砂岩型铀矿广域电磁法试验与探讨

段书新，师钦俊，陈 聪，汪 硕

(核工业北京地质研究院 物化探研究所，北京 100029)

1 引 言

自20世纪90年代初以来，我国铀矿勘查的主攻方向转为储量大、开采成本低的可地浸砂岩型铀矿[1,2]。该类铀矿主要赋存于以砂泥岩为主的中、新生代沉积盆地中，按矿床成因属后生淋积成矿，即山前富铀花岗岩或火山岩岩体中的铀被地表水淋滤出，含铀含氧水沿砂体透水层下倾方向迁移至氧化还原过渡带附近，受地球化学还原作用而成矿[3-6]。整体而言，砂岩型铀成矿与特定的区域地质、地球物理、地球化学环境密切相关，目前多采用地震、电磁、重磁等物探方法对其成矿环境进行探测，进而达到评价和预测砂岩型铀矿的目的[7-11]。

长期以来，作为非震勘探方法的重要分支，电磁勘探在研究盆地地层结构及基底起伏形态方面发挥着重要的作用[12]。以AMT方法为例，自1996年被引入以来，先后在全国多个省份的砂岩型铀矿床上开展了测量工作，取得了较好的应用效果[13-17]。上述方法在取得成功应用实例的同时，其不足之处亦逐渐显现。具体而言，AMT(Audio Magnetotelluric,AMT)、CSAMT(Controlled Source Audio Magnetotelluric, CSAMT)在低阻沉积盆地中的测深能力有限；其次，环境电磁噪音的逐年增大使得获取高质量电磁原始资料的难度越来越大。在这样的背景下，为获取较大的探测深度和较高的探测精度，核工业系统于2019年引入广域电磁法(Wide Field Electromagnetic Method，简称WFEM)。本文即以松辽盆地开展的WFEM与AMT、CSAMT的对比试验，探讨砂岩型铀矿WFEM应用效果。

2 广域电磁法基本原理

广域电磁法(WFEM)是相对于传统的CSAMT法和MELOS法而提出来的人工源频率域电磁勘探方法。该方法通过人工接地电流源向地下发送不同频率的交变电磁场，在广大的、不局限于传统“远区”的区域内观测任意一个电磁场分量，计算广域视电阻率，进而达到探测不同埋深地质目标体的目的[18-20]。

以当前较为成熟的E-Ex赤道装置广域电磁法为例，其相应的广域视电阻率计算公式为：

(1)

3 研究区地质与地球物理概况

为充分对比WFEM与AMT、CSAMT方法的应用效果，在松辽盆地宝龙山和克东两个地区进行WFEM方法试验，两个地区分别有前人开展过的AMT和CSAMT数据和探测结果作为对比。作为松辽盆地的一部分，两个试验区的地层结构与松辽盆地整体相似，部分地层有缺失。

根据前人的研究成果，松辽盆地从浅至深主要发育第四系(Q)、泰康组(N2t)、明水组(K2m)、四方台组(K2s)、嫩江组(K2n)、姚家组(K2y)、青山口组(K2qn)、泉头组(K2q)和基底(γ4)地层，其中姚家组(K2y)地层被认为是重要的铀矿含矿层位[21]。

据松辽盆地各地层岩性及电阻率[22,23]统计结果(表1)，盆地内各地层之间存在一定的电性差异，具体而言：第四系(Q)、泰康组(N2t)高阻层与明水组(K2m)、四方台组(K2s)中阻层之间存在1个电性界面；明水组(K2m)、四方台组(K2s)中阻层与嫩江组(K2n)低阻层之间存在1个电性界面；嫩江组(K2n)低阻层与姚家组(K2y)中阻层之间存在1个电性界面；基底(γ4)高阻体与上覆沉积地层之间存在1个电性界面。上述电性界面的存在为本次开展电磁方法试验对比提供了基本的物性基础。

表1 松辽盆地地层及电阻率

4 宝龙山地区WFEM与AMT方法对比

4.1 电磁探测工程部署

为便于WFEM与AMT两种方法的系统对比，在松辽盆地南部宝龙山地区前人开展过的AMT探测剖面上进行同测线测点、不同方法的对比试验，具体测线部署见图2。图中蓝色实线为WFEM测线，测线长4425 m、点距75 m；与其重叠的红色实线为前人实施的AMT测线，测线长3 000 m、点距75 m。测线附近有钻孔宝10-6可为电磁探测结果提供验证。

图2 松辽盆地宝龙山地区电磁工程部署

WFEM探测利用了湖南继善高科技有限公司研制的JSGY-2广域电磁仪，以E-Ex赤道装置进行数据采集。为获取较大的探测深度和较高的探测精度，选取WFEM的收发距R=7.8 km、发射电流I=100 A，现场采集1、3～11频组，涉及到的频率范围为3/256～8 192 Hz。前人AMT数据则采用加拿大凤凰地球物理公司的V8多功能电法和AMTC30磁传感器进行数据采集。

