综合物探在吐哈盆地东部矿产勘查中的应用研究

2022-07-26汪来孟锐杨冰彬刘治国陈鹏

矿产勘查 2022年5期

汪来，孟锐，杨冰彬，刘治国，陈鹏

(1.核工业航测遥感中心，河北石家庄 050002； 2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北石家庄 050002；3.中核集团铀资源地球物理勘查技术重点实验室，河北石家庄 050002； 4.核工业二○三研究所，陕西咸阳 712000)

0 引言

吐哈盆地是新疆三大含油气盆地之一，也是西北地区重要的铀成矿基地。中侏罗统西山窑组既是盆地主要赋煤地层，也是层间氧化带砂岩铀矿的主要成矿层。盆地内大部分为第四系砾石层覆盖的戈壁地貌，对地质找矿存在一定难度，通过地球物理方法研究分析找矿目标层中侏罗统西山窑组的发育情况及展布特征，对后期找矿工作布置具有重要的指导作用。本文依托于中国核工业地质局2020年度基础地质调查项目，对盆地东部地区重力及可控源音频大地电磁测量(CSAMT)资料进行了分析研究，结合物性参数及地质资料对中侏罗统西山窑组的分布、埋深及厚度进行了推断。经过与钻探资料的对比分析，结果表明重力与CSAMT相结合的综合物探能够有效探测找矿目标层中侏罗统西山窑组的分布范围、埋深及厚度，为该区找铀找煤工作提供依据。

1 地质背景

吐哈盆地夹持于觉罗塔格山脉与博格达—哈尔里克山脉之间，是一个呈东西向延长且封闭的陆相盆地。从构造上，吐哈盆地可进一步划分为吐鲁番坳陷、了墩隆起和哈密坳陷带三个次级构造单元(陈蟒蛟，1993；陶明信，2010；宋传会，2012；郭宏等，2016；张鑫和聂逢君，2019)。吐哈盆地是由博格达山和觉罗塔格山构造带多期构造活动作用形成的叠合盆地(荐军，2001)。盆地基底是由前寒武系结晶基底和古生界褶皱基底组成，具有二元结构特征。结晶基底岩性主要为结晶片岩、变粒岩、片麻岩、大理岩和各种混合岩等，褶皱基底主要为海相碎屑岩、硅质岩及中酸性火山岩等(赵文智等，1992；姚春玲等，2014；苟红光等，2019；王国灿等，2020；李成明等，2021)。盆地盖层为中、新生界陆相碎屑岩。

研究区位于吐哈盆地东部哈密坳陷，处于更次级构造单元黄田凸起，中、新生界主要发育侏罗系、古近系、新近系，缺失白垩系、上侏罗统及中侏罗统上部部分层位(沈守文等，2000；乔海明等，2006；唐柯，2018)。地表为大片第四系砂、砾石覆盖，在长流水地段为新近系上新统葡萄沟组覆盖，为一套干旱气候条件下沉积的红色泥岩夹薄层砂岩(刘治国等，2017；李玉坤和李广，2019)。在局部地段少量出露渐新统—中新统桃树园组，为一套紫红色泥岩，底部为灰白色钙质泥岩。目标层中侏罗统西山窑组以辫状河、辫状河三角洲相沉积的灰、浅灰色泥岩、煤层，黄、灰色砂岩、含砾砂岩为主，沉积旋回底部常见砾岩(赵晓东等，2013；蔡旭森，2018；李靖和秦荣芳，2018；王腾等，2020)。

2 地层密度与岩石电阻率特征

分别对吐哈盆地主要地层密度差异及岩石的电阻率性质进行了统计分析。

根据研究区主要地层单元对地层密度的统计结果(表1)，按照研究尺度及经典理论密度层≥0.1 g/cm3的分层原则，大致可划分四个密度层、三个密度界面(刘武生等，2010)。第一密度层为第四系，平均密度值为1.79 g/cm3；第二密度层为古近系—新近系，平均密度值2.07 g/cm3；第三密度层为侏罗系，平均密度值2.62 g/cm3；第四密度层为古生界及前古生界，密度值2.70 g/cm3。第一与第二密度层形成0.28 g/cm3的密度界面；第二与第三密度层之间存在0.55 g/cm3的密度界面；第三与第四密度层的密度界面差在0.08～0.31 g/cm3。可以得出：中新生界沉积地层一般具有较低的密度，且各地层之间密度相差较大；古生界及前古生界地层较中新生界具有密度高、变化小的特点，与其固结度高对应，且具有分布广、厚度大、区域连续的特点，是引起区域重力异常及变化的主要因素。

