建场测深法在新疆布尔津盆地油铀勘探中的应用

2023-10-08白诗筠米晓利朱永山

地质与勘探 2023年5期

白诗筠，米晓利，杨俊，朱永山，张生

（中国石油集团东方地球物理公司，河北涿州 072751）

0 前言

油气和铀矿都是我国国民经济发展的重要资源，目前两种资源的对外依存度都偏高，国家十分重视油气勘探和铀矿勘探。鉴于两种资源在盆地中密切的赋存关系（汤超等，2017；张森等，2018；胡霞等，2019；郑欣等，2019；万军等，2020），中核集团、中石油集团都提出了“油铀兼探”的思路，一些单位先后在吐哈盆地、准噶尔盆地（万汉平等，2020；赵磊等，2021）、二连盆地（赵兴齐等，2019）等取得了很好的勘探成果。

布尔津盆地位于新疆北部阿尔泰山和萨吾尔山之间，是准噶尔盆地北部在华力西褶皱基底上发展演化而成的陆相新生代盆地。20 世纪70 年代末至80 年代初，新疆地矿局对该区进行了1∶20 万的地质填图和矿产普查工作；1982 年地矿部航空物探进行了1∶100 万的航空磁测工作，同时地矿部物探大队还对该区多年累计完成了1∶20 万重力及磁力的面积勘查工作，20世纪80年代晚期航空物探901队完成了包括布尔津区块在内的北疆大范围的1∶20万航空磁力测量，1993 年新疆石油管理局组队对邻区进行了地面油气地质调查工作。前人对本区的地质构造、岩石地球化学特征及油气成因等方面进行了大量的基础研究，已形成了丰富的成果认识（肖序常等，1992；袁明生，2002；梁云海等，2004；陈发景等，2005；肖文交等，2006；赵霞等，2008；毛治国等，2010）。以往勘探成果显示，该区缺失中生界，基本不具备油气勘探价值。

近年来，随着勘探力度的不断加大，在准噶尔盆地的多套层系中获得新的发现，特别是北疆石炭-二叠系火山岩裂缝、孔隙型油气藏的突破（索孝东等，2009；王君等，2010；刘俊田等，2011；范谭广，2020），使准噶尔盆地的油气勘探进入一个新的阶段（鲁海鸥等，2012；柳成志等，2012；柳波等，2013；于刚，2013；殷越等，2022）。盆地北部外围的布尔津地区也重新引起了油气勘探界的重视。有关研究表明，该区第三系地下水中铀含量普遍较高（李启荣，2000），具有较好的寻找铀矿的地质条件。本文以两条建场测深电法剖面为基础，进一步研究了布尔津盆地新生界、中生界、古生界二叠系、石炭系的地层分布规律，以分析该区深层油气和浅部铀矿的勘探潜力。

1 勘探区地质地球物理特征

1.1 构造及地层特征

布尔津盆地整体处于欧亚板块的腹部、西伯利亚板块和哈萨克斯坦板块的结合部位，南北分别以玛尔卡库里断裂和萨吾尔大断裂为界，西接斋桑盆地。盆地北部山区属于西伯利亚板块阿勒泰古陆，具有古-中元古代基底，发育中-深变质碎屑岩建造，经历多次强烈挤压变形，构造线方向主要为北西向，其岩浆活动极为强烈；盆地南部山区属于哈萨克斯坦板块准噶尔地块北缘增生带，具有中-新元古代基底，地层褶皱变形相对较弱，岩石变质程度较浅，岩浆侵入活动相对较弱，属海西中、晚期酸性侵入岩，地层褶皱形态相对较为开阔，主要构造为近东西向弧形构造带（图1）。

图1 北疆地区大地构造单元划分图Fig.1 Map showing division of tectonic units in northern Xinjiang1-研究区范围；2-中生界覆盖地块；3-中新生代凹陷；4-裂陷槽；5-弧后盆地；6-石炭纪造山带；7-中元古代基底；8-古元古代基底；9-深大断裂1-studyarea；2-Mesozoicoverlyingmassif；3-Meso-Cenozoicdepression；4-riftingtrough；5-back-arcbasin；6-Carboniferousorogenicbelt；7-Mesoproterozoic basin；8-Paleoproterozoic basement；9-deep faults