4.2 采集频率范围对比

为满足平面波场垂直入射的假设，AMT采用宇宙中的太阳风、雷暴等天然电磁场信号作为场源，在地面以AMTC30磁棒和不极化电极接收天然的磁场和电场信号。WFEM则是采用人工发射的大功率电磁场作为场源，在地面以铜棒或不极化电极接收电场信号。本次试验中两种方法的有效采集频率如图3所示。

图3 WFEM与AMT采集频点对比

由图3可知，WFEM与AMT的采集频率范围分别为0.009 77～8 192 Hz、0.35～10 400 Hz，相应的频点数分别为80、60个。整体而言，WFEM与AMT的频点密度相当，但WFEM可供选择的有效采集频率更低，更有利于探测深部地质目标体。

4.3 视电阻率曲线对比

作为电磁反演的原始输入文件，野外现场原始视电阻率质量的好坏是影响反演结果和探测效果最为关键的因素。为充分对比WFEM与AMT两种电磁方法的优劣，有必要对两种方法相同测点位置上的视电阻率曲线进行对比。

图4展示了广域电磁测线26号测点和31号测点位置处的WFEM与AMT相同位置上的视电阻率曲线，其中绿线为广域视电阻率曲线，红线为AMT方法XY模式视电阻率，蓝线为AMT方法YX模式视电阻率。由图可知，两种不同方法得到的视电阻率曲线形态基本一致。AMT在500～5 000 Hz频率范围内数据质量相对较差，而WFEM在该频带范围内的数据质量较好。最低有效频率方面，AMT大致能达到10 Hz，而WFEM在0.1 Hz以后还能保持较好的曲线连续性。

图4 宝龙山地区WFEM与AMT相同测点上的视电阻率曲线对比

4.4 反演电阻率断面对比

利用MTPioneer软件对两种方法得到的视电阻率数据进行相同参数的二维非线性共轭梯度带地形反演，得到测线重叠地段(图2中红线)的反演电阻率断面如图5所示。由于本次AMT实际采集到的最低有效频率约10 Hz，根据趋肤深度公式推算其最大探测深度约为500 m，故其测深能力明显弱于WFEM。在500 m以浅，WFEM反演电阻率断面的水平成层性更好；同时，以4 Ω·m反演电阻率等值线为例，WFEM对低阻层顶、底界面控制更好，纵向分辨力更优，推测可能与WFEM能够采集到更低更有效的低频信号有关。

图5 宝龙山地区WFEM与AMT反演电阻率断面对比

4.5 WFEM探测结果地质解译

图6为宝龙山地区B3线WFEM反演电阻率断面、地质解译及钻孔对比图。由图6可知，该线反演电阻率断面横向上连续性较好，垂向上可大致分为5个电性层。具体而言，第一电性层位于地表与深度200 m之间，反演电阻率值在36～14 Ω·m，表现为中高阻，推测为第四系(Q)和泰康组(N2t)地层；第二电性层位于深度420～200 m之间，反演电阻率值在14～4 Ω·m，整体表现为低阻，电阻率随深度增加有减小的趋势，推测为四方台组(K2s)地层；第三电性层位于深度500～420 m之间，反演电阻率值在4～14 Ω·m，整体表现为低高阻，电阻率随深度增加有逐渐增大的趋势，推测为嫩江组(K2n)地层；第四电性层位于深度650～500 m之间，反演电阻率值在14～70 Ω·m之间，表现为高阻，推测为姚家组(K2y)地层；第五电性层位于深度650 m以深，反演电阻率值大于70 Ω·m，表现为最高阻，推测为深部的变质岩或花岗岩基底。

图6 宝龙山地区B3线WFEM反演电阻率断面、地质解译及钻孔对比

将WFEM地质解译成果与宝10-6钻孔揭露情况进行对比，地质解译推断出的泰康组(N2t)、四方台组(K2s)、嫩江组(K2n)地层的顶、底界面亦与钻孔吻合得较好，表明本次宝龙山地区WFEM试验取得了较好的探测效果。

5 克东地区WFEM与CSAMT方法对比

5.1 电磁探测工程部署

与前述方法对比相似，选择在前人开展过的CSAMT探测剖面上进行同剖面、同测点、不同方法的对比试验(图7)。试验测线全长9 600 m、点距100 m、方位125°，WFEM的收发距R=8 km、发射电流I=100 A，现场采集1、3～11频组，涉及到的频率范围为3/256～8 192 Hz，CSAMT数据则是采用凤凰公司TX30+V8多功能电法仪采集获得。

