宽频大地电磁法在二连盆地铀矿资源评价中的试验应用

伍显红，许第桥，李茂

(1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002； 2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室)，河北 石家庄 050002)

0 引言

“十五”以来，随着我国铀矿找矿工作向深部“第二空间”的不断深入，对深部地质探测技术提出了更高的要求与挑战，如盆地个别次级构造单元中需解决1 500～2 000 m深的盖层结构、基底构造与目的层砂体发育特征以及断裂构造等地质问题[1-3]，而目前铀资源评价中常采用的可控源音频大地电磁法(CSAMT)、高频大地电磁法(EH-4/AMT)等深部地质探测技术，因方法本身存在的诸如场源引起的近区效应、频带窄、频点稀等技术问题，以及某些覆盖区厚低阻层(如松辽盆地北部、二连盆地)对电磁波的吸附效应，造成上述方法在实际应用中出现探测深度偏浅、分辨率低、岩性分层效果差等情况[4-5]，有时难以达到地质目标任务的预期。因此，为适应新时代铀资源评价工作对深部地质勘查技术的新需求，拓展新技术、新方法、新仪器的应用，不断提升深部地质探测能力就十分必要，且势在必行。

宽频大地电磁法(BMT)通过宽频(10-2～104Hz)数据采集，基本实现AMT和MT同步采集，在有限的时间内既获得了较为丰富的数据资料，又提高了探测深度与精度[6-7]。基于二连盆地砂岩型铀矿大基地建设以及铀矿资源勘查与评价需要，为提升铀矿勘查效果与效益，在盆地满都拉图地区开展了宽频大地电磁法(BMT)试验应用，以期整体提高对盆地深部的地质探测能力，为区内铀矿资源勘查与评价提供有效的技术支撑。

1 方法简介及探测频率范围对比

BMT的基本原理(图1)与MT和AMT的测量原理相同，依据不同频率的电磁波在导体中具有不同的趋肤深度，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。

图1 BMT原理示意[8]

BMT与EH-4/AMT、 MT均为天然场采集方法，不需要人工场源，只是频率范围不同，从而引起其探测深度和分层精度不同。4种方法数据采集频率范围如图2所示。

图2 不同电磁法探测频率范围示意

EH-4/AMT数据采集频率范围为10～100 kHz，CSAMT数据采集频率一般为0.5～10 kHz，MT数据采集频率范围在10-3～340 Hz。而BMT数据的采集频率范围，根据铀矿勘查工作需求初步设定在10-2～10 kHz，可同时兼顾EH-4/AMT的中高频段与MT低频段，增大了深部信息。

CSAMT采用的是人工场源，其优点是信号强、稳定、抗干扰强，但易受近场影响。由于受收发距及发射电流的限制，对于盆地中大于1 000 m的厚覆盖区，小于1.0 Hz的频点因电磁场信噪比低，采集的数据已基本不可信，因此其低频段相较于BMT要窄。

MT单个测点数据采集耗时最长，探测深度最大，但浅部为盲区；EH-4/AMT最低频率最高，单个测点数据采集耗时最短，探测深度最浅，但浅部信息丰富；CSAMT探测深度中等，单个测点数据采集耗时较短，且中浅部信息丰富；BMT具有MT和AMT的双重优点，探测深度较大，是一种深部和中浅部兼顾的电磁方法[8-9]。

2 试验区地质概况及岩石电阻率特征

试验区位于乌兰察布坳陷的北东部次级构造单元准棚凹陷中。根据钻探及周边地质资料[10]，基底地层主要由古元古界、新元古界、上古生界、下古生界及加里东—燕山期侵入岩组成，沉积盖层包括下白垩统、古近系始新统、新近系和第四系(图3)。