研究区周边主要出露石炭系、二叠系、第三系和第四系，地层情况如下：

（1）石炭系

石炭系下统：研究区东部以浅海相陆源碎屑沉积为主，岩性为钙质砂岩、粉砂岩夹砂砾岩；以南岩性为砂岩、凝灰砂岩、晶屑凝灰岩等，出露厚度4363 m。西部岩性为厚层状安山质凝灰岩、火山角砾岩、晶屑岩屑凝灰岩夹安山玢岩、沙凝灰质细砂岩、粉砂岩、凝灰岩等、出露厚度445 m。

石炭系中统：多出露于研究区东南部，其他地区零星分布，主要由中-中基性熔岩夹凝灰岩、凝灰砂岩等组成，出露厚度1450 m。

（2）二叠系

二叠系下统：该套层主要岩性为褐色、紫色、灰白色玄武玢岩、杏仁状安山玢岩、流纹岩、凝灰岩、凝灰砂岩、粉砂岩、炭质页岩等，出露厚度4541 m。

二叠系上统：该套层岩性有炭质泥质粉砂岩、硬砂岩、铁质砂岩夹煤层、凝灰岩、凝灰角砾岩及斑脱岩等，出露厚度952 m。

（3）第三系

下第三系（E）：该套层为一套河流-河湖相碎屑岩沉积，岩性为褐黄色-黄色石英砾岩-石英砂岩夹泥岩，其厚度变化比较大。

上第三系（N）：主要为河湖相碎屑沉积，岩性为淡红色-土黄色-灰白色泥岩、砾岩砂砾岩夹砂质泥岩。

（4）第四系

分布于山间洼地及山前地带，由砂、土、砾石及各种冲洪积物、坡积物和风积物等组成。

1.2 石油地质条件

（1）烃源岩分析

根据研究区内吉参1 井钻揭的地层情况，下二叠统卡拉岗组和上石炭统哈尔加乌组烃源岩具备一定的生烃能力。据测试，下二叠统卡拉岗组凝灰岩有机质丰度0.04%～0.09%，偏低，为非生油岩；泥岩及炭质泥岩有机质丰度0.61%～30.97%，达到中等-好生油岩。上石炭统哈尔加乌组的泥岩有机碳含量部分地区达到好生油岩范围，其有机质类型主要为Ⅱ型，热演化程度与泥盆系、石炭系相当，达到了高成熟-过成熟范围。

（2）储盖组合分析

布尔津盆地岩石类型多样，可作为储层研究对象的主要为上石炭统的恰其海组（C2q）砂岩、上石炭统统哈尔加乌组（C2h）的火成岩及火山碎屑岩、下二叠统卡拉岗组（P1k）的砂岩和裂缝发育的火成岩三套储集层。本区南部的准噶尔盆地石炭系裂缝火山岩储层研究表明，油气多分布在中酸性火山岩中，基性火山岩也有油气分布，爆发相火山角砾岩储集性能优于喷溢相，经过后期改造风化淋滤的储集性好。

研究区内发育上石炭统凝灰岩、泥岩，下二叠统凝灰岩、泥岩以及第三系泥岩三套盖层，具备油气富集的生储盖组合条件。

1.3 铀矿地质特征

准噶尔盆地东缘五彩湾-大井地区侏罗系以及盆地西缘车排子地区新近系沙湾组都显示较好的铀成矿潜力（万汉平等，2020；赵磊等，2021）。布尔津盆地与其具有近似的成矿地质条件，且已发现局部矿化点。外围广泛出露华力西期花岗岩，蚀源区的岩石因氧化作用而形成U6＋由降雨淋滤进入地下水中，形成富铀溶液并将其带入到砂层中。已有测试成果显示（李启荣，2000），古生代岩石中铀含量为（2.83～4.13）×10-6，华力西期花岗岩类铀含量为6.43×10-6，第三系砂体铀含量为（3.2～25.7）×10-6，浸出率为29.6%～87.1%，如此高的铀含量及浸出率为地下水在砂岩中富集铀奠定了基础。此外，其它盆地大量的测试分析表明，富铀的砂岩地层中一般都伴生较多的黄铁矿，这为采用激电类方法探测奠定了地球物理基础。