图7 松辽盆地克东地区电磁工程部署

5.2 采集频率范围对比

与AMT方法不同，CSAMT由于采用人工发射场源，使得平面波场垂直入射这一计算卡尼亚视电阻率的基本假设只在有限的区间和频率范围内满足，即CSAMT方法存在“近区”和“近场效应”现象。相比较而言，WFEM由于只用单个分量解算广域视电阻率，不再要求平面波场垂直入射，故其观测区间和观测频率范围均较CSAMT有所增大。

图8是本次克东地区电磁探测试验中WFEM与CSAMT两种方法的有效采集频率对比。由图8可知，WFEM与CSAMT的采集频率范围分别为0.009 77～8 192 Hz、0.35～10 400 Hz，相应的频点数分别为80、40个。整体而言，WFEM的最低有效采集频率较CSAMT更低，决定了WFEM对深部地质体的探测能力更强；同时，WFEM的频点密度比CSAMT更密，决定了WFEM的纵向分辨能力不弱于CSAMT。

图8 WFEM与CSAMT采集频点对比

5.3 视电阻率曲线对比

将CSAMT方法得到的卡尼亚视电阻率和WFEM方法得到的广域视电阻率进行对比，得到两种不同方法在相同测点上的视电阻率曲线对比如图9所示。图中左、右分别为24号点、29号点的视电阻率曲线对比，绿线为广域视电阻率曲线，红线为CSAMT卡尼亚视电阻率曲线。

图9 克东地区WFEM与CSAMT相同测点上的视电阻率曲线对比

整体来看，两种不同方法得到的视电阻率曲线形态基本一致，较好地反映了地下地质体真实的电性结构。相比较而言，WFEM能够较轻松地采集到0.1 Hz的有效低频信号，而CSAMT本次方法试验的最低有效频率在1 Hz左右。除此之外，WFEM的频点密度较CSAMT更大、WFEM广域视电阻率曲线较CSAMT卡尼亚视电阻率曲线更连续、光滑，决定了WFEM的纵向分辨能力及探测效果均优于CSAMT方法。

5.4 反演电阻率断面对比

分别对上述WFEM与CSAMT数据进行相同网格和参数的二维非线性共轭梯度带地形反演，得到该测线不同电磁方法的反演电阻率断面对比及地质解译如图10所示。在500 m以浅，除CSAMT方法在平距3 000～4 800 m范围内疑因受电磁干扰而反演出板状高阻体外，两种方法的反演结果大致相似，WFEM反演电阻率断面在水平成层性及最低阻地质体顶、底界面的控制能力方面略优于CSAMT。在500 m以深，由于具有更低的有效采集频率和更高的频点采集密度，WFEM方法较好地反演出深部两条隐伏断裂，而CSAMT反演电阻率断面上则无此电性特征。

图10 克东地区WFEM与CSAMT反演电阻率断面对比及地质解译

根据广域视电阻率反演断面，将测线在垂向上按深度从浅至深大致分为4个电性层，对应着研究区4层地层结构。具体而言，第一电性层为最浅部的高阻层，反演电阻率值在6～10 Ω·m左右，推测为第四系覆盖(Q)；第二电性层为浅部低阻层，反演电阻率值低于6 Ω·m，推测为嫩江组(K2n)地层；第三电性层为中部高阻层，反演电阻率值在6～8 Ω·m之间，推测为姚家组(K2y)地层；第四电性层为深部高阻层，反演电阻率值大于8 Ω·m，推测为青山口组(K2qn)、泉头组(K2q)及其下覆地层。同时，反演电阻率断面在1.7 km和7.7 km处均存在明显的舌状电阻率低值现象，低电阻率两侧均为明显的电阻率高值现象，推测为断裂构造。

6 结 论

通过开展松辽盆地WFEM与AMT、CSAMT的对比试验，取得以下成果认识。

1)采集频率方面，WFEM可供选择的有效采集频率更低，频点密度与AMT及CSAMT相当或更密，决定了WFEM的探深能力和纵向分辨能力不弱于AMT及CSAMT。

2)通过相同测点上的视电阻率曲线对比，认为三种方法的视电阻率形态基本一致，但WFEM的最低有效频率较AMT及CSAMT更低，视电阻率质量更高。

3)通过同剖面、同反演参数、不同方法的反演电阻率断面对比，认为WFEM反演电阻率断面在水平成层性及垂向分层能力方面略优于AMT及CSAMT，探深能力较AMT及CSAMT方法强。

4)利用WFEM方法识别了松辽盆地两个试验区的地层结构，且与钻孔揭露情况吻合较好，表明WFEM方法在砂岩型铀矿成矿环境探测中具有一定的应用效果，有必要开展进一步的方法试验工作。