三维地震勘探技术在松辽盆地HLJ 地区砂岩型铀矿勘查中的应用

李子伟，李继木，曹成寅，黄昱丞

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024006）

20 世纪90 年代，随着我国铀矿找矿工作重点转移，加大了松辽盆地可地浸砂岩型铀矿的勘查工作，并陆续在松辽盆地西南部发现了钱家店大型铀矿床和宝龙山中型铀矿床［1-2］，近些年，随着勘查工作的深入，在HLJ、DL 等地区均发现了工业铀矿层［3］，也进一步明确了该区域的找矿前景。在松辽盆地西南部铀矿勘查中，开展了二维地震、二维电磁法等物探工作［4-6］，有效地解决了区域地层、构造、大套砂体等成矿环境问题，但随着勘探深度的增加，地质条件越发复杂，常规物探手段难以满足深部“泥-砂-泥”等地层结构的精细探测要求。

在众多物探方法中，地震勘探方法具有较大的探测深度和较高的探测精度，其中二维地震勘探仅能接收沿测线的、单个方向的地震反射信息，获取的资料难以反映地下目标地质体的三维构造形态，甚至会产生假象。三维地震勘探通过在平面上布设多条测线接收360 度方向上的地震反射信息，能够更准确地反映地下目标地质体的三维构造形态，更能满足深部及复杂地质环境的精细勘探需求［7］。中石油辽河油田等单位联合高校在钱家店地区开展了基于三维地震数据的伽马异常分布规律研究［8-10］，研究结果表明利用三维地震与测井联合反演解释的伽马异常对工业矿化的分布具有一定的指示作用，但是研究结果未对部分异常不匹配现象（如部分异常处无矿化或实际矿化部位无异常等）进行解释。核工业系统在松辽盆地西南部的地震勘探工作以二维地震为主，主要解决盖层结构划分、断裂构造识别和砂体发育规模等铀成矿环境问题［11-19］，在本文研究工作之前，未开展过三维地震勘探工作，深部目的层的精细探测主要依赖钻探和测井，缺少深部“泥-砂-泥”等地层结构精细探测的有效物探手段。

本文针对松辽盆地西南部HLJ 地区的铀成矿重点地段，开展了三维地震勘探技术研究，通过三维地震资料的综合应用，基本查明了研究区的地层展布情况和岩性发育情况，重点研究了姚家组下段的“泥-砂-泥”地层结构的发育情况，综合分析了研究区的铀成矿条件，优选了铀成矿的有利层位和区域，为研究区的下一步找矿方向提供了依据。

1 研究区地质及地球物理概况

松辽盆地是我国重要的能源矿产盆地之一，除石油、天然气、煤炭外，还有丰富的砂岩型铀矿资源，盆地内部存在一系列铀矿化和异常点，本文研究区HLJ 地区位于松辽盆地西南部，行政区划隶属于内蒙古通辽市，近些年陆续发现了多口铀矿工业孔，是当前砂岩型铀矿勘查的重点区。

研究区内地层划分、岩性［20］和物性参数［11］具体如表1 所示，基底为石炭系-二叠系地层，盖层主要由白垩系、新近系和第四系组成，其中白垩系地层由老到新分别为姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）和四方台组（K2s），姚家组是本次研究的主要目的层，发育泥岩、砂岩和砾岩等多种岩性，以砂泥岩互层为主。由各地层间的物性参数统计结果可知，不同地层间的波阻抗值存在差异，特别是姚家组地层和上下地层间的波阻抗值差异明显，为通过地震勘探划分地层结构提供了物性前提。

表1 松辽盆地HLJ 地区地层划分、岩性及物性参数统计［11，20］Table 1 Stratigraphic division,lithology and physical parameters of the HLJ area of Songliao Basin[11,20]

表2中为研究区姚家组地层不同岩性的物性参数，其中泥岩的波阻抗值约为3 264 m·s-1·g·cm-3，砂岩的波阻抗值约为6 049 m·s-1·g·cm-3，砾岩的波阻抗值约为7 267 m·s-1·g·cm-3，可见不同岩性间的物性参数差异明显，为通过地震勘探识别地层岩性提供了物性前提。