图1 吐哈盆地构造位置图(a)及东部地区地质图(b)(据刘治国等，2019修改)1—第四系；2—上新统葡萄沟组；3—渐新统—中新统桃树园组；4—中侏罗统西山窑组；5—上石炭统；6—下石炭统；7—中泥盆统；8—下泥盆统；9—华力西中期花岗岩；10—华力西中期闪长岩；11—地质界线；12—不整合接触界线；13—实测及推测断层；14—盆地一级构造单元界线；15—钻孔位置及编号；16—CSAMT测线及编号；17—居民点；18—研究区范围

表1 研究区地层密度统计表

根据研究区钻探岩芯标本测得的电阻率结果(表2)，可以看出中新生界盖层与古生界基底电性差异明显。古近系以泥岩、砂质泥岩为主，电阻率一般介于12～21 Ω·m，呈低阻特征。找矿目标层中侏罗统西山窑组主要为砂岩、含砾砂岩、碳质泥岩夹煤层。碳质泥岩电阻率介于33～51 Ω·m，砂岩电阻率介于25～105 Ω·m，含砾砂岩电阻率介于50～150 Ω·m(汪来和陈鹏，2020)。由西山窑组的三类主要岩性电阻率统计结果可以看出，西山窑组较古近系、新近系的电阻率偏高。钻孔揭露到古生界基底主要为石炭系，以凝灰岩为主，标本电阻率介于110～215 Ω·m，电阻率明显高于中、新生界盖层。

表2 研究区钻孔岩芯标本电阻率统计表

再根据研究区钻孔ZKY388-1的井中电阻率测量结果(图2)，第四系厚44 m，电阻率16～232 Ω·m，变化较大，测井电阻率曲线显示从近地表至深部电阻率逐渐降低，浅部为高阻特征。葡萄沟组、桃树园组以泥岩为主，夹砂岩，电阻率11～39 Ω·m，测井曲线显示电阻率相对较低。西山窑组砂体较发育，电阻率7～232 Ω·m，变化较大，测井曲线显示西山窑组较上覆古近系—新近系电阻率明显偏高。岩芯标本及井中电阻率测量结果均反映出研究区电性结构特征为：高阻(第四系)—低阻(古近系、新近系)—中高阻(侏罗系)—高阻(古生界基底)。

3 物探异常与目标层空间展布特征分析

3.1 物探异常特征

图3、图4分别为研究区1∶50万布格重力异常及剩余重力异常图。可以看出，研究区重力异常大部分呈近东西向展布，仅北西局部低重力异常呈南北向展布。根据前述地层密度参数特征，研究区布格重力异常大致反映了前侏罗纪基底的起伏形态。根据前人对盆地构造单元划分结果，研究区均处于黄田凸起，由重力异常图认为在黄田凸起还发育更次级洼陷，以北西部呈近南北向展布的次级洼陷范围最大，发育的中、新界地层最厚。其次为长流水洼陷，位于CSAMT测量L01与L02线南段。在骆驼圈子及以东地段，呈近东西向分布有3个规模更小的次级洼陷。剩余重力异常图中低异常较布格重力异常图中低异常的范围更宽，反映出新生界地层较中生界地层的分布更广泛。

图2 钻孔ZKY388-1测井电阻率曲线1—第四系；2—上新统葡萄沟组；3—渐新统—中新统桃树园组；4—中侏罗统西山窑组；5—砂体；6—测井电阻率曲线

图3 研究区布格重力异常图1—CSAMT测线及编号；2—钻孔位置及编号；3—研究区范围

图4 研究区剩余重力异常图1—CSAMT测线及编号；2—钻孔位置及编号；3—研究区范围

CSAMT测量的二维反演结果进一步反映了基底起伏形态及盖层结构。L01线反演电阻率断面图反映了研究区西部电性结构特征，可以看出基底呈“两洼一凸一斜坡带”构造格局，对应的布格重力异常曲线呈“W”型(图5)。