1.4 地球物理特征

为研究本区地层及岩石电阻率特征及变化规律，收集了布尔津盆地吉参1 井的电阻率测井资料（图2），电性特征分析如下：

图2 布尔津盆地吉参1井电测井曲线Fig.2 Electric logging curves of the well Jican 1 in the Burqin Basin

新生界电阻率值约45 Ω·m，整体表现为低阻特征；二叠系卡拉岗组平均电阻率值在335 Ω·m，该地层火成岩体较为发育，表现为高阻特征；上石炭统哈尔加乌组平均电阻率为198 Ω·m，该地层主要以碎屑岩发育为主，为一套相对低阻层；上石炭统恰其海组平均电阻率值在756 Ω·m，为次高阻层。不同地层明显的电阻率变化为采用建场测深法探测奠定了基础。

2 方法及应用效果

2.1 方法原理

建场测深法是一种时间域电磁测深方法（刘雪军，2003），利用长导线向地下发送不同频率的方波电流信号，在电流产生瞬间和关断瞬间，导电地层由于电流的突变在电磁感应作用下产生二次电磁场，用不极化电极采集电场信号或磁传感器（磁棒）采集磁场信号（图3），通过分析其变化规律，从而解决有关地质问题。高频电流信号反映浅部地层，低频电流信号反映深部地层，根据不同的探测目标可设计不同的激发频率信号。另外，该方法能够利用采集的高频段基波、谐波电场信号计算得到双频相位参数，该参数能够较好地反映极化效应强的矿体，黄铁矿就是一种典型的具有高极化特点的矿物，正是基于这一特点，选择本方法进行深浅目标的探测研究。

图3 浅层目标模型计算曲线响应Fig.3 Curve response calculated by shallow target modela-电阻率曲线；b-相位曲线a-resistivity curves；b-phase curves

2.2 模拟计算

为达到同时探测第三系浅层砂岩型铀矿及石炭系深层油气的目标，基于吉参1 井电阻率测井数据，使用俄罗斯的WLF 可控源电磁法正反演软件进行了数值模拟计算，该软件采用了基于有限元正演算法，具有人工图像交互运行显示的功能。针对第三系浅层探测，图3 模拟了假设目标埋深500 m、目标电阻率在5～100 Ω·m 之间变化时电阻率及相位曲线的变化特征，可以看出目标体异常在横轴时间窗口主要集中于0.02～0.05 s，对应频率为20～50 Hz。

针对石炭系深层油气勘探烃源岩目标，图4 模拟了假设目标埋深为2800 m，目标层电阻率在50～500 Ω·m 之间变化时电阻率及相位曲线的变化特征，可以看出目标体异常窗口主要集中在0.1～0.5 s，对应频率范围为2～10 Hz。

图4 深层目标模型计算曲线响应Fig.4 Curve response calculated by deep target modela-电阻率曲线；b-相位曲线a-resistivity curves；b-phase curves

2.3 工作布置与方法技术

为快速评价布尔津盆地的地质结构和地层赋存情况，部署了2 条近似垂直的建场测深格架测线（图5），测点距离为250 m，其中东西向测线长47 km，南北向测线长40 km。

野外数据采集工作分发射和接收两部分，收发距为8 km，采集仪器使用TFEM-3型200 kW 发射机和Hawk 电法采集站。发射信号由一个正向直流电流和一个负向直流电流组成，接收信号是一个正向衰减曲线和一个负向衰减曲线（图6）。在没有干扰时接收正负半周信号的叠加结果理论上为零，由于测线附近存在高压线和风力发电干扰，一些测点接收信号受到影响，这些电磁干扰以50 Hz 频率及其谐波为主，针对此种情况采用滑动平均50 Hz 陷波器进行滤波处理。