表2 松辽盆地HLJ 地区姚家组不同岩性的物性参数统计［12］Table 2 Physical parameters of different lithology of Yaojia Formation in the HLJ area of Songliao Basin[12]

2 三维地震资料综合应用分析

三维地震资料综合应用指的是以三维地震资料为基础，结合测井和地质资料，合理判别和分析各种信息所代表的地震意义，最终将地震信息转化为地质成果，从而达到地震资料综合解释的目的［21］。

本文的三维地震资料综合应用研究的技术流程如图1 所示，在获取研究区三维地震资料和测井资料后，首先要完成资料的处理，在此基础上开展合成地震记录，完成井震标定，进一步完成层位解释；然后，基于资料处理结果和层位解释结果，通过波阻抗反演获得波阻抗数据，再结合测井的岩石物理分析结果，将波阻抗数据转换为岩性数据，实现岩性解释；最后，综合层位解释和岩性解释结果，实现研究区的铀成矿环境研究。

图1 三维地震资料综合应用技术流程图Fig.1 Technical flow chart of comprehensive application of 3D seismic data

2.1 基础资料

本文研究的基础资料为三维地震叠后偏移处理结果和测井资料，资料分布如图2 所示，图中黑色框为三维地震资料的覆盖区域，主测线方向用Inline 表示，联络测线方向用CrossLine 表示，主测线方向和联络测线方向的共深度点（common-depth-point，简称CDP）间距均为7.5 m，研究区共4 口钻井，分别为ZK10-4，ZK13-1，ZK11-3 和ZKL7-12，红色线段是连井地震剖面的位置。

图3 为三维地震数据的偏移处理结果，平面分别为Inline 方向和Crossline 方向，纵向为时间方向，由图可见研究区反射同向轴较平稳，初步判断该区地层较平缓，发育稳定，无复杂构造变化，由Inline 方向和CrossLine 方向的剖面切片可见，地震波组特征清楚，同相轴连续性较强，有利于浅层砂体的横向追踪。

图3 松辽盆地HLJ 三维地震数据偏移处理结果Fig.3 Migrating processing results of 3D seismic data in the HLJ area of Songliao Basin

2.2 井震标定

三维地震数据是开展综合解释的基础，测井数据可以为地震数据提供准确的地层深度、速度等各类参数，而井震标定就是连接地震资料和测井资料的桥梁，通过制作合成地震记录，实现地震资料的时深转换和层位标定，为后续的综合解释奠定基础。

以ZK11-3 井的合成地震记录为例（图4），可以看到合成地震记录的波形特征与井旁地震道的波形特征符合程度较高，时间-深度相互关系明确。进一步完成其余3 口井的井震标定工作，标定了4 个层位，分别为泰康组底（N2t）、嫩江组底（K2n）、姚家组上段底（K2y2）和姚家组下段底（K2y1），并在连井剖面上追踪解释了泰康组底界面、嫩江组底界面、姚家组上段底界面和姚家组下段底界面4个层位（图5），4个层位在连井剖面上整合接触，横向平稳且连续，说明研究区内构造环境稳定，无断裂发育。

图4 松辽盆地HLJ 地区ZK11-3 井的合成地震记录Fig.4 Synthetic seismic records of well ZK11-3 in the HLJ area of Songliao Basin

图5 松辽盆地HLJ 地区连井地震剖面的层位追踪解释结果Fig.5 Interpretation results of horizon tracking on seismic profiles by connected wells in the HLJ area of Songliao Basin

2.3 地层解释

依据连井剖面，分别对研究区的四个层位进行追踪解释，针对重点目的层姚家组，获取了顶界面（即嫩江组底界面）、底界面以及姚家组上段底界面的等时T0 图，完成时深转换后获得研究区的地层埋深图，如图6a、b、c 所示，分别为姚家组顶界面埋深图、姚家组上段底界面埋深图和姚家组底界面埋深图，由图可见，姚家组地层相对平缓，整体起伏较小，姚家组顶界面呈西南高东北低的变化趋势，在工区南部地层最浅，埋深约440 m，向北向东地层深度逐渐增加，东部地层最深，埋深约480 m；姚家组上段底界面和姚家组底界面均呈西高东低的变化趋势，由西向东地层深度逐渐增加，其中姚家组上段底界面埋深约在510～550 m 之间，姚家组底界面约在650～730 m 之间。