图3 试验区地质简图

下白垩统包括阿尔善组、腾格尔组和赛汉组，其中赛汉组为本坳陷主要的含矿层位。阿尔善组(K1a)主要发育冲积扇和扇三角洲沉积体系，岩性为紫色、灰白色砾岩、含泥砂质砾岩夹灰绿色、棕红色、深灰色泥岩。腾格尔组(K1t)主要为湖相沉积，岩性为砂岩、砂砾岩及深灰色泥岩。赛汉组(K1s)主要为一套河流—沼泽相沉积，与下伏腾格尔组和上覆地层均呈不整合接触。其下段为灰色泥岩夹炭质泥岩和褐煤层，在底部见砂质砾岩层；上段为绿灰色、灰色砂质砾岩、含砾砂岩夹灰色或棕红色泥岩，是二连盆地主要找矿目的层。

古近系始新统(E2)岩性主要为灰绿色砂岩、砂质砾岩、泥岩，并夹有砖红色砂质泥岩及灰黄色、灰白色砂岩、砂质砾岩。

新近系包括中新统通谷尔组(N1t)与上新统宝格达拉组(N2b)。中新统下部岩性以浅黄色、灰白色、浅灰绿色含砾粗砂岩、砂质砾岩为主；上部为灰白色砂岩与杂色泥岩互层，局部夹有泥灰岩。上新统以洪泛沉积为主，岩性主要由褐红、浅红、浅绿、黄绿色块状泥岩、粉砂岩组成，局部夹薄层砂岩、泥砾岩，通常可见钙质结核、锰质斑点和结核，植物根系等，厚度稳定。

第四系主要为风成砂、砾岩。

断裂与褶皱构造在老地层中较发育，构造线方向以NE向为主，NW向其次，凹陷中构造形迹不明显。

表1为近年来核工业二〇八大队二连盆地钻孔测井电阻率资料统计结果[11-12]。由表可见：①第四系沉积物的电阻率变化较大，整体表现为相对中高阻特征，但其分布较为局限，厚度一般小于10 m。②新近系与古近系整体表现为相对中高阻特征。③下白垩统赛汉组上段以砂岩为主，表现为相对中阻特征；下段以细粒沉积物为主，表现为相对低阻特征。下白垩统阿尔善组与腾格尔组主要为砂岩夹泥岩、粉砂岩，由于岩石埋藏深及压实作用，整体表现为相对中阻特征。④前白垩纪基底变质岩与火成岩类电阻率均较高，整体表现为高阻特征。由此可见，试验区地电特征明显，为方法试验提供了物性基础。

表1 岩石电性参数测量统计

3 测量装置与参数测试

3.1 数据采集装置

使用仪器为MTU-5A多功能电法仪2套，包括MTU-5A盒子2台，MTU-2EA盒子4台，MTC-150L宽频磁信号传感器4个。

BMT测量装置与AMT、MT布极方式相同，采用“一拖二”张量观测方式，即1台MTU-5A带2台MTU-3EA盒子。MTU-5A上测量2个电道和2个磁道，MTU-3EA盒子只测2个电道，磁道与MTU-5A共用(图4)；Ex、Hx方向与测线方向一致，Ey、Hy方向与测线方向垂直。布极方位采用森林罗盘仪测定，布极方位误差小于1°；测距仪测量电极距(MN=50 m)，极距误差小于1%。

图4 BMT测量集装置示意

3.2 采集时间及最低频率选择试验

为确保有效探测深度达到1 500～2 000 m的要求，在试验区准棚凹陷中心E14-5号钻孔旁进行了数据采集测试，测试时间为连续观测10 h。考虑到方法工作效率与效益，分别提取了40 min、60 min、80 min 3个不同观测时段得到的视电阻率测深曲线。如图5所示，3个不同观测时段的测深曲线形态基本相同，103～105Hz为天然场盲区，信号不佳，测深曲线连续性相对较差，由于为浅部信息，数据处理中通过圆滑可基本消除对资料解释结果的影响；10-1～100Hz为天然场较弱，仅有个别跳点，曲线基本连续，经综合考虑，选取本次方法试验的数据采集观测时间为60 min。

图5 3个时段的视电阻率测深曲线对比

同时,根据测深电阻率初步统计：100～105Hz的平均视电阻率为6.9 Ω·m，经理论公式计算，最低探测频率100Hz的最大探测深度为935.0 m；而10-1～105Hz的平均视电阻率为7.4 Ω·m，最低探测频率10-1Hz的最大探测深度为3 062 m。因此，为确保达到测深要求，通过方法试验，最终确定最低探测频率为10-1Hz。