2.4 数据处理

建场测深法数据处理利用了收发距R与第一层厚度h1 不同比值情况下沿深度浮动分界面的的二层地电模型（ρ1，h1，ρ2）数值模拟算法，实现求解复杂的完整电磁场公式：

式（1）中：t是建场过程的时间，单位s；E（t）是测量的建场信号值，单位v/m；ΔV是标定信号的标准值，单位v；E是标定信号的幅值；J是电流信号幅值，单位A；R是收发距，单位m；AB是发射线源长度，单位m；S是测量线圈的等效面积，单位m2；φ是测点相对AB的方位角，单位°。

通过数值拟合计算，得到每个测点不同记录时间的视电阻率曲线ρ（t）（图7）。把每条测线上所有测点的视电阻率曲线进行组剖和反演，即可得到反映地下地层结构的电阻率深度剖面。

图7 求取的视电阻率曲线Fig.7 Obtained apparent resistivity curve

为研究浅部第三系地层砂岩型铀矿的情况，本文采取了利用高频信号基波及其谐波计算双频相位参数的办法，双频相位异常可以定性反映激发极化强弱，可以通过该参数来预测和评价与铀矿密切相关的高矿化水地层或高含浸染状黄铁矿地层的位置，进而对砂岩型铀矿做出评价和预测。双频相位计算公式如下：

式中，ω1是采集的基波频率，ω3是ω1的3次谐波的频率，单位赫兹，ω1<ω3，ϕ(ω1)表示基波的相位，ϕ(ω3)表示3 次谐波的相位，单位rad。计算结果如图8，剖面以0 值为界限划分为两个大的部分，0 值以上区域（红色）刻画了极化异常的有利位置。

图8 双频相位异常剖面Fig.8 Anomaly profile of dual frequency phase

2.5 应用效果分析

图9 、图10为NS测线的电阻率反演剖面及地质解释剖面，图11、图12为EW测线的电阻率反演剖面及地质解释剖面。结合研究区吉1井电性特征及周边地质情况，对两条建场测深剖面的总体电性特征及地层分布进行了解释（图9、图11），具体分析如下：

图9 NS测线电阻率反演剖面图Fig.9 Resistivity inversion profile of the NS-trending survey line

图10 NS测线地质解释剖面Fig.10 Geological interpretation of the NS-trending survey line1-断裂；2-中基性喷发岩；3-中酸性侵入岩1-faults；2-intermediate-basic eruption rocks；3-intermediate-acid intrusive rocks

图11 EW测线电阻率反演剖面图Fig.11 Resistivity inversion profile of the EW-trending survey

图12 EW测线地质解释剖面Fig.12 Geological interpretation of the EW-trending survey line1-断裂；2-中基性喷发岩；3-中酸性侵入岩1-faults；2-intermediate-basic eruption rocks；3-intermediate-acid intrusive rocks

NS 测线南端100～119 号测点段高阻层隆起，上面覆盖较薄的低阻层，109～119 号测点段高阻层出露地表，结合地质露头分析为花岗岩出露地表的反映，推测该测点段无下二叠统-上石炭统地层残留，为科克森套隆起。中南部至中北部121～230号测点段反演剖面从上至下发育低阻层、高阻层、相对低阻层、次高阻层、高阻层，经标定分别对应第四系-第三系、下二叠统卡拉岗组、上石炭统哈尔加乌组、上石炭统恰其海组、前上石炭统基底。表层蓝色层厚度横向变化大，沉积中心位于190号点附近，向两侧逐渐减薄，厚度约为150～500 m，对应第四系-第三系低阻层；其下黄绿色层厚度大且横向厚度变化不大，约为700～900 m，对应下二叠统卡拉岗组高阻层，以火山岩建造为主；中间蓝绿色层厚度较薄，厚度约为300～400 m，对应上石炭统哈尔加乌组相对低阻层，以碎屑岩建造为主；其下绿色层厚度较大，且横向厚度较稳定，厚度约为700 m，对应为上石炭统恰其海组次高阻层，以火山岩建造为主；底部红色高阻层对应前上石炭统基底，发育形态不规则的高阻体，推测为侵入岩的反映。因此推测121～230 号测点段为下二叠统-上石炭统残留坳陷，区域构造对应布尔津坳陷的吉塔勒凹陷。