根据各地层的埋深情况，计算并绘制了姚家组上段、姚家组下段和姚家组的地层厚度图，如图6d、e、f 所示，分别为姚家组上段厚度图、姚家组下段厚度图和姚家组厚度图，由图可见，姚家组地层整体厚度呈西北薄东南厚的变化趋势，整体地层厚度约在210～270 m 之间，其中姚家组上段地层西北部较薄，约在65～75 m 之间，东南部地层略厚，约在75～95 m 之间，姚家组下段地层西南部较薄，约在140～160 m 之间，东北部地层较厚，约在170～200 m 之间。

图6 松辽盆地HLJ 地区姚家组地层解释结果Fig.6 Stratigraphic interpretation results of the Yaojia Formation in the HLJ area of Songliao Basin

2.4 岩性解释

砂体既是铀矿化赋存的空间，也是含铀含氧水活动的通道［22］，松辽盆地西南部钱家店等地区的铀矿勘查实践表明，“泥-砂-泥”地层结构是该区域的重要找矿标志［1］，因此查明地下地层的岩性，特别是查明地下地层的砂体发育特征和“泥-砂-泥”地层结构，是研究区砂岩型铀成矿环境研究的重点。

本文利用地震叠后波阻抗反演技术开展砂岩型铀矿岩性解释，具体流程如图1 所示，基于地震数据层位解释结果和井震标定结果，建立反演初始模型，在此基础上开展波阻抗反演，获取波阻抗数据体，再依据测井岩石物理分析，将波阻抗转化为岩性，实现岩性解释。

图7 为研究区的波阻抗反演结果，图中展示了四方台组、嫩江组和姚家组地层的波阻抗分布情况，红色和黄色表示高波阻抗值，灰色和黑色表示低阻抗值，可以看出，反演结果显示了不同地层的波阻抗差异和变化趋势，并且在横向上具有较好的连续性，四方台组和嫩江组地层表现为低阻抗特征，姚家组表现为高阻抗特征，层间夹低阻抗地层，姚家组底部波阻抗值最高。

图7 松辽盆地HLJ 地区三维地震波阻抗反演结果Fig.7 3D seismic impedance inversion results in the HLJ area of Songliao Basin

通过对测井曲线开展岩石物理分析，建立波阻抗值与岩性间的对应关系，可以将波阻抗数据转换为岩性数据。对ZK10-4、ZK11-3、ZK13-1 和ZKL7-12 钻井的测井曲线开展岩石物理分析，图8 为四口井的测井波阻抗曲线和钻井岩性的对比分析，蓝色的曲线为测井波阻抗曲线，棕色背景表示泥岩地层，黄色背景表示砂岩地层，可以看到，泥岩地层的波阻抗值偏低，砂岩区域的波阻抗值偏高，通过划定一个波阻抗阈值，可以大致区分泥岩地层和砂岩地层。进一步开展波阻抗曲线和电阻率曲线的交汇分析，如图9 所示，图中横轴为波阻抗值，纵轴为电阻率值，砂岩地层和泥岩地层依据波阻抗值和电阻率值投影到对应位置，分别用黄色点和棕色点表示，可以看到，泥岩大多对应低波阻抗值区域，砂岩大多对应高波阻抗值区域，通过划定波阻抗值（本文划定为3 950 m·s-1·g·cm-3），就可以实现岩性的划分。同时需要注意的是，由于泥岩和砂岩的波阻抗值存在部分重叠，因此利用波阻抗值划分岩性会存在一定的误差，但不会影响岩性发育整体规律的判别。

图8 松辽盆地HLJ 地区测井波阻抗曲线和钻井岩性对比分析Fig.8 Comparative analysis of logging wave impedance curve and drilling lithology in the HLJ area of Songliao Basin

图9 松辽盆地HLJ 地区测井曲线的波阻抗和电阻率交汇分析图Fig.9 The intersection analysis diagram of wave impedance and resistivity of logging curves in the HLJ area of Songliao Basin