反演电阻率断面图0～9 km段高阻体，为前侏罗纪地层及岩体的综合反映，对应高重力异常。9～23 km段高阻基底埋深较大，对应低重力异常，为长流水洼陷的反映，中、新生界地层厚度大。23～35 km 段基底较浅，对应高重力异常。35～41 km段低阻盖层厚度较大，为骆驼圈子洼陷地段，对应低重力异常。41～75 km反演电阻率断面图中深部高阻电性层向北缓慢抬升，对应的布格重力值也呈缓慢增高的趋势，反映了该地段为斜坡带。

图5 L01线综合物探剖面图a—L01线布格重力异常剖面；b—L01线CSAMT反演电阻率断面图

L02线反演电阻率断面图反映出研究区中部基底为“两洼一凸”的形态，对应的布格重力异常曲线与L01线一致，呈“W”型(图6)。

1～3 km高阻基底埋深较浅，呈高重力异常。3～21 km段高阻基底埋深较大，对应为低重力异常，为长流水洼陷的反映，中、新生界盖层厚度较大。21～32 km高阻基底埋深较浅，同时为高重力异常，为隐伏凸起的反映。以35 km处为中心的深基底区为庙尔沟洼陷的反映，也与低重力异常对应。

图6 L02线综合物探剖面图a—L02线布格重力异常剖面；b—L02线CSAMT反演电阻率断面图

L03线反映了东部基底起伏情况，与中、西部不同，东部基底普遍较浅，仅在18 km位置基底埋深较大，为梧桐窝子洼陷的反映，且在南北方向上的宽度较小(图7)。L03线布格重力异常曲线呈“V”字型，与CSAMT对基底的反映结果一致。

图7 L03线综合物探剖面图a—L03线布格重力异常剖面；b—L03线CSAMT反演电阻率断面图

根据CSAMT二维反演结果的电性层结构特征，结合前述地层、岩石的电性特征以及钻孔地质剖面对中侏罗统西山窑组的发育情况进行分析。图8为L01线33～42 km段CSAMT二维反演结果与地质剖面的对比结果，电性结构上从浅至深大致分为中阻—低阻—中高阻—高阻四个电性层。钻孔ZKH3-1揭露深度301 m，揭露第四系厚度30 m，以砂、砾为主，对应于近地表中阻电性层；古近系厚度约260 m，以泥岩、粉砂岩为主，底部为钙质砂岩，对应于浅部低阻电性层；在290 m深度揭露到石炭系火山岩，对应于中深部高阻电性层，为前侏罗纪基底的反映。钻孔ZKH3-2揭露深度639 m，未揭露到前侏罗纪基底，钻孔在浅、中部分别揭露第四系、古近系，对应于近地表中阻及中部低阻电性层，在300～639 m揭露地层为中侏罗统西山窑组，西山窑组主要为砂岩、粗砂岩及碳质泥岩互层，夹煤层。由研究区布格重力异常图可以看出，ZKH3-1位于高重力异常区，位于基底埋深较浅区域；ZKH3-2处于低重力异常区，位于盖层较厚区域。两孔相距约5 km，但基底埋深相差超过300 m，综合CSAMT反演结果、重力异常及钻孔揭露情况，推断ZKH3-1与ZKH3-2之间发育断裂构造，根据电性结构特征，推断断裂位于测线34 km处，为倾向北东的正断层。

图8 L01线中段CSAMT测量综合剖面图a—L01线中段CSAMT反演电阻率断面图；b—钻孔地质剖面图1—第四系；2—古近系；3—中侏罗统西山窑组；4—前侏罗纪基底；5—花岗岩；6—砂、砾等松散堆积；7—粉砂质泥岩；8—碳质泥岩；9—煤层；10—石炭系基底；11—地层界线；12—推断断裂；13—钻孔位置及编号