北部231～260 号测点段高阻层隆起，部分地区高阻层出露地表，结合地质图露头分析为花岗岩出露地表的反映。高阻层上面覆盖较薄的低阻层和次高阻层，经标定分别对应第四系-第三系、上石炭统恰其海组。该测点段下二叠统和上石炭统地层被剥蚀严重，仅残留部分地层，区域构造对应布尔津坳陷的哈巴河凸起。

EW测线西部至中部100～246号测点段，反演剖面从上至下发育低阻层、高阻层、相对低阻层、次高阻层、高阻层，经标定分别对应第四系-第三系、下二叠统卡拉岗组、上石炭统哈尔加乌组、上石炭统恰其海组、前上石炭统基底。由物性特征分析，表层蓝色层横向厚度变化小，厚度约为400～500 m，对应第三系和第四系低阻层；其下黄绿色层厚度大，横向厚度变化为向东增大，约为800～900 m，对应下二叠统卡拉岗组高阻层，以火山岩建造为主；中间蓝绿色层厚度较薄，横向厚度变化为向东增大，约为400～500 m，对应上石炭统哈尔加乌组相对低阻层，以碎屑岩建造为主；其下绿色层厚度较大，横向厚度显著向东增大，厚度约为400～800 m，对应上石炭统恰其海组次高阻层，以火山岩建造为主。底部红色高阻层对应前上石炭统基底，发育向上刺穿的高阻体，推测为侵入岩的反映。因此推测100～246 号测点段为下二叠统-上石炭统地层发育较全，区域构造对应吉塔勒凹陷。

测线东部247～289 号测点段反演剖面从上至下发育低阻层、次高阻层、高阻层，经标定分别对应第四系-第三系、上石炭统恰其海组、前上石炭统基底。由物性特征分析，表层蓝色层厚度较小，横向厚度变化为向东减薄，厚度约为50～200 m，对应第三系和第四系低阻层；其下黄绿色层厚度较薄，横向厚度向东显著减薄，厚度约为450～150 m，对应为上石炭统恰其海组次高阻层，以火山岩建造为主。底部红色高阻层对应前上石炭统基底，发育形态不规则高阻体，推测为侵入岩的反映。因此推测247～289 号测点段为下二叠统-上石炭统地层被剥蚀严重，残留较薄，区域构造对应哈巴河凸起。

为对浅部地层含铀矿方面做出详细分析，单独对EW 测线高频段数据进行了单独反演成像（图13）和双频相位计算成图（图14）。该测线180～240 号测点红色方框部分低电阻率较厚，最大厚度在500 m以内，处于基底凸起的斜坡带上，180 号测点和250号测点处出现高值双频相位异常，分析认为属于有利铀成矿段。

图13 EW测线浅部反演电阻率剖面Fig.13 Inversion of resistivity profile from shallow part of the EW-trending survey line

图14 EW测线浅部双频相位异常Fig.14 Abnormal dual-frequency phase in shallow part of the EW-trending survey line

该测线最东侧有来自哈巴河凸起上高铀含量花岗岩的蚀源，第三系层间水自哈巴河凸起接受补给后，自东向西径流，遇哈巴河凸起运动受阻，测压水位抬升，压力向东传递，在断裂处以上升泉方式向上形成排泄窗。排泄窗一方面改变了层间水的动力条件，缩短了水循环周期，加大了水交替强度，使来自蚀源区的含铀、氧的地下水源源不断地补充到第三系砂体中。另一方面，排泄窗的减压脱气作用改变了水文地球化学环境，铀水迁移强度明显减小，铀自水中还原析出，沉淀富集于砂体中，从而易形成砂岩型铀矿，EW 测线中间北侧已知铀矿点的存在证明了该推测的正确性。