依据测井曲线的岩石物理分析结果，通过设定波阻抗阈值（3 950 m·s-1·g·cm-3）区分砂岩和泥岩，即地层的波阻抗值小于3 950 m·s-1·g·cm-3的为泥岩地层，波阻抗值大于3 950 m·s-1·g·cm-3的为砂岩地层，据此可以实现波阻抗向岩性的转化，转化后的岩性解释结果如图10 所示，连井剖面的姚家组岩性解释结果如图11 所示，图中黄色到红色的过渡色代表砂体，红色表示波阻抗值较高的砂体，黄色表示波阻抗值较低的砂体，泥岩地层进行了透明显示。

图10 为四方台组、嫩江组和姚家组的三维岩性解释结果，由图可以看出，四方台组和嫩江组除顶部发育砂体外，主要以泥岩发育为主，在研究区的西南部，地层下部有零星砂体发育，规模较小；姚家组以砂岩地层为主，其中发育泥岩层，是研究区重点研究的岩性地层。

图10 松辽盆地HLJ 地区三维地震岩性解释结果Fig.10 3D seismic lithology interpretation results in the HLJ area of Songliao Basin

图11 为深度域连井剖面的姚家组地层岩性解释结果，由图可见姚家组以砂泥互层发育为主，主要发育有三套“泥-砂-泥”结构地层，分别命名为A、B 和C。与钻井的岩性结果对比可知，三维地震波阻抗反演的岩性解释结果与钻井结果基本相符，可以较好地识别出砂岩地层和泥岩地层，对于岩性地层的识别厚度可以达到5～10 m。

图11 松辽盆地HLJ 地区连井剖面的姚家组岩性解释结果Fig.11 Lithologic interpretation results of Yaojia Formation in the well-connected section in the HLJ area of Songliao Basin

2.5 铀成矿条件分析

基于钱家店铀矿床的实例［1］，进一步结合松辽盆地西南部的前人铀矿勘查成果［2，20，23-24］，总结了研究区利用三维地震勘探技术识别有利成矿砂体的标志，分别为：①找矿层位。研究区的找矿层位首选姚家组，其次为泉头组；②砂体厚度。研究区单层砂体需要具有适当的厚度，厚度在20～40 m 范围内最为适宜，同时砂体空间分布稳定；③“泥-砂-泥”结构。研究区砂体上下层要发育稳定的隔水层（泥岩或粉砂岩），构成“泥-砂-泥”的岩层结构。

2.5.1铀成矿有利层位优选

基于研究区有利成矿砂体的特征，优选研究区铀成矿有利层位。根据区域认识应首选姚家组地层，研究区的三维地震岩性解释结果也说明白垩系的四方台组、嫩江组以泥岩发育为主，仅在顶部发育部分砂岩地层，不符合成矿层的岩性特征，而姚家组以砂岩发育为主，且发育多套泥岩地层，符合成矿层的岩性特征，因此研究区找矿层位应以姚家组为主。

针对姚家组进一步优选有利层位，姚家组共发育A、B、C 三套“泥-砂-泥”地层，如图11所示，具体分析如下：

1）A 套地层

A 套地层为姚家组上段发育的一套“泥-砂-泥”地层结构，其中砂岩层厚度约60 m，上覆泥岩层主要以嫩江组泥岩为主，厚度超过200 m，下伏泥岩层为姚家组下段泥岩，厚度约20～40 m。该套地层虽然满足了“泥-砂-泥”地层结构，但是在砂体厚度方面，超出了有利成矿砂体的20～40 m 厚度范围，因此不作为优选的层位。

2）B 套地层

B 套地层为姚家组下段发育的一套“泥-砂-泥”地层结构，其中砂岩层厚度约20～40 m，在研究区稳定发育，上覆一套发育稳定的泥岩层，厚度约20～40 m，下伏一套发育较稳定的泥岩层，厚度约20～30 m。该套“泥-砂-泥”的互层结构，每层厚度均约20～40 m 且发育较稳定，其中中部的砂岩层为成矿提供了良好的储矿空间，上下的泥岩层为稳定的隔水层，与中部的砂岩层共同构成良好的成矿环境，符合研究区有利成矿砂体的特征，可以作为研究区的优选的有利成矿层位。

