的低阻区域。

3 应用实例

在华阳川的外围地区布置了1条4 km长的AMT剖面Z1，点距50 m，剖面位置如图2所示，其目的是探测出该区域断裂构造的分布、岩体展布特征等，评价该地区是否存在潜在的铀成矿空间。从综合成果（图6）可以明显看出，电阻率断面整体变化特征与Z2、Z3两条剖面所反映的情况较为一致，大体表现为华阳川断裂带南界以南地区以深部高阻和浅部低阻为主要特征，华阳川断裂带的电阻率特征表现得较为破碎。在华阳川断裂带区域内存在2处相对低阻区域A1和A2。其中，A1区域的伽马能谱值较高，A2区域的伽马能谱值较低。根据当地的地质资料分析，只有A1所反映的构造破碎带与试验剖面Z2、Z3所反映的体现铀成矿的构造破碎带在同一套地层太华岩群内。综上所述，A1是潜在的利于铀成矿的区域，A2区域铀成矿的概率不高。

图6 Z1线AMT剖面反演结果与伽马测量曲线、地质剖面综合成果图Fig.6 Integrated profile of the cross section and the inversion results of AMT along the Z1 line,gamma ray survey curve and geological section

4 结论

AMT方法探测深度大，垂向分辨率高，在华阳川硬岩地区能够准确地探测出构造破碎带的规模、产状以及两侧岩体的规模、展布等。利用此方法能够较好的解决华阳川地区硬岩型铀矿攻深找盲、外围探测的地质难题，为新一轮华阳川地区铀矿勘查提供有力的技术方法。

本次研究结果表明，磁场垂向分量Hz在约束华阳川地区构造破碎带产状方面效果明显，建议在类似华阳川这种地质特征复杂的地区开展AMT工作时采用五分量测量，以获得更准确的地球物理成果。同时，为了提高成果的精度，建议在使用AMT方法时采用小点距（不超过50 m）测量方式，精准观测与成矿相关的断裂、破碎带等地质信息。采用带地形反演和静校正方法降低非地质因素对AMT方法的干扰。