3.3 试验剖面布置

根据试验区主构造线呈NE走向以及收集的已知钻孔与浅层地震勘探剖面位置，布置NW向BMT试验剖面2条(图3)，点距100 m，方向142°。BSY01剖面基本与2010年核工业航测遥感中心施工的D01浅层地震勘探剖面位置与方向基本一致，剖面长8.0 km，测点共81个。BSY02剖面穿过E14-5与E14-8两个钻孔，剖面长10.2 km，测点共103个。

3.4 数据处理

数据处理包括预处理与反演处理。预处理主要由SSMT2000和MtEditor软件完成。通过SSMT2000软件将原始时间域数据转化为频率域数据，并对频率域数据在MtEditor软件下进行编辑，为下一步数据反演处理做准备。

反演处理采用经过静态校正处理后的TM+TE模式数据，由Zonge公司商业化软件SCS2D完成。根据已知钻孔与浅层地震资料的反复对比，最终确定了本次试验数据反演的主要参数[13]，即初始电阻率模型为二维平滑模型，第一层网格40 m，圆滑系数为0.4。

4 试验效果分析

4.1 BSY01剖面

BSY01剖面位于试验区北东部，地表出露新近系中新统(N1t)与上新统(N2b)。图6为BSY01剖面反演电阻率及地质解释断面与浅层地震D01线叠加深度解释剖面，为便于对比，将电性断面的深度切到D01剖面的解释深度。

图6a为浅层地震勘探解释剖面[14]。基于反射波形和波组特征对比、追踪，结合地质、物探、钻孔等资料分析，推断了标准反射层2个(T0和Tg)、层序界面2个(T1和T2)，在此基础上确定了各地震层序与地层的对应关系。其次，根据反射波特征推断断裂构造一条(F11)，该断裂为准棚凹陷北西侧的边界控制断裂。T0层之上为微弱或空白反射，厚度40～50 m，为新近系地层。T1层为下白垩统赛汉组(K1s)与腾格尔组(K1t)之间的分界面；T2层为下白垩统腾格尔组(K1t)与阿尔善组(K1a)之间的分界面， T1与T2均为层序级界面；Tg层为超层序级界面，为前白垩纪基底的分界面。

图6 D01线地震叠加深度剖面[14](a)与BSY01线反演电阻率断面(b)

由图6b可见，反演电阻率断面由浅至深，整体反映为明显的相对“中阻—低阻夹中阻—中阻—高阻”4层电性结构特征。第一电性层：位于断面顶部，反演电阻率大于6 Ω·m，等值线呈水平层状连续分布，表现为相对中阻特征，厚度40～50 m，推断为新近系砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩的综合反映。第二电性层：反演电阻率小于6 Ω·m，厚度210～600 m，解释为下白垩统赛汉组泥岩、砂质泥岩夹砂岩的综合反映；在该电性层的上部，分布有反演电阻率大于6 Ω·m的长条状、透镜状相对中阻体，解释为下白垩统赛汉组上段以砂岩、砂质砾岩及含砾砂岩为主的沉积层。第三电性层：反演电阻率为6～25 Ω·m，分布连续稳定，表现为中阻特征，厚度250～600 m，解释为下白垩统腾格尔组和阿尔善组砂岩、砂质砾岩夹泥岩的综合反映。第四电性层：位于断面底部，反演电阻率大于25 Ω·m，解释为前白垩纪基底。其次，解释F11断裂一条，主要表现为向深部延伸的醒目低阻带，这与浅层地震资料解释结果基本吻合。

资料对比分析可见，BMT与浅层地震勘探资料的解释结果基本一致，尤其是前白垩纪基底与新近系以及F11断裂的解释结果，只是下白垩统腾格尔组与阿尔善组电性相近，BMT资料进行了合并解释，其分层效果不如浅层地震勘探精细；其次是BMT资料反映的下白垩统赛汉组局部地段偏厚，与浅层地震勘探资料的解释结果稍有差异。