3）C 套地层

C套地层为姚家组下段发育的一套“泥-砂-泥”地层结构，其中砂岩层厚度约20～40 m，上覆和下伏泥岩层厚度约20～40 m。该套地层虽然满足了“泥-砂-泥”地层结构，砂体厚度也符合要求，但是砂体在空间上分布不稳定，部分砂体中发育约10 m 厚的泥岩层，致使砂体在空间上的连通性较差，不够稳定连续，因此不作为优选的层位。

综上所述，研究区优选的铀成矿有利层位应为姚家组下段上部发育的一套“泥-砂-泥”结构地层（即B 套地层），该套地层的底板埋深及厚度如图12 所示，图中a 为“泥-砂-泥”地层的底板埋深图，b 为“泥-砂-泥”地层的厚度，可见该套地层底板埋深约为605～635 m，自西向东埋深逐渐增加，厚度约为80～100 m，东北部地层厚度较薄，中部及东北部地层厚度较厚。

图12 松辽盆地HLJ 地区优选“泥-砂-泥”地层的底板埋深和地层厚度Fig.12 Bottom burial depth and formation thickness of the preferred "mud-sand-mud" combination in the HLJ area of Songliao Basin

2.5.2铀成矿有利区域优选

针对研究区优选的铀成矿有利“泥-砂-泥”地层，进一步优选铀成矿有利区域。基于前文所述的研究区有利成矿砂体特征，主要从“泥-砂-泥”地层中的砂体厚度和空间分布稳定性两个方面分析。

图13 为所述砂体的厚度和砂地比值图，图中a 为“泥-砂-泥”地层中部砂岩层的厚度分布，可见研究区内砂体的厚度范围基本为20～40 m，均符合有利成矿砂体的厚度特征，b为“泥-砂-泥”地层中部砂岩层厚度与“泥-砂-泥”地层厚度的比值图，该比值指示了“泥-砂-泥”地层中砂体所占地层厚度的比值，当比值过大时（＞0.4），说明“泥-砂-泥”地层中以砂体发育为主，上下泥岩层相对较薄，导致隔水层不够稳定，当比值过小时（＜0.3），说明“泥-砂-泥”地层中以泥岩发育为主，砂岩层相对较薄，导致铀矿化赋存空间或含铀含氧水活动通道受限，当砂体比值适当（0.3＜砂地比＜0.4）时，说明“泥-砂-泥”地层结构稳定，砂岩和泥岩在空间上稳定发育，可为铀成矿提供较好的岩性环境。

基于砂地比值，优选并圈定了研究区铀成矿有利区域，如图13 所示，优选的有利区域位于研究区南部，该区域内的砂体厚度约为25～30 m，砂地比约为0.3～0.4，“泥-砂-泥”地层结构稳定，具有较好的成矿前景，可进一步开展铀矿勘查工作。

图13 松辽盆地HLJ 优选“泥-砂-泥”地层的砂体厚度和砂地比Fig.13 Sand body thickness and sand to formation ratio of the preferred "mud-sand-mud" combination in the HLJ area of Songliao Basin

3 结论

1）在松辽盆地西南部HLJ 地区利用三维地震勘探技术基本查明了研究区主要找矿目的层姚家组的埋深和厚度情况，其中姚家组顶界面西南高东北低，埋深约在440～480 m 之间，姚家组上段底界面西高东低，埋深约在510～550 m 之间，姚家组底界面西高东低，埋深约在650～730 m 之间；姚家组西北薄东南厚，地层厚度约在210～270 m 之间，其中姚家组上段地层厚度约在65～95 m 之间，姚家组下段地层厚度约在140～200 m 之间。

2）在松辽盆地西南部HLJ 地区利用三维地震勘探技术基本查明了研究区姚家组的岩性发育情况，共划分出A、B、C 三套“泥-砂-泥”地层，并优选了B 套地层为研究区的铀成矿有利层位，其底板埋深约为605～635 m，厚度约为80～100 m。

3）在松辽盆地西南部HLJ 地区利用三维地震勘探技术基本查明了研究区姚家组B 套地层的砂岩层发育情况，并优选了研究区南部为铀成矿有利区，该区域的砂体厚度约为25～30 m，砂地比约为0.3～0.4，“泥-砂-泥”地层结构稳定，可为铀成矿提供较好的岩性环境，具有较好的成矿前景，可进一步开展铀矿勘查工作。