图9为L02线33～39 km段CSAMT二维反演结果与旁侧钻孔地质剖面的对比情况，钻孔ZKY388-1及ZKH0-1均位于低重力异常区，两孔均未揭露到前侏罗系基底。浅部第四系以粒径较大的砾石为主，厚度40～100 m，对应于反演电阻率断面图近地表的高阻电性层，越靠近北部山前，第四系砾石层的厚度越大。CSAMT测量结果也证实了这一现象，靠近北东部，地表的高阻层厚度逐渐增大。第四系之下为古近系，以泥岩、粉砂岩为主，厚度190～230 m，对应于反演电阻率断面图中浅部的低阻电性层。古近系之下为中侏罗统西山窑组，主要以砂岩、粗砂岩、碳质泥岩为主，夹煤层，在反演电阻率断面中对应中深部的中高阻电性层。

图9 L02线北东段CSAMT测量综合剖面图a—L02线北东段CSAMT反演电阻率断面图；b—钻孔地质剖面图1—第四系；2—古近系；3—中侏罗统西山窑组；4—前侏罗纪基底；5—花岗岩；6—砂、砾等松散堆积；7—粉砂质泥岩；8—碳质泥岩；9—煤层；10—地层界线；11—测井电阻率曲线；12—钻孔及编号

L03线CSAMT二维反演结果反映了东部基底普遍较浅，仅在测线北部梧桐窝子洼陷基底深度较大，中、新生界盖层较厚。L03线东部钻孔ZKH2-1、ZKH2-2相距2.5 km，分别位于高重力异常与低重力异常，两孔所揭露地质情况相差较大。钻孔ZKH2-1在第四系覆盖下60 m深度揭露到基底，而钻孔ZKH2-2在500 m深度仍未揭穿侏罗系。钻孔ZKH2-1揭露情况与L03线所反映的测线南段大部分区域基底较浅的情况一致。钻孔ZKH2-2所揭露的中、新生界地层埋深、厚度等情况与CSAMT测量所反映的梧桐窝子洼陷盖层情况基本一致。

根据研究区3条CSAMT二维反演剖面与钻孔资料对比分析结果，结合重力异常资料，可以推断研究区发育4个近东西向展布的次级洼陷，分别为长流水洼陷、骆驼圈子洼陷、庙尔沟洼陷及梧桐窝子洼陷。古近系分布范围较广，在凸起、洼陷均有分布，在CSAMT二维反演剖面中呈连续、稳定的低阻电性层。找矿目标层中侏罗统西山窑组主要分布于4个次级洼陷中，在凸起地段西山窑组不发育或已受剥蚀，在CSAMT二维反演剖面中，表现为古近系低阻电性层之下的中高阻电性层。

3.2 目标层空间展布特征

根据前述找矿目标层中侏罗统西山窑组在CSAMT二维反演剖面中的电性层识别标志，结合重力资料、钻探资料所反映该地层的发育特点，对其顶板埋深及厚度进行了推断(图10)。

研究区西山窑组分布于4个次级洼陷中。在长流水洼陷，西山窑组顶板埋深100～450 m，厚度200～600 m，在洼陷西部沉积厚度超过600 m；骆驼圈子洼陷西山窑组顶板埋深一般200～450 m，其厚度一般200～700 m，在洼陷中心区域沉积厚度超过700 m；在庙尔沟洼陷，西山窑组顶板深度约300 m，深度变化较小，厚度200～500 m；在研究区东部梧桐窝子洼陷，西山窑组埋深200～300 m，厚度100～400 m。

图10 研究区地质及推断解释中侏罗统西山窑组厚度等值线平面图1—第四系；2—上新统葡萄沟组；3—渐新统—中新统桃树园组；4—中侏罗统西山窑组；5—上石炭统；6—下石炭统；7—中泥盆统；8—下泥盆统；9—华力西中期花岗岩；10—华力西中期闪长岩；11—地质界线；12—推断次级构造单元界线；13—推测正断层及逆断层；14—性质不明断层及推测断层；15—推断中侏罗统西山窑组及其厚度；16—居民点；17—研究区范围