4.2 BSY02剖面资料分析

BSY02剖面位于试验区南西部，地表出露的地层为古近系始新统(E2)、新近系中新统(N1t)与上新统(N2b)，平距450 m与9 420 m分别为收集的E14-5、E14-8钻孔。图7为该剖面的反演电阻率断面及其地质解释。

图7 BSY02线反演电阻率断面及其地质解释

由图可见，断面电性特征与BSY01试验剖面基本一致，由浅至深电阻率断面整体反映为明显的相对“中阻—低阻夹中阻—中阻—高阻”4层电性结构特征。第一电性层位于断面顶部，呈水平层状连续分布，电阻率大于6 Ω·m，为相对中阻，厚度为30～50 m，解释为古近系与新近系砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩的综合反映。第二电性层的电阻率小于6 Ω·m，其厚度整体表现为北西与南东端薄、中部厚的连续分布特征，最小厚度约200，中部最大厚度达1 400 m，解释为下白垩统赛汉组泥岩、砂质泥岩夹砂岩的综合反映；在该电性层的上部，一样存在电阻率大于6 Ω·m的中阻体，解释为下白垩统赛汉组上段的沉积层。第三电性层分布于断面平距0.4～10.2 km，反演电阻率6～25 Ω·m，分布连续，中部未探测到底板，表现为相对中阻特征，解释为下白垩统腾格尔组和阿尔善组砂岩、砂质砾岩夹泥岩的综合反映。第四电性层断续分布于断面底部平距0.4～1.7 km与7.6～10.2 km段，反演电阻率大于25 Ω·m，解释为前白垩纪基底。

其次，解释F11断裂构造一条，主要反映为反演电阻率等值线密集带，该断裂为准棚凹陷北西侧的边界控制断裂。

4.3 钻孔资料对比分析

本次试验区仅收集E14-5与E14-8两个钻孔[15]，分别位于试验剖面BSY02平距450、9 420 m处，其揭露深度相对较浅，均未揭穿下白垩统赛汉组(图8)。

E14-5钻孔揭露深度287.41 m。其中，0～38 m为古近系与新近系，测井电阻率表现为相对中阻特征；38～68 m为赛汉组上段砂岩、泥岩，测井电阻率表现为相对低阻特征；68～260 m为赛汉组上段砂岩、中粗粒砂岩、砂质砾岩和含砾中粗粒砂岩，测井电阻率表现为相对中阻特征；260～287.41 m为赛汉组下段泥岩、砂质泥岩，测井电阻率表现为相对低阻特征。

E14-8钻孔揭露深度178.35 m，未揭露到赛汉组下段。其中，0～27 m为古近系与新近系地层，测井电阻率呈现相对中阻；27～70 m为赛汉组上段砂岩、泥岩，为相对低阻层；70～178.35 m为赛汉组上段砂岩、中粗粒砂岩、砂质砾岩和含砾中粗砂岩，为相对中阻层。

为便于对比，将孔旁的反演电阻率断面纵向深度切到略大于钻孔的揭露深度。由图8可见，E14-5与E14-8两个钻孔旁的反演电阻率断面均反映出相对“中阻—低阻—中阻—低阻”4层电性结构特征，其解释结果与钻孔揭露情况基本一致，论证了BMT分层效果的可靠性与有效性。

1—古近系、新近系；2—赛汉组上段；3—赛汉组下段；4—岩性界线；5—地质界线

5 结论

1) BMT测试结果表明，为兼顾工作效率与效益，数据采集最低频率设定在0.10 Hz、观测时间为60 min，可确保二连盆地探测深度达到1 500～2 000 m，满足地质任务的需要。

2) BMT资料解释成果与浅层地震勘探结果以及已知钻孔揭露情况基本一致，但分层效果不如浅层地震勘探精细。

3) 资料对比分析表明，BMT在解决盆地盖层结构、基底构造与目的层砂体发育特征等地质问题上具有可行性，论证了方法的有效性。

4) BMT具有MT和AMT的双重优点，探测深度较大，岩性分层效果较好，作为一种中浅部和深部兼顾的大深度探测技术，在我国新时期的铀资源评价中将发挥积极的作用。